Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3738
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.

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.

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.

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.

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Letzte Änderung: 07.06.2022