Modernisierung einer industriellen Rückstandsverbrennungs- anlage für eine zukunftssichere Entsorgung und wirtschaftliche Energieversorgung eines Industriestandortes
Peter Unger, Michael Nolte, Urs Keller und Kai Keldenich 1. Beschreibung des Industriekraftwerkes –
Ist-Zustand vor Modernisierung ...556 2. Umbaumaßnahmen zur Modernisierung des Industriekraftwerkes ...557 2.1. Neubau einer Dampfkesselanlage K8 mit Deckenfeuerung ...558 2.2. Neubau eines zweifeldrigen Elektrofilters ...560 2.3. Wärmetechnische Optimierung der Abgasreinigung
durch Wärmeverschubsystem ...561 3. Betriebserfahrungen ...563
Die DSM Nutritional Products Ltd. betreibt in Sisseln, Schweiz, ein Produktionswerk zur Herstellung von Vitaminen und Carotinoiden (Bild 1), das zu den weltweit größten Herstellern gehört. Darüber hinaus werden pharmazeutische Wirkstoffe und Grund- stoffe für Parfums hergestellt. Kontinuierlich sowie chargenweise und in annähernd gleichbleibender sowie wechselnder Zusammensetzung anfallende gasförmige und flüssige Produktionsrückstände werden durch DSM selbst in einer eigenen Reststoff- verbrennungsanlage energetisch verwertet, um den Standort vorwiegend mit Prozess- dampf/Nahwärme, aber auch mit Strom zu versorgen. Die Reststoffverbrennungsanlage besteht aus mehreren Einzelkesselanlagen, d.h. einem Hauptkessel und zwei älteren bauähnlichen Back-up-Kesseln.
Aufgrund zunehmender Grenzwertverschärfungen in der Schweiz waren die beiden älteren Back-up-Kessel K3 und K4 nicht mehr in der Lage, den zukünftigen Anforde- rungen der Luftreinhalte-Verordnung (LRV) in der Schweiz bezüglich CO-, NOx- und PCDD/F-Emissionen gerecht zu werden. Außerdem ergaben interne Untersuchungen, dass der gemeinsame Elektrofilter aller Kesselanlagen zur Reststoffverbrennung auf- grund von Korrosionsschäden eine Sanierung nicht mehr zuließ und ersetzt werden musste. Um den zukünftigen Anforderungen hinsichtlich Verbrennungskapazität, Redundanz und Emissionen gerecht werden zu können, wurden seitens des Standortes eine Erneuerung des Kessels K4 (Neubau von Kessel K8) sowie eine Erneuerung des bestehenden Elektrofilters durch ein neues zweifeldriges Elektrofilter zur Verbesserung der Staubabscheidung und Verringerung der Ausfallwahrscheinlichkeit bei laufendem Betrieb der Kessel K7 und K3 beschlossen. Gleichzeitig sollte eine wärmetechnische Optimierung der Abgasreinigung durch ein Wärmeverschubsystem erfolgen.
Bild 1:
Luftaufnahme des DSM-Stand- ortes Sisseln in der Schweiz
1. Beschreibung des Industriekraftwerkes – Ist-Zustand vor Modernisierung
Die thermische Reststoffverbrennungsanlage des Industriekraftwerkes der DSM Nutritional Products Ltd. am Standort Sisseln in der Schweiz (Bild 1) besteht im Wesentlichen aus einem mehrzügigen Heißdampfkessel K7 mit Deckenfeuerung, mit dem vorwiegend Heißdampf (38 bar/370 °C) erzeugt wird, der zur Versorgung der am Standort befindlichen Produktionsanlagen auf 15 bar bei 200 °C entspannt und in das Dampfnetzes der DSM eingespeist wird. Die Reduzierung erfolgt wahlweise über eine Gegendruckturbine, mit der etwa 800 kW Strom produziert wird oder über eine Druckreduzierstation. Gleichzeitig wird Ferndampf (15 bar/240 °C) für das benach- barte Novartis-Werk erzeugt. Der Kessel K7 wird in der Regel drei- bis viermal jährlich abgefahren, um den Kessel abgasseitig von Ablagerungen zu reinigen. Zusätzlich wird einmal jährlich eine Revision durchgeführt.
Während der Revisionen und Reinigungsvorgänge am Kessel K7 wurden vor den Modernisierungsmaßnahmen die Prozessabgase und flüssigen Produktionsrückstände in zwei älteren Sattdampfkesseln K3 und K4 verbrannt, wobei in Kessel K4 lediglich flüssige Produktionsrückstände eingesetzt werden konnten. Beide Kesselanlagen K3 und K4 wurden Ende der sechziger Jahre gebaut und dienten als Back-up-Kessel zur Sicherstellung einer nahezu 100-prozentigen Verfügbarkeit der Reststoffverbrennung.
