Erfahrungen beim Verschleißschutz in Abfallverbrennungsanlagen mit unterschiedlichen Frischdampfdrücken
Harald Lehmann
1. Anlagenaufbau der Abfallverbrennungsanlagen
Rüdersdorf und Rostock ...519
2. Brennstoff- und betriebsbedingte Verschmutzungen im Dampferzeuger ...523
2.1. Allgemeines ...523
2.2. Rüdersdorf ...524
2.3. Rostock ...525
3. Verschleißerscheinungen und Optimierung des Verschleißschutzes im Dampferzeuger ...527
3.1. Allgemeines ...527
3.2. Rüdersdorf ...528
3.2.1. Cladding im 1. Zug ...528
3.2.2. Cladding an den Schottenüberhitzern im 2. Zug ...530
3.2.3. Überhitzer im 3. Zug ...532
3.3. Rostock ...532
3.3.1. SiC-Plattensysteme im 1. Zug ...532
3.3.2. HVOF-Beschichtung im 2. Zug ...534
3.3.3. Überhitzer im 4. Zug ...535
4. Mögliche Optimierungsmaßnahmen und Ausblick ...535
5. Zusammenfassung ...536
6. Literaturverzeichnis ...536 Die Vattenfall Europe New Energy Ecopower GmbH mit Sitz in 15556 Rüdersdorf bei Berlin ist eine 100%ige Tochtergesellschaft der Vattenfall Europe New Energy GmbH mit Sitz in Hamburg. Die Vattenfall Europe New Energy Ecopower GmbH betreibt die beiden Abfallverbrennungsanlagen Rüdersdorf und Rostock.
In der am östlichen Rand von Berlin gelegenen Abfallverbrennungsanlage Rüdersdorf werden aufbereitete Siedlungsabfälle – hauptsächlich aus dem Raum Berlin-Branden- burg thermisch verwertet. Da eine Wärmeauskopplung zum Zeitpunkt der Planung
noch nicht möglich war, wurde bei der Konzeption der Anlage auf einen möglichst ho- hen elektrischen Wirkungsgrad von etwa 30% geachtet. Die Abfallverbrennungsanlage Rüdersdorf ist seit 2009 im bestimmungsgemäßen Dauerbetrieb, bis zum 31.08.2013 wurden 33.858 Betriebsstunden absolviert.
Bild 1:
Abfallverbrennungsanlage Rü- dersdorf
Bild 2:
Abfallverbrennungsanlage Ros- tock
Die Abfallverbrennungsanlage Rostock befindet sich im Überseehafen Rostock und erhält die aufbereiteten Abfälle aus der in unmittelbarer Nachbarschaft gelegenen mechanisch-biologischen Aufbereitungsanlage (MBA). In dieser MBA werden die in der Hansestadt Rostock und in den umliegenden Landkreisen anfallenden Siedlungs- abfälle behandelt. In Rostock konnte schon von Beginn an eine Kraft-Wärme-Kopplung realisiert werden. Der an der Turbine zusätzlich entnommene Niederdruckdampf wird hier als Ferndampf ganzjährig einem Industrieunternehmen im Überseehafen für Produktionszwecke zur Verfügung gestellt.
Die Abfallverbrennungsanlage Rostock ging nach drei Jahren Bauzeit im März 2010 in den bestimmungsgemäßen Dauerbetrieb. Bis zum 31.08.2013 lief die Anlage 30.639 Betriebsstunden.
Wegen der bei Planungsbeginn sehr verschiedenen Rahmenbedingungen weisen die Kesselkonzepte der Abfallverbrennungsanlagen Rüdersdorf und Rostock deutliche Unterschiede auf. Neben der Baugröße variieren die Bauart und der Frischdampfdruck.
In Verbindung mit der inhomogenen Zusammensetzung des Brennstoffs Abfall führen diese verschiedenen Kesselkonzepte auch zu einem unterschiedlichen Betriebsverhalten bei Verschmutzungen und Verschleiß.
1. Anlagenaufbau der Abfallverbrennungsanlagen Rüdersdorf und Rostock
Im Grundaufbau der Gesamtanlage ähneln sich die Abfallverbrennungsanlagen Rü- dersdorf und Rostock zunächst. Kernstück beider Anlagen sind die mit einer was- sergekühlten Rostfeuerung ausgestatteten Dampferzeuger und nachgeschaltet eine quasitrockene Abgasreinigung.
Die Entstickung der Abgase erfolgt bereits im Kessel durch Eindüsung von Ammo- niakwasser (Rüdersdorf) bzw. Harnstoff (Rostock) – NOx-Reduzierung nach dem SNCR-Verfahren (selektive nichtkatalytische Reduktion).
Nach dem Kesselende treten die Abgase mit den enthaltenen Schadstoffen und dem mitgerissenen Flugstaub aus dem Dampferzeuger mit etwa 185 °C bis 190 °C in die erste Komponente der Abgasreinigungsanlage, den Sprühabsorber, ein.
In den Sprühabsorber werden Kalkmilch und Wasser eingedüst, so dass die im Abgas enthaltenen sauren Schadgase wie HCl, SO2 und HF mit der aus Branntkalk erzeugten Kalkmilch chemisch reagieren. Gleichzeitig wird durch die Wasserverdampfung die Temperatur des Abgases auf etwa 135 °C bis 140 °C abgesenkt und die Reaktionspro- dukte werden getrocknet.
Nach dem Sprühabsorber wird zur trockenen Absorption der sauren Abgasinhaltsstoffe Kalkhydrat und zur Adsorption organischer sowie gasförmiger metallischer Stoffe mahlaktiver Herdofenkoks (HOK) in die Abgaskanalstrecke eingedüst. Im Filterkuchen des Gewebefilters finden die Nachreaktionen statt.
Die angelagerten Reststoffe – Flugstaub, Reaktionsprodukte und auch nicht reagierte Kalkprodukte – werden kontinuierlich an den Filterschläuchen im Gewebefilter ab- getrennt und ausgeschleust. In Rostock wird zur Erhöhung der Effizienz noch ein Teil des Reststoffes rezirkuliert.
