Mit Volldampf voraus

(1)

Seiji Shimoda

84

Restabfall hat ein großes Potential an Energie, die in modernen Restabfall-Verbrennungsanlagen zu weit mehr als 80% in Form von thermischer Energie zurück gewonnen werden kann. Aufgrund der im Abfall enthaltenen Elemente ist das Abgas mit korrosiven Substanzen versetzt, welche die Dampftemperatur bei akzeptablen Standzeiten für die Kesselflächen einschränken. Dies grenzt den Wirkungsgrad der Umwandlung in elektrische Energie stark ein.

MARTIN hat Lösungen erarbeitet, die eine Steigerung der Dampftemperatur ohne Korrosionsrisiko erlauben.

Diese basieren auf dem seit vielen Jahren bewährten System der hinterlüfteten Platten. Hierbei werden SiC- Platten in einem definierten Abstand von Kesselflächen eingebaut; der Zwischenraum wird mit Sperrluft beaufschlagt, die das Eindringen von korrosiven Gasen verhindert. MARTIN baut in diesen Zwischenraum Überhitzerrohre ein, die so ebenfalls effizient vor Korrosion geschützt sind.

Der Wandüberhitzer wird in die Seitenwände im Feuerraum eingebaut, der Strahlungsüberhitzer (siehe Abbildung) in die Decke des 1. Zuges. Beide Lösungen wurden intensiv getestet und stehen in neuen aber auch bestehenden Anlagen für die kommerzielle Nutzung zur Verfügung. Je nach Anlage kann die Dampf- temperatur um 40 - 50 °C ohne Korrosionsrisiko erhöht werden.

MARTIN Strahlungsüberhitzer

Hohe Dampfparameter - Keine Korrosion

Mit Volldampf voraus

CheMin GmbH Ein Gemeinschaftsprojekt mit:

www.martingmbh.de

(2)

85 Abfallverbrennung im 21. Jahrhundert

Abfallverbrennung im 21. Jahrhundert:

Energieeffiziente und klimafreundliche Recyclinganlage und Schadstoffsenke

Johannes J. E. Martin

1. Abfallverbrennung im Wandel der Zeit ...85

2. Moderne Abfallverbrennungsanlagen basieren auf der Rostfeuerung ...87

3. Entwicklungen ...89

3.1. Der Verbrennungsrost als Kernkomponente ...89

3.2. Die MICC (Martin Infrared Combustion Control) ...90

3.3. Energieeffizienz ...93

3.4. Very Low NO_x (VLN) ...97

3.5. Very Low NO_x-Gasification Mode (VLN – GM) ...98

3.6. Materialrückgewinnung aus festen Verbrennungsrückständen und trockener Schlackeaustrag ...101

3.7. Die MVA als Schadstoffsenke ...103

4. Zusammenfassung ...104

5. Quellen ...105

1. Abfallverbrennung im Wandel der Zeit

Die Verbrennung von Restabfällen nach einer stofflichen Verwertung hat sich in nahezu allen Ländern der Europäischen Union als zentraler Baustein der Entsorgungs- und Recyclingstrategien etabliert. Auch über die Grenzen der EU hinweg werden in zu- nehmendem Umfang Abfallverbrennungsanlagen geplant und realisiert, wobei derzeit der klare Schwerpunkt der Aktivitäten in Asien liegt (Bild 1).

Bevölkerungswachstum, wirtschaftlicher Wohlstand und letztlich der unabwendbare Druck zur sinnvollen Beherrschung wachsender Abfallströme führen zu einer starken Dynamik in diesem Bereich des Anlagenbaus. Letztlich hat sich auch die Erkenntnis durchgesetzt, dass der Energiehunger einer Volkswirtschaft, die Notwendigkeit des Umweltschutzes und der zunehmende Druck, auch auf die Wirtschaftlichkeit von Entsorgungsstrukturen zu achten, mit der Verbrennung von Abfällen in idealer Weise kombiniert werden können.

(3)

Johannes J. E. Martin

86

Aus den ehemals überwiegend seuchenhygienisch motivierten Abfallverbrennungsan- lagen des 19. und frühen 20. Jahrhunderts (Bild 2) sind längst Kraftwerke geworden, die wichtige strukturelle Ver- und Entsorgungsaufgaben übernommen haben und als von der Bevölkerung akzeptierte Partner in den Städten errichtet wurden (Bild 3).

Bild 1: Weltweite Vergaben von Abfallverbrennungsanlagen 2008 – 2011

Quelle: Vaccani, Zweig & Associates: Worldwide Market Share Analysis of Thermal Waste Treatment Plants, Edition 2012

Bild 2:

Eine der ersten Verbrennungs- anlagen für Hausmüll in Ham- burg, Deutschland – 1896 Der zunehmende Ausbau von Fernwärmenetzen ermöglichte eine effiziente Kraft-/

Wärmekopplung. Umfangreiche chemische Abgasreinigungsanlagen haben die Dis- kussion um die mögliche Belastung unserer Atmosphäre beendet oder zumindest weitestgehend entspannt. Faktisch zählen moderne Abfallverbrennungsanlagen zu den saubersten Kraftwerken, welche die strengsten existierenden Emissionsgrenzwerte zu erfüllen haben und diese dann im realen Betrieb in der Regel um mindestens eine

Russland 1,9 %

Europa 29,9 %

China 50,4 %

Japan 6,7 % Indien 1,8 %

Azerbaijan 1,4 % USA 6,4 %

Süd Korea 1,2 %

Kanada 0,4 %

(4)

Größenordnung unterschreiten. Solche Anlagen sind nicht nur umweltfreundlich, sondern sie werden auch für jedermann nachvollziehbar und einsehbar betrieben.

