Projekt 21510/01

Gewinnung von Cenospheres aus Flugasche

Projektdurchführung

Martin-Luther-Universität Halle-WittenbergFachbereich Ingenieurwissenschaften
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06099 Halle

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Cenospheren sind Partikel, die nach der Verbrennung von Steinkohle in der Asche anfallen. Sie sind hohlkugelförmig und weisen eine Dichte von etwa 300 kg/m³ auf. Die Cenospheren können für verschiedene Zwecke weiterverwendet werden, daher ist ihre Gewinnung sinnvoll. Der wirtschaftliche Erfolg wird vom Aufwand der Gewinnung und dem erzielbaren Marktpreis bestimmt.
Mit dem Vorhaben sollte eine Technologie untersucht werden, mit der Cenospheren aus Steinkohlenaschen abgetrennt werden können. Es ist im Rahmen des Vorhabens zu untersuchen, ob die Technologie in der Praxis anwendbar ist. Eine Anwendung des Verfahrens ist für Australien geplant. Hier existie-ren Kohlekraftwerke, die als Partner für die Cenospherengewinnung in Frage kommen. Bei Anwendbarkeit der Technologie wird ein deutsches Unternehmen für den Einsatz des Verfahrens in Australien sor-gen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Verantwortungsbereich der FHTW Berlin lag die Untersuchung der Stufen Trockensiebung, Einmaischen bzw. Suspendieren und Schwimm-Sink-Abtrennung. An der Uni Halle-Wittenberg wurden die mathematische Modellbildung und die Rechnungen bearbeitet, sowie experimentelle Untersuchungen zur Partikeleigenschaften der Betriebsproben, des Trocknungsprozesses und zur Analyse der Spurenelemente durchgeführt.
Die trockene Abtrennung einer Fraktion der Asche, die einen hohen Anteil an Cenospheren enthält, wurde mit Hilfe einer Siebmaschine technischen Maßstabs vorgenommen. Die Siebmaschine wurde von der Fa. Henge zur Verfügung gestellt. Für das Suspendieren wurden in einem kleintechnischen Rührbehälter unterschiedliche Rührertypen eingesetzt und das Rührergebnis visuell eingeschätzt. Die Kenndaten wurden für unterschiedliche Drehzahlen registriert. Als wichtigste Trennstufe wurde die Schwimm-Sink-Trennung im Hydrozyklon untersucht. Die Abtrennung der Cenospheren in der Nasstrennstufe wurde alternativ auch mit Hilfe einer Dekantierzentrifuge untersucht.
Für das mathematische Modell wurden die Bilanzgleichungen für jede Stufe aufgestellt. Die Bilanzen wurden entsprechend des technologischen Schemas des Trennverfahrens miteinander verknüpft. Die Lösung des mathematischen Modells wurde mit Visual Basic for Applications (VBA) in einem Excelblatt programmiert. Für die Trennkurven wurden die durch Experimente ermittelten Werte verwendet. Es wurde eine Abschätzung für die Trocknungsstufe auf der Basis von Trocknungsversuchen von mit Cenospheren beladenen Aschen durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Ausgehend von den Vorgaben für die Einsatzstoffe, wurde eine Technologie gefunden, die zur Abtrennung und Gewinnung von Cenospheren aus Steinkohlenasche geeignet ist. Sie teilt sich in eine trockene Abtrennung von etwa 90% der Asche und eine Nasstrennstufe zur Gewinnung der Cenospheren auf. Die trockene Siebtrennstufe ist eine Einstrangtechnologie. Die Nasstrennstufe wird im Kreislauf gefahren. Sie besteht aus einer Suspendierstufe, der Schwimm-Sink-Trennung mit Hilfe des Hydrozyklons und der Ab-trennung der Flüssigkeit durch Strömungssiebe. Es wird Wasser für die Nassstufe eingesetzt, das als Restfeuchte und als Transportmedium für das Weiterleiten der Asche verwendet wird. In keinem Produktstrom sind umweltgefährdende Konzentrationen von Reststoffen zu verzeichnen.
Für die Anpassung der Teilschritte der Technologie sind die örtlich vorhandenen Randbedingungen von ausschlaggebender Bedeutung. Die Randbedingungen umfassen insbesondere die Qualität der Asche, die Verwendung der Reststoffe und die Anforderung an die Cenospherenqualität. Bei der trockenen Siebstufe muss durch eine geeignete Auswahl der Siebstufungen auf eine hohe Ausbeute an Cenospheren geachtet werden. Gleichzeitig muss der Anteil an evtl. vorhandener unverbrannter Restkohle mini-miert werden, da dieser Anteil in der Schwimm-Sink-Trennstufe aufgrund der geringen Dichte in der Cenospherenfraktion angereichert wird. Die Siebauswahl setzt für jeden Einsatzfall eine Partikelgrößenanalyse und eine Bestimmung des Restkohlegehaltes in den einzelnen Partikelfraktionen voraus.
Die Grundlagen der Dimensionierung sind klargelegt und durch die Experimente abgesichert. Auf der Basis gesicherter Eingangsinformationen kann eine Anlage ausgelegt und errichtet werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Vom Projektpartner Henge-Group wird das Verfahren bei mehreren Betreibern von Kraftwerken in Australien präsentiert. Prof. Kohlmann stellt auf einer Tagung der FHTW die Technologie vor (Workshop FHTW Berlin, Dez. 2004). Eine Kurzinformation soll in einer deutschsprachigen Zeitschrift veröffentlicht werden. Eine umfassendere Veröffentlichung soll erst erfolgen, wenn Versuchsergebnisse aus der Pilotanlage zur Verfügung stehen.


Fazit

Durch die Förderung seitens der DBU konnte eine Technologie entwickelt werden, die durch eine trockene und eine wasserbasierte Trennstufe zur Gewinnung von Cenospheren aus Steinkohlenasche führt. Diese Technologie funktioniert in allen berechneten Stufen. Für eine wesentliche Anzahl der Stufen konnte auch der Einzelnachweis der Funktionsfähigkeit der Stufe erbracht werden. Die komplette Funktionsfähigkeit wird erst in einer Pilotanlage nachweisbar sein. Diese Pilotanlage muss an die spezifischen Bedingungen des Einsatzfalles angepasst werden.