Demineralisierung und Mechanisch/Thermische Entwässerung von Braunkohle und deren Einfluss auf die Alkalienemission bei der Verbrennung
Final Report Abstract
Braunkohle ist ein in vielen Erdteilen vorhandener Energierohstoff der aufgrund immer weiter steigender Energiepreise und der Verknappung der herkömmlichen fossilen Ressourcen wie Erdöl an Bedeutung gewinnen wird. Vor dem Hintergrund der klimaverträglichen Energieversorgung und der Schonung der noch vorhandenen fossilen Kohlenwasserstoffe liegt ein großes Potential in der Entwicklung von Technologien, die entweder eine Wirkungsgraderhöhung bewirken oder den Einsatz bisher ungenutzter Energieträger ermöglichen. Dabei stellt uns die Nutzung von Braunkohle vor vielfältige Probleme. Braunkohle weist zum Einen große Wassergehalte auf, die den Heizwert der Kohle herabsetzen, da das Wasser während der thermischen Nutzung desorbiert und verdampft werden muss. Zum Anderen besitzen viele Braunkohlen einen relativ hohen Anteil anorganischer Bestandteile, welche Hochtemperaturkorrosion und Ablagerungen bzw. Verschlackungen begünstigen. Daher ist es sinnvoll einer Verbrennung von stark wasser- und aschehaltigen Braunkohlen eine Entwässerung und Demineralisierung vorzuschalten. Ein Beispiel für ein Verfahren, welches Braunkohlen in geeigneter Weise vorbehandelt ist das an der Technischen Universität Dortmund entwickelte Verfahren der Mechanisch/Thermischen Entwässerung (MTE), bei dem die Kohle bei erhöhter Temperatur mechanisch ausgepresst wird. Das flüssig abgezogene Wasser trägt dabei anorganische Fracht mit aus der Kohle aus, so dass dieses Verfahren bei der Zugabe eines Lösungsmittels als kombinierte Entwässerung und Demineralisierung (DMTE) betrachtet werden kann. Dass dieses Verfahren den Wassergehalt von Braunkohle effektiv verringern kann ist in vielen vorangegangenen Arbeiten gezeigt worden. Hier wird vielmehr auf die in Kombination durchgeführte Demineralisierung eingegangen. Analysen des dabei produzierten Prozessabwassers der DMTE zeigen, dass sich mit dem in flüssiger Form abgezogenen Wasser wie schon erwähnt Anorganika entfernen lassen. In dieser Arbeit werden Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium und Eisen betrachtet, welche den Hauptanteil der Kationen der problematischen anorganischen Bestandteile der Braunkohlen darstellen. Es ist zu erkennen, dass Erdalkalien mit Säurezusatz deutlich besser entfernt werden können als bei einer Demineralisierung mit reinem Wasser. Ein derartiges Verhalten deutet auf das Vorhandensein dieser Elemente in säurelöslichen oder organisch gebundenen Formen hin. Weiterhin führt eine erhöhte Prozesstemperatur ebenfalls zu einer wirkungsvolleren Entfernung von Metallkationen als niedrige Temperaturen, was aus dem mit der Temperatur steigenden Diffusionskoeffizienten resultiert. Bei der Entfernung der Alkalimetalle ist der wasserlösliche Charakter der in der Kohle vorhandenen Alkalimetallverbindungen deutlich erkennbar. Hier hat der Zusatz von Säure einen geringeren Effekt als bei den Erdalkalien. Durch eine Erhöhung der Temperatur wird der Austrag von Natrium und Kalium jedoch deutlich gesteigert. Für Eisenverbindungen ist eine Demineralisierung mit sauren Lösungsmitteln effektiver als mit Wasser, jedoch ist der Eisenaustrag im Vergleich zu den Alkali- und Erdalkalimetallen sehr gering. Eine Erklärung hierfür liefert die Fähigkeit des Eisens dreiwertige Ionen zu bilden, welche stärkere Bindungen mit der Kohlematrix eingehen können als es die ausschließhch zweiwertigen Ionen der Erdalkalien tun. Bei der Modellierung der Demineralisierung sind zur ersten Abschätzung bezüglich des Verhaltens des numerischen Verfahrens, für eine Diffusion im eindimensionalen Fall die ermittelten numerischen Ergebnisse mit einer analytischen Lösung der Diffusionsgleichung verglichen worden. Aufbauend darauf wurde die Modellvorstellung eines zweiskaligen Diffusionsmodells für eine Rührkessel an Ordnung mit zeitabhängigen Randbedingungen umgesetzt. Zur Vereinfachung wurde hier ein ideal durchmischtes Verhalten des Rührkessel volumens angenommen. Eine grundlegende Annahme des erstellten Modells ist es außerdem, dass der Stoffaustausch mit der Umgebung ausschließlich über die Makropartikeloberfläche stattfindet und dass das Hohlraumvolumen der Makropartikel (Makroskala) dadurch als Transportweg für den Konzentrationsausgleich in den Mikrostrukturen fungiert. Die Demineralisierung mit Einfluss der lonenladung, bei der ein Anteil der in der Kohlematrix gebundenen Ionen durch einen lonenaustausch demineralisiert wird, wird dabei mit einer Variation der Nernst-Planck-Gleichung beschrieben.