Als Beispiel sei hier das MHKW Mainz genannt, das von Martin als Konsortialfürer/

Generalunternehmer errichtet wurde (Bild 4) und das seine Betriebsdaten regelmäßig und vollständig (http://www.mhkw-mainz.de/downloads/messwerte_aktuell.pdf.) im Internet veröffentlicht.

Bild 3:

Die KVA Winterthur/Schweiz – Beispiel einer Kraft-/Wärme- kopplungsanlage in direkter Nähe zum Verbraucher

Bild 4: Das MHKW Mainz – Beispiel einer energieeffizienten, emissionsminimierten Anlage

2. Moderne Abfallverbrennungsanlagen basieren auf der Rostfeuerung

Die Verbrennungstechnologie als zentraler Baustein jeder Abfallverbrennungsanlage definiert die Leistungsfähigkeit der Gesamtanlage so stark wie kein anderes Aggregat.

Martin Rost Bahnen = 3 Stufenzahl = 13 Bahnbreite = 1.875 mm Rostbreite = 5.945 mm

Technische Daten:

Abfalldurchsatzleistung = 2x16,2 t/h bei Abfallheizwert = 9.815 kJ/kg Bruttowärmeleistung = 2x44,0 MW Heißdampfdruck = 43,3 bar Heißdampftemperatur = 400 °C Abgastemperatur = 190 bis 230 °C

Legende:

1 Anlieferhalle 2 Sperrmüll-Zerkleinerung 3 Abfallbunker 4 Abfallkran 5 Bunker-Absaugung 6 Aufgabetrichter 7 Rückschubrost und Feuerraum 8 Entschlacker

9 Schlackebunker mit Schlackekran 10 Sek.-Luft und Dünnschlammeindüsung 11 Stütz und Anfahrbrenner 12 SNCR Stickoxidminderung 13 Dampferzeuger 14 Rußbläser 15 Schlupf-Katalysator 16 Eigenbedarfturbosatz

17 Staubsilo 18 Sprühabsorber 19 Adsorbens-Eindüsung 20 Gewebefilter 21 Vorwäscher 22 Wäscher 23 Saugzugventilator 24 Analysen-Container 25 Schornstein 1

2

3 4

5

6 7 9 8

1012 1311 14 15

16 17

18 19

20 21 22

23 24 25

(5)

88

Deshalb hat sich hier eindeutig und weltweit die Rostfeuerung als zuverlässiges und umweltgerechtes System durchgesetzt. In Europa betrug der Marktanteil an rostba- sierten Verfahren während der vergangenen 3 Jahre mehr als 95 %, so dass hier von einer klaren Marktorientierung gesprochen werden kann (Bild 5). Andere Systeme, wie die Wirbelschicht (für Hausmüll und hausmüllähnliche Gewerbeabfälle incl. Er- satzbrennstoffe), Pyrolyse oder Vergasung spielen keine nennenswerte Rolle im realen Marktgeschehen, werden jedoch immer wieder von deren Interessensvertretern als angeblich überlegene Technologien propagiert. Die objektiv verfügbaren und belast- baren Fakten sprechen jedoch klar eine andere Sprache.

2001 2002 2003 70

60 50 40 30 20 10 Marktanteile

%

2000

Vergasung/Pyrolyse Wirbelschicht 0

80 90 100

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Rostfeuerung

Bild 5: Marktanteile von Verbrennungssystemen in Europa

Quelle: Vaccani, Zweig & Associates: Worldwide Market Share Analysis of Thermal Waste Treatment Plants, Edition 2012

Die auf den Weltmärkten angebotenen Rostsysteme sind im Lauf der vergangenen Jahre allerdings immer überschaubarer geworden (Bild 6). Dies liegt einerseits in dem enorm hohen Entwicklungsaufwand, verbunden mit einem hohen Risikopotenzial für Neu- einsteiger, andererseits in dem erreichbaren Marktvolumen, welches nicht so hoch ist, dass sich teure Eintrittsinvestitionen in sinnvoller Zeit rekapitalisieren ließen. Dabei ist auch festzustellen, dass die Anbieter von Rostfeuerungsanlagen inzwischen überwiegend in asiatischen Händen liegen. Ein Trend, der bis in die jüngste Vergangenheit anhält.

Dennoch unterliegen Rost-Verbrennungsanlagen einer starken Evolution und man kann immer noch von einer Vorreiter-, ja sogar Vordenkerrolle dieser Technologien sprechen.

