Erfahrungen aus neuer Wirbelschichtteknologie mit hochkalorischen ...

Erfahrungen aus neuer Wirbelschichttechnologie mit hochkalorischen
Abfällen (Experiences from New CFB Units in Heat Recovery from
Recovered Fuels Containing High Heating Value)
Dr. Pasi Makkonen
Prozess Spezialist
Foster Wheeler Energia Oy
Postfach 45
FIN-00410 Helsinki
Finnland
Tel. +358 10 393 6133
Fax +358 10 393 6161
pasi.makkonen@fwfin.fwc.com
Kurzdarstellung
Das wachsende Interesse an effizienterer Energierückgewinnung aus unterschiedlichen Abfällen führte
zu einigen wichtigen, neuen Verfahrensansätzen, die auf die Steigerung des Verwertungspotentials von
hochkalorischen Abfallfraktionen abzielen. Als die umweltverträglichsten und kosteneffizientesten
Methoden gelten allgemein die Wirbelschichtverbrennung und die Wirbelschichtvergasung. Um die
Möglichkeiten dieser Technologie aufzuzeigen, werden im Folgenden zwei Projekte vorgestellt, die
einen ZWS-Kessel (zirkulierende Wirbelschicht) zur Verbrennung hochenergetischer Abfälle einsetzen,
sowie ein Projekt, das Vergasung zur Brennstoffvorbehandlung verwendet.
Die erste Verbrennungsanlage für hochkalorische Abfälle, die von Foster Wheeler in Europa gebaut
wurde, nahm ihren Betrieb im Jahr 1999 in Högdalen, in Stockholm, Schweden, auf. Die Anlage liefert
die Fernwärme für Stockholm sowie Elektrizität für das lokale Stromnetz. Die Basis des Brennstoffs ist
sortierter Industrieabfall. Der ZWS-Kessel von Högdalen ist das dritte Jahr in Betrieb. In den ersten
beiden Betriebsperioden produzierte die Anlage nur Fernwärme. Im Sommer 2001 wurde eine neue
Turbine eingebaut, um die Wirtschaftlichkeit der Anlage zu erhöhen. Die Verbrennungsanlage wird von
interessierten Kunden aus der ganzen Welt besichtigt.
Die Lomellina Energia Recycling WTE-Anlage (Waste To Energy) befindet sich in Parona, Italien,
einem Dorf in der Provinz Pavia, 30 km von Mailand. Die Anlage nahm ihren kommerziellen Betrieb im
Juli 2000 auf. Lomellina Energia ist eine integrierte Anlage für die Wiederverwertung rezyklierbarer
Materialien sowie die Produktion von Brennstoffen aus Müll (BRAM), Kompostierung und
Stromerzeugung und ist die erste Installation dieser Art in Europa. Die Anlage kann jährlich 200.000
Tonnen MSW (Municipal Solid Waste – fester Kommunalabfall) verwerten. Der Betrieb der WTE-
Anlage verläuft erwartungsgemäß und es wird mit dem baldigen Bau ähnlicher Anlagen in Europa
gerechnet.
Ein Demonstrationsprojekt für die Verwendung eines ZWS-Vergasers zur Brennstoffvorbehandlung
wurde vom Unternehmen Lahden Lämpövoima Oy für das Kraftwerk Kymijärvi in Lahti, Finnland,
verwirklicht. In diesem Projekt wurde die kommerzielle direkte Vergasung von Biobrennstoffen und
Abfällen sowie die Verwendung von Generatorgas direkt im vorhandenen kohlegeheizten Kessel
demonstriert. Zu den Vorteilen dieser Methode zählen ein verringerter Ausstoß an CO2, SO2 und NOx,
geringe Investitions- und Betriebskosten und die Verwendung der bestehenden Kapazität des
Kraftwerks. Die zweite kommerzielle Anwendung dieses Konzepts wird in Ruien, Belgien, gebaut.
Mehrere ähnliche Projekte sind in Begutachtung.
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1 Einleitung
Die Energieerzeugung mit Hilfe von wiederverwerteten, hochkalorischen Abfallfraktionen stößt
in Europa auf wachsendes Interesse. Die Abfallbehandlung hatte ursprünglich zum Ziel, das
Abfallvolumen zu verringern, so dass möglichst wenige Mülldeponien nötig waren. Die
Energierückgewinnung war bei diesen Anwendungen nur von zweitrangiger Bedeutung.
Mülldeponien können in Zukunft nicht mehr für die Endlagerung von Abfallfraktionen
verwendet werden, die kompostiert werden können oder kompostierbare Bestandteile enthalten.
Deshalb sorgt die Forderung nach effizienterer Wiederverwertung und Energierückgewinnung
für eine große Nachfrage nach Technologien, die die Verwendung von verbrennbaren
Abfallfraktionen mit maximaler Effizienz ermöglichen. Der in diesem Artikel beschriebene
neue Verfahrensansatz beinhaltet die effiziente Wärmerückgewinnung durch die
Vorbehandlung von Abfällen, so dass die Abfallfraktionen mit höherem Heizwert getrennt und
in einem ZWS-Kessel verbrannt werden. Diese Technologie kann einen Großteil des Abfalls
verwerten, erfordert jedoch zusätzliche Investitionen für Vorbehandlungseinrichtungen.
Andernfalls können Abfälle auch vergast und das Gas in vorhandenen Kraftwerken verbrannt
werden. In verschiedenen Projekten wird zurzeit das Potential von atmosphärischer ZWS-
Vergasung geprüft. Abbildung 1 illustriert die künftigen Verwertungsmöglichkeiten von
Abfällen. Die dargestellte Einteilung der Abfallfraktionen entspricht möglicherweise nicht dem
tatsächlichen Anteil am Gesamtabfall.
Abbildung 1. Verschiedene Abfallfraktionen mit ihren Verwertungsmöglichkeiten.
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2 Foster Wheeler ZWS-Anlage in Högdalen, Stockholm
Die erste von Foster Wheeler in Europa errichtete Verbrennungsanlage für hochkalorische
Abfälle nahm ihren Betrieb im Jahre 1999 in Högdalen, in Stockholm, Schweden, auf. Die
Anlage ist in Abbildung 2 dargestellt. Sie liefert Fernwärme für Stockholm sowie eine geringe
Menge an Strom.
