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
-
- 1 / 140
-
Cartes-fiches
Kolonnen mit Packungen
vorteil
sehr geringer Druckverlust sehr kleiner Flüssigkeitsinhalt auch für korrosive Medien Einsatz von Keramik
nachteil
hohe Kosten Packungsherstellung schmaler Belastungsbereich
Absorption: Prinzip
Absorption (Wäsche): Lösen gasförmiger Stoffe (Absorptive) in einer Flüssigkeit (Absorbens, Waschmittel) Umkehrung: Desorption (Strippung) Meist mit Waschmittelregeneration gekoppelt (Kreislaufführung), z.B. durch Drosseln Strippen mit Inertgas Rektifikation Gebräuchlichste Apparate: Packungs- und Bodenkolonnen auch Sprühturm, Fallfilmabsorber, Venturiwäscher, Strahlwäscher oder Blasensäule möglich
Absorptionsenthalpie:
Physikalische Wäsche: 10 – 20 kJ/mol Chemische Wäsche: 30 – 80 kJ/mol
Wichtige Routen der Synthesegaserzeugung
Erdgas CH4 + H20 --> CO + 3 H2 Steam
Benzin -CH2- + H20 -->CO + 2H2 Steam
Schweröl 2-CH2 - + H2O + ½ O2 ---->2 CO + 3 H2 partielle Oxidation
Kohle 2-C- + H2O + ½ O2 -----> 2 CO + H2
Hexan
Rectisolverfahren
H2S-Entfernung & Einstellung des H2 : CO Verhältnisses Lösungsmittel Methanol (Absorption bei 30 – 60 bar)
Claus-prozess
1. Stufe: 1/3 des H2S wird verbrannt: 2. Stufe: Rest des H2S reagiert mit SO2 zu Schwefel Bauxit-Katalysator für 2. Stufe, 250 ° C
--> schwefelaufbereitung
Shell Claus Off-Gas Treating (SCOT) Prozess Verbliebenes SO2 wird im Anschluss an den Claus-Prozess hydriert: Das H2S wird wieder in den Claus-Prozess rückgeführt
Fischer-Tropsch-Synthese
grundreaktion
katalysatoren
prozessvariablen
Grundreaktion: 2n H2 + n CO (ￚCH2ￚ)n + n H2O
Katalysatoren: Fe, Co, Ni, Ru Aktives System bildet sich erst unter Chemisorption der Reaktanden
Wesentliche Prozessvariablen: Temperatur Druck H2 : CO Verhältnis Raumgeschwindigkeit [m³/kgKat·s] Umsatz pro Durchgang, Kreislaufverhältnis
Fischer-Tropsch-Synthese: grundverfahren
1. Gaserzeugung mit Rohstoff luft wasser ---> nebenprodukte
2. Gasreinigung und Aufbereitung -----> Schwefel + Benzin
3 Synthese -----> mittels Katalysator ,reaktionswärme inform Dampf
4.Produktabscheidung
5Produkttrennung
Methanolsynthese
was ist reaktionsfördernd?
hoher Druck, niedrige Temperatur (Le Chatelier!) niedriger Inertgasanteil hohes CO/CO2 -Verhältnis niedriger CH3OH-Part.-Druck geringe Umsätze mit Kreislaufführung
DME
Herstellungsreaktion
farbloses, leicht narkotisierend wirkendes, ungiftiges, hochentzündliches Gas, schwerer als Luft
Reaktion: 2 CH3OH CH3OCH3 + H2O
indiereckt über methan und diereckt förderbar
Produktbehandlung: Kühlung & Destillation Methanol-Wasser-Trennung Methanolrückführung
Methanisierung
Reaktionen: CO + 3 H2 CH4 + H2O ΔH = -217 kJ/mol CO + H2O CO2 + H2 ΔH = -40,9 kJ/mol Prinzipieller Prozessablauf: Rohstoffvergasung Abreinigung von Partikeln, Schwefel- und Chlorverbindungen Kohlendioxidabtrennung Methanisierung Abtrennung von H2 und CO2 (Anteil bis zu 50 %) aus Produktgas Bedingungen: 300 – 450 °C 1 – 5 bar Ni-Katalysator
Forumileren Sie mithilfe von chemischen Reaktionsgleichungen die unterschiedlichen Routen der Synthesegaserzeugung.
Erdgas : CH4 + H20 ---> CO + 3 H2
KW (Benzin) : -CH2- + H20 ----> CO + 2H2
Schweröl :2-CH2 - + H2O + ½ O2 ---> 2 CO + 3 H2
Kohle 2-C- + H2O + ½ O2 ----> 2 CO + H2
Beschreiben sie kurz in Stichworten anhand des Verfahrensschaltbildes das Prinzip des RectisolVerfahrens.
Beim Rectisolverfahren handelt es sich um ein physikalisches Gasreinigungsverfahren, um aus erzeugtem Rohgas unerwünschte (insbesondere für nachfolgenden Anlagen) Gaskomponenten wie Kohlenstoffdioxid, Schwefelwasserstoff, aber auch HCN, COS oder Ammoniak mit Hilfe des Waschmediums Methanol zu entfernen.