(6)

3. Entwicklungen 3.1. Der Verbrennungsrost als Kernkomponente

Die Qualität und Zusammensetzung des Abfalls ändern sich mit der gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Entwicklung einzelner Staaten, wobei zusätzlich Vorbehandlung und Sortierung von Abfällen einen starken Einfluss nehmen und in der Regel zu einem steigenden Heizwert führen. Die heutigen Abfallverbrennungsanlagen müssen diesen Änderungen Folge leisten und einen sicheren Betrieb gewährleisten. Deshalb wurden in der jüngeren Vergangenheit neue Rostsysteme auf dem Markt eingeführt. Martin hat den Rückschub-Rost Vario präsentiert (Bild 7), der – aufbauend auf dem bewähr- ten Rückschub Prinzip – eine völlige Neuentwicklung darstellt. Dieser Rost hat drei unabhängig voneinander einstellbare Antriebe, die kompakt und geschützt unterhalb der Rostoberfläche angeordnet sind. Hiermit kann dem Betreiber auch bei höchsten Heizwerten ein Rost angeboten werden, der keinerlei Wasserkühlung benötigt und sehr flexibel auf wechselnde Brennstoffe eingestellt werden kann, wenn gewünscht sogar vollautomatisch durch die MICC-Verbrennungsregelung, welche nachfolgend beschrieben wird. Gleichzeitig mit dieser Entwicklung wurde eine dichte Abschottung der Primärluftzonen voneinander realisiert und dadurch die verbrennungsabhängige Luftzuführung weiter verbessert.

Bild 6: Marktanteile der Rostfeuerungssysteme weltweit 2011

Quelle: Eigene Darstellung, basierend auf den Daten aus Vaccani, Zweig & Associates: Worldwide Market Share Analysis of Thermal Waste Treatment Plants, Edition 2012

HZI-Systeme

* (Martin Systeme = CNIM + Covanta + Mitsubishi Heavy Industries + Sanfeng Covanta + Martin direkt)

Gesamt: 29.420 t/Tag

35 30 25 20 15 10 5 Marktanteil

%

Martin-Systeme*

Vølund Fisia Babcock 0

40 45

Ebara Westinghouse

JFE BBS/SK Takuma

Nippon SteelKobekoKawasaki

(7)

90

Nach umfangreichen Versuchen und einer ersten kommerziellen Installation in der MVA Pozzilli, IT, die 2007 in Betrieb ging, wurde dieses Rostsystem im Rahmen der IFAT 2010 als das Verbrennungssystem der Zukunft vorgestellt und seitdem in zahl- reichen weiteren Anlagen eingesetzt.

3.2. Die MICC (Martin Infrared Combustion Control)

Abfallverbrennungsanlagen werden zunehmend als Kraftwerke betrieben, die zwar andere Brennstoffe verarbeiten als konventionelle kalorische Kraftwerke, jedoch vom Anforderungsprofil der Betreiber verstärkt in komplexe Energieerzeugungsstrukturen als Baustein integriert werden. Dies hat zur Folge, dass sowohl häufige Lastwechsel wie auch wechselnde Brennstoffqualitäten vollautomatisch beherrscht werden müssen. Die MICC ist eine innovative Antwort auf diese Anforderungen, die als zentraler Baustein der Gesamtanlagenregelung in die Struktur von Prozessleitsystemen integriert ist. Dabei wird die Philosophie verfolgt, alle rechenintensiven und verbrennungsprozessrelevanten Regelungen in einem eigenen, redundant ausgelegten Rechnersystem zu integrieren, welches über eine Bus-Verbindung mit den anderen Prozessstationen kommuniziert.

Alle Steuerungsbefehle werden nur von den Prozessstationen des Prozessleitsystems selbst an die Feldgeräte weitergegeben, so dass die häufig gewünschte direkte Verbin- dung des PLS ins Feld uneingeschränkt gegeben ist (Bild 8).

Die MICC selbst ist aufgebaut aus folgenden zentralen Elementen:

• Fuzzy-Feuerungsregelung,

• Infrarot-Kamera zur Brennbettbeobachtung,

• Bildverarbeitungssoftware,

• Datenaufzeichnung,

• Fernzugang zu Wartungsarbeiten und Softwareupdates,

• Betriebsartenkonzept.

Zone 1

Zone 2

Zone 3

Bild 7:

Martin Rückschub-Rost Vario mit drei Antriebs- und fünf Primärluftzonen

Als Experten im Feuerfestbau schaffen wir innovative Lösungen für alle Industriebereiche. Seit mittlerweile 75 Jahren. Weltweit. Dabei hat uns immer die Nähe zu unseren Kunden stark gemacht. Denn wir konzen- trieren uns auf die individuellen Bedürfnisse unserer Geschäftspartner und beantworten diese mit maßge- schneiderten Gesamtlösungen. Grenten im Feuerfestbau kennen wir nicht. In diesem Sinne sind wir gerne uneingeschränkt für Sie da. Jünger+Gräter GmbH • D-68723 Schwetzingen • www.jg-refractories.com

Wir sind die Guten!

