Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überhitzen von Dampf gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung
des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Die Erfindung ist vorgesehen insbesondere für den Einsatz in Dampfkesselanlagen
für die Verbrennung von Hausmüll, Gewerbeabfällen und Sondermüll wie aber auch in
Verbrennungsanlagen für Biomassen und Klärschlamm mit korrosiven Bestandteilen wie
z.B. Chlor- oder Kalium-Verbindungen.
Die Rauchgase aus Anlagen für die Verbrennung von Hausmüll, Gewerbeabfällen,
Sondermüll und Biomassen enthalten eine Vielzahl von Gasanteilen welche allein oder
in Kombination mit anderen Gasbegleitern hochkorrosiv sind, – insbesondere
bei Materialtemperaturen im Bereich oberhalb 400°C und bei Rauchgastemperaturen,
welche deutlich über 560°C liegen.
Solche Korrosionen auslösende Gasbegleiter sind unter anderen HCl,
KCl, SO2, SO3, FeC12, CO sowie Schwer- und Buntmetall-Chloride.
Des weiteren stellen die im Rauchgas enthaltenen gasförmigen, flüssigen
und festen Flugascheanteile ein hohes Korrosionspotential dar.
In der Literatur wurden die Korrosionsmechanismen umfänglich beschrieben.
Zur Minderung der Korrosionsangriffe wurden und werden die Hochtemperatur-Endüberhitzer
– im Heißdampftemperaturbereich von 410-510°C aus kostenintensiven hochlegierten
Materialien hergestellt; – in der Vielzahl der Fälle mit mäßigem Erfolg.
Versuche, die als Schotten gebauten Überhitzerheizflächen keramisch
abzukleiden, um den direkten Korrosionsangriff zu mindern, waren gleichermaßen wenig
erfolgreich: Die Investitionskosten waren erheblich und die Abreinigung der Überhitzer-Heizflächen
problematisch, da beim Abreinigen die keramische Abkleidung geschädigt wird und
damit der angestrebte Korrosionsschutz verloren geht.
1 zeigt beispielhaft einen Dampferzeuger
für die Verbrennung von Haus- und Gewerbemüll. Der Abfall wird über den Aufgabetrichter
A auf den Verbrennungsrost B aufgegeben.
Unterhalb des Rostes B ist die Entaschungsanlage C angeordnet. Die
im Feuerraum D entstehenden Rauchgase werden in der Nachbrennkammer F nachverbrannt
und in den nachgeschalteten Strahlungszügen F auf eine Temperatur von ca. 650-750°C
abgekühlt.
Im dritten Kesselzug sind in der Regel sogenannte Schottenheizflächen
G angeordnet, welche bei Heißdampfanlagen als Überhitzerheizflächen konzipiert werden.
Im nachfolgenden Horizontalzug H sind die Konvektionsheizflächen installiert,
– in der Regel als Vor-Überhitzet-Heizflächen I, Verdampferheizflächen
K und als Economiser-Heizflächen L.
Am Kesselaustritt M sind die Rauchgase bis auf 200-220°C abgekühlt.
Über die Entaschungstrichter N wird der Flugstaub abgezogen.
Da die Heizflächen des Endüberhitzers einer Hochtemperatur-Überhitzer-Heizfläche
(z.B. für eine Heißdampftemperatur von 480-505°C) im Hochtemperaturbereich des
Rauchgases liegen müssen, ist die Korrosionsgefahr hier besonders groß.
Zur Reduzierung des . Korrosionspotentials für die End-Überhitzer-Heizflächen
wurden diese Heizflächen gem. 2 auch als keramisch
abgekleidete Wandstrahlungsheizflächen konzipiert.
Hierbei werden gem. 2 aus der Siedewasser-gekühlten
Membran-Rohrwand O Einzelrohre Q gitterförmig so ausgebogen, dass diese für die
Überhitzer-Wandrohre R ein Haltegitter bilden.
