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

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 CO2 konzentrierten Rauchgases

Langfristig ausgerichtet:

1. Phase (Sep 2004 bis Sep 2007) Komponentenentwicklung

2. Phase (ab Sep 2007…) Prozeßintegration und Komponentenerprobung

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 AGInstitut für Verfahrenstechnik

Institut für Technische VerbrennungFinanzierung durch:

und Industriepartner

OXYCOAL-AC

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Konventioneller Dampferzeuger

OXYCOAL-AC

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Einfacher oxyfuel-Dampferzeuger

OXYCOAL-AC

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OXYCOAL-AC Prozess 1

HT-Membran

OXYCOAL-AC

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OXYCOAL-AC Prozess 2

HT-Membran

Turbo-gruppe

OXYCOAL-AC

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OXYCOAL-AC Prozess 3HeißgasgebläseHeißgasfilter

Turbo-gruppe HT-Membran

OXYCOAL-AC

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Der OXYCOAL-AC Prozess

OXYCOAL-AC

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Verbundvorhaben OXYCOAL-AC:Forschungsschwerpunkte

CO2/H2O

CO2/H2O

Hochtemperatur-Membran

StickstoffturbineLuftverdichter

Kohle

Brennkammer Umwälzgebläse

Dampferzeuger

Heißgasreinigung

zusammen mit:

RWE, Siemens, Linde, E.ON, WS

IST

ISTStickstoffturbineLuftverdichter

Umwälzgebläse

WSA

WSA, ITV

Brennkammer

Dampferzeuger

Luft

IRT

Gesamtprozeßregelung

2) Brennkammer3) Heißgasreinigung4) Turbokomponenten5) Gesamtprozeßregelung

IKKM

IVTHochtemperatur-Membran

1) HT-MembranWSA Heißgasreinigung

2) Brennkammer3) Heißgasreinigung4) Turbokomponenten5) Gesamtprozeßregelung

1) HT-Membran

Forschungsschwerpunkte

1) HT-Membran2) Brennkammer3) Heißgasreinigung4) Turbokomponenten

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 O2-Abtrennung

OXYCOAL-AC

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Prinzip der keramischen Komposit-Membran

• aktive dünne Membran aus Perowskit• mechanische Stabilität durch dickes poröses Trägermaterial

O2

Ionen- und Elektronentransport bei T>700 °C, nur für O2 durchlässig

2

2, Luft

2, Rauchgas

"O

M

O

O

p1j = C(T) lns p

TrägerMembran (dicht)

e-

O2-

Luft

N2

O2

sM

Rauchgas

1-10μm

CO2 = 84%H2O = 14 % O2 = 2 % 1 bar

N2 = 79 %O2 = 21 % 20 bar

OXYCOAL-AC

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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 1m2-Pilot-Anlage

OXYCOAL-AC

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Luft,850 °C20 bar

CO2,850 °C, 1 bar

Rohrofen

Versuchsdurchführung bei einem O2-Partialdruckverhältnis von

11, Versuchszeit jeweils > 65 min. Durchschnittliche gemessene Permeation unter OXYCOAL-

Bedingungen 1,8 ml/(cm2*min) (Zielwert: 3,0 ml/(cm2*min)) Steigerung durch dünnere aktive Schichten möglich

(derzeit 1,15 mm)

Permeabilitätsmessung bei Außendruck

OXYCOAL-AC

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Energie- und Stofftransport im Rohrmodul

Einzelrohr

Temperaturprofil0,20

0,15

0,10

0,05 500

600

700

800

LuftRG

wO2 [kg/kg]

T [°C]

Massenanteil SauerstoffLuft

RG

Rohrbündel

OXYCOAL-AC

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Forschungsschwerpunkt 2: Brenner- und Brennkammerentwicklung

Theoretische Untersuchungen zur Verbrennung mit CO2/O2 (Reaktionskinetik-, Pyrolyse-, Verbrennungs- und NOx-Modelle, CFD-Verbrennungssimulation)

Experimentelle Untersuchungen an Modell-Brennern (Drallbrenner, FLOX®-Brenner) bei Betrieb mit CO2/O2 -Gemischen (Zünd-, Ausbrand- und Emissionsverhalten bei Variation des O2-Gehalts, der Rezirkulationstemperatur, der O2-Stufung und der Aufmahlung, Flammenstabilität, Braunkohlen, Steinkohlen, Trockenfeuerung oder Schmelzfeuerung)

•

•

•

Dampferzeuger-Brennkammer für CO2/H2O/O2-Atmosphäre

OXYCOAL-AC

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Reaktionskinetische und CFD-Untersuchungen

Erstellung eines reduzierten Mechanismus zur CH4-

Oxidation in Luft Validierung/Adaption des reduzierten Mechanismus

für die Verbrennung in CO2/O2-Atmosphäre mit Hilfe

von experimentell gewonnenen Daten Einsatz des Mechanismus in FLUENT® innerhalb der

Flamelet- und EDC-Verbrennungsmodelle Parallel: CFD-Simulation der Kohleverbrennung