Markus Dworschak

Feuerungsmaurer, 27 Jahre bei J+G

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92

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Hoffmeier Industrieanlagen GmbH + Co. KG · Kranstraße 45 · D-59071 Hamm · Tel. +49 2388 33-0 · Fax +49 2388 33-499 Werke in Rüdersdorf und Kambachsmühle

Projekt_MVA:print 15.11.2011 16:45 Uhr Seite 1

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3.3. Energieeffizienz

Restabfall hat ein erhebliches Energiepotential, das in Europa dem Energieinhalt von Braunkohle entspricht. Zudem ist mehr als die Hälfte des Restabfall-Kohlenstoffs bio- genen Ursprungs, so dass dessen Verbrennung klimaneutral ist. Möglichst viel dieser inländischen Energie zurück zu gewinnen und für weitere Nutzung zur Verfügung zu stellen, ersetzt also andere Brennstoffquellen, die seltener werden, teuer sind und in vielen Fällen aus Ländern kommen, die nicht stabil sind und/oder die Lieferung dieser Rohstoffe für andere Zwecke missbrauchen.

In modernen Abfallverbrennungsanlagen können im Dampfkessel deutlich mehr als 80% der Energie zurück gewonnen werden. Bei Einsatz von Abgas-Kondensation kann dies auf über 90 % gesteigert werden, da dann auch die latente Wärme zurück gewonnen wird. Ein Teil dieser Energie wird in der Anlage selbst benötigt für Antriebe, Vorwär- mung der Verbrennungsluft, Reinigung der Kesselrohre usw.. Der weitaus größte Teil kann jedoch exportiert werden, entweder als Dampf für industrielle Anwendungen, in Fernwärme/-kältenetze und/oder als Strom nach Umwandlung in einer Dampfturbine.

Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung aus Abfallverbrennungsanlagen ist aufgrund der korrosiven Eigenschaften der Abgase begrenzt. Restabfall enthält nicht unerhebliche Anteile an Chlor und Schwefel sowie Alkalien (Na, K) und Schwermetalle (z.B. Pb, Zn).

Diese werden bei der Verbrennung zum überwiegenden Teil ins Abgas transferiert.

Wenn sich diese auf den Kesselrohren ablagern, können sie sehr korrosive Mischungen bilden. Auch wenn in den letzten Jahren viele Untersuchungen durchgeführt wurden, ist der Korrosionsprozess noch nicht vollständig verstanden. Warum die Korrosionsraten

Prozessleitsystem

Bedien- und Beobachtungsebene

Automatisierungsebene

Prozessstationen Bus

Bus

Feld I/O

I/O MARTIN

Datenfern- übertragung

MICC

IR

Bild 8: Die MICC (Martin Infrared Combustion Control) zur Betriebsoptimierung der Ge- samtanlage

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in einigen Anlagen auch bei höheren Dampftemperaturen akzeptabel sind, während in anderen Anlagen massive Korrosion auch bei moderaten Dampftemperaturen auftritt, bleibt immer noch ungelöst. Dampfparameter von 40 bar/400 °C werden allgemein als Grenze für vertretbare Standzeiten von Kesselrohren angesehen.

Einige europäische Länder subventionieren die Stromerzeugung aus der Abfallver- brennung, weshalb in diesen Fällen höhere Dampfparameter besonders erwünscht sind. In der MVA Brescia, IT kommen Dampfparameter von 60 bar/450 °C bzw.

73 bar/480 °C zum Einsatz. Da zusätzlich verschiedene Maßnahmen zur Verringerung des Eigenverbrauchs getroffen wurden und die Abgastemperatur nach einer trockenen Reinigungsanlage abgesenkt wurde, ergibt sich hier ein elektrischer Netto-Wirkungs- grad von mehr als 27 % (verglichen mit etwa 20 % für normale Anlagen).

In der MVA Amsterdam, NL wurden zwei zusätzliche Linien installiert, die seit 2007 im kommerziellen Betrieb sind. Zusammen mit den vier bestehenden Linien ist dies die weltweit größte Abfallverbrennungsanlage. Die neuen Linien sind für einen sehr hohen elektrischen Wirkungsgrad ausgelegt, mit Dampfparametern von 130 bar/440 °C und interner Zwischenüberhitzung. Zusammen mit anderen Verbesserungen führt dies zu einem elektrischen Netto-Wirkungsgrad von über 30 %. Dank sehr großzügiger Auslegung des Kessels und großflächigem Schutz mit Inconel ist die Kesselkorrosion bisher vernachlässigbar.

Eine weitere Möglichkeit der Steigerung des Wirkungsgrades ist die Kombination der Abfallverbrennung mit einem gasbefeuerten Kombikraftwerk. In der MVA Mainz, DE wird der Dampf aus der Abfallverbrennung bei 40 bar/400 °C in die Zwischenüberhit- zung eines Kombikraftwerks eingespeist. Der elektrische Netto-Wirkungsgrad beträgt dann > 40 %, bezogen auf die durch den Abfall eingebrachte Energie.

