Das Verhalten von Phosphorverbindungen im Rauchgas beim Einsatz von phosphorreichen Sekundärbrennstoffen (Projekt N)

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1 Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen Institute of Process Engineering and Power Plant Technology Prof. Dr. techn. G. Scheffknecht Das Verhalten von Phosphorverbindungen im Rauchgas beim Einsatz von phosphorreichen Sekundärbrennstoffen (Projekt N) DVV Jahressitzung in Dotternhausen, Dipl.-Ing. Björn Beeh Dipl.-Ing. Kevin Brechtel Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht

2 Ziele des Projekts (1) Charakterisierung verschiedener Brennstoffe (Braun- und Steinkohle, Klärschlamm, Tiermehl, PRB-Kohle) bezüglich ihres Phosphorgehalts Identifikation des Einflusses verschiedener Parameter wie Temperatur, O 2 - Gehalt und Verweilzeit auf die Phosphorfreisetzung bei der Verbrennung Ermittlung der Phosphorverbindungen in der Gasphase Messtechnische Erfassung der verschiedenen Phosphorverbindungen in der Gasphase, Optimierung der nasschemischen Messverfahren Untersuchung der Phosphorfreisetzung bei verschiedenen Temperaturen (300, 600, 900 und 1100 C) in einem Verbrennungsversuchsreaktor

3 Ziele des Projekts (2) Identifikation der Wechselwirkungen zwischen Phosphorverbindungen und Rauchgasbestandteilen Identifikation und Bewertung der Auswirkungen verschiedener Phosphorverbindungen auf SCR-Katalysatoren und Identifikation der verschiedenen Mechanismen der Deaktivierung Modellierung der Phosphorfreisetzung durch Gleichgewichtsberechnungen (Einsatz von Additiven zur Minderung der Phosphorverbindungen im Rauchgas und zur Rückgewinnung des Phosphors)

4 Durchführung AP I Arbeitspaket I: Bestimmung der Phosphorverbindungen in beispielhaften Brennstoffen Analyse verschiedener Brennstoffe auf die enthaltenen Phosphorspezien Ausgewählte Brennstoffe: 3 Steinkohle (Kolumbien, Südafrika, Deutschland) 2 Braunkohle (Griechenland, Deutschland) 2 Klärschlämme (beide Deutschland, kommunal) 1 Tiermehl (Deutschland) 1 PRB-Kohle (USA) Fraktionierung des enthaltenen Phosphors anhand der Methode nach Psenner entwickelt für Sedimente Anwendung für Klärschlämme bereits gezeigt nach Modifikation auch für Kohle anwendbar

5 Verfahren nach Psenner et al. Probe Analyse Pges +Ortho- Phosphat H2 O BD-Lösung NaOH HCl Totalaufschluss Gelöster bzw. wasserlöslicher Phosphor Unter reduzierenden Bedingungen löslicher Phosphor (Fe- und Mn-P) NaOH-löslicher Phosphorverbindungen (Al-P) HCl-lösliche Phosphorverbindungen (Apatit-P) Schwer lösliche, nicht verfügbarer Phosphor

6 Durchführung AP I

7 Durchführung AP I nahezu gleiche Gehalte an P Fällmittel Al bei Klärschlämmen Ca-Apatite als Bestandteil der Knochen

8 Durchführung AP I deutliche Unterschiede bei den Kohlen aus Ascheanalyse: hoher P-Anteil mit hohem Al- Anteil verbunden Alter der Kohle

9 Durchführung AP I Thermogravimetrische Waage zur Bestimmung der Phosphorfreisetzung bei verschiedenen Temperaturen Massenspektrometer zur Kopplung mit der Thermowaage Defekt!

10 Durchführung AP I Nasschemische Bestimmung der im Rauchgas vorkommenden P-Verbindungen Lösungsmittel H 2 O, NaOH, HCl, getestet Wiederfindungsrate bei NaOH und HCl <80% bei H 2 O: Wiederfindung >95%, aber: Hauptanteil Orthophosphat Fraktionierung zur Bestimmung von Pyrophosphaten möglich Keine detaillierte Unterscheidung möglich, daher nur 3 bis 4 Fraktionen Zusammenhang zwischen Gasphase und wässriger Phase unklar Umwandlungsvorgänge in wässriger Pahse?

