Aufgrund der häufigen Probleme in aktuellen Kohlekraftwerken wie hohen Brennstoffkosten, schwacher stabiler Verbrennung bei niedriger Last und unzureichender Spitzenlastfähigkeit wird auf Basis der erneuerbaren Energien rund um das Kraftwerk ein integriertes Betriebskonzept vorgeschlagen, das photovoltaische Wasserstoff- und Sauerstofferzeugung im Werk mit der koordinierten Beimischung von Wasserstoff und Sauerstoff zur Kohlekesselverbrennung kombiniert. Durch die Erstellung eines vollmaßstäblichen numerischen Modells eines kohlebefeuerten Kessels mit quadratischem Querschnitt wird die Genauigkeit der Simulation des Temperaturfeldes, der Zusammensetzung und des Kohlenstoffgehalts der Flugasche unter reiner Kohleverbrennung verifiziert und als Referenz für die Optimierung der Beimischung genutzt. Am Beispiel eines typischen Anwendungsszenarios einer 20-MW-PV-Wasserstoff- und Sauerstofferzeugung im Werk wird systematisch der Einfluss von drei Arten der Beimischung von Wasserstoff und Sauerstoff auf die Verbrennungseffizienz, die Ausbrenncharakteristik und die NO_x-Bildung im Kessel untersucht. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der Mischbetrieb mit unabhängiger Wasserstoffdüse und Sauerstoffbeimischung zur Primärluft die Verbrennungsleistung deutlich verbessert: Der Kohlenstoffgehalt der Flugasche am Kesselraumausgang sinkt im Vergleich zur reinen Kohleverbrennung auf 0,97%, die Verbrennungseffizienz steigt deutlich; gleichzeitig wirkt die durch die Wasserstoffverbrennung erzeugte aktive Radikale reduzierend auf NO_x, wodurch die Massekonzentration der NO_x-Emissionen im Rauchgas auf 294,0 mg/m³ sinkt, etwa 25% weniger als im Referenzbetrieb. Dieses Verfahren erzielt durch erneuerbare Energien erzeugten Wasserstoff und Sauerstoff eine doppelte Wirkung der Kohleersetzung und Verbrennungsoptimierung, senkt nicht nur den Kohleverbrauch, sondern erweitert auch die untere Lastgrenze der stabilen Verbrennung von Kohlekesseln und bietet damit einen technisch realisierbaren Weg zur Dekarbonisierung und Erhöhung der Flexibilität von Kohleeinheiten.

Mischverbrennung;Stabilitätsleistung;NO_x;numerische Simulation