OFEN
FESTSTOFF-
ABSCHEIDER
KÜHLKANAL
INTREX
ÜBERHITZER
3
KONVEKTIONS-
ÜBERHITZER
Abbildung 2. Der ZWS-Kessel von Högdalen ist speziell für die Verbrennung von
wiederverwerteten Brennstoffen konzipiert. Seine Nennwärmeleistung beträgt
92 MWth, sein Druck psteam 60 bar und seine Temperatur Tsteam 480 °C.
Der Kessel ist der erste moderne Foster Wheeler ZWS, der speziell so konzipiert wurde, dass
die Gefahr von Verschmutzung und Überhitzerkorrosion im Konvektionsteil minimiert wird.
Der Kessel weist eine kompakte ZWS-Ausführung auf: rechtwinkelige Feststoffabscheider,
zwei INTREX-Überhitzer und ein Kühlkanal für das Rauchgas. Mit dieser Ausführung wird
die Gefahr der Überhitzerkorrosion bei der Verbrennung von Brennstoffen mit hohem Chlor-
und Schwefelgehalt sowie alkalischen Metallen weitgehend minimiert. Der ZWS-Kessel von
Högdalen wurde im Herbst 1999 in Betrieb genommen. In der Zeit von 1999 bis 2001 wurden
die Eigenschaften des Kessels fortlaufend überwacht.

2.1 Brennstoffvorbehandlung und Brennstoffbeschickung
Der Brennstoff besteht zum Großteil aus sortiertem Industrieabfall, im Högdalen-Kessel wird
also kein Hausmüll verbrannt. Um den Brennstoff zu optimieren, wird der Abfall vorbehandelt.
Der an die Vorbehandlungsanlage gelieferte Brennstoff stammt von unterschiedlichen
Betrieben. Der Brennstoff wird behandelt, indem übergroße und stark metallhaltige Objekte
manuell entfernt werden. Die verbleibende Mischung aus Papier, Holz und Plastik wird dann
mit mobilen Brechern zermalmt. Nötigenfalls wird etwas Altholz hinzugefügt, um einen
stabileren Heizwert zu erlangen. Der Vorgang ist in Abbildung 3 dargestellt. Tabelle 1 listet
einige der analysierten Eigenschaften der verschiedenen Brennstoffe auf, die im ZWS-Kessel
von Högdalen verbrannt werden.
Abbildung 3. Brennstoffbehandlung: oben links: Industrieabfall, oben rechtes: Entfernen
großer Stücke, unten links: zermalmten Altholz, unten rechts: vorbehandelter
Brennstoff.
Tabelle 1. Eigenschaften der verschiedenen Brennstoffarten, die im ZWS-Kessel von
Högdalen verbrannt werden.
Komponente
Rezyklierter
Industrieabfall
Holzreststoffe Altholz
Industrieabfall +
Gummi
Trockene Feststoffe, % 79.9 59.1 75.2 78.3
Flüchtige, % 76.9 75.2 79.8 76.0
Feste Kohle, % 14.5 19.2 17.5 15.4
Asche, 550 °C, % 7.55 5.85 2.85 9.60
Asche, 815 °C, % 7.65 5.70 2.65 9.45
C, % 47.3 49.0 49.3 48.3
H, % 5.83 5.56 5.87 5.78
N, % 0.61 0.43 0.90 0.50
S, % 0.25 0.04 0.07 0.39
O, % 38.7 39.3 41.1 35.7
Ca, % 2.09 1.14 0.57 1.85
Cl, % 0.28 0.02 0.13 0.32
Ktotal, mg/kg 1124 3150 685 1107
Natotal, mg/kg 1238 279 448 1070
HHV, MJ/kg 19.3 19.7 19.8 19.8
LHV, MJ/kg 18.1 18.4 18.6 18.6
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Der Brennstoff wird zur Anlage transportiert und auf dem Gelände in einem relativ kleinen
Lager aufbewahrt. Die Anlage verfügt auch über vier Verbrennungsanlagen mit Rostfeuerung,
die diejenigen Abfallfraktionen übernehmen, die nicht für den ZWS-Kessel geeignet sind. Für
diese Art von Abfall wird daher keine Lagerkapazität benötigt. In diesem Stadium bestehen
auch diverse Brech- und Mischmöglichkeiten. Der Brennstoff, der sich für den ZWS-Kessel
eignet, wird zu zwei großen Zwischenspeichern transportiert, die sich außerhalb des
Kesselhauses befinden. In dieser Phase findet auch die endgültige Metalltrennung statt. Von
diesen Silos wird der Brennstoff drei Tagessilos zugeführt, die sich im Inneren des
Kesselhauses befinden. Der Brennstoff wird dem Kessel durch drei getrennte Förderbänder
zugeführt, von denen jeder Förderer Material von einem Silo entnimmt. Das
Brennstoffbeschickungssystem unterscheidet sich nicht wesentlich von einem
Biomassebeschickungssystem. Die einzigen bisher bei der Brennstoffbeschickung aufgetretenen
Probleme betrafen lange Textilien und Seile, die im Brennstoff vorhanden sein können. Diese
Teile müssen manuell entfernt werden.
2.2 Kesseleigenschaften
Die ZWS-Ausführung in Högdalen ist der erste kompakte Kessel, der speziell für die
Verbrennung von Industriemüll konzipiert wurde. Die Fläche der Brennkammer beträgt ca. 40
m² und ihre Höhe ca. 20 m. Die Anlage besitzt einen kompakten Abscheider mit zwei
getrennten Tauchrohren. Die zirkulierenden Feststoffe werden über die zwei INTREX-
Überhitzer in die Brennkammer zurückgeführt. Die Wirbelung des Bettmaterials wird durch
Primärluft erreicht, die dem Brennofen über einen neuartigen Gitterrost zugeführt wird.
