Untersuchungen zum Alkaliverhalten unter Oxycoal-Bedingungen

Oxycoal-Verbrennungsprozesse stellen zukunftsträchtige Kraftwerkskonzepte für eine CO2-emissionsarme Energieerzeugung dar. Die Kohleverbrennung erfolgt in mit reinem Sauerstoff angereichertem Rauchgas, das aus dem Prozess rückgeführt wird. Um die Energieeffizienz zu wahren, kann die Sauerstoffanreicherung über eine Hochtemperatur- Sauerstoffmembran stattfinden. Durch den hohen CO2-Gehalt des Rauchgases verändert sich jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsprozessen die Gas- und Aschechemie des gesamten Prozesses. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Auswirkung dieser Veränderungen bezüglich der Bildung alkalienhaltiger Asche- und Schlackephasen. Mit den Ergebnissen wurden die Verschmutzungs- und Korrosionsrisiken, die durch diese Phasen entstehen, abgeschätzt. Thermodynamische Modellrechnungen dienten der Charakterisierung der sich im Oxycoal- Prozess unter verschiedenen Verbrennungsbedingungen bildenden alkalienhaltigen Ascheund Schlackephasen, sowie der Betrachtung der Auswirkungen des Rauchgases auf Nickelbasis-Werkstoffe eines zukünftigen Kraftwerks. Mit experimentellen Untersuchungen wurden unter Oxycoal-Bedingungen die Freisetzung von Alkalien, Chlor und Schwefel, die Einbindung der Alkalien in alumosilikatische Feststoffsorbentien, die Aschebildung und die Wechselwirkung der Aschen mit Materialien von Filterkerzen ermittelt. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen ergänzen und bestätigen weitgehend die Ergebnisse der thermodynamischen Modellrechnungen. Die Stabilität sulfatischer, chloridischer und karbonatischer alkalienhaltiger Aschephasen hängt einerseits vom Sauerstoffgehalt des Verbrennungsgases ab, wird andererseits aber auch vom Siliziumund Aluminium-Gehalt der verwendeten Kohlesorte bestimmt. Je nach eingestellter Luftzahl λ bzw. verwendeter Kohlesorte besteht das Risiko der sulfat- bzw. karbonatinduzierten Hochtemperaturkorrosion für metallische Werkstoffe, insbesondere für Nickelbasis- Legierungen. Die Bildung alkalienhaltiger Aschen bzw. die Bildung von festen und flüssigen Schlacken kann, besonders bei der Verwendung silizium- und aluminiumarmer Kohlen, zur Funktionsbeeinträchtigung bis hin zur Zerstörung der Filterkerzen führen. Eine effektive Alkalienreinigung des heißen Rauchgases stellt eine realisierbare Vorraussetzung für den Verschmutzungs- und Korrosionsschutz der Hochtemperatur-Sauerstoffmembran, die bei konstanten und gleichen bzw. nur etwas niedrigeren Temperaturen wie die Gasreinigung betrieben wird, dar. Hierfür eignen sich alumosilikatische Sorbentien.