Implementation des Oxyfuel-Verfahrens zur CO₂-Abscheidung in thermischen Abfallbehandlungsanlagen

Analyse der Rauchgasrezirkulationsstrategien durch Kombination von Modellierung und Thermoanalyse

• Isabel Kaphahn
• Prof. Dr.-Ing. Peter Quicker

Angesichts des Potenzials der Oxyfuel-Verbrennung zur CO₂-Abscheidung in thermischen Abfallbehandlungsanlagen wurde der Einfluss der Rauchgasrezirkulation auf den Verbrennungsprozess mithilfe eines kombinierten modellbasierten und thermoanalytischen Ansatzes untersucht, um die großtechnische Umsetzung langfristig vorzubereiten. Das Oxyfuel-Verbrennungsmodell zeigt, dass die verschiedenen Rezirkulationsstrategien zu unterschiedlichen Gaszusammensetzungen und Volumenströmen entlang des Prozesses führen. Die Rezirkulation des Rohgases vor der Rauchgasreinigung führt zu hohen Schadstoffkonzentrationen im Oxidationsmittelgemisch und reduziert den Volumenstrom in den nachgeschalteten Anlageneinheiten. Die Rezirkulation des Reingases senkt die Schadstoffkonzentrationen und führt, wie im ersten Fall, zu hohen H₂O-Konzentrationen im Oxidationsmittelgemisch. Wird das Reingas nach einer Kondensationseinheit rezirkuliert, wird die höchste CO₂-Konzentration, aber auch die höchste N₂-Konzentration im gereinigten, trockenen Rauchgas erreicht. In diesem Fall ist der externe O₂-Bedarf im Vergleich zur Rezirkulation vor der Rauchgaskondensation um 11,6 % reduziert. Mithilfe thermogravimetrischer Analysen und Differenz-Thermoanalysen von Ersatzbrennstoffen wurde der Einfluss der O₂- und H₂O-Konzentrationen im Oxidationsmittelgemisch auf das Verbrennungsverhalten untersucht. Mit zunehmender O₂-Konzentration wird der Koksausbrand gefördert, während der Flüchtigenaustrieb nur geringfügig beeinflusst wird. Um ein mit der konventionellen Luftverbrennung vergleichbares Verbrennungs- und Ausbrandverhalten zu erreichen, sind 32–35 Vol.-% O₂ in CO₂ erforderlich. Liegt ein erhöhter H₂O-Gehalt in der Verbrennungsatmosphäre vor, wird der Koksausbrand leicht beschleunigt. Dies weist auf einen positiven Effekt der Rezirkulation des Rauchgases vor einer Kondensationseinheit hin.

Given the potential of oxyfuel combustion for carbon capture, the impact of flue gas recirculation on oxyfuel combustion in Waste-to-Energy is investigated using a combined modeling and thermoanalytical approach, providing the basis for technical implementation. The oxyfuel combustion model reveals distinct gas compositions and flow rates for different recirculation strategies. Recirculation before flue gas treatment results in high pollutant concentrations in the oxidizer mixture but reduces the volume flow in downstream units. Recirculation after flue gas treatment lowers pollutant levels and, as in the first case, shows high H₂O concentrations in the oxidizer mixture. Dry flue gas recirculation achieves the highest CO₂ concentration but also the highest relative N₂ content in the clean, dry flue gas. By recirculating a larger absolute amount of O₂ to the oxidizer mixture, dry recirculation reduces the O₂ demand by 11.6 % compared with wet recirculation. Thermogravimetric and differential thermal analysis of refuse-derived-fuel examines the influence of O₂ and H₂O concentrations on combustion performance. Increasing O₂ concentration strongly promotes char combustion, while devolatilization is slightly affected. Achieving similar combustion and burnout as with air, requires 32–35 vol-% O₂ in CO₂. Higher H₂O content slightly enhances char combustion, indicating a positive effect of the wet recirculation.