Brennstoffe und Rauchgasreinigung

Leitung

Dipl.-Ing. Barbara Klein

      Telefon:   0711 685-68930
  Telefax: 0711 685-63491
  E-Mail:
 

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Mitarbeiter/innen

M.Sc. Daniel Arana Benitez    0711 685-67760
Dipl.-Ing. Weronika Czelejewska 0711 685-67759   
M.Sc. Carole Harrivelle 0711 685-67761
CTA Nadine Hollfelder 0711 685-68918
M.Sc. Ida Masoomi 0711 685-63920
CTA  Kay Mechling 0711 685-68948 mail_kay.mec_ifk 
CTA Phuong Ngo 0711 685-65493 mail_phuo.ngo_ifk
Dipl.-Ing. (FH)   Wolfgang Roß 0711 685-68917 mail_wolf.ros_ifk 
M.Sc. Daniel Safai 0711 685-67248
Azubi Alexander    Sauer 0711 685-65493
M.Sc. Marc Oliver   Schmid 0711 685-63567  
M.Sc. Simone Zimmermann    0711 685-63546     mail_simo.zim_ifk
 

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Arbeitsschwerpunkte

Die Forschungsaktivitäten der Abteilung "Brennstoffe und Rauchgasreinigung" gliedern sich in die Teilbereiche Brennstoffcharakterisierung, Rauchgasreinigung und Messtechnik. Für die Durchführung der wissenschaftlichen Arbeiten stehen ein Brennstoff- und Aschelabor, Versuchsanlagen in Labor- und Technikumsmaßstab und die entsprechende Messtechnik für Großkraftwerksmessungen zur Verfügung.
 

Brennstoffcharakterisierung

Zur systematischen Charakterisierung von fossilen als auch regenerativen Brennstoffen werden verschiedene Laboranalysemethoden (weiter-) entwickelt und eingesetzt. Des Weiteren werden verschiedene Brennstoffe in den am Institut verfügbaren Labor- und Technikumsanlagen im Hinblick auf deren Eignung als Brennstoff zur Mono- oder Mitverbrennung untersucht und die Auswirkungen auf die Emissionen bzw. Rauchgasreinigungsanlagen bewertet. Als Ergänzung kann eine messtechnische Begleitung von Versuchsfahrten an existierenden Großanlagen durchgeführt werden, bei der verschiedene Messtechniken zur Beurteilung des Gesamtsystems eingesetzt werden können.

Rauchgasreinigung

Zur Reduzierung der Emissionen wie NOx, Staub, SO2, Schwermetalle (insbesondere Quecksilber) aus Feuerungsanlagen wird an der Optimierung und Weiterentwicklung von Rauchgasreinigungsanlagen gearbeitet. Im Bereich SCR-DeNOx-Katalysatoren werden neben neu entwickelten Katalysatormaterialien Aspekte wie Katalysatordeaktivierung in Verbindung mit Sekundärbrennstoffen, Quecksilberverhalten, NH3-Umsatz und deren gegenseitige Beeinflussungen untersucht. Bei Rauchgasentschwefelungsanlagen wird neben einem verbesserten Verständnis für die REA-Chemie insbesondere das Verhalten von Quecksilber für eine verbesserte und zuverlässige Quecksilberabscheidung in REAs betrachtet.

CO2-Abtrennung

Zur Abtrennung von CO2 bei fossil befeuerten Kraftwerken existieren mehrere Möglichkeiten. Eine davon ist die CO2-Abscheidung mittels Aminwäsche (post-combustion capture), die einen weiteren Schritt der Rauchgasreinigung darstellt. Bei unseren Arbeiten liegt der Focus auf der Erprobung und Entwicklung neuer Waschlösungen mit Aminen oder Aminosäuresalzen sowie auf der verfahrenstechnischen Optimierung bereits bestehender Technologien. Darüber hinaus werden neue verfahrenstechnische Konzepte entwickelt und erprobt. Dazu zählt unter anderem die Entwicklung eines Sprühwäschers zur CO2-Abtrennung der mit einem REA-Wäscher vergleichbar ist. Ziel aller Arbeiten ist dabei, das Kraftwerk und die CO2-Wäsche als Einheit zu betrachten, um eine optimale und aufeinander abgestimmte Lösung zu erreichen.

