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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Cartes-fiches
Sikkze Boudouard-Reaktion + Heterogene Wasser-Gas_Reaktion
Technisches Problem der autothermen Vergasung und der allothermen Vergasung:
autotherme :Teer
allotherme: eintrag von wärme in den Reaktor
Vergasung: Reaktortypen
Festbett: Gegenstromvergaser
Festbett: Gleichstromvergaser
Stationärer Wirbelschichtvergaser
Zirkulierender Wirbelschichtvergaser
Flugstromvergaser
Gasreinigungsverfahren
Energetische Nutzung der Teere durch Abscheidung im Edukt
Energetische Nutzung der Teere durch Heißgasfilter
Verbrennung: Flammentypen
Diffusionsflamme
Vormischflamme
jeweils laminar und turbulent
Flammpunkt:
Niedrigste Temperatur, bei der soviel Brennstoff verdunstet, dass sich mit Luft durch Fremdzündung entflammbare Gemische bilden können. Unterhalb des Flammpunktes kann sich die Flammfront nicht von der Zündquelle weg ausbreiten, da Oxidationswärme nicht genügt, um Gemisch auf nötige Temperatur zur Verbrennung aufzuheizen.
Zündtemperatur:
Temperatur, bei der sich das entflammbare Gemisch ohne äußeren Zündfunken von selbst entzündet
Verbrennungsrechnung
Berechnung der Rauchgas- und Verbrennungsluftströme und der Rauchgaszusammensetzung
Grundlage: Elementaranalyse des Brennstoffs: C, H, O, S, (N, Cl)
Feuchtigkeit (hier nicht berücksichtigt! Annahme: trockener BS)
Aschegehal
t Berücksichtigte Gleichungen
: C + O2 = CO2
H2 + ½ O2 =H2O
S + O2 =SO2
(N + O2 = NO2 ); hier Bildung N2
Brennwert Ho
Quotient aus der freiwerdenden Wärmemenge bei vollständiger Verbrennung eines Brennstoffs und dessen Gewicht Bezugstemperatur Edukte & Produkte 25 °C Wasser im Produkt liegt flüssig vor Verbrennungserzeugnisse von Kohlenstoff und Schwefel als Kohlendioxid und Schwefeldioxid liegen gasförmig vor Stickstoff wird nicht oxidiert
Heizwert Hu
Wasser im Produkt liegt dampfförmig vor übrige Bedingungen identisch zu Ho Hu = Ho - DHV
Feuerungsleistungsregelung (FLR)
Führungsgrößen Frischdampfmassenstrom Sauerstoffkonzentration im Abgas
Ziel Weitgehende Automatisierung Stabiler Verbrennungsprozess
Berücksichtigung von CO-Konzentration im Abgas Ausbrand Schlacke (z.B. über IR-Kamera) Verbrennungstemperatur Abgasstrom (möglichst konstant) Brennstoffheizwert (Vorgabe)
Regelung über Luftmenge (primär, sekundär, tertiär; gegenseitige Kompensation) Rostbewegung (Beeinflussung Verbrennungsgeschwindigkeit) Durchsatz (Stößelgeschwindigkeit; sehr träge) evtl. Stützbrenner
Rostfeurerung Vor + Nachteile
+ Übersichtlicher Aufbau
+Einfacher Betrieb
+geringer Eigenkraft Bedarf
- Hoher Feuerungsverlust 2-4%
- ungeeignet für Feinkörnige Brennstoffe
Wirbelschichtfeuerung Vor + Nachteile
+ geringer Aufwand fur Brennstoffaufbereitung
+keine Rauchgasreinigung auer Entstaubung
- hoher überstochmetrischer Kalkbedarf zur Schwefeleinbindung
- Asche ohne weitere Aufbereitung nicht verwendbar
Staubfeuerung
+hohe Verfügbarkeit
+große Leistung
-aufwendige Brennstoffaufbereitung
-Rauchgasreinigung für Staub SO2 NO2 erforderlich
Nachteile der stationären wirbelschichtfeuerung gegenüber der zirkulierender wirbelschichtfeuerung
-besserer Ausbrand
- weniger Kalkverbrauch zur schwefeleinbindung
Feuerungstypen
Verbrennung: Reaktortypen - Rostbauarten
Feuerraumgestaltung skizze
Feuerleistungsdiagramm
Nennen Sie die drei thermochemischen Konversionsverfahren. Unterscheiden Sie die Verfahren hinsichtlich der Betriebsparameter und Reaktionsprodukte
Pyrolyse >250° l = 0 CO,CO2,CH4 Öl Koks
Vergasung >600° l= 0,2-0,5 CO,H2,CO2 H20 , Koks
Verbrennung > 700° L>1 CO2,H2O Wärme
Nennen sie die drei Anlagentypen zur Verbrennung
Rostfeuerung + niedriege anforderung an BS einfacher Betrieb
- hohe Feuerungsverluste , hoher Restdurchfall feinFraktion
Wirbelfeuerung + guter Ausbrand niedrige NOx Werte möglich
- hoher Energiebedarf, empfindlich gegenüber Störstoffen
Staubfeuerung + hohe Leistungsdichte gute Regelbarkeit
- hohe Anforderungen an die BS Aufbereitung , BS spektrum
Wie unterscheidet sich die Produktezusammensetzung bei der Pyrolyse von Steinkohle bzw. Biomasse (z.B. Holz)?
Steinkohle C: > 80 % H> 10% O:< 10%
Biomasse C> 40 % H> 10 , O 40
Nennen Sie je einen Vor- und Nachteil des Gleichstromvergasers gegenüber dem Gegenstromvergaser.
