Charakterisierung des Abbrandverhaltens von Braunkohlen in einer O2/CO2-Atmosphäre
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgesellschaft geförderten Forschungsvorhabens wurde das Abbrandverhalten von drei Braunkohlen in Luft- und O2/CO2-Atmosphären untersucht. Hierfür wurde eigens eine 20 kWth atmosphärische Laborverbrennungsanlage ALVA 20 aufgebaut, die sich durch eine turbulente Gasströmung und hohe Aufheizraten auszeichnet. Ein Vorteil der neu entwickelten Untersuchungsmethode liegt in der Erfassung des gesamten Verbrennungsverlaufs. Die Teilphasen Zündung, Verbrennung der Flüchtigen und der anschließende Koksabbrand können detailliert und unabhängig voneinander unter realitätsnahen Bedingungen bezüglich Aufheizrate und Strömungsverhältnisse betrachtet werden. Im Anschluss an den Aufbau, Inbetriebnahme und Standardisierung der Versuchsdurchführung wurden Braunkohlen aus dem Lausitzer, Mitteldeutschen und Rheinischen Revier untersucht. Es erfolgte in Abhängigkeit unterschiedlicher Temperaturen eine Variation der Verbrennungsgaszusammensetzungen. Die Verbrennung der Kohlen wurde mit Luft und O2/CO2 Modellgasatmosphären, deren Sauerstoffanteil zwischen 5-50 Vol.-% variierte, durchgeführt. Das Verbrennungsverhalten der untersuchten Braunkohlen in den O2/CO2-Atmsophären entsprach dabei weitestgehend den theoretischen Überlegungen. Es konnte gezeigt werde, dass mit wachsender Partikelgröße die Verbrennungszeit ebenfalls zunimmt, unabhängig von der Gasatmosphäre. Eine Erhöhung der isothermen Verbrennungstemperatur führt zu einer Beschleunigung des Verbrennungsvorganges, so dass sinkende Abbrandzeiten für zunehmende Temperaturen bestimmt wurden. Durch eine Anhebung der Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsgas ist es ebenfalls möglich, die Verbrennungsgeschwindigkeit zu erhöhen, um kürzere Abbrandzeiten zu erzielen. Um den Einfluss einer erhöhten CO2-Konzentration im Verbrennungsgas auf das Abbrandverhalten zu bestimmen, wurden die Abbrandverläufe in Luftatmosphäre mit der O2/CO2-Atmosphäre bei konstantem Sauerstoffgehalt verglichen. Tendenziell beeinflussen erhöhte CO2-Konzentrationen den Abbrand der Flüchtigen unwesentlich. Allerdings traten brennstoffspezifische und temperaturabhängige Ausnahmen auf, bei denen die Intensität der Flüchtigenaustreibung durch die erhöhten CO2-Konzentrationen reduziert wurde. Die Auswertung des Koksabbrandes lieferte überraschende Erkenntnisse. CO2 besitzt bezüglich N2 eine größere Wärmekapazität, so dass in experimentellen Untersuchungen stets niedrigere adiabate Flammentemperaturen bei gleichbleibenden Sauerstoffgehalten gemessen wurden. Entsprechend der Theorie hat dies langsamere Reaktionsgeschwindigkeiten und somit längere Abbrandzeiten zur Folge. Bei den experimentellen Untersuchungen wurde abweichend von der herrschenden Theorie überraschend längere Abbrandzeiten in der Luft als in der O2/CO2-Atmosphäre ermittelt. Verantwortlich für dieses unerwartete Verhalten ist die erhöhte CO2-Konzentration im Verbrennungsgas. Als Endprodukt ist es eine Schlüsselkomponente der chemischen Reaktion und in der Lage, als Oxidationsmittel mit fixem Kohlenstoff zu reagieren. Es bildet sich CO, das in erhöhten Mengen während der Untersuchungen nachgewiesen werden konnte. Die kürzeren Abbrandzeiten in der O2/CO2-Atmsophäre können somit durch die Anwesenheit von zwei Oxidatoren, die den Feststoffumsatz des Koks voran treiben, begründet werden. Dieser Effekt trat selbst bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 800°C auf, wobei hier brennstoffspezifische Einflüsse ebenfalls eine Rolle spielten. Eine O2/CO2-Atmosphäre beeinflusst somit den Abbrand der untersuchten Kohlen weniger aufgrund der veränderten physikalischen Gaseigenschaften als vielmehr durch die erhöhte, stoffliche CO2-Konzentration selbst.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- ALVA 20 - Eine atmosphärische Laborverbrennungsanlage zur Bestimmung der Verbrennungskinetik unter Oxyfuel-Bedingungen; 39. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, Dresden, Oktober 2007; ISSN 1863-5822
Tappe, S.; Krautz, H.J.
- ALVA 20 - Eine Laboranlage zur Untersuchung des Verbrennungsverhaltens in einer O2/CO2-Atmosphäre. Forum der Forschung Heft 20, BTU Cottbus, Dezember 2007, ISSN: 0947-6989
Tappe, S.; Krautz, H.J.
- Das Abbrandverhalten von Kohlen in einer O2/CO2-Atmosphäre. 40. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, Dresden, Oktober 2008, ISBN 978-3-00-025948-7
Tappe, S.; Krautz, H.J.
- Experimental investigations on char combustion of different lignites in O2/CO2- atmospheres. Workshop: Implementation of CO2 reduced power plant technologies, Pretoria, Südafrika, November 2008
Tappe, S.
- ALVA 20: A 20 kWth Atmospheric Laboratory Test Facility to Investigate the Combustion Behaviour under „Close-to-Reality“ Conditions. European Combustion Meeting 2009, Wien, Österreich, April 2009
Tappe, S.; Krautz, H.J.
- Experimental Investigations of Combustion Behaviour in Various O2/CO2-Atmospheres. 4th international Conference on Clean Coal Technologies CCT2009 and 3rd International Freiberg Conference on IGCC & XtL Technologies, Dresden, Mai 2009
Tappe, S.; Krautz, H.J.
- Gaspotentiometrische Abbranduntersuchungen verschiedener Kohlen in Luft- und O2/CO2-Atmosphären. 24. Deutscher Flammentag, Bochum, September 2009
Tappe, S.; Krautz, H.J.
- Influence of various O2/CO2-concentrations on the burning behavior of different coals. 34th International Technical Conference on Coal Utilization & Fuel Systems, Clearwater, USA, Juni 2009
Tappe, S.; Krautz, H.J.
