Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6336

Kleinanlagen zur energetischen Verwertung von Abfällen

Nach dem Kreislaufwirtschafts-/Abfallgesetz kann die Verbrennung von Abfällen als Maßnahme zur Beseitigung oder zur energetischen Verwertung der Abfälle erfolgen. Die Verbrennung von Siedlungsmüll ist eine Maßnahme zur Beseitigung der Abfälle, für die in Deutschland überwiegend Großanlagen mit einer Kapazität von einigen hunderttausend Tonnen Abfall pro Jahr eingesetzt werden. Die energetische Verwertung ist höherkalorischen Abfällen vorbehalten (Heizwert ³ 11 MJ/kg), die z. B. in Industrie und Gewerbe anfallen.

Derzeitige Wege der energetischen Verwertung von Abfällen sind die Mitverbrennung in Zementwerken, Kraftwerken, Industriefeuerungen oder Hausmüllverbrennungsanlagen. Diese Verwertungswege sind jedoch nicht für alle Abfälle zur Verwertung geeignet und unter ökologischen und energetischen Gesichtspunkten umstritten.

Eine effizientere Form der Verwertung besteht in der Verbrennung hochkalorischer Abfälle in dezentralen Verbrennungsanlagen, die durch die gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom eine hohe Brennstoffausnutzung erreichen. Dazu müssen die Anlagen an den Wärmebedarf einzelner, nicht zu kleiner Wärmeverbraucher oder eines Verbundes an Wärmeverbrauchern angepaßt werden können, d. h., sie müssen klein dimensioniert werden können.

Aus wirtschaftlichen Gründen können Kleinanlagen zur energetischen Verwertung keine maßstäblich verkleinerten Großmüllverbrennungsanlagen sein, sondern müssen in Konstruktion, Auslegung und Ausstattung soweit vereinfacht werden, wie es ohne Verletzung der gesetzlichen Regelungen zur Abfallverbrennung, insbesondere der 17. BImSchV, möglich ist.

Die vorliegende Studie befaßt sich mit der Konzeption einer Demonstrationsanlage für die Kleinanlagentechnik mit einem Jahresdurchsatz von 16.500 t/a. Ziel ist, die technische Machbarkeit und Wettbewerbsfähigkeit der Kleinanlagentechnik zu zeigen, die mit der Anlage zu machenden Betriebserfahrungen zur Weiterentwicklung der Technik zu nutzen und die gewonnenen Daten zur verbesserten Anlagenauslegung auszuwerten.

Für die Demonstrationsanlage ist eine Rostfeuerung mit einem Wirbeldüsenrost vorgesehen, der zur Verbrennung von Abfällen mit hohen Heizwerten entwickelt wurde. Erwartet werden 11 20 MJ/kg. Zur Rauchgasreinigung sind das SNCR-Verfahren und die konditionierte Trockensorption mit nachgeschaltetem Gewebefilter vorgesehen. Damit können die Grenzwerte der 17. BImSchV eingehalten werden. Die Energienutzung soll über eine zweistufige Dampfturbine mit zwischengeschalteter Dampfentnahme zur Fernwärmeerzeugung erfolgen.

Als Standort für die Demonstrationsanlage ist das Forschungszentrum Karlsruhe geplant, das die Möglichkeit zur ständigen wissenschaftlichen Begleitung des Anlagenbetriebs gibt. Regelbrennstoff soll die hochkalorische Fraktion einer mechanisch-biologischen Aufbereitungsanlage für Siedlungsmüll sein. Daneben soll im Rahmen von Verbrennungsversuchen sukzessive das Spektrum der zur energetischen Verwertung geeigneten Abfälle erschlossen werden.

Ein wirtschaftlicher Anlagenbetrieb ist möglich ab einer Vergütung von 71 DM pro Tonne verwertetem Regelbrennstoff. Bei einer Vergütung von 100 DM pro Tonne Regelbrennstoff besteht für einen Contractor ein Anreiz für die Finanzierung und den Betrieb einer Kleinanlage. Diese Vergütung wird als erzielbar angesehen. Damit stellt eine Kleinanlage eine interessante Alternative zu den bisher verfolgten Verwertungswegen für Abfälle zur Verwertung dar.

Decentralised Facilities for the energetic utilisation of waste

According to the German waste law, waste can be incinerated either to eliminate the waste or to utilise the energy included in the waste. The objective of the incineration of residual waste is the elimination of the waste. In Germany incineration of residual waste is usually performed in huge plants with a capacity of several 100,000 tons per year. Energetic utilisation is restricted by the German waste law to high caloric waste fractions with a heating value greater or equal than 11 MJ/kg. Respective waste fractions are e.g. produced in industry and trade.

Customary ways of energetic utilisation are the co-incineration of suitable waste fractions in cement kilns, power plants, industrial firing installations or waste incineration facilities for residual waste. These ways of energetic utilisation are restricted to suitable waste fractions, and they have major disadvantages from an ecological point of view.

A more efficient way of energetic utilisation would be to incinerate high caloric waste fractions in decentralised incineration facilities generating heat and electricity. Decentralised facilities can reach a high level of energy efficiency, as long as they can be adopted to the heat demand of a (not too small) heat consumer or a group of interconnected heat consumers. This presumes that decentralised incineration facilities can be designed small.

Economy forbids to design decentralised incineration facilities by simply reducing the capacity of a customary waste incineration facility. To reduce the investment, as many simplifications as possible have to be included in the design. Simplification, however, are restricted by the legal regulations concerning waste incineration, especially the German 17th BImSchV.

This study includes the concept for a decentralised pilot facility with a capacity of 16,500 tons per year. The goals of the pilot facility are to demonstrate the feasibility of decentralised waste incineration facilities, to get experienced in plant operation even with different waste fractions, to use the experience for an improved plant design and to improve the plant technology.

The pilot facility shall be equipped with a three-stage fluidising nozzle grate developed for high caloric waste fractions. Expected heating values range from 11 MJ/kg to 20 MJ/kg. Flue gases shall be cleaned by a SNCR-process, a conditioned dry sorption system and a fabric filter. This flue gas cleaning system is well known to comply with the German emission limits given in the 17th BImSchV. Energy shall be recovered by a two-stage steam turbine. Steam can be taken of between the two turbine stages in order to generate district heat.

Plant site shall be at Research Centre of Karlsruhe. This gives the option that scientists accompany plant operation. Regular fuel shall be a refuse derived fuel produced by a mechanical and biological treatment of residual waste. In addition, different waste fractions shall be incinerated on a trial basis. This shall help to find out which industrial or commercial waste fractions are suitable for energetic utilisation in decentralised incineration facilities.

Economic plant operation starts at a refunding of DM 71 per ton of refuse derived fuel. At a refunding of DM 100 per ton, profitability is sufficient to interest a contractor to invest into a decentralised incineration facility and to operate it. A refunding of DM 100 per ton is considered as realistic. These figures show that energetic utilisation in decentralised incineration facilities is an interesting option compared to common ways of waste treatment.