Neben den 3 Kesselanlagen zur Reststoffverbrennung werden im Industriekraftwerk des DSM-Standortes Sisseln noch vier weitere Kessel (Kessel 1/2 und Kessel 5/6) auf Basis von Erdgas und Heizöl EL zur Strom- und Dampfproduktion betrieben. Ein weiterer Verbrennungsofen, der Wirbelschichtofen (WSO), wurde zur Verbrennung von Klärschlamm sowie flüssigen und pulverförmigen Reststoffen genutzt. Dieser Wir- belschichtofen (WSO) wurde im Zuge der Modernisierungsmaßnahmen Mitte 2014 stillgelegt. In Bild 2 sind die verschiedenen Feuerungsanlagen und deren abgasseitige Verschaltung am Industriekraftwerk des DSM-Standortes Sisseln zum Zeitpunkt vor der Durchführung der Modernisierungsmaßnahmen schematisch dargestellt. Sämtliche rot markierte Komponenten und Feuerungsanlagen wurden im Zuge der Modernisie- rungsmaßnahmen entweder stillgelegt oder erneuert.
Bild 2: Abgasseitige Verschaltung der Kesselanlagen zur Strom- und Dampfproduktion am Industriekraftwerk des DSM-Standortes Sisseln vor den Modernisierungsmaßnahmen Der Heißdampfkessel K7 wurde 2003 mit einer Verbrennungskapazität von 1,5 t/h für flüssige Produktionsrückstände und 600 m³/h Prozessabgase in Betrieb genommen.
Damit können etwa zwanzig Tonnen Heißdampf mit 38 bar und 370 °C pro Stunde erzeugt werden. Bei einer jährlichen Mindestbetriebsdauer von 8.000 Stunden ent- spricht dies einer Kapazität von etwa 12.000 t/a flüssiger Produktionsrückstände. Zur Einhaltung der durch die Luftreinhalte-Verordnung (LRV) der Schweiz festgelegten NOx-Grenzwerte ist der Heißdampfkessel K7 mit einer SNCR-Anlage ausgerüstet.
Die Abgase der Kessel zur Reststoffverbrennung (K3, K4 und K7) sowie des Wirbel- schichtofens (WSO) werden in einem Abgassammelkanal gefasst und gemeinsam über eine Abgasreinigungsanlage geführt, um das Abgas von Schadgaskomponenten zu befreien. Dazu erfolgt zunächst eine Staubabscheidung in einem Elektrofilter und anschließend eine HCl- und SO2-Abscheidung in einer zweistufigen Abgaswäsche. Das Abgas wird vor Einleitung in den Kamin zum Schutz der Kaminröhre über dampf- geheizte Wärmetauscher wieder aufgeheizt. Anschließend wird das gereinigte Abgas mittels Saugzügen über den Kamin an die Atmosphäre abgegeben. Im Abgaskanal unmittelbar vor Kamin befindet sich die Emissionsmessstelle zur Überwachung der Einhaltung der vor dem Hintergrund der Luftreinhalte-Verordnung (LRV) der Schweiz am Standort genehmigten Emissionsgrenzwerte.
2. Umbaumaßnahmen zur Modernisierung des Industriekraftwerkes
Um den zukünftigen Anforderungen hinsichtlich Verbrennungskapazität, Redundanz und Emissionen gerecht zu werden und um zukünftig umfangreiche und zeitintensive Revisionsarbeiten zu vermeiden, wurden bei laufendem Betrieb der Kessel K7 und K3
Prozessabgas Erdgas
flüssige Reststoffe
Ethangas Acetylen- gas
SL SL SL SL
E-Filter Bypass SL RGW-Bypass
Big Bag
Kessel 1 + 2
Zug 1 Zug 2 Zug 3
Dampf SL DV WT Saugzug SL
Kessel 5
Kessel 6 SL DV WT Saugzug SL Vorwäscher
Abgaswäscher RGW
SL = Sperrluft RGW = Abgaswäscher WT = Wärmeübertrager DV = Drosselventil E-Filter
Haupt- wäscher
im Industriekraftwerk des DSM-Standortes Sisseln folgende Maßnahmen zur Moder- nisierung durchgeführt:
• Erneuerung der Kessels K4 (Neubau von Kessel K8 am Standort von Kessel K4),
• Erneuerung des bestehenden Elektrofilters durch ein neues zweifeldriges Elektro- filter zur Verbesserung der Staubabscheidung und Verringerung der Ausfallwahr- scheinlichkeit, d.h. Verbesserung der Verfügbarkeit,
• Wärmetechnische Optimierung der Abgasreinigungsanlage.
