Braunkohletrocknung

Braunkohle wird in Deutschland in Tagebauen gefo rdert und mit Zu gen oder u ber Kohlebandbru cken im grubenfeuchten, vorgebrochenen Zustand zu den Kraftwerken transportiert, die aufgrund des hohen Ballastanteils der Kohle und der damit einhergehenden niedrigen Wirtschaftlichkeit des Transports u blicherweise in der Na he eines Tagebaus liegen. Die im Kraftwerk angelie-ferte Rohbraunkohle (RBK) hat einen Wassergehalt von ca. 50 – 60 Gew.-%

[FOH-87] und eine Korngro ße von bis zu ca. 5 cm. Um Braunkohle in staubbe-feuerten Dampferzeugern verbrennen zu ko nnen, muss der Wassergehalt der RBK auf Werte < 20 % reduziert und die Braunkohle auf eine Ko rnung von ca.

0 – 1 mm ausgemahlen werden. Die Intensita t, mit der das Wasser an die Braunkohle gebunden ist, variiert stark. Der Anteil der Oberfla chenfeuchte (ungebundenes Wasser, welches theoretisch ohne Arbeit entfernt werden kann) am Wassergehalt ist in der Regel sehr gering, sodass thermische Verfah-ren erforderlich sind, um den Wassergehalt der Braunkohle nennenswert zu reduzieren [KLU-96b]. Der u berwiegende Teil des Wassers ist kapillar und ein

weiterer Teil in sehr feinen Poren chemisorptiv gebunden [FOH-87]. Der Ener-gieaufwand zur Entfernung des Wassers aus der Kohle steigt mit zunehmen-dem Trocknungsgrad an, u berschreitet jedoch fu r den gro ßten Teil des kapillar gebundenen Wassers die Verdampfungswa rme nur unwesentlich [FOH-87].

Entsprechend den unterschiedlichen Bindungsintensita ten des Wassers erge-ben sich bei der Kohletrocknung nicht-lineare Zusammenha nge zwischen den Parametern Endfeuchte, Energieaufwand und Dauer [FOH-87].

Ein ausfu hrlicher U berblick u ber die mo glichen technischen Verfahren, um Braunkohle aufzubereiten, wird in [ROD-04] gegeben. Im Folgenden wird auf zwei dieser Verfahren eingegangen: die Mahltrocknung von RBK mit Schlag-radmu hlen als das mit Abstand am weitesten verbreitete Braunkohleaufberei-tungsverfahren fu r moderne staubbefeuerte Dampferzeuger und das Dampf-wirbelschichttrocknungsverfahren als fortschrittliches Braunkohle-aufbereitungsverfahren, welches derzeit in Deutschland bis zur kommerziel-len Reife weiter entwickelt wird.

Mahltrocknung

Staubbefeuerte RBK-Dampferzeuger werden seit den 1930er Jahren fast aus-schließlich mit Schlagradmu hlen ausgefu hrt. In der Schlagradmu hle erfolgt die Ausmahlung und Trocknung der Kohle in einem Prozessschritt. Die Rohkohle-ko rner werden mit Prima rluft und ca. 900 °C heißen, aus dem Feuerraum des Dampferzeugers ru ckgesaugten Rauchgasen vermischt. Durch die schlagartige Verdampfung des Wassers und die Prallwirkung beim Auftreffen auf das Schlagrad und die Umfassungswand der Mu hle zerplatzen sie. Die Drehzahl und der Prima rluftmassenstrom der selbstventilierenden Mu hle werden so ge-regelt, dass sich eine Sichtertemperatur von ca. 120 °C einstellt, wobei eine Ausmahlung der Kohle mit einem 50 % Ru ckstand auf dem 0,09 mm Sieb er-reicht wird [EFF-00][KAT-95]. Details zu Verfahrenstechnik, zur Ausfu hrung und zum Betrieb von Schlagradmu hlen sind in [EFF-00] zu finden.

Dampfwirbelschichttrocknung

Die Entwicklung von kommerziell einsetzbaren Dampfwirbelschichttrocknern fu r Braunkohle wird in zwei Entwicklungsschienen parallel vorangetrieben.

Zum einen ist das durch die RWE Power entwickelte WTA-Verfahren (WTA – Wirbelschichttrocknung mit interner Abwa rmenutzung) zu nennen [KLU-10].

