WASTE-SCAN und FIRE-SCAN

(1)

WASTE-SCAN und FIRE-SCAN

InfraTec GmbH Infrarotsensorik und Messtechnik, Gostritzer Str. 61 – 63, 01217 Dresden Tel. +49 351 871-8610, Fax +49 351 871-8727, E-Mail: thermo@InfraTec.de, www.InfraTec.de

Wärmebild eines Müllbunkers mit Hotspot

Vorteile von WASTE-SCAN und FIRE-SCAN

Einsatz von hochauflösenden Wärmebildkameras mit bis zu (2.048 × 1.536) IR-Pixeln zur sicheren Detektion kleinster ther- mischer Brandentstehungsursachen auf großflächigen Arealen

Ein- und Mehrkamerasystemlösungen sowie die Kombination mit Schwenk-Neigeköpfen sichern gleichbleibend hohe Orts- auflösung und schaffen die Voraussetzung für eine lückenlose Abtastung

Modulares Systemkonzept ermöglicht verschiedene Ausbaustufen

Profitieren Sie von unseren Leistungen

Schlüsselfertiges Thermografie-System mit Komplettservice und umfassender technischer Beratung

Sichere Detektion von Hotspots in Bunkern, Lagerhallen oder auf Freiflächen zur Brennstofflagerung gemäß 17. BlmSchV

Weltweit über 60 installierte Brandfrüherkennungssysteme erfolgreich im 24/7 Dauereinsatz

Automatisierte Infrarot-Überwachungssysteme zur sicheren Brandfrüherkennung

Bunkerinstallation mit Schwenk-Neigekopf

25 J

ahre Erfahrung

(2)

771 Effizienzsteigerung eines Altholzkraftwerkes durch den Einsatz eines neuartigen Wärmetauschers

Gefährliche AbfälleAltholz

Effizienzsteigerung eines Altholzkraftwerkes durch den Einsatz eines neuartigen Wärmetauschers

– ein Beispiel aus der Praxis –

Robert Böttcher und Dieter Uffmann

1. Hintergrund ...771

2. Abgaskühler ...775

2.1. Auslegung des Abgaswärmetauschers ...775

2.2. Einbindung in bestehende Abgasleitungen ...777

3. Vorteile des technischen Konzeptes ...778

4. Wirtschaftlichkeit des technischen Konzeptes ...779

5. Quelle ...779 Im Zuge einer technischen Modernisierung wurde das Biomasse-Heizkraftwerk der biotherm Hagenow GmbH mit einem Abgaswärmetauscher zur Wärmeversorgung einer Holztrocknungsanlage ausgerüstet. Der Abgaswärmetauscher wurde dabei in die bestehenden Abgasleitungen zwischen Schlauchfilter und Kamin per Bypass integriert.

Als Werkstoff für den Wärmetauscher wurde ein Fluorpolymer anstatt Stahl gewählt.

Der Abgaswärmetauscher ist dadurch unempfindlich gegenüber Korrosion durch die Mischsäuren im Abgas und ermöglicht somit die Nutzung des Temperaturspektrums der Abgase bis an den Schwefelsäuretaupunkt. Der bei der Nutzung von Stahlwärme- tauschern übliche Sicherheitsabstand zum Säuretaupunkt der Abgase entfällt praktisch.

Abwässer entstehen dabei nicht, da eine Unterschreitung des Säuretaupunktes im Re- gelbetrieb vermieden wird. Eine optimale Wärmeausbeute bei niedrigem technischem Aufwand ist das Resultat der gewählten Anlagenkonfiguration. Durch den Betrieb des Abgaswärmetauschers erhöht sich der thermische Wirkungsgrad des Heizkraftwerkes um etwa 10 Prozent.

1. Hintergrund

Das Biomasse-Heizkraftwerk in Hagenow produziert seit 1997 umweltfreundlichen Strom an einem traditionellen Standort der Energieerzeugung. Die vormals als Braun- kohlekraftwerk in Betrieb genommene Anlage wurde 1997 in das erste moderne Bio- masse-Heizkraftwerk in Deutschland umgebaut. Seitdem wird mit einer Dampfturbine durch Kraft-Wärme-Kopplung Strom und Prozessdampf hergestellt. Kernbestandteil des Heizkraftwerkes sind dabei drei separate Verbrennungslinien die unter Volllast eine

(3)

Robert Böttcher, Dieter Uffmann

772

thermische Leistung von jeweils 12 MW erzeugen. Die aus der Verbrennung gewonnene thermische Energie wird in Abhitzekesseln auf Wasserdampf als Wärmeträgermedium übertragen und zur Verstromung einer Entnahme-Kondensationsturbine zugeführt.

