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.