Stoffliche Nutzung von Braunkohle Steffen Krzack · Heiner Gutte · Bernd Meyer Hrsg. Stoffliche Nutzung von Braunkohle Hrsg. Steffen Krzack Bernd Meyer Inst. für Energieverfahrenstechnik Inst. für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen und Chemieingenieurwesen TU Bergakademie Freiberg TU Bergakademie Freiberg Freiberg Freiberg Deutschland Deutschland Heiner Gutte Inst. für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen TU Bergakademie Freiberg Freiberg Deutschland ISBN 978-3-662-46250-8 ISBN 978-3-662-46251-5 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-46251-5 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbi- bliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mik- roverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informa- tionen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hin- blick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany Vorwort Braunkohle ist ein einheimischer Energierohstoff mit hohem Nutzungspoten- tial. Der komplexe Aufbau dieses Naturprodukts ist einerseits eine große Herausforderung für dessen Verarbeitung, erlaubt andererseits aber auch eine intensive stoffliche Wertschöpfung. Es gilt, optimale Wege aufzuzeigen, mit denen dieses Wertschöpfungspotential nutzbar gemacht werden kann. Dafür ist die gesamte Wertschöpfungskette zu berücksichtigen, von der Erkun- dung bzw. dem Lagerstättenmanagement und der ggf. selektiven Gewin- nung über die Aufbereitung und thermische bzw. chemische Konversion ein- schließlich Produktaufarbeitung bis hin zur Verfahrens-, Komponenten- und Produktentwicklung. Alle genannten Gebiete der Braunkohlennutzung sind seit Jahrzehnten fester Bestandteil in Lehre und Forschung an der TU Bergakademie Frei- berg. Gerade in Zeiten globaler Umbrüche in der Energie- und Rohstoffbe- reitstellung ist es wichtig, die Möglichkeiten für die stoffliche Wertschöpfung aus diesem Energierohstoff auszuloten. Die stoffliche Nutzung der Braun- kohle kann ein wesentlicher Baustein für die regionale Strukturentwicklung in den drei großen deutschen Braunkohlerevieren sein und die hohe Import- abhängigkeit Deutschlands in Bezug auf Energierohstoffe reduzieren helfen. Voraussetzung dafür ist ein grundlegender Paradigmenwechsel von der emis- sionsbelasteten energetischen zur emissionsarmen stofflichen Braunkohlen- nutzung. Ein wesentlicher Aspekt ist die Schließung von Stoffkreisläufen auch für Kohlenstoff. So können durch die Bereitstellung und Anwendung von optimierten Prozessen und innovativen Technologien der Braunkohlen- konversion neue Wege für die rohstoffliche Verwertung von kohlenstoffhalti- gen Abfällen erschlossen werden, die ohne Kohle als Basiseinsatzstoff tech- nisch nicht möglich wären. Weitere Synergieeffekte im Sinne des in Freiberg entwickelten Nachhaltigkeitsgedankens werden durch die Integration der Biomassenutzung und anderer regenerativer Energieträger erreicht. Diesen Gedanken folgend hat die Professur für Energieverfahrenstechnik und thermische Rückstandsbehandlung in den letzten Jahren große Verbund- forschungsvorhaben initiiert und unter Mitwirkung zahlreicher Forschungs- einrichtungen und Industrieunternehmen realisiert. Auf der Basis neuer Analysenmethoden, grundlegender prozess- und werkstofftechnischer Unter- suchungen, neuer Ansätze für Verfahrens- und Komponentenentwicklungen sowie neu geschaffener Modellierungs- und Simulationswerkzeuge konnten das Grundlagen- und Technologiewissen auf dem Gebiet der stofflichen Braunkohlennutzung deutlich vorangebracht und neue anwendungsbereite V VI Vorwort Lösungen entwickelt werden. Im vorliegenden Buch sind Erkenntnisse dieser Arbeiten zusammengefasst. Neben der Darstellung wesentlicher wissenschaftlicher Ergebnisse werden Grundprinzipien der angewen- deten Analysen- und Untersuchungsmethoden vorgestellt. Wir möchten Wissenschaftlern und Anwendern aus Forschung und Industrie eine Wissenszusammenfassung bzw. ein Nachschlagewerk zu Grundlagen und Verfahren der stofflichen Braunkohlennutzung auch unter Einbezie- hung von Biomasse als nachwachsendem Energierohstoff zur Verfügung stellen. Die Forschungsarbeiten wurden durch umfangreiche finanzielle För- derung durch die öffentliche Hand und Industrieunternehmen ermöglicht. Unser Dank gilt dem Bundesministerium für Bildung und Forschung, dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, dem Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst, der Sächsischen Aufbau- bank sowie den Industrieunternehmen Vattenfall, RWE, ROMONTA, MIBRAG, EnBW, Siemens, CAC und Air Liquide. Ganz besonders möchten wir den beteiligten Wissenschaftlern und Technikern und vor allem den Autoren der einzelnen Beiträge danken, ohne deren Engage- ment das vorliegende Buch nicht entstanden wäre. Freiberg,den 31. August 2017 Steffen Krzack und Bernd Meyer Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Heiner Gutte und Bernd Meyer Teil I Die Rolle der Braunkohle im zukünftigen Rohstoffmix 2 Rohstoffstrategische Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Heiner Gutte, Lutz Schiffer, Jörn Appelt, Florian Keller und Bernd Meyer Literatur ................................................ 