Experimentelle und reaktionskinetische Untersuchungen zu Pyrolyseverhalten, Flüchtigenverbrennung und Koksabbrand von Kraftwerkskohlen bei niedrigen Sauerstoffgehalten

Neben der aktuell die Diskussionen in der Kraftwerkswirtschaft dominierenden Frage der CO2-Emissionen ist die Senkung der primären Stickoxidemissionen auch weiterhin ein wichtiger Forschungsschwerpunkt. Fortschritte in diesem Bereich ermöglichen u.a. die Senkung der Investitions- und Betriebskosten der Entstickung oder eine Erhöhung der Brennstoffflexibilität. Die flammlose Oxidation hat ihre Fähigkeit sowohl zur Senkung der thermischen, als auch der Emissionen aus Brennstoffstickstoff in Tests bewiesen und ist daher eine geeignete Technologie. Ihre Wirkmechanismen sind jedoch noch nicht ausreichend verstanden, um ihr Potential einschätzen zu können.

Um das Verständnis der flammlosen Oxidation von Kohle zu erweitern, wurde in dieser Arbeit ein abstrahierender, eindimensionaler Ansatz gewählt. Der Gesamtprozess der Kohleverbrennung wurde in die sequentiellen Teilprozesse Pyrolyse, Flüchtigenabbrand und Koksabbrand zerlegt, die einzeln betrachtet wurden. Dazu wurden Pyrolyse und Flüchtigenabbrand für zwei Kraftwerkskohlen, einer Stein- und einer Braunkohle, in einem weiterentwickelten Flash-Pyrolyse-Reaktor untersucht, der realitätsnahe Temperaturen und Aufheizraten ermöglicht. Die Pyrolyse erfolgte dabei in einem inerten Edelgasgemisch, der Flüchtigenabbrand in einem Gemisch aus Edelgasen und Sauerstoff mit definierten, niedrigen Sauerstoffkonzentrationen. Ergänzend dazu wurde der Flüchtigenabbrand in Rauchgasatmosphäre untersucht, um den Einfluss der für FLOX typischen Rezirkulation von Abgas zu berücksichtigen. Auf Basis dieser Ergebnisse wurden reaktionskinetische Simulationen des Flüchtigenabbrandes mit verschiedenen Reaktormodellen und Mechanismen durchgeführt. Abschießend wurde Koksabbrand im Hinblick auf die Abbrandkinetik und das Stickoxidemissionspotential untersucht.

Die experimentellen Ergebnisse zur Pyrolyse bestätigen den Einfluss der Temperatur auf die Freisetzung. Hauptprodukte sind CO2, CO und die Kohlenwasserstoffe. Innerhalb der Kohlenwasserstoffe zeigt sich mit steigender Temperatur eine deutliche Produktverlagerung hin zu Ethin. Die Versuche zum Flüchtigenabbrandes zeigen den dominierenden Einfluss des Sauerstoffangebots auf die Stickoxidbildung, der die anderen Parameter (Sauerstoffanfangskonzentration, Temperatur) deutlich überwiegt. Die numerische Simulation des Flüchtigenabbrandes gibt das prinzipiell wieder, zeigt jedoch deutliche Abweichungen in der Abhängigkeit vom Sauerstoffangebot und beim Einfluss der Rezirkulation von CO2 und H2O. Die Untersuchungen des Koksabbrandes zeigen, dass die Stickoxidemissionen mit steigender Temperatur deutlich steigen, der Anstieg mit der Sauerstoffanfangskonzentration fällt geringer aus. Die ermittelten Aktivierungsenergien und Reaktionsordnungen liegen im Bereich der Literaturwerte.