In Bilbao, ES, wird der Dampf aus der Abfallverbrennung bei 100 bar/330 °C in den Abhitzekessel nach einer Gasturbine eingebracht. Auch hier beträgt der elektrische Netto-Wirkungsgrad > 40 %, bezogen auf die durch den Abfall eingebrachte Energie.

Noch effektiver ist die Nutzung der zurück gewonnenen Energie als thermische Energie, z.B. in Fernwärmenetzen. Vor allem in Skandinavien, wie z.B. in der MVA Malmö (Bild 9) ist dies weit verbreitet, wobei viele dieser Anlagen sogar vom Bedarf

Bild 9:

MVA SYSAV Malmö, Schweden

(12)

des Fernwärmenetzes dominiert werden. Die Anlagen laufen nur in der kälteren Jah- reszeit auf vollem Durchsatz, während in der wärmeren Jahreszeit der Abfall in Ballen verpackt, gelagert und erst verbrannt wird, wenn größerer Wärmebedarf besteht. In Verbindung mit einer Abgaskondensation, wie z.B. in der MVA Göteborg ausgeführt, werden thermische Wirkungsgrade von über 90 % erreicht.

Neuere Berechnungen zeigen zudem, dass die Kombination von Abfallverbrennungs- anlagen mit anderen Energiegewinnungstechnologien durchaus sowohl ökologisch als auch ökonomisch Sinn machen können. In [3] wird dies für die fiktive Kombination der MVA Amsterdam mit einem Solarturmkraftwerk exemplarisch gezeigt (Bild 10).

Besonders vorteilhaft ist eine solche Kombination, wenn man in der MVA die Heißdampf- Basisüberhitzung durchführt und eine weitere Dampfüberhitzung im Solarkraftwerk vornimmt (Bild 11). Da ein solches Konzept jedoch nur bei ausreichender Sonnenein- strahlung Sinn macht, kann es nur in bestimmten geografischen Bereichen realisiert werden und unter Berücksichtigung, dass eine solche Anlage bei Nacht im Teillastbetrieb von 80 % gehalten werden muss oder über ausreichende Wärmespeicher-Systeme verfügt, um die Nachtabschattung zu überbrücken. Das Erhöhen der Dampftemperaturen ist hier ohne zusätzliche Korrosionsrisiken für die Wärmetauscherrohre ausführbar.

Um bei konventionellen Schaltungen den Dampfkessel bei höheren Dampfparametern, speziell höherer Dampftemperatur, betreiben zu können ohne übermäßiges Korrosionsri- siko und dadurch verursachte Stillstände, wurde der Wandüberhitzer entwickelt (Bild 12).

Dieser Überhitzer wird im 1. Kesselzug zwischen der Membranwand und hinterlüf- teten Platten installiert, die seit vielen Jahren erfolgreich in MVA’s im Einsatz sind.

Die Sperrluft hält korrosive Abgase fern und ist ein effizienter Schutz für Überhitzer und Membranwand. Je nach Auslegung der Anlage kann der Dampf um zusätzliche 40 – 50 °C überhitzt werden. Das System wurde umfangreich getestet und ist bereit für den kommerziellen Einsatz.

Bild 10: Fallstudie: Kombination der MVA Amsterdam mit einem Solarturmkraftwerk

(13)

96

HD- Turbine HP

Turbine Überhitzer

Solarfeld

air Abfall

Heißluftkreislauf Zwischen- über- hitzung

Kondensat- vorwärmung

G

Überhitzer Verdampfer Economizer

Feuerung

Speisewasser- behälter

Luftkonden- sator

Bild 11: Kombination einer MVA mit einem Solarkraftwerk zur Dampfüberhitzung

Bild 12: Prinzip des Wandüberhitzers

Die Weiterentwicklung dieses Gedankens führte zum Martin-Strahlungsüberhitzer (Bild 13), einem hocheffizienten, korrosionsbeständigen Überhitzersystem. Dieser Strahlungsüberhitzer ragt von der Kesseldecke in den 1. oder 2. Kesselzug hinein und

Membranwand Isolierung

Überhitzerrohr

SiC Keramik

Sperrluft

(14)

wird von einem speziell entwickelten System von hinterlüfteten Platten geschützt. Tests in einer kommerziellen Anlage laufen sehr erfolgreich seit mehreren Monaten. Das Verfahren wurde zum Patent angemeldet.

Bild 13: Der Strahlungsüberhitzer im Feuerraum einer MVA

Genauere Informationen werden in einem eigenen Beitrag an gleicher Stelle veröffentlicht.

