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Kohle Russfrei verbrennen



Bochum, 04.11.1996
Nr. 202

Kohle ohne Russ
Neue OEfen braucht das Land
RUB-Ingenieur: Wie Kohle sauberer verbrennt


Wenn es im Kraftwerksofen brennt, muss es nicht unbedingt qualmen,
und schadstoffhaltige Emissionen koennen bei der Verbrennung
fossiler Brennstoffe weiter verringert werden. Dabei kommt es
insbesondere auf die Wahl des Brennstoffs an. Das ist ein Ergebnis
des Bochumer Maschinenbauingenieurs Dr.-Ing. Jochen Arthkamp, der
untersucht hat, warum bei der ansonsten umweltfreundlichen
Wirbelschichtfeuerung hohe Werte des umweltschaedlichen
Distickstoffmonoxids (N2O) gemessen werden. Dieses Gas beschleunigt
in der Atmosphaere den Treibhauseffekt und zersetzt in der
Stratosphaere die Ozonschicht. Dr. Arthkamps Dissertation
,Untersuchungen zur Bildung von Distickstoffmonoxid bei der
Kohlenstaubverbrennung" wurde von Prof. Dr.-Ing. Hans Kremer
(Energieanlagentechnik, Fakultaet fuer Maschinenbau der RUB)
betreut. Fuer seine Untersuchungen erhielt Dr.-Ing. Arthkamp den
Heinrich-Mandel-Preis der VGB (Technische Vereinigung der
Grosswerksbetreiber) und den Dr.-Heinrich-Kost-Preis der
Gesellschaft der Freunde der RUB 1995.

Wirbelschichtfeuerung vorteilhaft

Die Wirbelschichtfeuerung bietet gegenueber anderen Feuerungsarten
deutliche Vorteile. Bei vergleichsweise niedrigen
Verbrennungstemperaturen von 800 bis 900 C entsteht nur wenig
schaedliches Stickstoffoxid (NOx). In diesem Temperaturbereich ist
ebenfalls eine effektive Rauchgasentschwefelung durch
Kalksteinzugabe moeglich. Auch die Kohlenmonoxid-Emissionen sind
relativ niedrig, allerdings stehen dem hohe N2O-Emissionen
gegenueber. 

34 Kohlearten geprueft

34 unterschiedliche Kohlearten in mehr als 260 Versuchseinstellungen
bei Temperaturen zwischen 700 C und 1200 C  hat Dr. Arthkamp in
seinen Untersuchungen verfeuert. Dabei zeigte sich, dass mit
sinkender Verbrennungstemperatur die N2O-Emissionen quadratisch und
mit steigendem Luftueberschuss linear ansteigen. Ob und in welchen
Mengen N2O bei der Verbrennung entsteht, haengt allein von der Art
des Brennstoffs ab. Braunkohle verursacht die kleinsten
N2O-Emissionen, weil der sogenannte Fluechtigengehalt dieser Kohle
besonders hoch ist und die Kohlenzusammensetzung anders als bei der
Steinkohle ist. Unter Fluechtigengehalt versteht man  Stoffe, die
bei der Verbrennung schnell in Gasform aus dem Brennstoff austreten.
Ein hoher  Fluechtigengehalt erhoeht die Temperatur, wodurch der
N2O-Anteil frueh reduziert werden kann. Dies ist entscheidend, denn
das bei der Restkoksverbrennung freiwerdende N2O wird nur noch zu
einem kleinen Teil abgebaut. Erdgas, das keinen chemisch gebundenen
Stickstoff enthaelt, waere unter diesem Aspekt der ideale
Brennstoff, da bei der Verbrennung praktisch kein N2O entsteht. 

Erdgas und Methan zugeben

Wasser- und Aschegehalt der Kohle haben keinen direkten Einfluss auf
die N2O-Emissionen. In Grossfeuerungsanlagen ist jedoch bei
veraenderten Temperaturbedingungen ein Einfluss zu erwarten. Eine
geeignete Gegenmassnahme waere die sogenannte Luftstufung, bei der
die Ausbrandluft auf moeglichst hohe Temperaturen vorgewaermt wird.
Effektiver ist jedoch die Brennstoffstufung. Durch die Zugabe
stickstofffreien Erdgases bzw. Methans waehrend der Verbrennung
koennen deutlich niedrigere N2O-Emissionen erreicht werden. Auch
Braunkohle waere ein weiterer geeigneter Reduktionsbrennstof

... oder Abgase nacherhitzen Ein aehnlicher Effekt wie bei der
Brennstoffstufung tritt bei der thermischen Nachverbrennung auf,
wenn die Abgase nochmals mit stickstofffreien Brennstoffen erhitzt
werden. Die eingesetzte Brenngasmenge liefert bei diesem Verfahren
ca. 5 bis 15 % des Gesamtheizwertes.

Fossile Energietraeger dominieren

Weltweit dominieren weiterhin die fossilen Energietraeger Kohle, OEl
und Gas, die 1988 insgesamt 88% des Energieverbrauchs deckten.
Andere Energiequellen wie Wind-, Wasser- und Gezeitenkraft sind noch
nicht wirtschaftlich oder wie die Kernenergie nur mit hohem
technischen Aufwand zu nutzen.

Fuer optimalen Energieeinsatz

Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe kommt es darauf an,
einerseits einen optimalen Wirkungsgrad der Energieumwandlung zu
erzielen und andererseits die schaedlichen Emissionen so gering wie
moeglich zu halten. Durch bessere Feuerungstechniken, den Einsatz
von Katalysatoren, Filtern und Zusaetzen wie Kalk zur
Rauchgasentschwefelung konnten die Emissionen von Schwefeldioxid
sowie von Stickstoffmonoxid und -dioxid deutlich verringert werden.
Allerdings erhoehte sich der Eigenenergiebedarf der Kraftwerke durch
diese Massnahmen; der zusaetzlich notwendige Brennstoff produziert
wiederum das Treibhausgas Kohlendioxid - ein Teufelskreis. Die
Betreiber der Grossfeuerungsanlagen wussten bisher, dass neben der
Brennstoffart auch die Temperatur und die Luftzufuhr wesentlichen
Einfluss auf die Bildung von N2O haben. Gezielte Untersuchungen
waren aber nicht moeglich, da zu viele Faktoren die gezielten
Messreihen verfaelscht haetten.

Kosten sparen

Der von Dr. Arthkamp im Labor simulierte Praxisbetrieb erlaubte
kontrollierte Messbedingungen und vor allem die saubere Trennung der
Temperatur von den uebrigen Einflussgroessen. Die so ermittelten
Verfahren zur Vermeidung von N2O-Emissionen koennen auch im Hinblick
auf die Kosten in den Kraftwerken problemlos umgesetzt werden.

Weitere Informationen

Dr. Ing. Jochen Arthkamp, Ruhrgas AG, Betriebsstelle Dorsten, TAI,
DO 42, 46284 Dorsten, Tel.: 02362 /93-8568; Fax: 02362/93-8766.



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Mit freundlichen Gruessen 

Dr. Josef Koenig 
RUB - Ruhr-Universitaet Bochum 
- Pressestelle - 
44780 Bochum 
Tel: + 49 234 700-2830, -3930
Fax: + 49 234 7094-136
Josef.Koenig@rz.ruhr-uni-bochum.de 

Schauen Sie doch bei uns mal rein: 
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