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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

La co-combustion bois-charbon  

• Geringe zusätzliche CO 2 ­Emissionen resutierend aus  dem Transport der Biomasse • Reduktion des Energiebedarfes und Verhinderung von  Mü...

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