Für Wirtschaft und Politik ist ein nachhaltiger Umgang mit Abfall, Rohstoffen und Energie eine Frage der Zukunftssicherung. Umwelttechnisches Know-how und Informationen über grundle- gende Entwicklungen sind für den Erfolg entscheidend. Mit der Fachzeitschrift “ReSource – Abfall, Rohstoff, Energie“ sind Sie bestens über nachhaltiges Wirtschaften informiert.
Neben aktuellen Forschungsergebnissen stellt die Fachzeitschrift praxisrelevante Konzepte und Verfahren zur Vermeidung und Verringerung von Umweltbelastungen vor. Verfahren der kon- ventionellen Abfallbehandlung und -entsorgung wie Verbrennung sowie Recycling, Kompos- tierung, Vergärung und Deponierung werden auf ihre Effektivität und Umsetzbarkeit geprüft.
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Abfall • Rohstoff • Energie
ReSource
4
201629. Jahrgang ISSN 1868-9531 4. Quartal 2016 Preis 20,00 EUR A 13158 F
R e S ource
(Früher: MÜLLMAGAZIN · ISSN 0934-3482)Abfall • Rohstoff • Energie Fachzeitschrift für nachhaltiges Wirtschaften
RHOMBOS HERAUSGEBER Dipl.-Pol. Bernhard Reiser
REDAKTION Professor Dr.-Ing. Dr. h. c.
Karl J. Thomé-Kozmiensky † Dr.-Ing. Stephanie Thiel Dipl.-Pol. Bernhard Reiser
REDAKTIONSBEIRAT Professor Dr.-Ing. Michael Beckmann Professor Dr. rer. nat. Matthias Finkbeiner Professor Dr.-Ing. Daniel Goldmann Professor Dr.-Ing. Karl E. Lorber Dipl.-Ing. Johannes J. E. Martin Dipl.-Chem.-Ing. Luciano Pelloni Dipl.-Ing. Christian Tebert Professor Dr. Andrea Versteyl
Felix Müller, Jan Kosmol, Hermann Keßler, Michael Angrick und Bettina Rechenberg
Materialflussindikatoren allein liefern keine hinreichende Orientierung für Strategien zur Ressourcenschonung Uwe Lahl
Ein Regulierungsvorschlag zeigt Ansätze, wie die Treibhausgas- Emissionen aus dem Verkehrssektor bis 2050 drastisch reduziert werden können
Thomas Krampitz, Holger Lieberwirth und Michael Stegelmann Die Berücksichtigung des Recyclings im Life Cycle Assessment der Fahrzeugindustrie ermöglicht Produktentwicklern frühzeitige Aussagen zur Ressourceneffizienz von Produkt und Prozess Roland Pomberger und Renato Sarc
Experten aus Forschung und Praxis haben für Österreich den Beitrag der Abfallwirtschaft zur Ressourcenschonung und Ressourceneffizienz untersucht
Wolfgang Rommel, Siegfried Kreibe und Markus Hertel In erster Linie bestimmen Materialmenge und deren Marktwert den Stellenwert und die Limitierungen des Recyclings von Technologierohstoffen
Jan Schlecht, Jan Henning Seelig und Torsten Zeller Die möglichen Auswirkungen eines Pfandsystems für Elektro- und Elektronikkleingeräte müssen noch genauer untersucht werden
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Jahresabonnement (4 Ausgaben): 62 Euro (incl. MwSt. und Versand) 30. Jahrgang 2017
Anlagenbau mit Blick auf die Umwelt
Durch den konsequenten Einsatz der neuesten Schweißtechnologien und der stetigen Weiterentwicklung und Optimierung der Schweißparameter werden bei der Werkstattplattierung von Einzelrohren und Mem- branwänden homogene Beschichtungen geschaffen, die resistent gegen einen korrosiven Angriff von Ver- brennungsgasen in Müllverbrennungsanlagen sind. Durch den Einsatz der CMT-Technologie und der Ver- wendung des speziellen Schweißzusatzwerkstoffes Martinel 625 ist es uns möglich, geringste Eisenauf- mischungen bei ausgezeichneter Anbindung an den Grundwerkstoff zu garantieren.
Durch die Einführung der CMT-Technologie als Vor-Ort-Lösung für das Schweißplattieren eröffnen sich neue Möglichkeiten bei der Lebenszeitverlängerung von Membranwänden. Aufgrund des geringen Wärmeeintrages in das Grundmaterial und der daraus resultierenden geringeren Schrumpfung werden deutlich weniger Spannungen in den Kessel eingebracht. Verformungen von Kesselwänden bzw.
Spannungsrisse im Druckkörper, wie sie bei herkömmlichen Schweißverfahren auftreten können, werden vermieden.
