Energierohstoffe und -technik
Energierohstoffe und -technik RWTH
Energierohstoffe und -technik RWTH
Zusammensetzung Braunkohle
Organische Bestandteile Bitumen) Huminsäuren Restkohle: 10 – 40 % (wf) bei Weichbraunkohlen, bis zu 99 % (wf) bei Glanzbraunkohlen (Humine, Polymerbitumina, Lignin etc.)
Anorganische Bestandteile Mineralstoffe Wasser
Braunkohle : Nassdienst
Abtrennen von Steinen, Holzfasern
Selektive Zerkleinerung (Hammermühle: <6,3mm)
Klassieren (Siebüberlauf: Kesselkohle
) Fördern (zum Trockendienst)
Trockendienst - BK
Röhrentrockner
Restfeuchte: 12 bis 20 Gew.-%
Verweilzeit: 25 – 30 min
Schwelung und Verkokung von Braunkohle
Massenverlust von Braunkohle in Abhängigkeit der Entgasungstemperatur während des Verkokungsprozesses
Ausgangsmaterial: Braunkohlenbrikett mit 15% Feuchte Aufheizgeschwindigkeit 2 °C/min
Typische Produktzusammensetzung Koks: ca. 45 Gew.-% Gas: ca. 36 Gew.-% Schwelwasser: ca. 10 Gew.-% Teer: ca. 9 Gew.-%
Anwendung Braunkohlekoks
Metallurgische Prozesse
Abwasserreinigung
Rauchgasreinigung
Molekulare Koksstruktur in Abhängigkeit der Temperatur
Aromatencluster verbinden sich bei Pyrolyse durch Polymerisations- und Kondensationsreaktionen zu größeren lamellenartigen Strukturen (BSU = „Basic Structural Units“) Größe und Ordnungsgrad der BSU nehmen mit Temperatur zu
Vorbereitung für die Verkorkung
Zerkleinern (Hammermühlen) Mischen
welche 2 Arten unterschiedet mn bei der Verkorkung?
Schüttbetrieb Stampfbetrieb
Verkorkung - Temperaturverlauf und vorgänge
Verkokungsvorgang beginnt sofort nach dem Einfüllen der feuchten Kohle in die beheizte Ofenkammer (Wandtemperatur 900 –1400°C)
Zonenweise Umwandlung der Kohle (Trocknungs-, Erweichungs- und Halbkoksstufe, Hochofenkoks):
Bis 100 °C: Verdampfung der Feuchtigkeit
Ab 100 °C: Austreiben adsorbierter Gase (O2 , N2 , CH4 , CO)
250 – 350 °C: Bildung von leichtflüchtigen gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffen (Vorentgasung); ab 350 °C Erweichung der Kohle 350 – 480 °C: plastischer Bereich (15 – 30 mm); wesentliche Vorgänge der Koksbildung und Entgasung
480 – 600 °C: (wiederverfestigter) Halbkoks (12 – 15 % Flüchtige); beginnende Wasserstoffabspaltung
Bis 1100 °C: Hochtemperaturkoks
Temperaturfortschritt von Kammerwand zur Kammermitte mit ca. 10 –15 mm/h
Dicke plastische Zone: 15-25 mm
Nach halber Garungszeit treffen plastische Zonen aufeinander
Teernaht
Koksbehandlung
Nasslöschen: Löschzeit 60 – 100 s Wasserbedarf ca. 1 – 2,5 m³/Mg Koks; ca. die Hälfte verdampft
Kokstrockenkühlung: Abgeschlossene Kühlung Einsatz von Inertgas statt Wasser Aufgeheiztes Inertgas kann zur Dampferzeugung genutzt werden
Qualitätsmerkmale von Koks
Korngröße
kornverteilung
Trommelfestigkeit
Abrieb
Verfahrensschritte Ko1rkerei
1 Kohlevorbereitung
2. Befüllen des Koksofens
3. Verkorkung
4. Temperaturvortschritt von Kamerwand zur Mitte
5. Koksbehandlung
Erzeugung von flüssigen Kohlenwasserstoffen
Direkte Hydrierung oder Fischer-Tropsch-Synthese
Erdöl: Zusammensetzung
Alkane (Paraffine) Allgemeine Formel: CnH2n+2 Anteil im Rohöl ca. 25 – 70 Vol.-%
Cycloalkane (Naphthene) Allgemeine Formel: CnH2n Anteil im Rohöl ca. 18 – 59 Vol.-%
Aromaten Benzol sowie Derivate dieser Verbindung Anteil im Rohöl ca. 7 – 16 Vol.-%
Schwefelverbindungen Stickstoffverbindungen Sauerstoffverbindungen Salze und Metalle
Welche Schadstoffe gibt es im Rohöl und zu welchen Problemen können diese Schadstoffe führen?