OXYCOAL-AC

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VersuchsbrennkammerLaseroptische Methoden:Partikelgröße: PDA d > 1µmGas- und Partikel- LDAgeschwindigkeit: PIVPartikeltemperatur: 2 Farben-

Pyrometer

Sonden:Partikelgröße: HGPCS Temperatur: ThermoelementeGasanalyse: O2, CO, CO2, NOx

Arbeitsprogramm:Phase 1: Komponentenentwicklung

(Anlagenbetrieb mit externer O2- und CO2-Bereitstellung) Phase 2: Pilotanlage (Anlagenbetrieb

mit HT-Sauerstoff-Modul)

OXYCOAL-AC

2. Mai 2006

Flammenvisualisierung

Kohleverbrennung

Luft OXYCOAL

OXYCOAL-AC

2. Mai 2006

Gastemperaturen

Luftbetrieb OXYCOAL-Betrieb

13 kg/h 11 kg/h

=2,0(=1,1)

=1,3(=1,1)

TA=0,6 TA=0,5

DA=0,4 DA=0,4

Quelle: Heil, 2005

Experimentelle Untersuchungen

Luft: Ausgeprägte Flamme Hohe Temperaturen im Strahl

OXYCOAL: Abgehobene Flamme Niedrige Temperaturen im

Strahl

OXYCOAL-AC

2. Mai 2006

Flammenvisualisierung

Ölverbrennung: Substitution von Luft durch

O2/CO2 - Gemisch

55

Substitutionsgrad [%]

70

75

80

85

100

45 % Luft / 55 % O2/CO2

OXYCOAL-AC

2. Mai 2006

Woher kommen die Unterschiede?

1.) spez. Wärmekapazität CO2 > N2

2.) CO2 ist kein Inertgas:a) Rußoxidationb) Boudouard-Gleichgewicht

CO2 / Kohle

100 mm

TertiärluftO2/CO2

TertiärluftO2/CO2

SekundärluftO2/CO2

SekundärluftO2/CO2

PrimärluftCO2 + Kohle

172.58 kJ + CO2 + C 2 CO

Boudouard-Gleichgewicht

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100400 500 600 700 800 900 1000

Temperatur [°C]

CO2

[Vol

-%]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

CO [V

ol-%

]

CO

CO2

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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 CO2-Atmosphäre bei Braun- und Steinkohleverbrennung (Carbonatbildung: Na2CO3, K2CO3, CaCO3 schmelzflüssig bis klebrig)

Verhalten des Filterkuchens bei der Abreinigung

Stabilität der Filtration

Untersuchung des Einflusses der HG-Filtration auf den O2-Partialdruck

OXYCOAL-AC

2. Mai 2006

Luftzerlegung

Luft

O2 Qzu

Forschungsschwerpunkt 4:Turbomaschinen

Heißgas-UmwälzgebläseAuslegung kritischer Bauteile für extreme Temperaturen und hohe Massenströme (Betrachten ausgewählter Problemstellungen)

Luftverdichter und StickstoffturbineAuswahl Bauweise, Definition der Komponenten, Untersuchen der Kopplung, Verhalten bei An-/ Abfahren, Voll-/ Teillast, Erarbeiten von Regelungskonzepten

?

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

OXYCOAL-AC

2. Mai 2006

1500

2000

2500

3000

00.2

0.40.6

0.81

1056

1058

1060

1062

1064

x

1500

2000

2500

3000

00.20.40.60.81

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

xt

j“

x

t

T

Rauchgas

Luft

Membranverhalten

mL=mRG=600kg/smRG=60kg/ spL=19bar, pRG=1barTL=1023K, TRG=1123K

OXYCOAL-AC

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Simulation mit Ebsilon

400 MW η = 41%

OXYCOAL-AC

2. Mai 2006

Zusammenfassung

Grundlagenforschung in der Komponentenentwicklung: Membran: Stofftransportmechanismen, Werkstoffcharakterisierung Brennkammer: Exp. und theoretische Charakterisierung der

Kohleverbrennung in CO2/O2-Atmosphäre

OXYCOAL-AC: Projektbearbeitung durch strukturiertes Vorgehen auf zwei Ebenen

Anwendungsbezogene Umsetzung im Gesamtprozess: Simulation und Regelungsstrategie: Ebsilon, Dymola

Einbindung eines Membranmoduls in Pilotanlage

OXYCOAL-AC

2. Mai 2006

2007

ISTKonzeptvorschlag Heißgasgebläse

WSABetrieb mit

variablen O2-Konzentrationen

2008 2009

WSAFLOX-Ver-

brennung

IRTFortgeschrittene Regelungskon-

zepte

ISTUntersuchung von Betriebsverhalten und Regelbarkeit

der Membran-turbogruppe

WSA / ITVBegleitende Grundlagen-

untersuchungen an einer FLOX-

Brennkammer mit Kohle

WSARauchgas-

konditionierung

IKKM / IVT / WSALangzeitversuche

2010

Start 01.09.2007

Integration1 m2-Modul

IRTBedienkonzept

IVT / IKKMIntegration

20 m2-Modul

Kostenabschätzungmit Industrie

Lasten- und Pflichtenheft für ein 40-MW Kraftwerk unter OXYCOAL-

Bedingungen

Projektphase 2