Im heutigen Tutorial zur Kraftwerktechnik dreht es sich um Kohlekraftwerke und die Anwendung entsprechender Feuerungstechniken.
4. Kohlekraftwerke und Feuerungstechnik
Kohlekraftwerke nutzen die fossilen Brennstoffe Steinkohle oder Braunkohle, die in der Natur in großen Mengen zur Verfügung stehen. Die Kohle wird in einem Kessel verbrannt und zum Betrieb eines Dampfkraftprozesses genutzt.
Brennbare Bestandteile der Kohle sind größtenteils Kohlenstoff und (in geringem Maße) Wasserstoff sowie Schwefel, der jedoch unerwünscht ist. Die Kohle ist daneben mit weiteren Ballaststoffen wie Sauerstoff, Stickstoff, Asche und Wasser behaftet. Unter Asche versteht man feste, nicht brennbare Rückstände wie z. B. Schwermetalle.
Bei der Verbrennung reagiert der Brennstoff mit Luftsauerstoff und setzt dabei Energie frei. Die Menge der freigesetzten Energie ist je nach Betrachtung der Heiz- oder Brennwert des Brennstoffs.
Die Verbrennung führt zu den gasförmigen Endprodukten (“Abgasen”) Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasser und Schwefeldioxid, sofern sie vollständig verläuft.
Bei unvollständigem Abbrand können ferner die unerwünschten Gase Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff und Methan entstehen. Da diese Abgase aber einen “Energieverlust” darstellen, wird ihre Bildung so weit wie möglich verhindert.
Für die Verbrennung wird Umgebungsluft verwendet. Diese enthält neben dem für die Verbrennung benötigten Sauerstoff einen großen Anteil Stickstoff. In der Brennkammer kann der Stickstoff mit Sauerstoff reagieren und Stickoxide – NO und NO2 – bilden. Der Betreiber des Kraftwerks befindet sich hier in einem Dilemma: Während sehr hohe Temperaturen die Effizienz erhöhen, begünstigen sie gleichzeitig die Bildung von Stickoxiden.
Die Abgase der Verbrennung führen Schadstoffe sowie das klimawirksame CO2 mit sich. Um die gesetzlichen Emissionsvorgaben einzuhalten, sind feuerungstechnische Maßnahmen sowie eine Abgasnachbehandlung notwendig.
Durch die Anwendung entsprechender Feuerungstechniken können Primärmaßnahmen zur Emissionsminderung umgesetzt und so die Schadstoffbildung “an der Quelle” verringert werden. Es gibt drei Formen der Feuerungstechnik:
- Wirbelschichtfeuerung: bis ca. 300 MWth (Feuerungsleistung)
- Rostfeuerung: bis ca. 100 MWth
- Staubfeuerung: bis ca. 2500 MWth
Wirbelschichtfeuerung
Bei der Wirbelschichtfeuerung wird in den Feuerungsraum ein Gemisch aus gemahlener Kohle und Kalk eingebracht und durch eingeblasene Luft verwirbelt. Der Brennstoff hat eine sehr große Oberfläche und kann bei niedrigeren Temperaturen abbrennen (bis 900 °C). Dies verringert die Bildung von Stickoxiden. Bei den niedrigen Temperaturen reagieren Kalk und Schwefel zu Gips, so dass bis zu 95 % des Schwefels abgeschieden werden. Der Gips nimmt auch noch einen Teil der Asche auf. Nachfolgend ist nur noch eine Staubabscheidung nötig. Durch die vergleichsweise niedrigen Temperaturen sind die Wirkungsgrade bei Anwendung von Wirbelschichtfeuerung begrenzt.
Rostfeuerung
Bei der Rostfeuerung werden feste Brennstoffe auf einem Wanderrost in die Brennkammer eingeführt. Der Rost wird als Endlosband geführt. Am Ende fällt die Asche herunter und wird abgeführt. Temperaturen liegen bei ca. 1500 °C.
Staubfeuerung
Bei der Staubfeuerung wird die Kohle in Kohlemühlen fein gemahlen und mit heißer Verbrennungsluft auf mehreren Ebenen in die Brennkammer geblasen. Die Kohle verbrennt und gibt ihre Energie frei. Der Großteil der entstehenden Asche wird mit Rauchgas ausgetragen. Die kleingemahlene Kohle ermöglicht einen effizienten Abbrand und schnelle Leistungsanpassungen. Die Temperaturen liegen bei ca. 1200 °C. Diese hohen Temperaturen begünstigen die Bildung von Stickoxiden, welche in nachgeschalteten Anlagen genauso wie Schwefeloxide abgeschieden werden müssen.
Die Staubfeuerung ist derzeit die in Großkraftwerken am meisten eingesetzte Feuerungstechnik.
