Intelligente Lösungen zur Stromerzeugung
Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe liefert moderne und wirtschaftliche Produkte. Wir bauen und erneuern Kraftwerke. Wir kümmern uns um vorausschauenden Service. Unsere grünen Technologien, etwa zur Energie- speicherung oder im Bereich Biomasse, sind weitere Beispiele für Innovation
Know-how
braucht Erfahrung
Rost | Dampferzeuger
Kostenoptimierung durch Einsatz von flexiblen Rostsystemen in Kombination
mit modernen Kesselkonzepten
Jochen Poschlod und Werner Auel
1. Brennstoffcharakteristik ...148
2. Umsetzung der prozesstechnischen Vorgaben ...148
3. Feuerungsleistungsregelung ...149
4. Standardregelungskonzept ...150
5. Modifiziertes Regelungskonzept ...151
6. Feuerraumgestaltung ...152
7. Mittelstromfeuerung ...153
8. Grundlegende Betrachtung zur Rostauslegung ...154
9. Auswahl des Rostbelags ...154
10. Verbrennungsluftsystem...155
11. Konstruktiver Aufbau des Rostsystems ...155
11.1. Brennstoffaufgabe ...155
11.2. Vorschubrost ...157
11.3. Rostbelegung ...158
11.4. Luftgekühlte Roststäbe mit zweiter Verschleißstirnwand im Kopfbereich ...158
11.5. Konzept des wassergekühlten Rostbelags ...159
11.6. Wassergekühlter Rostbelag ...161
11.7. Ausgeführte Rostfeuerungssysteme ...161
Bei den Ansprüchen an Rost-Technologien geht es insbesondere darum, das gesamte Potential der verfügbaren Technik auszuloten und die technischen Grenzen weiter zu stecken.
Intelligente Lösungen zur Stromerzeugung
Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe liefert moderne und wirtschaftliche Produkte. Wir bauen und erneuern Kraftwerke. Wir kümmern uns um vorausschauenden Service. Unsere grünen Technologien, etwa zur Energie- speicherung oder im Bereich Biomasse, sind weitere Beispiele für Innovation
Know-how
braucht Erfahrung
Rost | Dampferzeuger
Der Einsatz von den langjährig bewährten flexiblen Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe Rostfeuerungssystemen in der Kombination mit modernen Kesselkonzepten ermöglicht die sichere Verbrennung unterschiedlichster Brennstoffeigenschaften.
Unter Beachtung dieser Gegebenheiten werden an eine optimale Verbrennung ver- schiedene Bedingungen gestellt, die sich folgendermaßen zusammenfassen lassen:
• die Qualität der Verbrennungsprodukte, dargestellt durch einerseits eine hohe ab- gasseitige Ausbrandgüte in Form von Minimierung des CO-/Cges-Gehaltes sowie des NOx-Gehaltes und andererseits eine verwertungsgerechte Reststoffqualität, gekennzeichnet durch einen geringen Anteil von Unverbranntem und der Mini- mierung der Eluierbarkeit der Rostaschen,
• die wirtschaftliche Betriebsweise der Anlage, dokumentiert durch eine hohe Ver- fügbarkeit und eine lange Reisezeit.
Die Grundvoraussetzung für ein derartiges Ergebnis liegt in der sorgfältigen Ab- stimmung der einzelnen Verfahrensbereiche untereinander und der Beachtung der brennstoffspezifischen Gegebenheiten bei der konstruktiven Ausgestaltung des Rost- feuerungssystems einschließlich des Kesselfeuerraumes und führen so zur kostenop- timierten Betriebsweise.
1. Brennstoffcharakteristik
Nichtfossile Brennstoffe unterliegen in der Regel einem laufenden Wechsel in den chemischen und physikalischen Eigenschaften. Abfälle aus den unterschiedlichsten Entsorgungsbereichen weisen prinzipiell diese Charakteristik auf. Ein überlagernder qualitätsbeeinflussender Vorgang stellt der Aufbereitungsgrad einer der Verbrennung vorgeschalteten mechanischen/biologischen Behandlung dar. Das heterogene Gemenge aus organischen und mineralischen Inhaltsstoffen kann hier in bestimmten Grenzen hinsichtlich der Qualität, dargestellt als Heizwert, der Stückgröße und demzufolge auch der Dichte homogenisiert werden.
