In Teilprojekt A5 soll geklärt werden, ob die mineralischen Bestandteile, wie Na, K, Mg, Ca, Al oder Fe, der Kohle katalytisch aktiv sind und somit Einfluss auf den Oxyfuel-Verbrennungsprozess nehmen. Neben dem Verbrennungsprozess in O2 werden die beschleunigte Einstellung des Boudouard-Gleichgewichts und die Kohlevergasung mit H2O berücksichtigt, die durch Volumenvergrößerung erheblichen Einfluss auf das Strömungsfeld in Flammen nehmen können. Es sollen reale Kohlen aber insbesondere auch synthetische Modellkohlenstoffe untersucht werden, was eine schrittweise Steigerung der Komplexität der untersuchten Systeme erlaubt.
Im Vorhaben soll die Schlackebadvergaser (British Gas Lurgi - BGL)-Vergasung auf Basis theoretischer Studien (unter anderem durch Modellierung) sowie durch experimentelle Untersuchungen im Labor und im Pilotanlagenmaßstab für hocheffiziente, emissionsarme Kohlevergasung mit CO2-Abtrennung (IGCC)-Kraftwerke und flexible Polygeneration-Anwendungen sollen optimiert werden. Dazu ist die Teer-Öl-Ausbeute für IGCC-Kraftwerkanwendungen zu minimieren (Brenngas-BGL-Konzept). Für Polygeneration-Konzepte (Polygen-BGL-Konzept) mit chemischer Synthesegasnutzung und Erzeugung eines erdöläquivalenten Teer-Öl-Gemisches (einsetzbar in der Chemieindustrie oder als speicherbarer Spitzenbrennstoff) ist sie zu maximieren.
MAN Energy Solutions entwickelt in dem hier vorliegenden Projekt einen Verdichter axialer Bauweise für die Eigenschaften von CO2, also einem molekular schweren Gas. Dieser Verdichter muss hohe Volumenströme verarbeiten, wie sie insbesondere in Kraftwerksanlagen entstehen. Zu den wichtigsten Optionen bei der Vermeidung von Umweltbelastungen durch den weltweit ansteigenden CO2-Ausstoss gehört die CCS-Technologie; diese unterscheidet verschiedene Verfahren zur CO2-Abscheidung wie die Abtrennung nach Kohlevergasung (Pre-Combustion / IGCC) oder die Abscheidung nach dem Verbrennungsprozess (Post Combustion). Eines jedoch eint diese Verfahren: die Notwendigkeit von CO2-Verdichtern für den Transport des Treibhausgases vom Kraftwerk zum Speicherort und zum Verpressen der entstandenen CO2-Massen. Eine intelligente Lösung zur Förderung großer CO2-Volumina liegt in der Vorverdichtung mittels eines geeigneten Axialverdichters und der damit einhergehenden Reduktion des Volumenstroms sowie anschließender Verdichtung auf den Enddruck mittels eines Radialverdichters. Die Vorteile eines Axialverdichters für CO2 sind dabei die sehr hohen Wirkungsgrade, die Möglichkeit der Verdichtung großer Volumenströme in einem einzigen Verdichtergehäuse, die Wärmenutzung aus der Kompression in Kraftwerksprozessen und die mechanische Zuverlässigkeit des Kompressors. Die Kombination von hohen Wirkungsgraden, Zwischenkühlungen und dem Eintrag von Abwärme in den Prozess resultiert in einem geringstmöglichen Energieverbrauch für die Verdichtung. Im Rahmen des Forschungsprojektes werden die Grundlagen der Axialverdichterauslegung für CO2 erarbeitet, auf deren Basis transsonische Prozessverdichter zur Förderung großer CO2-Volumina ausgelegt werden können. Da mit der CO2-Verdichtung mittels eines Axialverdichters Neuland betreten wird, ist sowohl eine Verifikation der numerischen Werkzeuge als auch eine Validierung der angewandten Modelle zwingend erforderlich. Zu diesem Zweck wird ein Versuchsverdichter entwickelt, welcher durch eine umfangreiche Instrumentierung und ein intelligentes Messprogramm alle erforderlichen Messdaten bereitstellt. Die hier weiterentwickelte Technologie zur Verdichtung schwerer Gase mittels eines großen Axialverdichters eignet sich daneben auch für den Einsatz in großskaligen Produktionsanlagen zur Kompression von Kohlenwasserstoffen, Erdgas sowie Stickoxiden oder Wasserstoff. Diese Grundstoffe sind vor dem Hintergrund eines globalen Bevölkerungswachstums ebenso essentieller Bestandteil wirtschaftlichen Wachstums und sozialen Wohlstandes wie eine stabile und ausreichend dimensionierte Energieversorgung. Für die vornehmlichen Standorte dieser Anlagen im asiatischen, afrikanischen und südamerikanischen Raum spielt die Verfügbarkeit der hier entwickelten Technologien also eine nicht unbedeutende Rolle bei der langfristigen Entwicklung von Schwellen- zu Industrienationen.
