La co-combustion bois-charbon

BOIS-ENERGIE MULHOUSE 2001

Mitverbrennung von Biomasse in Kohlekraftwerken Das EU-Demonstrations Projekt BioCoComb und die Mitverbrennung am integrierten Biomasse-Rost

Gerhard MORITZ, Verbund, Austria

Vortragsinhalte

• Das Geschäftsfeld Erzeugung im VERBUND • VERBUND: Grundsatzüberlegungen zur Stromerzeugung aus Biomasse • Konzepte zur Mitverbrennung von Biomasse • Integrierter Biomasse-Rost in St. Andrä • Das EU-Demonstrations Project BioCoComb in Zeltweg • Erkenntnisse und Ausblick

G

~

Das Gesch채ftsfeld Erzeugung im VERBUND Austrian Hydro Power AG

57 Wasserkraftwerke

Austrian Thermal Power AG

5 Dampfkraftwerke

14 Speicherkraftwerke

Stromerzeugung

Wasserkraftwerke

75 % 16 %

Speicherkraftwerke

9%

Dampfkraftwerke

VERBUND und Biomasse • Studien – Energetische Verwertung von Biomasse (Varianten, Verfügbarkeit der Biomasse und Kosten) – Rationalisierung der Bereitstellung von Biomasse – Strom- und Wärmeerzeugung aus Biomasse – Kompostierung von Biomasseaschen – Modellierung von Vergasungsprozessen

• Projekte – Biomasse-Fernwärmeversorgung St. Andrä (7 MWth) – Integrierter Biomasserost St. Andrä (10 MWth) – Biomassevergasungsanlage Zeltweg (10 MWth)

Grundsatzüberlegungen •

Dezentraler Anfall und geringe Energiedichte von Biomasse – Hohe Transportkosten – Keine besondere Eignung als Hauptbrennstoff in Wärmekraftwerken

• Stromerzeugung in dezentralen Kleinkraftwerken – Hohe spezifische Investitionskosten – Hoher spezifischer Personalaufwand – Geringer Wirkungsgrad und unwirtschaftlicher Betrieb im Vergleich zu Grosskraftwerken Mitverbrennung als Zusatzbrennstoff in Grosskraftwerken

Vorteile des Biomasse-Einsatzes in Grosskraftwerken

• Nutzung der bestehenden Infrastruktur: Kessel, Gebäude, Dampfprozess, Generator, Rauchgasreinigungsanlagen usw.

• Hoher Wirkungsgrad der Grossanlage ist für die Verstromung der Biomasse nutzbar • Grosskraftwerke sind flexibel in bezug auf die Zufeuerungsmenge

Vorteile des Biomasse-Einsatzes in Grosskraftwerken

• Die Grösse der Mitverbrennungsanlage kann an das regionale Biomasseaufkommen angepasst werden • Geringe zusätzliche CO2-Emissionen resutierend aus dem Transport der Biomasse • Verglichen mit Kleinanlagen: Geringere spezifische Investitionskosten Geringere Betriebskosten Annäherung an die Wirtschaftlichkeit

Konzepte zur Mitverbrennung von Biomasse in Grosskraftwerken B io m a s s e b r e n n k a m m e r e x te rn

K essel

R auchgas m a x . 1 0 0 0 °C B io m a s s e

B io m a s s e r o s t u n te r d e m F e u e rra u m d e s K e s s e ls

K essel

B io m a s s e

R o s tfe u e r u n g B io m a s s e r o s t

B io m a s s e m ü h le B io m a s s e s ta u b B io m a s s e

B io m a s s e v e r g a s e r K essel

H e iß g a s m it H o lz k o h le n s ta u b B io m a s s e

M ü h le

V e rg a s e r

K essel

Bei der Mitverbrennung von Biomasse zu beachtende Problemkreise • Verbrennungszeit im Feuerraum 2 - 3 sec.