Unaufbereitete Abfälle aus der kommunalen Entsorgung und dem Gewerbe, Rück- führungen von Verkaufsverpackungen, Sortierreste sowie Ersatzbrennstoffe weisen ein unterschiedliches Abbrennverhalten in der Feuerung auf. Die charakteristischen Brennstoffparameter führen, aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung des Brennstoffes, zu einer kurzfristig wechselnden Energiefreisetzung. Das Feuerungssys- tem muss nunmehr diesen hieraus resultierenden ungleichen Wärme- und Stofftrans- port ausgleichen.
2. Umsetzung der prozesstechnischen Vorgaben
Die Funktionsbereiche des MHPSE-Rostfeuerungssystems, bestehen aus Brennstoff- aufgabe, Rostfeuerung und Rostentschlackung. Die Brennstoffaufgabe, die Rostfeue- rung, die Luftversorgung, die Primärluftverteilung unterhalb des Rostsystems und die
Rost | Dampferzeuger
Sekundärluftverteilung im Bereich der Wirbelzone zum Nachbrennraum bilden mit ihren Stellorganen die maßgeblichen Funktionsbereiche, die das Regelungskonzept, unter Bezugnahme auf die gemessenen Verbrennungsparameter und Lastvorgaben, aufeinander abstimmt.
Hervorzuheben ist in diesem Zusammenhang die Verbrennungsluftzuführung. Die Systemaufteilung in die primärseitigen und sekundärseitigen Luftströme sowie die untergeordnete Primärluftverteilung auf die einzelnen Luftzonen bzw. die Sekundär- luftverteilung auf die Vorderwand und Rückwand wird an die jeweiligen Brennstoff- bedingungen angepasst.
Den Abschluss des Feuerungssystems bildet der Entschlacker, der als Stößelentschlacker oder als Plattenband ausgeführt wird.
3. Feuerungsleistungsregelung
Vorrangiges Ziel der Feuerungsleistungsregelung ist, unter Einbeziehung der verfah- renstechnischen Variabilität sowie konstruktiven Gegebenheiten, eine leistungs- und emissionsoptimierte Feuerführung umzusetzen. Das Beurteilungsmaß bildet hierbei die Regelgüte des vorgegebenen Dampfmassenstromes.
Bild 1:
Systeme der Rostfeuerung
Rost | Dampferzeuger
Das auf diese Vorgaben abgestimmte Standard-Regelungskonzept umfasst folgende Regelkreise:
• Lastregler
• Feuerungsregler
• Luftversorgungsregler
• Primärluftregler
• Sekundärluft- und O2-Regler
• Brennstoffaufgaberegler
• Rostgeschwindigkeitsregler.
Luftversorgungs- regler
Lastregler
Feuerungs- regler
Primärluft-
regler Sekundärluft- regler
Müllaufgaberegler
Rostgeschwindig- keitsregler Feuerraum-
temperatur Mittelwert von
n Messungen
O2-Kesselende
vom Feuerungs- regler Dampfleistung aus Zünd- und Stützbrenner
Bild 2: Regelkonzept
4. Standardregelungskonzept
Last- und Feuerungsregler sind als Kaskade konfiguriert. Die Führungsgröße für den Lastregler ist die Regelabweichung aus dem Dampfmassenstrom. Das Ausgangssignal des Lastreglers bildet den Sollwert für den Feuerungsregler. Dieser erhält als überlagerte Regelgröße die Feuerraumtemperatur.
Der Sollwert Dampfmenge bildet die Grundeinstellung für die Regler der Sekundär- luftverteilung und Primärluftverteilung ebenso wie für die Brennstoffaufgabe und
Rost | Dampferzeuger
Rostgeschwindigkeit. Die Regelabweichungen des Feuerungsreglers führen als Erst- maßnahme zur Anpassung der Primärluft. Nachrangig werden die Geschwindigkeiten des Rostes und der Brennstoffaufgabe verändert.
Der O2-Gehalt, gemessen am Ende des Dampferzeugers, ist als Hilfsregelgröße aufge- schaltet. Eine kurzzeitige O2-Abweichung regelt die Sekundärluftzuführung in einem begrenzten Bereich aus. Eine darüber hinausgehende Abweichung bedeutet eine Stö- rung im Brennstoff-Luftverhältnis. Dieser Effekt bewirkt außerdem eine Veränderung der Brennstoffförderung in die Hauptverbrennungszone.