1.: H2S-Entfernung
2 Einstellung des H2 : CO Verhältnisses
3 Abschneidung von Staub und ähnlichem
Beschreiben sie mithilfe von chemischen Formeln den Clausprozess
Claus-Prozess
1. Stufe: 1/3 des H2S wird verbrannt: 2H2S + 3O2 ----> 2SO2 + 2 H20
2. Stufe: Rest des H2S reagiert mit SO2 zu Schwefel 2H2S + SO2 ----> 3S + 2 H20
Bauxit-Katalysator für 2. Stufe, 250 ° C
Beschreiben Sie allgemein die Fischer-Tropsch-Synthese. Gehen Sie dabei auf die Grundreaktion und die Prozessvariablen ein. Wie beeinflussen die Prozessvariablen das Produktspektrum?
großtechnisches Verfahren zur Kohleverflüssigung
Grundreaktion: 2n H2 + n CO ---> (ￚCH2ￚ)n + n H2O
Wesentliche Prozessvariablen:
Temperatur
Druck hoch - langkettig niedrig : kurzkettig
H2 : CO Verhältnis hoch: kurzkettig niedrieg :langkettig
Raumgeschwindigkeit [m³/kgKat·s]
Umsatz pro Durchgang, Kreislaufverhältnis
Formulieren Sie die Hauptreaktionen der Methanol-Synthese.
CO + 2H2 ---> CH3OH
CO2 + 3H2 -----> CH3OH + H2O
Durch welche Prozessvariablen wird das Produkt beeinflusst? (Methanol Synthese)
hoher Druck, niedrige Temperatur (Le Chatelier!) niedriger Inertgasanteil hohes CO/CO2 -Verhältnis niedriger CH3OH-Part.-Druck geringe Umsätze mit Kreislaufführun
Nennen Sie bedeutende Nutzungsmöglichkeiten des Methanols
FOlgeprodukte : Formaldehyd
MTBE
Essigsäure
Formulieren Sie den indirekten und direkten Prozess der Dimethyletherherstellung
indierekt : übermethanol
Rohstoff--> Syngas ( CO + H2) ---> Methanol (CH3OH) ---> CH3OCH3 + H2O (Abscheidung Wasser) ---> DME
dierekt
Rohstoff---> Syngas (CO + H2) ----> CH3OCH3 + H2O ( CO2 zurück zu Syngas) -----> DME
Welche Vorteile bringt Dimethylether bei der Nutzung als Brenn-/ Kraftstoff mit sich?
Kraftstoff als Ersatz für Diesel ---> ähnliche Verbrennungseigenschaften, hohe Cetanzahl, günstige Emissionen
Beschreiben Sie die Methanisierung anhand von Reaktionsgleichungen.
Reaktionen:
CO + 3 H2 CH4 + H2O ΔH = -217 kJ/mo
CO + H2O CO2 + H2 ΔH = -40,9 kJ/mol
Warum kann es sinnvoll sein, Wasserstoff in Methan als Brenngas zu konvertieren?
Gesamtwirkungsgrad Holz zu Methan: >60%
viel geringerer wärmeverlust m gegensatz zu konventionellen methoden
Aus welchen Stoffgruppen setzen sich Pflanzen allgemein zusammen?
Kohlenhydrate (bedeutendste Stoffgruppe der Biomasse)
Einfachzucker (Monosacharide) Zweifachzucker (Disacharide) Mehrfachzucker (Oligosacharide) Vielfachzucker
Lignin (Holzstoff) Polymer aus Phenyl-Propan-Derivaten
Fette und Fette Öle Ester von Glycerin mit höheren Monocarbonsäuren (> C8 )
Eiweiße (Proteine) Hochmolekulare Substanzen aus Aminosäuren
Welche Funktionen haben Cellulose und Lignin innerhalb des Pflanzengefüges?
lignin ---> Stets Begleiter der Cellulose, bildet mit dieser Komplex Lignocellulose Für Druckfestigkeit verantwortlich (Cellulose für Zugfestigkeit)
Beschreiben Sie stichpunktartig den Prozess der Methangärung. Welche Voraussetzungen müssen gegeben sein?
Biomasse + H2O + Bakterien + Wärme ---> CH4 + CO2 + Gärrest
Vorraussetzung :
Methanogene Bakterien brauchen einen Wassergehalt von min. 50%
Methanogene Bakterien sind obligat anaerob
Lichtabschluss nötig, sonst Hemmung des Prozesses
Teilen Sie die technische Umsetzung der Methangärung nach Verfahrensarten, Biozönosen und Prozessmanagement ein.