Neben der Behandlung von Rauchgasen wird ebenfalls die Abtrennung von CO2 aus Biogas untersucht. Das Ziel hierbei ist die Aufbereitung von Biogas mit zum Teil sehr hohem Gehalt an CO2 auf Erdgasqualität und die anschließende Einspeisung in das Erdgasnetz. Hierdurch dient das bestehende Erdgasnetz nicht nur zum Transport des erzeugten Methans zum Verbraucher, sondern ebenfalls als Speichermöglichkeit dieses erneuerbaren Energieträgers. Für die Abtrennung des CO2 werden zum Teil zur Rauchgasbehandlung vergleichbare, zum Teil spezifisch für diese Anwendung entwickelte Verfahren eingesetzt.

Messtechnik

Für die Untersuchung, Beurteilung und Optimierung von Verbrennungsprozessen und der sich daran anschließenden Rauchgasreinigungsanlagen stehen verschiedene Messtechniken zur Verfügung. Für die Messungen im Feuerraum und im Rauchgasweg werden gekühlte oder beheizbare Sonden eingesetzt. Es stehen Messgeräte für die Bestimmung von O2, CO2, CO, NOx, SO2, etc. zur Verfügung. Weiterhin werden sowohl diskontinuierliche als auch kontinuierliche Quecksilbermesstechniken zur Bestimmung der Quecksilberkonzentration und -speziation im Rauchgas eingesetzt und weiterentwickelt. Die zur Verfügung stehenden Messtechniken werden sowohl im Labor- und Technikumsmaßstab als auch bei Messungen in Großanlagen eingesetzt.

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Projekte

Laufende Projekte:
 
Nachfolgend stellen wir Ihnen unsere aktuellen Forschungsprojekte kurz vor. Da es sich dabei meist um Gemeinschaftprojekte mit mehreren Partnern handelt, wird hier nur auf die Aufgabe des IFK im jeweiligen Projekt eingegangen. Sollten Sie Fragen zu den Projekten haben, können Sie sich gerne an den jeweiligen Bearbeiter/die jeweilige Bearbeiterin oder Frau Barbara Klein wenden.
 
¤ Aufbereitung von Biogas mit Ionenaustauscherharzen und Latentwärmespeichermaterialien - ABIoLa - (BMBF)
Im vom BMBF im Rahmen der Förderinitiative „Materialforschung für die Energiewende“ geförderten Verbundprojekt wird am IFK ein innovatives Biogasaufbereitungsverfahren entwickelt. Dabei wird die Fähigkeit bestimmter Ionenaustauscherharze genutzt, CO2 aus der Gasphase zu binden. Das CO2 aus dem Biogas wird von den Harzen adsorbiert und das gereinigte Methan wird als Produktgas abgeleitet. Anschließend erfolgt die Regeneration des Adsorbers durch Spülung mit Luft. Dazu werden gezielt vom Projektpartner Purolite® hergestellte Harze untersucht, um unter anderem die Funktionsweise der CO2-Adsorption und Desorption klären zu können. Auch eine mögliche Degradation der Harze und ihre Ursachen soll betrachtet werden. Eine Verbesserung der Energieeffizienz des Verfahrens soll durch den Einsatz von Latentwärmespeichern (PCM) erfolgen. Da die Adsorption ein exothermer Prozess ist, ist die Wärmeintegration von besonderer Bedeutung für den Prozess. Hierzu soll unter anderem die Integration des PCM Materials in die Harzschüttung oder in die Kolonne untersucht werden. Diese nehmen während des Schmelzens Wärme aus der Umgebung auf und geben diese beim Unterschreiten der spezifischen Erstarrungstemperatur wieder ab und stellen sie der Regeneration des Harzes zur Verfügung. Durch diese Pufferung der Wärme könnte die zyklische Arbeitskapazität der Ionenaustauscherharze deutlich angehoben werden. Die PCM Materialien werden vom Projektpartner RUBITHERM® entwickelt und bereitgestellt. Das technisch einfach umzusetzende Verfahren arbeitet drucklos bei konstanter Temperatur und benötigt keine Chemikalien. Damit soll es auch kleineren Biogasanlagen die Möglichkeit zur Einspeisung des erneuerbaren Energieträgers Biomethan ins Erdgasnetz eröffnen.
 