Abbildung 4 zeigt das Prinzip des Högdalen-Gitterrosts, der Richtungsdüsen besitzt, die einen
horizontalen Luftstrom erzeugen. Durch seine großen Austragsöffnungen erleichtert dieser Rost
wesentlich das Entfernen großer Partikel.
Abbildung 4. Funktionsprinzip des Gitterrosts im ZWS-Kessel von Högdalen.
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Die Temperatur des Betts wird durch rückgeführtes Rauchgas gesteuert. Der O2-Anteil im
Rauchgas wird von zwei Zirkoniumzellen geregelt. Die beiden Konvektionsüberhitzer sind
nach dem Kühlkanal angeordnet. Nach dem Überhitzerabschnitt wird das Rauchgas mit einem
Ekonomiser gekühlt und mit dem in Abbildung 5 dargestellten Rauchgasreinigungssystem
gereinigt, bevor es in den Schornstein transportiert wird. Emissionen werden sowohl vor als
auch nach der Rauchgasreinigung gemessen, um die optimale Funktionsweise des ZWS-Kessels
sicherzustellen.
Abbildung 5. Rauchgasreinigungssystem des ZWS-Kessels von Högdalen (Bild mit
freundlicher Genehmigung von ABB).
2.2.1 INTREX-Überhitzer
Die beiden INTREX-Überhitzer der Högdalen-Anlage befinden sich im unteren Bereich der
Brennkammer als integrierte, jedoch gesondert gewirbelte Kammern. Die heißen Feststoffe
werden vom Feststoffabscheider dem Wärmeaustauscher zugeführt und danach erneut in den
unteren Bereich des Brennofens transportiert. Die Wärmeabsorptionsrate kann durch die
Einstellung der Wirbelungsgeschwindigkeit sowie durch Änderung des Feststoffdurchflusses
durch das System reguliert werden. Der Feststoffdurchfluss in die Wärmeübertragungskammer
hängt von der Kessellast ab: bei hoher Last wird der Großteil der Feststoffe an der Kammer
vorbeigeführt. Der Hauptrahmen der integrierten Wärmeaustauschkammer besteht aus Rohren,
ähnlich den Membranwänden, und die Einheit ist in den Abscheider und die Brennkammer
integriert. Somit ist die gesamte Konstruktion wassergekühlt. Die Temperatur des in den ersten
INTREX-Überhitzer transportierten Dampfes wird auf unter 400 °C gehalten und die
Dampftemperatur nach dem zweiten Überhitzer beträgt 480 °C. Ein Einspritzkühler ist
zwischen den Einheiten eingebaut. Die Wärmeübertragungswirkung eines jeden Überhitzers bei
maximaler Last beträgt ca. 6 MW. Dies ermöglicht maximale Wärmewiedergewinnung bei
verringerter Rohrmaterialtemperatur im Konvektionsbereich.
2.3 Kesselbetrieb mit unterschiedlichen Brennstoffen
Nach dem Kommissionierungszeitraum wurde der Kesselbetrieb im April 2000 drei Wochen
lang mit unterschiedlichen Brennstoffen getestet. Dabei wurden Verbrennungstests bei drei
Laststärken (50%, 75% und 100% der maximalen Dauerleistung) durchgeführt. Drei
unterschiedliche Brennstoffe wurden getestet:
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Holzreststoffe
Altholz
Wiederverwerteter Industrieabfall
Die Eigenschaften dieser Brennstoffe sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Korrosionseigenschaften
jeder Brennstoffart wurden mit Hilfe einer elektrochemischen Korrosionssonde gemessen, die
nach dem Feststoffabscheider angeordnet war. Die Messergebnisse wurden mit herkömmlichen
Korrosionssondentests überprüft. Die gemessenen relativen Korrosionsgefahren bei
verschiedenen Rohrmaterialtemperaturen mit unterschiedlichen Brennstoffen sind in Abbildung
6 zu sehen.
Abbildung 6. Gemessene relative Korrosionsgefahr in Verbindung mit der Verbrennung
verschiedener Brennstoffe im ZWS-Kessel von Högdalen. Brennstoff 1:
Holzreststoffe, Brennstoff 2: Altholz, Brennstoff 3: sortierter Industrieabfall.
Die Tests zeigen beachtliche Unterschiede zwischen dem Korrosionsverhalten unterschiedlicher
Brennstoffe. Bei rückgewonnenen Brennstoffen besteht bereits bei einer niedrigen Temperatur
von 300 °C eine Korrosionsgefahr für den Brennofen. Bei Holzreststoffen weisen die
Messungen Korrosion bei Temperaturen von über 500 °C auf. Den gemessenen
Korrosionswerten zufolge würde der Kessel ohne den Rauchgas-Kühlkanal nicht die
erforderliche Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Bei diesen Brennstoffen muss der letzte
Überhitzer von der Bauart eines INTREX sein, und das Rauchgas muss vor dem Eintritt in
den Konvektionsüberhitzerbereich gekühlt werden. Die Tests ergaben auch, dass der
Kesselbetrieb mit verschiedenen Brennstoffen beträchtliche Abweichungen aufweist.
Rückgewonnene Brennstoffe verursachten den Großteil der Beschickungsinstabilitäten. Es
wurde ferner festgestellt, dass trotz der aggressiven Bettregenerierung die Menge an groben
Partikeln im Bettmaterial rasch zunahm, was auf mögliche Wirbelungsschwierigkeiten
hinweist. Dies ist auch der Grund für die spezielle Bauweise des Gitterrosts.
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Bei Brennstoffen auf Holzbasis war der Kesselbetrieb hervorragend. Rückgewonnene
Brennstoffe erzeugten nach dem Kessel erhöhte SO2- und HCl-Emissionen. Das gemessene
Korrosionspotential stieg mit dem HCl-Gehalt des Rauchgases. Der ZWS-Kessel von Högdalen
ist nun das dritte Jahr in Betrieb. Obwohl die Anlage in den ersten beiden Jahren nur
Fernwärme erzeugte, war die Anlage sehr wirtschaftlich. Im Sommer 2001 wurde eine neue
Turbine installiert, was die Effizienz der Anlage weiter erhöhte. Die Verbrennungsanlage wird
von Kunden aus aller Welt besucht, weshalb mit ähnlichen Projekten in der nahen Zukunft
gerechnet wird.