----> korrision , deaktivieren der katalysatoren
Schwefel, Salz , Metalle , Stickstoff , Sauerstoff
Erdöl : entstehung
Ausgangsmaterial pflanzliche & tierische maritime Kleinlebewesen Meeresplankton
Entstehung geringe Sauerstoffkonzentrationen (sonst Totaloxidation)
Absinken des Planktons und Überdeckung mit Sediment Anaerobe Zersetzung des Faulschlamms (Sapropel)
Anstieg von Druck und Temperatur durch weitere Sedimentüberlagerungen
Destillation: Fraktionen und weitere Verarbeitungsschritte
Kopfprodukt der atmosphärischen Destillation: Flüssiggas (bis 20°C) ➙ Gasaufbereitung Leichtbenzin (leichtes Naphtha; ca. 20 – 75°C) ➙ Hydrotreating, Isomerisierung (Schwerbenzin (schweres Naphtha; ca. 75 – 150°C))
Seitenströme der atmosphärischen Destillation: Schwerbenzin (schweres Naphtha ca. 75 – 150°C) ➙ Hydrotreating, Reformieren Naphtha (schweres Naphtha; ca. 150 – 180°C) Petroleum (Kerosin; ca. 180 – 225°C) ➙ Hydrotreating Gasöle (ca. 225 – 350°C) ➙ Hydrotreating
Atmosphärischer Rückstand (über 350°C) ➙ Vakuumdestillation
Vakuumdestillation - wozu?
Weitere Auftrennung des Rückstands der atmosphärischen Destillation Bei Temperaturen über 350 – 370 °C würde es zu Crackreaktionen mit Bildung von Gas und Koks kommen weitere Auftrennung unter Vakuum (ca. 40 bis 70 mbar)
Vakumdestilation - Produkte + weiter verarbeitungsschritte
Produkte und weitere Verarbeitungsschritte:
Vakuumgasöl Beimischung zu den Gasölkomponenten der atmosphärischen Destillation Einsatzmaterial für katalytische Crackprozesse
Vakuum-/ Wachsdestillate: Einsatzmaterial für katalytische Crackprozesse z.B. Hydrocracker oder FCC Weiterverarbeitung zu Wachsen und Schmierölen
Vakuumrückstand Einsatzmaterial für Visbreaker und Coker Bitumen- und Koksproduktion
Thermisches Cracken: Visbreaking
Thermisches Cracken: Visbreaking
Allgemein: Thermisches Cracken (Viscosity breaking)
Überführen schwerer Destillationsrückstände (aus atmosphärischer oder Vakuum-Destillation) durch mildes Cracken in niedriger siedende Komponenten und wenig Koks (flüssiges Produkt)
Umbau einer (stillgelegten) Rohöldestillation zum Visbreaker möglich
Nachteile gegenüber kat. Konversionsverfahren keine hohe Benzinausbeute geringe Benzinqualität zu hohe Anteile an Gas und Gasölkomponenten
Energieträger
Stoffe, in denen Energie mechanisch, thermisch, chemisch oder physikalisch gespeichert ist
Primärenergieträger
Energieträger, die noch keiner Umwandlung unterworfen wurden (z.B. Stein-, Braunkohle, Erdgas, Erdöl, Wasserkraft, Biomasse usw.)
Sekundärenergieträger
Umgewandelte („veredelte“) Energieträger (z.B. Strom, Fernwärme, Mineralölprodukte, Briketts usw.)
Endenergieträger
Endenergieträger Primär- oder Sekundärenergieträger, die von Energieverbrauchern genutzt werden
Endenergieverbrauch
Endenergieverbrauch Marktentnahme von Endenergieträgern
Nutzenergie
Licht, Kälte, Bewegung, Wärme, usw.
