Massenspektrometrische Untersuchungen und thermochemische Modellrechnungen zur Freisetzung und Einbindung von Alkalien bei der Kohleumwandlung

Bei der Verbrennung von Kohle in Kombikraftwerken werden aus der Brennstoffasche alkalimetallhaltige Spezies (Alkalien), Calcium und Spurenelemente wie Pb, V und Zn freigesetzt, die besonders im Bereich der Gasturbine" und der Wännetauscherheizflächen zu unzulässiger Korrosion und Belagbildung führen können. Die Abscheidung dieser gasförmigen Schadstoffe ist Aufgabe der chemischen Heißgasreinigung, zu deren technischer Entwicklung anwendungsbezogene Grundlagenuntersuchungen notwendig sind, wie sie im Rahmen dieses Vorhabens durchgeführt werden. Im Mittelpunkt steht dabei die Aufklärung der Freisetzungs- und Einbindungsmechanismen der Alkalien. Dazu werden neben Kohleaschen und Kraftwerksschlacken auch alkalienabsorbierende Gettermaterialien sowie Feuerfestkeramiken, die zur Ausmauerung und als Strukturmaterialien in der Anlage verwendet werden, untersucht. Die Aufgabenstellung wird experimentell und theoretisch angegangen: Mittels Knudsen-Effusions-Massenspektrometrie wird die qualitative und quantitative Zusammensetzung der Gasphase über festen und flüssigen Proben im technisch relevanten Temperaturbereich studiert. Im Rahmen der thermochemischen Modellrechnungen werden die Kohleschlacken durch bis zusieben-komponentige Modellsysteme beschrieben, und es können die Partialdrücke der Alkalien, auch unter Berücksichtigung der Rauchgaszusammensetzung, bestimmt werden. Nachdem ein neues, für dieses Projekt vorgesehenes System Massenspektrometer-Knudsenzelle aufgebaut und in Betrieb genommen wurde, konnten bisher die Aschen von 3 Kohlen (Braunkohle aus den Revieren Lausitz und Mitteldeutschland und Ruhr-Steinkohle) sowie 3 Feuerfestkeramiken von der Druckkohlenstaubfeuerungsanlage in Dorsten experimentell untersucht werden. Bei den Verdampfungsuntersuchungen an den Kohleaschen wurden über einen Temperaturbereich von etwa 200 bis 1850°C insgesamt über 40 Gasphasenspezies identifiziert. Es wurde beobachtet, daß die Alkalien im Zusammenhang mit vier Ascheumwandlungsprozessen (Carbonatzersetzung, Chloridverdampfung, Sulfatzersetzung, Alumosilikatumwandlung) freigesetzt werden. So verdampfen sie bei der Asche der Lausitzer Braunkohle fast ausschließlich als Chloride im Temperaturbereich von etwa 600 bis 900°C, während sie bei der Ruhrkohle überwiegend aus Alumosilikaten in elementarer Form und bis etwa 1700°C mit stark zunehmendem Dampfdruck verdampfen. Bei den Feuerfestkeramiken wurde im Temperaturbereich von 800 bis 1800°C eine unterschiedlich starke Freisetzung korrosiver natrium-, phosphor- und schwefelhaltiger Spezies nachgewiesen. Keines der untersuchten Materialien zeichnet sich jedoch durch ein für alle Stoffe gleichermaßen günstiges Emissionsverhalten aus. Im Rahmen der thermochemischen Gleichgewichtsmodellierungen stellte sich das Datenbanksystem F*A*C*T 2.1, unter Verwendung des modifizierten quasichemischen Modells und der FACT-Schlackendatenbank, als das am besten geeignete heraus. Die bisher durchgeführten, umfangreichen Vergleiche zwischen den Ergebnissen von Modellrechnungen einerseits und experimentellen Aktivitätsdaten aus der Literatur für die kohleaschenrelevanten quasi-binären und -ternären Systeme sowie Phasendiagrammen andererseits haben eine gute Übereinstimmung gezeigt. Die bisherigen Studien an den Systemen 0.02K$_{2}$O-xSiO$_{2}$-(0.98-x)Al$_{2}$O$_{3}$ und 0.05Na$_{2}$O-xSiO$_{2}$-(0.95-x)Al$_{2}$O$_{3}$ erlauben tendenzielle Aussagen :für den technischen Einsatz von ausschließlich aus SiO$_{2}$ und Al$_{2}$O$_{3}$ bestehenden Gettermaterialien: Das im untersuchten Temperaturbereich (800 bis 1800°C) optimale Gettermaterial für K$_{2}$O und Na$_{2}$O besitzt einen SiO$_{2}$-Anteil von etwa x=0,7 bis 0,85. Beim Einsatz von Kraftwerksschlacken als Gettermaterial sollten diese aus dem Bereich höchster Temperatur stammen; denn dort werden die Alkalien bei hohem Dampfdruck freigesetzt und haben somit eine entsprechend hohe Aufnahmekapazität bei den niedrigeren Temperaturen der vorzusehenden Alkalienabscheidung

Massenspektrometrische Untersuchungen und thermochemische Modellrechnungen zur Freisetzung und Einbindung von Alkalien bei der Kohleumwandlung

The main objectives of the investigations at Juelich are as follows: elucidation of the release of alkalis and trace elements from coal ashes and of the factors determining this process; establishment of well-founded calculation bases for describing the chmical properties of ashes and slags and their interactions with the gaseous phase; determination of the sorption capability of potential getter materials for alkalis with the aim of optimum material composition; investigation of the evaporation behaviour of lining and structural ceramics with a view to an optimum choice of material and the acquisition of thermo-chemical data for process simulation. (MSK)Die wichtigsten Ziele der Untersuchungen in Juelich sind: Aufklaerung der Freisetzung von Alkalien und Spurenelementen aus Kohleaschen sowie der diesen Vorgang bestimmenden Faktoren; die Schaffung gesicherter Berechnungsgrundlagen zur Beschreibung der chemischen Eigenschaften von Aschen und Schlacken sowie deren Wechselwirkungen mit der Gasphase; die Bestimmung des Sorptionsvermoegens potentieller Gettermaterialien fuer Alkalien mit dem Ziel optimaler Materialzusammensetzung; die Untersuchung des Verdampfungsverhaltens von Auskleidungs- und Strukturkeramiken im Hinblick auf eine optimale Materialauswahl sowie die Bereitstellung thermochemischer Daten fuer die Prozesssimulation. (MSK)SIGLEAvailable from FIZ Karlsruhe / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekBundesministerium fuer Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie, Bonn (Germany)DEGerman