“Mitverbrennung von Biomasse in Kohlekraftwerken”

Dipl.-HTL-Ing. Gerhard MORITZ und Dipl.-Ing. Josef TAUSCHITZ VERBUND Austrian Thermal Power AG, Geschäftsstelle St. Andrä

Siebending 22, A-9433 St. Andrä/Lavanttal

Tel: 0043 4358 2001 - 34474, Fax: - 1 34474 e-mail: moritzg@verbund.at

Abstract: Der Verbund, Österreichs größter Stromproduzent, errichtete in den vergangenen Jahren zwei Demonstrationsanlagen unterschiedlicher Technologie zur Stromerzeugung aus Biomasse mittels Mitverbrennung in Kohlestaubfeuerungen. Der Beitrag beschreibt diese beiden Projekte und die grundlegenden Zusammenhänge, die letztendlich zur Auswahl gerade dieser beiden Verstromungs-konzepte führten: Einerseits der „integrierte Mitverbrennungsrost“ im 124 MWel Dampfkraftwerk St. Andrä (in Betrieb seit 1994, die Betriebserfahrungen sind durchwegs positiv) und andererseits die „Biomassevergasung und Mitverbrennung des Produktgases“ im 137 MWel Dampfkraftwerk Zeltweg (in Betrieb seit Dezember 1997 mit ebenfalls sehr guten Betriebserfahrungen). Beide Anlagen sind für eine thermische Leistung von 10 MW Biomasse ausgelegt.

Das EU-Demonstrationsprojekt Zeltweg wird in Zusammenarbeit von insgesamt 6 internationalen Partnern mit Unterstützung durch das EU-THERMIE Programm (28 % der Gesamtkosten) sowie nationaler Förderungen abgewickelt. Die Erfahrungen sind vielversprechend für zukünftige Weiterentwicklungen im Bereich der Biomassenutzung. Die NOx Minderung durch Reburning-effekte von bis zu 15 % bei einem Biomasseanteil von nur 3 % der thermischen Leistung ist bemerkenswert. Ferner bietet die Flexibilität des Verfahrenskonzeptes in bezug auf Lastanteil und Brennstoffsortiment sehr gute Möglichkeiten für optimierte Kraftwerksertüchtigungsprojekte, angepaßt an die lokal verfügbare Menge an Biomasse.

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1 EINLEITUNG

In 71 Wasserkraftwerken und 5 Wärmekraftwerken erzeugt der Verbund etwas mehr als 50 % des öffentlichen Strombedarfes Österreichs, davon über 90 % aus Wasser- und den Rest aus Wärme-kraft. Seit 1990 befaßt sich der Verbund im Rahmen von Forschungsaktivitäten auch eingehend mit der Frage der Stromerzeugung aus Biomasse. Hintergrund dieses Engagements ist einerseits die umweltpolitische Forderung, durch vermehrten Einsatz regenerativer Energieträger CO2 zu redu-zieren sowie die regionalpolitische Forderung, die in der Land- und Forstwirtschaft vorhandenen Biomassepotentiale zu nutzen. Letztendlich auch mit dem Ziel, in der Land- und Forstwirtschaft vorhandene Arbeitsplätze abzusichern. Bisher wurden 2 Demonstrationsprojekte zur Mitverbrennung von Biomasse in Kohlekraftwerken realisiert, eines davon im Kraftwerk St. Andrä, in welchem ein Biomasserost unter dem Kessel-trichter angeordnet wurde und ein weiteres im Kraftwerk Zeltweg, in dem Biomasse vergast und das Gas sodann als Substitutionsbrennstoff im Kessel verfeuert wird. Jedes dieser Projekte ist für eine thermische Leistung von 10 MW ausgelegt, was jeweils ca. 3 % der Blockleistung entspricht. 2 GRUNDSATZÜBERLEGUNGEN

Wegen des dezentralen Anfalles sowie der geringen Energiedichte von Biomasse – beides bewirkt hohe Transportkosten – hat Biomasse keine besondere Eignung für den Einsatz als Hauptbrennstoff in Wärmekraftwerken. In den ersten Studien wurde daher die Stromerzeugung in dezentralen Kleinkraftwerken untersucht. Wegen der spezifisch bedeutend höheren Investitionskosten von Kleinkraftwerken, dem spezifisch höheren Personalbedarf und dem im Vergleich zu Großkraft-werken niedrigeren Wirkungsgrad ergab sich in den Studien im Vergleich zu Großkraftwerken kein Ausblick auf einen zukünftig wirtschaftlichen Betrieb dieser Anlagen. Die Erkenntnisse der ersten Studien bewirkten, daß in weiterer Folge insbesondere der Biomasse-einsatz als Zusatzbrennstoff in Großkraftwerken untersucht wurde. Der Vorteil dieser - als Zufeue-rung bezeichneten - Variante liegt darin, daß entweder im Falle einer neuen Kraftwerkserrichtung die niedrigen spezifischen Investitionskosten von Großkraftwerken oder bei bereits bestehenden Kraftwerken die vorhandene Infrastruktur genutzt werden kann. Weiters läßt sich die Größe der Biomassezufeuerung ideal der regionalen Biomasseverfügbarkeit anpassen, wodurch lange Trans-portwege und somit hohe Transportkosten vermieden werden.