13 3 Verbreiterung der Rohstoffbasis für die organische Chemie . . . . 15 Heiner Gutte, Lutz Schiffer, Jörn Appelt, Florian Keller und Bernd Meyer Literatur ................................................ 16 4 Prozessketten zur stofflichen Nutzung von Kohlenstoffträgern . . 17 Heiner Gutte, Lutz Schiffer, Jörn Appelt, Florian Keller und  Bernd Meyer 4.1 Prozessketten zur Herstellung von Methanol. . . . . . . . . . . . . . . 18 4.1.1 Methanol aus Erdgas ........................... 18 4.1.2 Methanol aus Braunkohle ....................... 19 4.1.3 Methanol aus nachwachsenden Rohstoffen .......... 21 4.1.4 Methanol aus CO ............................. 22 2 Literatur ................................................ 23 5 Vergleichende Betrachtung verschiedener Kohlenstoffträger zur Herstellung von Methanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Heiner Gutte, Lutz Schiffer, Jörn Appelt, Florian Keller und  Bernd Meyer 5.1 Treibhausgasemissionen .............................. 25 5.2 Energiebilanz ....................................... 26 5.3 Ökonomische Betrachtung ............................. 28 5.4 Substitutionspotenziale ............................... 29 5.5 Reserven und Reichweiten ............................. 31 5.6 Importabhängigkeit .................................. 32 Literatur ................................................ 33 VII VIII Inhaltsverzeichnis 6 Braunkohle – vom Energie- zum Chemierohstoff . . . . . . . . . 35 Heiner Gutte, Lutz Schiffer, Jörn Appelt, Florian Keller und Bernd Meyer Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Teil II Charakterisierung von Energierohstoffen 7 Brennstofftechnische Charakterisierungsmethoden . . . . . . . 39 Steffen Krzack und Denise Klinger 7.1 Strukturaufbau und Stoffgruppenzusammensetzung von Biomassen und Kohlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 7.2 Methoden der klassischen Brennstoffanalytik . . . . . . . . . . 42 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 8 Die Organische Petrologie in der Kohlen- Strukturforschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Norbert Volkmann, Henny Gerschel, Kristin Vogt und Saskia Burkhardt 8.1 Grundlagen der Kohlengeologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.1.1 Die organische Petrologie als Wissenschafts - disziplin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 8.1.2 Mikropetrographie von Braunkohlen . . . . . . . . . . . 50 8.1.3 Kurzer Abriss des Inkohlungsprozesses . . . . . . . . . 55 8.2 Arbeitsmethodik der organischen Petrologie . . . . . . . . . . . 58 8.2.1 Makro- und Mikropetrographie . . . . . . . . . . . . . . . 58 8.2.2 Synergien mit Bereichen der Petrophysik . . . . . . . 59 8.2.3 Umfang der effektuierten projektbezogenen Flözbeprobung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 8.3 Geologisch-petrographische und carbochemische Rohstoffcharakterisierung am Beispiel ausgewählter alttertiärer Flöze Mitteldeutschlands . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 8.3.1 Röblingen/Amsdorf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 8.3.2 Egelner Südmulde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 8.3.3 Weißelsterbecken (Südraum Leipzig) . . . . . . . . . . 68 8.4 Petrographie von Prozess-Rückständen . . . . . . . . . . . . . . . 70 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 9 Chemische Strukturaufklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Mirjam Schmidt, Daniela Vogt, Thomas Vogt, Matthias Otto, Bianca Wolf, Marika Rönnefahrt und Jan Zuber 9.1 Konventionelle Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 9.1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 9.1.2 IR-Spektroskopie von Energierohstoffen . . . . . . . . 76 9.1.3 NMR-Spektroskopie an Kohlen und Koksen . . . . . 80 9.1.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 9.2 Innovative Elementanalytik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 9.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 9.2.2 Forschungsschwerpunkt – innovative Elementanalytik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 9.2.3 Entwicklung der direkten Analysenmethode ETV-ICP OES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 9.2.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Inhaltsverzeichnis IX 9.3 Ultrahochauflösende Massenspektrometrie an Energie- rohstoffen mittels FT-ICR-MS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 9.3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 9.3.2 Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 9.3.3 Massenspektrometrie und Probenvorbereitung . . . 