Wirbelschicht-Technologie als umweltschonender "Dauerbrenner"

Umweltschonend, kostengünstig und mit vielen verschiedenen Brennstoffen betreibbar, so sieht die Kurzbiographie von Wirbelschichtfeuerungen aus. Am Institut für Technische Wärmelehre an der Technischen Universität Wien tüftelt man schon seit 1998 mit einer Versuchsanlage an deren optimaler Funktionsweise.

Bereits 1921 hat Franz Winkler bei BASF mit der Wirbelschicht-Technologie erste Versuche zur Kohlevergasung unternommen. In den beiden letzten Jahrzehnten hat die Technologie auch in Kraftwerken Einzug gehalten und erfreut sich dort großer Beliebtheit. Die zwei unschlagbaren Vorteile von Wirbelschichtfeuerungen: problematische Brennstoffe, wie beispielsweise Hausmüll, können leicht verwertet und die derzeit gültigen Grenzwerte bei Schwefeldioxid und Stickstoffoxid problemlos eingehalten werden. Aber das ist bei weitem noch nicht alles.

Wirbelschichtanlage als umweltschonender „Allesfresser“

Was die Flexibilität von Wirbelschichtanlagen betrifft, so sind sie nahezu unschlagbar. Sie können viele verschiedene Brennstoffe verwerten – vom Abfall bis zur Kohle, und da wiederum von der Braun- bis zur Steinkohle. Auch Mischungen verschiedener Brennstoffe können zur Stromerzeugung verwendet werden, und das ohne erhöhte Umweltbelastung – in vielen Fällen sogar ohne zusätzliche Rauchgasreinigung. Die Entschwefelung wird möglich, indem gemeinsam mit dem Brennstoff Kalkstein eingeblasen wird. Dieser reagiert mit dem bei der Verbrennung entstehenden Schwefeldioxid. Dabei entsteht Gips, ein durch und durch umweltfreundliches Abfallprodukt. Kein Schwefeldioxid, keine SO₂-Emissionen.

Druckaufgeladene Wirbelschicht – ein System stellt sich vor

Christian Gabriel hat vor vier Jahren begonnen, ein Modell einer druckaufgeladenen Wirbelschicht zu bauen. Das Grundprinzip der druckaufgeladenen Wirbelschichtanlage, wie sie am Institut für Technische Wärmelehre betrieben wird, funktioniert so: auf der einen Seite werden in einem Steigrohr (Riser) Braunkohle und Quarzsand eingeblasen. Der Quarzsand sorgt für gute Wärme- und Stoffübergangsverhältnisse, was gleichmäßige Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Reaktorhöhe bedeutet. Der Wirbelschicht-Reaktor befindet sich in einem Druckbehälter, daher der Begriff „druckaufgeladen“. Das hat folgenden Sinn: um die gleiche Leistung wie ein atmosphärisches Kraftwerk (z. B. kalorisches Kraftwerk) zu erbringen, können druckaufgeladene Verbrennungsreaktoren viel kleiner dimensioniert und gebaut werden. Oder umgekehrt: bei gleicher Bauweise können druckaufgeladene Verfahren eine wesentlich höhere thermische Leistung erbringen. Um vergleichsweise einfache Versuchsreihen durchführen zu können, wird Kohle mit gleichmäßiger Körnung verwendet.

Nach Fertigstellung des Modells im Jahr 2001 hat Christian Gabriel die ersten Kaltversuche unternommen. Ohne dass die Luft vorgewärmt wurde, hat er bei ca. 30° C vorerst die Funktionsfähigkeit des Modells ausgetestet. Danach folgten in einem zweiten Schritt erste Versuche bei erhöhter Temperatur. Das am Institut verwendete Feststoffgemisch (Braunkohle, Sand) wird mit vier Lufterhitzern vorgewärmt. Das Steigrohr wird durch eine Öffnung von unten mit vorgewärmter Luft beheizt. Die Sand- und Kohlepartikel steigen dadurch im Steigrohr nach oben. Die Kohlepartikel verbrennen, die Sandpartikel werden in einem Zyklon abgeschieden und über den Rückführzweig wieder dem Steigrohr zugeführt.

Die TU-Forscher nehmen nun an drei verschiedenen Stellen Proben, um das Abriebverhalten der Kohle zu untersuchen. Warum gerade an drei Stellen? Die Partikelverteilung, d. h. die Verteilung der Kohlestückchen, im Steigrohr ist in Abhängigkeit von der Höhe verschieden. Sie lässt sich relativ gut in drei Bereiche teilen, wobei die Partikelkonzentration im unteren Drittel sehr hoch und im obersten Drittel am geringsten ist. Durch das Aufwirbeln der Kohlepartikel werden diese immer kleiner, was man als Abriebverhalten bezeichnet. Dieses Abriebverhalten muss man kennen, damit man die am Institut verwendete Technologie später als Großanlage umsetzen kann.

Perspektiven – von der Kohle zur Biomasse

Wenn ausgetestet ist, wie man den Wirbelschichtreaktor am optimalsten mit Kohle befeuern kann, stellt man sich am Institut für Technische Wärmelehre neuen Herausforderungen – was in etwa fünf Jahren, also 2007 oder 2008, der Fall sein wird. Bis dahin will man die Wirbelschichttechnologie soweit verfeinert haben, dass man den Reaktor nicht nur mit Kohle, sondern auch mit Biomasse und Holzschnitzel befeuern kann.

Mathematik und die Wärmelehre

Interessant ist auch die mathematische Darstellung der in der Wirbelschichtanlage ablaufenden Vorgänge. Modelle und Simulationsprogramme wie sie auch am Institut für Technische Wärmelehre entwickelt werden, können sowohl zur Dimensionierung neuer Kraftwerksanlagen als auch zur Optimierung bestehender Anlagen herangezogen werden. Dadurch können aufwändige Experimente ersetzt und rasch Aufschlüsse über die in einer Wirbelschicht ablaufenden Vorgänge gewonnen werden. Der große Vorteil der am Institut für Technische Wärmelehre entwickelten Simulationsprogramme liegt im Vergleich zu mehrdimensionalen CFD (computational fluid dynamic)-Programmen in deren geringem Rechenaufwand.

Rückfragehinweis:
Christian GABRIEL
Institut für Technische Wärmelehre
Getreidemarkt 9/302, 1060 Wien
Tel. +43/1/58801-30212
E-Mail: cgabriel@e302enterprise.itw.tuwien.ac.at