¤ Aminosäuresalzlösungen zur Biogasaufbereitung mit innovativer Lösungsmittelregeneration - ABIGAIL - (FNR)
Ziel des Projekts ist die wissenschaftliche Untersuchung eines innovativen Biogasaufbereitungsverfahrens. Bei dem Verfahren handelt es sich um eine chemische CO2-Wäsche mit Aminosäuresalzlösungen. Die Regeneration der beladenen Waschlösung erfolgt durch eine Kombination aus Temperaturerhöhung und Spülen der Lösung mit Luft. Dadurch wird der CO2-Partialdruck während der Desorption gesenkt und es kommt bereits bei niedrigeren Temperaturen zu einer Regeneration der Waschlösung. Durch die im Vergleich zur herkömmlichen Aminwäsche niedrigere Prozesstemperatur, bei der eine Wärmeintegration möglich wäre, ermöglicht das Verfahren eine effiziente Biogasaufbereitung, die auch schon für kleine Biogasanlagen wirtschaftlich sein könnte. Ein weiterer Vorteil des niedrigen Temperaturniveaus und des Sorptivs liegt in der größeren Beständigkeit gegenüber Degradation. Im Rahmen des Projekts soll eine flexible Versuchsanlage im Technikumsmaßstab gebaut und betrieben werden. Zudem sollen relevante Stoffeigenschaften verschiedener Aminosäuresalzlösungen bestimmt werden, die für ein Upscale und eine computergestützte Prozesssimulation benötigt werden. Mittels der generierten Daten wird eine Prozesssimulation in durchgeführt, mit der der direkte Vergleich dieses Verfahrensprinzip mit den nach dem Stand der Technik angewandten Biogasaufbereitungsverfahren möglich ist.
Bearbeiterin: Barbara Klein
 
¤ SYMBIOSIS: Systematische Analyse innovativer Modelle zur bedarfsgerechten Biogasspeicherung und -nutzung unter Berücksichtigung der lokalen Infrastruktur in Baden-Württemberg (Bioökonomie Baden-Württemberg)
Momentan wird Biogas vorrangig zur Erzeugung von Grundlaststrom in Blockheizkraftwerken (BHKWs) verwendet. Hierbei findet oft nur eine unzureichende Wärmenutzung statt. Im Rahmen des Projekts werden weitere nachhaltige und flexible Wertschöpfungsketten für Biogas in Baden-Württemberg untersucht. Dafür werden technische Konzepte zur flexiblen, bedarfs- und standortgerechten Biogasspeicherung und -nutzung verglichen und bezüglich der Anwendung in Baden-Württemberg bewertet. Zu den betrachteten Nutzungskonzepten zählen: die Aufbereitung mit Einspeisung des Biomethans ins Erdgasnetz mittels verschiedener Aufbereitungsverfahren, die Aufbereitung und Nutzung in einer Direkttankstelle an der Biogasanlage, die Zwischenspeicherung mit bedarfsgerechter Verstromung in einem BHKW sowie weitere kombinierte flexible Verwertungskonzepte. Das Potenzial der jeweiligen Nutzungskonzepte wird durch eine modellbasierte Studie ermittelt. Die Betrachtung beinhaltet sowohl ein geografisches Modell der Situation in Baden-Württemberg wie auch verfahrenstechnische Modelle der Biogasnutzungskonzepte, die in einer Prozesssimulationssoftware abgebildet und verglichen werden. Die Definition der Szenarien und die Bewertungskriterien werden in Zusammenarbeit mit Fachleuten und der Öffentlichkeit erarbeitet.
Bearbeiter:  Tobias Schwämmle  
 
