Entwicklung und Realisierung des Heizkraftwerks Berlin mit 20 MWe

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Entwicklung, Realisierung und Betriebserfahrungen des Heizkraftwerks Berlin mit 20 MWe und 80 MWth für 262'000 Tonnen Altholz pro Jahr
September 2004 / Ernst Schenkel, SEU Schenkel AG, CH-4852 Rothrist
Entwicklung und Realisierung des Heizkraftwerks
Berlin mit 20 MWe und 80 MWth für 262'000 Tonnen
Altholz pro Jahr
Ernst Schenkel, SEU Schenkel AG, CH-4852 Rothrist
Das Holz-Heizkraftwerk in Zahlen
360.000 MW/h Wärmeenergie für 20.000
Wohneinheiten und 50.000 Einwohner.
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•
•
106 MW Feurungswärmeleistung
20 MW Elektrische Leistung
ca. 262‘000 Tonnen/Jahr Brennstoff
8. Holzenergie-Symposium, 15. Oktober 2004, ETH Zürich
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1. Einleitung & Hintergrund
Die Kesselanlage dient der Verbrennung von Altholz um Dampf für Fernwärme und
Stromgenerierung zu erzeugen. Die Anlage besteht aus zwei parallelen, autonomen
Verbrennungslinien, deren Hauptkomponenten ein wassergekühlter Vorschubrost,
Naturumlaufkessel, die zugehörigen Nebengewerke sowie die Rauchgasreinigung
sind.
Das neue Fernwärmekraftwerk (FWKW), Berlins erstes Holzheizkraftwerk, wurde auf
dem 35’000 Quadratmeter grossen Grundstück des Energieversorgungsunternehmens Harpen EKT an der Kanalstrasse in Berlin-Neukölln errichtet. Harpen investierte ca. 80 Millionen Euro in die Anlage, welche ab Herbst 2004 etwa 20’000 Wohnungen des Stadtteils Gropiusstadt mit Heizwärme und Warmwasser versorgen wird. Als
Folge sollen die Heizkosten im Stadtteil Gropiusstadt im Vergleich zu heute um 30
Prozent sinken. Als Nebenprodukt speist die Anlage noch 20 MW Strom ins übrige
Berliner Netz.
Pro Jahr werden so in dem Holzheizkraftwerk bis zu 262’000 Tonnen Altholz verbrannt. Dazu werden täglich drei Schiffsladungen mit je 500 Tonnen geschreddertem
Holz benötigt, welches über den angrenzenden Teltowkanal angeliefert wird.
Die Harpen EKT ist für diese Anlage mit dem 1. Preis der Berliner Klimaschutzpartner ausgezeichnet worden. In der Kategorie "Erfolg versprechende und innovative
Ideen" würdigte ein Gremium aus Stadtentwicklungsverwaltung, Baukammer, Industrie- und Handelskammer sowie der Wohnungsbaugesellschaften Berlins das Holzheizkraftwerk, weil es u.a. jährlich über 235’000 Tonnen weniger Kohlendioxid produziert als andere, mit Kohle befeuerte Heizkraftwerke. Zudem entstehen im neuen
Werk 70 neue Arbeitsplätze.
Im Bezirk war das Kraftwerk zu Beginn umstritten. Das Landesamt für Arbeitsschutz,
Gesundheitsschutz und technische Sicherheit hat die Errichtung aber schlussendlich
mit Auflagen bewilligt. Etwa die Hälfte des Holzes muss auf dem Wasserweg antransportiert werden. Des Weiteren darf als Brennstoff lediglich Biomasse verwendet
werden. Somit ist dieses Heizkraftwerk bundesweit das erste seiner Art, das inmitten
einer Wohnsiedlung gebaut wird.
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2. Beschreibung der Kesselanlage
Abbildung 1-1: Gesamtanlage
Die kennzeichnenden Hauptmerkmale und -komponenten dieser Kesselanlage sind
der horizontale, wassergekühlte Vorschubrost und der horizontale, tiefliegende Dackelkessel. Die Anlage besteht aus zwei baugleichen Linien.
Diverse, entscheidende Gründe sprechen für den Einsatz des horizontalen, tiefliegenden Dackelkessels mit wassergekühltem Rost:
•
mehrfach in der Praxis (Müllverbrennungsanlagen) bewährt
•
kontrollierte Feuerführung mit einem gleichmässigen Gasausbrand
•
massiv geringere thermische und mechanische Beanspruchung und damit
wesentlich geringerer Verschleiss (Rostelemente aus Guss mit einem Anteil
von 27 % CrNi)
•
Flexibilität des Brennstoffeinsatzes, weil Brennstoffe mit einer grösseren Heizwertspanne und grösserer Abmessungen (bis 1 m Länge) einsetzbar sind
•
geringere Rauchgasvolumina durch reduzierten Luftüberschuss (ca. 1,4)
•
bessere Zugänglichkeit für Wartung bzw. Austausch von Wärmetauscherpaketen
•
grössere Quer- und Längsabmessungen ergeben eine grössere Heizfläche.
