Luzern 000 avfallsförbränningsanläggning med ny typ av rökgasrening Som en följd av nya luftemissionslagar i Schweiz begärde ägarna till avfallsförbränningsanläggningen i Luzern in offerter på utrustning för att kunna uppfylla de nya och strängare emissionsgränserna. Anläggningen med sina tre förbränningslinjer var utrustad med elektrofilter och enstegs våtskrubbrar, och det nya systemet förutsågs bygga på våtskrubbrar och våtelektrofilter i kombination med selektiv katalytisk avskiljning av kväveoxid (SCR-deNO x ). ABB Fläkt Industri offererade en lösning där det våtelektrofiltret ersattes av en filsorptionsenhet. Utvärderingen visade att denna lösning hade flera fördelar, och ABB Fläkt Industri erhöll därför kontraktet i maj 13. Efter framgångsrik driftsättning och prestandaprov driftsattes den nya rökgasreningsanläggningen i augusti 16 och har sedan dess varit i kontinuerlig drift. Den nya utrustningen har visat sig vara en kostnadseffektiv lösning på problemet med luftföroreningar från avfallsförbränningsanläggningar. L uzerns avfallsförbränningsanläggning 1 byggdes 11 och utrustades med två förbränningslinjer som vardera hade en kapacitet på 3 4 ton avfall per timme. Under åttiotalet kompletterades anläggningen med en tredje förbränningslinje och de båda ursprungliga moderniserades med bl a större elektrofilter (ESP) och en enstegs våtskrubber. Efter rening leds vattnet från anläggningens skrubbrar ut i en näraliggande flod. Förbränningsvärmet utnyttjas i pannor som levererar ånga med trycket 35 bar och temperaturen 30 C som driver en turbogenerator på 5 MW. Generatorn levererar i sin tur elektrisk energi till det lokala kraftnätet. Dessutom levereras hetvatten till ett sjukhus några kilometer från anläggningen. Anläggningen arbetar kontinuerligt, med korta uppehåll för pannrengöring samt längre årliga revisionsuppehåll. Såväl hushållsavfall som en del industriellt avfall, med ett genomsnittligt värmevärde på 1 MJ/kg, används som bränsle. Anläggningens totala årskapacitet är 84 000 ton avfall. 11 trädde en ny luftföroreningslag i kraft i Schweiz (LRV1), vilket gjorde det nödvändigt att installera ett nytt rökgasreningssystem för att de strängare gränsvärdena skulle innehållas. Arthur Schnieper KVA Luzern Kurt B. Carlsson ABB Fläkt Industri AB Utvärdering och nytt rökgasreningssystem Specifikationen i anbudsbegäran stipulerade: Gas/gas-värmeväxlare inlopp/utlopp våtskrubber Tvåstegs våtskrubbrar Våtelektrofilter Rökgasfläktar (ID-fläktar) Gas/gas-värmeväxlare inlopp/utlopp SCR-deNO x -enheten Slutuppvärmning med naturgas som bränsle Selektiv katalytisk NO x -reduktion (SCR) med ammoniak ABB Fläkt Industri föreslog ett filsorptionssteg i stället för våtelektrofiltret. Processen filsorption som har tagit sitt namn från orden filtrering och adsorption innebär komplexa reaktioner mellan föroreningar i rökgaserna och finkorniga additiv till stoftkakan på filterslangarna. Fördelarna med filsorption framför våtelektrofilter (WESP) är att filsorption åstadkommer en nästan fullständig eliminering av inte bara de minimala fasta partiklarna utan även gasformiga föroreningar. De avskiljs via kemisk reaktion, absorption och adsorption i filterkakan, vilken består av additiv, reaktionsprodukter och partiklar från förbränningsprocessen. Genom att finkorniga tillsatser används blir kontaktytan mycket stor. Processen är