 ¤  Vergleich des Betriebsverhaltens von Ein- und Zweikreis-Rauchgasentschwefelungsanlagen (Industrie)
Durch experimentelle Untersuchungen an kontinuierlich betriebenen Ein- und Zweikreis REAs im Labor- und Technikumsmaßstab sowie an einer REA in einem Großkraftwerk werden diverse Vorgänge des REA Prozesses im Rahmen von Langzeitexperimenten genauer betrachtet und untersucht. Die Versuche beschäftigen sich dabei intensiv mit der Chemie des REA-Wäschers und sollen zu einem verbesserten Verständnis im Hinblick auf die Vorgänge bei der SO2-Abtrennung im Bereich des Absorbers und der REA-Sumpfsuspension führen. Von besonderer Bedeutung sind dabei dynamische Effekte in REAs aufgrund steigender Flexibilitätsanforderungen an fossil befeuerte Kraftwerke. Hierbei werden Phänomene wie der Langzeitverlauf des pH-Werts und des Redoxpotentials, Kalksteinblinding und das Verhalten von Quecksilber detailliert betrachtet.
Bearbeiter:  Silvio Farr, Barna Heidel  
 
 ¤  DEVCAT: Development of High Performance SCR-Catalysts Related to Different Fuel Types (EU-RFCS)
Die Reduktion der Stickoxide durch den Einsatz von SCR-DeNOx-Katalysatoren ist heute Stand der Technik. Dennoch stellen Biomassefeuerungen, die Mitverbrennung von Sekundärbrennstoffen oder die Verlängerung der Standzeit hohe Ansprüche an die verwendeten Katalysatoren. Im Rahmen des Projekts untersucht das IFK in Mikroreaktoruntersuchungen und Technikumsversuchen neu entwickelte Katalysatoren. Diese wurden hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, der Geometrie und durch den Einsatz von Nanomaterialien modifiziert. Während der Versuche werden insbesondere die am Katalysator parallel ablaufenden Reaktionen der Entstickung, Quecksilberoxidation und SO2/SO3-Konversion in verschiedenen Rauchgasatmosphären und deren Auswirkungen auf die nachgeschaltete Rauchgasreinigung ermittelt.
Bearbeiter:  Tobias Schwämmle  
 
 ¤  Chemische Absorptionsverfahren zur CO2-Abtrennung aus Rauchgasen - Post Combustion Carbon Capture (COORETEC)
Im Fokus steht die Erprobung und Bewertung eines optimalen Anlagenkonzeptes zur chemischen CO2-Abtrennung aus Rauchgasen mittels Aminwäsche (post combustion capture). Die Absorption über Packungskolonnen ist dabei in der chemischen Industrie seit vielen Jahren Stand der Technik. Dies bietet einen optimalen Ausgangspunkt für die Weiterentwicklung des Verfahrens, um den spezifischen Anforderungen fossiler CO2-freier Kraftwerke der Zukunft gerecht zu werden. Der Einsatz eines Sprühabsorbers stellt hierbei einen besonderen Vorteil dar. Durch die Entwicklung einer nachgeschalteten Sprühwäsche, die sich nicht nur durch eine hohe Flexibilität bei häufigem Lastwechsel des Kraftwerkes auszeichnet, sondern auch ein weitaus kostengünstigeres Verfahren darstellt, können bestehende Kraftwerke nachgerüstet werden. Die Sprühabsorption wird nach Versuchen im Labormaßstab im Technikumsmaßstab umgesetzt und ein Sprühwäscher mit einem Rauchgasvolumenstrom von 100 m3/h erprobt. Weiterhin werden zu Monoethanolamin (MEA) alternative aminbasierte Waschlösungen (Aminlösungen, Aminosäuresalze) getestet. Diese werden hinsichtlich ihres Energiebedarfs zur Regeneration bewertet. Durch Optimierung des Anlagenbetriebs wird zudem eine Einsparung der Regenerationsenergie erzielt. Das Projekt wird durch die Ermittlung geeigneter Materialien für die optimale Auslegung von Anlagenbauteilen abgerundet.
Bearbeiter/Bearbeiterin:  Oliver Seyboth, Simone Zimmermann  
 
