Entwicklung einer Niedertemperatur Drehrohrpyrolyse als Vorschaltprozess für das Kohlekraftwerk Dürnrohr

Abstract

Die Erreichung des von der EU gesetzten Ziels einer nahezu CO2 freien Stromerzeugung bis zum Jahre 2050 erfordert von den meisten Energieversorgungsunternehmen eine Umstellung ihrer Erzeugungsportfolios. Neben den herkömmlichen erneuerbaren Stromerzeugungstechnologien wie Wasserkraft, Windkraft oder Photovoltaik stellt auch die Mitverbrennung von Biomasse in bestehenden Kohlekraftwerken, eine Möglichkeit zur Erreichung dieser Ziele dar. Eine direkte Mitverbrennung von Biomasse in einem Kohlekraftwerk ist jedoch durch den deutlich höheren Brennstoffvolumenstrom und durch spezielle Inhaltsstoffe der Biomassen (Cl, Na und K) begrenzt. Zur Erhöhung des Anteils an substituierter Kohle durch Biomasse muss diese vor dem Einsatz im Kraftwerkskessel einer Art "Vorbehandlung" unterzogen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Entwicklung einer Niedertemperatur Drehrohrpyrolyse für Getreidestroh, als Vorschaltprozess für das Steinkohlekraftwerk Dürnrohr der EVN AG behandelt. Getreidestroh ist in unseren Breiten bislang ein weitestgehend ungenutzter Energieträger, der in ausreichenden Mengen und regional verfügbar ist. Getreidestroh hat jedoch eine sehr geringe Energiedichte und einen hohen Anteil an den so bezeichneten Kesselschadstoffen Cl, Na und K. Durch eine Pyrolyse, im Temperaturbereich von 450 - 630°C, kann Getreidestroh in eine gasförmige Fraktion und in eine Pyrolysekoksfraktion aufgespalten werden. Grundlagenuntersuchungen zur Pyrolyse von Getreidestroh im Labormaßstab zeigten, dass ein hoher Anteil der Kesselschadstoffe im Pyrolysekoks gebunden bleibt und nur ein sehr geringer Anteil in die Gasphase übergeht. Diese heizwertreiche Gasphase kann somit für eine Mitverbrennung im Kraftwerkskessel genutzt werden, ohne dass es zu verstärkten Korrosionen oder Verschlackungen im Dampferzeuger kommt. Der erzeugte Pyrolysekoks kann ebenfalls in einer separaten Anlage zur Energieerzeugung genutzt werden. Auf Grund der Aufkonzentration von Na und K im Pyrolysekoks muss die Feuerraumtemperatur in solch einer Anlage deutlich abgesenkt werden. Basierend auf den Ergebnissen der Grundlagenuntersuchungen wurde in den Jahren 2007 - 2008 am EVN AG Kraftwerksstandort Dürnrohr eine Versuchsanlage im industriellen Maßstab errichtet. Das Kernstück dieser Anlage ist ein indirekt beheizter Drehrohrofen, der für die Pyrolyse genutzt wird. Während eines zweijährigen Versuchsbetriebes wurden Analysedaten für die Pyrolyse von Getreidestroh und alternativer Feldbiomassen gesammelt. Mit Hilfe dieser Analysedaten wurde im Anschluss ein Simulationsmodell zur Überprüfung des Asche- und Schlackeverhaltens und des Korrosionsverhaltens im Kraftwerkskessels erstellt. Die Ergebnisse dieses Modells bestätigten die Annahmen, dass es durch die Nutzung von Pyrolysegas zu keinen verstärkten Verschlackungen und Korrosionen im Dampferzeuger kommen sollte. Weiters wird in dieser Arbeit auf die weiteren Ausbaustufen und die Wirtschaftlichkeit einer Großanlage näher eingegangen.<br />

In order to achieve the target of a nearly CO2 free power generation in 2050, set by the European Union, a change in the generation portfolios of the energy supply companies is needed. In addition to the conventional renewable power generation technologies, such as hydropower, wind power or photovoltaic, also co-firing of biomass in existing coal-fired power plants is a way to achieve these targets.<br />A direct co-firing of biomass in a coal-fired power plant is limited due to significantly higher fuel-flow rates and particular corrosive elements in the biomass i.e. Chlorine, Potassium and Sodium. Therefore the biomass needs a special "pre-treatment" to increase the amount of biomass.<br />In this work, the development of a low-temperature rotary kiln pyrolysis of straw for the coal fired power plant in Dürnrohr will be discussed.<br />Huge amounts of so far unused straw, which is a local feedstock, are available. But due to the low energy density and the high amount of corrosive ash elements, direct co-firing of straw in a power plant is limited. By means of a low temperature pyrolysis i.e. in the temperature range 450-630°C, this feedstock can be converted into pyrolysis gases and charcoal. Basic research in the pyrolysis of wheat straw showed, that a high percentage of the corrosive ash elements like Cl, Na or K will be retrained in the charcoal. Therefore the pyrolysis gases can be used for co-firing in the power plant boiler, without leading to an increased risk of corrosion or slagging. The charcoal can be used in a separate unit for steam and power generation. Due to the high concentration of Na and K in the charcoal, the combustion temperature in such a unit has to be lowered significantly.<br />Based on the results of the basic research a pilot plant, with an externally heated rotary kiln pyrolysis reactor, has been erected at the EVN AG power plant in Dürnrohr. In a two year test period with wheat straw and alternative field biomasses, analysis data were collected.<br />Based on this data a computer-based simulation model for the ash, slag and corrosion behavior of the power plant boiler has been created. The results showed that the co-firing of the pyrolysis gases in the boiler will not increase slagging or corrosion in the boiler. Furthermore the future stages of development and the economics of a large scale plant will be discussed.