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2.1 Grundsätzlich zu beachtende Probleme bei der Mitverbrennung von Biomasse in Kohlekraftwerken

Nachstehende Kriterien sind bei allen Projekten zur Biomassemitverbrennung anlagen- und ver-fahrensspezifisch genau zu untersuchen. 2.1.1 Verweilzeit des Brennstoffes im Feuerraum

In Großkraftwerken wird der Brennstoff derart aufbereitet, daß eine rasche Verbrennung (2 –3 Sekunden) mit minimaler Schadstoffemission erreicht wird. Nicht aufbereitete stückige Biomasse hat eine wesentlich längere Verbrennungsdauer, die von der Stückgröße und Materialfeuchte stark beeinflußt wird. Zusätzlich ist wegen der Inhomogenität des Brennstoffes eine kontrollierte Verbrennung schwer zu erreichen. 2.1.2 Verschlackung durch Biomasseasche mit tiefem Erweichungspunkt

Die Feuerraumtemperaturen in Kohlekraftwerken liegen im Bereich von 1.000 bis ca. 1.250 °C. Die Ascheerweichungstemperatur vieler Biomasseaschen liegt darunter. 2.1.3 Hochtemperaturkorrosion bei Mitverbrennung von Biomassen mit hohen

Chlorgehalten

Stroh hat beispielsweise einen hohen Chlorgehalt. Bei der Mitverbrennung von Stroh in größerem Umfang kann an Heizflächen mit Wandtemperaturen über 400 °C Hochtemperaturkorrosion auf-treten. 2.1.4 Vergiftung von Katalysatoren durch Alkalien

Viele Kraftwerke sind mit Katalysatoren zur Rauchgasentstickung ausgerüstet. Durch Alkalien, welche aus der Biomasseverbrennung stammen, kann eine Deaktivierung der Katalysatoren bewirkt werden. 2.1.5 Veränderungen der Aschequalität (Mischung von Biomasse- und Kohlenasche)

Asche aus Steinkohlekraftwerken wird häufig in der Zementerzeugung als Zusatzstoff genutzt. Die Auswirkungen einer Biomassezufeuerung auf die Verwendbarkeit der Asche ist zu prüfen. 2.1.6 Veränderung des Kesselverhaltens wegen der höheren spezifischen Rauchgasmenge

bei der Biomasseverbrennung, resultierend aus dem im Vergleich zu Steinkohle höheren Wassergehalt

Bestehende Kesselanlagen sind speziell für bestimmte Brennstoffe - und davon abgeleitet auch für eine bestimmte Rauchgasmenge - ausgelegt. Ändern sich die Rauchgasmengen über ein tolerierbares Ausmaß hinaus, müssen die Kesselheizfächen angepaßt werden. Dieser Umstand limitiert den möglichen Anteil einer Biomassezufeuerung.

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2.2 Mitverbrennung von Biomasse in Kohlekraftwerken

Um die Biomasse als Zusatzbrennstoff in Kohlekraftwerken einsetzen zu können, wurden vier Verfahrensvarianten (siehe Bild 1) untersucht: 1. die Verbrennung der Biomasse in einer externen Brennkammer (Rostfeuerung oder

Wirbelschicht), 2. die Mahlung der Biomasse und Einblasung des Biomassestaubes in die Brennkammer, 3. die Verbrennung auf einem Rost, welcher im Feuerraum des Kohlekessels integriert ist, 4. die Vergasung der Biomasse und Verbrennung des Gases im Kraftwerkskessel.

Biomassebrenn-kammer extern

Biomasse

Biomasserost

Biomasse

Biomasse Biomasse

Vergaser

Heißgas mitHolzkohlenstaub

Biomasse-staub

Rostfeuerung

Mühle

Rauchgasmax. 1000 °C

Biomasserostunter demFeuerraumdes Kessels

BiomassevergaserBiomassemühle

Kessel Kessel

Kessel Kessel

Bild 1: Untersuchte Verfahrensvarianten zur Mitverbrennung von Biomasse in Kohlestaubfeuerungen 2.2.1 Verbrennung der Biomasse in einer externen Brennkammer

Untersucht wurde die Verbrennung in einer externen, ungekühlten Rostfeuerung und die Einleitung der Rauchgase zur Wärmenutzung in den Feuerraum des Kraftwerkskessels. Dieses Konzept hat zwei wesentliche Nachteile. Um Verschlackungsprobleme am Rost zu vermeiden, muß die Verbrennungstemperatur unter 1.000 °C, bei bestimmten Biomassen sogar noch deutlich darunter liegen (Ascheerweichungspunkte bestimmter Biomassen liegen bei 600 °C). Um eine Verbren-nungstemperatur unter 1.000 °C in einer ungekühlten Brennkammer einzuhalten, muß der Rost mit einem Luftüberschuss von ca. 3 betrieben werden, was ein großes abzuführendes Rauchgasvolumen ergibt. Da weiters der Rost nicht mit Überdruck betrieben werden kann und da wegen der hohen Temperatur des Rauchgases kein Gebläse zwischen Rost und Kraftwerkskessel angeordnet werden, ist das treibende Gefälle zur Abfuhr der Rauchgase nur von dem im Feuerraum des Kraft-werkskessels vorhandenen Unterdruck bestimmt. Beide Faktoren zusammen ergeben letztendlich sehr große Querschnitte der Verbindungsleitung zwischen Rost und Kessel. In einer Projektstudie “Kraftwerk St. Andrä” ergab sich für eine derartige Zusatzfeuerung von 10 MWth nach der beschriebenen Bauform ein Innendurchmesser der Heißgasleitung von 2,2 m.