Kürzlich abgeschlossene Projekte:
 
¤ Biogasaufbereitung durch den Einsatz von Aminosäuresalzen (FNR)
Im Rahmen des Projekts soll der Einsatz von Waschmitteln basierend auf Aminosäuresalzen zur Absorption von CO2 aus Biogas und ein innovatives Verfahren zur Regeneration des Waschmittels durch Luftspülung untersucht und angepasst werden. Ziel ist es, das Biogas ohne nennenswerte Methanverluste aufzubereiten und ins Erdgasnetz einzuspeisen. Gleichzeitig sollen der Energiebedarf und die Anlagen- bzw. Betriebskosten minimiert und die Technik der Biogasaufbereitung weiterentwickelt und verbessert werden. Durch die Reduktion der Aufbereitungskosten wäre der Einsatz auch auf kleineren Biogasanlagen möglich.
Bearbeiterin: Barbara Klein  
 
¤ CO2-Desorber (Industrie)
Untersuchung zur Regeneration von aminhaltigen Waschlösungen und Erprobung von Desorbervarianten
Bearbeiter: Oliver Seyboth  
 
¤ 2-stufiges Konzept zu fermentativen Produktion von Wasserstoff und Bioerdgas durch innovative Gasaufbereitung (BMBF)
Zur Reduktion der CO2-Emissionen ist der Einsatz von regenerativen Energiequellen ein wichtiger Faktor. Eine Möglichkeit stellt die fermentative Produktion und Aufbereitung von Biogas dar. In einem neuen 2-stufigen Verfahren soll fermentativ aus Biomasse Wasserstoff und Bioerdgas durch den Einsatz einer innovativen Gasaufbereitungstechnologie erzeugt werden. Dazu werden am IFK Laborversuche zur CO2-Abtrennung aus den beiden Produktgasen durchgeführt sowie die Aufbereitung von realem Biogas in einer Modellanlage untersucht. Des Weiteren wird der fermentative Schritt mit der Gasaufbereitung gekoppelt und labortechnisch über einen längeren Zeitraum zur Demonstration der Machbarkeit betrieben.
Bearbeiterin: Katharina Raab  
 
 ¤  DENOPT: Optimisation of SCR-DeNOx Catalyst Performance related to Deactivation and Mercury Oxidation (EU-RFCS)
Die Oxidation von Quecksilber an SCR-DeNOx-Katalysatoren ist von entscheidender Bedeutung im Hinblick auf die Abtrennung von Quecksilber aus dem Rauchgas. Dazu werden am IFK Mikroreaktoruntersuchungen und Technikumsversuche mit SCR-Katalysatoren durchgeführt und neue Katalysatorzusammensetzungen erprobt. Während der Versuche werden neben der Aktivität die Quecksilberoxidation und die SO2-SO3-Konversion ermittelt. Im Rahmen von Kraftwerksmessungen an SCR-DeNOx-Analgen wird der Einfluss der Deaktivierung auf die Entstickung, die Quecksilberoxidation und die Konversion von SO2 erfasst und bewertet.
 