Harnstoff Konden- sat
Prozessdampf
Strom Luft- kondensator LuftWasserKalkmilch
suspension
Abgasreinigung
Saugzug Filterstaub Flugstrom- reaktor Kesselstaub
Reingas Kalkhydrat
Herdofenkoks Sprüh-
absor- ber Schlacke
Rost
SNCRDampferzeuger Turbine
Abfall
Frischdampf
Gewebe- filter
Bild 3:
Anlagenschema Rostock
Einheit Rüdersdorf Rostock Brennstoffdurchsatz im Betrieb t/a 240.000 180.000 Feuerungswärmeleistung MW 110 87
Dampfmenge nominal t/h 120 100
Dampfdruck bar (ü) 90 42
Dampftemperatur °C 420 405
elektrische Leistung brutto MW 35 20 Wärmeauskopplung MW (bar, °C) Projekt 20 (16, 260) R1-Kriterium 0,65 bis 0,68 0,78 bis 0,8
Tabelle 1:
Anlagendaten
Eine besondere Eigenheit in Rüdersdorf ist der erstmalige Einsatz einer direkt im Abgasstrom angeordneten Zwischenüberhitzung in einer Abfallverbrennungsanlage.
Diese Technologie zur Leistungs- und Effizienzsteigerung ist sonst nur aus der kon- ventionellen Kraftwerkstechnik bekannt.
Im Wärmeschaltbild ist dargestellt, wie der Frischdampf den Kessel mit 420 °C und 90 bar verlässt und nach der ersten Stufe der Turbine mit etwa 25 bar wieder zum Kessel zurückgeführt wird. Nach der Aufheizung auf eine Temperatur von wiederum 420 °C wird der Dampf in der 2. Turbinenstufe auf etwa 60 mbar entspannt und anschließend im Luko kondensiert.
In Rüdersdorf wurde eine kompakte Dampferzeugerkonstruktion in Vertikalbauweise gewählt und der Endüberhitzer als Schottenheizfläche im 2. Zug angeordnet. Für diese Schottenheizfläche im 2. Zug wurde der Überhitzer 3 und der Zwischenüberhitzer 2 in der Tiefe in insgesamt 2 x 12 Schotten aufgeteilt, die durch die Kesseldecke mit den außen liegenden Sammlern verbunden sind. Durch diese Anordnung der Schotten Bei der Baugröße und vor allem beim Frischdampfdruck gibt es bei den Abfallverbren- nungsanlagen Rüdersdorf und Rostock die ersten wesentlichen Unterschiede.
ergibt sich rauchgasseitig im Durchtrittsbereich des 1. zum 2. Zug eine Queranströ- mung der Rohrreihen durch die Abgase, was verschleißtechnisch hohe Ansprüche stellt. Die Schottenheizflächen im 2. Zug haben deshalb zum Schutz gegen Korrosion rundgecladdete Rohre erhalten.
420 °C / 23,4 bar
269 °C / 25,4 bar 420 °C / 90 bar
38,5°C / 0,068 bar
Im 3. Zug sind die anderen Heizflächen für die Zwischenüberhitzung und für den Hochdruckdampf angeordnet. In der Grundausstattung wurde der 3. Zug ohne geson- derte Schutzmaßnahmen gegen Verschleiß ausgeführt, lediglich die Rohrwandstärken wurden etwas höher dimensioniert. Die Reinigung der Rohrbündel im 3. Zug erfolgt mit Dampfrußbläsern.
Bild 4:
Rüdersdorf – Wärmeschaltbild mit Zwischenüberhitzung
Schottenheizflächen
Bild 5: Rüdersdorf – Längsschnitt Dampf- erzeuger
Zum Schutz des Feuerraumes und des 1. Zuges wurde keine Ausmauerung ver- wendet, sondern Cladding mit Inconel 625 komplett für alle Rohrwände von den Rostrandrohren bis zur Kesseldecke eingesetzt. Die Aufschweißungen des In- conel 625 erfolgten dabei werkstattseitig bei der Herstellung der Membranwände und Rohre.
Im Gegensatz zu Rüdersdorf wurde die Anlage Rostock als Horizontalzugkessel konzipiert. Um hohe Verfügbarkeiten zu erreichen wurden mit 405 °C und 42 bar (ü) moderate Dampfparameter vorgesehen. Dazu wurde in Rostock das bei Abfallverbrennungsanlagen bewährte Konstruktionsprinzip gewählt, wonach der 2. Zug und 3. Zug wegen der zu erwar- tenden Verschlackungsneigung vorzugs- weise als Leerzug mit in den Verdampfer
Tabelle 2: Rüdersdorf und Rostock: Vergleich Anlagenkomponenten
System Komponente Rüdersdorf Rostock Dampferzeugung Kessel Naturumlaufkessel Naturumlaufkessel
mit 4 vertikalen Zügen mit 3 vertikalen Zügen und 1 Horizontalzug Verschleißschutz/ 1. Zug: Vollcladding 1. Zug: VHT-Plattensystem, Grundausstattung 2. Zug: Cladding Schotten Zünddecke Spritzbeton
ÜH/ZÜH Decke Cladding
2. Zug: HVOF-Beschichtung Kesselreinigung 2. Zug: ohne 2. Zug: SCS
3. Zug: Dampfbläser 3. Zug: SCS 4. Zug: ohne 4. Zug: Klopfer
Rost 3-bahnig 1-bahnig
5 Zonen 4 Zonen
wassergekühlt: Zonen 1 bis 4 wassergekühlt: Zonen 1 bis 3 Verbrennungsluft Primär- und Sekundärluft Primär- und Sekundärluft
Abgasrezirkulation (zugemischt) Entaschung Stößel-Nassentschlacker Kratzer-Nassentascher Abgasreinigung SNCR Eindüsung Ammoniakwasser Eindüsung Harnstoff
3 Ebenen möglich 2 Ebenen möglich Sprühabsorber Drehzerstäuber Drehzerstäuber
Comline Sanderson LAB 15.000 U/min 5.000 U/min
Eindüsung Eindüsort Abgaskanal Eindüsort Umlenkreaktor Kalkhydrat/HOK
Filterstaubrezirkulation keine Eindüsung in den
Umlenkreaktor
Stromerzeugung Dampfturbine Kondensationsturbine Entnahmekondensationsturbine mit ZÜ-Einbindung
Dampfauskopplung vorbereitet/Projekt für externe Ferndampflieferung Bild 6:
Rostock – Längsschnitt Dampf- erzeuger
integrierten Membranwänden ausgeführt ist. Im 4. Zug sind die Konvektivheizflächen mit Schutzverdampfer, Überhitzer (erster Überhitzer vor Endüberhitzer) und Econo- mizer angeordnet.
