Hochtemperaturreaktionen in Veraschungsrückständen von Grenzbereichskohlen

Luhmer, René; Stanjek, Helge (Thesis advisor); Roth, Georg (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Werden bei der Gewinnung von rheinischer Braunkohle angrenzende Sedimente (Sande und Tone) teilweise mit abgebaut, verändern sich die chemischen und mineralogischen Zusammensetzungen der so erzeugten Kesselkohlen der Kraftwerke und damit auch der entstehenden Verbrennungsrückstände. Damit kann sich ein unterschiedliches Kesselverhalten der verunreinigten Braunkohlen ergeben im Bezug auf ihre Neigung zur Bildung unerwünschter Kesselansätze wie Sinter und Schlacken. Um Unterschiede im Kesselverhalten von mineralisch verunreinigten Braunkohlen im Vergleich zu reinen Braunkohlen feststellen zu können, wurden für Laborversuche unterschiedliche Braunkohlen aus den drei Tagebauen Garzweiler, Hambach und Inden aus den Grenzbereichen zu Sedimenten entnommen. Die unmittelbar anstehenden Sedimente wurden ebenfalls beprobt. Insgesamt wurden an den Proben die chemischen und mineralogischen Zusammensetzungen sowie die Ascheumwandlungstemperaturen ermittelt. Die Veraschungsrückstände der Braunkohle wurden homogen aufgeteilt, um temperatur- und zeitabhängige Temperversuche durchzuführen. Für die Versuche an den Mischungen zwischen Braunkohle und Sedimenten wurden die Sedimente ebenfalls verascht. Aus den Rückständen von Braunkohle und Sedimenten wurden dann Mischungen hergestellt, die das Mitschneiden eines Schaufelradbaggers von 10 bzw. 20 cm des angrenzenden Sediments nachstellen sollen. An diesen Mischungen wurden ebenfalls temperatur- und zeitabhängige Temperversuche durchgeführt. In allen 815 °C-Veraschungsrückständen konnten Quarz und Anhydrit nachgewiesen werden. Mit steigender Temperatur ist die Umwandlung von Quarz zu Cristobalit zu erkennen. Der Gehalt an Anhydrit geht mit zunehmender Temperatur zurück und das Calcium wird vor allem für die Bildung von Silikaten verwendet. Als Siliziumquelle dienen entweder Quarz oder Silikate. In Proben ohne nennenswerten Gehalt an Aluminium ist das Auftreten von Ternesit zu verzeichnen. Ist Aluminium vorhanden, wird die Bildung von Anorthit bevorzugt. Andere Silikate, die sich durch die Temperversuche gebildet haben, sind beispielsweise Larnit, Akermanit, Diopsid, Wollastonit und Hauyn bzw. Nosean. Durch die Beimengung der Sedimente haben sich entweder der Quarzgehalt (bei Sanden) oder die röntgenamorphen Bestandteile (bei Tonen) signifikant erhöht. Durch die Zugabe von Sand ist die Zunahme von Cristobalit mit steigenden Temperaturen zu verzeichnen oder eine Zunahme von Silikaten. Durch das Mischen mit Tonen lässt sich neben den amorphen Bestandteilen auch das Auftreten von Mullit beobachten. Steigt die Temperatur, ist ein Rückgang der amorphen Bestandteile und eine Zunahme von Mullit zu erkennen. Die in den Experimenten nachgestellten Zersetzungsreaktionen, Fest-Fest-Reaktionen, Fest-Flüssig-Reaktionen bis hin zum vollständigen Aufschmelzen spiegeln die aus den Braunkohlekraftwerkskesseln der RWE Power AG analytisch nachgewiesenen Mineralreaktionen und das Belagsbildungsverhalten wider. Aus den Ergebnissen der Temperversuche konnten die bei der Verfeuerung unterschiedlich zusammengesetzter Kesselkohlen ablaufenden Mineralreaktionen den jeweiligen Temperaturbereichen zugeordnet werden. Hierdurch ist es möglich, anhand im Kessel geborgener Ansatz- oder Ascheproben auf die bei ihrer Bildung am Probennahmeort herrschenden Temperaturen zu schließen.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Petrologie und Fluidprozesse [541320]