In diese ausgebogenen Gitterrohre Q können sogenannte Taillensteine
S eingehängt werden, welche die Überhitzerrohre R vor korrosiven Rauchgasen und
von den Rauchgasen mitgetragenen Schlacken schützen sollen.
Die Rohrwände oberhalb und unterhalb der Überhitzer-Wand-Heizflächen
werden mit Stampfmassen T ebenfalls keramisch abgekleidet.
Gegen thermisch bedingte Rohrwand-Durchbiegungen werden Stahlbandagen
P eingezogen.
Auch dieses Konzept hatte zu viele Nachteile, um sich durchzusetzen:
Die mögliche Aufwärmspanhe im Endüberhitzer war durch die isolierenden Taillensteine
zu klein, – und die Taillensteine neigten in diesem hohen Rauchgas-Temperaturbereich
ebenfalls zu Korrosionen und/oder starken Verschlackungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Überhitzung
von Dampf sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen,
welche die korrosionsarme bzw. die korrosionsfreie Heißdampferzeugung in Müll- und
Biomassen-Verbrennungsanlagen für Heißdampftemperaturen bis 510°C gewährleistet.
Verfahrensmäßig wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs
1 und vorrichtungsmäßig durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Zweckmäßige und
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und in den Figurenbeschreibungen
enthalten.
Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass die im Bereich hoher
Rauchgastemperaturen angeordneten Hochtemperatur-Überhitzer-Heizflächen als glatte
Strahlungsplatten ohne isolierende keramische Abkleidungen ausgeführt werden, wobei
die glatten Überhitzerplatten auf der den Rauchgasen zugewandten
Seiten mit einem hochleg. Korrosions-Schutz gecladdet werden, dabei ihre glatte
schlackenabweisende Oberfläche behalten und zusätzlich mit Schleichluft gleichmäßig
bespült werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die korrosionsarme bzw. korrosionsfreie
Aufnahme der Strahlungswärme der heißen Rauchgassäule in die Hochtemperatur-Überhitzerheizflächen
in 4 Verfahrensschritten gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisiert:
- 1. Nach dem ersten Verfahrensschritt werden die Überhitzerheizflächen aus sogenannten
Omega-Rohren aufgebaut, als nicht miteinander verschweißte Omega-Rohre aufeinander
gestapelt, um freie Längsdehnungen bei Temperaturschieflagen in den Einzelrohren
zu ermöglichen, um so eine glatte Überhitzer-Heizflächenplatte zu schaffen. Diese
EinzelStapel-Technik schließt Wandausbeulungen, – auch bei Temperaturschieflagen
der Einzelrohre, aus.
- 2. Hinter jedem gestapelten Omega-Rohr wird – als zweiter Vertahrensschritt
– an der rauchgasabgewandten Seite ein Halterungsrohr angebracht vorzugsweise
angeschweißt, welches eine isolierende und distanzierende Funktion hat mit der Aufgabe
die Übertragung von Überhitzerwärme in die rückwärtige Siederohrwand zu verhindern
und gleichzeitig das statische Wiederstandsmoment in dem System Omegarohr-Halterungsrohr
so zu erhöhen, so dass Durchbiegungen der Überhitzen-Omegarohre durch Temperaturunterschiede
zwischen der Vorder- und Rückseite der Omegarohre als zulässige Spannungen im System
Omegarohr-Halterungsrohr aufgenommen werden, – wiederum mit dem Ziel, evtl.
Einzelrohrausbeulungen zu verhindern.
- 3. Als dritten Verfahrensschritt wird jedes Omegarohr – einzeln –
auf der dem Rauchgas zugewandten Seite mit einer weitgehend Korrosionsresistenten
Materialschicht gecladdet, welche darüber hinaus – durch das Fehlen einer
Zunderschicht – schlackeabweisenden Charakter hat und isolierenden Schlackeaufbau
auf den glatten Überhitzerplatten mindert bzw. verhindert.