Zum anderen forscht die Vattenfall Europe Mining & Generation in

Zusammen-1.4 Verfu gbare Technik arbeit mit der BTU Cottbus an der sogenannten druckaufgeladenen Dampfwir-belschicht-Trocknung (DDWT) [MER-10][POR-10]. Das grundsa tzliche Verfah-rensprinzip beider Entwicklungen ist identisch, sodass im Folgenden nur das WTA-Verfahren im Detail erla utert wird. Wesentlicher Unterschied der Ent-wicklungen ist der kohleseitige Systemdruck im Trockner, der im Fall des WTA-Prozesses bei 1,1 bar liegt. Fu r die DDWT wird angestrebt, einen kohleseitigen Systemdruck von 6,0 bar zu erreichen.

Ein weiterer Unterschied ist im Hinblick auf den Entwicklungsstand zu ver-zeichnen. Fu r den WTA-Prozess gibt es seit Dezember 2008 einen Prototyp am Block K des Kraftwerks Niederaußem, dessen Gro ße der Anlagengro ße ent-spricht, die auch fu r spa tere kommerzielle Anlagen vorgesehen ist. Der WTA Prototyp ist darauf ausgelegt 210 t/h RBK mit einem Wassergehalt von ca.

54 % durchzusetzen und dabei 110 t/h Trockenbraunkohle (TBK) mit einer Restfeuchte von ca. 12 % bei einer Verdampfungsleistung von 100 t/h zu pro-duzieren. Die Betriebserfahrungen mit dem Prototyp zeigen, dass spezifikati-onsgerechte TBK u ber la ngere Betriebsphasen hinweg produziert werden kann, es jedoch noch weiterer Optimierung im Hinblick auf die Verwendung eines breiten Kohlequalita tsbandes bedarf [KLU-10]. Fu r den DDWT-Prozess gibt es am Standort Schwarze Pumpe seit Oktober 2008 eine Versuchsanlage mit einer Verdampfungsleistung von 5 t/h, in der bis Juni 2011 rund 30.000 t Kohle in rund 5.000 Betriebsstunden durchgesetzt wurden. Weiterhin war die Inbetriebnahme eines 250 MWel Kraftwerks bis 2015 mit Oxyfuel-Dampfer-zeuger und TBK Bereitstellung mit dem DDWT Verfahren geplant [POR-10][ASE-11].

Abbildung 1.2: Verfahrensschema des WTA-Prozesses

Abbildung 1.2 zeigt ein Verfahrensschema des WTA-Prozesses. In der WTA wird die RBK mit Hilfe von zwei hintereinander geschalteten Hammermu hlen auf eine Korngro ße von 0 bis 2 mm ausgemahlen. Die feingemahlene RBK wird dann durch eine Zellenradschleuse in den Trockner eingebracht, wo sie u ber eine Drehschurre gleichma ßig auf das Wirbelbett aufgegeben wird. Der Trock-ner arbeitet bei einem leichten U berdruck in reiTrock-ner Dampfatmospha re bei ei-ner Wirbelschichttemperatur von 110 °C. Die Beheizung des Trockei-ners erfolgt durch Tauchheizfla chen, die vollsta ndig vom Wirbelbett u berdeckt sind und in denen Prozessdampf bei ca. 4 bar kondensiert. Das ausgedampfte Wasser (Bru den) wird am Kopf des Trockners abgezogen und in einem Elektrofilter entstaubt. Ein geringer Teil der entstaubten Bru den wird zur Fluidisierung des Wirbelbetts mit Hilfe eines Gebla ses zum Du senboden des Trockners zuru ck-gefu hrt. Die restlichen Bru den stehen als separater Stoffstrom fu r eine weitere Nutzung zur Verfu gung. Die getrocknete Kohle bildet unter dem Du senboden im Trockner ein Festbett und wird u ber Zellenradschleusen aus den Austrags-zitzen des Trockners ausgeschleust. Die TBK wird auf eine Temperatur von

< 80 °C abgeku hlt, in einer nachgeschalteten Mahlstufe entsprechend den An-forderungen der Staubfeuerung auf eine Korngro ße von 0 bis 1 mm ausgemah-len und in einem Silo zwischengelagert [KLU-10][SCH-06].

1.4 Verfu gbare Technik