Die Luftversorgungsregler stellen in Abhängigkeit der Kessellast einen stabilen Luft- druck am Kanaleintritt zu den Primär- und Sekundärluftklappen bereit. Damit erwirken sie gleichzeitig eine Entkopplung der unterlagerten Mengenregelkreise.
5. Modifiziertes Regelungskonzept
Das beschriebene Standard-Regelungskonzept nutzt den Dampferzeuger als Kalorime- ter. Feuerungsseitige Veränderungen wirken sich nach dem energetischen Durchlauf auf die Dampferzeugung aus. Überlagernd können ungleiche Strömungsprofile im Nachverbrennungsraum störende Einflüsse auf die Betriebsführung hervorrufen.
Eine fallweise Modifikation des Standard-Regelungskonzeptes nutzt daher die Abgas- temperatur als schnell reagierenden Verbrennungsparameter. Verschiedene auf dem Markt, mit unterschiedlichen Wirkprinzipien verfügbare Sensortechnologien (digitale Bildbewertung der Flammen, Ultraschall-Temperaturmessung im Abgas, Infrarot- Temperaturmessung des Brennstoffbettes, Laserdioden-Temperaturmessung im Abgas), bilden ein zeitnahes Profil der exothermen Reaktion ab und stellen die Ausgangsgröße für die Verbrennungsluftverteilung dar. Die Umsetzung dieser ergänzenden Maßnahme erfordert eine verfahrenstechnische Optimierung des Sekundärluftsystems.
Die vorrangige Aufgabe des Sekundärluftsystems besteht darin, O2-Abweichungen, die sich aufgrund von Heizwertschwankungen ergeben, auszugleichen. Außerdem können hier das Abgas-Strömungsprofil im 1. Kesselzug, durch Luftmengenverschiebung von der Vorderwand auf die Rückwand – und umgekehrt – beeinflusst sowie ebenfalls Schieflagen zwischen der rechten und linken Kesselseite minimiert werden.
Dadurch besteht die Möglichkeit, bei entsprechender Temperatursensorik im 1. Kessel- zug, eine Vergleichmäßigung der Abgastemperaturen zu erreichen. Dies hat folgende positive Einflüsse:
• Einhaltung einer gleichbleibenden thermischen Leistung und damit Maximierung des Brennstoffdurchsatzes,
• Reduzierung der Temperaturspitzen oberhalb des Ascheerweichungspunktes und damit einhergehend durch die Verringerung der Heizflächenverschmutzung eine Verlängerung der Reisezeit,
• Aufrechterhaltung der optimalen Strömungsverhältnisse im 1. Kesselzug zur Erzielung möglichst geringer Emissionen.
Rost | Dampferzeuger
Oberhalb der Sekundärluftebene können durch eine entsprechende Sensorik die Abgas- temperaturen in den sechs Sekundärluftzonen ermittelt werden. Heizwertänderungen in den Brennstoffen beeinflussen auch die Feuerlage in Transportrichtung und damit die Wärmeentbindung im 1. Kesselzug.
Durch Verschiebung der Sekundärluftanteile von der Vorderwand zur Rückwand – und umgekehrt – wird wieder ein homogener Temperaturausgleich hergestellt.
Bei Rostfeuerungssystemen mit großer Leistung kommen Roste mit mehreren Rost- bahnen zum Einsatz. Dabei können häufig Feuerungsschieflagen auftreten, die sich ebenso auf die Temperaturverteilungen auswirken.
Durch eine wechselseitige Sekundärluftverschiebung zwischen der linken-mittleren- rechten Seite, wird wieder eine homogene Verteilung eingestellt.
6. Feuerraumgestaltung
Optimierung des Verbrennungsraums
Der Geometrie des Feuerraumes/Nachbrennraumes kommt im Zusammenhang mit der Sekundärluftzuführung eine hervorzuhebende Bedeutung zu. Die Güte der Verbren- nungsgase orientiert sich einerseits an einem niedrig zu haltenden Emissionspotential und gibt andererseits die Bedingungen für einen wirtschaftlichen Anlagenbetrieb vor.
Die Reisezeit des Dampferzeugers hängt in erster Linie von einer gleichförmigen Ver- brennung ab. Die hohen Anforderungen, die an den Wärme- und Stofftransport im 1. Kesselzug gestellt werden, lassen sich durch den Einsatz von CFD-Untersuchungen umsetzen.
