Verschmutzung und optimierte Abreinigung der Heizflächen in der Abfallverbrennungsanlage Coburg

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173 Verschmutzung und optimierte Abreinigung der Heizflächen in der MVA Coburg

Rost | Dampferzeuger

Verschmutzung und optimierte Abreinigung der Heizflächen in der Abfallverbrennungsanlage Coburg

Matthias Reiche, Franziska Graube, Sebastian Grahl, Michael Beckmann, Marie Kaiser, Stephan Taubner, Wolfgang Spiegel, Michael Schindhelm und Peter Baj 1. Optimierungspotenzial der Reinigung von Dampferzeugerheizflächen

durch eine verbesserte Online-Verschmutzungsbewertung ...174 2. Vorstellung eines In-situ-Sensorsystems zur Charakterisierung

von Verschmutzungen an Dampferzeugerheizflächen ...176 3. Vorgehensweise zur Qualifizierung des Sensorsystems

am MHKW Coburg ...183 4. Zusammenfassung und Ausblick ...186 5. Literatur ...186 Bei der Verbrennung von festen Brennstoffen in Kraftwerken kommt es unweigerlich zur Verschmutzung der Dampferzeugerheizflächen. Abhängig vom Brennstoff und den Feuerungsparametern können diese Verschmutzungen zu einem erheblichen Anteil aus Metallschlacken, Salzen oder Aschen bestehen.

Die Verschmutzungen bzw. Ablagerungen stellen einen Wärmewiderstand beim Wärmeübergang vom Abgas an den Wasser-Dampf-Kreislauf dar. Mit steigender Ver- schmutzung wird demnach der Wärmeaustrag aus dem Kessel zunehmend gehemmt, die Abgasverluste erhöhen sich und der Kesselwirkungsgrad wird negativ beeinflusst [4].

Durch den verschlechterten Wärmeaustrag in den Strahlungszügen verschiebt sich das Wärmeprofil im Kessel in Richtung Austritt, wodurch an den Konvektionsheizflächen höhere Temperaturen vorliegen. Die Bauteile der Konvektionsheizflächen sind für er- höhte Temperaturen nicht ausgelegt und es kann zu unzulässigen Materialbelastungen kommen. Ebenfalls können aus den erhöhten Temperaturen Korrosionserscheinungen resultieren. Im schlimmsten Fall führt das zu kritischen Beschädigungen und zum Abschalten der Anlage. Folglich sinkt die Wirtschaftlichkeit der Anlage, da gleichzeitig die Verfügbarkeit herabgesetzt und die Instandhaltungskosten erhöht werden. Um die genannten Schwierigkeiten zu verringern und im besten Fall zu vermeiden, gibt es verschiedene technische Lösungen, um Ablagerungen in den Strahlungszügen zu entfernen. Das sind Reinigungssysteme, welche online, also im Betrieb der Anlage, verwendet werden können. Durch Anpassung der Reinigungseinstellungen lassen sich diese Systeme auf die lokale Belagssituation adaptieren. Dazu sind jedoch genauere Informationen zu den physikalischen Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Struktur und Festigkeit notwendig, die zunächst ermittelt werden müssen.

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Reiche, Graube, Grahl, Beckmann, Kaiser, Taubner, Spiegel, Schindhelm, Baj

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Mit moderner Messtechnik ist es möglich, örtliche Ablagerungen in den Strahlungs- zügen zu detektieren. Zum Einsatz kommen hier zum Beispiel Wärmestromdichtesen- soren [7] oder Infrarot-Kameras [6]. Ebenfalls können Masse- und Energiebilanzen Aufschluss über die Verschmutzungssituation im Dampferzeuger liefern. Aber detaillierte Aussagen zur Ablagerungsart hinsichtlich Schichtdicke, Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit sind mit diesen nicht möglich. Entsprechend kann während des Betriebs keine Klassifizierung der lokal vorliegenden Ablagerung vorgenommen werden. Selbst eine grobe Klassifizierung in Asche, Schlacke oder Salzbelag ist nach derzeitigem Stand der Technik nicht eindeutig möglich. Ohne dieses Wissen kann die Reinigung lediglich basierend auf empirischen Daten eingestellt werden. Das Problem ist dabei nicht nur, dass das Potenzial der Reinigung nicht ausgeschöpft wird, wodurch bei einer nicht optimal eingestellten Reinigung diese einerseits möglicherweise wirkungslos bleibt, andererseits jedoch zu Schäden an den Verdampferwänden, z.B. durch Thermoschocks oder Abzehrungen führen kann.