Die Turbine entspannt den Wasserdampf und treibt mit der frei werdenden Energie einen Generator mit einer Klemmleistung von fünf MW an.

Das für die Dampferzeugung eingesetzte Biomassespektrum beschränkt sich dabei auf Altholz der Klassen AI/AII. Es werden somit nur naturbelassene oder behandelte Althölzer ohne halogenorganische Beschichtungen und frei von Holzschutzmitteln verbrannt.

Abgasbehandlung im Biomasseheizkraftwerk

Die bei der Verbrennung des Altholzes entstehenden heißen Abgase werden über einen Verdrängungskörper in die Nachbrennkammer und anschließend zum Abhitzekessel geleitet (Bild 1). Im Abhitzekessel befinden sich Wärmetauscher in denen die Wärme- energie des Abgases genutzt wird, um aus Wasser Wasserdampf zu erzeugen. Nachdem das Abgas seine Energie an das Wasser abgegeben hat, wird es einer Abgasreinigung zugeführt. Die Abgasreinigung besteht aus einem Massenkraftabscheider (Zyklon) zur Grobteilentfernung und einem nachgeschalteten Schlauch-Gewebefilter zur Rückhal- tung von Feinstäuben. Die behandelten Abgase werden über einen Kamin aus dem Heizkraftwerk mit etwa 180-220 °C gen Atmosphäre abgeführt.

Holzlager

Schubboden

Tages- silos

EintragschächteNassentascher Aschefallschächte Asche-

bunker

Abhitzekessel Wärmetauscher

Zy- klon

Ge- webe-

filter Kamin

Turbine Generator

Bild 1: Fließbild des Biomasse-Heizkraftwerkes Hagenow

Abgastemperaturen von mehr als 140 °C sind jedoch in modernen Kraftwerken unüblich, da insbesondere der Brennstoffnutzungsgrad des Kraftwerkes durch den Wärmeverlust stark leidet. Im Zuge einer technischen Modernisierung des Biomasse- Heizkraftwerkes sollte somit das Abgas als Wärmequelle erschlossen und zugunsten eines besseren Wirkungsgrades möglichst effizient genutzt werden.

(4)

Dorfstraße 51 D-16816 Nietwerder-Neuruppin Tel. +49.3391-45.45-0 • Fax +49.3391-45.45-10 E-Mail: tkverlag@vivis.de

Bestellen Sie direkt beim TK Verlag oder unter www. .de

TK Verlag GmbH

Erneuerbare Energien, Band 1 bis 6 Dezentrale Energieversorgung

Paketpreis 90,00 EUR

statt 140,00 EUR

Michael Beckmann K. J. Thomé-Kozmiensky

DEZENTRALE ENERGIEVERSORGUNG DEZENTRALE ENERGIEVERSORGUNG

Erneuerbare Energien, Band 1 (2009) ISBN: 978-3-935317-44-3 20,00 EUR

Erneuerbare Energien, Band 4 (2010) ISBN: 978-3-935317-55-9 20,00 EUR Erneuerbare Energien, Band 5 (2011) ISBN: 978-3-935317-64-1 20,00 EUR Erneuerbare Energien, Band 6 (2011) ISBN: 978-3-935317-65-8 20,00 EUR Erneuerbare Energien, Band 2 (2009) ISBN: 978-3-935317-43-6 20,00 EUR Erneuerbare Energien, Band 3 (2010) ISBN: 978-3-935317-54-2 20,00 EUR

Dezentrale Energieversorgung (2013) ISBN: 978-3-935317-95-5 20,00 EUR

Erneuerbare Energien und Dezentrale Energieversorgung

Herausgeber: Karl J. Thomé-Kozmiensky und Michael Beckmann • Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky

(5)

Uniper Anlagenservice GmbH Gelsenkirchen

T +49 2 09-6 01-84 32

daniel.brueckner@uniper.energy uniper-engineering.com

Brennt gut, wenn die Anlage ﬁ t ist. In allen Bereichen der

Kraftwerkstechnik das richtige Portfolio aus Leistungen und Services.

