Laboranalysen von Brennstoffen zur Emissionsbestimmung

1. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 1 Laboranalysen von Brennstoffen zur Emissionsbestimmung Workshop am 17. September 2002 im Umweltbundesamt, Berlin „Erstellung einer Datenbasis für Treibhausgas-Emissionsfaktoren für Deutschland“ „Laboranalysen von Brennstoffen zur Emissionsbestimmung“ Dr. rer. nat. Rüdiger Beising EnBW Kraftwerke AG, Stuttgart

2. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 2 Laboranalysen von Brennstoffen zur Emissionsbestimmung Inhalt: Einführung Chemische Analysen Heizwertbestimmungen CO2-Bestimmungen aus Brandt‘scher Verbrennungsrechnung Qualitative Fehlerbertrachtung Schlußbemerkung

3. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 3 Laboranalysen von Brennstoffen zur Emissionsbestimmung Einführung Eine möglichst genaue Erfassung der CO2-Emissionen ist erforderlich, gleichgültig, ob freiwillige Selbstverpflichtung oder Emissionshandelsystem. Die Emissionsfaktoren z.B. aus dem GHG-Protokoll sind zu pauschal Eine exakte Kohlenstoffbestimmung der Brennstoffe war bisher im Kraftwerkssektor nicht notwendig CO2-Bestimmung erfolgt üblicherweise über Verbrennungsrechnung

4. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 4 Laboranalysen von Brennstoffen zur Emissionsbestimmung Schematische Massenbilanz eines Feuerraums

5. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 5 Laboranalysen von Brennstoffen zur Emissionsbestimmung Chemische Zusammensetzung der Kohle: Die chemische Zusammensetzung der Kohle ist äußerst kompliziert. Bei der Steinkohle liegen nur 10% des Kohlenstoffs frei vor; der Rest ist in einem Verbindungsgemisch enthalten, das vor allem aus aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen besteht, in denen außer Sauerstoff zum Teil auch Schwefel und Stickstoff chemisch gebunden sind. Bei Braunkohle bestehen die organischen Bestandteile aus dem Bitumenanteil (vor allem Harze und Wachse) sowie aus Huminstoffen. Daneben enthält jede Kohle anorganische, unverbrennbare Ballaststoffe (Aschebestandteile, „Berge“ v.a. Tonminerale und Quarzkörner)

6. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 6

7. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 7 Laboranalysen von Brennstoffen zur Emissionsbestimmung Bestimmung des Heizwertes Der Brennwert(Ho) und der Heizwerte (Hu) fester und flüssiger Brennstoffe sind Maße für die bei vollständiger Verbrennung frei werdende Wärmemenge. Der Heizwert wird rechnerisch aus dem Brennwert bestimmt. Der Brennwert wird mit einem Bombenkalorimeter gemessen. Näherungsweise auch Berechnung aus Elementaranalyse möglich Hu = (34.0 C + 101,6 H + 6,3 N + 19,1 S - 9.8 O - 2.5 H2O)?MJ/kg? nach Boie

8. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 8 Laboranalysen von Brennstoffen zur Emissionsbestimmung Brennwert und Heizwert (engl.: gross calorific value, net calorific value) Nach DIN 51900 (441) werden die beiden Begriffe Brennwert und Heizwert unterschieden. Als Brennwert Ho wird der Quotient aus der bei vollständiger Verbrennung eines festen Brennstoffs freiwerdenden Wärmemenge und dem Gewicht dieser Brennstoffmenge bezeichnet, wenn die Temperatur des Brennstoffs vor dem Verbrennen und die seiner Verbrennungser- zeugnisse 25 °C beträgt. Das vor dem Verbrennen im Brennstoff vorhandene Wasser und das beim Verbrennen der wasserstoffhaltigen Verbindungen des Brennstoffs gebildete Wasser nach der Verbrennung in flüssigem Zustand vorliegen, die Verbrennungserzeugnisse von Kohlenstoff und von Schwefel als Kohlendioxid und Schwefeldioxid in gasförmigem Zustand vorliegen und eine Oxidation des Stickstoffs nicht stattgefunden hat. Der Heizwert Hu unterscheidet sich vom Brennwert dadurch, dass das vor dem Verbrennen im Brennstoff vorhandene Wasser und das beim Verbrennen der wasserstoffhaltigen Verbindungen des Brennstoffs gebildete Wasser nach der Verbrennung in dampfförmigem Zustand bei 25 °C vorliegen. Brennwert und Heizwert von festen Brennstoffen werden in kJ/kg oder in MJ/kg angegeben.

9. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 9 Laboranalysen von Brennstoffen zur Emissionsbestimmung Chemische Analysen Kohlenstoffanalysen sind verfügbar moderne Elementaranalysatoren für simultane Analyse der Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel. Brennstoffprobe wird in O2-Atmosphäre verbrannt. Mittels Durchflusssystem und Helium als Trägergas werden CO2, H2O und SO2 mit nicht disperiven IR-Detektoren gemessen. TOC - AnalysatorBestimmung des Gesamtkohlenstoffes TOC = Total Organic Compond

10. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 10 Laboranalysen von Brennstoffen zur Emissionsbestimmung Verbrennungsrechnung Verbrennungsrechnung wird benötigt für Berechnung der Dampferzeuger Auslegung der Gebläse, Luftvorwärmer, Mühlen Die Verbrennungsrechnung liefert- Verbrennungsluftströme- Rauchgasströme- Zusammensetzung der Rauchgase C + O2 = CO2 H2 + ½ O2 = H2O S + O2 = SO2 CmHu + (m+0,25n)O2 = mCO2 + 0,5n H2O Verbrennungsrechnung nach Elementaranalyse setzt Kenntnis der vollständigen Analyse des Brennstoffes voraus Einfacher nicht statistische Verbrennungsrechnung, da linearer Zusammenhang zwischen Rauchgasvolumen und Heizwert besteht.

11. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 11 Laboranalysen von Brennstoffen zur Emissionsbestimmung CO2-Emission aus Brandt‘scher Verbrennungsrechnung Auswertung großer Anzahl von Brennstoffdaten (s. Diagramme) hieraus statistische Zusammenhänge zwischen Brennwert/Heizwert und übrigen Brennstoffeigenschaften gefunden lineare Gleichungen für Kohle < 35 MJ/kg ECO2= MBr * ((0,08713 * Hu) + 0,20119)ECO2 = CO2-EmisssionMBr = BrennstoffmasseHu = Heizwert

12. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 12

13. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 13

14. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 14

15. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 15 Laboranalysen von Brennstoffen zur Emissionsbestimmung Qualitative Fehlerbetrachtung Statistischer Fehler bei Brandt‘scher Verbrennungsrechnung ? relativ gering (Kohle unabhängig von Herkunft relativ  geringe Abweichungen) Fehler bei Heizwertbestimmung? gering; (Kalorimeter werden geeicht) Fehler durch Schwankung des S-Gehaltes? gering (S-Gehalt zwischen 0,5 - 1,5%) Fehler durch zusätzliches Karbonat aus mineralischen Bestandteilen? gering (Aschegehalt ca. 5 - 15%, Karbonat kleiner Anteil) Fehler durch unvollständige Verbrennung (Flugkoksbildung)? sehr gering ( > 99.9% Umsetzung)

16. 17. Sept. 2002 EnBW Kraftwerke AG Nr.: 16 Laboranalysen von Brennstoffen zur Emissionsbestimmung Schlußbemerkung allgemeine Emissionsfaktoren nur verwenden, wenn Heizwert nicht bekannt ist über Heizwert kann CO2-Emission mit guter Genauigkeit ermittelt werden Kohlenstoffbestimmung zur Kontrolle (Stichprobe) zu empfehlen und z.B. bei neuen Brennstofflieferungen (neuer Abbau)