Verfahrensarten
Nassfermentation (ca. 10% Trockensubstanz) - Hohe spezifische Biogasausbeute - Automatisierbare Störstoffabtrennung - Gute Pump- und Mischbarkeit - Co-Vergärung möglich
Trockenfermentation (>> 10% Trockensubstanz) - Geringes spezifisches Faulvolumen - Geringer spezifischer Wärmebedarf
Biozönosen
Psychrophil (kaum angewendet): < 20 °C
Mesophil: 30 – 48°C (opt. 35°C) - Geringe Abwasserbelastung - Hoher Umsatz komplexer Substrate - Gute Entwässerbarkeit
Thermophil: 48 – 65°C (opt. 50 – 55 °C) - Gute Hydrolyseleistungen - Hygienisierung
Prozessmanagement
Einstufige Vergärung - Einfache Handhabung - Geringe Investmentkosten
Zweistufige Vergärung - Hohe Raum-Zeit-Ausbeuten - Sicherer Betrieb
Zweiphasige Vergärung - Sehr hohe Raum-Zeit-Ausbeuten
Beschreiben Sie stichpunktartig den Prozess der Bioethanolproduktion.
Hefen sind fakultativ anaerobe Pilzstämme, d. h. sie können sowohl im aeroben als auch im anaeroben Medium existieren
Anaerobes Milieu: Ethanolproduktion C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2
Aerobes Milieu: Wachstum C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Biomasse
Hefen können nur 4 – 5 Generationen vollständig anaerob wachsen
absatzweise Fermentation oder gezielte O2 -Zufuhr für kontinuierliche Fermentation erforderlich
! Temperatur: 20 - 40°C
pH-Wert: 3,5 – 6
Produktlimitierung: ab 20 g/l Ethanol: beginnende Hemmung
ab 110 g/l Ethanol: Einstellung der Ethanolproduktion
Verbrennung in Kleinfeuerungsanlagen g) Skizzieren Sie das Verbrennungsverhalten von Biomasse bei automatischer sowie manueller Beschickung anhand des Parameters CO.
---> niedrige lokale temperatur //sauerstoffmangel
weil öffnung von feuerraum, zugabe von brennstoff , abkühlung bei unregelmäßiger beschickung
wie entsteht torf?
Torfmor --> abnahme wasser , zunahme kohle, torf ---> Antrazit
Grenzen Sie die (Brennstoff-)eigenschaften des Torfs von Holz ab
Vergleich : Heizwert steigt mit inkohlung , weniger flüchtige bestandteile, erhöhter Asche gehalt
Welche Hauptnutzungspfade für Torf bestehen in Deutschland?
Gartenbau und Landwirtschaft
Energetische Verwertung (Kraft- und Heizkraftwerke)
Chemische Industrie (ca. 1 % der globalen Produktion):
Aus welchem Grund ist die energetische Nutzung von Torf in Deutschland kaum verbreitet?
Wäre konkurenz zu Braunkohle ,
....> aber aufwendige Trocknung und Abbau
----> nicht als EE gezählt
wIe wird Torf eingeteilt?
zersetzungsgrad, herkunft , Nährstoffstatus , feuchte...
Kohle . Weltweite nutzung?
- 3/4 der Kohle wird Strom gewonnen ---> 40 % der strombedarfs werden so gedeckt
- weiter produkte wie Koks ,..
- für Industrielle Feuerungen , Kohlevergasung...
breites Spektrum an Nutzbarkeit
Biochemische Inkohlung (Diagenese)
Biochemische Inkohlung (Diagenese)
Umwandlung von Torf zu Mattbraunkohle
Abgrenzung Torf – Braunkohle: Wassergehalt < 75 % und keine freie Cellulose!
aerober Zersetzungsprozess (Pilze)
anaerober Zersetzungsprozess (Bakterien)
Grenze bei ca. 10 m Tiefe (darunter keine mikrobielles Leben)
Geochemische Inkohlung (Metamorphose)
Geochemische Inkohlung (Metamorphose)
eigentliche Kohlebildung
Übergang Weichbraunkohle zur Hartbraunkohle
Druck- und Temperaturzunahme (auflagernde Schichten)
hauptsächlich durch Temperatur verursacht
Abspaltung gasförmiger Produkte (H2O, CO2 , N2 , CH4 ...)
Anreicherung von org. Kohlenstoff
Abnahme flüchtiger Bestandteile
an Grenze Hartbraunkohle – Steinkohle ist auch Lignin abgebaut
Einflussgrößen bei geochemischer Inkohlung
Temperatur Dauer der Erhitzung (Druck weniger bedeutend)
Kohlezusammensetzung ( Charackterisierung)
Charakterisierung der Kohlen nach Maceraltypen
----> Macerale: Mikroskopisch erkennbare Grundbestandteile der Kohle Vergleichbar mit den Mineralien im Gestein
Reflexionsgrad (auch -vermögen) Rm ist Verhältnis von Intensität des reflektierten Lichts zur Intensität des senkrecht auf den Prüfkörper einfallenden Lichts
Wofür wird Braunkohle verwendet?
Fast ausschließlich der Stromerzeugung < 90 %
Was sind die Kriterien Für BK?
Kriterien Braunkohle: Wassergehalt < 75 % keine freie Cellulose mehr vorhanden