 ¤  Grundlegende Untersuchungen zur Betriebsweise und zum Verhalten von Rauchgasentschwefelungsanlagen (Industrie)
Durch experimentelle Untersuchungen an einer Labor-REA, einer Technikums-REA sowie an einer REA in einem Großkraftwerk werden diverse Vorgänge des REA Prozesses im Rahmen von Langzeitexperimenten genauer betrachtet und untersucht. Die Versuche beschäftigen sich dabei intensiv mit der Chemie des REA-Wäschers und sollen zu einem verbesserten Verständnis im Hinblick auf die Vorgänge bei der SO2-Abtrennung im Bereich des Tropfenschwarms und der REA-Sumpfsuspension führen. Von besonderer Bedeutung sind dabei Phänomene wie der Langzeitverlauf des pH-Werts und des Redoxpotentials, Kalksteinblinding und das Verhalten von Quecksilber.
 
 ¤  MERCURYCAP: High capacity sorbents and optimization of existing pollution control technologies for mercury capture in industrial combustion systems (EU Coal and Steel)
Die sichere Abtrennung von Quecksilber ist von hoher Bedeutung zum Schutz der Umwelt und des Menschen. Eine Möglichkeit dabei ist die Abtrennung mittels Sorbentien, die dem Rauchgas zugegeben werden. Im Rahmen des Projekts werden neu entwickelte Sorbentien durch Technikumsversuche erprobt und bewertet. Ziel dabei ist eine zuverlässige und sichere Abtrennung von Quecksilber. Des Weiteren werden während den Versuchen Katalysatoren zur Quecksilber-Abtrennung und -Oxidation getestet.
 
 ¤  Entwicklung und Validierung eines Feuerraummodells zur simulationsgestützten Rostfeuerungsoptimierung (Industrie)
Zur sicheren Abschätzung von Betriebszuständen sowie von Umbaumaßnahmen ist ein zuverlässiges Simulationsmodell unumgänglich. Die Beschreibung von Rostfeuerungen, insbesondere Müllverbrennungsanlagen, ist auf Grund der Inhomogenität des Brennstoffs und der Brennstoffbewegung sehr komplex. Das IFK führt an einer Technikums-Rostfeuerung und einer großtechnischen Rostfeuerung Messungen durch, mit deren Hilfe ein Simulationsmodell erzeugt und validiert wird.
 
 ¤  CASTOR (EU)
Im Rahmen des Projekts wurde die Abtrennung von CO2 aus Kraftwerksrauchgasen mit wässrigen Aminlösungen untersucht. Dabei wurde neben neuen Lösungsmitteln (CASTOR-1 und CASTOR-2) auch eine Versuchsanlage im dänischen Esbjerg in Betrieb genommen (Abtrennkapazität 1t CO2/h). Das IFK baute während des Projekts eine Technikumsanlage (Abtrennkapazität 8kg CO2/h) auf und führte dort Versuche mit den Lösungsmitteln durch.
 
 ¤  Innovative Gasprozesstechnik zur Erzeugung von Erdgassubstitut aus Biomasse (MLR Baden-Württemberg; ZSW)
Biogas, das im Wesentlichen aus Methan und Kohlendioxid besteht, kann zu Erdgas aufbereitet und in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden. Entscheidend dabei ist eine effiziente und kostengünstige CO2-Abtrennung. Das IFK erprobt im Rahmen des Projekts ein innovatives Verfahren zur CO2-Abtrennung, mit dem die Gewinnung von Bioerdgas kostengünstig möglich sein soll.

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Veröffentlichungen

Veröffentlichungen 2017

Veröffentlichungen 2016

Veröffentlichungen 2015

Veröffentlichungen 2014

Veröffentlichungen 2013

Veröffentlichungen 2012

Veröffentlichungen 2011

weitere Veröffentlichungen

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