Die WTA-Technik Ein modernes Verfahren zur Aufbereitung und Trocknung von Braunkohle

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1 Stand: Januar 2008 RWE Power Aktiengesellschaft Essen Köln Ein modernes Verfahren zur Aufbereitung und Trocknung von Braunkohle

2 RWE Power RWE Power mit ganzer Kraft Energie ist Leben. Sie ist das Nervensystem der modernen Industriegesellschaft. Als Erzeugungsgesellschaft im RWE-Konzern liefern wir einen erheblichen Beitrag, dass die Räder nicht stillstehen. Wir produzieren Strom und Wärme und fördern Kohle sicher, wirtschaftlich, umweltverträglich. Wir sind heute ein international tätiges Unternehmen. Unsere Wurzeln liegen an Rhein und Ruhr. Den Standorten, an denen wir tätig sind, sind wir traditionell eng verbunden. Denn wir sind mit den Regionen gewachsen und die Regionen mit uns. Köln Aachen Mainz Bremen Saarbrücken Stuttgart Dortmund Frankfurt Steinkohle Braunkohlenkraftwerke mit angeschlossenem Tagebau Erdgas Kernkraftwerke Sonstige konventionelle Kraftwerke Wasserkraftwerke München Aus diesem Verständnis heraus engagieren wir uns. Dabei geht es um mehr als Strom und Wärme. Als bedeutender Arbeitgeber und Investor sichern wir Wachstum und Beschäftigung. In vielfältigen Projekten und enger Partnerschaft mit den Regionen unterstützen wir die Menschen und die Wirtschaft an unseren Standorten. Wir übernehmen Verantwortung im Kleinen wie im Großen. Dem Umweltschutz vor der Haustür sind wir ebenso verpflichtet wie der globalen Klimavorsorge. Als Deutschlands größter Stromerzeuger bringen wir uns deshalb konstruktiv ein in die Konzeption einer Energieversorgung der Zukunft. Unser Ziel: Wirtschaftlichkeit, Versorgungssicherheit und Umweltverträglichkeit miteinander in Einklang zu bringen. Wir geben Impulse mit unserem Knowhow, innovativen Technologien und erheblichen Investitionen in hochmoderne Kraftwerke. Wir arbeiten kontinuierlich daran, Stromerzeugung noch effizienter zu machen. Damit liefern wir zugleich Antworten auf den weltweit steigenden Energiebedarf und immer knapper werdende Rohstoffe. Wir vereinen alle Energieträger unter einem Dach: von den Regenerativen wie Wasserkraft, Wind- und Sonnenenergie über Kohle und Gas bis zur Kernenergie. Mit diesem ausgewogenen Mix schaffen wir die beste Basis für langfristige Energiesicherheit. Rund Mitarbeiter im In- und Ausland machen sich stark für die Energieversorgung in Deutschland und Europa. Mit ganzer Kraft. Bedeutung der Trocknung bei der Nutzung von Braunkohle Für alle Bereiche der industriellen Nutzung von Braunkohle ist eine vorlaufende Trocknung der Kohle erforderlich. Wegen der großen zu entfernenden Wassermenge ist die Trocknung von Braunkohle ein energetisch aufwändiger Prozess. Die Energieeffizienz hat deshalb gerade hier einen besonderen Stellenwert. Bei konventionellen Braunkohlenkraftwerken erfolgt die Trocknung mit heißen Rauchgasen, die mit einer Temperatur von ca. 900 bis C aus dem Feuerraum des Dampferzeugers rückgesaugt werden. Wird der bisher eingesetzte kombinierte Mahltrocknungsvorgang verfahrenstechnisch entkoppelt, bieten sich Möglichkeiten an, die Trocknung auf niedrigem Temperaturniveau exergetisch effizienter durchzuführen und dadurch den Wirkungsgrad des gesamten Kraftwerksprozesses deutlich zu steigern. Erfolgt die Stromerzeugung in einem Kombi-Kraftwerk mit integrierter Kohlevergasung oder in einem Oxyfuel-Prozess, ist die Vortrocknung der Braunkohle grundsätzlich erforderlich. Auch hier kann ein energetisch effizientes Trocknungsverfahren dazu beitragen, den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen. Bei so genannten Low-Rank-Kohlen, die nicht nur einen hohen Wassergehalt, sondern gleichzeitig auch noch einen hohen Aschegehalt aufweisen, kann der Heizwert durch eine Vortrocknung soweit 2 3

