Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3738
Im Mittelpunkt der grundlegenden experimentellen Arbeiten stehen Verdampfungsuntersuchungen
mittels Knudsen-Effusionsmassenspektrometrie, bei denen die Zusammensetzung der Gasphase über
Kohlenaschen in Abhängigkeit von der Temperatur analysiert wird. Auf diese Weise konnten bei
Temperaturen von rund 200 bis 1800°C insgesamt 24 alkalimetallhaltige und andere flüchtige Spezies mit
Partialdrücken zwischen etwa 10-5 und 100 Pa registriert werden. Die Aschen wurden durch Oxidation der
Kohlen bei 150°C im Sauerstoffplasma sowie bei verschiedenen Temperaturen zwischen 450 und rund
1200°C im Muffelofen hergestellt. Die Charakterisierung der Proben erfolgte v.a. durch Element- und
Röntgenbeugungsanalyse sowie erhitzungsmikroskopische Ascheschmelztests. Außerdem wurden einzelne
Aschen mittels Hochtemperatur-Röntgenbeugung und Hochtemperatur-Differenzthermoanalyse bei
Temperaturen bis 1200 bzw. 1600°C auf Phasenumwandlungen und Schmelzvorgänge untersucht.
Gegenstand der Experimente sind 7 Braun- und 4 Steinkohlen verschiedener Herkunft sowie 37 aus
diesen Kohlen im Labor hergestellte Aschen. Betrachtet werden weiterhin die zugehörigen, durch
Verbrennung einer Braun- und einer Steinkohle in Feuerungssystemen entstandenen Aschen. Außerdem
beinhalten die Arbeiten aufunterschiedliche Na2O- und K2O-Gehalte angereicherte Steinkohleschlacken.
Zu den wichtigsten Ergebnissen gehört der Nachweis der unterschiedlichen Freisetzung der Alkalien aus
Braun- und Steinkohlenaschen. Typisch für Erstere ist, dass die Alkalien oberhalb von 500°C als NaCl
und KCl verdampfen. Mit vergleichbar hohen Partialdrücken (>O,l Pa) werden die Alkalien aus
Letzteren hingegen erst ab 900°C freigesetzt, und zwar praktisch ausschließlich als Na und K. Ein weiteres
Resultat ist, dass der überwiegende Teil der Alkalien in Braun- wie Steinkohlen bei der Umsetzung im
Laborofen oder beim Feuerungsprozess im Kraftwerk in silicatische Verbindungen des mineralischen
Rückstands eingebunden bleiben bzw. werden kann und nicht freigesetzt wird. Dabei hängt die
Einbindungsrate wesentlich vom - durch Zuschlagsstoffe beeinflussbaren - Verhältnis der Anteile an
silicatnetzwerkbildenden (SiO2, A12O3) zu netzwerkwandelnden Komponenten (v.a. CaO, MgO) in der Asche ab.
Vaporization investigations by Knudsen effusion mass spectrometry, which enables the analysis of the
gas phase over coal ashes in dependence on the temperature, form the centre of the basic experimental
studies. At temperatures from about 200 to 1800°C, altogether 24 alkali metal-containing and other
volatile species could be detected with partial pressures between approximately 10-5 and 100 Pa. The ash
samples were produced by oxidizing the coals at 150°C in oxygen plasma as well as between 450 and
1200°C in the muffle fumace. The characterization of the samples was performed mainly by element
analysis and X-ray diffraction as well as microscopic ash fusion tests. Some ashes were also examined
for phase transitions and melting processes by high temperature X-ray diffraction and differential
thermal analysis at temperatures up to 1200 and 1600°C respectively.
The investigated materials are 7 lignites and 4 hard coals of different origin as well as 37 ashes produced
in the laboratory from these coals. Furthermore, the corresponding ashes formed by combustion of one
lignite and one hard coal in firing systems are considered. Additionally, the studies include hard coal
slags enriched to different Na2O and K2O contents.
As one of the most important results, different alkali release processes from lignite and hard coal ashes
were detected. Typical for the first is that the alkali metals vaporize above 500°C as NaCl and KCl. From
the latter, the alkali metals are released with comparable partial pressures (>0.1 Pa) only above 900°C
and almost exclusively as Na and K. A further result is that the predominant portion of the alkali metals
in lignites and in hard coals can remain bound in or absorbed by silicates in the mineral matter during
oxidation in the laboratory fumace or the combustion process in a power plant and is not released. The
degree ofabsorption depends mainly on the ratio ofthe amounts ofsilicate network-forming (SiO2, A12O3)
to network-changing components (chiefly CaO, MgO) in the ash and can be influenced by additives.
Witthohn, Arne
Freisetzung von Alkalien aus Kohlen und Kohlenaschen
190 S., 2000
Bei der Verbrennung oder Vergasung von Kohlen in Kraftwerken werden alkalimetallhaltige
Stoffe (Alkalien) freigesetzt, die zur Korrosion heißgasbeaufschlagter Anlagenteile führen
können. Dank hoher Prozesstemperaturen besonders effiziente Kombikraftwerksverfahren erhöhen das
Schadenspotential der Alkalien und machen Vorkehrungen zur Reduzierung der Alkalienkonzentration im
Heißgas notwendig. Ein Ansatz zur Lösung des Problems besteht darin, der Freisetzung der Alkalien
direkt bei der Umsetzung der Kohle entgegenzuwirken. Dies erfordert ein erhöhtes Grundverständnis der
Alkalienfreisetzung aus Kohlen und Kohlenaschen und ist vorrangiges Ziel dieser Arbeit.
During combustion or gasification of coals in power plants, alkali metals are released, which
can cause high temperature corrosion of plant components in contact with the hot gas. The high
temperatures envisaged in efficient combined cycle plants increase the damaging potential of the alkali metals
and require measures for reduction ofthe alkali concentration in the gas. One approach to solve the
problem is to reduce the release of alkali metals directly during coal conversion. This requires an enhanced
basic understanding of the alkali release from coals and coal ashes and is the primary aim of this work.
Neuerscheinungen
Schriften des Forschungszentrums Jülich
Ihre Ansprechperson
Heike Lexis
+49 2461 61-5367
zb-publikation@fz-juelich.de