Vorteul _ geringere Teerbelastung
Nachteuul höhere Staubbelastung
) Ein Festbrennstoff soll zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden. Wieso ist es evtl. vorteilhaft den Brennstoff zu vergasen und die Gase anschließend zu verbrennen, anstatt den Festbrennstoff direkt zu verbrennen?
Der Wirkungsgrad von Gasturbien bzw Arbeitsturbinen für flüssige / gasförmige BS ist höher.
Reversibilität
eversibel = umkehrbar Bedingung: Ausgangszustand muss - im System und - in allen Teilen der Umgebung wieder hergestellt werden, ohne dass eine Veränderung bleibt Hierzu kann auch Arbeit abgeführt, verlustfrei gespeichert und zurückgeführt werden, um den Ausgangszustand zu erreichen Interpretation: Grenzfall zum idealen, verlustfreien Prozess, bei dem die Einflüsse aller irreversiblen Teilprozesse gegen Null gehen
was ist entropie
Bei irreversiblen Prozesseen wird Entropie produziert: DS > 0 Bei reversiblen Prozessen ist DS = 0 Entropie ist keine Erhaltungsgröße, kann „produziert“ werden
Welche diagramme gibt es , unterschiede?
p, v ,t Diagramm
p, v Diagramm
T, S Diagramm ---> temperatur isorope Nicht nur Darstellung der Arbeit (wie im p-V-Diagramm) möglich sondern auch Darstellung der Wärme (Anteile sind aber nicht einzeln ablesbar) Isentrope = Adiabate (wenn dS = 0, muss auch dQ = 0 sein)
Carnot-Prozess
Carnot-Prozess: Dient allgemein zur Definition der theoretisch maximal umsetzbaren Wärmemenge, d.h. des theoretisch maximalen Wirkungsgrades eines reversiblen Prozesses.
n = 1- (tab//tzu)
Dampfkraftprozess: Prinzip
Speisepumpe Wasser wird unter hohem Druck in Verdampfer geleitet 0 1 Isentrope Verdichtung Dampferzeuger (Dampfkessel) Wasser wird bei hohem Druck erhitzt, verdampft, der Dampf überhitzt 1 2 3 4 Isobare Wärmezufuhr Dampfturbine heißer Dampf wird unter Arbeitsabgabe entspannt 4 5 Isentrope Expansion Kondensator Dampf wird abgekühlt und kondensiert 5 0 Isobare Wärmeabfuhr und Kondensation
was passiert ohne zwischenüberhitzung?
Bei hohen Drücken kann isentropes Wärmegefälle ohne Zwischenüberhitzung wegen Erreichen des Nassdampfgebietes nicht ausgeschöpft werden
ORC-Prozess: Prinzip
Arbeitsmedien: Silikonöle, Kohlenwasserstoffe,
FCKW Höhere Turbinenwirkungsgrade geringere Spaltverluste:
Gasturbinenprozess
Verdichtung 1 2
Isobare Wärmezufuhr 2 3
Expansion 3 4
Wärmeabfuhr 4 1
arten von gud prozessen
Steilrohrkessel
In den USA verbreitet Vertikale Strömung Arbeitsfluid
Turmkessel
In Europa verbreitet Geringerer Flächen- und Materialbedarf Flexibler bei Laständerungen
Energiespeicher
Stromspeicherung chemische Speicher Pumpspeicher Druckluftspeicher Wärmespeicherung Kurzzeitspeicher (bereits in Anwendung) saisonale Speicher mobile Speicher (erste Entwicklungen)
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Effizienzvorteil gegenüber getrennter erzeugung von Strom und wärme
Dampfdruck
Der Dampfdruck ist der Druck, der sich einstellt, wenn sich in einem abgeschlossenen System ein Dampf mit der zugehörigen flüssigen Phase im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. ■ Der Dampfdruck nimmt mit steigender Temperatur zu und ist abhängig vom vorliegenden Stoff bzw. Gemisch. ■ Ist in einem offenen System der Dampfdruck einer Flüssigkeit gleich dem Umgebungsdruck, so beginnt die Flüssigkeit zu sieden.
Ideale Mischungen
Komponenten sind in jedem Verhältnis mischbar ■ Gleiche Anziehungskräfte zwischen unterschiedlichen und gleichartigen Molekülen ■ keine Volumen- (Kontraktion, Dilatation) oder Temperatureffekte (Mischungswärme) ■ Tritt nur annähernd auf, bei isotopen Atomen kleinen, unpolaren Molekülen (N2 , O2 ) Stereo-/Strukurisomeren homologen Reihen (Methanol, Ethanol, …)
Reale Mischungen
Unterschiedliche Anziehungskräfte zwischen ungleichartigen und gleichartigen Molekülen: ■ Kräfte zwischen ungleichen Molekülen < als zw. gleichen Molekülen: positive Abweichung vom Raoultschen Gesetz Volumendilatation, Dampfdruckerhöhung, Endothermie beim Mischen ■ Kräfte zwischen ungleichen Molekülen > als zw. gleichen Molekülen: negative Abweichung vom Raoultschen Gesetz Volumenkontraktion, Dampfdruckerniedrigung, Exothermie beim Mischen
Bodenkolonnen
vorteile
hoher Stufenwirkungsgrad breiter Belastungsbereich gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung (auch bei großen Durchmessern)
nachteile
hoher Druckverlust aufwändiger Einbau empfindlich gegen Druckstöße
Füllkörperkolonnen
vorteile
geringer Druckverlust kleiner Flüssigkeitsinhalt auch für korrosive Medien Einsatz von Glas, Keramik, Kunststoffe auch für schäumende Stoffe
nachteile
schmaler Belastungsbereich nur für begrenzte Durchmesser Neigung zur Randgängigkeit