Um eine Klassifizierung der Ablagerungen und eine optimierte Reinigung in den Strah- lungszügen während des Betriebes zu ermöglichen, wird derzeit am Müllheizkraftwerk Coburg (MHKW) ein neuartiges In-situ-Sensorsystem entwickelt. Das Sensorsystem kann Ablagerungen hinsichtlich ihrer Stoffeigenschaften, Festigkeit und Schichtdicke charakterisieren. Hierzu ist es im 2. Zug (Strahlungszug) installiert und wird mittels Versuchskampagnen im Rahmen eines AiF-ZIM-geförderten Forschungsprojekts derzeit qualifiziert.

1. Optimierungspotenzial der Reinigung von Dampferzeugerheizflächen durch eine verbesserte Online-Verschmutzungsbewertung

Es sind Systeme auf dem Markt verfügbar, um lokale Verschmutzungen in den Strah- lungszügen während des Betriebes zu ermitteln. Einerseits sind das Messsysteme, mit denen eine qualitative Aussage hinsichtlich des Verschmutzungsgrades gegeben werden kann. Andererseits sind das Online-Bilanzierungen, die durch Gegenüberstellung des sauberen und verschmutzten Zustands Verschmutzungskennziffern für die Heizflächen bilden. Je nach örtlicher Auflösung der Heizflächen in den Bilanzierungen (Detaillie- rungsgrad) kann die Verschmutzungssituation einzelner Heizflächen, wie Überhitzer oder Membranwände einzelner Züge, ermittelt werden. Bei den Messsystemen sind insbesondere Wärmestromdichte-Sensoren [7] zu nennen, die als Netz an der Kessel- wandaußenseite angebracht werden, sowie Infrarot-Kameras [6] und Pyrometer [12], mit denen sich die Kesselwand flächig bzw. punktuell beobachten lässt. Damit ist es durch die Detektion der lokalen Verschmutzung in den Strahlungszügen prinzipiell möglich, die Reinigung gezielt und ereignisgesteuert anzuwenden. Gegenüber einer zeit- oder temperaturgesteuerten Reinigung stellt das eine erhebliche Verbesserung hinsichtlich der Reinigungswirkung und der Anlageneffizienz dar. Die Einstellung der Reinigung als solches geschieht dabei nach Erfahrungswerten und wird in der Regel weder innerhalb der Reisezeit noch während des Betriebs des Reinigungssystems, also online, verändert.

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Eine weitere Optimierung der Reinigung lässt sich durch die Anpassung der Reinigungs- strategie erzielen. Eine gut ausgewählte Reinigungsstrategie berücksichtigt die Art und Charakteristik der vorliegenden Verschmutzung sowie den wirkenden Mechanismen bei der Abreinigung und stellt entsprechend die optimalen Reinigungsparameter ein.

Mögliche Reinigungsparameter können der Wasserdruck, die Verweilzeit der Düsen- position am lokalen Reinigungsort (Verfahrgeschwindigkeit) und die Abfolge von Reinigungszyklen sein. Bei einer Reinigung mit Wasser, wie sie hier betrachtet wird, können grundlegend drei Mechanismen zur Abreinigung führen [10]:

• die Impulswirkung des aufprallenden Wassers auf die Belagsschicht,

• die Sprengung der Belagsstruktur durch schlagartiges Verdampfen des innerhalb der Belagsporen zuvor während der Reinigung aufgenommenen Wassers,

• die Thermospannungen in der Belagsschicht bei der Abkühlung durch die Aufnah- me von sensibler und latenter Wärme durch das mit dem Belag in Kontakt stehende Wasser.

Das Ergebnis kann eine vollständige Entfernung, eine deutliche Veränderung der Ab- lagerungsstruktur oder nur eine geringfügige Beeinflussung der Beläge sein. Kommt es infolge der Abreinigung zu einer Verfestigung des Belags, so kann das spätere Rei- nigungsversuche erschweren. Deswegen ist es umso hilfreicher, den Belag während des Betriebes klassifizieren zu können und die Reinigung auf den Belag einzustellen sowie hinsichtlich des Reinigungserfolgs zu bewerten. In Wissenschaft und Technik hat sich keine allgemeine Klassifizierung von Verschmutzungen durchgesetzt. Einerseits liegt das daran, dass Untersuchungen an Ablagerungen brennstoffspezifisch durchgeführt wurden (wie in [8, 9, 11]), andererseits fehlen messtechnische Diagnosewerkzeuge, um Verschmutzungen an Dampferzeugerwänden während des Betriebes nichtinvasiv charakterisieren zu können. Eine Sensorik, die das gewährleisten soll, wird nachfolgend dargestellt. Für weitere Details hierzu sei auf [2] verwiesen.