särskilt effektiv för eliminering av svaveltrioxid (SO 3 ). Eftersom det nästan inte alls finns någon SO 3 nedströms filsorptionsenhet kan ammoniaksalter inte bildas ens vid låga temperaturer. Detta gjorde det möjligt att sätta katalysatortemperaturen så låg som 35 40 C, vilket i sin tur innebär att anläggningens egenproducerade ånga kan användas för att värma rökgaserna till korrekt temperatur för ammoniakinsprutning, en lösning som är billigare än att använda ett externt bränsle som naturgas. Eftersom nästan 0 % av de fasta partiklarna avskiljs till största delen i filterka- ABB Tidning 6/1 3
Luzern 000, en avfallsförbränningsanläggning med ett nytt rökgasreningssystem från ABB Fläkt Principen för filsorption, där komplexa reaktioner äger rum mellan föroreningar i rökgasen och de finkorniga tillsatserna i stoftkakan på slangarna Kvicksilver Kalksten Orenad gas Kol Dioxin Sorbenter och reaktionsprodukter Textil Ren gas 1 kan finns normalt inget behov av att rengöra katalysatorn och värmeväxlaren. Driftprincipen för ABB Fläkts Total Cleaning Concept framgår av 3. Flera olika typer av finkorniga tillsatser kan användas. Den vanligaste är en blandning av kalkhydrat och aktivt kol/koks. Denna blandning med koks valdes för anläggningen i Luzern. Fördelarna är följande: Kalkhydratpulvret eliminerar de sura gaserna, bland annat SO 3, som finns kvar efter våtskrubbersteget. Det finmalda kokspulvret adsorberar respektive absorberar de klorerade kolvätena (framför allt dioxiner), samt gasformiga tungmetaller (framför allt kvicksilver). Filterkakan är mycket effektiv för att avskilja submikrona partiklar. Eftersom de flyktigaste tungmetallerna (bly, kadmium etc) binds vid partiklar, reduceras emissionen av dessa toxiska element nästan till noll. Finmalt kol/koks-pulver är brandfarligt om det inte hanteras med försiktighet. Denna potentiella fara minimeras genom att pulvret blandas med ett inert material (t ex kalkhydratpulver) och genom att filsorptionssteget får en speciell utformning. Förutom de tekniska fördelarna med filsorptionslösningen blir den totala kostnaden för det rökgasreningsystem 4 som installerats i Luzern lägre än med den alternativa lösningen våtelektrofilter. Kostnadsminskningen värderades enligt följande: Installationskostnaderna minskar på grund av den billigare våtskrubbern, som är konstruerad endast för att avskilja HCl och SO, och SCR-denoxenheten som håller relativt låg temperatur. Driftkostnaderna blir lägre på grund av det lägre tryckfallet över våtskrubbern (av typ öppen spray), den mindre värmeväxlaren i anslutning till SCRdeNO x -enheten och den lägre kost- 4 ABB Tidning 6/1
Partikelavskiljning Absorption Filsorption NO X reduktion Elektrostatiskt filter Från avfalls- eller slangfilter förbrännings- panna Våtskrubber Uppvärmning Kalksten + stenkol/ kol Slangfilter Tryckluft Ammoniak Ånga Katalysator ID-fläkt Kemikalier Ånga Kemikalier Till skorsten Tungmetaller vatten till Salthaltigt vattendrag NaCl eller HCI Olösliga kalciumsalter eller gips Förorenat stoft till förbränning ABB Fläkts Total Cleaning Concept 3 Flödesschema för rökgasreningssystemet som har installerats i avfallsförbränningsanläggningen i schweiziska Luzern 4 Elektrostatiska filter och ID-fläktar Rökgasréningsenhet HCI/SO absorption Filsorption SCR - denox Air Luftvårmning vid start Gas/gasvärmeväxlare t=1 C NaOH Våtskrubber Blandning av kalksten och kolpulver Slangfilter t=35-40 C Ammoniak från NH 4 OHindunstare Katalysator Reaktor Ånga Tryckhöjningsfläkt Gas/gasvärmeväxlare Till skorsten Till asksilo Till vattenrening Direkt förbikoppling Till skorsten Till förbränningsrum ABB Tidning 6/1 5