Mit der Eröffnung der MARTIN Caldeiras Lda., einer hochmodernen und gleichzeitig flexiblen Werkstatt, gewährleisten wir jederzeit höchste Qualität aus eigener Fertigung.
Bereits seit Januar 2017 produzieren wir in Caldas da Rainha/PT und freuen uns schon auf Ihre Anfragen.
Schweißplattierung auf höchstem Niveau,
jetzt produzieren wir auch in Portugal in der Nähe von Lissabon.
403 Strahlungsüberhitzer – von der Testinstallation zum kommerziellen Produkt
Korrosion | Werkstoffe
Strahlungsüberhitzer –
von der Testinstallation zum kommerziellen Produkt
Toralf Weber und Daniel Böck
1. Stand der Technik ...404
2. Testinstallation Rosenheim ...405
3. Weiterentwicklung des Systems ...408
4. Kommerzielle Anwendung ...415
5. Fazit ...416
6. Quellen ...417
Die in modernen Abfallverbrennungsanlagen realisierten Kesselkonzepte sind das Ergebnis langjähriger Erfahrungen im Umgang mit dem inhomogenen Brennstoff Abfall und den daraus für den Anlagenbetrieb entstehenden Konsequenzen. Die Ein- flüsse des Brennstoffes Abfall auf das Verschmutzungs- und Korrosionsverhalten eines Dampfkessels sind Herstellern und Betreibern hinlänglich bekannt. Lag in den 1970er und 1980er Jahren der Hauptfokus beim Betrieb einer Abfallverbrennungsanlage auf einer hohen Verfügbarkeit, der Reduzierung von Stillstands Zeiten und Minimierung der Wartungskosten, so änderte sich das Bild in den 1990er Jahren. Neben der Einhal- tung strengerer gesetzlicher Umweltauflagen (17. BImSchV) gewannen Aspekte zur Steigerung der Effizienz der Anlagen immer mehr an Bedeutung. Diese Entwicklung führte zu einem Ansteigen von durch Korrosion oder Verschmutzung hervorgerufenen Stillständen, die Verfügbarkeit der Anlagen nahm ab, die Aufwendungen zur Beseiti- gung von Korrosionsschäden hingegen erhöhten sich deutlich. Anlagenhersteller und Betreiber begannen neue Schutz- und Reinigungssysteme für den Dampferzeuger zu entwickeln. So wurden in diesem Zeitraum keramische und metallische Schutzsyste- me entwickelt, die im Bereich der Verdampferwände heute Stand der Technik sind.
Als typische Vertreter sind hier SiC-Plattensysteme (hintergossen bzw. hinterlüftet) bzw. das Cladding mit Chrom-Nickel-Basislegierungen zu nennen. Auch die Online- Reinigungssysteme wurden konsequent weiterentwickelt (Klopfwerke, Rußbläser) bzw.
neue Systeme, wie z.B. Online-Wasserreinigung, wurden zur Marktreife entwickelt.
Durch den Einsatz dieser Technologien sind wieder für den Betreiber zufriedenstel- lende Reisezeiten erreichbar. [1]
www.martingmbh.de
Anlagenbau mit Blick auf die Umwelt
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MARTIN plants and technologies
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Korrosion | Werkstoffe
In Zeiten hoher Einspeisevergütungen der produzierten elektrischen Energie gewannen die Themen Effizienz und Wirkungsgradsteigerung bei den Betreibern von Abfallver- brennungsanlagen immer mehr an Bedeutung. Anlagenkonzepte mit Dampfparametern jenseits der in der Abfallverbrennung etablierten 400 °C/40 bar und einer Zwischen- überhitzung waren Resultate dieser Überlegungen und wurden bei der Realisierung verschiedener Neuanlagen auch in die Tat umgesetzt.
1. Stand der Technik
Wie schon in [1] ausgeführt, ist der Einsatz von Strahlungsüberhitzern in Anlagen zur konventionellen Energieerzeugung als Stand der Technik zu bezeichnen. Aufgrund der eingesetzten Brennstoffe können diese, auch bei hohen Dampfparametern, ohne größere Korrosionserscheinungen betrieben werden. In Abfallverbrennungsanlagen ist dieses Konzept aufgrund des inhomogenen Brennstoffes und der im Brennstoff enthaltenen Inhaltsstoffe, nicht ohne zusätzliche Aufwendungen im Bereich des Korrosionsschut- zes anwendbar. Versuche, Strahlungsüberhitzer mit ihrer kompakten Bauart in den zweiten Zug anzuordnen, sind verfahrenstechnisch leicht zu realisieren. Während des Betriebes dieser Strahlungsüberhitzer treten jedoch hohe Korrosionsraten auf, die die Lebensdauer der Überhitzerrohre drastisch reduzieren und teilweise auf ein Jahr be- schränken. Versuche mit keramischen und metallischen Schutzsystemen, diese hohen Korrosionsraten zu beherrschen, waren nur selten erfolgreich. Die bisher eingesetzten Schutzsysteme stellen keine verlässliche Schutzwirkung dar, punktuelles Versagen der Schutzsysteme ist die häufigste Schadensursache und schwer vorhersagbar.