Erste Untersuchungen zu den dominierenden Reinigungsmechanismen in Bezug auf den vorliegenden Ablagerungstyp sind in [3] zu finden. Die Belagsstruktur und damit die Festigkeit des Belags spielen bei der Wirkung der Reinigungsmechanismen eine übergeordnete Rolle. Ein Grundverständnis bzgl. Reinigungswirkung und vorliegender Verschmutzung soll durch nachfolgende Überlegung gegeben werden.

Ein lockerer (elastischer) Belag mit geringen Bindungskräften kann unter Umstän- den Thermospannungen gut kompensieren, lässt sich aber durch einen kleinen bis mittleren Impuls abreinigen. Hier kann eventuell der Wasserdruck vor der Reinigung reduziert werden, um Abrasion an den Heizflächen zu vermeiden. Andererseits kann ein kompakter, fester Belag mit starker Bindung gegenüber einem hohen Impuls relativ unempfindlich sein, jedoch gegenüber großen Thermospannungen aufgrund der geringeren Flexibilität riss- oder bruchempfindlich reagieren. Hier können häufigere Reinigungsintervalle mit geringerer Wassermenge zu einem positiven Reinigungseffekt und einer möglichen Wassereinsparung führen, da die Temperaturgradienten und folglich die Thermospannungen zu Beginn der Reinigung am größten sind.

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2. Vorstellung eines In-situ-Sensorsystems zur Charakterisierung von Verschmutzungen an Dampferzeugerheizflächen

In [2] wird ein Sensorsystem beschrieben, welches Verschmutzungen während des Betriebes (online) und ohne Beeinflussung an Dampferzeugerheizflächen (in-situ) charakterisieren kann. Dieses Sensorsystem, folgend als In-Situ-Sensorsystem bezeichnet, ist eine System, welches hierzu instationäre Temperatur- und Wärmestromdichteverläufe an Kesselwänden analysiert. Die instationären Temperatur- und Wärmestromdichtever- läufe in der Ablagerung werden durch die Verbrennung des heterogenen Brennstoffes Abfall hervorgerufen. Das In-situ-Sensorsystem ermittelt effektive Stoffeigenschaften, wie Wärmeleitfähigkeit und Dichte, sowie die Schichtdicke der porösen Ablagerung. Für eine optimierte Abreinigung kann auf Basis dieser Informationen eine weitere Kategori- sierung der Ablagerung hinsichtlich Festigkeit und Stabilität durchgeführt werden [2].

Zentraler Gegenstand des Sensorsystems ist die mathematische Formulierung des Temperaturfeldes in der porösen Ablagerung nach [2]. Ausgangspunkt bildet die vereinfachte Betrachtung der eindimensionalen Wärmeleitung in einer mehrschichtigen halbunendlich ausgedehnten Wand. Daraus lassen sich folgende Randbedingungen für das Sensorsystem ableiten:

Die beobachtete Verschmutzung bildet sich an einer ebenen Wand. Im konkreten Anwendungsfall kann das an einer Membranwand mit Feuerfestzustellung geschehen.

Die Ablagerungsoberfläche wird ebenfalls als näherungsweise eben betrachtet (Ab- lagerungsoberfläche parallel zur Oberfläche der Feuerfestplatte). In der Ablagerung liegt nur Wärmeleitung als Wärmetransportmechanismus vor. Diese wirkt eindimen- sional von Ablagerungsoberfläche zur Grenzfläche zwischen Ablagerung und Wand, also in Richtung der Koordinaten c (Bild 1).

Infrarot- Kamera

Abgas

Belag (B) Platte (P) Hintergussmasse

(HGM)

Siedewasser (SW)

Isolierung (I) Umgebung (U) Thermospannungs- differenzmessgerät

Bild 1: Darstellung zur prinzipiellen Modellvorstellung und zum Messkonzept bestehend aus Infrarot-Kamera und Wärmestromdichte-Sensorik

Darstellung aus Grahl, S.: Charakterisierung von Ablagerungen an Membranwänden von Dampferzeugern. Dissertation an der Technischen Universität Dresden: s.n., 2013, bearbeitet

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Weiter wird angenommen, dass eine konstante Temperatur in den Siederohren der Membranwand vorliegt und die von der Abgasströmung eingeprägte Wärme zu einer Verdampfung des flüssigen Wassers (Blasensieden) führt. Die Stoffeigenschaften der Membranwand mit Feuerfestzustellung sind bekannt und wirken isotrop. Isotropie gilt auch für die Stoffeigenschaften der Ablagerung. Die Feuerfestplatte weist darüber hinaus eine deutlich höhere Schichtdicke und Wärmeleitfähigkeit auf als die Ablagerung.

