OXYCOAL-AC

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Das Verbundvorhaben OXYCOAL-AC

Ausgangssituation, Voraussetzungen und Vorgehen

Ein zentraler Punkt für die Bearbeitung des Vorhaben ist der Aufbau einer Pilotanlage, die den gesamten Rauchgaskreislauf des OXYCOAL-AC-Prozesses im Versuchsmaßstab (thermische Leistung ca. 100 kW) abbildet. Ausgangspunkt für den Aufbau dieser Pilotanlage, die in der zweiten Projektphase betrieben werden soll, ist die Versuchsanlage des WSA, in der von 1995 bis 2004 die Verbrennung von Kohle unter Druck im Rahmen des Forschungsvorhabens "Druckkohlenstaubfeuerung" untersucht wurde. Dabei wurden Leistungen von 400 kWth bei Drücken von bis zu 10 bar erreicht.

 

Abb. 3: Schematischer Aufbau der Druckkohlenstaubfeuerungs-Versuchsanlage

Für den Betrieb in CO2/O2-Atmosphäre wird die Anlage zunächst grundlegend umgerüstet. Dies umfasst z. B. die Integration einer Gasmischeinheit, den Aufbau eines Rohrleitungsnetzes für die Beschickung der Anlage aus mobilen, außerhalb des Gebäudes aufgestellten Tanks sowie die Entwicklung eines Sicherheitskonzepts. Nach diesen Änderungen wird mit der Anlage das Verhalten einer atmosphärischen CO2/O2-Flamme untersucht. Für eine Leistung von 100 kWth unter atmosphärischen Bedingungen muss die Feuerungsanlage jedoch weiter umgebaut werden. Darüber hinaus müssen die bereits beschriebenen Komponenten Membranmodul mit Turbokomponenten zur Luftbeschickung, Heißgasfiltration und Heißgasgebläse im geeigneten Maßstab für den Einsatz in der Pilotanlage entwickelt werden.

Die Entwicklung des Membranmoduls am IWM und AVT beginnt zunächst mit grundlegenden Untersuchungen zur Eignung von Membranmaterialien sowie von Aspekten wie geometrischer Anordnung der aktiven Flächen und Fügetechnik zwischen Metall und Keramik. Weiterhin ist der Aufbau von Prüfeinrichtungen für Membranen und Membranmaterialien, die die Bedingungen im realen Kraftwerksbetrieb nachbilden, vorgesehen. Das Membranmodul wird dann in der zweiten Phase in die Pilotanlage integriert werden. Dabei kommt der vorgeschalteten Heißgasfiltration eine Schlüsselrolle zu. Als Basis für diese Heißgasfiltration dient eine Anlage des WSA, an der in der Vergangenheit bereits experimentelle Untersuchungen, jedoch unter Bedingungen der Kohleverbrennung mit Luft, durchgeführt wurden.

Parallel dazu müssen Fragestellungen, die nicht durch den Test einzelner Komponenten im Labormaßstab oder an der WSA-Pilotanlage beantwortet werden können, auf theoretischer Ebene untersucht werden. Dies geschieht auf Grundlage der Simulation eines Referenzprozesses mit einer Leistung von 400 MWel. Weiterhin wird die Regelung und Simulation des Gesamtprozesses durch Schaffung entsprechend geeigneter Simulationswerkzeuge angegangen. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit des IRT mit sämtlichen Projektpartnern.
Sowohl zum Betrieb der Membran als auch zur Aufrechterhaltung der Rauchgasrückführung sind Turbokomponenten vorgesehen, die im Hinblick auf die Anforderungen des OXYCOAL-AC-Prozesses so nicht am Markt verfügbar sind. Daher sind hierzu zunächst theoretische Studien zum möglichen Maschinenverhalten durchzuführen.

Entwicklungsschwerpunkte und Zielsetzungen der 1. Projektphase

Zur Umsetzung des OXYCOAL-AC-Prozesses ist die Entwicklung von mehreren technischen Schlüssel-Komponenten erforderlich, die derzeit am Markt nicht verfügbar sind. Dies liegt in der Kombination von Anforderungen begründet, denen diese Komponenten gerecht werden müssen. Dadurch ergeben sich die folgenden Entwicklungsschwerpunkte für das Verbundvorhaben:

  • Hochtemperatur-Membrananlage zur O2-Abtrennung (IWM, AVT):
    Ziel der ersten Projektphase ist hierbei die Entwicklung eines Membranmoduls zum Einsatz in der WSA-Pilotanlage während der zweiten Projektphase. Das Membranmodul soll zunächst eine aktive Membranfläche von 1 m² haben und in der Lage sein, das rezirkulierte Rauchgas in der WSA-Pilotanlage im Betrieb mit Sauerstoff anzureichern.

