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
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Konventioneller Dampferzeuger
OXYCOAL-AC
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Einfacher oxyfuel-Dampferzeuger
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OXYCOAL-AC Prozess 1
HT-Membran
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OXYCOAL-AC Prozess 2
HT-Membran
Turbo-gruppe
OXYCOAL-AC
2. Mai 2006
OXYCOAL-AC Prozess 3HeißgasgebläseHeißgasfilter
Turbo-gruppe HT-Membran
OXYCOAL-AC
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Der OXYCOAL-AC Prozess
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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
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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
2. Mai 2006
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
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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
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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
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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
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2. Mai 2006
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)
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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
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Flammenvisualisierung
Ölverbrennung: Substitution von Luft durch
O2/CO2 - Gemisch
55
Substitutionsgrad [%]
70
75
80
85
100
45 % Luft / 55 % O2/CO2
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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
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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
?
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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
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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
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Simulation mit Ebsilon
400 MW η = 41%
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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
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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