Reserven:
Sicher nachgewiesene und mit bekannter Technologie wirtschaftlich förderbare Vorkommen
Ressourcen
Vorkommen, die entweder zwar nachgewiesen, aber noch nicht wirtschaftlich zu fördern sind, oder aber noch nicht sicher nachgewiesen sind, aber aufgrund geologischer Indikatoren erwartet werden
Gesamtpotenzial
Gesamte gewinnbare Menge der Energierohstoffe in der Erdkruste, die vor dem Beginn der Förderung durch den Menschen vorhanden war
Verbleibendes Potenzial
Gesamtpotenzial abzüglich der bereits geförderten Mengen
Statische Reichweite
Quotient aus Reserven und letzter Jahresförderung
Dynamische Reichweite
Berücksichtigung zunehmender Erschließung
R/P Ratio (Reserves-to-Production-Ratio)
Verhältnis von nachgewiesenen Reserven zur Jahresproduktion
Kumulierte Förderung
Summe aller Jahresförderungen seit Förderbeginn
Konventionelle Vorkommen
Vorkommen, die mit klassischen Explorations-, Förder-, und Transporttechniken gewonnen werden können (bei Kohle nicht üblich)
Nicht-konventionelle Vorkommen
Vorkommen zu deren Gewinnung alternative Techniken nötig sind (bei Kohle nicht üblich)
Stoff einteilung
Reinstoff Gemisch
Gemisch Einteilung
Heterogene und Homogene Gemische
inkohlungsdiagramm 1
molare Wasserstoff/ Kohlenstoff-Verhältnis über das molare Sauerstoff/Kohlenstoff- Verhältnis einer Biomasse aufgetragen.
Verlauf der natürlichen Kohleentwicklung
Inkohlungsdiagramm 2
Methan oben links , Methanol oben rechts
unten Kohlenstoffmonoxid
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Flashcards
Energieträger
Stoffe, in denen Energie mechanisch, thermisch, chemisch oder physikalisch gespeichert ist
Primärenergieträger
Energieträger, die noch keiner Umwandlung unterworfen wurden (z.B. Stein-, Braunkohle, Erdgas, Erdöl, Wasserkraft, Biomasse usw.)
Sekundärenergieträger
Umgewandelte („veredelte“) Energieträger (z.B. Strom, Fernwärme, Mineralölprodukte, Briketts usw.)
Endenergieträger
Endenergieträger Primär- oder Sekundärenergieträger, die von Energieverbrauchern genutzt werden
Endenergieverbrauch
Endenergieverbrauch Marktentnahme von Endenergieträgern
Nutzenergie
Licht, Kälte, Bewegung, Wärme, usw.
Reserven:
Sicher nachgewiesene und mit bekannter Technologie wirtschaftlich förderbare Vorkommen
Ressourcen
Vorkommen, die entweder zwar nachgewiesen, aber noch nicht wirtschaftlich zu fördern sind, oder aber noch nicht sicher nachgewiesen sind, aber aufgrund geologischer Indikatoren erwartet werden
Gesamtpotenzial
Gesamte gewinnbare Menge der Energierohstoffe in der Erdkruste, die vor dem Beginn der Förderung durch den Menschen vorhanden war
Verbleibendes Potenzial
Gesamtpotenzial abzüglich der bereits geförderten Mengen
Statische Reichweite
Quotient aus Reserven und letzter Jahresförderung
Dynamische Reichweite
Berücksichtigung zunehmender Erschließung
R/P Ratio (Reserves-to-Production-Ratio)
Verhältnis von nachgewiesenen Reserven zur Jahresproduktion
Kumulierte Förderung
Summe aller Jahresförderungen seit Förderbeginn
Konventionelle Vorkommen
Vorkommen, die mit klassischen Explorations-, Förder-, und Transporttechniken gewonnen werden können (bei Kohle nicht üblich)
Nicht-konventionelle Vorkommen
Vorkommen zu deren Gewinnung alternative Techniken nötig sind (bei Kohle nicht üblich)
Stoff einteilung
Reinstoff Gemisch
Gemisch Einteilung
Heterogene und Homogene Gemische
inkohlungsdiagramm 1
molare Wasserstoff/ Kohlenstoff-Verhältnis über das molare Sauerstoff/Kohlenstoff- Verhältnis einer Biomasse aufgetragen.
Verlauf der natürlichen Kohleentwicklung
Inkohlungsdiagramm 2
Methan oben links , Methanol oben rechts
unten Kohlenstoffmonoxid
Flüchtigendiagramm
Flüchtige organische Verbindungen (Abk.: VOC bzw. VOCs nach volatile organic compound[s]) ist die Sammelbezeichnung für organische, also kohlenstoffhaltige Stoffe, die leicht verdampfen (flüchtig sind) bzw. schon bei niedrigen Temperaturen (z. B. Raumtemperatur) als Gas vorliege
Primärenergieverbrauch Deutschland
sonstige einschließlich Stromaustauschsaldo: 1,4 (1,8) % Erneuerbare: 11,6 (10,8) % Kernenergie: 8,0 (8,7) % Braunkohle: 12,1 (11,6) % Steinkohle: 12,2 (12) % Mineralöl: 33,1 (33,6) % Erdgas: 21,6 (21,5)
Primärenergieeinsatz Deutschland
Verkehr: 28,6 (28,1) %
Industrie: 28,9 (28,2)
Gewerbe – Handel Privathaushalte: 27,0 (27,9) %
Dienstleistungen: 15,5 (15,8) %
Luftzahl l
Reaktionen
Die Luftzahl l ist das Vielfache des stöchiometrischen Luftbedarfs, der für die vollständige Verbrennung gebraucht wird.