Eine vollständige Ableitung der folgenden Formeln findet man in [2]. Einerseits gilt für den eindimensionalen Temperaturverlauf in der Ablagerung in Abhängigkeit vom Ort und der Zeit bei hinreichend großen Zeiten (tg∞)

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und andererseits für die Wärmestromdichte

.

(2) Hierin ist J_m,B,a die mittlere Temperatur und ∆J_Bdie Amplitude der Temperaturschwan- kung an der Ablagerungsoberfläche. Des Weiteren ist l die Wärmeleitfähigkeit und a die Temperaturleitfähigkeit der Ablagerung. Der Parameter t₀ stellt die Periodendauer der modellierten Temperaturschwankung dar. Der Wärmeeindringkoeffizient ergibt sich zu b = al .

Wie an den Gleichungen (1) und (2) ersichtlich ist, oszillieren Temperatur und Wär- mestromdichte um ihren jeweiligen Mittelwert an der Stelle c in der Ablagerung. Der effektive Mittelwert der Temperatur J_m,B,a - nimmt entlang der c-Koordinaten linear ab. Der Mittelwert der Wärmestromdichte q_m bleibt über der Koordinate c konstant. Ebenfalls tritt eine Dämpfung beider Signale mit zunehmender Eindringtie- fe auf. Demnach liegt an der Belagsoberfläche (c = 0) die ungedämpfte, eingeprägte Schwankung vor. Eine Phasenverschiebung liegt hier nicht vor. Mit steigender Ein- dringtiefe c in den Belag werden die Schwankungen durch die dämpfende Wirkung des Belages geringer und es tritt eine Phasenverschiebung hin zu späteren Zeiten auf.

Dämpfung und Phasenverschiebung der Signale sind demnach charakteristisch für die vorliegenden Ablagerungsstoffeigenschaften und die Eindringtiefe c. Die Phasenver- schiebung und Dämpfung wird im Folgenden zu einem charakteristischen Parameter x zusammengefasst.

(3) Gemäß der eindimensionalen Formulierung des Temperaturfeldes benötigt das Sensor- system mindestens zwei örtlich voneinander getrennte Signale für die Signalanalyse und zwar entlang der Koordinate c (entgegen der Oberflächennormalen der Feuerfestplatte).

.q_m . l c

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178

Das können zwei Temperatursignale in der Ablagerung oder die Kombination eines Temperatur- mit einem Wärmestromdichtesignals bei unterschiedlichen c-Werten sein.

Schließlich besteht nach dem Fourierschen Erfahrungsgesetz zwischen beiden Größen ein direkter Zusammenhang. Wie im Folgenden erläutert wird, stellt der letztere Fall mit einer Kombination aus Temperatur- und Wärmestromdichtesignal hinsichtlich der Auswertung und der Umsetzung (Messtechnik) einen erheblichen Vorteil dar und soll hier weiter erläutert werden. Dazu wird in [2] einerseits eine weitere Definitionsglei- chung für den Wärmeeindringkoeffizienten und andererseits ein Ablagerungscharak- terisierungsdiagramm eingeführt, die nachfolgend erläutert werden.

Der Wärmeeindringkoeffizient ergibt sich aus dem Temperaturverlauf an der Ablage- rungsoberfläche J (c = 0, t) und dem Verlauf der Wärmestromdichte an der Grenzfläche zwischen Ablagerung und Feuerfestplatte q(c = d_B, t):

. (4)

Hier ist J (c = 0, t₁) die Amplitude der Temperaturschwankung an der Ablagerungs- oberfläche und q(^d_B^, t₂) die Amplitude der Wärmestromdichte. Die Phasenverschiebung der Signale setzt sich aus den Koeffizienten ^x und – p

4 zusammen. Die Kreisfrequenz w ergibt sich aus der Frequenz ƒ der modellierten Schwingung zu w = 2pƒ. Der Zusam- menhang zwischen den Signalen J (c = 0, t) und q(c = d_B, t) ist in Bild 2 exemplarisch dargestellt.

Temperatur

°C 880

850

820

790

760

59,0

54,5

50,0

45,5

41,0 Wärmestromdichte

kW/m²

Zeit s

0 100 200 300 400 500 600

Bild 2: Exemplarische Darstellung zur Signalanalyse bei einer angenommenen periodischen Temperaturänderung in der Ablagerung

Quelle: Grahl, S.: Charakterisierung von Ablagerungen an Membranwänden von Dampferzeugern. Dissertation an der Tech- nischen Universität Dresden: s.n., 2013

.

^

.