Fall 1a Fall 1b Fall 1c Fall 1d
Temperatur
20 %
30 % 20 %
30 % 25 %
25 % 25 %
25 % 30 %
30 % 20 %
20 % 30 %
20 % 25 %
25 %
> 1.500 °C
1.000 °C
< 500 °C
Bild 3: Temperaturprofile einer CFD-Untersuchung
Rost | Dampferzeuger
Die Simulation betrachtet die Größen der Abgastemperatur, Abgasgeschwindigkeit, O2- sowie CO-Gehalt im Verlauf des Abgaspfades und lässt Rückschlüsse auf das Be- triebsverhalten zu. Je nach Intensität der Sekundärluftzuführung im Vorderwand- oder Rückwandbereich kann der Strömungsverlauf eindeutig gelenkt werden. Vergleichende Netzmessungen bestätigen die Aussagen dieser Rechenmodelle.
7. Mittelstromfeuerung
Die konsequente Umsetzung diverser Optimierungsuntersuchungen bezüglich der Feu- erraumgeometrie, der Ausbildung der Wirbelzone zum Nachbrennraum und der Lage sowie Impulsrichtung der Sekundärlufteindüsung wird in Form der Mittelstromfeue- rung realisiert. Dieses Konzept zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorderwanddecke die brennbaren Gase aus der Startreaktion der Verbrennung in den Bereich der heißen Abgasströmung aus der Hauptverbrennungszone leitet. Die in der Wirbelzone zuge- führte Sekundärluft intensiviert die anschließende Nachverbrennung dieser Stoffströme.
Das Reaktionsverhalten des Brennstoffes findet Berücksichtigung bei der Ausbil- dung der vorderen Feuerraumdecke (Zünddecke) und hinteren Feuerraumdecke (Ausbranddecke). Auf den Energieinhalt der Abgase abgestimmte Abkleidungen der Verdampferwände stellen die erforderliche Abgastemperatur im Feuerraum und Nachbrennraum sicher.
Bild 4:
Rostsystem mit Mittelstrom- feuerung
Rost | Dampferzeuger
8. Grundlegende Betrachtung zur Rostauslegung
Die Auslegung eines Rostsystems richtet sich vorrangig nach den Eigenschaften des Brennstoffes, die das Zündverhalten und Abbrennverhalten des Feststoffes bestimmen und somit die Eingangsgrößen für die Festlegung der Rostlänge sowie der Brenn- stoffschichthöhe darstellen. Darüber hinaus ist die Stückigkeit des Brennstoffes, hin- sichtlich des Transportverhaltens sowie der Ausbrandqualität, mit in die Betrachtung einzubeziehen.
Neben diesen brennstoffbedingten Parametern definiert sich die Rostfläche über Er- fahrungswerte bezüglich der mechanischen und thermischen Rostflächenbelastung.
In Verbindung mit den Auslegungsdaten des Feuerungsleistungsdiagramms, festgelegt durch Bruttowärmeleistung und Brennstoffmassenstrom, errechnet sich die erforder- liche Rostfläche. Da die Rostlänge standardmäßig für unaufbereitete Abfälle aus der kommunalen Entsorgung oder Ersatzbrennstoff festgelegt ist, bleibt die Rostbreite als Freiheitsgrad.
9. Auswahl des Rostbelags
Die Auswahl des Rostbelages richtet sich nach dem spezifischen Energiepotential des Brennstoffes. Bild 5 kennzeichnet die Art der Roststabkühlung anhand des Heizwertes.
Demgemäß kommt für niederkalorische Abfälle der luftgekühlte, und für höherkalo- rische Abfälle der wassergekühlte Rostbelag zum Einsatz, der sich dann durch eine längere Standzeit gegenüber der reinen Luftkühlung auszeichnet und höhere thermische Belastungen zulässt.
Die Konstruktion des Rostsystems ist so aufgebaut, dass jederzeit ohne konstruktive Änderung, ein Wechsel zwischen wassergekühlten zu luftgekühlten Roststäben erfol- gen kann.
Erst die intensive Wasserkühlung des Roststabes ermöglicht eine prozessoptimierte Reduzierung des Primärluftanteils, einhergehend mit der Senkung des Luftüberschusses und hiermit auch eines Parameters bezüglich der NOx-Bildung.