Mit der Entwicklung von Plattensystemen auf SiC-Basis, zum Schutz der Membranwän- de im Feuerraum und der Weiterentwicklung hin zu hinterlüfteten Plattensystemen, wurde ein neuer Ansatz für den Schutz der Überhitzer, auch bei höheren Dampftem- peraturen, verfügbar. Erste Versuche, Überhitzerrohre vor einer Membranwand, als sogenannten Wandüberhitzer, anzuordnen und über ein hinterlüftetes Plattensystem zu schützen, wurde Ende der 1990er Jahre im MHKW Schwandorf durchgeführt [3, 4].
Die Versuche zeigten, dass Dampftemperaturen bis 475 °C mit dieser Konstruktion zu erreichen sind, und die Korrosion der Überhitzerrohre beherrschbar ist. So konnten die grundlegenden Designvorgaben für zukünftige Realisierungen gewonnen werden.
Nachteilig bei dieser Konstruktion ist jedoch, dass der verfügbare Platz für eine Re- alisierung in den Kesselanlagen limitiert ist, und ein Wärmeaustausch zwischen den Überhitzerrohren und der Membranwand konstruktiv reduziert werden muss. Auch die Effizienz der Wärmeübertragung ist eingeschränkt, da nur eine Hälfte des Rohr- umfanges effektiv der Wärmestrahlung ausgesetzt ist.
Dies führte zu weiteren Überlegungen, die Konstruktion des Wandüberhitzers zu ver- ändern, und einen im Feuerraum hängenden Strahlungsüberhitzer zu entwickeln, der durch ein hinterlüftetes Plattensystem, analog dem Schutzsystem des Wandüberhitzers, effektiv geschützt wird. Dies führte letztendlich zur Realisierung einer Testinstallation im Jahr 2012 im MHKW Rosenheim.
405 Strahlungsüberhitzer – von der Testinstallation zum kommerziellen Produkt
Korrosion | Werkstoffe
2. Testinstallation Rosenheim
Im April 2012 wurde im Feuerraum des MHKW Rosenheim ein Strahlungsüberhitzer installiert und über einen Zeitraum von etwa 20.000 Betriebsstunden bis zum Oktober 2014 permanent betrieben.
Der Strahlungsüberhitzer im MHKW Rosenheim konnte konstruktiv nicht als gesamtes Bauteil durch die Kesseldecke herausgeführt werden. Die Befestigung des Strahlungs- überhitzers, die Zu- und Abführung des Dampfmassenstromes, die Sperrluftversorgung und die Durchführung der benötigten Messleitungen erfolgte hierbei durch Rohre, die mittels mehrerer Ausbiegungen durch die Kesseldecke geführt wurden.
Diese Konstruktion mit der Durchführung der Verbindungsrohre durch die Kesseldecke wurde mit einer SiC-Masse versehen.
Bild 1: 3-D-Darstellung der Einbauposition
des Strahlungsüberhitzers Bild 2: Prinzipskizze einer Überhitzer- schlange mit einer Verkleidung aus SiC-Formsteinen
Korrosion | Werkstoffe
Dieser Bereich der Installation wird für die weitere Betrachtung der Funktion des Strahlungsüberhitzers nicht berücksich- tigt, und führte nach einer Einsatzzeit von 2,5 Jahren, aufgrund der hier aufgetrete- nen starken Korrosion, zur Entscheidung, den Strahlungsüberhitzer auszubauen.
Die Testinstallation wurde so ausgelegt, dass maximal 5 % der im Verdampfer erzeugten Dampfmenge durch den Strahlungsüberhitzer geführt werden.
Dies entsprach je nach Last einer Dampf- menge von 1,1 bis 1,4 t/h Dampf. Die durch den Strahlungsüberhitzer geleitete Dampfmenge stellte sich dabei, aufgrund der unterschiedlichen Druckverluste in beiden Dampfwegen, automatisch ein.
Der Dampf wurde nach dem ersten Überhitzer mit einer Temperatur von etwa 300 °C entnommen, über den Strah- lungsüberhitzer geführt und in die beste- hende Heißdampfleitung zurückgeführt.