Die Entwicklung eines kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerks mit integrierter Eisenbad-Kohlevergasung stellt fuer die Stromerzeugung der 90er Jahre eine aussichtsreiche Variante dar. Dies erfordert jedoch eine optimale Integration bzw. Abstimmung des Vergasers mit dem GuD-Teil, da nur dadurch ueber Wirkungsgradgewinne bzw. Anpassung von Systemen/Komponenten Kostenvorteile gegenueber konkurrierenden Verfahren erreicht werden koennen. Im Kloeckner F+E-Folgeprogramm werden Experimente in einer auf der Maxhuette zu installierenden Pilotanlage gefahren, die im Rahmen des KWU-Vorhabens um Versuche zur Klaerung kraftwerksspezifischer Fragestellungen erweitert werden. Zur optimalen Einbindung des Vergasungsprozesses sind kraftwerksseitig Dampfzustaende von mehr als 190 bar und 500 Grad C in dem Vergaser nachgeschalteten Abhitzekessel erwuenscht, die in Stahlwerken (u.a. aufgrund der Eigenschaften des Rohgases) bis heute bei weitem noch nicht erreicht sind. Zu diesem Problemkreis werden Werkstoffuntersuchungen an einem eigens dafuer zu installierenden Abhitzedampferzeuger sowie an Werkstoffproben durchgefuehrt. Darueber hinaus wird die Reingasvertraeglichkeit der Gasturbine neben korrosiven/erosiven Einfluessen (Spurenelemente) vor allem bezueglich des Reingas-Staubgehaltes mittels umfangreicher Messprogramme ueberprueft. Auch muessen die den Kraftwerkbetrieb beeinflussenden Langzeiteffekte untersucht werden. Parallel dazu wird ein analytisches Begleitprogramm bearbeitet.
Kombinierte Gas- und Dampfturbinenprozesse mit Kohlenstaubdruckverbrennung versprechen eine weitere Steigerung des Stromerzeugungswirkungsgrads und damit eine weitere Reduzierung der Gesamtemissionen gegenueber den Verfahrensvarianten mit Druckwirbelschichtfeuerung oder mit integrierter Kohledruckvergasung, erfordern jedoch in vielen Teilprozessen zusaetzliche grundlegende Untersuchungen, bevor der Bau einer Demonstrationsanlage sinnvoll erscheint. An einer Anlage in Dorsten werden Untersuchungen zur Rauchgasreinigung und zu Werkstoffproblemen durchgefuehrt. Ergaenzend dazu sollen an der Druckkohlenstaubfeuerung der TH Aachen die Grundlagen der Kohlenstaubverbrennung und das Emissionsverhalten bei hohem Druck experimentell untersucht und damit die Auslegungsverfahren fuer Brenner und Feuerraum verbessert werden. Die Ergebnisse werden in die Auslegung der geplanten 10 MW-Anlage in Dorsten einfliessen.