• Kesselverschlackung (tieferer Asche-Erweichungspunkt) • Hochtemperaturkorrosion (bei Mitverbrennung Cl-haltiger Biomassen) • Auswirkungen auf Katalysatoren (Deaktivierung durch Alkalien) • Auswirkungen auf die Verwertbarkeit der Asche • Kesselverhalten (höherer Feuchtegehalt als Steinkohle, grösseres Rauchgasvolumen)

Verbrennung der Biomasse in einer externen Brennkammer

• Verschlackungsprobleme am Rost: Verbrennungstemperatur < 1.000 °C Luftüberschuss ca. 3

K essel R auchgas m a x . 1 0 0 0 °C B io m a s s e R o s tfe u e r u n g

• Standard-Rost-Systeme können nicht mit Überdruck betrieben werden Rauchgasgebläse für derart hohe Temperaturen sind nicht verfügbar Abfuhr der Rauchgase über den Feuerraum-Unterdruck • Grosse Querschitte der Verbindungsleitung

Mahlung von Biomasse und direkte Einblasung in den Feuerraum

B io m a s s e s ta u b

• Grösse der Biomassepartikel < 400 µm Hoher spezifischer Energiebedarf für die Mahlung (70 - 100 kWh pro t)

K essel

B io m a s s e M ü h le

• Energiebedarf ist abhängig vom Biomasse Feuchtegehalt Feuchtes Holz ist zäh und schwer mahlbar • Reduktion des Energiebedarfes und Verhinderung von Mühlenbränden: Mahlung unter O2-Mangel in Rauchgasatmosphäre (ähnlich der Mahltrocknung von Braunkohle)

Dampfkraftwerk St. Andr채

Inbetriebsetzung: 1959 Leistung:

124 MWel

Modernisierung:

1994 - 1996

Brennstoff:

Steinkohle und Mitverbrennung von Biomasse und EBS

Entschwefelung: ZWS - halbtrocken NOx - Reduktion:

Prim채re Massnahmen

Entstaubung:

Schlauchfilter

Integrierter Biomasserost Kohlebrenner K essel

B io m a s s e

B io m a s s e r o s t

Biomasseaufgabe

Biomasseaufgabe

Auslegungsleistung: 10 MWth

Nassentschlacker

Rost

Biomassebedarf:

16 m3/h

Gesamtkosten:

â&#x201A;Ź 1,45 Mio.

Vorteile eines integrierten Biomasserostes

• Geringe spezifische Investitionskosten • Flexibler Betrieb in bezug auf Leistung und Brennstoff • Das Rauchgas gelangt direkt in den Feuerraum des Grosskessels Keine Rauchgasleitung Keine Wärmeverluste

Betriebserfahrungen

•

Maximale Leistung:

< 20 MWth

•

Keine Probleme mit dem Rost seit der Inbetriebnahme

•

Probleme mit Selbstentzündung am Lagerplatz Kompakte Aufhaldung mittels Radlader

•

Probleme mit der Förderanlage Hoher Fremdkörperanteil (Steine, Metalle udgl.)

Hoher Anteil von „Überkorn“ Nur aufbereitete Biomasse (max. 300 mm)

Betriebsdaten

Betriebsstunden:

< 8.000 h

Brennstoffverbrauch: Biomasse (Rinde und Hackgut):

10.500 t (40.000 m続)

Ersatzbrennstoffe: Altholz: Kunststoffe: Papier und Pappe: Rejectmaterial: Erzeugung (elektrisch):

6.300 t davon: 4.370 t 400 t 30 t 1.500 t 21.000 MWh

Dampfkraftwerk Zeltweg

Inbetriebsetzung: 1962 Leistung:

137 MWel

Modernisierung:

1990 - 1993

Brennstoff:

Steinkohle und Mitverbrennung von Biomasse und EBS

Entschwefelung: ZWS - halbtrocken NOx - Reduktion:

SNCR

Entstaubung:

Elektrofilter

Kalte Reserve:

seit April 2001

EU-Demonstrationsprojekt BioCoComb Vergasung von Biomasse und Zufeuerung H e is s g a s le itu n g

H e iß g a s m it H o lz k o h le n s ta u b

K essel

Z y k lo n

B io m a s s e V e rg a s e r

V e rg a s e r H e is s lu ft

Auslegungsleistung:

10 MWth

Biomassebedarf:

16 m3/h

S ta r tb r e n n e r S ip h o n B io m a s s e e in tr a g

Gesamtkosten (incl. Versuchspr.): € 4,65 Mio. Errichtungskosten (incl.Abwickl.): € 3,70 Mio.