Daraus resultieren ein schonender Wärmeübergang und besser bestimmbare
Temperaturfelder.
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2.1. Anlagen-Kenndaten
Input:
•
•
•
Brennstoff:
Holzverbrauch:
Stützbrenner:
Altholz der Klasse A I – A IV
14 - 16 Tonnen pro Stunde pro Kessellinie
2 x 13.5 MW pro Kessellinie
Output:
•
•
•
•
Dampferzeugung:
Stromgenerierung:
Rauchgasmenge:
Wirkungsgrad:
2 x 60 Tonnen pro Stunde (450°C, 66 bar)
20 MWel (davon werden ca. 10% als Eigenbedarf genutzt)
107'000 Nm3 pro Stunde pro Kessellinie (am Kamin)
90.8% (rechnerisch)
Stahlbau:
•
Gewichte:
Kessel:
• Abmessungen:
Rost:
• Rostfläche:
• Heizfläche:
Gebäude =
Kessel =
1'387 Tonnen (gesamthaft)
2 x 810 Tonnen (leer, ohne Ausmauerung)
Länge inkl. Rost
Breite über Trommel
Höhe inkl. Rost
=
=
=
12 m
11,5 m
27 m
6.9 x 9.8 Meter = 67,62 m2 pro Rost
Feuerraum (1. Zug)
= 472
Strahlraum 1 (2. Zug)
= 220
Vor-Verdampfer:
= 231
Überhitzer 2 (End)
= 692
Überhitzer 1
= 1'384
Economiser
= 2'958
Luvo
= 708
m2
m2
m2
m2
m2
m2
m2
----------------------------
Gesamt
= 6'665 m2
===========
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Da die Lage des Minimums und Maximums der Dampfganglinie aufgrund des
schwankenden Dampfbedarfs der Abnehmer jahreszeitlich bedingt ist, werden überschüssige Dampfmengen zur Stromerzeugung ausgeschleust. Hierbei ist eine Leistung von ca. 20 MW vorgesehen.
2.2. Liste der Anlagen-Hauptkomponenten
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•
•
•
Zwei komplette Wasserrohrkessel inkl. Rohrleitungssystem und Armaturen
→ Stütz- und Anfahrbrenner inkl. Verbrennungsluftgebläse
→ Primärluftgebläse, Sekundärluftgebläse und Rezirkulationsluftgebläse
→ Förderer Schlacke
→ Förderer Flugasche
→ Regelungen und Steuerungen sowie sicherheitstechnische Überwachungseinrichtungen
Zwei komplette Rostanlagen inkl. Rostkühlkreislauf und Rückkühleinheit
Brenneranlage zur Stütz- und Zündfeuerung
Hydraulikanlage zum Antrieb von Brennstoffbeschickung und Rostanlage
Stahlbau für Gebäude und Kessel
Brennstoffbeschickungsanlagen zu beiden Kesseln (Schacht und Aufgabe)
SNCR-Eindüsung, inkl. Tanklager
Verbrennungsluftversorgung, inkl. Ventilatoren und Regelung
Heizflächenreinigung mit Wasserlanzen, Klopfwerken und Russbläsern (luftbetrieben)
Entaschungsanlage für Rost- und Flugasche
Verkabelung, Schaltschränke und Steuerungsplanung für alle gelieferten
Komponenten
Isolierung (komplett)
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3. Brennstoffversorgung & Beschickung
Die Anlieferung des Brennstoffs Holz erfolgt im Normalfall in Kanalschiffen direkt vom
Schredderwerk an die anlageneigenen Piers. Becherwerke fördern von dort die
Schnitzel in hohe Silos, wo sie zwischengelagert werden. Bei Bedarf werden sie aus
den Silos abgerufen und über weitere Becherwerke automatisch in die Zwischenbunker gehoben.