Zum Schutz der Verdampferrohre wurde der erste Zug bis etwa 3 m unter die Decke mit hinterfüllten SiC-Platten ausgestattet. Darüber kam an den Membranwänden und an der Decke des 1. Zuges Cladding mit Inconel 625 zum Einsatz. Im 2. Zug erhielten die Decke und die Membranwände eine thermische Spritzbeschichtung (HVOF-Beschichtung).
Um den bekannten und auch erwarteten Verschmutzungs- und Korrosionsproblemen Rechnung zu tragen ist für die Leerzüge 2. und 3. Zug eine Sprühreinigung installiert.
Im 4. Zug kommen Klopfer für die Reinigung der Rohrbündel zum Einsatz.
2. Brennstoff- und betriebsbedingte Verschmutzungen im Dampferzeuger
2.1. Allgemeines
Die Verfügbarkeit der Abfallverbrennungsanlagen wird von den Reisezeiten geprägt, die vor allem von den Verschmutzungen im Feuerraum und an den Heizflächen ent- lang des Abgasweges abhängen. Die Ablagerungen führen zu einer Verminderung der Wärmeübertragung vom Abgas auf den Wasser-Dampf-Kreislauf und beeinflussen die Korrosion der Heizflächen. Bei starken Beeinträchtigungen der Wärmeübertragung durch Verschmutzungen, durch Belege oder Wechten muss der Anlagenbetrieb au- ßerplanmäßig für Reinigungsarbeiten unterbrochen werden, was sich letztlich auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt.
Die Brennstoffzusammensetzung, die Verbrennungsbedingungen und die Konstruktion des Dampferzeugers bestimmen die Bildung und Struktur der Beläge. Zu beobachten sind Beläge mit einem lockeren, porösen Aufbau bis zu versinterten Strukturen und im Verlaufe der Reisezeit entstehen schmelzflüssigen Ablagerungen. Neben den korrosi- ven Schäden beeinflussen die Anwachsungen insbesondere auch die Luftführung der Sekundärluftdüsen und schaffen damit ungleichmäßige Verbrennungsbedingungen.
Hohe Inertgehalte im Brennstoff Abfall begünstigen dabei die Ablagerungen auf den Heizflächen.
Bei den in Rüdersdorf und Rostock thermisch verwerteten Abfällen handelt es sich um überwiegend gewerbe- und hausmüllähnliche Siedlungsabfälle, die vor Einsatz in den Abfallverbrennungsanlagen einer Aufbereitung unterzogen wurden. Der Grad der Aufbereitung nimmt dabei immer mehr ab. Die Abfallverbrennungsanlagen Rü- dersdorf und Rostock sind für Heizwerte der Abfälle von 11 bis 18 MJ/kg ausgelegt.
Der Heizwert hat sich seit der Inbetriebnahme von etwa 12,8 MJ/kg auf zuletzt etwa 12, 2 MJ/kg verringert.
Mit der Bildung und dem Aufbau von Belagsschichten sind die Voraussetzungen für die Verschleiß- und Korrosionserscheinungen an den Heizflächen und deren Schutzvorrichtungen gegeben. Dazu kommt die mit Zunahme der Schichtstärken von Ablagerungen sich ändernde Verteilung der Temperatur in den Belägen, wodurch die Temperaturen an den Oberflächen der Belege zunehmend ansteigen und teilweise schmelzflüssig werden. Diesen Erscheinungen müssen Schutzvorrichtungen wie Feu- erfestmaterial, Cladding oder thermische Spritzschichten Rechnung tragen.
2.2. Rüdersdorf
Bei der Abfallverbrennungsanlage Rüdersdorf bestätigte sich die von anderen Anlagen ebenfalls bekannte geringe Belagsbildung auf dem Cladding im 1. Zug und im 2. Zug.
Diese Beläge wiesen einen lockeren porösen Aufbau auf.
Das änderte sich etwas mit Einbringung von keramischen Dünnschichtplatten auf dem Cladding zum Schutz vor Erosion. Diese Maßnahme erfolgte zunächst im unteren Teil des 1. Zuges an der rechten und linken Seitenwand unterhalb der Einschnürungen. In den Bereichen der Seitenwände, zu denen die äußeren Sekundärluftdüsen im rechten Winkel stehen, waren nunmehr auf den keramischen Dünnschichtplatten sehr feste dünne Beläge zu verzeichnen.
Bild 7:
Rüdersdorf – Lockere Beläge auf gecladdeten Membranwänden im 1. Zug
Bild 8:
Rüdersdorf – Beläge auf kerami- schen Dünnschichtplatten
Die einzigen Verschmutzungen, die das Betriebsverhalten beeinflussten, befanden sich im 3. Zug. Die neuralgische Stelle waren die Verbindungsrohre zwischen den Sammlern im Übergang vom 2. zum 3. Zug. Das ist auch dadurch zu erklären, da nach den Schottenheizflächen im 2. Zug diese Verbindungsrohre die Kühlfalle vor Eintritt in den 3. Zug darstellen.