två nya identiska rökgasreningssystemen är anslutna. Vart och ett av de två nya rökgasrenings- 1 1 11 Den nya rökgasreningsanläggningen i Luzern 1 Kol/koks-silo Kylning Slangfilter 8 Katalysator 3 Nödvattentank Gas/gas-värmeväxlare 4 Uppvärmning NaOH-tank 5 Gas/gas-värmeväxlare 11 Förångare för ammoniak 6 Våtskrubber 1 Ammoniakförråd naden för slutuppvärmningen genom att egenproducerad ånga kan användas i stället för extern naturgas. Sist men inte minst kunde bättre emissionsgarantier ges med filsorptionslösningen än vad som skulle vara möjligt med våtelektrofilter. Begränsning av luftförorening Rökgasreningssystemet är uppbyggt på följande sätt: Befintliga ESP- och ID-fläktar utnyttjas för varje förbränningslinje/panna. Trycket i förbränningsrummen styrs individuellt av ID-fläktarna. Rökgaserna leds från de tre ID-fläktarna till en gemensam kanal, till vilken de 8 3 4 5 6 5 systemen 4, 5 i Luzern omfattar: En gas/gas-värmeväxlare av teflontyp överför värme från våtskrubberns inlopp till utloppet. Våtskrubbrarna 6 har ett kylsteg och två tvättsteg ett surt steg som framför allt är avsett att avskilja HCl och ett neutralt steg för absorption av SO. En tvåstegs droppavskiljare i utloppet garanterar mycket låg droppkoncentration. Tryckfallet över våtskrubbern av typ öppen spray är mycket lågt. Den valda tekniken är synnerligen tillförlitlig och bygger på erfarenhet från ett hundratal installationer, framför allt i avfallsförbränningsanläggningar och sodapannor. Filsorptionssteget ligger nedströms våtskrubbern. Eftersom denna process är torr måste de mättade gaserna från våtskrubbern värmas. Teflonvärmeväxlaren över våtskrubbern överför värme från inloppet till utloppet. I filsorptionssteget ingår: En reaktor där torra och finkorniga additiv blandas in i rökgasen. Ett speciellt slangfilter för filsorption där såväl filtreringen som sorptionen och de kemiska reaktionerna äger rum. Filtret har vertikala inloppsledningar och branta fickor som hindrar stoft att ansamlas med därav följande risk för brandhärdar. Additiv och föroreningar i rökgaserna fördelas över filtrets hela yta tack vare speciella inlopps- och gasfördelningsanordningar. Varje slangfilter har tre kammare med inloppsoch utloppsspjäll som gör det möjligt att inspektera filtren även under drift med full last. Slangfiltermaterialet är Dralon T (PAC). Filterslangarna rensas radvis från rengassidan, med luftpulser som genereras av snabba membranventiler, anslutna till luftbehålla- 6 ABB Tidning 6/1
re med ett tryck mellan 1 och bar. Filterslangarna inspekteras och byts från rengassidan 8. Stoftet som avskiljs från slangarna i samband med pulsningen transporteras av skruvtransportörer under filtret till en mellansilo och därefter vidare till avfallsförbränningsugnarna. Den höga förbränningstemperaturen bryter ned organiskt material (t ex dioxiner) medan överskottet av kalkhydrat eliminerar en del av svaveldioxiden. Kvicksilver som frigörs vid den höga förbränningstemperaturen avskiljs i våtskrubbern som utgör den primära kvicksilveravskiljaren. En tryckhöjningsfläkt som transporterar gaserna