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2.2.2 Mahlung von Biomasse

Die Mahlung von Sägespänen wurde gemeinsam mit der Firma EVT in Stuttgart untersucht. Versuche mit mehreren Mühlentypen wurden im Mühlenlabor dieser Firma durchgeführt. Die Versuche zeigten die grundsätzliche Eignung von Hammermühlen. Der Energiebedarf für die Mahlung von z.B. Sägespänen liegt zwischen 70 und 100 kWh pro Tonne Biomasse. Der Energie-bedarf für die Mahlung hängt stark von der Feuchte der Biomasse ab. Feuchtes Holz ist zäh und läßt sich schwerer mahlen. Zur Reduktion des Energiebedarfes bei der Mahlung und zur Verhinderung von Mühlenbränden wird die Biomasse bei der Mahlung mit heißem Rauchgas aus dem Kessel ge-trocknet, wobei der Sauerstoffmangel im Rauchgas hilft Mühlenbrände zu verhindern. Diese Art der Trocknung und Mahlung von Biomasse ist im Verfahrensablauf der Mahltrocknung von Braunkohle ähnlich. Auf Anregung des österreichischen Fachverbandes der Sägeindustrie wurde auch ein detailliertes Projekt für die Mahlung von Sägespänen ausgearbeitet (auch Sägespäne sind für die direkte Ver-brennung in einer Kohlenstaubfeuerung noch zu grobkörnig), eine Wirtschaftlichkeit - ohne ent-sprechende Investitionsförderung - wurde unter den damals geltenden Rahmenbedingungen nicht gefunden. 2.2.3 Einbau eines Rostes unter dem Brennkammertrichter des Kohlekessels

Bei Anordnung des Rostes unter dem Brennkammertrichter steigen die Rauchgase aus der Biomas-severbrennung direkt in den Feuerraum des Kohlekessels auf. Eine Verbindungsleitung zwischen Rost und Kessel ist in dieser Anordnung nicht erforderlich. Die Nachrüstung eines derartigen Rostes unter dem Kessel in bestehenden Kraftwerken ist aus Platzgründen leider nur in Ausnahme-fällen möglich. “Leider” soll hier andeuten, daß dieses Konzept ansonsten als sehr geeignet erachtet wird. Beim Biomasseprojekt St. Andrä (siehe Punkt 3) wurde dieses Konzept vom Verbund erfolgreich großtechnisch umgesetzt. 2.2.4 Vergasung von Biomasse und Zufeuerung

Bei der Vergasung wird Biomasse in einem externen Reaktor in ein Schwachgas umgewandelt, welches anschließend in Kesselanlagen einfach verfeuert werden kann. Ein Vorteil der Vergasung im Vergleich zu den vorher angeführten Verfahren ist die leichtere dispositionelle Anordnungs-möglichkeit. Ein Verbrennungsrost wie auch eine Biomassemühle müssen in direkter Nähe des Kessels angeordnet werden, häufig ist in bestehenden Anlagen der Platz dafür nicht gegeben. Ein Vergaser hingegen kann auch etwas weiter entfernt – z.B. außerhalb des Kesselhauses – aufgestellt werden, wie dies beim EU-Demonstrationsprojekt des Verbund im Kraftwerk Zeltweg geschieht (siehe Punkt 4).

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3 BIOMASSEMITVERBRENNUNG IM KRAFTWERK ST. ANDRÄ

3.1 Das Dampfkraftwerk St. Andrä

Das Kraftwerk St. Andrä (124 MWel) ist seit 1959 in Be-trieb (siehe Bild 2). 1994 wurde dieses Kraftwerk einem Modernisierungsprogramm unterzogen; die Feuerung wurde von Braunkohle auf eine NOx-arme Steinkohle-feuerung umgebaut, die Rauchgasreinigung wurde ver-bessert und die Dampfturbine teilerneuert. Um in den Kraftwerkskesseln neben Kohle auch Biomasse verfeuern zu können, wurde gleichzeitig mit dem Umbau der Feue-rung von Braun- auf Steinkohle ein Verbrennungsrost zur Mitverbrennung von Biomasse installiert. Die Betriebser-gebnisse der NOx-armen Steinkohlefeuerung sind positiv, die betrieblichen NOx-Werte liegen unter 300 mg/Nm3.