3.4. Very Low NO

_x

(VLN)

Bild 14: Prinzipschema des VLN-(Very Low NO_x) Verfahrens

Standard:

400 bis 440 °C

mit Strahlungs- Überhitzer

480 °C

850 °C/ >> 2 s NH₃/Harnstoff

für SNCR NO_x < 80 mg/Nm³

NH₃ < 10 mg/Nm³

Letzte Luft- zugabe

VLN-Gas als Mischmedium

T < 300 °C

(15)

98

Um NO_x durch Primärmaßnahmen zu reduzieren, wurde zusammen mit Koopera- tionspartnern das VLN-(Very Low NO_x) Verfahren entwickelt und patentrechtlich geschützt. Hierbei wird Abgas über dem hinteren Bereich des Rostes abgezogen und weiter oben im 1. Kesselzug, knapp unterhalb der Eindüsung für die SNCR, wieder zugemischt. Dadurch kann die Sekundärluft reduziert und der Luftüberschuss am Kesselende sowie der Abgasvolumenstrom abgesenkt werden (Bild 14).

Das Verfahren wurde in der Anlage in Bristol/CT, USA, ausführlich getestet. NO_x- Werte unter 250 mg/Nm³ wurden ohne jegliche Sekundärmaßnahmen erreicht und mit SNCR sind NO_x-Werte deutlich unter 100 mg/Nm³ problemlos möglich.

Derzeit laufen mit diesem Verfahren im kommerziellen Dauerbetrieb und mit großem Erfolg die neue Linie der MVA Honolulu/HI, USA (Thermische Leistung = 105 MW) sowie die Linie 1 des MHKW Coburg, DE. In verschiedenen weiteren Anlagen, neuen oder bestehenden, ist VLN entweder in der Abwicklung oder in fortgeschrittenen Stadien der Diskussion/Verhandlung mit dem Kunden.

3.5. Very Low NO

_x

-Gasification Mode (VLN – GM)

Da einige Kunden an Vergasung anstelle von Verbrennung interessiert sind, wird derzeit eine Variante des VLN-Verfahrens weiterentwickelt, bei der über dem Verbrennungsrost eine Vergasungszone eingestellt wird (Bild 15). Da keine Sekundärluft mehr zugegeben wird, stellen sich im Bereich oberhalb des Rostes bis zur Eindüsung des VLN-Gases

Primärluft NO_x unbez.

< 150 mg/Nm³

VLN Gas NO_x

< 60 mg/Nm³ NH₃Eindüsung unterhalb

VLN-Level

Reaktionszone

Zumischluft Vergasungs-

zone

Bild 15: Prinzipschema des VLN-GM-(Very Low NO_x-Gasification Mode) Verfahrens

(16)

(17)

100

(18)

101 Abfallverbrennung im 21. Jahrhundert

deutlich unterstöchiometrische Bedingungen ein. Versuchsfahrten über mehrere Wo- chen an einer kommerziellen Anlage in der Schweiz haben belegt, dass dieses Konzept im Dauerbetrieb sicher gefahren werden kann. Der Vorteil liegt bei einer noch weiter abgesenkten Roh-NO_x-Konzentration im Abgas sowie weiter verringerten Luftüber- schusszahlen. Ein Nachteil gegenüber dem VLN-Verfahren kann sich bei schwierigeren Abfallqualitäten, tieferen Heizwerten und insbesondere bei nassem Abfall ergeben, wo ein Erreichen tiefer TOC-Konzentrationen in der Rostasche erschwert wird.

3.6. Materialrückgewinnung aus festen Verbrennungsrückständen und trockener Schlackeaustrag

Schlacke ist mit 20 – 25 % die bei weitem größte Fraktion an Reststoffen, die nach der Verbrennung bleibt. Diese enthält einen hohen Anteil an Eisen-Metallen (etwa 10 %) und Nichteisen-Metallen wie Kupfer und Aluminium (etwa 1 – 3 %). Der größte Teil sind aber Glas, Steine, Keramik und eine mineralische Fraktion die Chloride, Sulphate und Schwermetalle enthält. Nach einer Alterungszeit von etwa 3 Monaten sind die Eigenschaften dieser mineralischen Fraktion derart, dass sie für Bauzwecke eingesetzt werden kann, hauptsächlich im Straßenbau. Leider gibt es in der EU keine einheitlichen Regelungen, sowohl was die Testmethoden betrifft aber vor allem die Grenzwerte, bei deren Einhaltung diese mineralische Fraktion wieder verwertet werden kann.

In den letzten Jahren hat es eine ganze Reihe von Entwicklungen gegeben, mit verschiedenen Zielsetzungen. Eine Entwicklungsrichtung zielt auf die Verbesserung der Qualität der mineralischen Fraktion ab, sprich geringere Auslaugbarkeit von Schwermetallen durch weitergehende Sinterung/Verglasung der mineralischen Fraktion. Eine derartige Entwicklung ist SYNCOM-Plus. Eine andere Entwicklungsrichtung zielt darauf ab, die Schlackeaufbereitung der feucht ausgetragenen Schlacke zu verbessern und mehr Metalle sowie verschiedene mineralische Fraktionen nach Korngröße abzutrennen, die dann gezielter für unterschiedliche Anwendungen zum Einsatz kommen können. Dies wird z.B. bei Anlagen in Amsterdam, NL, und Indaver, BE, betrieben.