Bild 5:
Auswahlkriterien für Rostbelag luftgekühlt
Hu 5.000–15.000 kJ/kg teilweise wassergekühlt
wassergekühlt
Rosttyp in Abhängigkeit vom Heizwert Hu 8.000–18.000
Hu 12.000–30.000 kJ/kg
kJ/kg
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Im Übergangsbereich von niederkalorischen zu höherkalorischen Abfällen besteht die Möglichkeit der Kombination beider Kühlungsarten. Die Roststäbe der thermisch hochbelasteten Rostzonen erhalten eine Wasserkühlung, während die Roststäbe der Ausbrandzone mit einer reinen Luftkühlung versehen sind.
10. Verbrennungsluftsystem
Auch die fluiddynamischen Gegebenheiten des Verbrennungsluftsystems richten sich nach der Qualität des eingesetzten Brennstoffes. Die charakteristischen Brennstoffpa- rameter führen aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung des Brennstoffes zu einer kurzfristig wechselnden Energiefreisetzung. Das Feuerungssystem muss nunmehr diesen hieraus resultierenden ungleichen Wärme- und Stofftransport ausgleichen.
In diesem Zusammenhang kommt der Verbrennungsluftzuführung eine besondere Bedeutung zu. Die Systemaufteilung in die primärseitigen und sekundärseitigen Luft- ströme sowie die untergeordnete Primärluftverteilung auf die einzelnen Luftzonen des Rostes bzw. die Sekundärluftverteilung auf die Vorderwand und Rückwand wird geregelt an die jeweiligen Brennstoffbedingungen angepasst.
Zur Verbesserung des Verbrennungsablaufes auf dem Rost bei niederkalorischen Abfallstoffen, hervorgerufen durch einen hohen Wassergehalt, und zur Stützung der Abgastemperatur in der Wirbelzone des Nachbrennraumes kommt ein Primärluft- vorwärmer zum Einsatz.
11. Konstruktiver Aufbau des Rostsystems 11.1. Brennstoffaufgabe
Eine Krananlage nimmt im Normalfall den Brennstoff im Bunker auf und transportiert ihn zum Brennstofftrichter der Feuerung. Die unterschiedliche Seitenneigung der Trichterwände verhindert eine Brückenbildung im Einfüllbereich.
Bild 6:
Anfahrvorgang – Zünden des Abfallbrennstoffs
Rost | Dampferzeuger
Am Eintritt des Brennstoffschachtes befindet sich eine über die Zentralhydraulik angetriebene Brennstoffklappe, die bei bestimmten Betriebszuständen geschlossen werden muss, z.B. während des Anfahr- und Abfahrvorganges. Eine unterhalb der Brennstoffklappe installierte Bauteilschutzeinrichtung, mit Wasser- oder Dampfein- düsung, begrenzt die Auswirkungen eines evtl. Rückbrandes vom Feuerraum her.
Die konstruktive Ausbildung des Einfüllbereiches, einschließlich des oberen Teils des Brennstoffschachtes, wird luftgekühlt ausgeführt.
Der Brennstofftrichter und der anschließende Brennstoffschacht sind durch eine ent- sprechende Materialwahl und Blechdicke den Anforderungen der mechanisch stark beanspruchten Zonen angepasst. Die Brennstoffsäule im Brennstoffschacht bewirkt einen Luftabschluss gegenüber dem Feuerraum. Füllstandsmessungen, als Mikrowel- lenschranke ausgeführt, dienen der Kontrolle und Signalisierung des Füllungsgrades im Brennstoffschacht. Die Erweiterung des Brennstoffschachtes nach unten, d. h. in Transportrichtung, wirkt Verstopfungen entgegen.
Den unteren Teil des Brennstoffschachtes umfasst ein Doppelmantel mit Wasserküh- lung als Schutz vor Wärmebelastung, z.B. während des Anfahrvorganges. Das offene, drucklose Kühlsystem arbeitet nach dem Prinzip des Verdampfungskühlers. Ein- oder mehrteilige, hydraulisch betätigte angesteuerte Aufgabeschieber übernehmen den Brennstoff aus dem Brennstoffschacht und dosieren ihn geregelt vom Aufgabetisch über den Aufgabesturz auf den Rost. Bei hochkalorischen Abfällen ab einen Heizwert von 15 MJ/kg bis 30 MJ/kg ist der Einsatz von wassergekühlten Aufgabeschieber und Aufgabetisch vorgesehen. Diese haben sich als Bauteilschutz bewährt.