Durch Anwachsungen von unten konnten die von den Rußbläsern abgereinigten Partikel – zum Teil dabei richtig feste Schalen – nicht mehr durchfallen und damit auch nicht mehr über die Kesselentaschung ausgetragen werden, sondern lagerten sich oberhalb dieser Verbindungsrohre ab. Diese Erscheinung führte etwa 3.000 h nach jeder Revision zu einem massiven Druckverlust. Als Reinigungsmaßnahme wurde dann mit einer Serie von manuellen Sprengreinigungen der Durchtritt für die Abgase wiederhergestellt.
Zur Vermeidung der beschriebenen Anwachsungen im Übergang von 2. zum 3. Zug und den damit verbundenen Folgeerscheinungen wurde das Rohrgitter umgebaut.
Beim Umbau wurde die Teilung der Rohre von 200 mm auf 400 mm erhöht. Seit Durchführung dieser Maßnahme im Juni 2012 sind die Anwachsungen nicht mehr zu beobachten.
2.3. Rostock
Gegenüber den relativ porösen Anhaftungen von dünnen Belägen im 1. Zug des Rü- dersdorfer Kessels hat die Abfallverbrennungsanlage in Rostock von Beginn an mit starker Wechtenbildung zu kämpfen, die sich im 1. Zug unterhalb der Ölbrenner zu bilden begannen, sich im Laufe der Zeit weiter nach unten aufbauten und schließlich die Rostbewegung und die Verbrennung behinderten. Die Wechten rissen nach einer längeren Zeit ab und mussten wegen ihrer Größe kurz vor Eintritt in den Schlacke- fallschacht mit hohem Aufwand mechanisch zerstört werden.
Bild 9:
Rüdersdorf – Anwachsungen Verbindungsrohre 2. zum 3. Zug
In der Revision 2012 wurden im 1. Zug als Testfeld unterhalb der Brenner SiC-Platten mit höherem Wärmedurchgang eingebaut, was sich positiv auswirkte. Die Wechten- bildung wurde zwar nicht vollständig verhindert, aber die Wechten waren wesentlich kleiner und konnten jetzt ohne manuellen Einsatz über den Schlackeaustrag abtrans- portiert werden.
Die Strahlungszüge 2. und 3. Zug verfügen in Rostock über ein Sprühreinigungssystem (Shower Clean System). Die Sprühreinigungseinrichtung wird mit zwei Verfahrmoto- ren, die an einem Schienensystem hängen, zu den Stutzen des 2. und 3. Strahlungszugs gefahren. Näherungsschalter signalisieren die Position der Stutzen. Bei Betrieb der Anlage wird ein Waschschlauch oberhalb der Decke des Dampferzeugers mit einem angehängten Düsenkopf von der Schlauchtrommel abgerollt, durch den betreffenden Stutzen in der Decke vertikal in den Abgaszug eingeführt und für die flächendeckende Reinigung pendelnd in den Dampferzeuger herabgelassen.
Mit der Sprühreinigung wird auch in Rostock der fortschreitende Aufbau einer stär- keren Verschmutzung der Wände des Dampferzeugers erfolgreich verhindert, damit für eine verbesserte Wärmeübertragung vom Abgas auf das Wasser-Dampf-System gesorgt und auch periodisch die Abgastemperatur vor Eintritt in den vierten Zug des Dampferzeugers korrosionsmindernd abgesenkt.
Die Reinigung der Heizflächen im 4. Zug erfolgt mit mechanischen Klopfern, die auf der rechten Kesselseite installiert sind. Zur Abreinigung der Heizflächen werden die Klopfstellen mit einem Klopferwagen getaktet angefahren. Die Wärmetauscherpakete werden in Abgasrichtung gereinigt, wobei die Häufigkeit der Abreinigung von der An- lagenbetriebsweise und vom Verschmutzungsgrad der Heizflächen abhängt und einge- stellt werden kann. Die Wirksamkeit der Klopfervorgänge wird durch die veränderbare Einsatzhäufigkeit – abhängig vom Verschmutzungsgrad – und eine kontinuierliche Wartung unterstützt. Dabei wird kontrolliert, ob die Klopfstellen funktionsfähig sind und die Stößel nicht klemmen.
Bild 10:
Rostock – Wechtenbildung im Feuerraum
3. Verschleißerscheinungen und Optimierung des Verschleißschutzes im Dampferzeuger
3.1. Allgemeines
Bei der Verbrennung von Abfällen bilden sich Beläge an den Wärmeübertragerflächen aus. Diese verändern die Wärmeübertragungsprozesse vom Abgas auf das Wasser/
Dampf-Medium. Durch die isolierende Wirkung der Beläge kommt es zu Verschiebun- gen des Temperaturprofils im Feuerraum und über den Abgasweg. Damit verändern sich im Verlaufe der Reisezeit die thermischen Belastungen der beanspruchten Bereiche und führen zu Korrosionserscheinungen an der Oberfläche der Schutzschichten und der nichtgeschützten Rohre.
Dabei handelt es sich um Korrosion bei hohen Temperaturen und im Beisein von Chlor oder von angelagerten und zum Teil auch geschmolzenen Salzen.
Neben dem Temperaturprofil beginnend von der Abgasseite durch die Beläge zur Rohrseite spielen noch die Strömungsverhältnisse im Kessel über den Abgasweg eine wichtige Rolle. Nicht zu unterschätzen ist in diesem Zusammenhang der strömungsbe- dingte Verschleiß durch Erosionserscheinungen, die zur Schwächung der Oberflächen der Schutzschichten und der nichtgeschützten Rohre führen. Abgezehrt werden nicht nur die Rohrmaterialien aus warmfesten ferritischen Stählen, sondern auch die zum Korrosionsschutz aufgetragenen Schweißplattierungen aus Inconel 625.
Die Vorhersehbarkeit von Belagsentwicklung und Korrosionserscheinungen ist wegen der inhomogenen Zusammensetzung des Brennstoffes Abfall mit ständig wechselnden Schadstofffrachten und der dadurch ständig anzupassenden Prozessführung stark eingeschränkt bis nahezu unmöglich.
