Die weltweit steigende Nachfrage nach Energie sowie die zunehmende Diskussion um
die Einsparung von Kohlendioxid bei der Erzeugung von Wärme und elektrischer
Energie rücken konventionelle Kraftwerke, bei denen aus fossilen Brennstoffen Strom
und ggf. Wärme erzeugt werden, in den Fokus. Durch den von der Politik
beschlossenen Ausstieg aus der Atomkraft und der Verstromung von Kohle wird die
Versorgungslage in vielen Teilen Deutschlands schwieriger.
Die erneuerbaren Energien, wie z.B. die Nutzung von Solar und Windkraft, können
ohne geeignete Speicherlösungen aufgrund der zeitlichen Fluktuation des
Energieangebots diese Lücke nur bedingt schließen. Zudem liegen die großen
Windparks, die das Potential haben große konventionelle Kraftwerke zu ersetzen,
vorwiegend an den Küsten in Norddeutschland. Aufgrund der begrenzten Kapazität
der Übertragungsnetze kann die hier erzeugte Energie jedoch nur bedingt zu den
industriellen Zentren wie im Ruhrgebiet und Süddeutschland transportiert werden.
Daher bietet es sich an, die bestehenden Steinkohlefeuerungen, denen durch den
geplanten Ausstieg aus der Kohleverstromung die Betriebsgrundlage entzogen wird,
auf Biomasse umzustellen.
Aufgrund der großen Brennstoffmengen sowie der im Einsatz befindlichen
Staubfeuerungstechnik ist nicht jede Biomasse geeignet. Maßgeblich sind die
Verfügbarkeit, die Energiedichte sowie die Nutzbarkeit in einer Staubfeuerung. Als
aussichtsreich aufgrund der Energiedichte, die mit Trockenbraunkohle vergleichbar ist,
haben sich hier Pellets aus Holz und Agrarreststoffen wie z.B.
Sonnenblumenkernschalen gezeigt.
Durch die Lage der Steinkohlekraftwerke an der Küste oder Flüssen, die bisher
bereits für den Transport der Kohle verwendet werden, ist die Logistik für den
Transport von Biomasse in Form von Pellets bereits vorhanden.
Die notwendigen Modifikationen der bestehenden Kraftwerksblöcke begrenzen sich
überwiegend auf die Brennstoffvorbereitung. Hier werden angepasste
Brennstoffmühlen benötigt, die den Verbund der Biomassefaser im Pellet wieder
auflösen.
Der Einsatz von Biomasse in konventionellen Staubfeuerungen bietet den Vorteil, dass
der Brennstoff als CO2-neutral gilt, da die freigesetzten Mengen dem entsprechen, was
die Pflanzen während ihres Wachstums aus der Atmosphäre abgeschieden haben.
Zudem führt der Einsatz von Biomassen zu einer deutlichen Reduktion der aus dem
Verbrennungsprozess anfallenden Aschemassenströme.
Neben den Vorteilen birgt der Einsatz von Biomassen auch diverse Nachteile. So
enthalten die meisten Biomassen deutlich höhere Konzentrationen an Phosphor und
Alkalimetallen, die im Bereich der Feuerung und des Dampferzeugers durch Korrosion
zu Schäden und höheren Betriebskosten führen, und in den nachgeschalteten
Aggregaten der Rauchgasreinigung ebenfalls negative Auswirkungen haben. Dies gilt
besonders für den SCR-DeNOx-Katalysator, im Folgenden DeNOx-Katalysator
genannt, der in den meisten Staubfeuerungen zur Reduktion der Stickoxide aus dem
Verbrennungsprozess verbaut ist. Dieser Katalysator besteht in der Regel aus einer
Matrix aus Titandioxid, die mit aktiven Komponenten wie z.B. Vanadiumpentoxid
dotiert ist. So führen Phosphorverbindungen zu einem Verkleben der Poren und somit
zu einer Reduktion der Katalysatoroberfläche. Dieser Prozess ist jedoch mit
geeigneten Maßnahmen reversibel. Im Gegensatz dazu ist die Deaktivierung des
Katalysators, die durch Kaliumverbindungen hervorgerufen wird, nicht umkehrbar.
Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Einfluss von Additiven, die
dem Verbrennungsprozess zugegeben werden, um die negativen Effekte auf den
Katalysator zu reduzieren. Hierzu gibt es in der Literatur unterschiedlichste Ansätze,
wobei in dieser Arbeit der Ansatz der Einbindung in alumino-silikatische Strukturen
anhand von experimentellen Untersuchungen näher betrachtet wird.
Die Arbeit gliedert sich in drei Teile, beginnend mit der Charakterisierung der
Brennstoffe und Additive im Labormaßstab. Im zweiten Teil werden, basierend auf den
Daten aus den Untersuchen, die im ersten Teil durchgeführt wurden, Berechnungen
mit FactSageTM zum Freisetzungs- bzw. Einbindungsverhalten der Alkaliverbindungen
durchgeführt. Im dritten Teil der Arbeit folgen anschließend Untersuchungen an einem
Flugstromreaktor sowie einer Staubfeuerung, um unter realen Bedingungen die
Aussagen des zweiten Teils der Arbeit zu verifizieren. Neben den Analysen, die direkt
während der Versuchsreihen erfolgten, wie z.B. Emissionsmessungen, wurden auch
Asche- und Katalysatorproben im Nachgang mittels Rasterelektronenmikroskop
untersucht und ausgewertet.
Die Untersuchungen zeigen, dass durch den Einsatz von Additiven auf aluminosilikatischer Basis eine schnelle und stabile Einbindung des im Brennstoff gebundenen
Kaliums im Bereich der Verbrennungsreaktion erfolgt.
Zudem hat sich gezeigt, dass ebenfalls im Brennstoff vorkommende
Chlorverbindungen, aufgrund des fehlenden Reaktionspartners Kalium, zu einer
erhöhten HCl-Konzentration im Verbrennungsabgas führen. Dies kann, neben
Emissionsproblemen bei Unterschreiten des Säuretaupunkts, zur Korrosion mit
metallischen Werkstoffen führen.
Die gewonnenen Erkenntnisse aus den Versuchsreihen zeigen, dass beim Einsatz von
Additiven auf alumino-silikatischer Basis die Bildung von Kaliumchlorid bei der
thermischen Umwandlung der untersuchten Biomassen deutlich reduziert und das
Kalium stabil in das Additiv eingebunden werden kann.
die Einsparung von Kohlendioxid bei der Erzeugung von Wärme und elektrischer
Energie rücken konventionelle Kraftwerke, bei denen aus fossilen Brennstoffen Strom
und ggf. Wärme erzeugt werden, in den Fokus. Durch den von der Politik
beschlossenen Ausstieg aus der Atomkraft und der Verstromung von Kohle wird die
Versorgungslage in vielen Teilen Deutschlands schwieriger.
Die erneuerbaren Energien, wie z.B. die Nutzung von Solar und Windkraft, können
ohne geeignete Speicherlösungen aufgrund der zeitlichen Fluktuation des
Energieangebots diese Lücke nur bedingt schließen. Zudem liegen die großen
Windparks, die das Potential haben große konventionelle Kraftwerke zu ersetzen,
vorwiegend an den Küsten in Norddeutschland. Aufgrund der begrenzten Kapazität
der Übertragungsnetze kann die hier erzeugte Energie jedoch nur bedingt zu den
industriellen Zentren wie im Ruhrgebiet und Süddeutschland transportiert werden.
Daher bietet es sich an, die bestehenden Steinkohlefeuerungen, denen durch den
geplanten Ausstieg aus der Kohleverstromung die Betriebsgrundlage entzogen wird,
auf Biomasse umzustellen.
Aufgrund der großen Brennstoffmengen sowie der im Einsatz befindlichen
Staubfeuerungstechnik ist nicht jede Biomasse geeignet. Maßgeblich sind die
Verfügbarkeit, die Energiedichte sowie die Nutzbarkeit in einer Staubfeuerung. Als
aussichtsreich aufgrund der Energiedichte, die mit Trockenbraunkohle vergleichbar ist,
haben sich hier Pellets aus Holz und Agrarreststoffen wie z.B.
Sonnenblumenkernschalen gezeigt.
Durch die Lage der Steinkohlekraftwerke an der Küste oder Flüssen, die bisher
bereits für den Transport der Kohle verwendet werden, ist die Logistik für den
Transport von Biomasse in Form von Pellets bereits vorhanden.
