OxyFuel-Verbrennung in einer zirkulierenden Wirbelschchicht : Auslegung, Konstruktion und Inbetriebnahme einer 100 kWth [100 kW tief th] Versuchsanlage

Abstract

Eine nachhaltige Entwicklung unserer Gesellschaft ist nur mit einer nachhaltigen Energieversorgung möglich. Energie ist als Produktionsfaktor und Konsumgut unverzichtbar. Wirtschaft und Gesellschaft sind auf eine sichere, ökonomisch und umweltschonende Energieversorgung angewiesen. Nachhaltig kann nur ein Energiesystem sein, das die Bedürfnisse von Wirtschaft und Gesellschaft mit immer stärker reduziertem Einsatz an fossilen Ressourcen abdeckt.<br />Menschliches Wirken, in Form von Verbrennung fossiler Brennstoffe, intensiver Landwirtschaft und Abholzung, gilt als Hauptursache für die beschleunigten klimatischen Veränderungen, denen die Erde unterworfen ist. Deswegen sollen in naher Zukunft durch Abscheidung und Speicherung von CO2, speziell aus Verbrennungsprozessen, die Emissionen an klimawirksamen Gasen und dadurch die Geschwindigkeit des Klimawandels verringert werden. OxyFuel bezeichnet eine Verbrennungstechnologie, bei der anstatt der Verbrennungsluft eine synthetische Mischung aus reinem Sauerstoff und rezirkuliertem Abgas zum Einsatz kommt. Ziel ist ein CO2-reiches Abgas zu erhalten, welches als Ausgangspunkt für Carbon Capture and Storage (CCS) Technologien dienen kann. Die Verbrennungsluft wird durch eine Mischung aus rezirkuliertem Rauchgas und Sauerstoff ersetzt. Dadurch wird Stickstoff völlig verdrängt und eine Anreicherung von CO2 im Abgasstrom ermöglicht. Die O2-Konzentration in der Oxidationsgasmischung bietet einen zusätzlichen Freiheitsgrad und ermöglicht es, die Verbrennung an den Brennstoff anzupassen.<br />Für diese Arbeit wurde als Verbrennungsapparat eine zirkulierende Wirbelschicht, mit Quarzsand als Bettmaterial, verwendet. Wichtige Eigenschaften sind ein sehr guter Stoff- bzw. Wärmeübergang, was zu einer Vermeidung von Hotspots führt, und eine kontinuierliche Prozessführung ermöglicht. Eine zirkulierende Wirbelschicht bietet dabei die Möglichkeit ein breites Spektrum an Brennstoffen einzusetzen und in-situ auf Verunreinigungen, zu reagieren. Ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen Brennkammern liegt in einer niedrigeren und gleichmäßigeren Verbrennungstemperatur, die eine Reduktion der NOx-Bildung zur Folge hat. Somit ist eine umweltschonende und effiziente Prozeßführung möglich, da gegebenenfalls auf eine aufwendige Rauchgasreinigung verzichtet werden kann.<br />Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine, als zirkulierende Wirbelschicht ausgeführte Pilotanlage dimensioniert, anhand fluiddynamischer Studien am Kaltmodell optimiert, als Heißanlage gebaut und in Betrieb genommen.<br />Erste Versuche an der Anlage wurden durchgeführt.<br />Die Pilotanlage besteht aus einem zylindrischen Riser (5 m Höhe, 0,15 m Durchmesser). Die Abtrennung des ausgetragenen Bettmaterials erfolgt in einem nachgeschalteten Zyklon. Über einen fluidisierten Syphon und/oder einen regelbaren Bettmaterialkühler gelangt der ausgetragene Feststoff zurück in den Riser.<br />Die Auslegungsparameter (100 kW Brennstoffwärmeleistung, 21% Sauerstoff in der Verbrennungsluft, 6,5 m/s Gasgeschwindigkeit im Riser) wurden so gewählt, dass ein direkter Vergleich mit einer konventionellen Steinkohlefeuerung erstellt werden kann.<br />Für das Design der Pilotanlage wurde ein fluiddynamisches Kaltmodell im Maßstab 1:3 gebaut. Dabei wurden die Skalierungsregeln nach Glicksman berücksichtigt.<br />Die Kaltmodellstudie zeigte die Bandbreite der möglichen Versuche in Bezug auf Bettmaterialmenge und Gasdurchsatz auf. Außerdem bestätigten sie den einwandfreien Betrieb von überarbeiteten und optimierten Bauteilen wie dem Zyklon und waren die Grundlage für die Versuchsplanung an der Anlage.<br />Die Implementierung der Pilotanlage konnte anhand der gewonnenen Ergebnisse zügig vorgenommen werden. Neben den kritischen Komponenten, wie dem Riser, dem Zyklon und dem Bettmaterialkühler, wurde die Pilotanlage mit Vorratsbunkern, Wärmetauscher, Rauchgasrezirkulationsgebläse und einem Partikelfilter ausgestattet.<br />Die Inbetriebnahme zeigte, dass die Komponenten der Pilotanlage einwandfrei funktionierten. Adaptierungen (Erhöhung der Abgastemperatur auf 900°C und Umbau der Leitungen) mussten am Startbrenner vorgenommen werden, da dessen Abgastemperatur von 600°C nicht ausreichte, um den Zündpunkt der Kohle zu erreichen.<br />Anhand der Versuche mit polnischer Steinkohle konnte gezeigt werden, dass die Verbrennung unter OxyFuel-Bedingungen in der vorliegenden Pilotanlage möglich ist. Aus den Versuchsergebnissen werden die Versuche in Hinblick auf Optimierung des Sauerstoffeinsatzes und der Anreicherung von Kohlendioxid im Abgas angepasst. Die Pilotanlage konnte erfolgreich mit O2-Konzentrationen bis zu 30% betrieben werden. Abgasseitig konnten Restsauerstoffgehalte von 3-4% und CO2-Konzentration bis zu 85% erreicht werden. Weitere Tests bei praxisnahen Betriebsbedingungen sind damit möglich. Nächste Schritte werden die vollständige Erfassung des möglichen Betriebsbereiches mit polnischer Steinkohle und die Adaptierung der Pilotanlage für niederkalorische Brennstoffe sein.<br />