2.1. Neubau einer Dampfkesselanlage K8 mit Deckenfeuerung
Der neu installierte Dampfkessel K8 besitzt vier Kesselzüge, bestehend aus drei Strah- lungszügen und einem Konvektionszug, mit denen etwa 15 t/h Heißdampf erzeugt werden können (Bild 3). Mit dem neu installierten Kessel K8 wird sowohl Nahdampf mit etwa 15 bar und 200 °C in das betriebseigene Dampfnetz der DSM eingespeist als auch Ferndampf mit etwa 15 bar und 240 °C für das benachbarte Novartis-Werk erzeugt. Die Reinigung des Dampfkessels erfolgt mit Hilfe von Rußbläsern.
Bild 3: Darstellung des 4-zügigen Dampfkessels während der Fertigung
Die besondere Herausforderung bestand darin, dass die Erneuerung des K4 bei laufen- dem Anlagenbetrieb und unter Nutzung bzw. Beachtung der bestehenden baulichen Gegebenheiten durchgeführt werden musste. Der Baukörper des Kesselhauses musste mit umfangreichen Betonsägearbeiten auf die Montage des Kessels unter Einhaltung eines strikten Zeitplanes vorbereitet werden. Bild 4 zeigt links den vorbereiteten Bau- körper, und rechts die Hubmontage des neuen Kessels K8. Arbeiten bezüglich der Vorbereitung von Schnittstellen zur Einbindung des neuen Kessels K8 in bestehende Systeme sowie Umschlüsse konnten nur in vorgeplanten Stillständen durchgeführt werden. Die Arbeiten mussten somit bestmöglich vorbereitet werden, um die zur Verfügung stehenden Zeitfenster optimal zu nutzen bzw. einzuhalten.
Bild 4: Darstellung des vorbereiteten Baukörpers (links) und Hubmontage des neuen Kessels (rechts)
Der neu installierte Kessel K8 besitzt eine Verbrennungskapazität von etwa 0,8 t/h an flüssigen Reststoffen, was einer Jahreskapazität von etwa 6.000 t/a entspricht, und etwa 700 Nm3/h an Prozessabgasen. Im Gegensatz zum Kessel K7, der mit zwei in der Kesseldecke angeordneten Mehrstoffbrennern ausgerüstet ist, ist die Feuerung des Kessels K8 an der Kessel-/Feuerraumdecke mit nur einem Low-NOx-Kombibrenner für gasförmige und flüssige Brennstoffe ausgestattet. Dadurch wurde der Aufbau des neuen Brenners am Kessel K8 deutlich kompakter als bei den beiden Einzelbrennern von Kessel K7, was für den Brennerlieferanten eine besondere Herausforderung be- deutete. Schließlich mussten sämtliche Brennerlanzen für Prozessabgase, diverse nicht miteinander mischbare Flüssigreststoffe sowie Erdgas zum Anfahren und Stützen des Brenners inklusive aller dazugehörigen selektiven Flammenwächter in nur einem einzel- nen Brennersystem untergebracht werden. Gleichzeitig sollte aber auch ein stabiler und sicherer Brennerbetrieb gewährleistet werden. So besteht der vom Brennerlieferanten gelieferte und im neuen Kessel K8 installierte Low-NOx-Kombibrenner aus folgenden Hauptkomponenten:
• eine Zentralgaslanze für Prozessabgase mit Mantelrohr für Kühlluft,
• 2-flutige Verbrennungsluftaufgabe (Kernluftrohr für Kernluft inklusive fest einge- stelltem Drallzündschirm; Mantelluftrohr für Mantelluft inklusive manuell verstell- barem Drallregister),
• ein gas-elektrischer Erdgaszündbrenner (Hegweinbrenner) mit eigener Flammen- überwachung (Flammenionisation),
• 1 Gasverteilerring mit 4 Gaslanzen für Erdgas und Kühlluftring,
• 4 Flüssigbrennstofflanzen inklusive Zerstäubungsmedium (Dampf und Luft),
• 4 Flammenwächter mit Lichtwellenleiter.
Dieser Low-NOx-Kombibrenner von Kessel 8 ist für eine maximale Feuerungswärme- leistung von 12 MW ausgelegt. Der geometrische Aufbau des Brenners im ausgebauten und eingebauten Zustand an der Kesseldecke mit den verschiedenen Brennerkompo- nenten ist in Bild 5 dargestellt.