Wird das noch Energie

oder kann das einfach weg?

| Kessel und Roste

| Turbine und Generator

| Rohrleitungen und Behälter

| Schaltanlagen und Leittechnik

| Instandsetzung, Reparatur und Neulieferung

| Planung, Engineering und Neubau

| Leistungsoptimierung und Flexibilisierung

| Beratung, Analyse und Umfassende Betreuung

(6)

2. Abgaskühler

Die Nutzung des Abgaswärmeinhaltes bedingt die Verwendung eines Wärmeüber- tragers. Dieser Wärmeübertrager sollte im Biomasse-Heizkraftwerk Hagenow einen Verbraucher mit möglichst niedrigem Temperaturniveau (etwa 100 °C) versorgen, um viel Wärme den Abgasen entziehen zu können. Als Wärmesenke hat sich ein Niedertemperatur-Bandtrockner (Bild 2) als ideal erwiesen. Das in Hagenow errichtete Modell wird über einen Heizwasserkreis mit Wärme versorgt und kann wahlweise auch mit Dampf zusätzlich beheizt werden. Der Heizwasserkreis wird dabei über den Abgaswärmetauscher mit Wärme versorgt. Die Dampfversorgung des Trockners erfolgt bedarfsgerecht über das Dampfnetz des Biomasse-Heizkraftwerkes Hagenow.

Die Wärmeerzeugung aus den Abgasen stellt somit die primäre Wärmequelle für die Trocknungsanlage dar.

Abluft

Aufgabe- station

Produkt

Wendeeinrichtung

Austrags- schnecke

Bandreinigun Wärme- versorgung

g Ventilator

für Band- reinigung

Gewebeband

Frisch- luft- haube Wärmetauscher

Nassreinigung Wärmetauscher

Bild 2: Fließbild Niedertemperaturbandtrockner

Quelle: Schnaubelt, J.: Nächste Generation – Sägespänetrocknung mit geringer Staubemission. In: Holzkurier 9/2011

2.1. Auslegung des Abgaswärmetauschers

Zugunsten einer kompakten und damit preisoptimierten Bauweise sollte die Trock- nungsanlage mit Temperaturen um 100 °C arbeiten. Diese Trocknungstemperaturen stellen sich im Trockner ein, wenn die Wärmeversorgung des Trockners eine Tempera- tur von 110 °C nicht unterschreitet. Für den Abgaswärmetauscher definiert sich damit

(7)

776

die Aufgabe aus dem etwa 200 °C heißen Abgas ein Heizwasser mit 110 °C zu generieren. Mit dem Anspruch eine hoch effiziente Anlage zu bauen bedeutet dies jedoch, dass das Abgas des Biomasse-Heizkraftwerkes bis nahe an den Schwefelsäuretaupunkt gekühlt werden muss. Auf eine Abkühlung des Abgases unterhalb des Säuretaupunktes wurde dabei bewusst verzichtet. Zum einen würde das anfallende Kondensat aus den Abgasen aufwendig entsorgt bzw. nachbehandelt werden müssen und zum anderen würde ein niedrigeres Temperaturniveau des Heizwassers als 100 °C entstehen und somit die Konstruktion des Trockners deutlich vergrößern. Trotz der zusätzlichen Kondensationswärme lässt sich ein solches Konzept für den Standort Hagenow nicht wirtschaftlich darstellen.

Eine Abgaskühlung bis an den Schwefelsäuretaupunkt erfordert jedoch spezielle Anforderungen an den Konstruktionswerkstoff des Wärmetauschers. Bei der in Ha- genow gewählten Einbausituation lässt sich ein Unterschreiten des Säuretaupunktes insbesondere bei Anfahr- und Abfahrvorgängen des Wärmetauschers nicht vermeiden.

Obwohl diese Betriebszustände in der Regel nur für wenige Minuten vorherrschen, ist ein aus Stahl gefertigter Wärmetauscher für einen derartigen Anwendungsfall gänzlich ungeeignet. Durch die Anwesenheit von Chlor in den Abgasen sind auch Edelstahl- wärmetauscher nicht in der Lage, den korrosiven Eigenschaften des Abgaskondensates zu widerstehen. Je nach Güte der Stahllegierung würde es zu einer Flächen- und/oder Punktkorrosion kommen. In Folge dessen ist mit einer kurzfristigen Zerstörung des Wärmetauschers zu rechnen. Üblicherweise werden daher Abgaswärmetauscher aus Stahl mit Abgasaustrittstemperaturen von mehr als 140 °C betrieben, sodass bei allen erdenklichen Betriebszuständen des Abgaswärmetauschers der Säuretaupunkt nicht unterschritten wird. In der Praxis können dadurch konstruktionsbedingt erhebliche Wärmemengen aus dem Abgas nicht erschlossen werden (Tabelle 1).

