In einigen Fällen werden Ersatzbrennstoffe und Biomassen auch in Wirbelschichtre-aktoren vergast. Als Vergasungsmedium dienen unterstöchiometrisch zugeführte Luft und Wasserdampf, der meist aus dem zu vergasenden Brennstoff stammt.
Bild 41: Wirbelschichtvergaser und Zyklonschmelzkammer – die Kernkomponenten des TwinRec-Verfahrens
Quelle: Selinger, A.; Steiner, C.: Wirbelschichttechnik – Erfahrungen mit Abfällen aus der Industrie, Gewerbe und Haushalt – In:
Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Optimierung der Abfallverbrennung 3. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2006, S. 496
Als Beispiele seien hier das TwinRec-Verfahren von Ebara und die von Lurgi errichtete Anlage im Zementwerk Rüdersdorf bei Berlin erwähnt.
Nach dem TwinRec-Verfahren [24] werden heizwertarme, nasse Klärschlämme und heiz-wertreiche Spezialabfälle, z.B. die Shredderleichtfraktion mit einem Heizwert Hu von etwa 14.500 kJ/kg, in einer kombinierten Vergasungs- und Verbrennungsanlage (Bild 41) energetisch verwertet. Beide Brennstoffe weisen hohe Aschegehalte von etwa 45 Prozent auf. Die erste Behandlungsstufe in diesem Verfahren ist eine atmosphärische Nieder-temperaturvergasung in einem Wirbelschichtreaktor mit rotierender Wirbelschicht.
Vergasungsmittel sind Luft und der aus dem Klärschlamm freigesetzte Wasserdampf.
Die zweite Stufe des Verfahrens ist eine Schmelzkammer, aus der das bei hohen Tem-peraturen verbrannte Material schmelzflüssig ausgetragen wird.
Die Abfallverwertung hat in der Zementindustrie eine lange Tradition; hier werden Abfälle sowohl energetisch als auch stofflich verwertet. Die Besonderheit bei der Verwertung in diesem Industriezweig ist, dass die Asche der Ersatzbrennstoffe ein Bestandteil der Zementklinker wird. Im Zementwerk der Remex AG in Rüdersdorf wurde außer der traditionellen Ersatzbrennstoffverwertung von der Lurgi AG eine Vergasungsanlage mit zirkulierender Wirbelschicht errichtet (Bilder, 42, 43 und 44).
Bild 42:
Prinzip eines zirkulierenden Wirbelschichtreaktors zur Ver-gasung von Ersatzbrennstoff
Quelle: E s c h , Me l z e r : Et a g e n - Staubröst- und Schwebeschmelzöfen. In:
Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie – Verfahrenstechnik II und Reaktionsapperate, 4. neubearbeitete und erweiterte Auflage Band 3, S. 457, bearbeitet und verändert
Zitiert in: Tietze, U.: Anforderungen an Ersatzbrennstoffe für den Einsatz in der Rüdersdorfer Zement GmbH. In:
Thomé-Kozmiensky, K. J.(Hrsg.): Ersatz-brennstoffe 2. Neuruppin: TK Verlag Karl
Sowohl das Vergasungsgas als auch die Asche aus dem Vergasungsreaktor werden im als Drehrohr ausgeführten Kalzinator verwertet [139]. Mit dieser kombinierten stofflichen und energetischen Verwertung verläuft dieser Prozess abfallfrei.
Der Wirbelschichtreaktor ist dem Ofen unmittelbar vorgeschaltet und dient der Erzeu-gung eines Brenngases. Das Gas wird unmittelbar nach Verlassen des Wirbelschichtre-aktors ohne Zwischenbehandlung als Brennstoff eingesetzt. Die inerte Asche wird am Reaktorboden ausgetragen, zur Rohmühle transportiert und als Rohstoffkomponente verwertet.