Die notwendigen Modifikationen der bestehenden Kraftwerksblöcke begrenzen sich
überwiegend auf die Brennstoffvorbereitung. Hier werden angepasste
Brennstoffmühlen benötigt, die den Verbund der Biomassefaser im Pellet wieder
auflösen.
Der Einsatz von Biomasse in konventionellen Staubfeuerungen bietet den Vorteil, dass
der Brennstoff als CO2-neutral gilt, da die freigesetzten Mengen dem entsprechen, was
die Pflanzen während ihres Wachstums aus der Atmosphäre abgeschieden haben.
Zudem führt der Einsatz von Biomassen zu einer deutlichen Reduktion der aus dem
Verbrennungsprozess anfallenden Aschemassenströme.
Neben den Vorteilen birgt der Einsatz von Biomassen auch diverse Nachteile. So
enthalten die meisten Biomassen deutlich höhere Konzentrationen an Phosphor und
Alkalimetallen, die im Bereich der Feuerung und des Dampferzeugers durch Korrosion
zu Schäden und höheren Betriebskosten führen, und in den nachgeschalteten
Aggregaten der Rauchgasreinigung ebenfalls negative Auswirkungen haben. Dies gilt
besonders für den SCR-DeNOx-Katalysator, im Folgenden DeNOx-Katalysator
genannt, der in den meisten Staubfeuerungen zur Reduktion der Stickoxide aus dem
Verbrennungsprozess verbaut ist. Dieser Katalysator besteht in der Regel aus einer
Matrix aus Titandioxid, die mit aktiven Komponenten wie z.B. Vanadiumpentoxid
dotiert ist. So führen Phosphorverbindungen zu einem Verkleben der Poren und somit
zu einer Reduktion der Katalysatoroberfläche. Dieser Prozess ist jedoch mit
geeigneten Maßnahmen reversibel. Im Gegensatz dazu ist die Deaktivierung des
Katalysators, die durch Kaliumverbindungen hervorgerufen wird, nicht umkehrbar.
Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Einfluss von Additiven, die
dem Verbrennungsprozess zugegeben werden, um die negativen Effekte auf den
Katalysator zu reduzieren. Hierzu gibt es in der Literatur unterschiedlichste Ansätze,
wobei in dieser Arbeit der Ansatz der Einbindung in alumino-silikatische Strukturen
anhand von experimentellen Untersuchungen näher betrachtet wird.
Die Arbeit gliedert sich in drei Teile, beginnend mit der Charakterisierung der
Brennstoffe und Additive im Labormaßstab. Im zweiten Teil werden, basierend auf den
Daten aus den Untersuchen, die im ersten Teil durchgeführt wurden, Berechnungen
mit FactSageTM zum Freisetzungs- bzw. Einbindungsverhalten der Alkaliverbindungen
durchgeführt. Im dritten Teil der Arbeit folgen anschließend Untersuchungen an einem
Flugstromreaktor sowie einer Staubfeuerung, um unter realen Bedingungen die
Aussagen des zweiten Teils der Arbeit zu verifizieren. Neben den Analysen, die direkt
während der Versuchsreihen erfolgten, wie z.B. Emissionsmessungen, wurden auch
Asche- und Katalysatorproben im Nachgang mittels Rasterelektronenmikroskop
untersucht und ausgewertet.
Die Untersuchungen zeigen, dass durch den Einsatz von Additiven auf aluminosilikatischer Basis eine schnelle und stabile Einbindung des im Brennstoff gebundenen
Kaliums im Bereich der Verbrennungsreaktion erfolgt.
Zudem hat sich gezeigt, dass ebenfalls im Brennstoff vorkommende
Chlorverbindungen, aufgrund des fehlenden Reaktionspartners Kalium, zu einer
erhöhten HCl-Konzentration im Verbrennungsabgas führen. Dies kann, neben
Emissionsproblemen bei Unterschreiten des Säuretaupunkts, zur Korrosion mit
metallischen Werkstoffen führen.
Die gewonnenen Erkenntnisse aus den Versuchsreihen zeigen, dass beim Einsatz von
Additiven auf alumino-silikatischer Basis die Bildung von Kaliumchlorid bei der
thermischen Umwandlung der untersuchten Biomassen deutlich reduziert und das
Kalium stabil in das Additiv eingebunden werden kann.