11 Durchführung AP I Alternativer Weg: Verdampfen von verschiedenen P-Verbindungen in Thermowaage und nasschemische Analyse chemische Fraktionierung Aufgliederung durch IC neue Abscheidegefäße für geringen Gasvolumenstrom der Thermowaage notwendig (geringe Brennstoffeinwaage) Beziehung zwischen P-Form im Brennstoff, Temperatur und nasschemischer Wiederfindung Versuche laufen zur Zeit

12 Durchführung AP II Arbeitspaket II: Verbrennungsversuche in den Technikumsanlagen Verbrennungsversuche in Technikumsanlagen (BTS, KSVA) Brennstoff Kohle mit Sekundärbrennstoff (Klärschlamm, Tiermehl) Probenahme bei 300, 600, 900 und 1100 C und Bestimmung der Phosphorverbindungen im Rauchgas, auf den Partikeln und im Kondensat Verwendung eines Impaktors zur Partikelbestimmung und der in Arbeitspaket I erprobten nasschemischen Messmethoden Erstellung von Phosphorbilanzen Variation der Betriebsparameter (z.b. O 2 -Gehalt) Zugabe von Additiven zur Reduktion des Phosphors im Rauchgas beim Einsatz der Brennstoff (Kohle mit Sekundärbrennstoff) Vergleich der Versuche aus Labor, an der BTS (58kW) und der KSVA (500kW)

13 Durchführung AP II BTS, 58kw th, elektrisch beheizt Einsatz von diversen Brennstoffen (und Mitverbrennung) Untersuchung des Verbrennungsverhaltens von verschiedenen Brennstoffen unter variablen Randbedingungen Diverse Messöffnungen, Messeinrichtungen und Messgeräte pf-fuel feeding system stack filter T1 T2 T3 T4 T5 carrier air primary air secondary air burner insulation electrical heating burnout air ceramic tube O 200 mm slag test coupons pulse jet cleaning 0 m 2,5 m sample carrier probe

14 Durchführung AP II Modifikation des Rauchgaswegs Umbau der Abkühlstrecke T-Profil vor Kat variabel Einbau Katalysatoreinheit Erweiterungen für Messöffnungen Einbaumöglichkeit Waben- und Plattenkatalysator

15 Durchführung AP II Verbrennungsversuche 3 Brennstoffe: Kohle Kohle + 5% Klärschlamm Kohle + 20% Klärschlamm Variation Luftmenge Zudosierung von Phosphor Test von Waben- und Plattenkatalysatoren 1. Katalysator bereits eingebaut (Kohle)

16 Durchführung AP III Arbeitspaket III: Modellierung der Vorgänge bei der Freisetzung von Phosphor anhand der Untersuchungsergebnisse Simulation der Gleichgewichtszustände des Phosphors im Temperaturbereich von 300 bis 1100 C mit FactSage Ausgangsdaten bilden die Brennstoffanalysen der in Arbeitspaket I charakterisierten Brennstoffe Ermittlung der Wechselwirkungen der Rauchgaszusammensetzung mit Natrium, Kalium und Calcium

17 Durchführung AP III Diagramme für Kohle und Klärschlamm nahezu gleich Hauptverbindungen im Bereich SCR-Kat-Temperatur: H 3 PO 4 P 2 O 5

18 Durchführung AP III

19 Durchführung AP III SK P als Apatit diverse Feststoffe häufige Umlagerung Schwäche der Betrachtung: Gleichgewichte

20 Durchführung AP III

21 Allgemein Finanzprüfung Jahr Zwischenbericht vorgelegt Verlängerung der Projektlaufzeit beantragt verzögerter Start wegen kurzfristiger Absage eines neuen Mitarbeiters Defekt am MS Mittelverschiebung bereits erfolgt neues Projektende November 2009

22 Vielen Dank für f r Ihre Aufmerksamkeit! Bei Fragen wenden Sie sich bitte an: Dipl.-Ing. Björn Beeh Tel. 0711/ ) Dipl.-Ing. Kevin Brechtel Tel. 0711/ )

23 Projektbegleitender Ausschuss Mitglieder: EnBW Kraftwerke AG, Stuttgart E.ON Engineering GmbH, Gelsenkirchen IAS GmbH, Frankfurt Labor für Materialprüfung und analyse GmbH, Leipzig Recom Services GmbH, Stuttgart Envica GmbH; jetzt Teil von Ebinger Katalysatorservice GmbH & Co. KG, Wildeshausen

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