Verbundvorhaben: VeRa - Vorhersage von Verschmutzungen bis zum kalten Ende des Rauchgaswegs; Teilvorhaben: Experimentelle Grundlagen zur Verminderung des Belagsbildungs- und Korrosionspotentials in Kraftwerkskesseln bei schrittweisem Ersatz von Regelbrennstoffen durch biogene Ersatzbrennstoffe

Abstract

Das übergeordnete Ziel des Verbundvorhabens umfasst unterschiedlichste Aspekte der Co-Feuerung in Kraftwerken. Die schrittweise Umstellung von Regelbrennstoffen auf biogene Ersatzbrennstoffe bedingt eine Änderung des im Kessel wechselwirkenden Mineralstoffsystems, woraus sich Risiken hinsichtlich korrosions-, verschmutzungs-, und verschlackungsbedingter Ausfälle ergeben. Das Teilvorhaben konzentriert sich auf experimentelle und analytische Methoden, um die Ersatzbrennstoffe bestmöglich chemisch-mineralogisch zu charakterisieren sowie die thermochemischen Wechselwirkungen zu untersuchen. Wesentliche Arbeitsschwerpunkte betreffen einen Ringtest zum Abgleich unterschiedlicher Analysemethoden zwischen vier Verbundpartnern mit dem Ergebnis, dass unterschiedlichste Ersatzbrennstoffe zuverlässig charakterisiert werden können. Ein weiterer Schwerpunkt war die Weiterentwicklung und Anwendung fortschrittlichster Analysemethoden (ETV ICP OES, LIBS, Festkörper-NMR, XRD) zur qualitativen und quantitativen Erfassung der Aschebildner sowie zur in-situ Messung der temperatur- und atmosphärenabhängigen Freisetzung von Ansatzbildnern. Auf Basis experimenteller Temperreihen wurden für unterschiedlichste Brennstoffmischungen die Sintertemperaturbereiche bestimmt. Diese Versuchsreihen wurden mit chemisch-mineralogischen Analysemethoden (XRD, SEM-EDX, Auflicht-Polarisationsmikroskopie) sowie thermochemischen Berechnungen begleitet. Darauf aufbauend wurden die Sintermechanismen (überwiegend Flüssigphasensintern für Mischreihen aus Braunkohle, Holz und Klärschlamm; reaktionsdominiertes Sintern bei Steinkohle und deren Mischreihen) aufgeklärt. Mithilfe einer Datenanalyse konnte die Wirkung einzelner Aschekomponenten auf die Sintertemperaturbereiche erfasst werden. Durch die Gruppierung ähnlich wirkender Aschekomponenten wurde ein einfaches Dreiecksdiagramm zur schnellen qualitativen Einordnung der unterschiedlichen Brennstoffe entwickelt, wodurch die Ergebnisse praktisch nutzbar sind. The overarching goal of this collaborative project encompasses a wide range of aspects related to co-firing in power plants. The gradual transition from conventional fuels to bio-based alternative fuels necessitates a change in the mineral system interacting within the boiler, which gives rise to risks of failures caused by corrosion, fouling, and slagging. This subproject focuses on experimental and analytical methods to characterize the substitute fuels as accurately as possible from a chemical-mineralogical perspective and to investigate the thermochemical interactions. Key areas of focus include a ring test to compare different analytical methods among four consortium partners, which demonstrated that a wide variety of alternative fuels can be reliably characterized. Another focus was the further development and application of state-of-the-art analytical methods (ETV ICP OES, LIBS, solid-state NMR, XRD) for the qualitative and quantitative determination of ash-forming components as well as for the in-situ measurement of the temperature- and atmosphere-dependent release of deposit-forming components. Based on experimental temperature series, the sintering temperature ranges were determined for a wide variety of fuel mixtures. These test series were accompanied by chemical-mineralogical analytical methods (XRD, SEM-EDX, reflected-light polarization microscopy) as well as thermochemical calculations. Building on this, the sintering mechanisms (predominantly liquid-phase sintering for mixtures of lignite, wood, and sewage sludge; reaction-dominated sintering for bituminous coal and its mixtures) were elucidated. Data analysis was used to determine the effect of individual ash components on the sintering temperature ranges. By grouping ash components with similar effects, a simple ternary diagram was developed for the rapid qualitative classification of the different fuels, making the results practically applicable.