3 Die Bedeutung der Trocknung angehoben werden, dass sie ohne Stützfeuer anderer Energieträger zur Verbrennung in konventionellen Dampferzeugern eingesetzt werden können. Um die Braunkohle zu gasförmigen und flüssigen Produkten sowie hochwertigen Festbrennstoffen verarbeiten zu können, muss der Wassergehalt in Abhängigkeit vom Produktionsziel auf 10 bis 20 Gew. % verringert werden. Die Trocknung nimmt auch hier als verfahrenstechnische Grundoperation eine Schlüsselstellung innerhalb des gesamten Kohleveredlungsprozesses ein. Ein energetisches effizientes Trocknungsverfahren verbessert auch hier die Energiebilanz des Gesamtprozesses. Als modernes Verfahren zur Aufbereitung und Trocknung von Braunkohle kann die WTA-Technik (WTA = Wirbelschicht-Trocknung mit interner Abwärmenutzung) für alle vorlaufend genannten Prozesse eingesetzt und an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Sie trägt maßgeblich dazu bei, den gesamten Prozess der Kohlenutzung energetisch zu optimieren und Emissionen zu senken. Da der Energieeinsatz zur Trocknung mit zunehmendem Wassergehalt steigt, ist die Wirkungsgradverbesserung, die durch die WTA-Technik im Kraftwerksprozess erzielt werden kann, kein konstanter Wert, sondern eine Funktion des Wassergehaltes: Je größer der Anteil des durch die Trocknung zu entfernenden Wassers ist, um so größer ist auf Basis H u (unterer Heizwert) das Potenzial der Wirkungsgradverbesserung, das durch die WTA-Technik realisiert werden kann. Die mit der Stromerzeugung verbundenen Rauchgas-Emissionen (CO 2, S0 2, NO x u. a.) sind direkt proportional zur umgesetzten Brennstoffmenge bzw. proportional zum Wirkungsgrad des Kraftwerks. Die Wirkungsgradsteigerung, die durch die WTA-Technik erzielt wird, leistet damit einen direkten Beitrag dazu, die Emissionen zu senken und die Umweltfreundlichkeit der Stromerzeugung weiter zu erhöhen. In Abb. 1 ist das Emissionsminderungspotenzial in Abhängigkeit von der Wirkungsgradsteigerung beispielhaft für rheinische Braunkohle dargestellt. zur Trocknung von Braunkohle Verfahrenstechnische Grundlagen arbeitet nach dem Prinzip der stationären, niedrig expandierten Wirbelschicht. Die für die Trocknung erforderliche Energie wird über dampfbeheizte Wärmetauscher eingekoppelt, die im Wirbelschichttrockner eingebaut sind. Die Trocknung erfolgt in quasi 100 % reinem Wasserdampf, der leicht überhitzt ist. In Abhängigkeit von der Temperatur des Dampfes stellt sich bei konstantem Druck ein Gleichgewicht zwischen der Temperatur des Dampfes und der Restfeuchte der Trockenkohle ein. Abb. 2 zeigt die Abhängigkeit für rheinische und australische Kohle bei einem Systemdruck von ca. 1,1 bar. Bei einer Temperatur von ca. 110 C (rheinische Braunkohle) bzw. 107 C (australische Braunkohle) stellt sich ein Restwassergehalt von ca. 12 % ein. Durch Regelung der Wirbelschichttemperatur kann der Wassergehalt eingestellt und bei dem gewünschten Wert konstant gehalten werden. spez. CO ² - Emission in t CO ² MWh 1,5 1 Vergangenheit (Ohne Vortrocknung) 150 MW 300 MW 600 MW Status quo: BoA Zukunft Kraftwerke mit WTA-Trocknung TBK TBK C Gleichgewichtsfeuchte (%) Australische Braunkohle Rheinische Braunkohle Systemdruck ca. 1,1 bar Wirbelschichttemperatur ( C) 0,5 Verringerung der CO ² -Emissionen um 40 % Abbildung 2: Wasserdampf-Kohle-Gleichgewichtskurve Wirkungsgrad in % Abbildung 1: Spezifische CO 2 -Emissionen in Abhängigkeit vom Wirkungsgrad 4 5

