Fossile Energieträger haben aufgrund ihrer weltweiten Verbreitung und wirtschaftlichen Verfügbarkeit einen großen und verlässlichen Beitrag an der Energieversorgung. Die Technologien wurden ständig weiterentwickelt um zum Einen den spezifischen Verbrauch zu reduzieren und zum Anderen die Umwelteinflüsse wie Staub-, Schwefel- und Stickstoffoxidemissionen zu minimieren.
Moderne Kohlekraftwerke emittieren ca. 750g/kWh CO2 bei einem Wirkungsgrad von rd. 46%. Diese hohen spezifischen CO2-Emissionen und die Tatsache, dass Kohle weiterhin eine weltweit hohe wirtschaftliche Verfügbarkeit besitzt, legen nahe für diese Kraftwerke Technologien zur CO2-Abscheidung und langfristigen CO2-Speicherung zu entwickeln.
Die in der Entwicklung befindlichen Technologien firmieren unter der Bezeichnung „Carbon Capture and Storage“ kurz CCS-Technologien; diese stellen hierbei eine mittelfristig realisierbare Möglichkeit dar, die Kohle weiterhin klimaverträglich zur Energieversorgung zu nutzen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der so genannten „Oxyfuel-Technologie“, hierbei wird Sauerstoff anstelle von Luft für die Verbrennung verwendet. Dies führt zu hohen CO2-Konzentrationen im Abgas und begünstigt somit die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses. Um die Verbrennungstemperaturen im Feuerraum und die Wärmeübertragung zu kontrollieren werden Rauchgase in den Feuerraum zurückgeführt. Eine zentrale Aufgabenstellung der Arbeit bestand darin, die Auswirkungen der Rauchgasrezirkulation auf das Verbrennungsverhalten und auf die Schadstoffbildung zu untersuchen.
Die Schwerpunkte der Untersuchungen bilden die Abbrandcharakteristik und die Bildung und Reduktion von Stickstoff- und Schwefeloxiden in einer CO2-reichen Atmosphäre. Neben einer Variation der Verbrennungsatmosphäre (Luft bzw. CO2-reich) wurden Kohlen mit Unterschieden im Inkohlungsgrad, des Stickstoff- und Schwefelgehalts, der Aschemenge und der Aschezusammensetzung verwendet. Durch die gezielte Auswahl der Einsatzstoffe können aus den Ergebnissen für ein breites Brennstoffband umfangreiche Erkenntnisse abgeleitet werden.
Um die geplanten Parametervariationen erfolgreich durchzuführen, wurde ein für Luftverbrennung am Institut verfügbarer Reaktor um die Erfordernisse der Oxyfuel-Verbrennung erweitert. Adaptionen waren im Wesentlichen bei der Sauerstoff- und CO2-Zuführung am Brenner sowie für eine Sauerstoffstufung im Feuerraum erforderlich. Darüber hinaus wurden Möglichkeiten geschaffen, um NO und SO2 gezielt den Verbrennungsgasen beizumischen, um so die Auswirkungen einer Rezirkulation dieser Komponenten auf Feuerraum- und Abgaskonzentrationen zu untersuchen. Neben Standardkomponenten wie O2, CO2, CO, NO, NOx, SO2 wurden insbesondere im Brennernahfeld die Komponenten NH3, HCN und H2S gemessen.
In einem ersten Schritt wurden im Vergleich zu Verbrennungsversuchen mit Luft drei Feuerungseinstellungen mit unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen (21, 27 und 35 Vol.%) im Verbrennungsgasgemisch (O2/CO2) durchgeführt (Kapitel 5). In Übereinstimmung mit anderen Publikationen konnte gezeigt werden, dass die Abbrandcharakteristik der 27% Oxyfuel-Einstellung große Übereinstimmungen mit der konventionellen Luftverbrennung aufweist. Vor diesem Hintergrund konzentrierte sich ein Großteil der vergleichenden Parameterstudien in den folgenden Abschnitten auf diese beiden Einstellungen (Luft bzw. 27%O2,73%CO2).
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen unterstrichen, dass eine belastbare vergleichende Diskussion und Darstellung der Luft- und Oxyfuel-Einstellungen mit der bisher verwendeten Maßeinheit mg/m³ i.N nicht zielführend ist. Für vergleichende Betrachtungen wird somit die Schadstofffracht in mg/MJ am Feuerraumende herangezogen.