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Eine weitere Eingrenzung der Stoffwerte ist notwendig, um nach Gleichung (4) aus dem Wärmeeindringkoeffizienten b die Stoffwerte der Ablagerung abschätzen zu können. Hierzu wurde in [2] das Ablagerungscharakterisierungsdiagramm einge- führt, welches in Bild 3 dargestellt ist. Im Ablagerungscharakterisierungsdiagramm findet Berücksichtigung, dass die Stoffwerte auf atomarer und molekularer Ebene in Zusammenhang stehen und nicht frei kombinierbar sind. Dadurch kann im Rahmen einer hinreichend guten Abschätzung aus der Kenntnis bestimmter Stoffwertepaare auf unbekannte Stoffwerte geschlussfolgert werden. An dieser Stelle soll eine kurze Erläuterung des Ablagerungscharakterisierungsdiagrammes und der Herleitung von wichtigen Stoffgrößen mit Kenntnis des Wärmeeindringkoeffizienten gegeben werden.

Für weiterreichende Erläuterungen zur Verwendung des Ablagerungscharakterisie- rungsdiagrammes sei auf die Quelle [2] verwiesen.

Bild 3: Ablagerungscharakterisierungsdiagramm nach Grahl. Eine Kategorisierung der porösen Ablagerungen wurde anhand der effektiven Wärmeleitfähigkeit durchgeführt (Erklärun- gen im Text)

Quelle: Grahl, S.: Charakterisierung von Ablagerungen an Membranwänden von Dampferzeugern. Dissertation an der Tech- nischen Universität Dresden: s.n., 2013, bearbeitet

Die wichtigsten Größen sind demnach der Wärmeeindringkoeffizient b (linke Ordi- nate), die Wärmeleitfähigkeit l (untere Abszisse) sowie Linien konstanter Werte, wie für die Temperaturleitfähigkeit a (blau) und die volumetrische Wärmekapazität rc T +49 2 09-6 01-8432

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(magentafarben). In diesem Diagramm sind die Wärmeleitfähigkeiten von reinen Feststoffen im Bereich #1 und die Wärmeleitfähigkeiten von reinen Gasen im Bereich

#3 zu finden. Ablagerungen an Dampferzeugerwänden werden eine gewisse Porosität aufweisen und ihre Wärmeleitfähigkeit liegt zwischen den von Gasen und mineralischen Feststoffen (Bereich #2). Um eine weitere Wertebereichseinschränkung der Wärme- leitfähigkeit zu erreichen, muss auf Wärmeleitmodelle zurückgegriffen werden. Das sind solche Modelle, die die Zusammenschaltung von Feststoff mit Gasen hinsichtlich der sich einstellenden effektiven Wärmeleitfähigkeit gut beschreiben können. In Bild 3 wurden hierzu die Begrenzungskurven reine Reihenschaltung der Wärmeleitwiderstände (#5) und reine Parallelschaltung der Wärmeleitwiderstände (#4) dargestellt. Bei Kenntnis des Wärmeeindringkoeffizienten kann durch die sich ergebenden Schnittpunkte mit den Linien (#4) und (#5) ein möglicher Wertebereich für die Wärmeleitfähigkeit auf der Abszisse abgelesen werden. Eine weitere Einschränkung des Wertebereiches ist durch Auswahl eines restriktiveren, den Wärmetransport poröser Schichten geeigneter reprä- sentierenden Wärmeleitmodelles möglich. Durch Findung der Wärmeleitfähigkeit l kann mittels des Wärmeeindringkoeffizienten b wiederum die Temperaturleitfähigkeit a (gemäß (4)) und mittels der Temperaturleitfähigkeit a die volumetrische Wärmekapazität rc ermittelt werden (gemäß a = l

rc). Nach Gleichung (3) kann nun mittels des Para- meters x und der Temperaturleitfähigkeit a schließlich die effektive Schichtdicke d_B abgeschätzt werden.

In der praktischen Ausführung lässt sich das In-situ-Sensorsystem in ein Messkonzept und ein Analysekonzept unterteilen.

Für eine flächige Charakterisierung von Ablagerungen an der Kesselwand und für eine lange Verfügbarkeit der Komponenten bieten sich im Messkonzept die Verwendung einer Infrarot-Kamera und Wärmestromdichte-Sensoren an. Die Infrarot-Kamera beobachtet die Ablagerung von der gegenüberliegenden Kesselseite und liefert die Oberflächentemperaturen der Ablagerung. Die Infrarot–Kamera sollte dabei mit einem Bandpassfilter bspw. um 1,5 μm oder 3,9 μm ausgestattet sein. Hier ist eine relativ gute Transmissivität der Abgasströmung hinsichtlich möglicher Absorptions- banden von Wasserdampf, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid gegeben [1].