4 Aufbau des Trockners Varianten der energetischen Brüdennutzung Beide Varianten können in das WTA-Verfahren inte- industriell genutzt werden. Die Wahl der Brüden- Der Eintrag der Kohle in den unter leichtem Über- Die Trocknung von Braunkohle in der Dampfatmos- griert werden und führen zu einer weiteren Steige- nutzungsvariante wird u. a. von der Trocknungsauf- druck stehenden Trockner erfolgt über eine Zellen- phäre hat gegenüber anderen Verfahren u. a. den rung der energetischen Effizienz des Trocknungs- gabe und der Integration in einen Gesamtprozess radschleuse. Mit einem speziell für die WTA-Technik Vorteil, dass das ausgedampfte Kohlewasser iso- prozesses und zur Verringerung der Emissionen. bestimmt. entwickelten System, das im oberen Teil des Trock- therm kondensiert und damit energetisch effizient Das anfallende Brüdenkondensat kann als Wasser ners installiert ist, wird die Rohkohle auf die Wirbel- genutzt werden kann. RWE hat zwei Brüdennut- schichtoberfläche verteilt. Im mittleren Bereich des Trockners ist die eigentliche Wirbelschicht mit den zungskonzepte bis zur großtechnischen Einsatzreife entwickelt: Rohkohle 0 80 mm Brüden-Elektrofilter eingebauten Wärmetauschern. Die Beheizung erfolgt mit Niederdruckdampf oder alternativ (in Abhängig- Rohkohle- Feinmahlung Brüden Rohbraunkohle Brüden Trockner Brüdenverdichter Freiraum Rohkohlevorwärmer Drehschurrenverteiler Kreislaufgebläse Heizdampf (komprimierter Brüden) Begasungsmittel Wärmetauscher Wirbelbett Begasungsboden Trockenkohle-Kühler Trockenkohle-Nachmahlung Trockenbraunkohle 0 1 mm Festbett Abbildung 4: Verfahrensprinzip WTA mit Brüdenrekompression Trockenbaukohle Rohkohle 0 80 mm Brüden-Elektrofilter Brüden zur Atm Abbildung 3: Aufbau des WTA-Trockners Rohkohle-Feinmahlung keit von der Verfahrensvariante) mit rekomprimierten Brüden, der Druck beträgt ca. 3 bis 4 bar. Zur Die mechanische Brüdenrekompression als offener Wärmepumpen-Prozess zur Beheizung der Wärme- Kesselspeisewasser Fluidisierung der Wirbelschicht wird ein Begasungssystem eingesetzt, das auf die besonderen Bedin- tauscher des Trockners mit und ohne integrierter Kohlevorwärmung Trockner Kreislaufgebläse Brüdenkondensator gungen der Trocknung von Braunkohle abgestimmt ist. Unter dem Begasungsboden wird die trockene Die ion der Brüden zur Vorwärmung von Brüdenkondensat Kohle über Zellenräder aus dem Festbett ausgetra- z. B. Kesselspeisewasser im Kraftwerksprozess gen. Abb. 3 zeigt den schematischen Aufbau des Trockners. Er zeichnet sich durch eine hohe spezifi- Trockenkohle Kühler sche Leistung und eine besonders kompakte Bauweise aus. Fremddampf zur Beheizung Trockenkohle-Nachmahlung Trockenbraunkohle 0 1 mm Abbildung 5: Verfahrensprinzip WTA mit Brüdenkondensation 6 7