Bedingt, durch die beim Bau des MHKW Rosenheim verwendeten Stahlmateriali- en, war die maximale Dampftemperatur, welche in die bestehende Heißdampflei- tung zurückgeführt werden konnte, auf 480 °C begrenzt. Bei Überschreitung dieser Temperatur wurde der überhitzte Dampf über den bestehenden Schall- dämpfer über Dach abgelassen. Eine Tem- peraturregelung mittels Einspritzkühler Bild 3: Einbausituation Strahlungsüber-
hitzer und Deckendurchführung
wurde für die Versuchsanlage nicht installiert. Die mit dem Strahlungsüberhitzer erreichten Dampftemperaturen bewegten sich zwischen 400 °C bis 480 °C. Es ist hier anzumerken, das bei der Testinstallation auf eine Regelbarkeit der Dampftemperatur verzichtet wurde. Die erreichten Temperaturen im Strahlungsüberhitzer sind daher stark abhängig von der Fahrweise der Anlage, dem Verschmutzungszustand und somit der Reisezeit des Dampferzeugers und der verbrannten Abfallqualität.
Anhand der Betriebsdaten ist zu erkennen, dass die Dampftemperatur am Ausgang des Strahlungsüberhitzers mit zunehmender Reisezeit ansteigt. Grund hierfür ist eine fortschreitende Verschmutzung der keramischen Verkleidung im unteren Feuerraum und dem damit reduzierten Wärmeabbau in diesem Bereich. Dies führt, genauso wie ein Überlastbetrieb der Anlage oder die Verwertung hochkalorischer Brenn- stoffe, zu einer Verschiebung des Temperaturprofils und zu einer Intensivierung der Bild 4: Strahlungsüberhitzer im Feuerraum
407 Strahlungsüberhitzer – von der Testinstallation zum kommerziellen Produkt
Korrosion | Werkstoffe
Wärmeübertragung durch Strahlung im oberen Feuerraum. Eine Überschreitung der Heißdampftemperatur von 480 °C, und so die Vermeidung eines Dampfmengenver- lustes von bis zu 1,4 t/h konnten bei einem endverschmutzten Feuerraum nur durch eine Reduzierung der Last verhindert werden.
Bild 5: Betriebsdaten zur Dampfeintritts- und -austrittstemperatur sowie Wärmestromdichte Im Vergleich zu den Membranwänden war die Verschmutzung des Strahlungsüber- hitzers sehr moderat. Verkrustete Anbackungen, wie sie an den Membranwänden vorhanden waren, traten am Strahlungsüberhitzer nicht auf. Die hier vorgefundenen Verschmutzungen waren von sandiger Natur und durch Abkehren leicht entfernbar.
Aufgrund der höheren Oberflächentemperaturen bei den hinterlüfteten Platten- systemen, auch an Verdampferwänden, bildet sich hier ein Belag aus, der meist aus
500 450 400 350 300 250 Temperatur
°C
Wärmestromdichte kW/m2 35
30
25
20
15
10 30.04.21.05.11.06.02.07.23.07.12.08.02.09.23.09.14.10.04.11.25.11.15.12.05.01.26.01.16.02.09.03.30.03.19.04.10.05.31.05.21.06.12.07.02.08.22.08.12.09.
200
Temperatur Dampfeintritt Temperatur Dampfaustritt Wärmestromdichte
Aschen besteht. Für eine Ablagerung von Salzverbindungen, die an kalten Flächen auskondensieren und zu einer Verklebung der Aschen führt, sind die Oberflächen der hinterlüfteten Plattensysteme zu heiß.
Weiterhin sind die Abgastemperaturen im Einbauort des Strahlungsüberhitzers schon so weit abgekühlt, so dass sie nicht mehr zum Schmelzen bzw. zum Versin- tern der anhaftenden Aschen führt.
Bild 6: Verschmutzungszustand der kera- mischen Verkleidung nach 4.000 Betriebsstunden
Korrosion | Werkstoffe
Eine Überprüfung des Zustandes des Strahlungsüberhitzers und der Überhitzerrohre erfolgte zu den planmäßigen Revisionen, die jeweils in Abstand von 4.000 Betriebs- stunden durchgeführt wurden. Zu jedem Stillstand wurden verschiedene SiC-Platten entfernt, um den Zustand der Überhitzerrohre festzustellen und um Wanddickenmes- sungen durchzuführen.
