Mit Kohle betriebene IGCC-Kraftwerke zeigen großes Potential für die künftige Stromerzeugung bezüglich Brennstoffverfügbarkeit, Effizienz und insbesondere Flexibilität. Aufgrund der Kompaktheit, Zuverlässigkeit und Brennstoffflexibilität wird die Flugstromvergasung unter Druck als eine der besten Optionen der verfügbaren Vergasungstechnologien angesehen. Die Umwandlung eines festen Brennstoffes in ein Synthesegas ist ein komplexer Prozess. Es sind zahlreiche Reaktionen beteiligt, die nicht nur von den Betriebsbedingungen, wie beispielsweise Temperatur, Druck und Gaszusammensetzung, sondern auch von den intrinsischen Eigenschaften des Brennstoffes abhängen. Da es finanziell nicht möglich ist, die Untersuchungen im industriellen Maßstab durchzuführen, ist es erforderlich, das Vergasungsverhalten von Brennstoffen in Pilotanlagen und Laborversuchen unter industrienahen Betriebsbedingungen zu untersuchen. Diese Dissertation beinhaltet experimentelle Messungen von Prozessparametern, wie beispielsweise Brennstoffumsatz und Partikeltemperaturen, unter industrierelevanten Bedingungen, mit dem Ziel, nützliche Daten als Grundlage für analytische Modelle und Simulationen bereitzustellen.
TEIL I dieser Arbeit beschäftigt sich mit den Experimenten, die durchgeführt wurden, um das Vergasungsverhalten fester Brennstoffe bei hohen Temperaturen und Drücken zu untersuchen. Den Kern des experimentellen Aufbaus bildet der Pressurized High Temperature Entrained Flow Reactor (PiTER), welcher Temperaturen von bis zu 1600 °C bei einem Druck von bis zu 2,0 MPa als Versuchsbedingungen ermöglicht. Weitere Anlagen, die in dieser Arbeit verwendet wurden, sind ein atmosphärischer Flugstromreaktor, thermogravimetrische Analysatoren (TGA) und ein Drahtnetzreaktor. In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte des Vergasungsprozesses diskutiert. Druck- und Temperatureinflüsse wurden während Pyrolyse- und Vergasungsexperimenten untersucht. Es wurde ermittelt, dass die Temperatur stets einen positiven Effekt auf den Brennstoffumsatz hat, während der Einfluss des Gesamtdruckes nie positiv ist und die Intensität des Einflusses in Abhängigkeit des Inkohlungsgrades stark variiert. Die Neuheit der Arbeit wird durch die Untersuchung des Partialdruckeinflusses von CO2, H2O und einer Mischung aus beiden Reaktanten gewährleistet. Diese Experimente wurden in Flugstromreaktoren bei hohen Temperaturen und hohen Drücken durchgeführt. Die Interpolation der Umsatzverläufe mit einem Reaktionsmodell n-ter Ordnung ermöglicht die Ermittlung von kinetischen Daten.
Der Einfluss des Partialdruckes der Reaktanten wurde außerdem bei niedrigeren Temperaturen in TGAs untersucht. Viele dieser Experimente wurden mit Pyrolysekoksen, hergestellt in den Flugstromreaktoren, und mit reinen Reaktanten durchgeführt, um intrinsische kinetische Daten zu ermitteln. Vergasungsexperimente mit Mischungen aus CO2 und H2O wurden mit Modellen aus der Literatur verglichen und es stellt sich heraus, dass das Vergasungsverhalten stark kohleabhängig ist. Komponenten in der Asche, insbesondere Alkalien und Erdalkalimetalle (AAEM) haben möglicherweise einen Einfluss auf den Vergasungsprozess. Sowohl Pyrolyse- als auch Vergasungsexperimente wurden mit reinen und demineralisierten Kohleproben durchgeführt, um diese Effekte zu quantifizieren.
Viele der Mechanismen, die bei der Vergasung fester Brennstoffe beteiligt sind, werden von der Temperatur angetrieben. Deswegen ist es entscheidend, die Temperatur der reagierenden Partikel während des Prozesses zu kennen. In TEIL II wird eine optische Messmethode vorgestellt, die es ermöglicht, die Temperatur der Partikeloberflächen in schwierigen Umgebungen, wie beispielsweise in Flugstromreaktoren, kontaktlos zu messen. Das Messgerät basiert auf der Zwei-Farben-Pyrometrie und wurde für Messungen an den Reaktoren des Lehrstuhls für Energiesysteme optimiert. In TEIL II wird die Funktionsweise des Messgerätes und das optische Design diskutiert. Das Zwei-Farben-Pyrometer erlaubt außerdem die Bestimmung von Partikelgrößen. Das Instrument wurde an zwei Anlagen getestet: an einem Flugstromverbrennungsreaktor und einem Flugstromvergaser. Im Ersteren wurden die Messungen mit zwei bituminösen Kohlen und einer Biomasse (zerkleinertes Stroh) durchgeführt. Die Partikeltemperaturen sind stets höher als die eingestellte Reaktortemperatur, aufgrund der exothermen Oxidationsreaktionen. Für die Kohlen, bei denen die Ascheerweichungstemperatur unterhalb der untersuchten Partikeltemperatur liegt, zeigt die Partikelgrößenanalyse, dass Koaleszenzeffekte auftreten. Mit der Biomasse wurden Experimente an verschiedenen optischen Ports und mit unterschiedlichen Verbrennungsluftverhältnissen bei einer konstanten Reaktortemperatur von 1100 °C durchgeführt. Durch die höheren Reaktionsraten des Brennstoffes steigt die Partikeltemperatur mit einem zunehmenden Verbrennungsluftverhältnis.
Im Flugstromvergaser können durch die hohe Partikeldichte (Partikelanzahl pro Volumeneinheit) keine Messungen einzelner Partikel durchgeführt werden und lediglich durchschnittliche Temperaturen der Partikelströmung werden berechnet. Pyrolyseexperimente zeigen, dass sich die Partikel im thermischen Gleichgewicht mit der Wandtemperatur des Reaktors befinden. Während der integralen Vergasung zeigen die Partikel eine Tendenz von sinkenden Temperaturen mit der Verweilzeit, was durch die endotherme Natur der Vergasungsreaktionen erklärt werden könnte. Bei Temperaturen von größer als 1200 °C wird eine Abweichung zu der eingestellten Reaktortemperatur beobachtet, da das Gerät für hohe Temperaturen nicht ausreichend kalibriert ist.
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Mit Kohle betriebene IGCC-Kraftwerke zeigen großes Potential für die künftige Stromerzeugung bezüglich Brennstoffverfügbarkeit, Effizienz und insbesondere Flexibilität. Aufgrund der Kompaktheit, Zuverlässigkeit und Brennstoffflexibilität wird die Flugstromvergasung unter Druck als eine der besten Optionen der verfügbaren Vergasungstechnologien angesehen. Die Umwandlung eines festen Brennstoffes in ein Synthesegas ist ein komplexer Prozess. Es sind zahlreiche Reaktionen beteiligt, die nicht nur v...
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