EBS-Vergasung zur Energiegewinnung im großen Stil möglich

Ersatzbrennstoffe können eingesetzt werden in Biomasse-Brennöfen, Verbrennungsanlagen, Wirbelschichtbett-Kesseln, Zementfabriken oder thermo-elektrischen Kraftwerken. Die meisten Vorteile dürfte jedoch die Vergasung von Abfällen bieten, da sie neben anderem die Option für die Produktion von mehr Kraftstoff oder mehr Elektrizität offenlässt.

Markus Bolhàr-Nordenkampf, Direktor der Central Eastern Europe & Middle East Valmet GesmbH, und Juhani Isaksson, Director für Vergasung bei der Valmet Power Oy im finnischen Tampere, erläuterten auf dem International Recycling & Recovery Congress in Wien Prinzip und Praxis der EBS-Vergasung.

In den 1970er Jahren arbeiteten die damaligen Rostfeuerungen mit Dampf-Parametern um die 400 Grad Celsius. Danach wurden die Flussbett-Verfahren entwickelt, zuerst in der Siede-Variante, später als Zirkulierende Flussbett-Technologie (circulating fluidized bed, kurz: CFB). Der Einsatz dieser Technik zusammen mit einem Überhitzer in einem Dampfkessel erlaubte eine Arbeitsdampf-Temperatur von 470 bis 520 Grad Celsius und einen höheren Stromgewinn im Gegensatz zur Rostfeuerung.

Ersatzbrennstoffe sind höchst schwierige Kraftstoffe, da sie hohe Anteile an Chloriden, Schwermetallen und nicht brennbaren Materialien enthalten, die zu Fouling, Korrosion oder kombinierter Korrosions-Erosion im Brenner führen können. Um das zu verhindern, wurde ein besonderes Design für den Boden abfallbefeuerter Kessel und eine widerstandsfähige Ausrüstung für Bodenasche entwickelt.

Vorbehandlung notwendig

Die Vergasung im zirkulierendem Wirbelschichtbett ermöglicht einen hocheffizienten Wiederverwertungsprozess. Dazu ist eine Vorbehandlung des Abfalls ein wesentlicher Schritt, um die Recyclingquote von Wertstoffen wie Metallen zu erhöhen. Um den Abfall für den Prozess brauchbar zu machen, ist ein einfaches Schreddern mit anschließendem Entzug von Metallen in Magneten oder Wirbelschicht-Separatoren angezeigt. Bei größeren Anteilen von Glas oder Steinen empfiehlt sich der Einsatz eines Windsichters. Die Vorbehandlung kann in einer Verbrennungsanlage oder einer speziellen mechanischen Recyclinganlage erfolgen. Die Bestandteile an Ersatzbrennstoffen variieren, ihr Heizwertanteil variert aber zwischen acht und 15 Megajoule pro Kilogramm.

Zwischen 750 bis 900 Grad Celsius

Zu den Abfallstoffen, die sich für die Vergasung eignen, gehören hölzerne Biomassen, Rinde, Torf sowie Sekundärbrennstoffe und landwirtschaftliche Kraftstoffe. Die Vergasungsprozesse benötigen Hitze, die die Verbrennung eines kleinen Teils der Kraftstoffe erzeugt; die restlichen Materialien werden in Produktgas umgewandelt. Die in einem zirkulierendem Flussbett ablaufende Vergasung benötigt eine Temperatur zwischen 750 bis 900 Grad Celsius mit einem Luftkoeffizienten zwischen 0,2 und 0,4. Die Heißgas-Effizienz in dieser Vergasungsanlage liegt bei 96 bis 98 Prozent. Das Produktgas besteht aus brennbarem CO, H2, CH4 und Kohlenwasserstoffen. Es kann auch vermehrt Kohlenwasserstoffe oder Teere mit hohem Heizwert enthalten, die auf Oberflächen kondensieren und beim Abkühlen Fouling erzeugen.

Höhere Verstromungseffizienz

Das noch unreine Produktgas verlässt den Vergaser mit 850 bis 900 Grad und wird heruntergekühlt auf etwa 400 Grad Celsius. Beim Kühlen kondensieren die korrosiven Alkali-Chloride zu Flugasche-Teilchen, die nach und nach per Keramik-Filterkerzen herausgefiltert werden. Das gesäuberte Gas steht nun zur Verbrennung in einem konventionellen gas-befeuerten Kessel zur Verfügung, um Hochdruck-Dampf zu erzeugen, der dann über eine Turbine zur Strom- und Wärme-Produktion geleitet wird. Der Hauptvorteil heutiger Verbrennungsanlagen mit Vergasung liegt in der höheren Netto-Verstromungseffizienz, die bei über 31 Prozent bei Verwendung von Arbeitsdampf bis zu 540 Grad Celsius liegen kann; bei herkömmlicher Abfallverbrennung liegt der Prozentsatz unter 20. Bei dem modernen Prozess werden Kraftstoffe aus Abfällen umgewandelt in brennbares und sauberes Gas, das in Hochdruck-Dampf-Brennern ohne Korrosionsgefahren eingesetzt werden kann.