Die Funktion des Sensorsystems beruht auf der Analyse von Signalfluktuationen, also relativen Temperaturänderungen. Im beobachteten Bereich der Kesselwand werden an der Außenseite Wärmestromdichte-Sensoren angebracht. Das sind jeweils entgegengeschaltete Thermoelementpaare an der Rohr-Steg-Geometrie, mit denen kleinste Temperaturdifferenzen erfasst werden können [7]. Aus FEM-Berechnungen, die im Belagssensor hinterlegt sind, kann aus dem Verlauf der Temperaturdifferenz der Wärmestromdichte-Gang an der Grenzfläche Ablagerung-Feuerfestplatte ermittelt werden. Beide Messsignale werden zeitäquidistant von einer Datenerfassungseinheit gesammelt und der Datenauswerteeinheit zur Verfügung gestellt.

Das Analysekonzept sieht den Vergleich der Messsignale vor und die letztendliche Ableitung von Ablagerungsstoffwerten. Dazu wird auf die eingangs erwähnte Formu- lierung des Temperaturfeldes in der Ablagerung nach [2] aufgebaut. Jedoch ist davon

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auszugehen, dass die thermodynamischen Zustandsgrößen in der Ablagerung einer un- regelmäßigen/zufälligen und keiner periodischen Änderung unterworfen sind. Grund hierfür ist der Abfall als Brennstoff mit seiner heterogenen Zusammensetzung und der unregelmäßigen Energiefreisetzung bei der Verbrennung. Um die Signalfluktuationen bewerten zu können, kann hierbei auf mathematische Werkzeuge, wie die Fourier- transformation zur Analyse des Signal-Frequenzspektrums und Fourier-Reihen zur Approximation der Signale, zurückgegriffen werden. Bei einer Messsignalkombination aus Ablagerungsoberflächen-Temperatur und Wärmestromdichte an der Grenzfläche Ablagerung-Feuerfestplatte führt eine Signalanalyse auf den Wärmeindringkoeffizien- ten b, welcher unter Beachtung des Ablagerungscharakterisierungsdiagramms direkt Aufschluss über die effektive Wärmeleitfähigkeit und Schichtdicke liefern kann. Die in Gleichung (4) enthaltene zeitliche Verschiebung ^x wird durch eine Kreuzkorrelation ermittelt.

Das Sensorsystem wird derzeit im Rahmen eines Vorhabens am Müllheizkraftwerk Coburg unter realen Bedingungen weiterentwickelt und erprobt. Hinsichtlich des Messkonzeptes ist die Qualifizierung der optischen Thermografie zur Erfassung von Temperaturfluktuationen an der Ablagerungsoberfläche und die Weiterentwicklung der Wärmstromdichte-Sensorik Gegenstand des Projektes. Im Rahmen des Vorhabens wird das Analysekonzept optimiert und für eine Online-Auswertung die Algorithmen in eine Software umgesetzt (Monitoring).

Eine Kategorisierung der Verschmutzung hinsichtlich Festigkeit und Stabilität kann unter Kenntnis der effektiven Wärmeleitfähigkeit der Porenstruktur hergeleitet werden. Die effektive Wärmeleitfähigkeit gibt in diesem Zusammenhang das Verhältnis aus Gaseinschluss zu Feststoff qualitativ wieder. Im Ablagerungscharakterisierungs- diagramm wurden hierzu Kategorien beginnend mit sehr lockeren Ablagerungen und geringer Bindung (im Diagramm nahe reinen Gasen gelegen) bis reine Feststoffe oder Schlacken überschneidend mit dem Bereich der reinen mineralischen Feststoffe (Bereich

#1) gebildet und eingezeichnet.

3. Vorgehensweise zur Qualifizierung des Sensorsystems am MHKW Coburg

Das In-situ-Sensorsystem wird am Müllheizkraftwerk Coburg (MHKW) derzeit getestet. Das MHKW ist ein Kraftwerk mit 2 Abfallverbrennungslinien und 1 Kohlelinie als Reserve. Beide Abfallverbrennungslinien haben einen Rückschubrost und je eine Kapazität von etwa 9 t/h. Es werden rund 135.000 t/a an Abfall verbrannt. Der durch- schnittliche Heizwert des Abfalls beträgt dabei 10,5 MJ/kg. Durch die Abfallverbren- nung werden jährlich 90.000 MWh an Fernwärme und 40*10⁶ kWh/a an Netto-Strom bereitgestellt [5].

Das MHKW Coburg besitzt mehrere Online-Reinigungsverfahren, um den Kessel während des Betriebes von Verschmutzungen zu säubern. Für das vorliegende Projekt ist insbesondere die Belagsbildung und Reinigung in der zweiten Linie von Interesse

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(genauer: 2. Linie und 2. Zug). In den Strahlungszügen 2 und 3 wird das Verfahren Shower-Cleaning angewandt. Beim Shower-Cleaning wird ein flexibler, temperatur- beständiger Schlauch von der Kesseldecke in den Kessel eingeführt. Als Reinigungs- medium dient Wasser, welches auf die Ablagerung einwirkt.