Die konstruktive Ausbildung der Aufgabeöffnung im Übergang zum Feuerraum sichert einerseits einen Luftabschluss zum Brennstoffschacht zu und andererseits eine gleichmäßige Beschickung des Rostes.
Bild 7: Konstruktionsprinzip der Aufgabevorrichtung
Brennstofftrichter
Brennstoff- absperrklappe Hydraulikzylinder –
Brennstoff- absperrklappe
Aufgabeeinhausung Brennstoffschacht – wassergekühlt
Aufgabetisch Aufgabeschieber Hydraulikzylinder
Rost | Dampferzeuger
11.2. Vorschubrost
Die Wirkungsweise des Verbrennungsrostes, ausgeführt als Vorschubrost, sowie den inneren Aufbau einer Rostzone ist aus nachstehenden Bild ersichtlich. Die Rostbahn ist gekennzeichnet durch eine Neigung zur Horizontalen von 10 °. Außenliegende hydrau- lische Antriebe steuern über ein Hebelsystem die Vorschub- und Rückhubbewegungen der beweglichen Roststabreihen einer jeden Rostzone gemäß den regelungstechnischen Anforderungen. Die feststehenden und beweglichen Roststabreihen liegen im Wechsel hintereinander in einer Rostbahn und sind jeweils auf separaten Rostrahmen aufgelegt.
Die konstruktive Lagerausbildung der beweglichen Rostrahmen, in Form einer prisma- tischen Kugelführung, stellt einen translatorisch gerichteten Bewegungsablauf sicher.
Der gleichförmige Bewegungsablauf und die – aufgrund der Roststabkonstruktion – lange Hubbewegung im Vorschub führen zu einer ruhigen Feuerführung. Der Rückhub folgt mit gleicher Geschwindigkeit. Dieser Bewegungsablauf zeichnet sich im Gegensatz zu einem kurzhubigen Vorgang durch geringeren Verschleiß aus.
Ein weiterer Vorteil mit dieser Fahrweise ist die zusätzliche Kühlwirkung durch die Überdeckung der Roststäbe aufgrund des langen Hubs bis zum Roststabkopf. Der Roststabkopf insbesondere bei den luftgekühlten Roststäben wird gegen thermische Korrosionen gesondert geschützt und ist unter dem Kapitel der luftgekühlten Roststäbe beschrieben.
Das Rostsystem besteht im Normalfall aus drei hintereinander liegenden Rostzonen, wobei jeder Rostzone über zwei Rosttrichter, die gleichzeitig der Ableitung der Rost- asche in das austragende Förderelement dienen, die Primärluftluft geregelt zugeführt wird.
Roststäbe (fest) Roststäbe (beweglich)
Rostgerüst
Rostschlittenlager
Hydraulikzylinder Rostantriebswelle
Roststehlager Rostschlitten Roststabträger
Bild 8: Aufbau des Vorschubrosts
Rost | Dampferzeuger
Die Gesamtrostbreite, resultierend aus dem vorgegebenen Brennstoffmassenstrom, bestimmt die Anzahl der Rostbahnen. Rostbahntrennungen übernehmen die kon- struktive und somit verfahrenstechnisch nutzbare Unterteilung der Rostbahnen.
Die hydraulischen Antriebe der einzelnen Rostzonen befinden sich jeweils auf einer Seite der Rostbahn. Brennstoffbedingte Einflüsse können durch Modifikationen in der Rostaufteilung berücksichtigt werden. Nachstehendes Bild zeigt die äußere Ge- staltung eines 2-bahnigen Rostsystems einschließlich der Primärluftzonenkanäle und Rosttrichter.
Bild 9:
Zweibahniges Rostsystem Die Steuerung der Komponenten des Rostfeuerungssystems übernimmt eine zentrale Hydraulikstation. Von dieser werden die Antriebe der Brennstoffklappe, des Aufgabe- schiebers, der Rostzonen und gegebenenfalls des Stößelentschlackers geführt.
11.3. Rostbelegung
Je nach den brennstoffseitigen Gegebenheiten kommen luftgekühlte Roststäbe, aus- geführt als patentierter Wenderoststab mit einer zweiten Verschleißstirnwand im Roststabkopf oder patentierte wassergekühlte Roststäbe zum Einsatz. Die Art der Belegung kann im Grenzbereich von Heizwertbändern beide Roststabarten umfassen.