5 Varianten der Einsatzkörnung Gesamtprozess Leistungsgröße und Anlagentechnik Vorteile der WTA-Technik Das WTA-Trocknungsverfahren wurde für zwei ver- Abb. 4 zeigt den Gesamtprozess in der Variante der Das WTA-Trocknungsverfahren zeichnet sich durch Die Vorteile der WTA-Technik lassen sich wie folgt schiedene Einsatzkorngrößen entwickelt: Die soge- Feinkorn-WTA mit vorgeschalteter Feinmahlung und eine hohe spezifische Leistung pro m 2 Trocknerquer- zusammenfassen: nannte Grobkorn-WTA arbeitet mit einer Korngröße integrierter mechanischer Brüdenverdichtung zur schnittsfläche bei geringem Heizdampfdruck aus. Pro der Einsatzkohle von 0 bis 6 mm, die Feinkorn WTA Nutzung der Brüdenenergie innerhalb des Trock- Trocknereinheit können deshalb sehr große Trock- Hohe energetische Effizienz durch Trocknung auf mit eine Korngröße von 0 bis 2 mm. Die Grobkorn- nungsprozesses. Das ausgedampfte Kohlewasser nungsleistungen realisiert werden. Durch die kom- niedrigem Temperaturniveau und energetische variante kommt dann zum Einsatz, wenn die zu trock- (Brüden) wird nach der Reinigung im Elektrofilter in pakte Trocknerbauweise und die integrierte Feinmah- Nutzung des ausgedampften Kohlewassers (durch nende Kohle aus Gründen des nachfolgenden Pro- einem Verdichter auf ca. 4 bar rekomprimiert, so dass lung der Roh- und Trockenkohle ergibt sich in der Brüdenkondensation oder mechanische Brüden- zesses eine bestimmte Mindestkorngröße haben die Brüden zur Beheizung des im Trockner installier- Summe eine kompakte Bauweise der Gesamtanlage. verdichtung) muss, z. B. für die Vergasung im HTW-Verfahren oder ten Wärmetauschers eingesetzt werden können. Die für die Verkokung von Braunkohle. Für alle anderen fühlbare Wärme des anfallenden Brüdenkondensats Prozesse ist die Feinkorn-Variante in der Regel die dient zur Vorwärmung der Rohbraunkohle auf ca. 65 technisch und wirtschaftlich deutlich attraktivere bis 70 C und trägt damit wesentlich zur Deckung Variante. Insbesondere als Vortrocknungsstufe kon- des Energiebedarfs des Trockners bei. Eine Teilmenge ventioneller Kraftwerke hat die Feinkorn-WTA Vor- des gereinigten Brüdens wird rezirkuliert und zur teile, da die erzeugte Trockenkohle bereits eine Fluidisierung der Wirbelschicht eingesetzt. Die Feinheit von ca. 0 bis 1 mm hat, so dass sie unmit- Trockenkohle wird gekühlt und falls erforderlich telbar als Brennstoff im Dampferzeuger eingesetzt mit einer in der WTA-Anlage integrierten Mühle auf werden kann. eine Korngröße von 0 bis 1 mm nachgemahlen, so dass sie direkt zur Feuerung im Kraftwerk eingesetzt Für die Feinmahlung der grubenfeuchten Braunkohle werden kann. hat RWE ein spezielles Verfahren entwickelt, das speziell abgestimmt ist auf die Belange der Braun- Abb. 5 zeigt den Gesamtprozess in der Variante der kohle und der nachfolgenden Wirbelschichttrock- Feinkorn-WTA mit vorgeschalteter Feinmahlung und nung. Es besteht aus zwei in Reihe geschalteten nachgeschalteter Brüdenkondensation zur Vorwär- Mahlstufen, in denen die Kohle von ca. 0 bis 80 mm mung von Kesselspeisewasser aus dem Wasser- Korngröße auf die gewünschte Korngröße von 0 bis Dampf-Kreislauf des Kraftwerks. 