Bildung und Reduktion von Stickoxiden bei Braunkohlefeuerungen im Luft- und Oxyfuel-Betrieb

Der Oxyfuel-Prozess ist eine der CCS-Technologien, die zur Abscheidung des Kohlendioxids geeignet sind. Gegenüber den konventionell betriebenen Kohlekraftwerken mit Luft, wird die Verbrennung beim Oxyfuel-Prozess mit reinem Sauerstoff betrieben. Der fehlende Luftstickstoff wird durch rezirkuliertes Abgas ersetzt. Dadurch ergeben sich veränderte Prozessbedingungen, die Auswirkung auf das Verbrennungsverhalten der Kohle und damit auch auf die Schadstoffbildung und -reduktion haben. Die Untersuchung der Zusammenhänge bezogen auf die Stickoxid- Emissionen ist Gegenstand dieser Arbeit. Die Haupteinflussgrößen auf die NO-Bildung und –Reduktion in Oxyfuel-Feuerungen werden anhand eines vereinfachten mathematischen Modells systematisch untersucht. Mit diesem Modell ist es möglich die einzelnen Einflussgrößen unabhängig voneinander zu betrachten. Der Bezug zu bisher bekannten Abhängigkeiten erfolgt über den Vergleich zur konventionellen Verbrennung mit Luft. Abgeleitet aus den Ergebnissen der mathematischen Modellierung wurde ein geeignetes Versuchsprogramm zur experimentellen Validierung erstellt. Die experimentellen Untersuchungen erfolgten an einer 50 kW Staubfeuerungsversuchsanlage, die sowohl für den Oxyfuel-Betrieb, als auch für den konventionellen Betrieb mit Luft geeignet ist. Das Versuchsprogramm umfasst umfangreiche Untersuchungen in der Flamme, hinsichtlich Temperaturverteilung, Gaszusammensetzung und Partikelabbrand. Weiterhin wurden Kennfelduntersuchungen durchgeführt, die im Gegensatz zu den Flammenuntersuchungen weniger aufwendig sind und daher ein größeres Spektrum an Versuchspunkten abdecken können. Wie in der mathematischen Modellierung erfolgt auch hier der Vergleich von konventioneller Verbrennung mit Luft und der Oxyfuel-Verbrennung. Als größte Einflussfaktoren auf die NO-Bildung und Reduktion wurden die Temperatur in der Brennkammer, das stöchiometrische Verhältnis und der Stickstoffgehalt im Brennstoff ermittelt. Das ebenfalls als starker Einflussfaktor erwartete Rezirkulationsverhältnis ist für sich betrachtet nicht so relevant, wirkt jedoch entscheidend auf die Temperatur und den verfügbaren Stickstoffgehalt am Brenner ein. Aus den Ergebnissen der Untersuchungen konnten allgemeingültige Aussagen zur Minderung von Stickoxid-Emissionen in Oxyfuel-Anlagen abgeleitet, sowie Hinweise zum Betrieb gegeben werden. Die Übertragbarkeit der getroffenen Aussagen auf Großanlagen wurde diskutiert.