Beginnend mit der Klimarahmenkonvention aus dem Jahre 1992 rückt ein Klimawandel durch die Emission anthropogener Treibhausgase zunehmend in den Fokus gesellschaftlichen und politischen Handelns. Insbesondere die Erzeugung elektrischer Energie mittels fossiler kohlenstoffhaltiger Brennstoffe ist seitdem Gegenstand fokussierter Forschung zur Verminderung von CO2-Emissionen. Ein langfristig nachhaltiges Ziel ist die Umstellung auf Formen der elektrischen Energieerzeugung ohne die Freisetzung von CO2 (erneuerbare Energien aus Sonne, Wind und Wasser). Diese Energieformen stellen zum aktuellen Zeitpunkt einen geringen Teil der globalen Energieerzeugung dar. Eine Erhöhung dieses Anteils ist mit verschiedenen technischen und ökonomischen Hürden versehen, so dass die Umstellung Zeit benötigt. Die Einhaltung des 2-Grad-Ziels und die Begrenzung der mittleren CO2-Konzentration in der Atmosphäre erfordert jedoch eine schnellere Begrenzung des Treibhausgasausstoßes. Daher wird in Betracht gezogen für eine Übergangszeit die Emissionen fossil gefeuerter Kraftwerk zu speichern. Diese Abscheidetechnologien sind unter dem Begriff CCS (von engl. carbon capture and storage) zusammengefasst. Die Oxy-Fuel- Verbrennung, die Verbrennung mit reinem Sauerstoff an Stelle von Luft, ist eine dieser Technologien und Gegenstand dieser Arbeit.
Am Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK) der Universität Stuttgart wurden im Rahmen eines nationalen Verbundprojektes Verbrennungsversuche an einer 150 kWth zirkulierenden Wirbelschichtversuchsanlage durchgeführt. An Hand dieser Versuche wurde der Einfluss der Parameter Sauerstoffüberschuss, Verbrennungstemperatur und Eingangssauerstoffkonzentration im Vergleich zwischen Luft- und Oxy-Fuel-Verbrennung untersucht. Die Ergebnisse aus dem Versuch wurden hierbei mit Grundlagenuntersuchungen sowie mit Resultaten anderer Forschungsgruppen verglichen. Die Zusammenhänge zwischen Betriebsparametern und feuerungstechnischen Bewertungsgrößen wurden dargestellt und die zu Grunde liegenden Mechanismen identifiziert.
Im Speziellen wurden die Spezies CO, NOx, SO2, CO2 und O2 im Rauchgas gemessen, sowie die Anteile organischen Kohlenstoffs im umlaufenden Bettmaterial und in der Flugasche untersucht. Hierbei zeigte sich bezüglich Sauerstoffüberschuss und Verbrennungstemperatur im Fall der Oxy-Fuel-Verbrennung erwartungsgemäß ein ähnliches Verhalten wie bei der Luftfeuerung.
Durch den hohen CO2-Partialdruck am Brennkammerende wird die homogene CO-Oxidation beschränkt und es treten höhere CO-Konzentrationen auf. Der Anteil festen Kohlenstoffs in der Flugasche weist einen von den CO-Konzentrationen unabhängigen Verlauf auf. Bei einer Erhöhung der Eingangssauerstoffkonzentration kann ein unveränderter Ausbrand bexiii obachtet werden.
Die Rauchgasrezirkulation hat bei der Oxy-Fuel-Verbrennung den größten Einfluss auf die untersuchten Größen. So führt diese zu einer schneller ablaufenden Entschwefelung. Wird die Rauchgasrezirkulation reduziert, werden auch die hierdurch hervorgerufenen Effekte abgeschwächt. Dies führt unter anderem zu einer Abnahme der Reduzierung von Stickoxiden bei einer Erhöhung der Eingangssauerstoffkonzentration im Oxy-Fuel-Fall.
Die durchgeführten Versuche zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Stand der Grundlagenforschung sowie Ergebnissen aus Technikumsversuchen anderer Forschungsgruppen. Der aktuelle Stand der Forschung konnte im Rahmen der Arbeit um den Einfluss einer Erhöhung der Eingangssauerstoffkonzentrationen bzw. der damit verbundenen Verringerung der Rauchgasrezirkulation erweitert werden. Zudem wurde eine abschließende Bewertung der Übertragbarkeit auf Anlagen im industriellen Maßstab durchgeführt. Die Realisierbarkeit des Oxy-Fuel-Prozesses in der zirkulierenden Wirbelschicht und die sehr gute Eignung als Verfahren zur CO2-Abscheidung aus Rauchgasen kohlegefeuerter Kraftwerke konnte bestätigt werden.