3 WTE-Anlage Lomellina
Die WTE-Anlage (Waste To Energy) Lomellina Energia Recycling befindet sich in Parona,
einem Dort in der Provinz Pavia, 30 km von Mailand, Italien. Die Anlage nahm ihren
kommerziellen Betrieb im Juli 2000 auf. Lomellina Energia ist die erste Anlage dieser Art in
Europa für:
Die Rückgewinnung wieder verwertbarer Materialien and die Produktion von Brennstoffen
aus Müll (BRAM)
Kompostierung
Stromerzeugung.
Abbildung 7 zeigt das Fließschema der Anlage.
Abbildung 7. Fließschema der Lomellina WTE-Anlage.
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Die Anlage ist für das Recycling von Materialien und die Erzeugung von Strom aus MSW
Gemeindeabfällen konzipiert. Die Menge an Abfall, die der Anlage zugeführt wird, beträgt
200.000 Tonnen pro Jahr. Etwa 60% des MSW kann in BRAM umgewandelt werden. Bei
diesem Vorgang werden außerdem wieder verwendbares Aluminium, eisenhaltige Materialien,
Glas und Kompost vom Abfall getrennt. Der Sortiervorgang ermöglicht sowohl Recycling als
auch die Produktion von BRAM, einem Material, das leicht brennbar ist und eine sehr geringe
Menge an Bodenasche erzeugt. Die Nettonutzleistung der Anlage beträgt 17 MW. Zusätzlich
zum Stromverkauf bietet der MSW auch zusätzliche Einnahmequellen. Separate
Abfalllieferverträge wurden mit (einer Gemeinschaft von) Gemeinden unterzeichnet. Die
Verträge sind von der Art eines ‚Put-or-Pay’, was bedeutet, dass selbst wenn die Gemeinden
weniger als die vereinbarte Menge liefern, sie einen Betrag bezahlen müssen, der auf der
vereinbarten Zuliefergebühr und Menge beruht.
3.1 Das Recycling- und Brennstoffvorbehandlungssystem
Dieses System wurde im Dezember 1999, sechs Monate vor der geplanten Inbetriebnahme des
Kraftwerks, gestartet. Dies war notwendig, um die Entsorgung von MSW in der Gegend
sicherzustellen, da wegen der Schließung von Mülldeponien ein beachtliches Abfallproblem
besteht. Die Zusammensetzung von MSW wird in Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2. Nominelle Zusammensetzung von in der Lomellina-Anlage behandeltem MSW.
Material in Gewichtsprozenten
Nahrungsmittelabfälle 20,0
Papier und Karton 27,5
Plastik 13,5
Textilien 3,5
Metalle 3,5
Holz 3,5
Gartenabfall 7,5
Glas 8,0
Siebfeines 5,0
Sonstiges 8,0
Unterer Heizwert 10 MJ/kg
Der Abfall wird mit einem LKW zum Gelände transportiert und in einem Abfallbecken
gesammelt, das die Liefermenge von 3 Tagen fasst. Zwei Brückenkräne mit 6 m³ großen
Greifzangen befüllen die Sortieranlage. Das Recycling- und Brennstoffvorbehandlungssystem
besitzt 3 Förderbänder, von denen jedes 25 t/h MSW handhaben kann. Ein Förderband dient als
Ersatzförderer und kann zum Transport von sortiertem organischem Material verwendet
werden, um ein hochqualitatives Kompostierungsprodukt zu erzeugen. Jede Förderanlage
besteht aus einem langsamen Shredder, einer Primärtrommel, einer Sekundärtrommel,
Magnetabscheidern und einer Hammermühle. Siehe Darstellung in Abbildung 8. Der
resultierende BRAM besitzt die folgenden Eigenschaften:
Organische Bestandteile: 15% wt. max.
Teilchengröße: 98% geringer als 90 mm.
Ballast: 2% wt. max.
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Abbildung 8. Materialtrennung und erzeugte Abfallfraktionen.
3.2 Der ZWS-Kessel von Lomellina
Der ZWS-Kessel zur Verbrennung von BRAM wird von oben gestützt und besteht aus vier
Abschnitten: Brennkammer, Zyklon, Kühlungskanal und Wärmerückgewinnungsbereich. Die
Nennleistung des ZWS-Kessels beträgt 19 t/h BRAM mit einem unteren Heizwert von 12
MJ/Kg. Die Anlage kann BRAM mit einem unteren Heizwertbereich von 10 - 18 MJ/Kg
verarbeiten. Die letzten Überhitzer befinden sich in der Feststoffrückführung als Wirbelbett-
Wärmeaustauscher vom Typ INTREX. Abbildung 9 zeigt die Bauart des ZWS-Kessels und
das Rauchgasreinigungssystem.
Abbildung 9. Lomellina ZWS-Kessel.
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3.2.1 BRAM -Beschickungssystem
Der produzierte BRAM wird mit Schneckenförderern zu den Aufgabetrichtern der drei
parallelen Brennstoffbeschickungssysteme transportiert. Jedes Brennstoffbeschickungssystem
ist für 50% Kapazität bei voller Last ausgelegt und bietet daher umfassende Betriebssicherheit.
Von diesen Aufgabetrichtern wird der BRAM einer Brennstoffrutsche zugeführt, von wo er in
das Brennstoffspeiserohr fällt. Von dort wird er mit Hilfe eines Luftstrahls in den Brennofen
transportiert. Der Brennofen wird mit einem Absperrschieber isoliert, wenn das
Brennstoffspeiserohr geschlossenen ist. Die Beschickungseinrichtungen sind mit einem
variablen Geschwindigkeitsantrieb ausgestattet, der vom Durchfluss des überhitzten Dampfes
gesteuert wird.