Die Zwischenbunker sind mit Schubböden ausgerüstet, welche den Brennstoff in Abhängigkeit des Füllstandes, überwacht durch Füllstandsmelder im Fallschacht, nachfüllen. Der untere Teil des Fallschachtes ist ausgemauert ausgeführt und zum Schutz
vor Wärmestrahlung aus dem Feuerraum mit Wasser gekühlt. Aus dem Fallschacht
gelangt der Brennstoff mit Hilfe der Dosierung, ausgeführt als hydraulisch betriebener
Hubzylinderstössel, auf den kontinuierlich arbeitenden Vorschubrost. Die Eintragsmenge Holz pro Zeiteinheit wird durch die Vorschubgeschwindigkeit des Zylinders
geregelt.
Im Bedarfsfall (z.B. bei einem Brand) kann durch Verschieben des Schiebers der in
der Beschickung verbleibende Brennstoff vom Feuerraum abgetrennt werden. Die
Verbrennung auf dem Rost bzw. im Feuerraum wird über eine Videokamera kontinuierlich überwacht. Diese Zone ist mit einer automatischen Löscheinrichtung (Wasser)
gemäss VdS ausgerüstet.
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4. Rostfeuerung & Verbrennungsluft
Abbildung 1-2: Verbrennungsrost inklusive Ausbrandrost
Der Verbrennungsrost ist als wassergekühlter Vorschubrost in 5-zoniger Luft- und 3zoniger Rostausführung ausgelegt. Der Rostbelag besteht aus alternierend festen
und beweglichen Roststabreihen. Durch die Wasserkühlung ist der Verschleiss der
Rostelemente, bedingt durch die geringe Oberflächentemperatur von ca. 140 °C,
deutlich niedriger als bei konventionellen Rosten. Bis zu 40'000 Betriebsstunden
müssen so garantiert weniger als 10% der Elemente, bis 56'000 Stunden max. 40%
ersetzt werden. Bei Ausfall der Wasserkühlung kann der Rost, unter Anpassung der
Verbrennungsluft, auch als luftgekühlter Rost weiterbetrieben werden.
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Abbildung 1-3: Finite Elemente Methode Berechnung der wassergekühlten Roststäbe
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LUVO
ca. 75 °C
ca. 25 °C
ca. 90 °C
Zusatz- /
Notkühler
Rostfläche: 67 m²
Abwärme: 30 kW/ m²
M
Hydraulikzylinder
Kühlung Schleusen 2. Zug
Sturz und
Umlenkbalken
ca. 70 °C
Pumpen
Expansionsgefäss und
Nachspeiseeinrichtung
Abbildung 1-4: Schema der Rostkühlung
Die Verweilzeit des Brenngutes vom Eintrag in den Feuerraum bis zum Schlackeabwurf liegt in Abhängigkeit vom Heizwert des Brennstoffs zwischen ca. 30 – 90 Minuten um einen vollständigen Ausbrand sicherzustellen.
Die bei der Verbrennung anfallende Rostschlacke fällt am Rostende in einen Fallschacht, dessen unterer Teil bis in das Wasserbad des Nassentschlackers reicht,
und schliesst so den Feuerraum luftdicht ab.
Im Wasserbad des Nassentschlackers wird die Rostschlacke abgekühlt. Wasserverluste durch Verdampfen und Austrag mit der Rostschlacke werden durch Brauchoder Prozesswasser ersetzt.
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Frischluft (-10 °C - +30 °C)
Abluft aus Kesselhaus (ca. 35 °C)
Rost-LUVO
ca. 75 °C
LUVO
Rauchgas
Saugzuggebläse
RauchgasReinigung
ca. 120 °C
ca. 105 °C
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
Zone 1
M
M
M
Zone 2
Zone I
Zone II
Zone III
Zone IV
Zone V
Primärluft
Zone 3
Seitenluft
Sekundärluft
Abbildung 1-5: Schema der Verbrennungsluft
Die für die Verbrennung erforderliche Verbrennungsluft wird als Frischluft aus dem
Kesselhaus und aus dem Freien abgesaugt und gelangt über den Luftvorwärmer
(Luvo) und Luftkanäle in die einzelnen Verbrennungszonen. Zusätzlich wird ein Teilstrom des Reingases nach der Rauchgasreinigung, d.h. kurz vor dem Kamin, abgezweigt und der (frischen) Verbrennungsluft beigemischt. Diese sog. Reziluft enthält
bedeutend weniger Sauerstoff (ca. 6 Vol.-%) und dient somit ebenfalls der Regelung
der Abbrandgeschwindigkeit und der Feuerraumtemperatur.
Das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Sekundärluft und Reziluft wird mittels Mengenerfassung und Regelklappen automatisch eingestellt.