  • Brenner- und Brennkammerentwicklung (WSA, ITV):
    Dieser Schwerpunkt umfasst zunächst die Realisierung einer aerodynamisch kontrollierten Flamme bei der Kohleverbrennung in CO2/O2-Atmosphäre in der zylindrischen Versuchsanlage des WSA, die Untersuchung dieser Flamme mit optischen und Sondenmesstechniken und die Umsetzung der dabei gewonnenen Erkenntnisse in Modelle für die CFD-Simulation. Durch die Sauerstoffbereitstellung mittels keramischer Membranen ergibt sich dabei die Forderung nach einer stabilen Verbrennung bei möglichst geringen Sauerstoffkonzentrationen im CO2/O2- Gemisch. Darüber hinaus sind entsprechende Reaktionsmechanismen für eine detaillierte kinetische Beschreibung der Stickoxidbildung zu entwickeln.

  • Rauchgaskonditionierung für das Membranmodul (WSA):
    Innerhalb der ersten Versuchsphase ist die am WSA vorhandene Versuchsanlage zur Heißgasfiltration in die Versuchsanlage für Verbrennungsuntersuchungen zu integrieren. Damit wird eine Beaufschlagung der keramischen Filterkerzen mit realem Rauchgas ermöglicht, das unmittelbar aus einer Verbrennung in CO2/O2- Atmosphäre stammt. Dabei ist davon auszugehen, dass die hohe CO2- Konzentration im Rauchgas Einfluss auf die Zusammensetzung der sich im Rauchgasweg bildenden Feststoffpartikel nimmt, von der das Rauchgas in der Heißgasfiltrationsanlage gereinigt wird. Die Qualität der Filtration unter diesen Bedingungen ist experimentell zu untersuchen.

  • Turbomaschinen (IST):
    Für den 400 MWel-Prozess sind drei Turbomaschinen zu entwickeln. Zur Beschickung des Membranmoduls mit verdichteter Luft sind ein Verdichter sowie eine Turbine auszulegen. Die Turbine muss gegenüber dem Verdichter mit einem geringeren Massenstrom und einem Fluid mit geringfügig veränderter Zusammensetzung betrieben werden. Darüber hinaus liegt die Eintrittstemperatur der Turbine deutlich unterhalb der moderner Gasturbinen. Demgegenüber muss das Heißgasgebläse zur Umwälzung des Rezirkulationsstromes einen großen Massenstrom bei hoher Temperatur und geringem Druckverhältnis fördern. Zusammenfassend ist die Kombination von Anforderungen an jede der drei Turbomaschinen als unkonventionell zu bezeichnen, so dass signifikanter Entwicklungsaufwand entsteht.

  • Simulation und Regelung des Gesamtprozesses (IRT, Beiträge auch durch AVT, IST, WSA):
    Gegenüber dem konventionellen Dampfkraftprozess erfordern Oxyfuel-Prozesse durch die Rauchgasrezirkulation andere Regelungsstrategien. Beim OXYCOALAC- Prozess sind gegenüber kryogen beschickten Oxyfuel-Prozessen zudem noch neuartige Komponenten vorhanden, die zusätzliche Anforderungen an die Regelung der Anlage stellen. Limitierende Beschränkungen resultieren dabei aus der Spezifikationen (z.B. führen schnelle Temperaturänderungen des keramischen Membranmaterials zu Schäden) oder möglicher Interaktionen der Komponenten (z.B. Änderung des Leistungsgleichgewichts zwischen Luftverdichter und Turbine beim Hochfahren des Prozesses).
    Die Simulation und Regelung des Gesamtprozesses erfolgt daher unter zwei verschiedenen Gesichtspunkten. Aus regelungstechnischer Sicht wird das dynamische Verhalten des Prozesses, also Zeitkonstanten von und Interaktionen zwischen verschiedenen Komponenten untersucht. Die Auslegung von Komponenten und deren Eingliederung in den Prozess wird parallel dazu auch durch statische Simulationen des Gesamtprozesses vorgenommen.

Jedes dieser Themen stellt einen unabdingbaren Bestandteil des OXYCOAL-AC Prozesses dar. Die Themen werden teilweise von einzelnen Partnern alleine, mehrheitlich jedoch von mehreren Projektpartnern in direkter Zusammenarbeit bearbeitet. Insgesamt erzwingt das Ziel, die Entwicklung und Darstellung eines neuartigen Kraftwerksprozesses, eine abgestimmte, parallele Vorgehensweise aller Projektpartner, da nur so die wechselseitige Beeinflussung verschiedener Komponenten mit berücksichtigt werden kann.