Betriebsoptimierung moderner Kohlenstaubfeuerungen zur Vermeidung von Feuerraumkorrosion

Dissertation von Oliver Greißl
Universität Stuttgart, 2009

Bei Kohlenstaubfeuerungen kann der Einsatz unterschiedlicher Kohlequalitäten in Verbindung mit einer nicht angepassten Betriebsweise zu einer erhöhten Verschmutzung, Verschlackung und Korrosionsneigung an den Feuerraumwänden und den Berührungsheizflächen im konvektiven Bereich der Feuerung führen. Reduzierende Bedingungen an den Feuerraumwänden gelten als Voraussetzung für das Auftreten von Feuerraumkorrosion. Aus diesem Grund werden die Sauerstoffkonzentrationen in wandnahen Bereichen der Feuerraumwände gemessen, um so Bereiche mit erhöhtem Korrosionspotenzial zu identifizieren. In diesem Zusammenhang wird die Gaszusammensetzung im wandnahen Bereich der Feuerraumwände auch als Wandatmosphäre bezeichnet.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Wandatmosphäre einer Kohlenstaubfeuerung bei unterschiedlichen Feuerungseinstellungen gemessen um Parameter zu identifizieren, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Zusammensetzung der Wandatmosphäre haben. Weiterhin wurde der Zusammenhang zwischen gemessener Wandatmosphäre und der Materialabzehrung an Verdampferrohren aufgrund von Feuerraumkorrosion untersucht.

Die Untersuchungen erfolgten am Block 7 des Rheinhafendampfkraftwerks der EnBW Kraftwerke AG in Karlsruhe. Die untersuchte Feuerung ist als Gegenfeuerung mit Low-NOx Brennern ausgeführt.

Während einer geplanten Revision der untersuchten Anlage wurden Wanddickenmessungen im gesamten Feuerraum durchgeführt und den Ergebnissen der Wandatmosphäremessungen gegenübergestellt. Die Bereiche mit den höchsten festgestellten Materialabzehrungen stimmten dabei sehr gut mit den Bereichen überein, an denen zuvor geringe Sauerstoffkonzentrationen gemessen wurden.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen belegen, dass die regelmäßige Überwachung der Wandatmosphäre eine geeignete Methode darstellt, um kritische Bereiche im Hinblick auf eine mögliche Feuerraumkorrosion zu identifizieren.

Zur Vermeidung von Feuerraumkorrosion ist es notwendig zu wissen, mit welchen Parametern sich die Wandatmosphäre und damit die Sauerstoffkonzentrationen in wandnahen Bereichen der Verdampferwände beeinflussen lassen.

Als maßgebliche Parameter unter diesem Gesichtspunkt wurden
  • der Luftüberschuss,
  • die Luftstufung am Brenner,
  • die Kohlenstaubverteilung auf die Brenner
  • und der Ausmahlungsgrad des Kohlenstaubes identifiziert.

Die Bestimmung der Kohlenstaubverteilung erfolgte sowohl durch ein beprobendes Kohlenstaubmessgerät (SMG 10) als auch durch ein berührungsloses Online-Kohlenstaubmessgerät (MIC). Mit Hilfe der Online-Messung können zusätzlich zu der Kohlenstaubverteilung auch die zeitlichen Schwankungen der Kohlenstaubförderung erfasst werden.

Die festgestellten Schwankungen der Kohlenstaubförderung in einigen Kohlenstaubleitungen zeigen ein vergleichbares Verhalten wie die Schwankungen der gemessenen Sauerstoffkonzentration an den entsprechenden Wandatmosphäremessstellen. Aufgrund der vorhandenen Schwankungsbreiten sowohl bei der Kohlenstaubförderung als auch bei der Primär- und Sekundärluft an den Brennern ist es sehr schwierig, den Einfluss der einzelnen Parameter auf die Wandatmosphäre zu quantifizieren. Aus diesem Grund wurde das vom Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen (IVD) der Universität Stuttgart und der Firma RECOM Services entwickelte Simulationswerkzeug AIOLOS genutzt um Parameterstudien durchzuführen.

Die Simulationsergebnisse der durchgeführten Parameterstudien ermöglichen es, die im Hinblick auf die Zusammensetzung der Wandatmosphäre ermittelten Einflussparameter zu verifizieren und zu quantifizieren. Darüber hinaus werden aber auch Informationen bezüglich der Auswirkungen dieser Parametervariationen auf die Rauchgaszusammensetzung und den Glühverlust erhalten.

Die gewonnen Erkenntnisse zeigen auf, welche Maßnahmen zur Erhöhung der Sauerstoffkonzentration an den Feuerraumwänden einer Kohlenstaubfeuerung zur Verfügung stehen. Es wird dabei unterschieden zwischen Maßnahmen, die lediglich auf einer veränderten Betriebsweise beruhen und Maßnahmen, die eine bauliche Veränderung der Anlage erfordern.
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