Vor allem die Schweiz verfolgt ein ganz anderes Ziel, nämlich aus trocken ausgetra- gener Schlacke mehr Metalle, speziell 0Nichteisenmetalle, in besserer Qualität und mit höherer Ausbeute als bisher möglich zurück zu gewinnen. Der trockene Austrag der Schlacke ist bei diesem Prozess ein unverzichtbarer erster Schritt, gefolgt von verschiedenen Ansätzen der weiteren Auftrennung der Stoffströme. Dabei wird bisher die mineralische Fraktion nicht wieder verwertet. Der trockene Austrag der Schlacke verhindert, dass die Feinfraktion, in der viele Schwermetalle enthalten sind, über alle Fraktionen verteilt wird. Zusätzlich spart dies Kosten, einerseits beim Wasserverbrauch sowie andererseits bei Transport und Deponierung, da allein das fehlende Wasser das Gewicht um 15 – 20 % verringert.

Derzeit existieren zwei Pilotanlagen in der Schweiz mit Trockenentschlackung, die KEZO Hinwil und die KVA Monthey. Die Anlage in der KEZO wird maßgeblich finanziert von der Stiftung Zentrum für nachhaltige Abfall- und Ressourcennutzung

(19)

102

(ZAR) und umfasst neben dem Schlacke-Trockenaustrag mittels Entschlackungskanal eine komplette Feinschlackeaufbereitung einschließlich einer sehr weitgehenden Rück- gewinnung von Fe-, Cu und Al-Metallen bis hin zu seltenen, wertvollen Elementen.

Die Anlage in Monthey beschränkt sich auf den trockenen Schlackeaustrag, wobei der vorhandene Stößelentschlacker ergänzt wurde um eine Entstaubungsanlage, die aus einem speziellen Treppen-Windsichter mit Absaugung und Entstaubungszyklon besteht (Bilder 16 und 17). Hierbei ist der Gedanke, die weitergehende Metallsepa- ration sowie die Aufbereitung der mineralischen Schlackefraktion nicht an der KVA selbst sondern in einer großen, zentralen Aufbereitungsanlage durchzuführen, die von mehreren trocken entschlackten KVA’s beliefert wird (Bild 18).

Bild 17: Austrags- und Sichtereinheit einer trockenen Entschlackung mit Entstaubung Bild 16: Prinzipskizze der Trockenentschlackung mit integrierter Entstaubung

Umgebungsluft

Schlackenstaub

Zyklon

Feinschlacke Grobschlacke Windsichter

Umgebungsluft

(20)

Bei Einsatz einer trockenen Entschlackung können prinzipiell auch andere wertvolle Metalle wie Gold, Silber und seltene Erden wieder gewonnen werden. Darüber hinaus bleiben die puzzolanischen Eigenschaften der mineralischen Fraktion erhalten, so dass deren Einsatz in der Zementindustrie sinnvoll erscheint.

3.7. Die MVA als Schadstoffsenke

Seit dem Ende der 1980’er Jahre wurde großer Wert auf die Reduktion von Emissionen (Staub, CO, C_xH_y, HCl, HF, SO₂, NO_x, Schwermetalle, PCDD/F usw.) in die Umgebung gelegt. Regelungen wie die 17. BImSchV in Deutschland, TVA in der Schweiz und die EU Abfallverbrennungs-Richtlinie EU/2010/75 wurden verabschiedet, mit sehr niedrigen Grenzwerten für die Emissionen von Schadstoffen aus Abfallverbrennungsanlagen. In vielen Fällen mussten die Technologien zur Einhaltung dieser Grenzwerte erst entwickelt und/oder verbessert werden, da sowohl Anlagenbauer wie auch Betreiber Neuland betra- ten. Dies wurde erfolgreich umgesetzt, jedoch mit hohem Aufwand und Kosten für die Entwicklung. Heute sind die tatsächlichen Restemissionen von Abfallverbrennungsanlagen soweit und so sicher unter den gesetzlichen Grenzwerten, dass Abfallverbrennungsanla- gen – wenn überhaupt – nur noch unwesentlich zur ubiquitären Luftbelastung beitragen.

Dies tritt besonders deutlich im direkten Vergleich mit anderen Industrien/Emittenten zu Tage, wie in Bild 19 am Beispiel der Emissionen von Dioxinen dargestellt wird.

Die sehr effiziente Abscheidung der Schadstoffe aus dem Abgas konzentriert diese in den Reststoffen aus der Abgasreinigung, wo sie definiert und kontrollierbar dem Stoff-Kreislauf entzogen werden. Damit kommt der Abfallverbrennung eine äußerst wichtige Funktion als Schadstoffsenke zu, die insbesondere in Zeiten der Kreislaufführung von Wertstoffen immer wichtiger wird. Ohne die Ausschleusung von Schwermetallen sowie die thermische Zerstörung des organischen Schadstoffpotenzials in unseren Restabfällen wären unsere Recyclingsysteme so weit von Schadstoffen belastet, dass Gesundheitsbedenken klare Grenzen der Recyclingquoten aufzeigen würden. Die wichtige Erkenntnis lautet: Ver- brennung und stoffliches Recycling ergänzen einander und stehen nicht im Widerspruch!

