Effizienzsteigerung & Optimierung an Klärschlammverbrennungsanlagen

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1 Effizienzsteigerung & Optimierung an Klärschlammverbrennungsanlagen Dipl.- Ing. Josef Lux Dipl.- Ing. Lutz Schröder

2 Einleitung 4 Ein Großteil der bestehenden Klärschlammverbrennungsanlagen sind Jahre alt 4 Konzeption der älteren Anlagen war auf die gesicherte Entsorgung und Einhaltung der 17. BImSchV ausgerichtet 4 Aus heutiger Sicht tritt zunehmend die energetische Nutzung der Schlammverbrennung in den Vordergrund 4 Zur energetischen Optimierung sind die Anlagen zu prüfen und die Verbesserungsmöglichkeiten aufzuzeigen

3 Energetische Optimierungen Ziele 4Autotherme Verbrennung des Schlammes Verbrennung des Schlammes bei Temperaturen > 850 C ohne Zusatzbrennstoff 4Nutzung der freiwerdenden Energie für den Verbrennungsprozess z.b. Bereitstellung der Trocknungsenergie durch erzeugten Dampf Vorwärmung der Verbrennungsluft durch Dampf oder Rauchgasenergie Generation von elektrischer Energie für alle elektrischen Verbraucher der Verbrennungsanlage

4 Energetische Optimierungen Ziele 4Nutzung überschüssiger Energien für Verbraucher der Kläranlage Einspeisung von Wärme in ein Wärmeverbundnetz Einspeisung von elektrischer Energie in die Mittel- oder Niederspannungsanlage der Kläranlage 4Minimierung des Eigenenergiebedarfs und der Verluste Optimierte Gebläseanordnung Optimierte Schlammförderung Reduzierung der Abgasverluste

5 4 Beispiel 1: Reduzierung des Zusatzbrennstoffes für den Verbrennungsprozess 4 Beispiel 2: Nutzung der Brüdenabwärme aus der Trocknung zur Unterstützung der zentralen Heizungsanlage 4 Beispiel 3: Optimierung der Stromerzeugung durch Turbinenumstellung 4 Beispiel 4: Zweistufiger Verbrennungsprozess zur Reduzierung der Abgasverluste und des Energiebedarfs für die Gebläse

6 4 Beispiel 1: Reduzierung des Zusatzbrennstoffes für den Verbrennungsprozess Ausgangssituation: Die Schlammverbrennung erfordert kontinuierlich Zusatzbrennstoffe Aufgabe: Abstellen des Zusatzbrennstoffverbrauches bei nahezu gleicher Stromproduktion

7 Ausgangssituation

8 4 Lösungsansatz: Bilanzierung des Verbrennungsprozesses 4 Die eingehenden Energien sind den ausgehenden Energien gleichzusetzen 4 Optimierungsmöglichkeiten für diesen Fall Steigerung der Verbrennungslufttemperatur von 160 C auf 250 C Verringerung des Schlammwassergehaltes von 60 % WG auf 55 % WG, entsprechend 40 % TR auf 45 % TR

9 Beispiel 1: Ausgangssituation

10 Beispiel 1: Ergebnis 1. Ausgangsituation 2. optimierter Zustand

11 Beispiel 1: Ergebnis 4Maßnahmen: bessere Auslastung des HD-Luvos Schlammtrocknung bis 45 % TR Schließung des Turbinenbypasses Kondensationsenergie nach Turbine wird vollständig im Trockner gebraucht

12 4 Beispiel 2: Nutzung der Brüdenabwärme aus der Trocknung zur Unterstützung der zentralen Heizungsanlage Ausgangssituation: Eine Klärschlammverbrennungsanlage arbeitet mit vorgeschalteter Schlammteiltrocknung. Die Brüdenwärme wird durch einen Mischkondensator mit Dünnschlamm kondensiert. Aufgabe: Nutzung der Brüdenwärme für Heizzwecke

13 Beispiel 2: Nutzung der Brüdenwärme, Ausgangssituation

14 Beispiel 2: Umgebaute Anlage

15 4 Beispiel 2: Thermodynamisches Ergebnis Optimierung Heizdampfmenge kw 700 ~ 0 Generatorleistung kw Parameter Einheit Ausgangssituation Brüdenwärmetauscher kw Anlagenparameter: Frischdampf: 40 bar, 400 C Abdampfdruck: 0,1 bar Arbeitsdruck: 6 bar Brüdenmenge: 1,2 t/h

16 4 Beispiel 2: Ergebnis Mit der Einsparung von 700 kw Arbeitsdampfenergie durch die Brüdenkondensation konnte die Generatorleistung um 100 kw gesteigert werden. Die Umbaukosten von ~ konnten innerhalb eines Jahres amortisiert werden.