S a n d a u s tra g

BioCoComb = BIOfuelpreparation for CO-COMBustion

Vergasungskonzepte f체r Biomasse E in s a tz d e s P r o d u k tg a s e s in e in e r G a s tu r b in e /e in e m G a s m o to r

V erg a s er

B io m a s s e

V o rtro c k u n g

(D ru c k v e rg a s u n g )

A n fo r d e r u n g e n d e r G a s tu r b in e /d e s G a s m o to r s : G a s h o h e r R e in h e it u n d Q u a lit채 t

G a s tu r b in e oder G a s m o to r

H e is s g a s R e in ig u n g

E in s a tz d e s P r o d u k tg a s e s a ls B r e n n s to ff in e in e m K o h le k e s s e l

B io m a s s e

k e in e V o r tr o c k u n g

k le in e r V e rg a s e r

A n fo r d e r u n g e n d e s K o h le k e s s e ls : K e in e b e s o n d e r e G a s q u a lit채 t e r fo r d e r lic h

K essel

k e in e H e is s g a s -R e in ig u n g

Vorteile der BioCoComb-Anlage • Keine Vortrocknung der Biomasse erforderlich • Keine Produktgaskühlung oder -reinigung (Teerproblematik) • Nur partielle Vergasung ⇒ wesentlich red. Vergaservolumen • Keine Verschlackung wegen relativ niedriger Temperaturen im Vergaser (ca. 850 °C) • Grosse Flexibilität hinsichtlich Aufstellung und Integrierung in die bestehende Anlage • Bestehender Kohlekessel bleibt weitestgehend unverändert • NOx-Reduktion durch „reburning“

V e rg a s e rg e b ä u d e B io m a s s e la g e r

Kooperation von europäischen Partnern E N E L (I):

V E R B U N D (A ): P r o je k t- K o o r d in a t io n ; a llg e m e in e A b w ic k lu n g d e s P r o je k te s ; B e tr ie b d e r A n la g e u n d A n a ly s e d e s A n la g e n b e tr ie b e s ; E ig e n t ü m e r d e r D e m o n s t r a tio n s a n la g e .

D e f in it io n d e r o p t im a le n G a s e in d ü s e s t e lle in d e n F e u e r r a u m d e s K o h le k e s s e ls u n t e r B e r ü c k s ic h tig u n g d e r A u s b r e n n z e it d e r H o lz k o h le p a t ik e l u n d d e r N O x - R e d u k tio n d u r c h “ r e b u r n in g ” M e s s u n g e n a n d e r A n la g e b e t r e ff e n d d ie Q u a lit ä t d e s P r o d u k t g a s e s , d e s B r e n n s t o ff e s u n d d e s R e s t s t o ff e s , s o w ie d e r e n A n a ly s e u n d A u s w e rtu n g .

E V S (D ): R auchgasr e in ig u n g s a n la g e n

K o h le

B io m a s s e

V e rg a s e r r e b u r n in g

G

A n a ly s e d e r L a n g z e it a u s w ir k u n g e n d e r B io m a s s e M itv e r b r e n n u n g a u f n a c h g e s c h a lt e te S C R - D E N O X A n la g e n u n t e r Z u h ilf e n a h m e d e r M e ß e r g e b n is s e a n d e r e r P a r tn e r.

~ D a m p ftu r b in e

K essel K o h le m ü h le

W is s e n s c h a ft lic h e B e r a tu n g : A sche

E r a r b e itu n g e in e s C o m p u te r S im u la t io n s p r o g r a m m e s z u r B e re c h n u n g d e s V e rg a s u n g s p r o z e s s e s u n te r B e r ü c k s ic h t ig u n g d e r M e ß e r g e b n is s e

E S B (IR ):

A E (A ):

P la n u n g d e r M e ß - u n d R e g e lt e c h n ik

L ie fe r a n t d e r A n la g e ( E n tw u r f, A u s le g u n g , K o n s t r u k tio n u n d In b e tr ie b s e tz u n g )

T U -G ra z (A )

F ö rd e ru n g e n : E U -T H E R M IE IT F - Ö s t e r r e ic h

BioCoComb: Ziele und Resultate Ziel: Demonstration einer neuen Technik zur Mitverbrennung von Biomasse in kohlestaubgefeuerten Kraftwerksanlagen

Technologie: – Partielle Vergasung in einer zirkulierenden Wirbelschicht – Verbrennung des Produktgases (inkl. Holzkohlepartikel) im Feuerraum des Kraftwerkskessels