2 mm zerkleinert wird. Abb. 6 zeigt eine Low-Cost-Variante ohne Brüdennut- Rohkohle 0 80 mm zung, wie sie z. B. zur Verbesserung des Heizwertes von Low-Rank-Kohlen eingesetzt werden kann. Rohkohle- Feinmahlung Brüdenzyklon Brüden zum Kraftwerk Abbildung 7: WTA-Prototypanlage Niederaußem Abb. 7 zeigt die in Bau befindliche WTA-Proto- Sicherer Anlagenbetrieb durch Trocknung in iner- typanlage, die derzeit die weltweit größte Trock- ter Atmosphäre sowohl im Normalbetrieb als auch Kreislaufzyklon nungsanlage für Braunkohle ist; sie hat einen beim An- und Abfahren (Vermeidung explosiver Fremddampf zur Beheizung Trockner Kreislaufgebläse Rohkohleeinsatz von 210 t/h und eine Wasserverdampfungsleistung von 100 t/h. Alternativ können alle Komponenten des Hauptkohleflusses auch Kohlenstaub-Gemische) Große Trocknungsleistung pro Trocknereinheit. Kompakte Bauweise durch Integration der Roh- übereinander in einer Stahlkonstruktion eingebaut kohle-feinmahlung und soweit gewünscht auch werden. der Trockenkohle-Nachmahlung Trockenkohle-Kühler Trockenbraunkohle 0 1 mm Durch die energetische Nutzung der Brüden werden großvolumige Wasserdampf- und Staubemissionen vermieden und das abgegebene Brüdenkondensat ist eine industriell nutzbare Wasserquelle Abbildung 6: Verfahrensprinzip WTA als low cost-variante Flexible Anpassung der Anlagentechnik an die Erfordernisse der jeweiligen Trocknungsaufgabe 8 9

6 Know-how und Leistungsspektrum WTA-Anlagen Know-how und Leistungsspektrum Gebaute und in Planung befindliche WTA-Anlagen ist eine Eigenentwicklung von RWE, die speziell abgestimmt ist auf den großindustriellen Einsatz in der Braunkohlenindustrie. Für die besonderen Anforderungen der Aufbereitung und Trocknung von Braunkohle wurden innovative verfahrens- und anlagentechnische Lösungen entwickelt, für die bisher 18 Patente angemeldet oder erteilt wurden. Die Auswertung des Anlagenbetriebes mit in- und ausländischen Kohlen ermöglicht RWE die kontinuierliche Weiterentwicklung und Optimierung des Verfahrens. Auf der Basis des umfassenden Know-hows aus Entwicklung, Planung, Errichtung, Inbetriebnahme und Betrieb eigener Anlagen kann RWE ein umfangreiches Spektrum an Leistungen anbieten: Machbarkeitstudien inkl. Investkostenermittlung Technikumsuntersuchungen (Aufbereitung, Trocknung, Wirbelverhalten) Laboranalysen Lizenzierung der WTA-Technik Großtechnische Aufbereitungs- und Trocknungsversuche in der WTA-2-Anlage Frechen als Basis für die Auslegung von Lizenz-Anlagen Basic- und Detail-Engineering-Arbeiten Unterstützung bei der Inbetriebsetzung WTA 1 Frechen Grobkorn-Trocknung mit integrierter Brüdenverdichtung und Kohlevorwärmung Rohkohledurchsatz ca. 53 t/h; Trockenkohleproduktion ca. 28 t/h WTA 1 Niederaußem Grobkorn-Trocknung mit integrierter Brüdenverdichtung Rohkohledurchsatz ca. 170 t/h; Trockenkohleproduktion ca. 90 t/h WTA 2 Frechen Feinkorn-Trocknung mit partieller Brüdenkondensation Rohkohledurchsatz ca. 27 t/h; Trockenkohleproduktion ca. 14 t/h WTA 2 Niederaußem (in Bau) Feinkorn-Trocknung mit Brüdenkondensation Rohkohledurchsatz ca. 210 t/h; Trockenkohleproduktion ca. 110 t/h WTA Hazelwood (in Planung) Feinkorn-Trocknung ohne Brüdennutzung Rohkohledurchsatz ca. 140 t/h, Trockenkohleproduktion ca. 70 t/h Abbildung 8: WTA-2-Feinkorn-Trocknung im Veredlungsbetrieb Frechen Die Anlagen WTA 2 Frechen und WTA 2 Niederaußem hat RWE als Generalplaner selbst geplant, gebaut und in Betrieb genommen. Für die übrigen Anlagen wurde jeweils das Basic- und Teile des Detail-Engineerings erstellt. Abb. 8 zeigt die WTA-2-Anlage in Frechen, die für die Durchführung großtechnischer Trocknungs- und Aufbereitungsversuche mit Kundenkohlen eingesetzt wird. Die Versuchskohlen werden in der halboffenen Halle abgekippt und mit einem Radlager in den Vorlagebunker gefüllt (Mitte des Bildes)