Bild 11:
Rüdersdorf – Abrasion Schot- tenheizflächen
Deshalb greift der Betreiber bei der Optimierung seiner Anlage zu möglichst umfas- senden globalen Schutz- und Reinigungsmaßnahmen, die eine
• hohe Standzeit der eingesetzten Materialien,
• lange Reisezeit und
• geringe Instandhaltungsaufwendungen gewährleisten sollen.
3.2. Rüdersdorf
3.2.1. Cladding im 1. Zug
Bei der Auslegung des Dampferzeugers mit 90 bar und einer Sattdampftemperatur von 303 °C standen die mit Inconel 625 vollständig gecladdeten Verdampferrohrwände unter einer besonderen Beobachtung. Schon frühzeitig während der Inbetriebnahme- phase waren erste starke Abzehrungen an den Verdampferrohren der Roststufe 1 zu verzeichnen. Der Hersteller reagierte mit dem Austausch der ungeschützten Rohre gegen mit Inconel 625 gecladdeten Rohrmaterial. Diese werkstattseitig gecladdeten Rohre wiesen nach kurzer Reisezeit Poren im Cladding auf, wodurch eine akute Gefahr von Rohrleckagen entstand. Bei der Revision 2011 wurden die Rohre nochmals gegen gecladdete Rohre ausgetauscht und zusätzlich als mechanischer Schutz eine Schicht feuerfeste Stampfmasse aufgebracht. Seit dieser Maßnahme konnte bei den nächsten Revisionen nur noch ein geringer Verschleiß bei der Stampfmasse festgestellt werden, der sich mit geringem Aufwand reparieren lässt.
Bild 12:
Rüdersdorf – Roststufe 1 In der Frühphase des Betriebs gab es weitere Überraschungen mit erheblichen Abzehrungen der Claddingschichten auf den Verdampferrohren unterhalb der Feuerraumeinziehungen. Als erstes probates Mittel wurde ein Reparaturcladding durchgeführt, wodurch aber die Ursache nicht beseitigt wurde. Bei einem unmittelbar darauf folgenden Rohrschaden im Übergangsbereich vom Reparaturcladding zum
originalen Werkstattcladding zeigte sich bei Detailuntersuchungen, dass Restsalze in Poren enthalten waren, die unter den Claddingschichten verblieben sind und diese unterwandert haben. Das sich eine derartige Erscheinung auch bei Reparaturcladding von größeren Flächen und damit gleichfalls die Gefahr von plötzlichen Rohrleckagen nicht ausschließen ließ, wurden die geschädigten Rohrflächen großflächig ausgetauscht und die neuen werkstattseitig gecladdeten Membranwände zusätzlich zum Schutz vor Erosionserscheinungen mit keramischen Dünnschichtplatten versehen.
Der Aufwand dafür ist natürlich enorm, sichert dafür aber auch für diese Flächen einen kompletten Schutz und nachfolgend einen geringen Reparaturaufwand.
Diese Art der Maßnahme – der Austausch von stark geschädigten Rohrbereichen gegen neue werkstattseitig gecladdete Membranwände mit zusätzlichen Schutz durch keramische Dünnschichtplatten – hat sich bewährt und wurde in den folgenden Jahren mit Teilen der Rostrandrohre, der Rückwand und der Stirnwand fortgesetzt.
Die Nachrechnung der Veränderung der Abgastemperatur über den Abgasweg im Kessel durch den Kesselhersteller ergab bei den 2011 (Seitenwände 70,2 m²) und 2012 (Rückwand 194,5 m², Rostrandrohre 20,4 m²) ausgetauschten und durch keramische Dünnschichtplatten zusätzlich geschützten Membranwänden eine Temperaturerhöhung von max.10 K am Übertritt vom 1. zum 2. Zug. Die damit verbundenen Auswirkungen lassen sich derzeit noch nicht beschreiben.
Für die verbliebenen Bereiche wird bei Kontrollstillständen und während der Jahres- revisionen weiterhin aufwendig Reparaturcladding durchgeführt. Cladding ist eine sehr kostenintensive Maßnahme, verursacht durch die teuren nickelbasishaltigen Schweißzusatzwerkstoffe. Der hohe Materialeinsatz resultiert aus der geforderten Schichtdicke von > 2 mm. Das Korrosionsrisiko bleibt, wenn Poren nicht vollständig bei der Claddingvorbereitung abgeschliffen werden. Das Abschleifen und das manuelle Nachcladden hängen natürlich von der individuellen Erfahrung und der Handfertigkeit der Mitarbeiter der eingesetzten Fachfirmen ab.
Bild 13:
Rüdersdorf – Einsatz kerami- scher Dünnschichtplatten auf Cladding
Auch in Rüdersdorf ist die bekannte Tatsache zu beobachten, dass die Korrosion entlang von Überlappungen das Cladding am stärksten angreift, da hier die Wärmestromdichte höher ist als auf der Raupe. Dabei finden sich die stärker abgezehrten Flanken auf der dem Feuer zugewandten Seite.
Bild 14:
Rüdersdorf – Abzehrung Clad- ding an Rohrflanken
Vermutlich lässt sich bei den beobachteten Schadensbildern im Verdampferbereich
• punktförmige Korrosionsmulden bis zum Grundwerkstoff,
• selektive Abzehrungen der Rohrflanken,
• Rissbildung im Cladding,
• flächige Einebnung der Cladding-oberfläche
auch die Erfahrung ableiten, dass bei Dampferzeugern im Druckbereich um 90 bar (Sattdampftemperatur 303 °C) die Schutzwirkung von Inconel 625 unter bestimmten Verbrennungsbedingungen, z.B. bei gleichzeitig hohen Feuerraumtemperaturen, ma- terialtechnisch eingeschränkt ist.