Die Primärluft, eine von der FLR definierbare Mischung aus Frisch- und Reziluft, wird
von unten durch die einzelnen Rostzonen (5) gedrückt und ist hauptsächlich für die
Verbrennung des Holzes verantwortlich. Durch die gezielte Aufteilung der Luft auf die
verschiedenen Rostzonen und die Seitenwände sowie Sekundärluft, wird der
Verbrennungsablauf optimal gesteuert. Dadurch, dass der Rost wassergekühlt und
somit nicht anfällig auf lokale Überhitzung ist, ist die Primärluftmenge, anders als bei
klassischen luftgekühlten Rosten, unabhängig von der Rosttemperatur. Dies hat den
Vorteil, dass dadurch die Priorität ausschliesslich in der Verbrennungsführung liegt,
und der Prozess nicht durch die minimale Luftmenge zur Kühlung der Rostelemente
eingeschränkt ist.
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Die oberhalb der Feuerung eingedüste, von der FLR definierte Luftmenge, eine Mischung aus Frisch- und Reziluft, erzeugt an dieser Stelle eine Rauchgasturbulenz
und sorgt dafür, dass auch die letzten brennbaren, gasförmigen oder feinkörnigen
Teilchen vollständig ausbrennen. Die Einstellung der Luftdüsen, d.h. deren Anordnung auf der Vorder- und Rückwand, Stellwinkel, Mengenprofil etc. sind entscheidende Faktoren für die Ausbrandgüte und werden durch Strömungssimulationen
festgelegt.
Es wird sichergestellt, dass die Verweilzeit des Rauchgases in der Nachbrennzone
(nach der letzten Verbrennungsluftzufuhr) grösser als 2 Sekunden bei einer Temperatur von mind. 850 °C und einem Sauerstoffgehalt im trockenen Rauchgas von
mind. 6 % beträgt.
Die Erweiterung des Feuerraumquerschnitts gewährleistet durch die absinkende
Rauchgasgeschwindigkeit, dass nur feinkörnige Feststoffteilchen ausgetragen werden und gröbere Teilchen wieder zurück auf die Rostfeuerung fallen.
Zum An- und Abfahren der Anlage werden die beiden mit Erdgas betriebenen Stützbrenner verwendet. Die Brennerleistung wird entsprechend dem Temperaturanstieg
im Feuerraum geregelt. Erst nach Erreichen der Verbrennungstemperatur im Feuerraum kann die Beschickung mit Holz erfolgen. Die Brenner werden auch zugeschaltet, wenn eine Unterschreitung der Mindesttemperatur von 850 °C droht. Sie dienen
auch zur Temperaturhaltung beim Leerfahren des Brennraums.
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5. Dampferzeugung
Abbildung 1-6: Kesselanlage (Dackelkessel, horizontal), mit Rost
Der Dampferzeuger ist als Wasserrohrkessel mit zwei vertikalen Kesselzügen und
einem tiefliegenden Tail-End ausgeführt. Die Rauchgasführung erfolgt vom Feuerraum über den Strahlungsraum (2. Zug) und den sich anschliessenden Horizontalzug
(Tail-End) mit dem Vorverdampfer, Überhitzer- und Verdampferheizflächen sowie
den Heizflächen des Economisers bis zum Kesselende. Der Kessel ist mit mehrstufiger Überhitzung und mehrstufiger Speisewasservorwärmung (Economiser) und einem Schlavo ausgerüstet. Das VE-Wasser wird thermisch aufbereitet und zum Kessel gefördert.
Auf Grund der nicht definierten korrosiven Begleit- und Schadstoffe im Holz ist bei
der Kesselauslegung insbesondere das Problem der Hochtemperaturkorrosion zu
beachten. Die Metallflächen im Feuerraum sowie 1. und 2. Leerzug, welche nicht
durch Ausmauerungen abgedeckt sind, sowie der Vorverdampfer, Zwischenüberhitzer und ein Teil des Endüberhitzers, sind deshalb in Bezug auf die Dampf- und Temperaturparameter ganz gezielt ausgelegt.
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Ebenfalls ist das Problem der Heizflächenverschmutzung (fouling) zwecks Erreichung langer Reisezeiten in Bezug auf Quer- und Längsteilung (Querteilung > 110
mm, Längsteilung > 120 mm) besonders zu beachten. Die garantierten 8'200 Stunden Reisezeit sind nur dann zu erreichen, wenn sowohl die Abreinigung von Verschmutzungen möglich, als auch die thermische Auslegung für alle denkbaren Zustände abgestimmt sind. Zusätzlich sind Klopf- und Reinigungseinrichtungen installiert, welche die periodische Abreinigung ohne Unterbrechung oder Störung des Betriebes ermöglichen.