Bild 7: Zustand der Überhitzerrohre nach 4.000, 8.000 und 16.000 Betriebsstunden
Der Zustand der Überhitzerrohre war auch nach einer Betriebszeit von 20.000 Betriebs- stunden als sehr gut zu bezeichnen. Korrosionsangriffe konnten an den Überhitzer- rohren nicht festgestellt werden. Die Rohre waren lediglich von einer Zunderschicht überzogen, welche bei den eingesetzten Rohrmaterialien und den vorherrschenden Temperaturen in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre normal sind. Es war ersichtlich, dass die Überhitzerrohre durch die zugeführte Sperrluft vor einem korrosiven Angriff der Abgase sicher geschützt sind. Korrosionserscheinungen traten lediglich an einzelnen Befestigungsankern auf, die allesamt im heißesten Bereich des Strahlungsüberhitzers lagen.
Die Testinstallation im MHKW Rosenheim hat gezeigt, dass ein Strahlungsüberhitzer im Feuerraum auch in einer Abfallverbrennungsanlage funktioniert, und auch bei Dampftemperaturen bis 480 °C die Korrosion beherrschbar ist. Trotz anfänglicher Bedenken des Betriebspersonals gestaltete sich der Betrieb des Strahlungsüberhitzers als problemlos. Befürchtete Einschränkungen während des Betriebs des Strahlungs- überhitzers und bei der Anlagenrevision waren minimal und führten nicht zu einer Verlängerung der Revisionszeit.
Die erzielten Erfahrungen während des Engineerings und des Einsatzes des Strahlungs- überhitzers führten so zu der Entwicklung eines kommerziell einsetzbaren Produktes.
3. Weiterentwicklung des Systems
Das Restmüllheizkraftwerk (RMHKW) Stuttgart-Münster betreibt drei Abfallkessel, die auf eine gemeinsame Sammelschiene einspeisen. Die Dampfparameter der Dampf- sammelschiene von 500 °C und 60 bar waren durch die bereits vorhandenen konventi- onellen Kohlekessel vorgegeben. Das Kesseldesign der drei Abfallverbrennungslinien musste daher so gestaltet werden, dass die für eine Abfallverbrennung eher unüblichen Dampftemperaturen erreicht werden. Die Überhitzer wurden im 2. Zug als Schottwände ausgeführt, und füllen den 2. Zug komplett aus.
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411 Strahlungsüberhitzer – von der Testinstallation zum kommerziellen Produkt
Korrosion | Werkstoffe
Bedingt durch die Dampftemperaturen von etwa 500 °C und den abgasseitig hohen Gastemperaturen am Eingang des zweiten Zuges; sind die Überhitzerrohre, speziell am Endüberhitzer, einer starken Korrosion unterzogen und führen zu hohen War- tungsaufwendungen während der Revisionen. Der Betreiber der Anlage führte weit- reichende Untersuchungen zum Einsatz diverser Schutzsysteme für den Einsatz an den Überhitzern durch [2]. Andere bisher untersuchten Schutzsysteme (metallisch und keramisch) boten keine nennenswerten Vorteile gegenüber den seit der Inbetriebnahme eingesetzten Feuerfestmassen als Korrosionsschutz.
Im Jahr 2014 wurde an einer Verbrennungslinie ein Schottüberhitzer mit einem hinter- lüfteten Plattensystem ausgerüstet, wofür einige technische Veränderungen gegenüber der Installation in Rosenheim nötig waren. Daher wurde das Design der SiC-Platten speziell für den An- und Abströmbereich der Schottwände sowie die Sperrluftversor- gung überarbeitet. Im Rahmen der Montage wurden weiterhin Wärmestromsensoren an dem Testschott sowie an einem Vergleichsschott verbaut, um so noch zusätzliche Informationen über den Wärmeübergang bei dieser Installation zu erhalten.
Bild 8: Einbau des hinterlüfteten Plattensystems
Nach Inbetriebnahme und Auswertung der ersten Betriebsdaten der Anlage sowie der Messdaten der Wärmestromsensorik konnte festgestellt werden, dass das hinterlüftete Schutzsystem auch an diesem Einsatzort mit geringeren Abgastemperaturen funktio- niert und die geforderten Dampftemperaturen kontinuierlich erreicht werden konnten.
Nach einer Reisezeit von 8.000 Stunden erfolgte während der Abkühlphase der Kesselan- lage eine erste visuelle Inspektion, die ein sehr positives Bild der Installation vermittelte.
Die Verschmutzung der Testfläche fiel deutlich geringer aus als an den Vergleichsschotts.
Die Beläge waren nur leicht anhaftend und bedurften keiner aufwendigen mechanischen Reinigung. Es waren nur kleinere Beschädigungen – kleine Materialabbrüche an den Ecken der SiC-Platten – erkennbar. Nach erfolgter Kompletteinrüstung und Reinigung der Kesselanlage ergab sich folgendes Detailbild:
• Die An- und Abströmplatten waren durch eine Rissbildung gekennzeichnet. Auf- grund eines Montagefehlers waren notwendige Dehnungsbereiche mit Mörtel ver- schlossen und führten bei der Abkühlung zu Spannungen in diesem Bereich.