An dem Konvektionszug sind Klopfwerke angebracht. Diese bestehen aus Fallhämmern, die an einer Welle befestigt sind. Durch Drehen der Welle fallen die Hämmer auf einen dafür vorgesehenen Platz an der Kesselwandaußenseite. Durch den Schlag wird die Kesselwand gereinigt. Es handelt sich also um ein mechanisches Verfahren, was sich am MHKW Coburg automatisiert auslösen lässt. Zusätzlich sind im Konvektionszug Rußbläser installiert.

Die Versuche zur Qualifizierung des Sensorsystems werden im 2. Zug der 2. Linie, kurz nach dem Umlenkbereich vom ersten zum zweiten Zug, durchgeführt. Hier befindet sich an der linken Kesselseite eine hintergossene Testzustellung mit 5x4 Feuerfestplat- ten, die im Rahmen des Forschungsprojekts angebracht wurden (im Weiteren Testfeld genannt). Das Testfeld hat insgesamt eine Größe von etwa 1,3 m². Die Feuerfestplatten bestehen bis zu 79 Prozent aus Siliciumcarbid. An den Platten, welche in Testfeldmitte zu finden sind, ist anzunehmen, dass sich ein homogenes Temperaturfeld einstellt und auf den Plattenoberflächen keine lateralen Temperaturgradienten vorliegen (in der Praxis wird das jedoch nur näherungsweise erreicht). Damit kann mittels eines Pyrometers, welches an der gegenüberliegenden Kesselwand installiert ist, eine exemplarische Oberflächentemperatur der jeweiligen Platte bzw. Ablagerung erfasst werden (vereinfachte Ausführung des Sensorsystems, anstatt IR-Kamera). Auf Höhe von vier der sechs Feuerfestplatten sind Wärmestromdichte-Sensoren an der Membranaußen- wand installiert (Platten in Testfeldmitte, Bild 4). Das sind die Messplatten, an denen das Sensorsystem qualifiziert und die Ablagerungen charakterisiert werden.

Darüber hinaus sind zwei der vier Messplatten mit weiteren Thermoelementen be- stückt. Diese Thermoelemente dienen dazu, das Temperaturprofil an diskreten Stellen in x-Richtung abzutasten (Bild 4, links unten). Einerseits ist es so möglich instationäre Änderungen des Temperaturfeldes mittels FEM-Berechnungen zu prüfen. Andererseits kann das mathematische Modell an Thermoelementen validiert werden, die an der Plattenoberfläche in die Ablagerung hineinragen. Letzteres stellt nur eine weitere Refe- renz zur Qualifizierung des Sensorsystems dar. Ziel ist es weiterhin, eine Qualifizierung unter Nutzung von Pyrometer- und Wärmestromdichtemesswerten durchzuführen.

Zum Test des Sensorsystems am MHKW Coburg werden zwei grundlegende Ver- suche durchgeführt. Zum einen ist das eine Validierung des Sensorsystems an einer Messplatte mit einem künstlich applizierten Belag. Dieser künstliche Belag besteht bis zu 80 Prozent aus Siliciumcarbid und ist hinsichtlich seiner Stoffeigenschaften sowie Schichtdicke bekannt (Bild 4). Im Rahmen des ersten Versuches soll mittels des In- Situ-Sensorsystems die Wärmeleitfähigkeit des applizierten Belages ermittelt und mit dem bekannten Wert verglichen werden. Die wahre Wärmeleitfähigkeit des künstlichen Belages ist um etwa ein Fünftel geringer als die der Messplatte.

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Bild 4: Installationsort des Testfeldes und des Pyrometers im 2 Zug des Müllheizkraftwerkes Coburg (oben) sowie Darstellungen zu den installierten Referenzthermoelementen in den Platten (links unten) und zum frisch aufgebrachten, künstlichen Belag auf einer Feuerfestplatte des Testfeldes (rechts unten)

Quellen:

Bild oben: http://www.zaw-coburg.de/mhkw/daten-fakten-mhkw.html (Stand: 15. Oktober 2015.)

Bild links unten: Grahl, S.: Charakterisierung von Ablagerungen an Membranwänden von Dampferzeugern. Dissertation an der Technischen Universität Dresden: s.n., 2013, bearbeitet

Zum anderen wird das Sensorsystem an realen Ablagerungen getestet. Hierbei ist die Ablagerungsschichtdicke die betrachtete Größe zur Qualifizierung des Sensorsystems.