11.4. Luftgekühlte Roststäbe mit zweiter Verschleißstirnwand im Kopfbereich
Bei den luftgekühlten Roststäben erfolgt die Kühlung durch die Primärluft. Der Roststab ist aus einem hitzebeständigen Stahlguss gefertigt. Die Roststäbe sind untereinander durch Schraubverbindungen zusammengehalten und bilden die Roststabreihen.
Auf dem Verbrennungsrost kommen luftgekühlte Roststäbe, ausgeführt mit einer zweiten Verschleißwand im Roststabkopf, zum Einsatz. Die patentierten entwickelten
Rost | Dampferzeuger
luftgekühlten Roststäbe sind auf längere Standzeiten ausgelegt. Erreicht wird dies durch eine zweite Verschleißstirnwand, die, geschützt vor temperaturbedingter Korrosion, verdeckt hinter der Kopfstirnfläche angeordnet ist. Bei einem thermischen Verschleiß der äußeren Kopffläche sind so die weitere Funktion des Roststabes und damit die Verlängerung der Gesamtlaufzeit gewährleistet. Die Roststäbe werden als Wenderost- stäbe ausgeführt. Der Wenderoststab kann nach thermischem Verschleiß der zweiten Verschleißstirnwand im Roststabkopf gewendet werden.
Die luftgekühlten Roststäbe erhalten eine spezielle Verrippung, um eine möglichst große Oberfläche zu erreichen. Die Kühlung erfolgt hier über die zugeführte Primärluft (Unterwind).
Der Rostdurchfall des Vorschubrostes wird durch geringe Spaltbreiten im Rostbelag und eine hohe Unterwindpressung minimiert.
Der luftgekühlte Rostbelag kann gegen einen wassergekühlten Rostbelag ausgetauscht werden.
11.5. Konzept des wassergekühlten Rostbelags
Wärmeauskopplung Die Maximierung des Prozesswirkungsgrades umfasst auch die Nutzung von Abwär- men. Bei näherer Betrachtung der energetischen Prozesse bestehen für die Verwendung des über den Rostbelag ausgekoppelten Wärmestromes die Einbindungsmöglichkeiten zur Primärluftvorwärmung, Kondensatvorwärmung und Fernheizwasseraufwärmung.
Eine nicht energienutzende Variante ist die Rückkühlung mittels Wärmetauscher über Dach. Diese Verfahrensweise kann als zusätzliche Reservekühlung für außerordentliche Betriebszustände zum Einsatz kommen.
Die Effektivität der Wärmeeinbindung in den Stoffkreislauf, d.h. die wirtschaftliche Dimensionierung des Wärmetauschers, hängt in der Hauptsache von der Grädigkeit der wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden Stoffströme ab. Das Optimierungsbestre- ben bezüglich der Kühlwassertemperatur sollte hierbei in Grenzen gehalten werden.
Bild 10: Patentierter Roststab luftgekühlt
Wenderoststab mit doppelseitiger Verschleißstirnwand
Roststab mit einseitiger Verschleißstirnwandone
Rost | Dampferzeuger
Einerseits vermindern steigende Kühlwassertemperaturen die Kühlwirkung, bezogen auf die Roststaboberfläche, und andererseits können temperaturbedingte Ermüdungs- erscheinungen in den beweglichen Verbindungselementen auftreten. Durchgeführte Grenzwertbetrachtungen, unter Bezugnahme auf thermische Spitzenbelastungen (z.B.
Hot spot-Effekt), lassen merkliche lokale Temperaturerhöhungen erwarten, für die die Strangkomponenten auszulegen sind. Je nach Belastungsintensität können wasserseitige Übertemperaturen von 40 °C bis 60 °C auftreten.
Diese Betrachtungsweise liegt der Festlegung des Ruhedruckes zugrunde. In jeder Betriebssituation soll die Kühlwassertemperatur einen gesicherten Abstand zur ruhe- druckbezogenen Siedetemperatur aufweisen. Eine der thermischen Belastung ange- passte hohe Kühlwassergeschwindigkeit in den Roststäben garantiert eine definierte Ableitung der roststabgebundenen Wärme.