Abbildung 1-7: Schema Temperaturverlauf
Eine gute Zugänglichkeit zu den Heizflächen ist konstruktiv gewährleistet. Mögliche
Varianten zur Reinigung der Konvektionsheizflächen sind:
•
Klopfeinrichtungen (pneumatisch) für Verdampfer, Überhitzer und Economizer
•
Wasserlanzenbläser für 1. und 2. Leerzug
Das Speisewasser gelangt vom Speisewasserbehälter mit einer Temperatur von
105 °C in den Vorwärmer (Schlavo) der Sattdampftrommel. In der Trommel wird das
Speisewasser je nach Schadstoffbeladung und Erfordernissen auf eine Temperatur
von max. 145 °C erwärmt und gelangt in die Economiserbündel des Dampfkessels.
Durch diese Schaltungsart wird ein Auskondensieren der Rauchgase sowie eine Beschädigung der Ecoheizflächen verhindert.
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Der Verdampferteil des Kessels ist im Naturumlauf geschaltet. Ein getrenntes unbeheiztes Fallrohrsystem versorgt über die unteren Kollektoren die Membranwände mit
Wasser. Das Wasser-/Dampfgemisch wird über ein Überströmsystem der Ausdampftrommel zugeführt. Durch die Anordnung von nicht beheizten Fallrohren und beheiztem Verdampferrohr ist ein stabiler und sicherer Wasserumlauf über den gesamten
Lastbereich gewährleistet. Die Trommel ist gross dimensioniert, wodurch eine grosse
Speicherkapazität und eine gute Dampfqualität erreicht werden.
6. Entaschung & SNCR & Speisewasseraufbereitung
6.1. Entaschung
In Abhängigkeit der Rostkonstruktion sind im Bereich der einzelnen Unterwindzonen
des Rostes Schlacketrichter vorhanden, deren Ausläufe in zwei Nassentschlacker
münden. Die Rostschlacke selbst wird am Rostende über den Fallschacht in den
Nassentschlacker abgeworfen.
Die im Feuerraum anfallende Flugasche fällt entweder direkt auf den Rost zurück,
oder wird sich andernfalls im 2. Leerzug absetzen. Diese Flugasche wird über spezielle Austragssysteme (wassergekühlt) wieder zurück zum Brenngut auf den Rost
zurückgeführt.
Die im Tail-End anfallende Asche wird über eine Fördereinrichtung in die ReststoffLagersilos der Rauchgasreinigung überführt.
6.2. SNCR-Verfahren
Die Bildung von NOx im Verbrennungsprozess kann durch die Luft- und Temperaturführung nur innerhalb enger Grenzen beeinflusst werden. Aus diesem Grund ist eine
DeNOx-Anlage (SNCR-Verfahren = Selektive nicht-katalytische Reduktion) zur Reduzierung von NOx integriert. Dabei wird Harnstoff oder Ammoniak in das Rohgas
eingedüst. Dieser reagiert mit den Stickoxiden und dem Restsauerstoff zu Stickstoff,
Kohlendioxid und Wasser (Dampf). Die Reduktion erfolgt in einem Temperaturbereich von 850 bis 950°C. Die Einspritzdüsen sind aus diesem Grund direkt in der
Nachbrennzone, d.h. beim optimalen Temperaturfenster dieser Reaktion, angebracht. Die benötigte Menge Entstickungsmischung ist sehr gering, so dass die Eigenschaften der Rauchgase durch die Menge an Wasser (Trägermittel) und Luft
(Eindüsung) nicht messbar verändert werden. Für die Zerstäubung des Gemisches
und die Steuerung der Regelventile wird Druckluft verwendet. Die Messung der NOxKonzentration erfolgt über die Analysentechnik der Kesselanlage (NOx-Messung im
Abgas). Die erforderliche Menge an Entstickungsmittel wird auf der Grundlage der
vorhandenen Grenzwerte in der SPS berechnet und dem Durchflussregler als Sollwert vorgegeben.
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6.3. Speisewasseraufbereitung
Die thermische Wasseraufbereitung besteht aus einem Speisewasserbehälter mit
aufgebautem Rieselentgaser. Die Aufbereitung des Speisewassers erfolgt hierbei
durch thermische Entgasung. Der Heizdampf für den Speisewasserbehälter wird der
Turbine über die Anzapfung entnommen.
Der Speisewasserbehälter wird niveaugeregelt aus dem Kondensatbehälter gefüllt.
Wasserverluste werden durch Nachspeisung aus der Chemischen Wasseraufbereitung ausgeglichen. In den Speisewasserbehälter wird zur Konditionierung des Speisewassers die erforderlichen Chemikalien zudosiert.
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7. Fortschritt der Gesamtanlage in Bildern
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