3.2.2 Kesseleigenschaften
Der dem Kessel zugeführte Brennstoff wird bei einer Temperatur zwischen 850°C und 900°C
verbrannt. Das Rauchgas und die mitgerissenen Feststoffe werden vom Brennofen in den
Zyklon ausgetragen, wo grobe Feststoffe vom Gasstrom abgeschieden werden. Das Gas tritt an
der Oberseite des Zyklons aus. Der Zyklon ist vollständig mit Sattdampf von der Trommel
gekühlt. Die mitfliegenden und im Zyklon vom Rauchgas getrennten Feststoffe, einschließlich
unverbrannten Kohlenstoffs, werden wieder in den Brennofen zurückgeführt, wodurch eine
hervorragende Kohlenstoffverbrennung gewährleistet wird. Das Rauchgas strömt durch den
Kühlungskanal in den Konvektionsbereich, danach durch den Primär- und
Zwischenüberhitzerbereich und anschließend durch den Ekonomiser und das
Rauchgasreinigungssystem. Überhitzung findet hintereinander an den Zyklonwänden, den
Zwischenkühlwänden, dem primären Überhitzer, dem Zwischenüberhitzer und schließlich im
letzten Überhitzer statt, der sich im INTREX-Wärmeaustauscher befindet. Dank der extrem
hohen Wärmeübertragung, die in einem Blasenbett erreicht wird, ermöglicht diese Lösung die
Überhitzung in klein ausgelegten Einrichtungen. Überdies wird die Korrosionsgefahr, die durch
HCl bei hohen Temperaturen besteht, vermieden. Die erwartete Dampfproduktion beträgt 83 t/h
bei 443°C und 62 bar(g) und die Stromerzeugung bei den Generatorklemmen ist 19 MW.
Der schwerere Teil der Bodenasche wird an der Rückwand am Boden der Brennkammer in
zwei Abscheidungskühlern durch zwei leicht geneigte Feststoffableitungskanäle ausgeworfen.
Abscheidungskühler dienen zur Trennung des Siebfeinen von der ausgeworfenen Asche und zur
Kühlung der restlichen gröberen Asche mit kalter Luft. Die Luft sorgt auch für die Rückführung
der feinen Asche in den Brennofen. Jeder Abscheidungskühler wird schubweise beschickt, so
dass Bettmaterial aufgenommen wird, wenn das Bettniveau der Brennkammer einen
bestimmten Wert erreicht hat. Die Bodenasche die in etwa 3 Gewichtsprozente des verbrannten
BRAM ausmacht, wird in einer Mülldeponie für ungefährlichen Abfall entsorgt.
3.2.3 Rauchgasreinigung
Das Rauchgasreinigungssystem besteht aus:
einem Konditionierungsturm zur Steuerung von Feuchtigkeit und Temperatur
einer Rauchgastrockenreinigung mit Einspritzung von Kalk und Aktivkohle
einer Gewebefilteranlage
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Ein Überwachungssystem kontrolliert Rauchgastemperatur, O2, Staub, CO, HCl, NOx, SO2 und
VOC und zeichnet deren Werte auf. Dank der Qualität des Verbrennungsvorgangs ist kein
DeNOx-System erforderlich. Die Rauchgase, die aus dem Kessel-Ekonomiser austreten,
strömen in den externen Ekonomiser ein, wo sie zuerst auf etwa 150°C gekühlt werden und
weiter durch feine Wassertröpfchen im Konditionierungsturm auf etwa 130°C. Die Rauchgase
werden dann zum Venturi-Trockenreaktor transportiert, wo Löschkalk und Aktivkohle unter
Druck eingesprüht werden um Säurebestandteile und Schmutzstoffe zu entfernen. Der gelöschte
Kalk reagiert mit Schwefeldioxid, Chlorwasserstoffsäure und Fluorwasserstoffsäure und
erzeugt die entsprechenden Salze, während die flüchtigen Schwermetalle und organischen
Mikroverschmutzer an der Oberfläche der Aktivkohle absorbiert werden. Die Flugasche, die
Reaktionsprodukte, die Aktivkohle und der nicht in Reaktion getretene Kalk werden dann in
den Taschen des Gewebefilters gesammelt und in bestimmten Abständen durch einen
stoßartigen Luftstrahl in die Filtertrichter ausgestoßen und dort gesammelt. Die
Flugaschenteilchen, die im Filter und im Konditionierungsturm gesammelt werden, werden
teilweise rezykliert, um den nicht in Reaktion getretenen Kalk und Kohlenstoff
wiederzugewinnen, und teilweise an die Speichersilos zur weiteren Verarbeitung transportiert.
Die gesammelte Flugasche, die etwa 6 Gewichtsprozente des verbrannten BRAM ausmacht,
wird in einem eigenen Silo aufbewahrt. Unbehandelte Flugasche wird als gefährliche Substanz
eingestuft, weshalb sie in einem Kaltverfahren behandelt wird, um die Anforderungen von
Mülldeponien für ungefährlichen Abfall zu erfüllen. Die Flugasche wird mit Zement and
Wasser gemischt und in 1 m³ große Säcke gefüllt. Diese Säcke werden vorübergehend
aufbewahrt, bis die Aushärtung des Zements abgeschlossen ist.
3.3 Betriebserfahrungen
Nach der Kommissionierung des Kessels im Sommer 2000 wurde dessen Leistung geprüft. Alle
zugesicherten Werte wurden eingehalten. Tabelle 3 listet die erlaubten Emissionen auf. Die
Betriebsdaten aus den Jahren 2000 und 2001 sind in Tabelle 4 dargestellt.
Tabelle 3. Erlaubte Emissionen in der WTE-Anlage von Lomellina.
Substanz Erlaubt*
Staub, mg/Nm³ 10 30
SO2, mg/Nm³ 100 200
NOx, mg/Nm³ 200 400
HCl, mg/Nm³ 20 40
CO, mg/Nm³ 50 100
HF, mg/Nm³ 1 4
VOC, mg/Nm³ 10 20
Sb+As+Pb+Cr+Co+Cu+Mn+Ni+V+Sn, mg/Nm³ 0,5
Cd+Tl, mg/Nm³ 0,05
Hg, mg/Nm³ 0,05
Aromatische Kohlenwasserstoffe, mg/Nm³ 0,01
Dioxine & Furane, ng/Nm³ 0,1
* jeweils Tages- und Stundendurchschnitt
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Tabelle 4. Betriebsdaten der WTE-Anlage von Lomellina.