3.2.2. Cladding an den Schottenüberhitzern im 2. Zug
Bereits im ersten Betriebsjahr waren hohe Abzehrraten im Anströmbereich der Schot- ten-Überhitzer am Eintritt in den 2. Zug aufgetreten, die noch in die Gewährleistung des Herstellers fielen. Insbesondere war durch die konstruktive Auflösung der Schotten in Einzelrohre mit dem Entfall von Stegen zur Verminderung der Steifigkeit durch unterschiedliche Wärmedehnungen die Flucht der Rohrreihen nicht mehr gegeben, wodurch es durch die Querströmung zu starken Erosionserscheinungen insbesondere an den ausgelenkten Rohren kam.
Darüber hinaus waren die ersten Rohre der Anströmseite durch die staubbeladene Strömung starker Abrasion unterlegen, die schnell zum Verlust der Cladding-Schicht führte.
Dieser Schaden nach 4.200 h konnte in einem ersten großen Revisionsstillstand 2009 durch neues Rohrmaterial, die Verklammerung der Rohre mit Kammblechen sowie durch Schutzbleche auf den ersten Rohren beseitigt werden. Im weiteren Betriebs- verlauf waren unmittelbar über den Kammblechen Abzehrungen zu beobachten, die auf die Bildung von Wirbelströmungen zurückzuführen sind. Deshalb wurden die Kammbleche bei den nächsten Revisionen so angebracht, dass ein möglichst geringer Strömungswiderstand entsteht.
Bild 15:
Rüdersdorf – Einsatz Kamm- bleche bei Schottenheizflächen
Bild 16:
Rüdersdorf – Einsatz von Schutzschalen Übergang 1. zum 2. Zug
Dem erhöhten Verschleiß an den Schottenheizflächen im Übergangsbereich vom 1. in den 2. Zug konnte nachfolgend erst durch den Einsatz von Schutzschalen vor den ersten Rohren zielgerichteter begegnet werden. Hierfür sind zwischenzeitlich unterschiedliche Materialien und Schalengeometrien getestet worden. Die Standzeiten haben sich zwar verbessert, eine allseits befriedigende Lösung steht aber weiterhin noch aus.
3.2.3. Überhitzer im 3. Zug
Die Heizflächen im 3.Zug werden durch Rußbläser gereinigt. Aufgabe der Rußbläser ist es, auf der gesamten Wärmeübertragungsfläche die Beläge zu entfernen, ohne die Grundwerkstoffe für den Korrosionsangriff vollständig blank zu machen bzw. zu schä- digen. Die Rußbläser begünstigen den Korrosionsangriff durch zusätzliche mechanische Belastungen und die Abreinigung von ggf. schützenden Ablagerungen.
Der Hersteller hatte bei den Heizflächen auf einen zusätzlichen Schutz verzichtet und dafür die Rohrwandstärke um 2 mm erhöht. Dennoch war nach 15.600 Betriebsstunden der erste Rohrschaden durch den Rußbläsereinsatz zu verzeichnen. Typischerweise befand sich dieser Schaden in dem Bereich des 3. und 4. Rohres nach Eintritt der Rußbläserlanzen.
Als verschleißmindernde Maßnahme wurden Schutzschalen als Erosions- und Korro- sionsschutz an den Berührungsflächen zum Einsatz gebracht. Auch diese Schutzschalen unterliegen bei Eintritt der Rußbläser in den 3. Zug einem enormen Verschleiß. Da zwischen Rohr und Schutzschale ein Spalt bleibt, ist Korrosion an den Anschweißun- gen der Schutzschalen zu beobachten, was dann auch zum Abfallen der Schutzschalen führen kann.
Nach etwa 28.000 Betriebsstunden wurde ein weiteres Verschleißbild an den Heiz- flächen im 3. Zug beobachtet. Diesmal betraf es die Außenseite der Rohrbögen, ins- besondere der dem 2. Zug zugewandten Seite. Hier zeigten sich starke Abzehrungen bis hin zur Rohrleckage. Wegen der räumlichen Enge und der kleinen Rohrteilung ist in diesem Bereich bei Stillständen eine vollständige Kontrolle der Wandstärken aller Rohrbögen nicht möglich, so dass bisher nur punktuell vorbeugend Austausche ein- zelner Rohrbögen vorgenommen werden konnten. Zu den möglichen Ursachen dieser Verschleißerscheinungen gibt es noch kein abschließendes Bild.
3.3. Rostock
3.3.1. SiC-Plattensysteme im 1. Zug
Die SiC-Platten weisen je nach Materialzusammensetzung und Herstellungsart unter- schiedliche Eigenschaften bei der
• Wärmeleitfähigkeit (Wärmeleitung durch die Platte),
• Temperaturwechselbeständigkeit,
• thermischen Dehnung (Ausdehnung im Verhältnis zu den metallischen Rohren und in Verbindung mit der Befestigung/Ankersystem),
• Oxidationsbeständigkeit (Spannungen durch unkontrolliertes Plattenwachstum) auf.
Bei der Auskleidung des 1. Zuges (40 bar, 250 °C Sattdampftemperatur) kamen in Rostock geklebte SiC-Plattensysteme bis zum Bereich 3 m unter der Kesseldecke zum Einsatz. Bei den Revisionen 2010 und 2011 mussten größere Flächen an den Stellen erneuert werden, wo sich die SiC-Platten von der Rohrwand abgelöst hatten.
Wegen dieser wenig befriedigenden Situation mit den ursprünglich eingesetzten unge- brannten SiC-Platten wurden bei der Revision 2012 verschiedene SiC-Plattensysteme parallel zum Einsatz gebracht, um das Korrosions- und Verschleißverhalten unter den konkreten Einsatzbedingungen zunächst zu untersuchen und später eine erneute Entscheidung auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse zu treffen.
Bei der Revision 2012 wurden folgende Plattensysteme eingebaut:
• unterer Bereich: mehrfach gebrannte Platten mit glatter Oberfläche,
• mittler Bereich: ungebrannte Platten wie Ursprungsaustattung,
• oberer Bereich: gebrannte Platten mit rauer Oberfläche.