Ergebnisse: – Marktreife einer neuen, innovativen und kostengünstigen Technologie – CO2-Reduktion duch Substitution von Kohle – Reduzierung des Imports von Primärenergie – Impulse für die Land- und Forstwirschaft der Region

Vergaser und Kesselhaus

1 9 ,0 0

1 0 ,0 0

K e s s e lh a u s K essel

V e rg a s e r

K o n tr o llr채 u m e

Betriebserfahrungen •

Keine Probleme mit dem Wirbelschichtvergaser seit der Inbetriebnahme

•

Elastisches Verhalten bei Lastwechseln und bei Änderung der Brennstoffqualität

•

Keine Probleme beim Umstieg vom Verbrennungsin den Vergasungsbetrieb und umgekehrt

•

Qualität des Produktgases eignet sich gut für die Mitverbrennung im Kohlekessel

•

NOx-Reduktion durch „reburning“

•

Maximale Leistung:

< 21 MWth

Betriebsprobleme Biomasse-Förderanlage

8

4

9

2

m a x ./ m a x . m ax.

10

3 m in .

5

11 6

12

V e rg a s e r

13

M 7

14

M

1 2 3 4 5 6 7

S chub- bzw . Zugboden A b k r a tz w a lz e Q u e r f ö r d e r e in r ic h tu n g Ü b e r b a n d - M a g n e ta b s c h e id e r S c h e ib e n s ic h te r Z e r k le in e r u n g s a g g r e g a t F ö rd e r b a n d fü r d a s F e in k o r n

8 9 10 11 12 13 14

B e c h e rw e rk Z w is c h e n s ilo S ilo a u s tr a g s e in r ic h tu n g D o s ie rs c h n e c k e D o s ie rb a n d D o s ie rb a n d w a a g e D o p p e lz e lle n r a d s c h le u s e

Betriebsdaten Betriebsstunden:

ca. 2.200 h

Brennstoffverbrauch: Biomasse (Rinde und Hackgut):

7.000 t (27.000 m³)

Ersatzbrennstoffe: Altholz: Kunststoffe: Klärschlamm: Eisenbahnschwellen: Abfälle aus der E-Schrottverwertung:

2.000 t davon: 1.500 t 50 t 50 t 200 t

Erzeugung (elektrisch):

9.800 MWh

200 t

Erkenntnisse und Ausblick •

Betriebserfahrungen der beiden VERBUND-Biomasseanlagen sind positiv und demonstrieren den praktischen Einsatz der Verstromung von Biomasse

•

Die Mitverbrennung in Kohlekraftwerken ist eine kostengünstige Möglichkeit Biomasse zur Stromerzeugung zu nutzen

•

Die Flexibilität, sowohl in der Brennstoffpalette als auch in der Last, ermöglicht eine breite Brennstoffauswahl

•

Es bedarf jedoch politischer Lenkungsinstrumente, um wirtschaftliche Nachteile der Biomasse gegenüber fossilen Brennstoffen auszugleichen (Einspeisetarife etc.)

Diese sind derzeit in Europa generell in Ausarbeitung

Projektuntersuchung für das Kraftwerk St. Andrä: Baugrössenvergleich 3 3 5 0 0 ,0

Sc

up e al

Fa

kt

10 r o

2 1 5 0 0 ,0

10 M W

th

V e rg a s e r

100 M W

th

V e rg a s e r

Das BioCoComb Prozess-Schema STO KER FEED ER

B UC KE T ELEVATO R

M E TA L S E PA R ATO R

C L A S S IF IE R

IN T E R - M E D IA T E F U E L S IL O

SC REW C O N VEYO R P R O D U C T -G A S D U C T T O B O IL E R

FU

C YC LO NE

W E IG H IN G B E LT C O N V E Y O R

C O M P R E S S E D A IR SAN D S IL O

W A T E R C O O L IN G

IG N IT IO N G A S FU EL C HU TE

G A S IF IE R

L IG H T O IL

O IL BU R N ER A IR F R O M E X T E R N A L A IR P R E H E A T E R

A S H C O O L IN G S C R E W C O O L IN G W A T E R

A S H R O TA R Y FE E D E R

T R A IL O R

Die BioCoComb-Anlage im Schnitt