Kühlwasserkreislauf
Die Prinzipschaltung des Kühlkreislaufes ist in dem nachstehenden Bild 11 zu entneh- men. Beginnend mit dem wassergekühlten Rostbelag, den einzelnen Roststabreihen, den wassergekühlten Dehnungselementen des seitlichen Rostabschlusses und der Rostbahntrennung als wärmeaufnehmende Komponenten, übernimmt ein nachge- schaltetes Wärmetauschersystem die zweckgerichtete Auskopplung der Wärme. Die Rücklauftemperatur vom Rostsystem bestimmt hierbei als Regelgröße das Lastverhalten des Wärmetauschers.
Umwälzpumpen fördern das Kühlwasser in einem geschlossenen Kreislauf, wobei eine Druckhalteeinrichtung den erforderlichen Ruhedruck aufprägt. Sicherheitseinrichtun- gen schützen das Kühlsystem gegen Drucküberschreitungen. Eine Nachspeiseinrichtung dient dem Ausgleich von etwaigen Wasserverlusten.
Druckhaltung
Wärmetauscher
Umwälzpumpe Nachspeise-
pumpe
Bild 11: Prinzipschema des Kühlkreislaufs
Rost | Dampferzeuger
11.6. Wassergekühlter Rostbelag
Der wassergekühlte Rostbelag zeichnet sich gegenüber dem luftgekühlten Roststab durch eine höhere thermische Belastungen aus. Der wassergekühlte Roststab ist aus einem hitzebeständigen Stahlguss gefertigt und umfasst ein eingegossenes Stahlrohr, infolgedessen keine Gussgefüge bedingten Undichtigkeiten auftreten können. Die ther- mischen Belastungen aus dem Verbrennungsverlauf sowie die mechanische Belastungen aus dem Bewegungsablauf übernimmt die konstruktive Ausgestaltung des Roststabes.
Das eingegossene Stahlrohr garantiert eine definierte Strömung ohne wirbelbedingte Toträume eckiger Kanäle, die eine Überhitzungsgefährdung mit sich bringen.
Die qualitätsgesicherte Fertigung der Roststäbe sichert im oberflächennahen Bereich des Stahlrohres eine Materialverbindung zum Gusskörper, sodass kein Luftringspalt den Wärmeübergang mindert.
Die Roststäbe sind untereinander durch Schraubverbindungen zusammengehalten und bilden die Roststabreihen.
Die Kühlwasserversorgung des wassergekühlten Rostbelages erfolgt über Einzelsträn- ge je Roststabreihe. Untereinander sind die einzelnen Roststäbe mit U-Rohrstücke verbunden.
Die Seitenbalken sind ebenfalls wassergekühlt ausgeführt und erhalten abgestuft se- parate Kühlversorgungsstränge.
Die Verbindung zwischen den feststehenden Kühlstranganschlüssen und den beweg- lichen Roststabreihen erfolgt über Schläuche.
Bild 12: Wassergekühlter Roststab
11.7. Ausgeführte Rostfeuerungssysteme
Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe GmbH hat national, sowie international, innerhalb der letzten 10 Jahre für 21 Verbrennungslinien die erforderliche Vorschub- rostfeuerung mit der entsprechender Feuerleistungsregelung geliefert.
3D-Modell eines wassergekühlten Roststabs
Ein- und Austritt der Wasserkühlung
Aus Guss gefertigter wassergekühlter Roststab
Rost | Dampferzeuger
Die Kostenoptimierung durch den Einsatz der flexiblen Rostsysteme in Kombination mit moderner Kesseltechnik wird gekennzeichnet durch die einzuhaltenden Emissi- onswerte und der verwertungsgerechten Reststoffqualität bei den unterschiedlichsten auszulegenden Anwendungsfällen in Verbindung mit der wirtschaftlichen Betriebs- Tabelle 1: Beispiele ausgeführter Anlagen
Anlage Heizwert- Durch- Thermische bandbreite satz Verbren-
nungs- leistung MJ/kg t/h MW MKK Bremen 8 bis 18 40 110 MSZ3 Moskau 4,8 bis 12 33,5 47 Samsung
Electronic 15,5 bis 23,4 3,2 17,25
weise der Anlage, dokumentiert durch eine hohe Verfügbarkeit und eine lange Reisezeit.
Die unterschiedlichsten Abfalldurchsatz- und thermischen Verbrennungsleistun- gen wurden ausgeführt. Beispielhaft stehen nachstehende Referenzen, die die Flexibilität der Verbrennroste verdeut- lichen.
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
Copyright: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky Alle Rechte vorbehalten
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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