- 4. Beim vierten Verfahrensschritt werden die glatten Überhitzerplatten mit einer
auf der Plattenfläche verteilten Vielzahl von kleinen Luftdüsen austretenden Spül-luftmenge
beaufschlagt, um auf der Überhitzerplatte während des Betriebes einen dünnen Luftschleier,
d.h. einen permanenten O2-Überschuß sicherzustellen.
Verfahrensgemäß durchströmt dabei die Spülluft die Siederohrwand, das Distanzierungsrohr
und die Stapelschlitze der Omega-Rohrplatte, wobei die Spülluft – nach einem
weiteren Merkmal der Erfindung – auf ca. 250-300°C erwärmt wird, –
mit einer Doppelung des Spülluft-Volumens.
Durch diese Volumenvergrößerung wird die Korrosionssicherheit der Überhitzerplatten
– bei kleiner Schleich-Luftmenge – deutlich verbessert, und damit auch
die Fähigkeit der Schlackenabweisung.
Der zusätzliche O2-Überschuß an der Plattenoberfläche reduziert darüber
hinaus möglichen Korrosionsangriff.
Die korrosiven Rauchgase, welche als Rauchgasbegleiter korrosionsfördernde Aschen
und Schlacken in die Heizflächen eintragen, entfalten ihre zerstörerische Wirkung
an den Druckteilen der Dampfkessel, insbesondere im Bereich hoher Rauchgastemperaturen
und hoher Druckteiltemperaturen.
Die Endüberhitzer stellen daher in den Dampfkesseln besonders gefährdete Bauelemente
dar.
Die verfahrenstechnischen Schritte sind mit marktüblichen teils genormten
Halbfabrikaten realisierbar, wodurch der Fertigungsaufwand reduziert wird.
Die Wandplatten-Überhitzer können thermodynamisch exakt ausgefegt
werden und stellen darüber hinaus eine investitionsgünstige Hochtemperatur-Überhitzerstufe
dar.
Die Kessel-Reisezeiten und Kesselverfügbarkeiten werden erhöht mit
der Folge einer deutlichen Betriebskostenminderung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überhitzen von Dampf in einer
korrosiven Rauchgasatmosphäre bei hohen Rauchgas- und Heißdampftemperaturen wird
gebildet durch sogenannte gezogene oder geschweißte Omega-Rohre, welche so übereinander
gestapelt werden, dass diese eine Platte mit glatter Oberfläche bilden.
Auch können geschweißte, sogenannte Halb-Omega-Rohre zum Einsatz kommen.
Die Stege der Omega-Rohre werden – beidseitig – in Abständen
von 100-150 mm geschlitzt, so dass in die durch die gestapelten Omegarohre gebildeten
Längsschlitze Spülluft ein- und austreten kann.
An die Omegarohre werden mittels Heftschweißungen runde, prismatische
oder quadratische Distanz- und Halterohre angeschweißt, welche mit Ein- und Austrittsöffnungen
für die Spülluft versehen sind.
Die Distanz- und Halterohre sollen als weiteres Erfindungsmerkmal
die gleiche Elementhöhe haben wie das Omega-Rohr, um die schlüssige Distanzierung
der Omegarohre sicherzustellen und um gleichzeitig eine Wärmeabstrahlung der Hochtemperatur-Überhitzerrohre
(=Omegarohre) in die kältere Siederohrwand zu verhindern.
Die Halterungs- und Distanzierungsrohre erlauben mit diesem Konstruktionsaufbau-eine
einfache mechanische Halterung an der Siederohrwand, z.B. durch eine Hammerkopf-Verschraubung.
Zur Verbesserung der Halterung der Wandüberhitzerplatte kann an die
Siederohrwand ein Kammblech angeschweißt werden, welches den Ein- und Ausbau dieser
Heizfläche vereinfacht und erleichtert.
Auf der Rauchgas-abgekehrten Seite der Siederohrvuand wird ein Luftkasten
angeschweißt, durch welchen die eintretende Spülluft gleichmäßig auf den Plattenüberhitzer
verteilt wird.