101 9.3.4 FT-ICR-Massenspektrometrie . . . . . . . . . . . . . . . . 102 9.3.5 Ionisationsmethoden und ihre zugehörigen Probenvorbereitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 9.3.6 Kopplungsmöglichkeiten der Massenspektrometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 9.3.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Teil III T echnologisches Braunkohlen-Qualitätsmanagement 10 Integriertes Lagerstättenmanagement unter Anwendung geostatistischer Simulationsverfahren zur Modellierung sedimentärer Lagerstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 André John und Ralf Donner 10.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 10.2 Methoden und Modellierungsansätze . . . . . . . . . . . . . . . . 119 10.3 Ausführung des GSGS-Algorithmus nach Dimitrakopoulos/Luo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 10.4 Co-Simulation unter Nutzung der Minimum/Maximum Autokorrelationsfaktoren (MAF) Transformation . . . . . . . 125 10.4.1 Aufbau komplexer 3D-Lagerstättenmodelle . . . . . 126 10.5 Resultate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 10.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 11 Selektive Gewinnung spezifischer Kohlenqualitäten . . . . . . . 131 Carsten Drebenstedt und Martin Pfütze 11.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 11.2 Mögliche Sensorverfahren für eine Kohlenqualitätserkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 11.3 Konzept für eine zukünftige sensorgesteuerte selektive Gewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Teil IV Mechanisch-physikalische Aufbereitungs- und Extraktionsprozesse 12 Agglomeration von Braunkohle für die stoffliche Veredelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Volker Herdegen, Franz Fehse, Tom Naundorf und Jens-Uwe Repke 12.1 Stand der Technik bei der Aufbereitung für die Rohmontanwachsextraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 12.2 Neue Aufbereitungswege für die stoffliche Braunkohlenutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 X Inhaltsverzeichnis 12.3 Mechanisch-physikalische Prüfverfahren für die Bewertung der Agglomerate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 12.4 Ergebnisse für die neuen Aufbereitungswege . . . . . . . . . . . . . 150 12.4.1 Herstellungsvariante „Lochscheibenwälzmühle“ (Variante 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 12.4.2 Herstellungsvariante „Lochscheibenwälzmühle und Eirich-Intensivmischer“ (Variante 4) . . . . . . . . . . 151 12.4.3 Herstellungsvariante „Eirich-Intensivmischer“ (Variante 5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 12.4.4 Herstellungsvariante „Pellets und Nachzerkleinerung“ (Variante 1 und 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 12.4.5 Fazit für die vorgestellten unterschiedlichen Herstellungsvarianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 12.5 Ergebnisse der Trocknungsuntersuchungen der hergestellten Agglomerate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 13 Extraktion von Rohmontanwachs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Volker Herdegen, Franz Fehse, Tom Naundorf und Jens-Uwe Repke 13.1 Grundlagen des Stofftransportes bei der Rohmontanwachs- extraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 13.2 Stoffliche Zusammensetzung und Anwendungsgebiete von Rohmontanwachs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 13.3 Bewertungsgrößen für das gewonnene Rohmontanwachs und den Extraktionsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 13.4 „Klassisches“ Extraktionsverfahren – Perkolation . . . . . . . . . 168 13.4.1 Stand der Technik des industriellen Extraktionsverfahrens von Braunkohle . . . . . . . . . . . . 168 13.4.2 Darstellung ausgewählter Untersuchungs- ergebnisse zur Perkolationsextraktion . . . . . . . . . . . . . 170 13.4.3 Einfluss der Feststoffaufbereitung auf den Extraktionsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 13.4.4 Einfluss des verwendeten Lösungsmittels auf den Extraktionsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 13.4.5 Modellierungsansatz für die Rohmontanwachsextraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 13.5 Untersuchungen der alternativen Verfahren der Rohmontanwachsextraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 13.5.1 „Klassisches“ Extraktionsverfahren – Immersionsextraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 13.5.2 „Nicht-klassisches“ Extraktionsverfahren – überkritische Fluidextraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 14 Zusammenfassung der Braunkohlenaufbereitung und der Rohmontanwachsextraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Volker Herdegen, Franz Fehse, Tom Naundorf und Jens-Uwe Repke