Das Einbindungsverhalten von Alkaliverbindungen in Additive beim Einsatz von Biomassen in Staubfeuerungen

Abstract

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 ist 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.