Bild 5: Brennerfoto im ausgebauten und eingebauten Zustand an der Kesseldecke von Kessel K8 einschließlich der Darstellung wesentlicher Brennerkomponenten
Zur NOx-armen Verbrennung und zur Einhaltung der durch die Luftreinhalteverord- nung (LRV) festgelegten NOx-Emissionsgrenzwerte steht am Brenner des Kessels K8 zusätzlich zur gestuften Verbrennungsluftzuführung auch eine externe Abgasrezir- kulation zur Verfügung. Dabei wird gereinigtes Abgas hinter den Saugzügen und vor Kamin aus dem Abgaskanal abgezogen und zurück zur Brennkammer geführt. Über eine Mischkammer wird das Rezirkulationsgas zunächst mit der Verbrennungsluft gemischt und anschließend über die Verbrennungsluftzuführung dem Brenner von Kessel K8 zugeführt. Die der Verbrennungsluft zugeführte rezirkulierte Abgasmenge beträgt anteilig 15 Prozent. Durch die Zugabe des Rezirkulationsgases erfolgt eine Absenkung und Vergleichmäßigung der resultierenden Flammentemperatur, so dass dadurch die thermische NOx-Bildung deutlich verringert werden kann. Zusätzlich ist analog zum Kessel K7 im anschließenden Kesselbereich eine SNCR-Anlage installiert, die über mehrere Eindüsebenen Ammoniakwasser zur NOx-Minderung eindüst.
2.2. Neubau eines zweifeldrigen Elektrofilters
Neben dem noch in Betrieb befindlichen alten Elektrofilter wurde der neu installierte Elektrofilter inklusive neuer Abgaskanäle mit den für die abgasseitige Einbindung der vorhandenen Feuerungsanlagen erforderlichen sperrluftbeaufschlagten Doppelab- sperrklappen bei laufendem Betrieb der Kessel K7 und K3 errichtet. Das bestehen- de Abgaskanalsystem wurde parallel so weit wie möglich zurückgebaut, um einen
möglichst kurzen Zeitraum für die Einbindung des neuen Elektrofilters zu realisieren.
Eine Herausforderung waren hierbei insbesondere die räumlich sehr begrenzten bauli- chen Gegebenheiten. Außerdem waren bei der Montage des neuen Elektrofilters noch umfangreiche Verstärkungsmaßnahmen an der Bausubstanz zwecks Aufnahme der durch die neuen Abgaskanäle in den Baukörper des Kesselhauses eingeleiteten Lasten erforderlich. Der alte Elektrofilter konnte erst nach der vollständigen Inbetriebnahme des neuen Elektrofilters vom Abgaskanalsystem abgekoppelt und zurückgebaut wer- den. Das neu installierte Elektrofilter besteht aus zwei Feldern, von denen das erste zur Steigerung der Effizienz mit einem 3-Phasen-Gerät ausgerüstet ist. Bild 6 zeigt ein Foto des neu installierten Elektrofilters.
Bild 6: Foto des neuen Elektrofilters in der Abgasreinigung der Reststoffverbrennungsanlage Über einen sogenannten E-Filter-Bypass kann das E-Filter für Wartung, Inspektion und Störungsbeseitigung während des laufenden Anlagenbetriebes vom Abgaskanalsystem freigeschaltet werden.
2.3. Wärmetechnische Optimierung der Abgasreinigung durch Wärmeverschubsystem
Zur wärmetechnischen Optimierung der Abgasreinigung wurde ein neues Wärmever- schubsystem installiert (Bild 7). Danach wird zwecks Einsparung von Prozessdampf und Verbesserung der Wirtschaftlichkeit die Wiederaufheizung der feuchten Abgase nach der Abgaswäsche nicht mehr mit Dampf (5 bar) sondern mit Heißwasser durch- geführt. Die erforderliche Heizwärme für das mit Heißwasser betriebene Wärmever- schubsystem wird in einem Abgaskühler gewonnen, der unmittelbar oberhalb, d.h. am Eintritt des Vorwäschers angeordnet ist. Eine Abreinigung des Wärmetauschers kann in dieser Position problemlos durchgeführt werden. Die an einen Heißwasserkreislauf
abgegebene Heizwärme wird über redundante Kreislaufpumpen zu zwei parallel geschalteten Nachwärmern geführt, in denen das aus der Abgaswäsche austretende gesättigte Abgas vor Eintritt in die Kaminröhre auf eine Abgastemperatur von etwa 130 °C aufgeheizt wird. Der Heißwasserkreislauf wird auf einem Temperaturniveau von etwa 190 °C betrieben.