Mit der Kombination des Wirbelschichtvergasers mit dem Kalzinator werden zwei thermische Prozesse verbunden. Der Wirbelschichtreaktor bildet eine Art Puffer vor dem Zementofen, so dass im Vergleich mit dem direkten Einsatz von Ersatzbrennstoffen im Zementherstellungsprozess folgende Vorteile erreicht werden[139]:
• Auch die heizwertarmen Stoffe können für die Herstellung einer konstanten Gas-qualität verwertet werden.
• Die Aschen werden in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung gezielt dem Roh-mehl unter Beachtung der Homogenisierung und der Produktqualität zugesetzt.
• Das Verfahren eröffnet einen größeren Spielraum des Ersatzbrennstoffeinsatzes hinsichtlich Wassergehalt, Stückgröße, Heizwert und Aschegehalt als die direkte Aufgabe der Brennstoffe in den Kalzinator.
Bild 43: Prinzipdarstellung des Zementwerks der Rüdersdorfer Zement GmbH mit einem Wirbelschicht-Vergaser zur Versorgung des Zementofens mit Vergasergas
Quelle: Piechura, H.: Wirbelschichtverbrennungsanlagen undAnforderungen an den Ersatzbrennstoff. In: Thomé-Kozmiensky, K. J. (Hrsg.): Ersatzbrennstoffe 3. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2003, S. 398
Abgas- EntstaubungSprühturm
Rohmehl- siloanlage Kalzinator
Zyklon- vorwärmer Bypass DrehofenKlinker- kühler
Klinkerkühler- undBypass- Entstaubung zum Klinkerlager
Rohmühle
Dosier- station
Trockner
Vergasungsreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht Bild 44:Zementofenanlage mit Brennstoffversorgung durch einen Vergasungsreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht Quelle: Tietze, U.: Anforderungen an Ersatzbrennstoffe für den Einsatz in der Rüdersdorfer Zement GmbH. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.(Hrsg.): Ersatzbrennstoffe 2. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2002, S. 236-237
Für den Einsatz im Wirbelschichtvergaser sind physikalische und chemische Anforde-rungen an den Ersatzbrennstoff zu erfüllen. Aus technologischer Sicht sind die Schad-stoffgehalte, insbesondere für Chlor und Schwefel zu begrenzen. Im Genehmigungs-bescheid sind auch die Schwermetallgehalte und organischen Schadstoffe begrenzt.
Eingesetzt werden heizwertarme und heizwertreiche, aschearme und aschereiche, feine und stückige sowie trockene und feuchte Ersatzbrennstoffe. Die Aufbereitung hat die Aufgabe, die Homogenität des Brennstoffs sicherzustellen, damit ein gleichmäßiger Materialstrom erzeugt und ein konstanter Schwachgasstrom produziert wird.
Folgende Eigenschaften der im Vergaser einzusetzenden Ersatzbrennstoffe sind zu beachten:
• Dichte:
Durch die Art der Aufbereitung ist eine Dichte von etwa 300 Gramm pro Liter sicher- zustellen. Sehr gute Erfahrungen liegen mit Material vor, das mit Kollermühlen kompaktiert wurde. Dabei besteht das Ziel der Kompaktierung in der Erhöhung und Vergleichmäßigung der Dichte. Eine Pelletierung ist nicht erforderlich.
• Körnung:
Die durchschnittliche mittlere Stückgröße soll etwa bei 30 x 10 x 5 mm liegen.
Die maximale Kantenlänge darf bei flexiblen Stoffen – z.B. bei Folien – bis 50 mm betragen. Faserige Stoffe sind auszuschließen, da sie in Förderschnecken zum Ver-pressen neigen.
Der Feinanteil < 1 mm ist gering zu halten, so dass eine staubarme Handhabung möglich ist.
• Brennwert:
Der Brennwert sollte nach Möglichkeit unterhalb von 15.000 kJ/kg liegen. Aus abfallrechtlichen Gründen muss dieser Wert aber 11.000 kJ/kg überschreiten, um die gesetzlichen Kriterien für die energetische Verwertung zu erfüllen. Die Stan-dardabweichung sollte kleiner 1.000 kJ/kg sein.