In den weiteren Kapiteln 6 und 7 wird gezielt auf die Bildung und Reduktion der Stickoxide eingegangen. Umfangreiche Profilmessungen der Komponenten NO, CO, NH3 und HCN bei variierenden Verweilzeiten (1s, 2s, 3s) und Sauerstoff- zu Brennstoff-Verhältnissen (0,75, 0,85, 0,95, 1,15) in einer Primärreaktionszone bilden hier die Basis der Untersuchungen. Darüber hinaus wurde eine mittelflüchtige und hochflüchtige Steinkohle (Klein Kopje, Ensdorf) sowie zwei Braunkohlen aus dem Rheinischen und Lausitzer Revier eingesetzt. Anhand der umfangreichen Datenbasis konnte gezeigt werden, dass auch in einer CO2-reichen Oxyfuel-Atmosphäre die sauerstoffgestufte Verbrennung ein probates Mittel darstellt, um die NO-Bildung aus Brennstoff-Stickstoff zu minimieren. Für alle eingesetzten Kohlequalitäten konnten bei Anwendung der Sauerstoffstufung Umwandlungsraten zu NO von weniger als 10% erzielt werden.
In Kapitel 7 wurde untersucht, inwieweit mit den abgekühlten Rauchgasen rezirkuliertes NO in der Primär- und Ausbrandzone einer Feuerung bei ungestufter und gestufter Feuerungsführung reduziert wird. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl für die mittel- wie auch hochflüchtigen Kohlen bereits bei ungestufter Verbrennung eine Reduktion von ca. 50% und bei Sauerstoff- zu Brennstoff-Verhältnissen von kleiner 0,95 in der Primärzone Reduktionsraten von 80 bis 100% erzielt werden können.
Die im Rahmen von Kapitel 6 und 7 durchgeführten Untersuchungen verdeutlichen, dass die in einzelnen Versuchsanordnungen mit realer Rauchgasrezirkulation ermittelten verringerten NO-Frachten im Wesentlichen auf die Reduktion von rezirkuliertem NO in der Flamme zurückzuführen sind. Dieser Sachverhalt erklärt auch die starke Schwankungsbreite der bisher veröffentlichten Datenbasis, da das Reduktionspotential sowohl von der rezirkulierten Rauchgasmenge wie auch stark von den lokalen Sauerstoff- zu Brennstoff-Verhältnissen im Brennernahfeld abhängig ist.
Eine Vielzahl der in der Arbeit erzielten Ergebnisse unterstreichen, dass eine primärseitige NO-Reduktion durch gestufte Verbrennung unter Oxyfuelbedingungen ein großes Potential hat und für ein breiteres Brennstoffband effizient angewendet werden kann.
Das Verhalten von Schwefel im Hochtemperaturbereich der Feuerung und entlang des Rauchgasweges wird in Kapitel 8 betrachtet. Grundsätzlich konnte gezeigt werden, dass unabhängig von der Verbrennungsatmosphäre der im Brennstoff enthaltene Schwefel weitgehend zu SO2 umgewandelt wird. Es lässt sich auch kein nennenswerter Zusammenhang zwischen einer CO2-reichen Atmosphäre und der Bildung von H2S im Brennernahbereich ableiten.
Es werden vielmehr aufgrund der deutlich erhöhten SO2-Konzentrationen unter Oxyfuel-Bedingungen insbesondere für hochflüchtige Brennstoffe höhere H2S-Konzentrationen im Brennernahfeld gemessen. Neben dem Sauerstoff- zu Brennstoff-Verhältnis im Brennernahfeld hängt die erzielte H2S-Konzentration vor allem von der SO2-Konzentration im Feuerraum und der Kohlequalität ab. So wurde z.B. für eine hochflüchtige Steinkohle (Ensdorf) eine Umwandlungsrate zu H2S von 44% bestimmt, während für die mittelflüchtige Steinkohle (Klein Kopje) nur eine Umwandlungsrate von 11% ermittelt wurde.
Um das Potential der Eigeneinbindung von Schwefel in die Flugasche der jeweiligen Kohle zu untersuchen wurde die SO2-Konzentration im Rauchgas über einen Bereich von 500 vppm bis 4000 vppm variiert. Das Ca/S-Verhältnis der Brennstoffe lag zwischen 1,03 und 3,96. Die Eigeneinbindung des Schwefels steigt unter Oxyfuel-Bedingungen deutlich an und ist verursacht durch die prozessbedingten höheren SO2-Konzentrationen.
Die Untersuchungsergebnisse unterstreichen, dass für eine Betrachtung der Schwefelbilanz die Eigeneinbindung verstärkt zu berücksichtigen ist. Die erhöhte Eigeneinbindung und der damit verbundene erhöhte SO3-Anteil in der Asche sollte auch im Hinblick auf die weiteren Verwertungswege berücksichtigt werden. Dieser Sachverhalt gilt insbesondere für die Steinkohleaschen, die üblicherweise unter Berücksichtigung der EN 450 der Zementherstellung zugeführt werden.
Abschließend werden die Untersuchungsergebnisse kapitelübergreifend zusammengefasst und diskutiert sowie Empfehlungen für ein weiteres Vorgehen abgeleitet.