C CO2
H H2O
N NO2
S SO2
Thermochemische Prozesse: Klassische Einteilung
100° - Trocknung
> 250°- entgasung (pyrolyse)
>600 - Vergasung
>700 - Verbrennung
Trocknung
bei 100°
Strahlung aus dem Feuerraum + Konvektion über Luft, Rauchgas
luftzahl = 0 wärme zugeben
Entgasung (pyrolyse)
>250°
Flüchtige Bestandteile werden ausgetrieben (Wasser, Schwelgase, Kohlenwasserstoffe)
Keine oxidierenden Mittel-
Abhängig von Wärmezufuhr & VWZ
luftzahl = 0
Wärmezufur -indierkt über wand oder Diereckte eingabe eines Heißen wärmeträgers in Reaktor (rauchgas)
-endotherm mit exothermen phasen
Prozesseinteilung Entgasung
Geschwindigkeit/Gasverweilzeit:
Langsame Pyrolyse: Gas-VWZ > 5 s
Konventionelle Pyrolyse: 2 – 5 s
Schnelle (Flash-)Pyrolyse: Gas-VWZ < 1 s, Aufheizgeschwindigkeit > 1000 K/s
Temperatur:
Niedertemperaturpyrolyse: < 500°C
Mitteltemperaturpyrolyse: 500 – 800°C
Hochtemperaturpyrolyse: > 800°C
Produkte Pyrolyse
Pyrolysekoks Pyrolysegas inkl. nicht kond. Gase Pyrolyseöl inkl. wässrige Phase
Vergasung grob
Umsetzung von fixem Kohlenstoff zu gasförmigen Produkten
Wärme, Wasserdampf, Sauerstoff wirken reaktionsfördernd
> 600°
hinzugeführt _ LUft , O2 , Dampf
- Endotherm
Luftzahl 0,2-0,5
Verbrennung grob
Vollständige Oxidation der vorher entstandenen Gase und des Rest-C
Wesentliche Verbrennungsprodukte: Kohlendioxid und Wasser
> 700°
Luftzahl >1
hinzugeführt wird Luft + O2
Einfluss Parameter der Pyrolyse
Einflussparameter Prozesstemperatur Verweilzeit Anlagendruck Eigenschaften Einsatzstoff Aufheiz-/Abkühlgeschwindigkeit (!!!!!) Durchmischung
Reaktionen bei pyrolyse
1 = Kohle H2O CO2
2=Flüssigkeiten -> Gase (Co H2 CH4)
3= Gase (CO H2 CH4
Niedriege Temperaturen = Reaktion 1 = konventionelle pyrolyse (thermische Zersetzung) -> Holzkohle
Mittlere Temperatuen = Reaktion 2 = Flash Pysolyse (verflüssigung) -> Pyrolyseöl
Hohe Temperturen = Reaktion 3 =
Vergasungsmittel
Luft - Sauerstoff - Wasserdampf - Kohlendioxid
Wärmebereitstellung Vergasung
- Autotherm: Teiloxidation des Brennstoffs
- Allotherm: Beheizung über Wärmeträger, Dampf, etc. (Wand allein nicht ausreichend)
Produkte Vergasung
- Koks -
Gas: - CO, H2
- gasförmige KW
- Teere
- Staub
Einflussparameter Vergasung
- Vergasungsmittel - Prozesstemperatur - Verweilzeit - Anlagendruck - Zusammensetzung Einsatzstoff - Durchmischung
Heterogene Reaktionen: Vergasung
Feststoff – Gas
Boudouard-Reaktion: C + CO2 = 2 CO + 173
Heterogene Wassergas-Reaktion: C + H2O = CO + H2 + 132
Vollständige Verbrennung: C + O2 =CO2 - 393
Unvollständige Verbrennung: C + ½ O2 = CO - 110
Hydrierende Vergasung: C + 2 H2 = CH4
Schwefel-Oxidation: S + O2 = SO2
Oxidation von Brennstoff-N: NX = HCN
HCN + O, H, OH = NHm
NHm + NO =N2
Homogene Reaktionen:Vergasung
Gas-Gas
Homogene Wassergas-Reaktion: CO + H2O =CO2 + H2 - 41
Methanbildung: CO + 3 H2 = CH4 + H2O - 206
CO-Oxidation: CO + ½ O2 = CO2 - 283
H2 -Oxidation: H2 + ½ O2 = H2O - 286