genom det nya rökgasreningssystemet har installerats nedströms filsorptionssteget. Eftersom rökgasen är torr, mycket ren och har en så låg temperatur som 1 C, arbetar fläkten effektivt. Fläkten styrs så att ett konstant tryck upprätthålls uppströms våtskrubbrarna. Eftersom fläkten ligger före SCR-deNO x -enheten, arbetar denna del av rökgasreningssystemet vid övertryck och är därför gastät. Katalysator för NO x -reduktion. NO x - reduktionen sker med ammoniak vid en katalysatortemperatur på ca 40 C. Detta innebär att rökgaserna från filsorptionssteget och ID-fläkten först måste värmas. Det görs i två steg: Först värms gasen från 1 C till mellan och 15 C i en gastät gas/gas-värmeväxlare av rörtyp. Den varma sidan av värmeväxlaren är ansluten till katalysatorns utlopp, med temperaturen 35 40 C. Eftersom gasen är mycket ren och torr behöver värmeväxlaren normalt inte rengöras. Den slutliga värmningen av rökgaserna uppströms katalysatorn sker med hjälp av ånga som håller 13 1 1 11 8 Våtskrubber, installerad i avfallsförbränningsanläggningen i Luzern 1 Från elektrofilter 8 Avloppsvattenrening Droppavskiljare NaOH-tank 3 Våtskrubber Kylning 4 Munstycke 11 Värmeväxlare 5 Avloppsvattenrening 1 Till filsorptionsenhet 6 NaOH 13 Nödvattentank Bufferttank temperaturen 30 C och trycket 35 bar. Ångan levereras från huvudpannorna till den sekundära värmeväxlaren. Det heta kondensatet återvinns och konverteras till lågtrycksånga. Ammoniaken, som lagras i form av vattenlösning, leds genom en för- 4 3 ångare innan den fördelas jämnt i rörledningen uppströms katalysatorn. Katalysatorn med sina två lager ligger i en separat kanal, genom vilken gaserna strömmar vertikalt nedåt. I samband med driftuppehåll av anläggningen hålls katalysatorn torr och den värms till 6 5 6 ABB Tidning 6/1
Tabell 1: Rökgasreningssystemet i avfallsförbränningsanläggningen i Luzern. Den inkommande rökgasens sammansättning samt emissionsvärden enligt schweizisk lag som garanteras med ABB Fläkts Total Cleaning Concept. Innehåll Normal/maximal Emissioner per m 3 koncentration vid Schweizisk lag Garanterat (normaltillstånd, inloppet till det nya torr gas, 11 % O ) reningssystemet Stoft mg 35/50 (Zn+Pb) tot mg 1/5 1 0, CD tot mg 0,5/1 0,1 0,01 Hg tot mg 0,5/1 0,1 0,01 HCl mg 00/000 0 1 SO mg 450/00 50 HF mg /30 0, NO x mg 400/500 80 60 NH 3 mg 5 Dioxin I-TEQ ng 3/5 0,05 drifttemperatur innan processen återupptas. Den kalla rökgasen leds 1 3 4 runt katalysatorn till skorstenen under igångkörningen. De extremt rena driftförhållandena garanterar hög livslängd för katalysatorn och värmeväxlarna. 5 Det fysiska utrymmet för det nya rökgassystemet var mycket begränsat. Det har installerats i en ny 40 meter hög byggnad 6 som kröns av tre nya skorstenar. 13 1 Filsorptionssteget i Luzern-anläggningen 11 8 1 Slangfilter Inloppsspjäll 3 Behållare för tryckluft 4 Inspektionsluckor 5 Till SCR-deNOx-enhet 6 Filterslangar Filterficka 8 Skruvtransportör Inmatning av kalk/koks-pulver Till avfallsförbränningsugnar 11 Silo för restprodukter 1 Från våtskrubber 13 Reaktor 8 ABB Tidning 6/1