A sustainable development of human society requires a sustainable energy supply. Energy as a factor of production but also as a consumer good is indispensable. Industry, commerce and society rely on a secure, affordable and environmental friendly energy supply.<br />Sustainability in terms of an energy system means that the requirements of industry and society have to be met with continually reduced input of non-renewable ressources.<br />Human acting in terms of combustion of fossil fuels, intensive agriculture and uprooting is deemed to be the main reason for the acceleration of climate change. For this reason capture and storage of carbon dioxide, especially from combustion processes, has to be implemented in order to reduce the greenhouse effect.<br />OxyFuel is a combustion technology where the combustion air is an artificial mixture of recycled flue gas and oxygen. The output of the combustion is a CO2-rich flue gas which is best suited for capture and storage. Due to the mixing of flue gas and oxygen, no nitrogen is introduced and capture of carbon dioxide is facilitated. The oxygen added is an additional degree of freedom in operation of the combustion.<br />In this work a circulating fluidized bed was chosen to be the combustion method. Silica sand was used as bed material. A main advantage is the good mass and heat transfer, which eliminates hot-spots and enables continuous process operation. In a circulating fluidized bed a wide range of fuels can be burnt and in-situ flue gas cleaning can be performed. Further advantages, compared with a conventional combustion system, are the reduced and homogeneous temperatures, which lead to reduced NOx-emissions. Therefore an efficient and environtmentally friendly process can be realized without need of extensive flue gas cleaning.<br />In the course of this work an OxyFuel-CFB pilot plant was dimensioned, optimized by means of a cold flow model, built and put into operation.<br />First trials were carried out.<br />The pilot plant consists of a 5 m-high cylindrical riser with a diameter of 0,15 m. The separation of the discharged bed material from the flue gas stream is done in a hot gas cyclone. Bed material can be recycled to the riser by means of a fluidized loop seal and/or a bed material heat exchanger.<br />The design parameters (100 kW thermal fuel power input, 21 % oxygen in the combustion air, 6,5 m/s gas velocity in the riser) were chosen in order to be directly comparable with conventional coal combustions. For the design of the pilot plant a fluiddynamic cold flow model at a scale of 1:3 was built in accordance to Glicksman´s scaling laws.<br />The trials on the cold flow model demonstrated the bandwith for the operation of the pilot plant concerning the bed material inventory and the gas throughput. It also proved full operability of redesigned and optimized components such as the cyclone separator. The trials led to a detailed planning of operation parameters on the pilot plant.<br />Due to the obtained results from the cold flow model trials, the construction of the pilot plant could be carrried out efficiently.<br />Additionally to critical components such as the riser, the cyclone separator and the bed material heat exchanger, the pilot plant was equipped with bunkers (for storage of fuels, bed material and additives), a heat exchanger, a flue gas recycle fan and a dust filter.<br />Start-up of the pilot plant showed that all components worked as planned. Adaptations had to be made concerning the start-up burner. Flue gas temperatures of 600°C were not sufficient to attain the ignition temperature of the hard coal. Temperature were raised to 900°C and piping was modified.<br />On the basis of the trials with hard coal, operation of the pilot plant under OxyFuel conditions could be proved. Based on this facts, further trials with respect to optimization of the oxygen input and enrichment of carbon dioxide in the flue gas were planned.<br />In this pilot plant oxygen concentrations of up to 30 % were realized.<br />The residual oxygen concentrations could be lowered to 3-4 % and carbon dioxide attained concentrations of 85 % in the flue gas. Future experiments will gather more detailed data on operation optimization with hard coal and will be the basis for the adaptations of the operation to alternative and low-calorific fuels.