4. Quartal 1. Quartal 2. Quartal 3. Quartal Gesamt
2000 2001 2001 2001
Erhaltener MSW 40000 3800 42000 33000 158000
Erhaltener
BRAM
3200 6700 6100 3500 19000
Verarbeiteter
MSW
40000 42000 47000 38000 167000
Nicht
verarbeitbar
130 960 290 270 1700
Kompost 5700 8900 6800 5800 27000
Eisenhaltig 1200 1300 1400 1300 5100
Nicht eisenhaltig 43 44 50 46 180
Ballast 1400 190 0 340 2000
Erzeugter Dampf 94000 130000 164000 152000 540000
Aus diesen Aufzeichnungen geht hervor, dass die Menge an nicht verarbeitbarem Abfall
weniger als 1% der behandelten Gesamtabfallmenge beträgt. Die Funktion der WTE-Anlage
erfüllte alle Erwartungen und man rechnet mit dem baldigen Bau ähnlicher Anlagen.
4 ZWS-Biomassevergaser in Lahti, Finnland
Um Strompreise möglichst niedrig zu halten, überprüfen viele Kraftwerke fortlaufend die
Wirtschaftlichkeit von Brennstoffquellen und versuchen gleichzeitig dem Umweltaspekt bei der
Stromerzeugung besser Rechnung zu tragen. Um die Einsatzmöglichkeit eines ZWS-Vergasers
zur Brennstoffvorbehandlung zu testen, wurde für das Kraftwerk Kymijärvi des Unternehmens
Lahden Lämpövoima Oy ein Vergasungs-Demonstrationsprojekt ins Leben gerufen. Im Projekt
wurde die direkte Vergasung nasser Biobrennstoffe in kommerziellem Umfang sowie die
direkte Verwendung von heißem, rohem und sehr niedrigkalorischem Gas in einem
vorhandenen kohlegeheizten Kessel verwirklicht. Die Vorteile der Biobrennstoffvergasung sind
niedrigere CO2-, SO2- und NOx-Emissionen, geringe Investitionen und Betriebskosten und die
Verwendung der vorhandenen Kraftwerkskapazität. In der Testphase dieses Projekts wurden
Industrie- und Haushaltsabfälle mit hohem Heizwert vergast.
Erneuerbare feste Brennstoffe mit einer Wärmeleistung von 30-150 MW sind in Europa
normalerweise im Umkreis von 50 km eines jeden Kraftwerks erhältlich, was zur Vergasung
und zur direkten Verwendung in mittelgroßen oder großen kohlegeheizten Kesseln ausreicht.
Deshalb stellt ein Kraftwerk mit einem Vergaser, der an einen großen, herkömmlichen Kessel
mit einem Hochleistungsdampfzyklus angeschlossen ist, eine attraktive und effiziente
Möglichkeit dar, lokale erneuerbare Ressourcen bei der Stromerzeugung zu verwenden.
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4.1 ZWS-Vergasung
Das System der zirkulierenden atmosphärischen Wirbelschichtvergasung (ZWS) ist relativ
einfach. Es besteht aus einem Reaktor, in dem die Vergasung stattfindet, einem Zyklon zur
Trennung des Wirbelbettmaterials vom Gas und einem Rückführrohr zum Rücktransport des
Wirbelbettmaterials zum unteren Bereich des Vergasers. Alle diese Komponenten können
vollständig mit feuerfestem Material ausgekleidet sein. Nach dem Zyklon strömt das heiße
Generatorgas in den Luftvorwärmer, der sich unter dem Zyklon befindet. Die Vergasungsluft
wird durch einen Hochdruckventilator eingeblasen und über einen Luftverteilerrost dem
Reaktorboden zugeführt. Beim Eintritt der Vergasungsluft in den Vergaser unter dem Festbett
ist die Gasgeschwindigkeit so hoch, dass einige der Bettpartikeln aus den Reaktor hinaus und in
den Zyklon mitgerissen werden. Im Zyklon strömen das Gas und die zirkulierenden festen
Partikeln in dieselbe Richtung – nach unten – und sowohl das Gas als auch die Feststoffe
werden am Boden des Zyklons ausgestoßen, was bei herkömmlichen Zyklonen nicht der Fall
ist.
4.1.1 Brennstoffbeschickung und Vergasungsreaktionen
Der Brennstoff wird dem unteren Bereich des Vergasers, oberhalb des Luftverteilerrosts
zugeführt. Die Betriebstemperatur im Reaktor beträgt je nach Brennstoff und Anwendung
800°C - 1000°C. Beim Eintritt in den Reaktor beginnen die Brennstoffpartikeln rasch zu
trocknen und eine primäre Reaktionsfolge, die so genannte Pyrolyse, setzt ein. Im Zuge dieser
Reaktionen wird Brennstoff in Gas, Holzkohle und Teer umgewandelt. Ein Teil der Holzkohle
fließt zum Boden des Betts, oxidiert zu CO und CO2 und gibt dabei Wärme ab. Nachdem der
Rest dieser Komponenten nach oben in den Reaktor geströmt ist, tritt ein sekundäres
Reaktionsstadium ein. Diese Reaktionen können in heterogene Reaktionen, bei denen
Holzkohle Bestandteil der Reaktionen ist, und homogene Reaktionen, bei denen sich alle
reagierenden Komponenten in der Gasphase befinden, unterteilt werden. Bei diesen und
weiteren Reaktionen entsteht ein brennbares Gas, das daraufhin in den Zyklon eintritt und
gemeinsam mit etwas feinem Staub aus dem System entweicht.