• Störstoffe:
Bei der Aufbereitung sind Eisen- und Nichteisenmetalle abzutrennen, damit si-chergestellt wird, dass keine Metallteile in den aufbereiteten Ersatzbrennstoffen enthalten sind.
Des Weiteren sind Glas, Steine, Batterien oder andere Sonderabfälle sicher auszu-halten.
• Wassergehalt:
Der Wassergehalt sollte zwischen 15 und zwanzig Prozent, bei Spuckstoffen unter vierzig Prozent liegen. Erhöhte Wassergehalte sind nur akzeptabel, wenn sie zur Bindung von Staub unumgänglich sind.
Tietze [139] weist darauf hin, dass dank der Beachtung der Grenzwerte eine Anreiche-rung von Schadstoffen im Zement durch die Verwertung von Ersatzbrennstoff durch die Vergasung nicht festgestellt wurde. Organische Stoffe haben in Anbetracht der hohen Temperaturen im Zementprozess keine Auswirkungen auf das Produkt. Schwermetalle sind in allen für die Zementhertellung notwendigen Rohstoffen enthalten. Signifikante Unterschiede konnten im Zement, der mit und ohne Sekundärrohstoffe und Ersatz-brennstoffe hergestellt wurde, nicht festgestellt werden.
10. Zusammenfassung
Wirbelschichtreaktoren können für die Trocknung von Klärschlamm, für die Ver-brennung und Vergasung zahlreicher aufbereiteter Abfälle – z.B. Klärschlämme, Ersatzbrennstoffe und Produktionsabfälle aus der Papierindustrie – und für die Abgasreinigung eingesetzt werden. In Abhängigkeit von den Eigenschaften der zu behandelnden Stoffe werden unterschiedliche Bauarten – stationäre, rotierende und zirkulierende Wirbelschichtreaktoren – angewandt. Wegen der notwendigen Begren-zung der Korngröße ist meistens eine der Verbrennung vorgeschaltete Aufbereitung notwendig. Wirbelschichtreaktoren eignen sich nicht für grobes Material, z.B. für die Verbrennung von Haus- und Sperrmüll. Wegen des guten Wärmeübergangs ist die Abgasmenge geringer als bei Rostfeuerungen, der Staubgehalt im Abgas ist allerdings deutlich höher. In Anbetracht des vergleichbaren Schadstoffspektrums ist der Aufbau der der Verbrennung nachgeschalteten Abgasreinigungsanlagen bei beiden Verfahren ähnlich.
Am häufigsten werden Wirbelschichtreaktoren für die Verbrennung eingesetzt. In Einzelfällen wird diese Technik auch für die Vergasung von Abfällen angewandt. Das Vergasungsgas wird verbrannt, z.B. im Calzinator eines Zementwerks. Ein Sonderfall ist die Anwendung der Wirbelschichttechnik zur Abgasreinigung nach der Verbrennung.
11. Quellen
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TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2006, S. 442
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TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2004, S. 197-238
[66] Krobath, P.; Thomé-Kozmiensky, K. J.: Schema der Wirbelschichtofenanlage 4 der Fernwärme Wien GmbH für die Verbrennung von Klärschlamm und Ersatzbrennstoff. In: Kossina, I. (Hrsg.):
Abfallwirtschaft für Wien. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky. 2004, S. 205 [67] Krobath, P.; Thomé-Kozmiensky, K. J.: Prinzip der rotierenden Wirbelschicht. In: Kossina, I.
(Hrsg.): Abfallwirtschaft für Wien. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky. 2004, S. 207 [68] Krobath, P.; Thomé-Kozmiensky, K. J.: Schema des Wirbelschichtofens mit Rowitec-Feue-rung. In: Kossina, I. (Hrsg.): Abfallwirtschaft für Wien. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé- Kozmiensky. 2004, S. 208
[69] Lehrmann, F.: Stationäre Wirbelschicht. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.):
Energie aus Abfall, Band 10. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky. 2013, in diesem Buch
[70] Lehrmann, F.: Klärschlammverbrennungsanlage Stuttgart Mühlhausen. In: Thomé- Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 10. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky. 2013, in diesem Buch
[71] Lehrmann, F.: Etagenwirbler System Lurgi. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.):
Energie aus Abfall, Band 10. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky. 2013, in diesem Buch
[72] Lehrmann, F.: Kopf-Wirbelschichtvergasung. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M.
(Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 10. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky. 2013, in diesem Buch
[73] Lehrmann, F.: Mitverbrennung von Klärschlamm im Kraftwerk. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 10. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky. 2013, in diesem Buch
[74] Lehrmann, F.: Überblick über die thermische Klärschlammbehandlung – Trocknung, Monoverbrennung und Mitverbrennung –. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M.
(Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 10. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky. 2013, in diesem Buch
[75] Lorbach, D.: Wirbelschichtverbrennung für kommunale und industrielle Abfälle – Ersatzbrenn-stoff-Kraftwerk im Industriepark Höchst. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.):
Energie aus Abfall, Band 5. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2008, S. 199-207 [76] Lorbach, D.: Wirbelschicht mit integrierten Wärmeaustauschern. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.;
Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 5. TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky.2008, S. 205
[77] Lorbach, D.: Seitenansicht Wirbelschichtkessel Ersatzbrennstoff-Anlage Höchst. In: Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 5. TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky.2008, S. 206
[78] Lorbach, D.: Wirbelschichtkessel mit integrierten Wärmeaustauschern – Seitenansicht. In:
Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Erneuerbare Energien, Band 2. Neuruppin:
TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2009, S. 218
[79] Lorbach, D.: Energetische Verwertung in der Wirbelschicht für kommunale und industriel-le Abfälindustriel-le – Ersatzbrennstoff-Anlage im Industriepark Höchst. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.;
Beckmann, M. (Hrsg.): Erneuerbare Energien, Band 2. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2009, S. 215-224
[80] Lorbach, D.: Anlagen zur umweltfreundlichen Energieerzeugung bei Infraserv Höchst. In:
Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Erneuerbare Energien, Band 4. Neuruppin:
TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2010, S. 217-225
[81] Lorbach, D.: Kessel der Ersatzbrennstoffanlage. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M.
(Hrsg.): Erneuerbare Energien, Band 4. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2010, S. 225
[82] Ludwig, P.: Doping für den Ofen. In: ENTSORGA-Magazin EntsorgungsWirtschaft (2002), Nr. 9, S. 28-32
[83] Ludwig, P.; Groß, G.: Sauerstoffoxidation erhöht Kapazitäten bei der Klärschlammverbrennung:
Doping für den Ofen. In: Entsorga Magazin (2002), Nr. 9, 21. Jahrgang, S. 28, bearbeitet [84] Maierhofer, R.: Der Wirbelschichtofen in Wien zur Verbrennung von Ersatzbrennstoffen und
Klärschlamm. In: Thomé-Kozmiensky, K. J. (Hrsg.): Ersatzbrennstoffe 3. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2003, S. 353-377
[85] Müller, D.; Hermann, L.: Upgrading Aspects of Standard Sewage Sludge Mono-Incineration Plants. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Thiel, S. (eds.): Waste Management, Volume 3. Neuruppin:
TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2012, pp. 661-672
[86] Müller, D.; Hermann, L.: Simplified process flow diagram of a typical mono sludge incineration plant. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Thiel S. (Hrsg.): Waste Management, Volume 3. Neuruppin:
TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2012, S. 662
[87] Piechura, H.: Wirbelschichtverbrennungsanlagen und Anforderungen an den Ersatzbrenn-stoff. In: Thomé-Kozmiensky, K. J. (Hrsg.): Ersatzbrennstoffe 3. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2003, S. 379-402
[88] Piechura, H.: Anwendungsbereiche für Rost- und Wirbelschichtverbrennungsöfen. In:
Kozmiensky, K. J. (Hrsg.): Ersatzbrennstoffe 3. Neuruppin: TK Verlag Karl
Kozmiensky, K. J. (Hrsg.): Ersatzbrennstoffe 3. Neuruppin: TK Verlag Karl