Lahti: 250.000 Tonnen EBS

Im finnischen Lahti ging Ende 2011 die größte und wirkungsvollste Abfall-Vergasungsanlage der Welt in Betrieb. Sie bereitet 250.000 Tonnen Ersatzbrennstoffe pro Jahr auf und produziert 50 MW Strom und 90 MW Fernwärme von 160 MW Strom aus festen Abfall-Brennstoffen. Nach Ansicht von Markus Bolhàr-Nordenkamp und Juhani Isaksson haben sich seit Inbetriebnahme sowohl Technik wie Kostenstruktur auch für die Produktion von Ersatzbrennstoffen im großen Stil empfohlen. Bis Ende dieses Jahres war die Anlage rund 12.000 Arbeitsstunden in Gang, davon 8.000 Stunden für Ersatzbrennstoffe und die restlichen Stunden für einen Mix aus EBS und Bauholz. Daraus resultierten sowohl eine hohe Stromproduktions-Effizienz aus der Abfallverbrennung wie auch eine wesentliche Reduktion fossiler Brennstoffe und CO2-Emissionen des angeschlossenen Lahti Energy-Werks.

???????????????????????????????Kein Materialverschleiß

Die Funktionalität der Anlage wird als generell stabil und leicht zu kontrollieren beurteilt; die garantierte Kapazität und die Dampf-Parameter wurden erreicht. Der Vergaser arbeitete verläßlich ohne Unterbrechungen. Umfangreiche Messungen der Röhrenwand-Dicke und Inspektionen der Gas-Kühler und -Kessel durch In-Augenscheinnahme ergaben nach 4.500 Betriebsstunden keinen Materialverschleiß. Auch nach mittlerweile 12.000 Stunden zeigen sich weder Anzeichen von Korrosion noch von Erosion.Die Verfügbarkeit der Anlage lag im ersten Jahr bei 80 Prozent, wobei einiges an Produktionsausfall einem Schaden am Heißgas-Filter verschuldet ist. Auch wurde ein System zum Sauberhalten der Keramik-Filterkerzen eingebaut und erhöhte die Verfügbarkeit deutlich.

Viele Vorteile

Die Umwandlung von Abfällen in brennbares Gas eröffnet zudem die Möglichkeit – insbesondere bei Mitverbrennung – fossile Kraftstoffe in Treibstoff-befeuerten Kesseln, Zementwerken, Gipswerken oder anderen Anlagen zu ersetzen, wo feste Abfälle nicht verwendet werden dürfen. Das aus der Vergasung kommende Gas ist vor einer Verbrennung frei von Staub, korrosiven Gemischen und Schwermetallen. Mitverbrennung hat daher einen minimalen Einfluss auf Kesselbetrieb, Korrosion, Aschequalität und Emissionen. Bei Störungen des Vergasers oder Abfall-Engpässen kann die Anlage wieder hauptsächlich auf feste Kraftstoffe zurückgreifen und volle Kapazität fahren.

Damit liegen die Pluspunkte für die Vergasung auf der Hand:

  • Gestiegener Umsatz aus dem Energiegeschäft durch Strom- und Wärme-Verkauf bei höherer Effizienz der Stromproduktion als konventionelle Verbrennung
  • Gestiegenes Recycling von Wertstoffen durch Separation von Metallen und anderen Materialien vor der Verbrennung
  • Geringe Einträge in die Umwelt und einfache Behandlung der Abgase mit Emissionen und Aschequalität in Übereinstimmung mit den strengsten EU-Umwelt-Gesetzen.
  • Hohe Kraftstoff-Flexibilität für eine Vielzahl von Kraftstoff-Eigenschaften und die Möglichkeit zur Mit-Verfeuerung verschiedenster Kraftstoffe inklusive Biomasse, Abfall oder fossile Kraftstoffe. Die Betreiber können sich auf zukünftige Änderungen in der Qualität der Ersatzbrennstoffe hinsichtlich Sortierung und Recycling einstellen.

Nach Ansicht der Autoren des Praxisberichts hat das Beispiel Lahti bewiesen, dass die Technologie und die Kostenstruktur der Abfallvergasung mit zirkulierender Flussbett-Technologie auch für eine Energiegewinnung im großen Stil tauglich ist. Und dass sie – alles in allem – viele Vorteile für die Kunden bringt, die von hoher Stromgewinnungs-Effizienz und der Möglichkeit zum teilweisen oder völligen Ersatz fossiler Kraftstoffe durch Mit-Feuerung von reinem Gas profitieren.

Quelle: Markus Bolhàr-Nordenkampf u. Juhani Isaksson, Refuse Derived Fuel Gasification Technologies for High Efficient Energy Production, in: Thomé-Kozmiensky, K.J.; Thiel, S. (Eds.): Waste Management, Volume 4 – Waste-to-Energy, Neuruppin 2014

(EUR1014S35)

Fotos: LAHTI ENERGIA