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 am 14./ 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 Zusammensetzung 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 Grundlagen Vermehrter Einsatz von Sekundärbrennstoffen wie Klärschlamm in Kohlekraftwerken führt zu verstärkter Katalysatordeaktivierung Form der Phosphorverbindung hat einen wesentlichen Einfluss auf den Deaktivierungsmechanismus Ergebnisse der EU- Projekts CATDEACT als Grundlage für das laufende Projekt (Detaillierte Untersuchungen zur Deaktivierung von SCR- Katalysatoren) Klärschlammverbleib in Baden Württemberg Quelle: Umweltministerium Baden Württemberg 2007

5 Grundlagen Lebensdauer der Katalysatoren sinkt je nach Anteil und Art der Mitverbrennung teilweise erheblich Gegensätzliche Ziele der Kraftwerksbetreiber: Hoher Anteil an Mitverbrennung als Kostenersparnis lange Lebensdauer von Katalysatoren und Verwertbarkeit der Aschen in z.b. der Zementindustrie (Phosphoranteil entscheidend) Aus bisherigem Projekt: Phosphor dringt in Katalysatoroberfläche ein (Nachweis durch EDX Analysen), was in diesem Projekt ebenfalls weiter untersucht werden wird Phosphor wird im wesentlichen zur Produktion von Düngemitteln verwendet und ist eine endliche Ressource Untersuchung von Rückgewinnungsmöglichkeiten

6 Durchführung Arbeitspaket I: Bestimmung der Phosphorverbindungen in beispielhaften Brennstoffen Analyse verschiedener Brennstoffe auf die enthaltenen Phosphorspezien Ausgewählte Brennstoffe: Steinkohle Braunkohle Klärschlämmen Tiermehl PRB-Kohle Thermogravimetrische Untersuchung der Brennstoffe Bestimmung der bei der thermogravimetrischen Bestimmung freigesetzten Bestandteile mit einem Massenspektrometer Weiterentwicklung der nasschemischen Messmethoden zur Bestimmung der Phosphorverbindung während der Technikumsversuche

7 Durchführung Thermogravimetrische Waage zur Bestimmung der Phosphorfreisetzung bei verschiedenen Temperaturen Massenspektrometer zur Kopplung mit der Thermowaage

8 Durchführung 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)

9 BTS: Elektrisch beheizter Testreaktor 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

10 KSVA: Kohlestaubverbrennungsanlage 500kW th Kohlestaub Brenner Verbrennungsluft Sekundärbrennstoff Brennkammer 1100 C Messstellen 900 C 600 C 300 C Zum Kamin SCR Katalysator ESP Tuchfilter

11 Durchführung 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

12 Aktueller Stand Projektstart , Laufzeit 2 Jahre Auf Grund der kurzfristigen Absage des neu einzustellenden Mitarbeiters konnten die Arbeiten bisher nicht begonnen werden Mittlerweile konnte ein neuer Mitarbeiter gewonnen werden Start der Arbeiten Ende September Umbuchung der Projektmittel von 2007 nach 2008 bei der AiF beantragt und bereits genehmigt

13 Aktueller Stand Arbeitspaket I Literaturrecherche nahezu abgeschlossen Brennstoffe teilweise beschafft (Braunkohle: TBK, Klärschlamm: anaerob stabilisiert und pelletiert; Einfache Handhabung und bereits bei Versuchen erfolgreich eingesetzt) Beschaffung der Brennstoffe Steinkohle, eine weitere Braunkohle, Tiermehl (Sicherheitstechnische Bedenken beim Umgang seitens des Lieferanten) und PRB-Kohle steht noch aus Analyse der Braunkohle und des Klärschlamm durch das IVD Brennstofflabor Analyseergebnisse liegen noch nicht vor Umbau der Thermowaagen begonnen

14 Zeitplan Aktueller Projektstand Mann Monate IVD 1. Jahr Zeitplan 2. Jahr Beschreibung Arbeitspaket BAT IIa BAT IV a MTArb HiWi Summe Arbeitsplanung/Koordination 3 3 Arbeitspaket 1: Brennstoff Charakterisierung 19 Literaturrecherche Versuchsplanung 3 3 Anpassung Versuchsanlage Versuchsdurchführung, Auswertung Arbeitspaket 2: Verbrennungsversuche 32 Versuchsvorbereitung, Brennstoffbeschaffung Anpassung Versuchsanlage Versuchsdurchführung BTS Versuchsdurchführung KSVA Probenanalyse, Auswertung Arbeitspaket 3: Modellrechnung und Validierung 4 Erfassung der relevanten Eingangsdaten 1 1 Berechung der Gleichgewichtszustände Berichterstellung Zwischenbericht Endbericht

15 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

16 Ausblick Weitere Arbeiten bis Ende 2007/ Januar 2008: 1. Treffen des Projektbegleitenden Ausschusses am am IVD Abschluss der Literaturrecherche bis Ende Dezember Fortsetzung des Umbaus der Anlage zur thermogravimetrischen Bestimmung Beschaffung der fehlenden Referenzbrennstoffe und Untersuchung im Brennstofflabor

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