• Salzschmelzen wurden in den horizontalen Fugen vorhanden. Aufgrund der Tem- peraturverhältnisse kam es hier zur Kondensierung von Salzverbindungen, die auf- grund der konstruktiven Gestaltung der Fugen zwischen den einzelnen Plattenrei- hen eindringen konnten.
Korrosion | Werkstoffe
• Teilweise sehr starke Korrosion an den Halteankern. Diese Korrosion wurde be- dingt durch eine falsche Materialauswahl der Halteanker im heißesten Bereich der Installation, durch einen zu geringen Abstand der Platten zur Schottwand und den falschen Ehrgeiz, die Sperrluftmenge zu reduzieren. Dadurch wurden die Halteele- mente nicht mehr ausreichend mit der sauberen Sperrluft umspült und korrosives Abgas gelang an die Halteelemente. Eine kreisförmige Ausbreitung der Korrosion auf dem Überhitzerschott war erkennbar.
• Aufgrund der Auslegung der Installation mit einem zu kleinen Luftspalt zwischen der Membranwand und den SiC-Platten von 5 mm kam es an mehreren Stellen zu einem direkten Kontakt zwischen den Überhitzerrohren und der SiC-Keramik. An diesen Kontaktstellen traten starke Korrosionsprozesse auf.
• Aufgrund der an verschiedenen Stellen aufgetretenen Korrosionsprozesse behin- derten die Korrosionsprodukte eine gleichmäßige Verteilung der Sperrluft, was zu einer Beschleunigung von einigen oben aufgeführten Prozessen führte.
Bild 9: Korrodierter Anker aufgrund des
Sperrluftmangels Bild 10: Korrosion an der Kontaktstelle zwischen Überhitzerrohr und SiC- Platte
Um einen weiteren Betrieb des Testschotts weiter zu gewährleisten, wurden umfang- reiche Reparaturen durchgeführt. Da jedoch nicht genügend vorgefertigte SiC-Platten zur Verfügung standen, wurden Alternativlösungen eingesetzt. Anstelle gepresster und unter Luftabschluss gebrannter SiC-Platten wurden Platten eingesetzt, die mit SiC-Beton gegossen und anschließend gebrannt wurden. Im An- und Abströmbereich der Schottwände wurde eine Lösung entwickelt, in der dichte SiC-Massen auf einen an der Schottwand befestigten Träger aus hochtemperaturbeständigem Stahl appliziert werden (hinterlüftete Masse). Der Stahlträger zeichnet sich dadurch aus, dass er einfach in eine für die Anwendung benötigte Form gebracht werden kann und vielfältig und flexibel mit der Trägerkonstruktion verbunden werden kann.
Nach den erfolgten Reparaturmaßnahmen war dieses Überhitzerschott, trotz der im ersten Betriebsjahr entstandenen Vorschäden, weitere 16.000 Stunden in Betrieb. Auf- grund des Zustandes der Halteanker für das hinterlüftete Plattensystem wurde seitens der Betreiber der Anlage entschieden, das Testschott im Frühjahr 2017 zu entfernen.
413 Strahlungsüberhitzer – von der Testinstallation zum kommerziellen Produkt
Korrosion | Werkstoffe
Nach dem Ausbau des Testschotts wurde dieses eingehend untersucht. Neben den Bereichen, die aus oben ausgeführten Punkten einer starken Korrosion unterlagen, waren Bereiche sichtbar, die keinen Korrosionsangriff ausgesetzt waren und noch mit dem Transportkorrosionsanstrich versehen waren.
Auf Grundlage der Erfahrungen aus dem Betrieb des ersten Testschotts wurden weit- reichende Änderungen im Design durchgeführt und in einem zweiten Überhitzerschott realisiert. Hier wurden z.B. folgende Änderungen bzw. Modifikationen implementiert:
• Die Ausführung der Dehnfugen an den An- und Abströmplatten wurden kon- struktiv geändert, so dass während der Abkühlungsphase eine ausreichende Deh- nungsfuge zur Verfügung steht. Weiterhin wurde diese Dehnungsfuge mörtelfrei ausgeführt.
• Das Design der horizontalen Dehnungsfugen wurde derart geändert, das sich bil- dende Salzschmelzen nicht in die Fugen gelangen können, sondern an der Außen- fläche ohne Penetrierung der Fugen ablaufen können.
• Die Länge der Halteanker wurde vergrößert und somit der Abstand der SiC-Platte zur Schottwand. Ein möglicher Kontakt der Schottwand zur keramischen Verklei- dung wird somit weitestgehend ausgeschlossen.
