Forschungsbericht 2005
Oxyfuel-Prozess für Steinkohle mit CO2-Abscheidung
Dieses Forschungsvorhaben ist Teil des Verbundprojektes ADECOS (Weiterentwicklung des Oxyfuel-Prozesses für Braun- und Steinkohle mit CO2-Abscheidung), welches im Rahmen des COORETEC Programms durchgeführt wird. Neben der CO2-Emissionsminderung durch Wirkungsgradverbesserung wird z. Z. auch intensiv die CO2-Emissionsminderung durch Abtrennung und Lagerung des CO2 diskutiert. Beim Kohle gefeuerten Dampfkraftwerk-Prozess bietet sich dafür als end of pipe-Lösung das Auswaschen des CO2 aus den drucklosen Rauchgasen mit Hilfe von Monoethanolamin (MEA) als Waschflüssigkeit an. Zur Regeneration der MEA-Lösung wird Wärme aus ND-Turbinenanzapfungen verwendet. Dadurch sinkt der Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerksblockes um ca. 10-14%-Punkte. Aufgrund dieser hohen Verluste und dem damit verbundenen hohen Verbrauch von Ressourcen wird dieser Prozess z. Z. nur für Verfahren zur Erhöhung der Ausbeuten von Erdöllagerstätten (EOR) näher in Betracht gezogen. Günstiger stellen sich dagegen die Verhältnisse bei dem sog. Oxyfuel-Prozess dar, weshalb dieser Prozess auch im Rahmen des weiteren COORETEC Programms vorrangig weiterverfolgt werden soll. Der Prozess basiert auf dem klassischen Kohle-Dampfkraftwerk, wobei die Verbrennung der Kohle im Dampferzeuger anstatt mit Luft nun in einer Atmosphäre aus Sauerstoff, bereitgestellt durch eine Luftzerlegungsanlage, und rezirkuliertem Rauchgas geschieht. Die Hauptbestandteile des Rauchgases sind dadurch CO2 und Wasser, sodass das CO2 aufgrund seiner hohen Konzentration energetisch günstig abgetrennt und verflüssigt werden kann. Der Volumenanteil des CO2 im trockenen Rauchgas steigt durch die Oxyfueltechnologie von 15 % (herkömmliches DKW) auf etwa 90 % an. Der Prozess gliedert sich im Wesentlichen in drei Hauptkomponenten: Luftzerlegungsanlage, Dampfkraftwerk und Rauchgasverflüssigungsanlage. In der Luftzerlegungsanlage, welche aufgrund der hohen Durchsatzmengen als kryogene LZA nach dem bewährten Linde Prinzip konzipiert ist, wird Sauerstoff mit ca. 97% Reinheit und Umgebungsdruck und -temperatur erzeugt. Die restlichen 3% an Verunreinigungen bestehen hauptsächlich aus Argon. Der Sauerstoffstrom wird mit rezirkuliertem Abgas gemischt bevor er in die Brennkammer eintritt, um die Verbrennungstemperatur und damit die thermische Belastung der Wärmeübertragerflächen im technisch beherrschbaren Rahmen zu halten. Der genaue Anteil der inerten Bestandteile im Verbrennungsgas und damit die Größe des Rezirkulationssystems ist abhängig von der Temperatur und Wärmekapazität an der Stelle der Rückführung der Rauchgase und somit Gegenstand möglicher Optimierungen. Voraussichtlich müssen etwa 2/3 der Rauchgasmenge nach dem Dampferzeuger rezirkuliert werden. Der Dampferzeuger selbst, sowie der gesamte Wasserdampfkreislauf ähneln denen herkömmlicher moderner Dampfkraftwerke mit üblichen überkritischen Frischdampfparametern und Zwischenüberhitzung. Die Notwendigkeit, das Rauchgas bis auf Umgebungstemperatur abzukühlen und das enthaltene Wasser auszukondensieren, sowie der voraussichtliche Wegfall des Luft- bzw. Sauerstoffvorwärmers und die notwendige Kühlung der Luft- und Rauchgasverdichter führen zu einem erhöhten Angebot an Niedertemperaturwärme. Deren Einkopplung in den Prozess wirkt sich auf den Umfang der regenerativen Speisewasservorwärmung und damit auf den Kraftwerkswirkungsgrad aus. Das Rauchgas wird im Rauchgasentfeuchter bis auf die Umgebungstemperatur abgekühlt. Damit wird ein Großteil des Wassers im Rauchgas kondensiert und die CO2 Konzentration steigt. Das restliche Wasser wird über Molekularsiebe aus dem Rauchgas entfernt. Die Konzentration des CO2 im nun trockenen Rauchgas beträgt etwa 90%. Der Rest besteht zum größten Teil aus überschüssigem Sauerstoff, der für einen ausreichenden Ausbrand der Kohle in der Brennkammer notwendig ist, sowie aus Argon und geringen Mengen Stickstoff sowie Schwefel- und Stickoxiden. Während sich die Schadstoffe im auskondensierten Wasser sowie in flüssigem CO2 lösen, ist es notwendig Sauerstoff und Argon während der Verflüssigung des CO2 unter Druck bei ca. -45°C abzutrennen. Das so gewonnene CO2 bleibt mit einer Reinheit von 97 % bei dem Transportdruck von 100 bar auch bei Umgebungstemperatur flüssig. In einer ersten Studie der TUHH wurde das Oxyfuel-Prinzip bereits auf ein existierendes Steinkohlekraftwerk angewandt. So wurde das z. Z. modernste Steinkohlekraftwerk Deutschlands, das Kraftwerk Rostock, als Basis für Simulationsrechnungen mit dem Flowsheet Programm Aspen Plus ® herangezogen. Aufbauend auf dem Simulationsmodell für das Referenzkraftwerk Rostock wurde mit dem selben Simulationstool der Steinkohle-Oxyfuelprozess modelliert, wobei der Wasserdampfkreislauf so weit wie möglich vom Referenzkraftwerk übernommen wurde. Sowohl die Luftzerlegung als auch die Rauchgasverflüssigungsanlage wurde detailliert abgebildet. Anhand der Differenzen in den Berechnungsergebnissen zwischen Oxyfuel- und Referenzkraftwerk ist eine Wirkungsgradeinbuße von 8 %-Punkten festgestellt worden. Dabei wurde der gleiche Sauerstoffüberschuss von 19 % bei der Verbrennung angenommen. Die CO2 Rückhaltequote beträgt dabei 83%. Gegenwärtig erfolgt die Bewertung des Oxyfuel-Prozesses auf Basis des Referenzkraftwerkes Nordrhein-Westfalen, welches den gegenwärtigen Stand der Technik für steinkohlegefeuerte Kraftwerke darstellt und im Betrieb mit Luft einen Nettowirkungsgrad von 45,9 % erreicht. Dabei werden neben der Integration der Luftzerlegungsanlage und der Rauchgasbehandlungskette in Kreislaufberechnungsprogrammen wie Aspen Plus® und Ebsilon® auch die Auswirkungen der geänderten Verbrennungsbedingungen auf den Wärmehaushalt des Dampferzeugers mit einem Kesselberechnungsprogramm (PPSD®) detailliert simuliert. Die Auswirkungen der geänderten Verbrennungsbedingungen auf das Verbrennungsverhalten und die Emissionsbildung werden am institutseigenen Flugstromreaktor untersucht, wobei ein besonderes Augenmerk auf die Anwendung realistischer Randbedingungen verwendet wird. Weitere Informationen zu diesem Forschungsprojekt können Sie hier bekommen
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