Bild 2: Dampfkraftwerk St. Andrä 3.2 Die integrierten Biomasseroste

Kohlebrenner

Kraftwerkskessel

Biomasseaufgabestirnseitig

Integrierte Biomasseroste

Biomass

Nassentschlacke

Die Biomasseroste (2 x 5 MWth) wurden direkt unter dem Kesseltrichter angeordnet (siehe Bild 3 und Bild 4). Um diese Anordnung zu ermöglichen, mußte die Kesselfun-damentplatte, welche in diesem Bereich ohne Bewehrung war, um 1,2 m eingetieft werden. Die Biomasseaufgabe erfolgt stirnseitig über hydraulische Einschubdosierer, der Rostabwurf erfolgt direkt in den darunterliegenden Naß-entschlacker. Die Verbrennungsluft für den Rost wird aus dem Verbrennungsluftsystem nach Luftvorwärmer ent-nommen.

Bild 3: Anordnung Mitverbrennungsroste Als Brennstoff wird vorwiegend Rinde, sowie zu einem geringeren Anteil auch Hackgut und geshredderter Baumschnitt eingesetzt. In den letzten beiden Betriebsperioden wurden – begleitet von einem umfangreichen Messprogramm – auch definierte sortenreine Ersatzbrennstoffe wie Altholz, Kunststoffe, Papier und Pappe etc. über die Roste mitverfeuert. Der Wintervorrat für den Brennstoff wird im Sommer und Herbst angeliefert und auf einem Freilagerplatz gelagert. Die Ersatzbrennstoffe werden nach Möglichkeit „just-in-time“ angeliefert. Von diesem Freilager wird die Biomasse mittels Radlader aufgenommen und auf einem Schubboden aufgegeben, die Beschickung des Schubbodens erfolgt in der Regel einmal pro Tag, wobei der Biomassebedarf bei Vollast ca. 16 Srm/h (Srm ... Schüttraummeter = Bezeichnung für m3 geschüttetes Material) beträgt. Ab dem Schubboden ist die Biomasseförderanlage voll automatisiert.

Die Projektskosten für die Biomasseroste und die Förderanlagen ab dem Schubboden (das Biomasselager und der Schubboden waren bereits vorhanden und gehören zur Infrastruktur der Biomassekessel für die bereits seit 1989 in Betrieb befindliche Fernwärmeerzeugung) lagen bei ca. € 1,45 Mio., wovon ca. € 0,55 Mio. vom Bundesland Kärnten gefördert wurden.

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3.3 Betriebserfahrungen

Durch biologische Vorgänge kommt es im Rindenhaufen bei längerer Lagerung zu hohen Tempera-turen, die bis zur Selbstentzündung der Rinde führen können. Eine solche Selbstentzündung kann nur durch Verdichten mit schweren Radladern verhindert werden, wofür es notwendig ist, daß das Rindenlager von allen Seiten mit diesen Fahrzeugen befahren werden kann. Im ersten Jahr gab es durch unsachgemäße Lagerung mehrere Brände, wobei ein besonders starker Brand nur durch den Einsatz mehrerer Feuerwehren gelöscht werden konnte. Auch ohne Brände liegen die durch biogene Prozesse bedingten Energieverluste durch die Lage-rung bei 15 % pro Jahr. Zum Lagerverhalten und zu den Umwandlungsprozessen der Biomasse wurde von der Technischen Universität Graz im Kraftwerk St. Andrä auch ein Langzeitversuch durchgeführt.

Ein weiteres Problem des Brennstoffes Biomasse ist der oft hohe Anteil an Fremdkörpern, wie Steine, Drähte, Eisenteile, große Holzstücke etc., welche Störungen im Förderweg verursachen. Um einen reibungslosen Betrieb der Biomasseförderanlagen zu gewährleisten, mußte dazu übergegangen werden, die Biomasse vor Aufgabe auf den Schubboden auf eine maximale Länge von < 300 mm zu shreddern.

Hat die Biomasse einmal die Verbrennungs-roste erreicht, bereitet die Verbrennung keine Probleme. Die Zündung der Biomasse erfolgt sehr rasch durch die Feuerraumeinstrahlung, der Aus-brand kann als sehr gut bezeichnet werden. Das Unverbrannte in der Grobasche, welche sich aus Kesselgrobasche der Kohlefeuerung und Biomasseasche zusammensetzt, liegt unter 5 %. Der geringe Anteil an Unverbranntem in der Grobasche ist u.a. auch auf die feine Ausmahlung der Kohle zurückzuführen.

Bild 4: Ansicht des integrierten Biomasserostes Auf das Kesselverhalten – auch in bezug auf die NOx-Bildung im Feuerraum – wurde kein erkenn-barer Einfluß der Biomassemitverbrennung festgestellt.

Seit der Inbetriebnahme im Jahr 1994 waren die integrierten Biomasseroste im Dampfkraftwerk St. Andrä mehr als 8.000 Stunden in Betrieb. In dieser Zeit wurden insgesamt ca. 17.000 t Biomasse und Ersatzbrennstoffe für die Strom-erzeugung eingesetzt. Hauptbrennstoff ist – wie bereits oben erwähnt – Rinde und Hackgut (ca. 10.500 t). Zusätzlich wurden auch definierte, sortenreine Ersatzbrennstoffe wie Altholz, Kunststoffe, Papier und Pappe udgl. (ca. 6.500 t) unter kontinuierlicher Beobachtung durch die lokalen Behörden mitverbrannt.

