Feinstpartikelabscheidung für Hochtemperaturprozesse unter Nutzung aktiver und passiver, thermisch induzierter Potenzialfelder

Projektnummer 311

Der Stand der Technik bei der Hochtemperatur-Feinstpartikelabscheidung ist durch keramische Filterkerzen definiert. Diese besitzen Einsatzgrenzen von etwa 800 bis 900 °C. Oberhalb dieser Temperatur sind Filterkerzen nicht mit ausreichenden Standzeiten einsetzbar, da der Staubkuchen weich und klebrig wird. Daher verschlechtert sich das Regenerierungsverhalten, und der Druckverlust steigt an. Für Hochtemperaturprozesse ist zurzeit keine Feinstpartikelabscheidung großtechnisch realisiert.

Aus diesem Grund wird bei Hochtemperaturprozessen das Gas meist so weit abgekühlt, dass der Filtrationsprozess bei Temperaturen unterhalb 900 °C erfolgen kann und keramische Filterkerzen einsetzbar sind. Die Absenkung der Temperatur führt in Kraftwerksprozessen zu einer Verringerung des elektrischen Wirkungsgrads.

Pionierarbeit bei der Umsetzung einer nahezu isothermen Abgasreinigung im Hochtemperatur-Bereich wurde in den letzten Jahren im Rahmen der Forschung zur Realisierung des Kombi-Kraftwerkskonzeptes mit Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF) geleistet. Es konnte im Rahmen der Untersuchungen gezeigt werden, dass die Abgase der Kohleverbrennung bei Temperaturen von ca. 1.400 °C in einer elektrostatisch unterstützten Schüttschichtanordnung bis hin zur Gasturbinenverträglichkeit (Partikelgehalt < 3 mg/m³ und Partikeldurchmesser < 3 µm, Alkalien < 1 ppm) gereinigt werden können.

Die dem empirisch entwickelten Abgasreinigungsverfahren für Feinstpartikeln zugrunde liegenden Wirkmechanismen wurden in umfangreichen experimentellen und theoretischen Arbeiten im Rahmen des AiF-Vorhabens 149 Z (VGB-Nr. 265 ) untersucht. Diese zeigten, dass das Funktionsprinzip im Wesentlichen auf der Nutzung von Elektronenemissionen aus keramischen Systemkomponenten in Verbindung mit aktiven und passiven, thermisch induzierten Potenzialfeldern bei Temperaturen oberhalb von 800 °C beruht.

Die im Umfeld der technischen Versuchsanlage in Dorsten durchgeführten Forschungsprojekte zeigen ein großes Potenzial für die Umsetzung der Hochtemperatur-Feinstpartikelabscheidung auch in anderen Anwendungsgebieten wie z. B. der Kohlevergasung (IGCC-Verfahren), der Kohleverbrennung in Sauerstoff/Rauchgas-Gemischen nach dem OXYCOAL-AC Prozess und Biomassevergasungsverfahren mit Heißgasreinigung.

Im Rahmen des Vorhabens (AiF-Nr. 275 Z) werden die für die DKSF erarbeiteten Grundlagen unter den Randbedingungen der Kohle- und Biomassevergasung überprüft. Damit soll die Basis für ein gegebenenfalls isothermes Feinstpartikelabscheideverfahren für Hochtemperaturprozesse im Temperaturbereich oberhalb von 800 °C gelegt werden, wobei speziell der Einfluss unterschiedlicher Materialpaarungen auf die elektrische Aufladung von Modell- (TiO2 und Metall) sowie Schlackepartikeln im elektrischen Feld untersucht werden wird.

Das aus Mitteln des deutschen BMWi durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF ) geförderte Vorhaben wird von 2008 bis 2011 am Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V. (IUTA) in Duisburg unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. D. Bathen, dem Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM) der Universität Karlsruhe unter der Leitung von Prof. Dr. Phil. G. Kasper und dem Institut für Energieforschung (IEF-2) des Forschungszentrums Jülich unter der Leitung von Prof. Dr. L. Singheiser durchgeführt. Der VGB-Arbeitskreis Abgasreinigungstechnik begleitet die Untersuchungen.