Objective: Construction of a demonstration plant with a capacity of 1,500 T/D of raw brown coal using the Winkler process at high temperature (1,000 deg. C) and under pressure (10 Bar) and subsequent gas treatment units. L per cent General Information: The HTW process is a gasification process based on the fluidized bed technology developed by Fritz Winkler in 1922. Gasification in the advanced HTW process takes place under pressure at a temperature of up to 1000 deg. C, with oxygen and steam as gasifying agents. The High Temperature Winkler process features: - high mass and energy transfers with a smooth temperature distribution; - low consumption of gasifying agents; - high degree of carbon conversion since gasification takes place in the fluidized bed and in the entrained gasification zone; - suitability for a large variety of feedstocks (lignite, slightly caking hard coal, wood, peat, biomass); - large product range (synthesis gases, reducing gas, hydrogen, low -BTU gas); HTW demonstration plant data: Gasification pressure 10 Bar Gasification temperature approx. 950 deg. C Dry lignite input capacity 30. 5 t/h Synthesis gas output capacity 37000 m3/h Methanol equivalent14 t/h Dry lignite is transported by a belt conveyor from the Berrenrath refining plant to the storage bunker. From the weighing vessels the lignite passes through pressurized lock hoppers and reaches the feeding vessels from where it is supplied by dosing and feeding screws to the fluidized bed. In the gasifier, lignite reacts with oxygen and steam as gasifying agents at a pressure of 10 bar and temperatures of up to 1000 deg. C. Oxygen is fed into the gasifier at different levels. Temperatures in the fluidized bed range from 700 to 800 deg. C. In the entrained gasification zone above, carbon conversion and gas quality are further improved at temperatures reaching 1000 deg. C. The product gas leaves the gasifier at the top. Ash and carbon containing dust particles carried along by the raw gas are removed in a cyclone and recirculated to the fluidized bed. A second cyclone removes the remaining finer dust particles. The hot raw gas is cooled to some 350 deg. C in a waste heat boiler. The heat energy is used to generate medium pressure steam which serves as process steam in the gasifier. The remaining heat is used for saturating the raw gas with steam in a quench cooler. CO-shift conversion is used to obtain the required ratio of hydrogen to carbon monoxide. Subsequently, sulphur compounds and carbon dioxide are almost completely removed in a Rectisol scrubber with methanol acting as a solvent. The sulphur compounds are processed into saleable elementary sulphur. The processed and cleaned synthesis gas is piped to the Union Kraftstoff AG where tests are made on the conversion of lignite derived synthesis gas into methanol. One important future field of application for the HTW process is constituted by low-BTU gas production from lignite for use in combined-cycle power stations.
Ziel des Vorhabens ist es, die Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit der Stromerzeugung in der Kraftwerksanlage, bestehend aus einer Kohlevergasungsanlage mit Brenngasreinigung sowie einem Gas-/Dampf-Turbinenprozess (Kombi-Kraftwerk) am Beipsiel eines Standortes in der Bundesrepublik Deutschland nachzuweisen und somit die Grundlage fuer die Einfuehrung dieser Technologie zu schaffen. Das vorgesehene, neu entwickelte Kohlevergasungsverfahren (British Gas/lurgi-Slagging Gasifier) ist fuer den beschriebenen Einsatz in jeder Hinsicht besonders geeignet. Bei der Auslegung des Kombi-Blockes wird in naher Zukunft verfuegbare Technik beruecksichtigt. Es werden verschiedene Faelle fuer den Standort Emden untersucht, die in logischem Zusammenhang stehen, und letztlich zum Bau einer kommerziellen Anlage fuehren sollen. Die heute gueltigen Gasemissionsvorschriften und die verschaerften Vorschriften fuer Grossfeuerungsanlagen koennen erfuellt werden.
Ziel des Vorhabens ist es, das fuer ein breites Brennstoffband geeignete GSP-Flugstrom-Vergasungsverfahren in ein zu errichtendes Demonstrationskraftwerk mit kombinierter Gas- und Dampfturbinenanlage zu integrieren. Als Planungsgrundlage wird von einer Kraftwerksleistung von 170 MWel ausgegangen. Die Untersuchung erstreckt sich insbesondere auf die Auslegung und optimale Schaltung der Anlagenkomponenten hinsichtlich einer geringen Umweltbelastung und eines hohen Gesamtwirkungsgrades. Auf diese Weise soll ein generelles Konzept fuer eine praktikable Nutzung des GSP-Verfahrens in Kombikraftwerken zur kostenguenstigen Stromerzeugung entwickelt werden.
Durch Kohlevergasung hergestelltes Gas enthaelt Schwefel. Wird das Gas unmittelbar nach seiner Erzeugung bei hoher Temperatur eingesetzt, so ist eine Heissentschwefelung zweckmaessig, da hierbei die durch Abkuehlen und Wiederaufheizen entstehenden Energieverluste vermieden werden. In zur Zeit laufenden und zum Teil abgeschlossenen Arbeiten wird die Heissentschwefelung mit Schlackenschmelzen, mit Kalk oder Dolomit sowie mit festem Kupfer untersucht. Ein Prozess auf der Grundlage von Kupfer erscheint sehr attraktiv. Mit ihm koennte Kohlegas bei 800 Grad C bis auf H2S-Gehalte von 0,03 Volumen-Prozent entschwefelt werden. Die Regeneration wuerde mit Luft unter Bildung eines SO2-reichen Abgases erfolgen, aus welchem das SO2 mit konventionellen Verfahren beseitigt werden kann.