In Summe wurden im Dampfkraftwerk St. Andrä bis dato mehr als 21.000 MWh elektrischer Energie aus Biomasse erzeugt.

Bei entsprechender Brennstoffqualität konnten mit den Rosten mehr als 20 MWth erzeugt werden. Dies entspricht einer Verdoppelung der Auslegungsleistung.

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4 BIOMASSEVERGASUNG IM KRAFTWERK ZELTWEG

Das Kraftwerk Zeltweg (siehe Bild 5) mit einer installierten Leistung von 137 MWel wurde 1962 in Betrieb genommen. 1982 wurde die Feuerung von Braun- auf Steinkohle umgebaut. Die Rauchgas-reinigung zur Abscheidung von NOx, SO2 und Staub wurde 1990 in Betrieb genommen und ent-spricht dem letzten Stand der Technik. Die NOx-Abscheidung erfolgt mittels SNCR-Verfahren mit Ammoniakeindüsung, die SO2-Abscheidung in einem ZWS-Reaktor nach dem Lurgi-Verfahren. Im April 2001 wurde das Kraftwerk in Reserve gestellt. Ob und wann es wieder angefahren wird steht derzeit noch nicht fest. Nach Förderungszusagen aus dem EU-THERMIE Programm wurde im Mai 1997 mit den Bauarbeiten für eine 10 MWth-Biomassevergasungsanlage begonnen. Seit Dezember desselben Jahres ist die Anlage erfolgreich in Betrieb. Das Projekt trägt den Namen BioCoComb, wobei das Wort „BioCoComb“ ein Akronym für “Biofuelpreparation for Co-Combustion” ist. 4.1 Das EU–DemonstrationsProjekt „

Es handelt sich bei der realisierten Anlage (siewelchem der Brennstoff Biomasse in ein holzkDieses Schwachgas wird vom Vergaser – ohneden Feuerraum des Kohlekessels eingeleitet. Ddes Dampfkraftwerkes St. Andrä beschrieben, Gründen nicht möglich.

Bei den meisten heute bereits in Betrieb oder BProduktion eines hochwertigen, reinen (teer- uoder Gasmotoren. Für eine Zusatzfeuerung in ehochwertiges, noch ein besonders reines Gas ein der Kohleflamme vollkommen verbrennt. Danlagentechnische Vereinfachungen, insbesondHeißgasreinigung und bewirken somit ein wesProjektskosten deutlich reduziert. Bei herkömmlichen Vergasern muß die BiomaIm Projekt Zeltweg wird darauf verzichtet. Bioohne Vortrocknung einsetzbar.

-

Bild 5: Dampfkraftwerk Zeltweg mit BioCoComb-Anlage

BioCoComb“ –Verfahrensprinzip

he Bild 6) um einen Wirbelschichtvergaser, in ohlenstaubhältiges Schwachgas umgewandelt wird. vorherige Gaskühlung – über eine Heißgasleitung in ie Anordnung eines Rostes, wie oben am Beispiel war im Kraftwerk Zeltweg aus dispositionellen

au befindlichen Biomassevergasern ist das Ziel die nd staubfreien) Gases für den Einsatz in Gasturbinen inem Kohlekessel ist jedoch weder ein

rforderlich, da auch ein qualitativ niederwertiges Gas iese verringerten Anforderungen erlauben ere den Entfall einer Gastrocknung und

entlich kleineres Vergaservolumen, was die

sse zur Anhebung des Heizwertes getrocknet werden. masse mit Feuchtegehalten bis zu 65 % ist direkt und

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Durch den Umstand, daß nur eine partielle Vergasung der Biomasse angestrebt wird, kann das Ver-gaservolumen im Vergleich zu Anlagen mit vollständiger Vergasung wesentlich reduziert werden. Bei der partiellen Vergasung entsteht sowohl ein Schwachgas als auch ein Rückstand von Holzkoh-lenkoks, welcher schwerer zu vergasen ist. Der schwer vergasbare Koks wird durch die gegenseitige Reibung der Sand- und Kokspartikel in der Wirbelschicht zerkleinert, aufgemahlen und mit dem Gas als feiner Holzkohlenstaub in den Kessel transportiert. Eine Gasreinigung unter solchen Bedingungen ist bekanntermaßen problematisch, da das Gas vor der Reinigung abgekühlt werden muß und dabei im Gas enthaltene Teerverbindungen auskondensieren. Im vorliegenden Fall wird das Gas ohne Abkühlung bei hoher Temperatur – ca. 850 °C – zum Kessel transportiert und eingeblasen. Auf eine Staubabscheidung aus dem Gas nach dem Vergaser wird ebenfalls verzichtet, da – bei entsprechender Zyklonauslegung – der Holzkohlenstaub für die Verbrennung im Kessel fein genug ist. Alle diese Vereinfachungen haben das Ziel, die Investitionskosten solcher Anlagen zu senken und damit einer Wirtschaftlichkeit der Biomasseverstromung näherzukommen.