Bild 18:

Konzept eines Anlagenverbun- des mit Trockenentschlackung

Zentrale Trockenschlacke-

aufbereitung Dezentrale

Trocken- entschlackung

• Optimierte Technologie

• Hohe Durchsätze

• Metalle mit hohem Reinheitsgrad

• Verwertbare mineralische Fraktion

• Vermarktbare Mengen Dezentrale

Dezentrale Trocken- entschlackung

(21)

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4. Zusammenfassung

Die Abfallverbrennung auf Rostsystemen ist eine bewährte, sichere und zuverlässige Technologie für die Behandlung von Restabfällen, die Volumen und Gewicht der Abfälle deutlich reduziert. Die in den Abfällen enthaltene Energie kann effizient zu- rück gewonnen und in Form von Dampf, Strom oder jeder beliebigen Kombination nutzbar gemacht werden. Neueste Entwicklungen werden die Energieeffizienz von Abfallverbrennungsanlagen weiter steigern. Nach der Verbrennung verbleibende Fe- Metalle werden zu einem großen Teil wieder verwertet, wie auch bereits teilweise die NE-Metalle Aluminium und Kupfer. Zukünftig werden noch weitaus größere Anteile der NE-Metalle sowie noch wertvollere Metalle und seltene Erden aus den Verbren- nungsrückständen wiedergewonnen werden. Der mineralische Anteil der Schlacke dient dann als Baustoff u.a. im Straßenbau. Dabei sind die Emissionen dieser Anlagen dank modernster Verbrennungs- und Reinigungstechnologien vernachlässigbar gering.

Die Rostfeuerung als Basis weiterer Entwicklungen ist eine flexible Technologie, die an verschiedene Abfallzusammensetzungen angepasst werden kann – vom Abfall mit hohem Heizwert wie z.B. in vielen europäischen Ländern bis zum Abfall mit hohem Wassergehalt (und damit niedrigem Heizwert) in vielen Ländern in Asien.

Basierend auf den in diesem Beitrag vorgestellten Innovationen sowie weiteren Ent- wicklungen, bietet Martin zukünftig die MVA der nächsten Generation an (Bild 20). In diesem Konzept wird die Flexibilität für verschiedene/wechselnde Abfallqualitäten mit hoher Energieausbeute, einer weitgehenden Wiederverwendung von Restprodukten, niedrigsten Emissionen und einem langfristig planbar, zuverlässigen Betrieb verknüpft.

Bild 19: Dioxin-Emissionen aus Industrieanlagen in der EU-27, Daten aus 2007

Quelle: Screenshot von E-PRTR, European Pollutants Release and Transfer Register, http://prtr.ec.europa.eu/PollutantReleases.aspx 2. (b) Production of pig iron or steel including

continuous casting

6. (b) Production of paper and board and other primary wood products

1. (c) Thermal power stations and other combustion installations

4. (a) Industrial scale production of basic organic chemicals

2. (d) Ferrous metal foundries

5. (a) Disposal or recovery of hazardous waste 3. (c) Production of cement clinker or lime in rotary kilns or other furnaces

5. (b) Incineration of non-hazardous waste included in Directive 2000/76/EC – Waste incineration Other

5. (b) Incineration of non-hazardous waste included in Directive 2000/76/EC – Waste incineration

Total: 0.054322 kg 0.1 %

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Bild 20: Martin-MVA der nächsten Generation

5. Quellen

[1] Vaccani, Zweig & Associates: Worldwide Market Share Analysis of Thermal Waste Treatment Plants, Edition 2012

[2] Eigene Darstellung, basierend auf den Daten aus [1]

[3] Martin, V.; Pomp, S.; Gohlke, O.: Combining WTE and Solar Power – New Solutions for Susta- inable Energy Generation, IRRC, September 2012

[4] Screenshot von E-PRTR, European Pollutants Release and Transfer Register, http://prtr.

ec.europa.eu/PollutantReleases.aspx

Strahlungs- überhitzer

2 3

ECO ECO

Infrarotkamera VLN/VLN-GM

SNCR

Martin Infrared Combustion

Control

Rückschub-Rost Vario

SYNCOM/SYNCOM-PLUS 14 bar/320 °C 130 bar/440 °C

Zwischenüberhitzer Wärmetauscher-Umschaltung

Online-Reinigung

G

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106

(24)

Vorwort

4

Die Deutsche Bibliothek – CIP-Einheitsaufnahme Strategie Planung Umweltrecht – Band 7

Karl J. Thomé-Kozmiensky, Andrea Versteyl.

– Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2013 ISBN 978-3-935317-93-1

ISBN 978-3-935317-93-1 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky

Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2013

Redaktion und Lektorat: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Dr.-Ing. Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc.

Erfassung und Layout: Petra Dittmann, Sandra Peters,

Martina Ringgenberg, Ginette Teske, Ulrike Engelmann, LL. M., Ina Böhme Druck: Mediengruppe Universal Grafische Betriebe München GmbH, München

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