Tabelle 1: Wärmeleistung von Stahl- und AlWaFlon-Abgaswärmetauschern

Mantelraum um die Rohre Rohrraum in den Rohren Konstruktionswerkstoff Einheit

St 37.8 AlWaFlon St 37.8 AlWaFlon

Medium Abgas Wasser + 30 % Glycol

Volumenstrom Nm³/h 90.000 37

Eintrittstemperatur °C 200 40

Austrittstemperatur °C 145 110 110

Wärmeleistung kW 1.751 3.002

Als Alternative zu einem Stahlwärmetauscher ist in Hagenow daher ein Abgas- wärmetauscher aus Fluorpolymer ausgewählt worden. Diese Wärmetauscher sind absolut korrosionsfest gegenüber den im Abgas enthaltenen Säuren und darüber hinaus unempfindlich gegenüber Vibrationen. Wärmetauscher aus Fluorpolymeren lassen sich für Abgastemperaturen von bis zu 260 °C einsetzen. Bei dem in Hage- now verbauten Modell (Wallstein 1.1-4500/2189 Fluorpolymer) sind die Rohre aus Fluorkunstoff, der Rohrboden ist gasseitig Fluorkunststoff beschichtet ausgeführt.

(8)

Trotz der korrosionsfesten Bauart des Wärmetauschers galt es die Bildung signifikanter Kondensatmengen strickt zu unterbinden. Zu diesem Zweck wurde besonderes Au- genmerk auf den Temperaturverlauf (Bild 3) in dem Abgaswärmetauscher und den angrenzenden Abgasleitungen gelegt. Zu niedrig temperierte Bereiche in der Anlage würden zu einer kontinuierlichen Bildung von Kondensaten in der Anlage führen und eine Sammlung sowie Behandlung dieser Kondensate erforderlich machen.

137 °C 111 °C 184 °C

200 °C

163 °C

In dem Abgaswärmetauscher wird das heiße Abgas horizontal um die Rohre geführt und gibt seinen Wärmeinhalt über die Rohrwand an das durch die Rohre geführte kalte Kreislaufwasser ab. Der somit gewonnene Wärmeinhalt wird über einen geschlosse- nen Pumpenkreislauf dem Trockner zugeführt. Im Regelbetrieb des Kraftwerkes, alle drei Verbrennungslinien befinden sich in Betrieb, werden etwa 90.000 Nm³/h feuchte Abgase über den Wärmetauscher geleitet. Daraus lässt sich eine Wärmemenge von 3 MW auf einem Temperaturniveau von 110 °C generieren.

In einem Zweilinienbetrieb (etwa 60.000 Nm³/h f.) werden noch 2.400 kW Wärme erzeugt, die zur Trocknungsanlage geleitet werden. Kondensation der Abgase findet auch bei diesem Betriebszustand noch nicht statt.

2.2. Einbindung in bestehende Abgasleitungen

Die Einbindung des Wärmetauschers erfolgte in die bestehenden Abgasleitungen der drei Verbrennungslinien hinter der aus Zyklon und Schlauchfilter bestehenden Abgasreinigungsanlage (Bild 4). Dadurch wird der Abgaswärmetauscher mit maxial 10 mg/m³ Staub in den Abgasen beaufschlagt. Darüber hinaus wurde der ursprünglich bestehende Kaminanschluss als Bypass beibehalten. Die ehemals separaten Abgaslei- tungen der drei Verbrennungslinien wurden zusammengefasst und münden nun in die Anströmhaube des Abgaswärmetauschers. Mittels einer Jalousieklappe vor Eintritt in die Anströmhaube des Abgaswärmetauschers und einer einflügligen Klappe hinter dem Abgaswärmetauscher ist eine freischaltbare Einbindung des Abgaswärmetauschers in die bestehenden Abgasleitungen erfolgt.

Bild 3:

Temperaturverlauf im Abgas- wärmetauscher

(9)

778

Bild 4: Fließbild des in das BMHKW Hagenow eingebundenen Abgaswärmetauschers

3. Vorteile des technischen Konzeptes

Die Nutzung eines Abgaswärmetauschers in einem Biomasse-Heizkraftwerk mit relativ hohem Temperaturniveau in den Abgasen ist eine gute Möglichkeit mit überschaubarem technischem Aufwand den Wirkungsgrad und die Wertschöpfungskette eines Kraft- werkes zu erhöhen. Wärmetauscher aus dem chemisch inerten Werkstoff Fluorpolymer ermöglichen dabei die Nutzung eines deutlich breiteren Temperaturbereiches in den Abgasen als es mit einem vergleichbaren Stahlwärmetauscher nachhaltig möglich wäre.