Biomasse

Kohle

Kessel

Turbine

Mühle

Asche

G~Reburning

Rauchgas-reinigung

VERBUND

TU-GrazWissensch. Betreuung

AE

ELECTRABEL ESB

EVSENEL

Vergaser

Bild 6: Projektpartner und Verfahrensschema der BioCoComb-Anlage im Dampfkraftwerk Zeltweg 4.2 Projektpartner

Das Projekt wurde im Rahmen des Energieforschungsprogrammes THERMIE von der EU gefördert und ist ein gemeinsames Demonstrationsprojekt der nachfolgenden 6 Projektpartner, von welchen jeder eine definierte Aufgabe übernommen hat (siehe Bild 6). • Verbund/Draukraft (A) Gesamtplanung, Projektkoordination und Abwicklung,

Anlagenbetrieb und Betriebsanalyse • EVS (EnBW) (D) Analyse der Auswirkungen des Biomasseeinsatzes auf nachge-

schaltete Rauchgasreinigungsanlagen • ELEKTRABEL (B) Analyse des Vergasungsprozesses und Vergleich der Ergebnisse

aus der Berechnung und dem Versuch

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• ENEL SPA (I) Modellierung der Biogasverbrennung im Kohlekessel, Durchführung der Abnahmeversuche und spezieller Meßserien

• ESB (IR) Planung und Ausschreibung der elektrischen und leittechnischen Anlagen, sowie begleitende Kontrolle bei der Implementierung

• Austrian Energy/Graz (A) Konstruktion und Lieferung sowie Inbetriebnahme des Vergasers

4.3 Projektskosten

Die Projektskosten betrugen ca. € 4,65 Mio., darin enthalten sind auch die Aufwendungen aller Projektpartner. 58 % der Projektskosten wurden durch Eigenmittel, 42 % durch nationale und internationale Förderungen aufgebracht. 4.4 Terminplan

Mit den Vorarbeiten zum Projekt wurde bereits 1992 begonnen (siehe Bild 7). Die Sicherung einer Teilfinanzierung durch Förderungen war Voraussetzung für die Erlangung der Gesamtfinanzierung. Aufgrund der jeweils langen Wartezeiten zwischen Förderungsansuchen und Förderungszu- oder -absage dauerte es 3 Jahre vom ersten Förderungsansuchen bis zum endgültigen Projektstart. Im September 1996 ist die vorläufige Förderungszusage der EU eingetroffen. Unmittelbar danach wurde mit den Konstruktionsarbeiten begonnen. Anfang Jänner 1997 ist die definitive Förderungszusage eingelangt. Nach diesem Zeitpunkt wurden rasch die Bestellungen für die zeitkritischen Komponenten getätigt. Die Fundamentarbeiten wurden Anfang Mai durchgeführt, die maschinellen und elektrischen Montagen im Sommer und Herbst 1997 erbracht. Die Inbetriebnahme erfolgte im November und Dezember desselben Jahres. Am 10.12.1997 wurde erstmals Schwachgas aus Biomasse im Kessel mitverbrannt. Im Jänner 1998 wurde mit einem umfangreichen Versuchs- und Meßprogramm unter Mitarbeit der Projektpartner begonnen, welches sich noch weit über den Abschluß der Demonstrationsphase hin-auszog. Vor allem Technische Universitäten nutzten die Anlage für praxisbezogene Studien.

Projekt-Voruntersuchungen Sicherung der

Projektfinanzierung

Förderungsanträge div.

Förderungsstellen

Detailplanung +

Errichtung

ErprobungsphaseInbetrie

bsetzung

Bild 7: Terminplan des EU-Demonstrationsprojektes BioCoComb

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4.5 Technische Ausführung

4.5.1 Brennstoffversorgung

Als Brennstoffe wurden Rinde, Sägespäne und Hackgut, aber auch definierte sortenreine Ersatz-brennstoffe (Altholz, Kunststoffe, Klärschlamm, Eisenbahnschwellen und sortenreine Abfälle aus der Elektronikschrottverwertung) eingesetzt. Dabei mußte sich der Brennstoffeinkauf an marktwirt-schaftlichen Gesichtspunkten orientieren. Die laufenden Kosten des Biomasseeinsatzes müssen einem Vergleich mit dem Einsatz fossiler Brennstoffe standhalten.

Da der Vergaser mit leichtem Überdruck betrieben wird, muß die Biomasse über Zellenräder, wel-che als Abdichtorgan dienen, in den Vergaser dosiert werden. Die max. Stückgröße der Biomasse ist durch die Größe der Zellenräder sowie durch die Verfahrenstechnik der Wirbelschicht mit max. 30 x 30 x 100 mm beschränkt. Die Biomasse ist daher unter Einhaltung dieser Stückgröße anzu-liefern oder muß auf diese Stückgröße zerkleinert werden. In der Auslegung der Brennstoffversorgung (Schema siehe Bild 8) wurde davon ausgegangen, daß die Biomasse in der geforderten Stückgröße mit einem geringen Anteil an Überkorn angeliefert wird. Dieses Überkorn, das in Ausnahmefällen Einzelstücke bis zu 100 cm Länge enthalten kann, wird in einem im Förderweg eingebauten Shredder auf die erforderliche Korngröße zerkleinert.

max./max.max.

min.

