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OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 OXYCOAL-AC – Innovative Herausforderungen für eine saubere Lösung der zukünftigen Stromversorgung" R. Kneer, D. Abel, H. R. Maier,

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1 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 OXYCOAL-AC – Innovative Herausforderungen für eine saubere Lösung der zukünftigen Stromversorgung" R. Kneer, D. Abel, H. R. Maier, M. Modigell, R. Niehuis, N. Peters

2 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Was ist OXYCOAL-AC? Interdisziplinäres Forschungsvorhaben Konsortium von 6 RWTH-Instituten und 5 Industriepartnern Ziel: Entwicklung eines hochintegrativen Kraftwerksprozesses zur Erzeugung eines möglichst hoch an CO 2 konzentrierten Rauchgases Langfristig ausgerichtet: 1. Phase (Sep 2004 bis Sep 2007) Komponentenentwicklung 2. Phase (ab Sep 2007…) Prozeßintegration und Komponentenerprobung

3 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 RWE Power AG Begleitende Unternehmen:Verbundpartner RWTH: Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung Institut für Regelungstechnik Institut für Keramische Komponenten im Maschinenbau Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen WS-Wärmeprozesstechnik GmbH E.ON Energie AG Siemens AG Linde AG Institut für Verfahrenstechnik Institut für Technische Verbrennung Finanzierung durch: und Industriepartner

4 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Konventioneller Dampferzeuger

5 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Einfacher oxyfuel-Dampferzeuger

6 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 OXYCOAL-AC Prozess 1 HT-Membran

7 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 OXYCOAL-AC Prozess 2 HT-Membran Turbo- gruppe

8 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 OXYCOAL-AC Prozess 3 Heißgasgebläse Heißgasfilter Turbo- gruppe HT-Membran

9 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Der OXYCOAL-AC Prozess

10 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Verbundvorhaben OXYCOAL-AC: Forschungsschwerpunkte CO 2 /H 2 O Hochtemperatur-Membran Stickstoffturbine Luftverdichter Kohle Brennkammer Umwälzgebläse Dampferzeuger Heißgasreinigung zusammen mit: RWE, Siemens, Linde, E.ON, WS IST Stickstoffturbine Luftverdichter Umwälzgebläse WSA WSA, ITV Brennkammer Dampferzeuger Luft IRT Gesamtprozeßregelung 2) Brennkammer 3) Heißgasreinigung 4) Turbokomponenten 5) Gesamtprozeßregelung IKKM IVT Hochtemperatur-Membran 1) HT-Membran WSA Heißgasreinigung 2) Brennkammer 3) Heißgasreinigung 4) Turbokomponenten 5) Gesamtprozeßregelung 1) HT-Membran Forschungsschwerpunkte 1) HT-Membran 2) Brennkammer 3) Heißgasreinigung 4) Turbokomponenten

11 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Werkstoff Screening der am Markt verfügbaren Perowskiten: - Verfügbarkeit von Rohmaterialien und Halbzeugen (Scheiben, Rohre) Weiterentwicklung Herstellungsprozeß Aufnahme von relevanten Stoffeigenschaften und werkstoffspezifischen Kenngrößen Funktion Erstellung Simulationsmodell (Trenneigenschaften, Strömung) Konstruktion Analyse der Kraft- und Wärmeflüsse Konstruktion und Entwicklung von Testeinrichtungen - Ziel: Qualifikation von Halbzeugen und Modulkomponenten unter realen Einsatzbedingungen Konstruktion Membranmodul für Pilotanlage Forschungsschwerpunkt 1: HT- Membran-Anlage zur O 2 -Abtrennung

12 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Prinzip der keramischen Komposit-Membran aktive dünne Membran aus Perowskit mechanische Stabilität durch dickes poröses Trägermaterial O2O2 Ionen- und Elektronentransport bei T>700 °C, nur für O 2 durchlässig Träger Membran (dicht) e-e- O 2- Luft N2N2 O2O2 sMsM Rauchgas 1-10μm CO 2 = 84% H 2 O = 14 % O 2 = 2 % 1 bar N 2 = 79 % O 2 = 21 % 20 bar

13 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Stoffschluss Keramikfaser Gitterartiger Stützboden Geschweißt 500mm Bodenplatte Perowskit Innenrohr aus Stahl Hochdruck- Gehäuse Blende- Zwischen- boden (ggf. mehrere) Permeat- Strom Feed- Strom A B A B Bayonet-Konzept 1m 2 -Pilot-Anlage

14 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Luft, 850 °C 20 bar CO 2, 850 °C, 1 bar Rohrofen Versuchsdurchführung bei einem O 2 -Partialdruckverhältnis von 11, Versuchszeit jeweils > 65 min. Durchschnittliche gemessene Permeation unter OXYCOAL- Bedingungen 1,8 ml/(cm 2 *min) (Zielwert: 3,0 ml/(cm 2 *min)) Steigerung durch dünnere aktive Schichten möglich (derzeit 1,15 mm) Permeabilitätsmessung bei Außendruck

15 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Energie- und Stofftransport im Rohrmodul Einzelrohr Temperaturprofil 0,20 0,15 0,10 0, Luft RG w O 2 [kg/kg] T [°C] Massenanteil Sauerstoff Luft RG Rohrbündel

16 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Forschungsschwerpunkt 2: Brenner- und Brennkammerentwicklung Theoretische Untersuchungen zur Verbrennung mit CO 2 /O 2 (Reaktionskinetik-, Pyrolyse-, Verbrennungs- und NO x -Modelle, CFD-Verbrennungssimulation) Experimentelle Untersuchungen an Modell-Brennern (Drallbrenner, FLOX ® -Brenner) bei Betrieb mit CO 2 /O 2 - Gemischen (Zünd-, Ausbrand- und Emissionsverhalten bei Variation des O 2 -Gehalts, der Rezirkulationstemperatur, der O 2 -Stufung und der Aufmahlung, Flammenstabilität, Braunkohlen, Steinkohlen, Trockenfeuerung oder Schmelzfeuerung) Dampferzeuger-Brennkammer für CO 2 /H 2 O/O 2 -Atmosphäre

17 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Reaktionskinetische und CFD- Untersuchungen Erstellung eines reduzierten Mechanismus zur CH 4 - Oxidation in Luft Validierung/Adaption des reduzierten Mechanismus für die Verbrennung in CO 2 /O 2 -Atmosphäre mit Hilfe von experimentell gewonnenen Daten Einsatz des Mechanismus in FLUENT ® innerhalb der Flamelet- und EDC-Verbrennungsmodelle Parallel: CFD-Simulation der Kohleverbrennung

18 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Versuchsbrennkammer Laseroptische Methoden: Partikelgröße:PDAd > 1µm Gas- und Partikel-LDA geschwindigkeit:PIV Partikeltemperatur:2 Farben-Pyrometer Sonden: Partikelgröße: HGPCS Temperatur:Thermoelemente Gasanalyse:O 2, CO, CO 2, NO x Arbeitsprogramm: Phase 1: Komponentenentwicklung (Anlagenbetrieb mit externer O 2 - und CO 2 -Bereitstellung) Phase 2: Pilotanlage (Anlagenbetrieb mit HT-Sauerstoff-Modul)

19 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Flammenvisualisierung Kohleverbrennung Luft OXYCOAL

20 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Gastemperaturen LuftbetriebOXYCOAL- Betrieb 13 kg/h11 kg/h =2,0 ( =1,1) =1,3 ( =1,1) TA=0,6TA=0,5 DA=0,4 Quelle: Heil, 2005 Experimentelle Untersuchungen Luft: Ausgeprägte Flamme Hohe Temperaturen im Strahl OXYCOAL: Abgehobene Flamme Niedrige Temperaturen im Strahl

21 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Flammenvisualisierung Ölverbrennung: Substitution von Luft durch O 2 /CO 2 - Gemisch 55 Substitutionsgrad [%] % Luft / 55 % O 2 /CO 2