• Für die Halteelemente wurde ein korrosionsbeständigeres Material verwendet. Die Materialauswahl erfolgte hier unter einem ökonomischen Aspekt, ohne Einbezie- hung von Materialien aus der Alloy-625/686-Familie.
• Die Sperrluftversorgung wurde umgestaltet. Eine Zuführung der Sperrluft erfolgt nun nicht mehr prinzipiell über ein Kanalsystem, welches die Sperrluft nur an den tiefsten Punkt der Installation zuströmen lasst, sondern auch über Zuströmkanäle im Deckenbereich der Installation. Der Übergang zwischen der Kesseldecke und dem hinterlüfteten Plattensystem erfolgt nun nicht mehr mit einfachen Stampf- massen sondern mittels der hinterlüfteten Massen.
• Konstruktive Umgestaltung des unteren Abschlusses der Installation zur einfachen Öffnung und Reinigung des Luftspaltes während der Revision.
Bild 11: Reparaturkonzept mit einer hinter-
lüfteten Masse Bild 12: Zustand des ersten Überhitzer- schottes nach drei Jahren
Korrosion | Werkstoffe
Bei der Ausstattung eines weiteren Überhitzerschotts im Herbst 2015 wurden diese Änderungen im Design berücksichtigt und bei der Montage realisiert. Im Frühjahr 2016 wurde ein weiteres Überhitzerschott mit einem hinterlüfteten Plattensystem ausgerüstet. Unter den an diesem Vorhaben beteiligten Parteien wurde letztendlich der Einsatz von Inconel 625 als Material für die Halteelemente der SiC-Platten ent- schieden und realisiert.
Die während der Inspektionen nach jeweils 8.000 Betriebsstunden vorgefundenen Zustände bestätigten die konstruktiven Änderungen am Design des hinterlüfteten Schutzsystems.
Bild 13: Zustand des Überhitzerschotts nach 8.000 Betriebsstunden
Die durchgeführten Entwicklungsschritte zeigen, dass auch für einen Schottwand- überhitzer im zweiten Zug mit dem hinterlüfteten Schutzsystems ein zuverlässiger Korrosionsschutz dargestellt werden kann. Ebenfalls konnte über mehrere Reisezeiten ein zuverlässiges Erreichen der Heißdampftemperaturen demonstriert werden.
415 Strahlungsüberhitzer – von der Testinstallation zum kommerziellen Produkt
Korrosion | Werkstoffe
Anlagenspezifische Adaptionen sind dabei hinsichtlich des Applikationsortes und der Einbausituation ebenso wichtig zu beachten wie spezifische Besonderheiten in der Anlagenkonfiguration.
4. Kommerzielle Anwendung
Aufgrund der überzeugenden Erfahrungen der bisherigen Installationen konnte der Strahlungsüberhitzer bei verschiedenen Projekten angeboten werden und erfolgreich beim Neubau des Holzheizkraftwerkes (HKW) Aarberg (CH) platziert werden. Am Standort betreibt die Schweizer Zucker AG eine sehr energieintensive Zuckerproduktion aus Zuckerrüben. Das HKW wird dabei in den bestehenden Verbund aus mehreren fossil befeuerten Heizkesseln integriert. Es werden hier täglich bis zu 250 Tonnen Alt- holz verwertet werden, was in etwa einer thermischen Leistung von 33 MW entspricht.
Diese produzierte Wärmemenge deckt zu einem großen Teil den Energiebedarf der Zuckerfabrik. Durch den Einsatz dieser erneuerbaren Energien können etwa 60 % der fossilen Brennstoffe gespart werden und der CO2-Ausstoß wird um 14.000 t/a reduziert.
Bild 14: HKW Aarberg, Anlagenquerschnitt
Der Dampferzeuger wurde für einen Betriebsdruck von 77 bar und einer Heißdampf- temperatur von 480 °C ausgelegt. Bei einer konventionellen Überhitzerauslegung, bei der die Abgastemperatur am Überhitzer auf 650 °C aus Korrosionsgründen limitiert ist,
Korrosion | Werkstoffe
würde der Dampferzeuger eine Größe annehmen, die den für den Bau der Anlage vorgegebenen Platz übersteigt. Eine Verlegung der konvektiven Endüberhitzerpakete in einen heißeren, und somit für den Wärmeübertrager effektiveren Bereich wurde aufgrund der zu erwarteten starken Korrosion an den Überhitzerrohren ausgeschlossen.
Das für Aarberg realisierte Konzept sieht vor, den Sattdampf in den konventionellen Überhitzern auf etwa 410 °C zu überhitzen, und dann die Temperatur des überhitzten Dampfes im Strahlungsüberhitzer, welcher an der Decke des ersten Zuges platziert ist, bis auf 480 °C anzuheben. Um diese Temperaturerhöhung zu realisieren, werden im Bereich der Kesseldecke die Überhitzerschotten. Der Schutz der Überhitzerschotten wird analog der Testinstallation in Rosenheim über ein hinterlüftetes Plattensystem realisiert.