2

3

13

4

5

6

7

8 9

10

1112

14

M

M

Vergaser

Schub- bzw. ZugbodenAbkratzwalzeQuerfördereinrichtungÜberband-MagnetabscheiderScheibensichterZerkleinerungsaggregatFörderband für das Feinkorn

BecherwerkZwischensiloSiloaustragseinrichtungDosierschneckeDosierbandDosierbandwaageDoppelzellenradschleuse

1234567

89

1011121314

Bild 8: Schema der Biomasseförderanlage

Als Brennstoffvorratslager ist ein Freilagerplatz mit einer max. Lagerkapazität von 10.000 Srm vorgesehen, was etwa einem Monatsbedarf entspricht. Ein überdachter Lagerplatz wurde im Projekt untersucht, konnte jedoch aus Kosten- und Wirt-schaftlichkeitsgründen nicht realisiert werden. Die Brennstoffbevorratung erfolgt im wesentlichen mit Rinde, wobei die Freilagerung von Rinde unproblematisch ist. Hackgut und Sägespäne sind für eine Freilagerung weniger bzw. schlecht geeignet. Diese Brennstoffe müssen daher dem Bedarf entsprechend kurzfristig angeliefert werden. Der Brennstofflagerplatz ist am Boden zum Schutz des Grundwassers abgedichtet und drainagiert. Die anfallenden Oberflächenwässer werden vor einer eventuellen Einleitung in den am Kraftwerk vorbeifließenden Fluß Mur aufbereitet oder in das vorhandene Kanalnetz, welches an eine Kläranlage angebunden ist, eingeleitet.

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Vom Freilagerplatz wird die Biomasse mittels Radlader auf einen Schubboden aufgegeben. Der Schubboden hat ein Fassungsvolumen von 500 m3, was etwa einem Tagesbedarf des Vergasers entspricht. Die Befüllung des Schubbodens erfolgt einmal pro Tag. Vom Schubboden gelangt die Biomasse über Förderanlagen in den 20 m3-Dosierbunker. In den Förderweg vor dem Dosierbunker sind ein Metallabscheider und das oben erwähnte Zerkleine-rungsaggregat integriert. Aus dem Dosierbunker wird die Biomasse über eine Dosierschnecke und eine Dosierbandwaage sowie über Zellenradschleusen in den Vergaser aufgegeben. 4.5.2 Der Vergaser

Der Vergaser (siehe Bild 9 und Bild 10) ist ein ausgemauerter Reaktionsbehälter ohne innere Ein-bauten und ohne Wärmetauscherflächen, laienhaft ausgedrückt ein stehendes zylindrisches Rohr, welches innen ausgemauert ist. Der Vergaser arbeitet nach dem Prinzip einer extern zirkulierenden Wirbelschicht bei einer Temperatur von ca. 850 °C. Die im unteren Bereich des Vergasers aufge-gebene Biomasse wird im Vergaser getrocknet und in dem Maß, wie es zur Aufrechterhaltung der Vergasertemperatur erforderlich ist, teilweise verbrannt, sowie der restliche Teil in gasförmigen Zustand umgewandelt. Die getrockneten, großteils bereits entgasten und dadurch leichteren Bio-massestücke werden mit dem Gasstrom mittransportiert. Am oberen Ende des Vergasers ist ein Zyklon angebaut, welcher die größeren, nicht vergasten Teile abscheidet und in die Brennkammer zurückführt. Feine Teilchen, im wesentlichen Asche und Holzkohlenstaub, verlassen den Vergaser mit dem Gas durch die Heißgasleitung in Richtung Kessel. Als Vergasungsluft wird Heißluft mit 270 °C, welche aus dem Verbrennungsluftsystem der Kohle-feuerung entnommen wird, verwendet.

Unter dem Vergaser befindet sich eine gekühlte Abzugsvorrichtung für Asche sowie für die in den Vergaser gelangten Fremdkörper (wie z.B. Steine, Nägel, kleine Metallteile etc.). Bei dieser Austragsvorrichtung fällt kaum Asche an, da diese den Vergaser mit dem Gas in Richtung Kessel verläßt.

Vergaser

Kontroll-räume

Kessel

Kesselhaus

10,00

19,00

Zyklon

Heissgasleitung

Startbrenner

Biomasseeintrag

Sandaustrag

Siphon

Heissluft

Vergaser

Bild 9: Biomassevergaser mit Einbindung in den Kessel Bild 10: 3D-Ansicht Vergaser

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4.6 Betriebserfahrungen

Die Betriebserfahrungen sind äußerst positiv und vielversprechend für weitere Projekte. Ein Weiterbetrieb der BioCoComb-Anlage im Dampfkraftwerk Zeltweg ist aufgrund der „Stillegung“ im April 2001 derzeit leider nicht absehbar.

Das Zünd- und Vergasungsverhalten ist generell sehr gut. Die Verbrennung des Produktgases im Kohlekessel bereitet ebenfalls keinerlei Probleme. Der kritische Umstieg aus der Verbrennung (beim Hochfahren der Anlage) in die Vergasung und auch umgekehrt verläuft sanft mit einem nur leichten und vertretbaren Anstieg der Vergasertemperatur. Der Lastbereich des Vergasers wurde bisher zwischen 5 und 21 MWth variiert, die Maximallast hängt dabei in erster Linie vom Brennstoff ab. Die Qualität und Zusammensetzung des Produktgases entspricht nach Auswertung der Meßserien den vorberechneten Werten. Das Ausbrennen des Kohlenstoffes erfolgt vollständig. Im abgezogenen Bettmaterial wurden nur sehr geringe Mengen an unverbranntem Kohlenstoff gefunden. Das An- und Abfahren der Anlage ist ausreichend schonend für die Ausmauerung. Die erwünschten Reburningeffekte im Kohlekessel durch Verwendung des Gases als Reburning-Brennstoff sind erstaunlich gut, wobei bei einer thermischen Zufeuerung von nur 3 % bereits eine Reduzierung des Ammoniakwasserverbrauches um bis zu 15 % festgestellt werden konnte.

Die anfangs aufgetretenen Probleme mit der Biomasseförder– und –aufbereitungsanlage, wie z.B. Brückenbildung im Dosiersilo, Rückrutschen von gefrorenem Brennstoff auf dem Schrägförderband oder Blockaden im Scheibensichter und den Zellenrädern konnten mittlerweile gelöst werden.

Seit der Inbetriebnahme im Dezember 1997 war die BioCoComb-Anlage ca. 2.200 Stunden in Betrieb. In dieser Zeit wurden insgesamt ca. 9.000 t Biomasse und Ersatzbrennstoffe für die Stromerzeugung eingesetzt. Hauptbrennstoff war – wie bereits oben erwähnt – Rinde und Hackgut (ca. 7.000 t). Zusätzlich wurden – begleitet von einem umfangreichen Messprogramm – auch defi-nierte, sortenreine Ersatzbrennstoffe wie Altholz, Kunststoffe, Klärschlamm, Eisenbahnschwellen und sortenreine Abfälle aus der Elektronikschrottverwertung (ca. 2.000 t) unter kontinuierlicher Beobachtung durch die lokalen Behörden mitverbrannt.

In Summe wurden im Dampfkraftwerk Zeltweg mit der BioCoComb-Anlage ca. 9.800 MWh elektrischer Energie aus Biomasse erzeugt.

Bei entsprechender Brennstoffqualität konnten mit der Anlage mehr als 20 MWth erzeugt werden. Dies entspricht einer Verdoppelung der Auslegungsleistung.

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5 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Im Rahmen der Forschungsaktivitäten des Verbund wurden in den steinkohlegefeuerten Kraft-werken St. Andrä (124 MWel) und Zeltweg (137 MWel) Demonstrationsprojekte mit dem Ziel, die Mitverbrennung von Biomasse in kohlestaubgefeuerten Kesseln zu ermöglichen und zu demon-strieren, realisiert.

Im Kraftwerk St. Andrä wurden Verbrennungsroste zur Biomasseverbrennung in den Brennkam-mertrichter integriert. Die Auslegungsleistung der Biomasseroste beträgt 10 MWth, was etwa 3 % der Brennstoffwärmeleistung der Steinkohle entspricht. Die Anlage wurde im Dezember 1994 in Betrieb genommen; der Betrieb der Anlage stellte sich als problemlos heraus.

Im Kraftwerk Zeltweg (137 MWel) wurde im Mai 1997 mit der Errichtung eines Wirbelschichtvergasers zur Vergasung von Biomasse begonnen. Diese wurde im Dezember 1997 in Betrieb genommen. Das Gas aus dem Biomassevergaser wird direkt – ohne Abkühlung und Rauchgasreinigung – in den Feuerraum des Kohlekessels eingeleitet. Der Vergaser ist für eine Brennstoffwärmeleistung von 10 MWth ausgelegt. Die bisherigen Betriebserfahrungen sind sehr positiv. Das Kraftwerk wurde jedoch im April 2001 „vorläufig“ stillgelegt.

Die Umsetzung des EU-Demonstrationsprojektes “Biomassevergasung” wurde durch die Koope-ration mit mehreren internationalen Partnern und mittels Förderungen der EU aus dem Thermie-Programm sowie zusätzlicher Unterstützungen durch österreichische Förderungsstellen wesentlich erleichtert. Daher gilt unser Dank allen Förderungsstellen und besonders den Projektpartnern EVS (EnBW), Elektrabel, ESB, ENEL sowie Austrian Energy (Babcock Borsig Power/Graz) für die gute und effiziente Zusammenarbeit bei der Projektabwicklung. Beide Varianten der Mitverbrennung von Biomasse in Kohlekraftwerken – sowohl das System der integrierten Biomasseroste, als auch die Vergasung von Biomasse und die Einleitung des Gases in den Kohlekessel – stellen kostengünstige Möglichkeiten der Stromerzeugung aus Biomasse dar.

Die bereits seit mehr als einem Jahrzehnt laufenden Bemühungen des VERBUND um den vermehrten Einsatz von Biomasse werden auch in Zukunft fortgesetzt. Ein Projekt – auf Basis der BioCoComb-Anlage – für die Erhöhung des Biomasseeinsatzes im Dampfkraftwerk St. Andrä ist derzeit in Ausarbeitung und hat gute Chancen realisiert zu werden. 6 LITERATUR

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