17 4 Beispiel 2: Konstruktive Umsetzung Ausführung als Doppelwärmetauscher

18 4 Beispiel 3: Optimierung der Stromerzeugung durch Turbinenumstellung Ausgangssituation: Eine Klärschlammverbrennung erzeugt 10 t/h Dampf bei 40 bar, 350 C. Mit einer einstufigen Turbine wird elektrische Energie erzeugt (500 kw). Der Abdampf (6 bar) dient zur Gebäudeheizung (1 t/h) und für die Schlammtrocknung (3,5 t/h). Überschüssiger Dampf wird über einen Luko kondensiert. Aufgabe: Untersuchung des Einsatzes einer zweistufigen Turbine

19 Beispiel 3: Ausgangssituation mit einstufiger Turbine

20 Beispiel 3: Umgebaute Situation

21 Beispiel 3: Ergebnisse Parameter Einheit WaKo (0,1 bar) Frischdampfmenge t/h Arbeitsdampfmenge t/h 6 4,5 3 Abdampfmenge t/h 4 5,5 7 Generatorleistung kw el

22 Beispiel 3: Kosten Parameter Kosten [ ] Turbinenanlage zweistufig, einschl. Dampf- und Kondensatleitung 1,25 Mio. Wasserkondensator Kühlwasserleitung (Zu- und Abführung) Bauteil E-Technik Gesamt Durch die zusätzliche Stromerzeugung findet im vorliegenden Beispiel bei einem Strompreis von 120 /MWh eine Amortisation innerhalb von 3 Jahren statt.

23 Beispiel 3: Aufstellung

24 4 Beispiel 4: Zweistufiger Verbrennungsprozess zur Reduzierung der Abgasverluste und des Energiebedarfs für die Gebläse Ausgangssituation: Die Schlammverbrennung steht vor der Erneuerung des Wirbelschichtofens Aufgabe: Optimierte Auslegung des Ofens in Hinsicht auf Energiebedarf und Abgasverluste nach Kessel

25 Ausgangssituation

26 Beispiel 4: Ergebnis

27 Beispiel 4: Ergebnis Ausgangs-situation Ergebnis Wirbelbettfläche 15 m² 10 m² Lastbereich % % Primärluftmenge m³ N,fe /h m³ N,fe /h Sekundärluftmenge m³ N,fe /h Rezirkulationsgasmenge m³ N,fe /h Rauchgasmenge m³ N,fe /h m³ N,fe /h Energiebedarf Gebläse 210 kw 181 KW Abgasverlust 2,1 MW 1,57 MW

28 Beispiel 4: Ergebnis 4Maßnahmen: Aufbau eines 2-stufigen Ofens 1. Stufe unterstöchiometrische Verbrennung 2. Stufe Nachverbrennung der Gase 4Vorteil: Reduzierung der Abgasverluste Reduzierung des elektrischen Energiebedarfs Verringerung der Wirbelbettfläche um ca. 30 % Weitestgehende Vermeidung von NOx Bildung Erweiterung des Ofenlastbereiches (50 100%)

29 Beispiele Weitere Optimierungsmöglichkeiten 4Verbesserung der Ofen- und Kesselisolierung 4Einbindung der Abgaswärme eines benachbarten BHKW in den heißen Rauchgasstrom Steigerung der Dampfmenge 4Bei trockener Rauchgasreinigung kann ggf. durch eine Restwärmenutzung zusätzliche Energie gewonnen werden 4Bei Neubau oder Modernisierung der Kesselanlage sollten die Dampfparameter auf höhere Energieausbeuten ausgerichtet werden 4Energieoptimierte Schlammförderung

30 Zusammenfassung 4 Nahezu alle deutschen Klärschlammverbrennungsanlagen sind zwischen Jahre alt. Diese Anlagen sind auf Entsorgungssicherheit und gute Reinigung der Rauchgase ausgerichtet. 4 Steigende Brennstoff- und Stromkosten erfordern neben dem sparsamen Umgang mit Energie eine besonders effektive Nutzung, auch der durch die Schlammverbrennung freigesetzten Energie 4 Anhand von Beispielen konnte gezeigt werden, dass durch optimierte Schlammtrocknung und Luftvorwärmung auf Zusatzbrennstoff ganz verzichtet werden kann. die Nutzung von Brüdendampfenergie ein wesentlicher Anteil der Wärmeversorgung ist. durch den Einsatz einer geeigneten Turbine die Stromerzeugung erheblich zu steigern ist. eine 2 stufige Ofenbauweise den Eigenenergiebedarf sowie die Anlagenverluste verringern kann.

31 Danke für Ihre Aufmerksamkeit