Miljöaspekter Med alla tre pannorna i drift kan 11 till 13 ton avfall brännas per timme. Vart och ett av de två nya parallella rökgasreningssystemen har kapacitet för 60 % av det totala flödet på ca 0 000 m 3 ntp/h. Den garanterade emissionsnivån till atmosfären sammanfattas av tabell 1. Garantier gavs även för avloppsvattenflödet och koncentrationen av föroreningar i avloppsvattnet från skrubbern till vattenreningsanläggningen. Tabell : Rökgasreningssystemet installerat vid avfallsförbränningsanläggningen i Luzern. Resultat från emissionsmätningar i jämförelse med garanterade värden. Ämne Emission Linje 1 Linje Garanterat Stoft 0, 0,1 (Zn+Pb) tot < 0,001 < 0,001 0, CD tot < 0,001 < 0,001 0,01 Hg tot 0,001 0,001 0,01 HCI 0,01 0,01 1 SO,0 0,8 HF < 0,01 < 0,01 0, NO x 60 60 60 NH 3 0,3 0, 5 Dioxin I-TEQ < 0,01 < 0,01 0,05 Samtliga koncentrationsvärden är angivna i mg/m 3 (normaltillstånd, torr gas, 11 % O ), förutom dioxiner, vilka anges i ng. Angivna resultat är medelvärden baserade på till 6 mätningar. En lätthanterlig mekanism gör att filterslangarna kan bytas snabbt från rengassidan. 8 Katalysator med värmeväxlare, installerad i avfallsförbränningsanläggningen i Luzern 1 Katalysator Gas/gas-värmeväxlare 3 Fläkt för ammoniakförångning 4 Värmare 5 Tank för ammoniak/vatten 6 Förångare Slutvärmning 8 Avfuktare Elektrisk luftvärmning Ångmatad luftvärmare 11 Ånga 1 Rökgasfläkt 13 Från filsorption 14 Inblåsning och fördelning av gasformig ammoniak 15 Till skorsten 14 15 13 1 1 11 8 5 6 3 4 ABB Tidning 6/1
4 3 1 Referenser [1] Schnieper, A.: Optimierung von Rauchgasreinigungssystemen am Beispiel der KVA Luzern. Technische Akademie Esslingen, Course no. 164/13.130. [] Carlsson, K. B.: Filsorption a safe approach for the control of toxic elements in flue gases. UTA International 1/5. [3] Klintenheim, E.: KVA Luzern 000 Los 1 Weitergehende Rauchgasreinigung. ABB Fläkt Industri AB, Technical Report TR/C 31.00. Gas/gas-värmeväxlaren, Fläkt QGB, för uppvärmning av gasen till SCR-katalysatorn 1 Rökgasinlopp 3 Från katalysatorn Rökgas till skorsten 4 Rökgas till katalysator Garantimätningar Garantimätningarna genomfördes i augusti 16 när pannorna arbetade nära normala förhållanden. Mätningarna har genomförts i enlighet med ISO- eller VDIstandarder och har bekräftat samtliga garanterade värden, även med avseende på kemikalieförbrukning, med bred marginal. Elförbrukningen mättes upp till 400 kw, eller 35 kwh/ton förbränt avfall (60 % av garanterat värde). Flödet av avloppsvatten från skrubbern och föroreningskoncentrationen i avloppsvattnet var lägre än förväntat. Tabell visar resultaten av emissionsmätningarna. Drifterfarenheter Rökgasreningssystemet startades i enlighet med tidplanen och har varit i kontinuerlig drift sedan dess. Vissa förbättringar infördes efter en tids drifterfarenhet. Som exempel har ejektorer installerats för stofttransporten från mellansilon under filsorptionsfiltret till förbränningsugnarna. Vidare visade det sig att avloppsvattenflödet från skrubbrarna till vattenreningsanläggningen varierade för mycket. Systemet måste därför modifieras. Membranen i nivåindikatorn/regulatorn i kylstegen har ersatts med nya av tantal, ett material som är bättre rustat att stå emot den synnerligen aggressiva atmosfären i denna miljö. Ända sedan driftstarten har Luzern 000 visat sig vara en tillförlitlig och kostnadseffektiv lösning på problemet med rökgasrening i avfallsförbränningsanläggningar. Författarnas adresser Arthur Schnieper KVA Lucerne Reusseggstrasse 15 CH-600 Emmenbrücke Kurt B. Carlsson ABB Fläkt Industri AB S-351 8 Växjö Fax: +46 (0) 40 8 E-mail: kurt.carlsson@seind.mail.abb.com 30 ABB Tidning 6/1