Der Großteil der Feststoffe im System werden im Zyklon getrennt und zum unteren Bereich des
Vergasungsreaktors zurückgeführt. Diese Feststoffe enthalten Holzkohle, die durch die
fluidisierende Luft verbrannt wird, die durch die Gitterrostdüsen zur Wirbelung des Betts
einströmt. Dieser Verbrennungsprozess erzeugt die Wärme, die für den Pyrolyseprozess und die
meisten folgenden endothermen Reaktionen erforderlich ist. Das Wirbelbettmaterial dient als
Wärmeträger und stabilisiert die Temperaturen im Prozess. Die grobe Asche sammelt sich im
Vergaser an und wird vom Boden der Einheit mit einer wassergekühlten Bodenaschenschnecke
entfernt.
4.2 Vergaseranlage in Lahti
Der Vergaser in Lahti ist so ausgelegt, dass er als eine Brennstoffvorbehandlungsanlage für den
alten Kohlenstaubkessel im Kraftwerk Kymijärvi fungiert. Der Kohlenstaubkessel ist ein
Zwangsdurchlaufkessel vom Typ Benson. Ursprünglich wurde die Anlage mit Schweröl
beheizt, wurde aber im Jahre 1982 für die Kohlefeuerung adaptiert.
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Die Dampfdaten sind 125 kg/s 540°C/170 bar/540°C/40 bar, und die Anlage erzeugt Strom für
die Betreiber sowie Fernwärme für die Stadt Lahti. Die maximale Stromleistung beträgt 167
MWe und die maximale Fernwärmeproduktion ist 240 MW. Im Jahre 1986 wurde die Anlage
mit einer Gasturbine ausgestattet, angeschlossen an einen Wärmeaustauscher, der das
Speisewasser für den Kessel vorheizte. Die maximale elektrische Leistung der Gasturbine
beträgt bei einer Außentemperatur von -25°C 49 MWe. Der Kessel verbraucht 1200 GWh/Jahr
(180.000 Tonnen/Jahr) Kohle und etwa 800 GWh/a Erdgas. Der Kessel besitzt keine
Entschwefelungsanlage, die verwendete Kohle enthält nur 0,3% bis 0,5% Schwefel. Die
Brenner sind mit Rauchgaszirkulation und gestufter Verbrennung zur Reduktion von NOx-
Emissionen ausgestattet. Der Anschluss des Vergasers an das vorhandene Kraftwerk wird in
Abbildung 10 dargestellt.
Abbildung 10. Integration eines ZWS-Vergasers in einen Kohlenstaubkessel.
4.2.1 Brennstoffe für die Vergasung
Anfänglich verwendete der Vergaser von Lahti Biobrennstoffe wie Rinde, Holzspäne,
Sägespäne und nicht verunreinigtes Restholz. In der Folge wurden auch andere Brennstoffe
ausprobiert. Ende 1997 wurde im Großraum Lahti ein System zur Sammlung von brennbarem
Abfall (REF) gestartet. Dieser REF-Brennstoff stammt aus Haushalten und der Industrie. Die
Menge des gesammelten REFs war geringer als die Kapazität des Vergasers, es wird aber damit
gerechnet, dass die Menge und Qualität des REFs in Zukunft steigt. Zusätzlich zu den oben
genannten Brennstoffen wurden auch Eisenbahnschwellen (vor Ort zerkleinert) und zerkleinerte
Reifen als Brennstoff verwendet.
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4.3 Betriebserfahrung
Im Allgemeinen entsprach das Betriebsgas den Erwartungen. Die Qualität des Generatorgases
kam nahe an die berechneten Werte heran, und die Auswirkung des Vergasers auf die
Emissionen des Hauptkessels waren minimal. Der vielleicht positivste Effekt war die
Verringerung von NOx-Emissionen im Hauptkessel bei der Verbrennung von Generatorgas. Die
wichtigsten Daten sind:
Kommerzieller Betrieb seit März 1998
Betriebsdauer: 21.000 Stunden in den Jahren 1998 - 2001
Erzeugte Energie: 1270 GWh
Vergaster Brennstoff: 394.000 Tonnen
Die Ergebnisse aus den ersten Betriebsjahren waren überaus ermutigend. Tabelle 5 listet die
Betriebsdaten für die Jahre 1998 - 2001 auf. In dieser Zeit wurden die Brennstofffraktionen von
Tabelle 6 verwendet.
Tabelle 5. Betriebsdaten des Lahti-Vergasers.
1998 1999 2000 2001
Betriebsstunden 4730 5460 4727 7089
Verfügbarkeit *
%
99,3** 98,9 97,1 96,1
Erzeugte Energie
GWh
223 343 295 449
* Ohne Aufheizperioden. Enthält nur den Betrieb im Vergasungsmodus.
** Im zweiten Halbjahr.
Tabelle 6. Im Lahti-Vergaser verarbeitete Brennstoffe.
Brennstoff 1998 1999 2000 2001
Biomasse % 71 57 63 61
REF % 22 23 29 26
Plastik % - 13 7,4 12
Papier % - 6,0 0,1 0,3
Eisenbahnschwellen % 5,5 0,1 0,2 -
Zerkleinerte Reifen % 1,5 0,9 - -
GESAMT in Tonnen 79900 106200 91800 116100
Die Vergasung wirkte sich wie folgt auf die Emissionen des Hauptkessels aus:
NOx Verringerung um 10 mg/MJ (= 5 bis 10 %)
SOx Verringerung um 20 - 25 mg/MJ
CO Keine Veränderung
HCl Erhöhung um 5 mg/MJ, niedriger Grundpegel
Partikelstoffe Verringerung um 15 mg/m 3 n
Schwermetalle Erhöhung bei manchen Elementen, niedriger Grundpegel
Dioxine, etc. Keine Veränderung
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Der Dampfzyklus, die Kohlebrenner und der Generatorgasbrenner weisen hervorragende
Stabilität auf. Es wurden weder bei Sondenüberwachungstests noch bei der Wartung im
Sommer Anzeichen ungewöhnlicher Ablagerungen an den Kesselwärmeübertragungsflächen
festgestellt. Wegen des ausgezeichneten Betriebsverhaltens des Vergasers und der geringen
Auswirkungen auf die Emissionen wurden von der Behörde keine Beschränkungen für nutzbare
Brennstoffe oder die Verwendung von Asche auferlegt. Alle getesteten Brennstoffe sind heute
zur Verwendung mit dem Vergaser zugelassen.