Bei der Revision 2013 ergab sich nach 7.100 Einsatzstunden folgendes Bild:
Die im unteren Bereich eingebauten Platten hatten mit einem höheren Wärmedurch- gang der Wechtenbildung erfolgreich entgegen gewirkt. Einzelne Platten wiesen Risse auf, jedoch konnten die Abgase wegen der noch vorhandenen Vergussmasse die Ver- dampferrohre nicht erreichen.
Im mittleren Bereich waren die Platten zu einem großen Teil noch vorhanden, jedoch wiesen verschiedene Bereiche großflächig Ablösungen auf. Dahinter ergaben Wand- stärkenmessungen bereits Abzehrungen einzelner Rohre bis auf 2,9 mm.
Im oberen Bereich im Übergang zum Cladding, wo ein stärkerer Verschleiß erwartet worden war, zeigte das eingesetzte Plattensystem keinerlei Beeinträchtigungen.
Bild 17:
Rostock – Testfläche SiC-Platten im unteren Bereich des 1. Zuges
Das Cladding über der feuerfesten Auskleidung bis einschließlich Kesseldecke zeigte keine Auffälligkeiten und musste bisher nicht nachgearbeitet werden.
3.3.2. HVOF-Beschichtung im 2. Zug
Zum Schutz der Rohrwände gegen Korrosion wurden die Decke und ein Teil der Wände des 2.Zuges mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) mit einer Schichtdicke von etwa 400 µm versehen.
Beim Flammspritzen kommt es zu keiner Schmelzverbindung zwischen dem Beschich- tungsmaterial und dem Grundwerkstoff, sondern zu einer mechanischen Verbindung.
Beim Flammspritzen erfolgt gegenüber dem Cladding keine Grundmaterialaufmi- schung und somit keine Gefügeänderung des Grundmaterials.
Bild 18:
Rostock – Testfläche SiC-Plat- ten im mittleren Bereich des 1. Zuges
Bild 19:
Rostock – Testfläche SiC-Plat- ten im oberen Bereich des 1.
Zuges
Der Nachteil dabei ist. dass die aufgetragene Schicht eine gewisse Porosität aufweist.
Die Abgase können so durch die Schutzschicht diffundieren und so zu Unterkorrosion führen. Dabei durchwandern Salze die Spritzschicht und verursachen Abplatzungen.
Wegen der noch vorhandenen Rohrwandstärken wurde trotz der mit den Abplatzun- gen fehlenden Schutzschicht wegen des sehr hohen Aufwandes beim Auftragen der Spritzschichten auf Reparaturen während der Revisionen 2012 und 2013 verzichtet.
3.3.3. Überhitzer im 4. Zug Beim 4. Zug waren bis einschließlich Revision 2012 (22.500 Betriebsstunden) lediglich beim Überhitzer 3, der dem Schutzverdampfer nachgeschaltet ist, Abzehrungen an der ersten Rohrreihe zu verzeichnen. Aufgrund der Abzehrungsrate wurde für die Revision 2013 der Austausch dieser Rohrreihe vorbereitet.
Die Messung der Wandstärken ergab jedoch, dass sich die Abzehrung nicht wie er- wartet fortgesetzt hatte, sondern stagnierte, so dass der Rohrtausch auf die Revision 2014 verschoben wurde.
4. Mögliche Optimierungsmaßnahmen und Ausblick
Nach der Revision ist vor der Revision. Dementsprechend beschäftigen sich die Über- legungen des Betriebes ständig mit weiteren möglichen Optimierungsmaßnahmen bei den nächsten geplanten Reinigungs- und Revisionsstillständen.
Bei der Abfallverbrennungsanlage Rüdersdorf gilt es die Frage zu beantworten, ob es Sinn macht, den keramischen Schutz auch ohne Einbau neuer werkstattseitig geclad- deter Membranwände auf einem Reparaturcladding auszuführen. Damit wäre ein gewisses Risiko von Salzkorrosionen durch verbliebene Poren verbunden, welches es abzuschätzen gilt.
Weiterhin ist die Situation mit dem alljährlichen Austausch von Rohren im Bereich der Schottenüberhitzer des 2. Zuges wegen der Abzehrung der Rohrflanken trotz Cladding wenig befriedigend. Hier sind Lösungen für einen seitlichen Schutz der Rohre gegen Abrasion, beispielsweise durch metallische oder feuerfeste Schutzschalen, zu finden.
Beim 3. Zug erfordern die Abzehrungen der Rohrbögen gesonderte Schutzvorkeh- rungen. Hier ist abzuwägen, ob spezielle Schutzschalen zum Einsatz gebracht werden können und/oder noch Kammbleche an Rohrwänden angebracht werden sollten, um mögliche Rückströmungen zu unterbinden.
Es wurde auch die Diskussion geführt, welche Auswirkungen eine Absenkung des Frischdampfdrucks beispielweise auf 70 bar haben könnte. Die Wirtschaftlichkeits- betrachtung ergab, dass die infolge dieser Maßnahme auftretenden wirtschaftlichen Verluste jedoch das gesamte Instandhaltungsbudget überstiegen, so dass auf tiefer gehende technische Untersuchungen erst einmal verzichtet worden ist.
Die Abfallverbrennungsanlage in Rostock hatte bisher noch keine korrosionsbedingte Rohrschäden zu verzeichnen. Hier gilt es nach Auswertung des Verschleißes bei den verschiedenen zum Schutz der Rohrwände im 1. Zug eingesetzten SiC-Plattensystemen die günstigste Variante zu finden. Auch eine Ausdehnung des Cladding von oben weiter nach unten ist in der Diskussion.
Im unteren Bereich des 1. Zuges behindert immer noch Wechtenbildung unterhalb der Ölbrenner bis zum Rost den kontinuierlichen Betrieb. Hier sind für die Revision 2014 weitere konstruktive Änderungen vorgesehen.