Bild 15: HKW Aarberg, Anordnung Strah- lungsüberhitzer
Aufgrund der im ersten Zug vorherr- schenden Temperaturen ist die Wärme- übertragung an die Heizflächen, hier speziell des Überhitzers, sehr hoch, und führt somit zu einer deutlichen Redu- zierung der Heizflächengröße, was sich entsprechend auch in einer kompakten Bauweise der Gesamtanlage widerspiegelt.
Weitere Anwendungsgebiete für den Strahlungsüberhitzer ergeben bei der Optimierung und Modernisierung von Bestandsanlagen. So ist es möglich, zu- sätzliche Heizflächen in die bestehende Kesselanlage einzubauen und die ther- mische Leistung der Anlage zu steigern.
Bei hohen Korrosionsraten im Bereich der konventionellen Überhitzer bietet der Strahlungsüberhitzer eine Möglichkeit, die Endüberhitzung des Dampfes in die Leerzüge zu verlegen, und den konven- tionellen Überhitzer mit einer deutlich niedrigeren Dampftemperatur, außerhalb eines korrosionskritischen Bereiches, zu betreiben. Entsprechende Lösungen müssen hier anlagespezifisch angepasst werden und mit der vorhandenen Anlagenkonfiguration abgestimmt werden.
5. Fazit
Durch den Einsatz eines hinterlüfteten Strahlungsüberhitzers ist es möglich, zusätz- liche Heizflächen in die Strahlungszüge zu verlegen und das dort vorherrschende hohe Temperaturgefälle effektiv zu nutzen. Durch dieses patentierte System können die dampfführenden Rohre wirksam vor korrosiven Belägen geschützt werden.
417 Strahlungsüberhitzer – von der Testinstallation zum kommerziellen Produkt
Korrosion | Werkstoffe
Dadurch kann, wie das Projekt Aarberg verdeutlicht, der Dampferzeuger deutlich kompakter und effizienter ausgeführt werden. Dies ermöglicht es unter anderem bei der Modernisierung von Bestandsanlagen Kesselkonzepte zu realisieren, die bei gleicher Baugröße der Kesselanlage eine höhere thermische Leistung aufweisen.
6. Quellen
[1] Egeler, R.; Schmidt, J.; Martin, J. J. E.; Weber, T.: Strahlungsüberhitzer im Feuerraum zur Effi- zienzsteigerung –Erste Erfahrungen am MHKW Rosenheim. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.;
Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 10. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmi- ensky, 2013, S. 397-410
[2] Greißl, O.; Schmidt, Rolf.: Technische Konzepte zur Reduktion der Instandhaltungsaufwendun- gen der Endüberhitzer. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 11. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2014, S. 409-426
[3] Rüegg, H.; Krüger, J.: A new solution for the construction of the final superheater of waste inci- neration boilers for high live steam temperatures with minimised corrosion risk: VGB-Konferenz Thermische Abfallverwertung 2000, Essen
[4] Schumacher, U.; Metschke, J.: Feuerfeste Abkleidung eines vorgeschalteten Wandüberhitzers im ersten Zug in MK II bei MHKW Schwandorf: VGB-Konferenz Thermische Abfallverwertung 2000, Essen
Als Experten im Feuerfestbau schaffen wir innovative Lösungen für alle Industriebereiche. Seit mittlerweile mehr als 80 Jahren. Weltweit. Dabei hat uns immer die Nähe zu unseren Kunden stark gemacht. Denn wir konzentrieren uns auf die individuellen Bedürfnisse unserer Geschäftspartner und beantworten diese mit maßgeschneiderten Gesamtlösungen. Grenzen im Feuerfestbau kennen wir nicht. In diesem Sinne sind wir
Markus Dworschak
Feuerungsmaurer, 30 Jahre bei J+G
Vorwort
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Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, Peter Quicker, Alexander Gosten (Hrsg.):
Energie aus Abfall, Band 15
ISBN 978-3-944310-39-8 Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH
Copyright: Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Dr.-Ing. Stephanie Thiel Alle Rechte vorbehalten
Verlag: Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH • Neuruppin 2018
Redaktion und Lektorat: Dr.-Ing. Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Dr.-Ing. Olaf Holm
Erfassung und Layout: Ginette Teske, Sandra Peters, Janin Burbott-Seidel,
Claudia Naumann-Deppe, Cordula Müller, Anne Kuhlo, Gabi Spiegel Druck: Universal Medien GmbH, München
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