Dazu wurde im Rahmen des Projektes ein optisches Messgerät entwickelt, welches Ablagerungen auf dem Testfeld flächig detektiert und Ablagerungsschichtdicken ermitteln kann. Die wahre Schichtdicke und damit der Vergleichswert je Messplatte ist dabei der örtlich gemittelte Messwert.

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Aus den bisherigen Messwerten ist erkennbar, dass die mathematischen Modelle des Sensorsystems zu plausiblen Ergebnissen führen. Die ermittelte Wärmeleitfähigkeit des künstlichen Belages lag dabei in der gleichen Größenordnung wie der Referenzwert.

Durch eine planmäßige Optimierung des Messkonzeptes und des Analysekonzeptes soll der relative Messfehler kleiner 30 Prozent werden. Weitere Messkampagnen sind bis zum Projektende 07/2016 geplant. Das Projektziel ist die Entwicklung eines Prototyps.

4. Zusammenfassung und Ausblick

Eine optimale Reinigung an den Heizflächen der Strahlungszüge ist durch eine lokale Detektion und durch eine Charakterisierung der sich bildenden Verschmutzungen möglich. Hinsichtlich der qualitativen Detektion von Verschmutzungen bestehen bereits eine Reihe von Verfahren, wie die Wärmestromdichte-Sensorik und optische Thermo- grafie. Jedoch ist es bisher nicht möglich, konkrete Aussagen über die vorliegenden Ablagerungen, wie Schichtdicke und Festigkeit, zu geben. Das hier erläuterte In-situ- Sensorsystem soll die Funktionalität einer Ablagerungscharakterisierung bereitstellen.

Zur Qualifizierung des Konzeptes werden am MHKW Coburg zwei Versuchskampa- gnen durchgeführt. Einerseits wird die Funktionalität an einem künstlich applizierten Belag und andererseits an realen Ablagerungen überprüft. Beide Versuchskampagnen werden an Membranwänden mit Feuerfestzustellung durchgeführt.

Mit dem In-situ-Sensorsystem sollen sich Ablagerungen in Hinblick auf eine optimale Reinigung zukünftig plausibel kategorisieren lassen. Geplant ist die Entwicklung eines Prototyps. Weitere Entwicklungsschritte sehen die Anwendbarkeit auf nicht zugestellte Membranwände vor.

Danksagung

Das Vorhaben wurde über die AiF im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM, FK: KF2006424ST4) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Für die großartige und bereitwillige Unterstützung bei der Installation des Versuchsauf- baus und der Messtechnik möchten wir uns bei den Mitarbeitern des MHKW Coburg sowie den Firmen Wehrle Werk AG und Jünger+Gräter bedanken.

5. Literatur

[1] FLIR Systems Incorporated: The Ultimate Infrared Handbook for R&D Professionals. 2012 [2] Grahl, S.: Charakterisierung von Ablagerungen an Membranwänden von Dampferzeugern. Dis-

sertation an der Technischen Universität Dresden: s.n., 2013

[3] Graube, F.; Grahl, S.; Rostkowski, S.; Beckmann, M.: Optimization of water cannon cleaning for deposit removal on water walls inside waste incinerators. Waste Management and Research.

2015

[4] Gupta, R. P.; Wall, T.F.; Baxter, L.: The thermal Conductivity of ash deposits. Impact of Mineral Impurities in Solid Fuel Combustion. New York, USA: Kluwer Academic/Plenum Publishers, 1999

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[5] http://www.zaw-coburg.de/mhkw/daten-fakten-mhkw.html (Stand: 15. Oktober 2015.) [6] Koschack, R.; Fiehe, S.; Taj, P.: Einsatz von Infrarot-Kameras zur Lokalisierung von Brennkam-

merverschmutzungen am BoA-Block des Kraftwerkes Niederaußem und erste Betriebserfah- rungen. In: Beckmann, M.; Hurtado, A. (Hrsg.): Kraftwerkstechnik – Sichere und nachhaltige Energieversorgung, Vol. 2. Neuruppin : TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2010, S. 495-504 [7] Krüger, S.: Wärmestromdichtemessung an Membranwänden von Dampferzeugern. In: Disserta-

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[12] Wynnyckyj, J.R.; Rhodes, E.; Chambers, A. K.: Furnace Wall Ash Monitoring System. 4,408,568 USA, Oktober 11, 1983

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Vorwort

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Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar

Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann (Hrsg.):

Energie aus Abfall, Band 13

ISBN 978-3-944310-24-4 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky

Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2016

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: Sandra Peters, Ginette Teske, Janin Burbott-Seidel, Anne Kuhlo, Carolin Bienert

Druck: Universal Medien GmbH, München

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