Für die Reparatur der HVOF-Beschichtung im 2. Zug liegt noch keine Lösung vor, außer in der Folge diese Beschichtung weiter aufwendig zu erneuern.
Für den Fall, dass die erste Rohrreihe des Überhitzers 3 im 4. Zug ausgetauscht wird, ist in der Folge hier auch ein Einsatz von Schutzschalen zu prüfen.
5. Zusammenfassung
Bei den von der Vattenfall Europe New Energy Ecopower GmbH betriebenen Abfall- verbrennungsanlagen in Rüdersdorf und Rostock wurden unterschiedliche Kessel- konzepte realisiert. Mit geeigneten Optimierungsmaßnahmen zur Reduzierung von Verschleiß und Korrosion konnte durch eine Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit die Jahresarbeitsleistung der Anlagen weiter gesteigert werden.
Mit einer technisch anspruchsvollen Lösung wie mit einer hohen Druckstufe von 90 bar, mit einer Zwischenüberhitzung und einem Vollcladding des 1. Zuges sowie einem Teilcladding im 2. Zug entstand in Rüdersdorf eine hocheffiziente Abfallver- brennungsanlage, die in dieser Kombination einmalig ist. Es wurde jedoch deutlich, dass diese Maßnahmen zur Steigerung der Effizienz nicht gleichzeitig auch die An- lagenverfügbarkeit erhöhen. Die Betriebserfahrungen zeigen hier, dass als Folge der Bauart und insbesondere der Prozessparameter nicht bekannte und so nicht erwartete Verschleißerscheinungen aufgetreten sind.
Vergleichbare Verschleißerscheinungen sind in Anlagen mit geringeren Frischdampf- drücken wie bei der Abfallverbrennungsanlage Rostock mit einer Druckstufe von 43 bar so nicht zu beobachten. Derartige Anlagen weisen dafür jedoch eine geringere Effizienz auf. Die Instandhaltungsmaßnahmen konzentrieren sich hier auf die Erhaltung des Verschleiß- und Korrosionsschutzes für die Rohrwände.
6. Literaturverzeichnis
[1] Bandilla, A.: Betreibererfahrungen im Spannungsfeld von Legislative und Eigentümerstruktur.
In: Thomé-Kozmiensky, K.J. (Hrsg.): Planung und Umweltrecht Band 6. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2012, S. 61-80
[2] Bauchmüller, R.: Stellungnahme zur veränderten Wärmeaufnahme des Kessels nach Installation zusätzlicher Feuerfestzustellung im Juni 2012. Fisia Babcock Environment GmbH, Stellungnah- me 121120, 2012
[3] Bette, M.: Übersicht von Maßnahmen zur Verbesserung der Verfügbarkeit und Reisezeit. In:
Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 4. Neuruppin:
TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2008, S. 353-379
[4] Herzog, T.; von Trotha, G.; Molitor, D.: Von Korrosion lernen – Welche Herausforderungen stellt der Betrieb, was ist schweißtechnisch beim Korrosionsschutz durch Cladding machbar?
In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 10. Neuruppin:
TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2013, S. 473-488
[5] Lehmann, H.: Betriebserfahrungen mit dem EBS-HKW Rostock. 14. DIALOG Abfallwirtschaft MV – Abfall als Wertstoff- und Energiereserve, 16.Juni 2011 an der Universität Rostock. In: Uni- versität Rostock Schriftenreihe Umweltingenieurwesen Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät, Band 29. Putbus: Wissenschaftsverlag Putbus, 2011, S. 109-122
[6] Lehmann, H.; Bette, M.: Abfallverbrennungsanlagen an der Grenze zum Leistungskraftwerk. In:
Vortragsunterlagen VDI-Konferenz Feuerung und Kessel, 12./13.06.2013, Köln
[7] Magel, G.; Molitor, D.; Bratzdrum, C.; Koch, M.; Aleßio, H.-P.: Wie kommt die Wärme in das Rohr? – Korrosion ist oftmals ein Symptom hoher Wärmestromdichte. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall Band 9. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé- Kozmiensky, 2012, S. 373-390
[8] Maghon, T.; Schäfers, W.: Betriebserfahrungen mit großen Abfallverbrennungsanlagen. In:
Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 10. Neuruppin:
TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2013, S. 97-112
[9] Manzke, A.: Technischer Stand beim Schweißplattieren – Neue Erkenntnisse im Überhitzer- Cladding. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 10.
Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2013, S. 449-471
[10] May, F.: Hohe Effizienz durch ausgeklügelte Technik. BWK Bd. 60 Nr. 12. Düsseldorf: VDI- Verlag, 2008, S. 12-14
[11] Spiegel, W.; Herzog, T.; Magel, G.; Müller, W.; Schmidl, W.; Albert, F.W.: Korrosion in Abfallver- brennungsanlagen. In: Born, M. (Hrsg.): Dampferzeugerkorrosion 2013. Freiberg i. S.: Saxonia Verlag, 2013, S. 9-95
[12] Warnecke, R.: Einflüsse von Konstruktion und Verfahrenstechnik auf die rauchgasseitige Hoch- temperatur-Chlor-Korrosion. In: Born, M. (Hrsg.): Dampferzeugerkorrosion. Freiberg i. S.: Sa- xonia Verlag, 2005, S. 57-78
Die Deutsche Bibliothek – CIP-Einheitsaufnahme Energie aus Abfall – Band 11
Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann.
– Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2014 ISBN 978-3-944310-06-0
ISBN 978-3-944310-06-0 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
Copyright: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky Alle Rechte vorbehalten
Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2014
Redaktion und Lektorat: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Dr.-Ing. Stephanie Thiel, M.Sc. Elisabeth Thomé-Kozmiensky
Erfassung und Layout: Ginette Teske, Fabian Thiel, Cordula Müller, Ina Böhme, Janin Burbott
Druck: Mediengruppe Universal Grafische Betriebe München GmbH, München
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