22 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Woher kommen die Unterschiede? 1.) spez. Wärmekapazität CO 2 > N 2 2.) CO 2 ist kein Inertgas: a) Rußoxidation b) Boudouard-Gleichgewicht CO 2 / Kohle 100 mm Tertiärluft O2/CO2 Tertiärluft O2/CO2 Sekundärluft O2/CO2 Sekundärluft O2/CO2 Primärluft CO2 + Kohle kJ + CO 2 + C 2 CO CO CO 2

23 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Forschungsschwerpunkt 3: Rauchgas- konditionierung für Membranmodul Einbinden der HG-Filtration Untersuchung des Rauchgases auf Partikel und Schadgase Verhalten der HG-Filtration bei ~ 800 °C in CO 2 -Atmosphäre bei Braun- und Steinkohleverbrennung (Carbonatbildung: Na 2 CO 3, K 2 CO 3, CaCO 3 schmelzflüssig bis klebrig) Verhalten des Filterkuchens bei der Abreinigung Stabilität der Filtration Untersuchung des Einflusses der HG-Filtration auf den O 2 - Partialdruck

24 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Luftzerlegung Luft O2O2 Q zu Forschungsschwerpunkt 4: Turbomaschinen Heißgas-Umwälzgebläse Auslegung kritischer Bauteile für extreme Temperaturen und hohe Massenströme (Betrachten ausgewählter Problemstellungen) Luftverdichter und Stickstoffturbine Auswahl Bauweise, Definition der Komponenten, Untersuchen der Kopplung, Verhalten bei An-/ Abfahren, Voll-/ Teillast, Erarbeiten von Regelungskonzepten ?

25 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Fs-schwerpunkt 5: Simulation & Regelung des Gesamtprozesses Optimierung des Gesamtbetriebs (Wirkungsgrad, Emissionen und Einhalten von Grenzwerten) Anfahrvorgang (Verbrennungsmodus mit Luft Sauerstoffbetrieb) Teillastbereich und Wechsel von Betriebspunkten Abstimmung der Komponenten Störfallanalysen und -strategien Objektorientierte Modellierung der Dynamik der Prozesskomponenten Untersuchung des dynamischen Verhaltens des Gesamtprozesses durch Simulationen

26 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 x x t j x t T Rauchgas Luft Membranverhalten m L =m RG =600kg/s m RG =60kg/ s p L =19bar, p RG =1bar T L =1023K, T RG =1123K

27 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Simulation mit Ebsilon 400 MW η = 41%

28 OXYCOAL-AC 2. Mai 2006 Zusammenfassung Grundlagenforschung in der Komponentenentwicklung: Membran: Stofftransportmechanismen, Werkstoffcharakterisierung Brennkammer: Exp. und theoretische Charakterisierung der Kohleverbrennung in CO 2 /O 2 -Atmosphäre OXYCOAL-AC: Projektbearbeitung durch strukturiertes Vorgehen auf zwei Ebenen Anwendungsbezogene Umsetzung im Gesamtprozess: Simulation und Regelungsstrategie: Ebsilon, Dymola Einbindung eines Membranmoduls in Pilotanlage

29 OXYCOAL-AC 2. Mai IST Konzeptvorschlag Heißgasgebläse WSA Betrieb mit variablen O 2 - Konzentrationen WSA FLOX- Ver- brennung IRT Fortgeschrittene Regelungskon- zepte IST Untersuchung von Betriebsverhalten und Regelbarkeit der Membran- turbogruppe WSA / ITV Begleitende Grundlagen- untersuchungen an einer FLOX- Brennkammer mit Kohle WSA Rauchgas- konditionierung IKKM / IVT / WSA Langzeitversuche 2010 Start Integration 1 m 2 -Modul IRT Bedienkonzept IVT / IKKM Integration 20 m 2 -Modul Kostenabschätzung mit Industrie Lasten- und Pflichtenheft für ein 40-MW Kraftwerk unter OXYCOAL- Bedingungen Projektphase 2


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