5 Vergasungsprojekt Ruien
Aufgrund der überaus viel versprechenden Ergebnisse aus dem Lahti-Demonstrationsprojekt
wird die erste kommerzielle Anwendung des Konzepts für MW Electrabel in Ruien, Belgien,
gebaut. Die Anlage in Ruien liegt in der Nähe des Flusses Scheldt, 10 km von Oudenaarde und
ist das größte mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerk in Belgien. Der Standort und der
Anschluss an den vorhandenen Kessel sind in Abbildung 11 dargestellt.
Abbildung 11. Standort der Anlage von Ruien und der Vergaseranschluss an den vorhandenen
Kessel.
Die installierte Verbrennungskapazität in der Anlage von Ruien beträgt:
Einheit 3: 1967, 130 MW aus der Verbrennung von Kohle & Brennstoff
Einheit 4: 1966, 125 MW aus der Verbrennung von Kohle & Brennstoff
Einheit 5: 1973, 190 MW aus der Verbrennung von Kohle, 294 MW aus der
Verbrennung von Gas oder Brennstoff
Gasturbine: 1997, 40 MW direkt und 12 MW durch die Repowering-Einheit 5
Einheit 6: 1979, 300 MW Gas und Brennstoff.
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Der Vergaser wird bis Ende 2002 geliefert und im Januar 2003 in Betrieb gehen. Dieses Projekt
stellt einen wesentlichen Durchbruch bei der Verwendung von wiederverwerteten
hochkalorischen Brennstoffen dar. Mit weiteren ähnlichen Projekten wird in naher Zukunft
gerechnet. Diese Methode kann problemlos verwendet werden, wenn Kapazität für die
Verbrennung fossiler Brennstoffe vorhanden ist, da keine neuen Verbrennungs- oder
Energierückgewinnungseinrichtungen erforderlich sind. Mit dem erzeugtem Gas kann ein
Großteil der fossilen Brennstoffe durch eine erneuerbare Energiequelle ersetzt werden. Wie im
Lahti-Projekt gezeigt wurde, wird der Betrieb der vorhandenen Anlage verbessert, da die
Menge der Gasemissionen verringert wird.
5.1 Entwicklungsmöglichkeiten
Das Konzept der Vergasung rezyklierter Brennstoffe kann durch die Installation einer
Generatorgasreinigungseinheit vor der Verbrennung erweitert werden. Mit dieser Methode kann
durch die Behandlung von Abfällen erzeugt werden, die normalerweise nicht effizient verbrannt
werden können. Die in diesem Konzept verwendeten Komponenten sind in Abbildung 12
abgebildet.
Abbildung 12. ZWS-Vergaser mit Generatorgasreinigung.
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6 Schlussfolgerungen
Der steigende Bedarf an wirkungsvollerer Energierückgewinnung aus unterschiedlichen Arten
von Abfällen führte zur Entwicklung verschiedener Methoden, die auf eine effizientere
Verwertung hochkalorischer Abfälle abzielen. Wirbelschichtverbrennung und
Wirbelschichtvergasung gelten als die umweltfreundlichsten und kosteneffizientesten
Lösungen. Als Beispiel für das Potential dieser Technologien werden die Betriebsergebnisse
von drei Projekten präsentiert.
Der ZWS-Kessel von Högdalen ist mittlerweile seit drei Jahren in Betrieb. Obwohl die Anlage
in den ersten zwei Jahren nur Fernwärme erzeugte, wies sie eine sehr hohe Wirtschaftlichkeit
auf. Im Sommer 2001 wurde eine neue Turbine installiert um die Effizienz der Anlage weiter zu
erhöhen. Diese Anlage wurde bereits von zahlreichen potentiellen Kunden aus aller Welt
besichtigt.
Lomellina Energia, die erste WTE-Anlage ihrer Art in Europa, ist eine integrierte Anlage zur
Gewinnung wieder verwertbarer Materialien sowie zur Produktion von Brennstoffen aus Müll
(BRAM), Kompostierung und Stromerzeugung. Die Anlage funktionierte wie erwartet, und mit
dem Bau ähnlicher Anlagen in Europa wird in naher Zukunft gerechnet.
Um die Einsatzmöglichkeit eines ZWS-Vergasers zur Brennstoffvorbehandlung zu testen,
wurde für das Kraftwerk Kymijärvi des Unternehmens Lahden Lämpövoima Oy ein
Vergasungs-Demonstrationsprojekt ins Leben gerufen. Das Projekt verwirklichte die direkte
Vergasung von Biobrennstoffen und Abfällen sowie die direkte Verwendung von heißem,
rohem und sehr niedrigkalorischem Gas in einem vorhandenen kohlegeheizten Kessel. Im
Allgemeinen entsprach das Betriebsgas und die Qualität des Generatorgases den Erwartungen
und die Auswirkung des Vergasers auf die Emissionen des Hauptkessels waren minimal. Der
vielleicht positivste Effekt war die Verringerung von NOx-Emissionen im Hauptkessel bei der
Verbrennung von Generatorgas. Aufgrund der überaus viel versprechenden Ergebnisse aus dem
Lahti-Demonstrationsprojekt wird die erste kommerzielle Anwendung dieses Konzepts für MW
Electrabel in Ruien, Belgien, gebaut.
Diese drei Beispiele illustrieren die Kapazität der von Foster Wheeler im WTE-Bereich
angebotenen Wirbelbetttechnologien und insbesondere die Möglichkeiten bei der effizienten
Wärmewiedergewinnung durch hochkalorische Abfälle.
7 Referenzen
Blomberg T., Hiltunen M., Makkonen P., Modern CFB Concept for Combustion of Recovered
Fuel:Design for Improved Availability, 16 th International Conference on Fluidized Bed
Combustion, Reno 2001
Fabrizio Pollastro, Lomellina Waste-To-Energy Project, PowerGen 2000
Juha Palonen and Jorma Nieminen, Biomass CFB Gasifier-Demonstration Project: Kymijärvi
Power Station at Lahti, Finland, Foster Wheeler Review 1999
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