Bild 7: Montage des Wärmeverschubsystems
Im Heißwasserkreislauf ist ein Dampf-/Heißwasser-Wärmetauscher als Ersatzwärme- quelle zum Stützen des Heißwasserkreislaufs im Teillast- und Anfahrbetrieb angeord- net. Der Abgaskühler ist von seiner Wärmeleistung so gestaltet, dass im Normalfall der Dampf-/Heißwasser-Wärmetauscher nicht in Betrieb ist. Die Wärmeleistung des Dampf-/Heißwasser-Wärmetauschers beträgt das 2,2 fache des Abgaskühlers, so dass ein sehr schnelles Aufheizen und Anfahren des Wärmeverschubsystems gewährleis- tet wird. Der Abgaskühler ist mit Rohrbündeln, die in zwei Ebenen angeordnet sind, ausgerüstet. Die untere Ebene ist korrosionsgeschützt. Die Nachwärmer sind komplett korrosionsgeschützt ausgeführt, dies gilt sowohl für das Gehäuse als auch für die Wärmetauscherrohre. Das Wärmeverschubsystem ist mit einer Druckhaltung, die den Systemdruck auf 16 bar konstant hält, ausgerüstet.
Wie bei dem Neubau der Dampfkesselanlage K8 bestand auch bei diesem Gewerk die besondere Herausforderung darin, dass die Errichtung unter Nutzung bzw. Beachtung der bestehenden baulichen Gegebenheiten durchgeführt werden musste. Der Zeitplan musste ebenso strikt eingehalten werden, um Arbeiten für z.B. die Vorbereitung von Schnittstellen zur Einbindung in bestehende Systeme sowie Umschlüsse in vorgeplanten Stillständen durchführen zu können.
3. Betriebserfahrungen
Die vormalige Schaltung der Abgaswege führte zu einer Sammelbox, in der die Abgase aus den Kesseln K3, K4, K7 und WSO vereint wurden. Durch die Ausgestaltung dieser Box kam es zu Staubablagerungen in den Abgaswegen, die z.B. eine vollständige Tren- nung der Abgaswege mittels Steckscheiben erschwerte. Im Rahmen der Erneuerung des Elektrofilters wurde der neue Abgasweg so optimiert, dass alle Abgaswege getrennt betrieben werden können und zusätzlich die abgestellten Anlagenteile gesichert be- gangen werden können. Bild 8 zeigt die verschiedenen Feuerungsanlagen und deren abgasseitige Verschaltung am Industriekraftwerk des DSM-Standortes Sisseln nach Durchführung der Modernisierungsmaßnahmen. Sämtliche grün markierte Kom- ponenten und Feuerungsanlagen wurden im Zuge der Modernisierungsmaßnahmen erneuert oder neu installiert.
Prozessabgas Erdgas
flüssige Reststoffe
Ethangas Acetylen- gas
SL
SL
E-Filter Bypass RGW-Bypass
Big Bag
Kessel 1 + 2
Zug 1 Zug 2 Zug 3 Rezigas KB
SL DV WT Saugzug SL
Kessel 5 Kessel 6 SL DV WT Saugzug SL Vorwäscher
SL = Sperrluft RGW = Abgaswäscher WT = Wärmeübertrager DV = Drosselventil SL
SL SL
SL SL
Abgaswäscher RGW Haupt- wäscher E-Filter
Bild 8: Abgasseitige Verschaltung der Kesselanlagen zur Strom- und Dampfproduktion am Industriekraftwerk des DSM-Standortes Sisseln nach den Modernisierungsmaßnahmen Insgesamt haben die Maßnahmen nachhaltig zu einer deutlichen Erhöhung der Verfügbarkeit der Reststoffverbrennung des Standortes geführt. Der im vormaligen Betrieb aufgrund von Leckagestellen gegebene Falschlufteintrag konnte durch die durchgeführten Maßnahmen deutlich reduziert werden. Die Flexibilität der Reststoff- verbrennung wurde mit dem neuen Kessel K8 als Redundanz zum bereits vorhandenen Kessel K7 erhöht.
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
Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann (Hrsg.):
Energie aus Abfall, Band 14
ISBN 978-3-944310-32-9 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
Copyright: Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Dr.-Ing. Stephanie Thiel Alle Rechte vorbehalten
Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2017
Redaktion und Lektorat: Dr.-Ing. Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc.
Erfassung und Layout: Sandra Peters, Anne Kuhlo, Janin Burbott-Seidel, Claudia Naumann-Deppe, Ginette Teske, Gabi Spiegel, Cordula Müller
Druck: Universal Medien GmbH, München
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