Der thermische Wirkungsgrad des Biomasse-Heizkraftwerkes in Hagenow erhöht sich bei Betrieb des Abgaswärmetauschers um etwa zehn Prozent. Ein Eingriff in die bestehende Mess- und Regeltechnik des Kraftwerkes war für das Projekt nicht notwendig, da ein Saugzug den Druckverlust des Abgaswärmetauschers ausgleichen und den Un- terdruck in den Verbrennungslinien konstant halten kann. Dementsprechend war die Erweiterung des bestehenden Kraftwerkes nach verhältnismäßig kurzer Planungsphase möglich. Für das Projekt in Hagenow erfolgte die Auftragserteilung für den Abgaswär- metauscher im Oktober 2014 und die Inbetriebnahme im April 2015. Der Betrieb des Wärmetauschers ist darüber hinaus kostengünstig und wartungsarm. Eine regelmäßige Reinigung (dreimal wöchentlich, zwei Minuten) der Übertragerschläuche mit einfa- chem Wasser über einen in den Wärmetauscher integrierten Düsenstock reicht, um den mechanischen Belastungen eventuell vorhandener Flugascheablagerungen entgegen zu wirken. Günstig wirkt sich dabei auch die Einbindung des Wärmetauschers hinter der Abgasreinigung aus. Sollte dennoch einmal ein Übertragerschlauch einen Defekt aufweisen, lässt sich dieser tauschen oder gegebenenfalls blind setzen. Darüber hinaus ist ein wesentliches Merkmal des Konzeptes, dass für die Wärmegewinnung praktisch kein zusätzlicher Brennstoff aufgebracht werden muss. Bei präziser Berechnung und ordnungsgemäßem Betrieb der Anlage fallen bei der Wärmegewinnung keinerlei Ab- fallstoffe an, was sich ökologisch und ökonomisch vorteilhaft auswirkt.

NT-Bandtrockner

Kessel Zyklon Schlauchfilter Abgaskühler

200 °C 110 °C V = 36,4 m. ³/h

111 °C 40 °C

(10)

4. Wirtschaftlichkeit des technischen Konzeptes

Die durch den Abgaswärmetauscher erzeugte Wärme wird am Standort Hagenow an den Betreiber der Trocknungsanlage verkauft. Die Abrechnung erfolgt über einen Wärmemengenzähler im Heizwasserkreis. An etwa 8.000 Produktionsstunden jährlich werden somit insgesamt etwa 24 GWh/a thermische Energie verkauft. Da der Betrieb des Wärmetauschers keinen zusätzlichen Brennstoffbedarf erfordert und sonstige Be- triebskosten gegen null tendieren, bleiben ausschließlich die Kapitalkosten übrig. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich für den Wärmetauscher eine Amortisationszeit von weniger als einem Jahr.

5. Quelle

[1] Schnaubelt, J.: Nächste Generation – Sägespänetrocknung mit geringer Staubemission. In: Holz- kurier 9/2011

(11)

STEAG Technischer Service GmbH

www.steag-technischerservice.com

Ihre Anlage ist bei uns in guten Händen.

STEAG Technischer Service GmbH Trierer Str. 4, 66111 Saarbrücken Telefon +49 681 9494-01 Telefax +49 681 9494-2277 info-technischerservice@steag.com

STTS-0005-013 AZ Team 155x235+3.indd 1 20.12.16 13:51

(12)

Vorwort

4

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar

Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, Peter Quicker, Alexander Gosten (Hrsg.):

Energie aus Abfall, Band 15

ISBN 978-3-944310-39-8 Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH

Verlag: Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH • Neuruppin 2018

Redaktion und Lektorat: Dr.-Ing. Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Dr.-Ing. Olaf Holm

Erfassung und Layout: Ginette Teske, Sandra Peters, Janin Burbott-Seidel,

Claudia Naumann-Deppe, Cordula Müller, Anne Kuhlo, Gabi Spiegel Druck: Universal Medien GmbH, München

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funk- sendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig.

Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen.

Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien, z.B. DIN, VDI, VDE, VGB Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen.