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TEXTE 102/2018 Evaluation und Minderung klimarelevanter Gase aus Abfallverbrennungs- anlagen Abschlussbericht n nTEXTE 102/2018 Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit Forschungskennzahl3714 42 313 3 UBA-FB 002686 Evaluation und Minderung klimarelevanter Gase aus Abfallverbrennungsanlagen von Frank Stöcklein (Projektleitung) Müller BBM GmbH Christian Tebert , Kevin Töfge Ökopol GmbH Im Auftrag des Umweltbundesamtes nImpressum Herausgeber: Umweltbundesamt Wörlitzer Platz 1 06844 Dessau-Roßlau Tel: +49 340-2103-0 Fax: +49 340-2103-2285 info@umweltbundesamt.de Internet: www.umweltbundesamt.de /umweltbundesamt.de /umweltbundesamt Durchführung der Studie: Müller BBM GmbH Fürther Str. 35 90513 Zirndorf ÖKOPOL – Institut für Ökologie undPolitik GmbH Nernstweg 32-34 22765 Hamburg Abschlussdatum: März 2018 Redaktion: FachgebietIII 2.4 Abfalltechnik, Abfalltechniktransfer Markus Gleis, Anne Bachmann Publikationen als pdf: http://www.umweltbundesamt.de/publikationen ISSN 1862-4359 Dessau-Roßlau, Dezember 2018 Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beiden Autorinnen und Autoren. nUBA Texte Evaluation und Minderung klimarelevanter Gase aus Abfallverbrennungsanlagen Kurzbeschreibung: Evaluation und Minderung klimarelevanter Gase aus Abfallverbrennungsanlagen Die in Deutschland betriebenen Abfallverbrennungsanlagen emittieren neben den klassischen Schadstoffen auch klimarelevante Gase wie Lachgas (N 2O), Methan (CH 4) und fossiles Kohlendioxid. Um tiefere Kenntnisse über die Bildung und Freisetzung klimaschädlicher Gase in Abfallverbren- nungsanlagen zu bekommen, erfolgten im Projekt Literaturrecherchen sowie Messungen von Lach- gas- und Methan. Die Messungen erfolgten an Anlagen mit unterschiedlichen Verbrennungstechni- ken: An zwei Klärschlammverbrennungsanlagen mit Wirbelschichtfeuerung, an einer Klärschlamm- verbrennungsanlage mit Rostfeuerung, sowie an einer Abfallverbrennungsanlage mit Rostfeuerung und einer Altholzverbrennung mit Wirbelschichtfeuerung. Die Bildung von Lachgas ist im Wesentlichen vom Stickstoffgehalt des Abfalls, von der Verbren- nungstemperatur und dem Sauerstoffgehalt der Verbrennung abhängig. Im Ergebnis zeigt sich deut- lich das hohe Lachgasbildungspotenzial bei der Verbrennung von stickstoffreichem Klärschlamm. In den Wirbelschichtanlagen ergaben die Lachgasmessungen bei Ofentemperaturen über 850 °C Emis- sionswerte bis 200 mg/m , die sich beim Absenken der Ofentemperatur unter 850 °C auf bis zu 400 mg/Nm verdoppelten. In der Klärschlammverbrennung mit Rostfeuerung wurden bei Nachverbren- nungstemperaturen von 850 - 900 °C Lachgaswerte zwischen 360 mg/m³ und 800 mg/m³ gemessen. Dagegen lagen die Lachgasemissionen in einer Haus- und Gewerbeabfallverbrennung mit Rostfeue- 3 rung unter 5 mg/m und in einer Altholzverbrennung mit zirkulierender Wirbelschicht und bei 20 - 50 mg/m , bei Temperaturen in der Nachbrennzone von 930 - 960 °C. Die im Projekt gemessenen Methanemissionen der Anlagen lagen bei der Klärschlammverbrennung 3 zwischen 5 - 20 mg/m ; bei der Verbrennung von Haus- und Gewerbeabfall sowie Altholz unter 5 mg/m .3 Zur Beurteilung der Klimarelevanz von Abfallverbrennungsanlagen sind weiterhin Kenntnisse über die Höhe des biogenen Anteils im Abfall erforderlich. Dazu wurden drei Methoden zur Messung und Bestimmung von Kohlenstoffisotopen beschrieben, die in der Norm EN ISO 13833 im Jahr 2013 ver- öffentlicht wurden. 4 nUBA Texte Evaluation und Minderung klimarelevanter Gase aus Abfallverbrennungsanlagen Abstract: Evaluation and reduction of climate-relevant gases from waste incineration plants Besides conventional air pollutants, waste incineration plants produce emissions of climate relevant gases like nitrous oxide (N 2O), methane (CH 4) and fossil carbon dioxide. To obtain more knowledge on the formation and emission of these climate relevant gases, literature research and measurements of nitrous oxide and methane were conducted in this project. Measurements were realized on incin- eration plants with different combustion techniques: on two sewage sludge incinerators with fluid- ized bed combustion, on a sewage sludge incinerator with grate combustion as well as on a munici- pal waste incinerator with grate combustion and on a waste wood incinerator with fluidized bed com- bustion. The formation of nitrous oxide mainly depends on the waste’s nitrous content and on the combustion temperature, as well as on the oxygen content during the combustion. The measurements showed the high potential for formation of nitrous oxide in combustion of nitrogen-rich sewage sludge. In fluid- ized bed incinerators, nitrous oxide emissions up to 200 mg/m were measured if oven temperatures were above 850 °C; when oven temperatures fell below 850 °C, emissions doubled up to 400 3 mg/Nm . In the sewage sludge incinerator with grate combustion with after burner temperature of 850 - 900 °C, nitrous oxide emissions between 360 mg/m³ and 800 mg/m³ were measured. In con- trast, nitrous oxide emissions from municipal waste incineration with grate combustion were below 5 mg/m , and nitrous oxide emissions from waste wood incineration in a circulating fluidized bed com- bustion were between 20 - 50 mg/m , with temperatures in the after burner zone between 930 - 960 °C. Methane concentrations measured in the project resulted in emissions of 5 - 20 mg/m from sewage sludge incineration, and emissions below 5 mg/m from the combustion of municipal waste and waste wood. For characterization of the climate relevance of waste incineration plants, knowledge on the biogenic content of the waste is also needed. For this purpose, three radiocarbon sampling and determination methods were described, published as international standard method EN ISO 13833 in 2013. 5 nUBA Texte Evaluation und Minderung klimarelevanter Gase aus Abfallverbrennungsanlagen Inhaltverzeichnis Abbildungsverzeichnis .............................................................................................................. 8 Tabellenverzeichnis................................................................................................................. 11 Abkürzungsverzeichnis............................................................................................................ 13 List of abbreviations................................................................................................................ 15 Zusammenfassung.................................................................................................................. 17 Summary................................................................................................................................ 22 1 Einführung...................................................................................................................... 27 1.1 Projektziel................................................................................................................. 27 1.2 Projektzuständigkeiten.............................................................................................. 27 1.3 Projektverlauf............................................................................................................ 27 1.3.1 Literaturrecherche ............................................................................................... 27 1.3.2 Messungen.......................................................................................................... 28 2 Emissionsdaten, Bildungsmechanismen und Minderungsmöglichkeiten von Lachgas und Methan aus der Abfallverbrennung ............................................................................ 29 2.1 Treibhauseffekt und Emissionsdaten .......................................................................... 29 2.2 Bildungsmechanismen von Lachgas in Verbrennungsprozessen ................................... 30 2.2.1 Homogene und heterogene N 2O-Bildungsreaktionen .............................................. 30 2.2.2 Stickstoffgehalt des Brennstoffs als wesentlicher Einflussfaktor ............................. 33 2.2.3 Stickstoffbindungsform als Einflussfaktor ............................................................. 33 2.2.4 Temperatur als Einflussfaktoren............................................................................ 34 2.2.5 Sauerstoffüberschuss als Einflussfaktor................................................................ 36 2.3 Differenzierung verschiedener Feuerungsanlagen........................................................ 36 2.3.2 Lachgasbildung bei der Rauchgasentstickung........................................................ 40 2.4 Maßnahmen zur Minderung von Lachgasemissionen.................................................... 41 2.5 Daten zu N O-Messungen........................................................................................... 43 3 Eigene Messungen an Verbrennungsanlagen .................................................................... 45 3.1 Untersuchungsumfang............................................................................................... 45 3.2 Messverfahren .......................................................................................................... 45 3.2.1 Lachgas (N 2O)...................................................................................................... 45 3.2.2 Methan (CH 4) ....................................................................................................... 45 3.3 Betriebsbedingungen und Messergebnisse................................................................. 46 3.3.1 Klärschlammverbrennungsanlage KVA 1 mit Wirbelschichtfeuerung........................ 46 3.3.2 Klärschlammverbrennungsanlage KVA 2 mit Vorschubrost...................................... 61 3.3.3 Klärschlammverbrennungsanlage KVA 3 mit Wirbelschichtfeuerung........................ 72 6 nUBA…