Für die Dimensionierung der heißdampfführenden Omega-Rohre hat sich
in Bezug auf das Überhitzer-Teillast-Verhalten, in Bezug auf die gleichmäßige Verteilung
der Spülluft und in Bezug auf die Vermeidung von Rohrausbeulungen, ein Omega-Rohr
mit der Außendimensionierung 60 × 60 mm als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Das Cladden der Omega-Rohre auf der dem Rauchgas zugewandten Seite
erfolgt mit hochlegierten Schweißmaterialien oder – je nach der vorhandenen
Rauchgasatmosphäre – mittels Flamm- bzw. Plasma-Spritzverfahren für einen
Dünnschichtschutz.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen weiter erläutert.
In diesen zeigen
3 den erfindungsgemäßen aus Omega-Rohren
gebildeten Platten-Überhitzer, gesehen von der Rauchgasseite,
4 den erfindungsgemäßen aus Omega-Rohren
gebildeten Plattenüberhitzer mit dem Spülluft-Verteilkasten, gesehen von der dem
Rauchgas abgewandten Seite,
5 den Längs- und Querschnitt der Omega-Rohrwand
mit Distanzierungen, Halterungen und Luft-Verteilkasten.
1 zeigt den konstruktiven Aufbau des
aus Omega-Rohren (4) gebildeten Wand-Platten Überhitzers von der Rauchgasseite.
Die Siederohrwand besteht aus vertikalen Siederohren (1), welche mittels
Stegen (2) gasdicht miteinander verschweißt sind. An die Siederohrwand
ist ein Kammblech (3) angeschweißt, auf welchem die miteinander durch Heftschweißung
verbundenen Omega-Rohre (4) und Halte-/Distanzierungsrohre (5)
abgesetzt sind.
Schlitze (8) in den runden oder rechteckigen Halterohren
(5) erlauben die Befestigung an der Siederohrwand (1-2) mittels
Hammerkopfschrauben (6). Für die Durchführung der Hammerkopfschrauben (6)
durch die Siederrohrwand (1-2), erhalten die Stege (2) ebenfalls
Schlitze (7). Rückwärtig werden die Hammerkopfschrauben (6) auf
Haltelaschen (9) verschraubt.
Das obere Kammblech (10) dichtet den Luft-Verteilkasten zur
Rauchgasseite ab und dient gleichzeitig als Auflage für eine keramische Abstampfung
(17).
Die Bohrungen (11) in den Halterohren (5) sind für
den Durchtritt der Spülluft in die Luftdurchlass-Bohrungen (13) der Omega-Rohre
(4).
4 zeigt den konstruktiven Aufbau des
aus Omega-Rohren (4) gebildeten Wand-Plattenüberhitzers von der dem Rauchgas
abgekehrten Seite. Die Beschreibung wie auch die Bezifferung der Bauelemente (1)
bis (9) entspricht der Beschreibung von 3.
Dargestellt ist in 4 zusätzlich der Verteilkasten
(15) für die Spülluft mit dem Luft-Eintrittsstutzen (16).
5 zeigt einen Längs- und einen Querschnitt
durch den Omega-Rohrplatten-Überhitzer (1-2). Auch hier ist die Beschreibung
und die Bezifferung der Bauelemente identisch mit jenen von 4
und 5.
In 5 kann der Spülluft-Weg vom Stutzeneintritt
(16) über den Verteilkasten (15) durch die Schlitze (7)
und (8) in die Halte- und Distanzierungsrohre (5) durch die Bohrungen
(10) in die Bohrungen (13) der Omega-Rohre (4) nachvollzogen
werden.
Die Cladding-Schichten (14) sind nur auf den dem Rauchgas
zugewandten Seiten aufgetragen.
Die keramischen Abkleidungen (17) oberhalb und unterhalb
des Wandüberhitzers finden ihre jeweilige Begrenzung an den Kammblechen (3)
und (10).
