Projekt 26675/01

Steigerung der Energieeffizienz in Heizkraftwerken durch eine optimierte Wärmeausnutzung im Abhitzekessel

Projektträger

Institut für Angewandte Bau- und Reststoff-Forschung
Obergrombacher Str. 29
76646 Bruchsal
Telefon: 07257/924555

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Vor dem Hintergrund einer optimalen Energieausnutzung in Heizkraftwerken stellt die Bildung von schlecht abzureinigenden Belägen und die verstärkte Bildung von voluminösen Wechten auf den Wärmetauscherflächen ein erhebliches Problem für die Betreiber von Heizkraftwerken dar.

Gegenstand und Ziel des Projektes ist die Steigerung der Energieeffizienz von Heizkraftwerken (z. B. MHKW, BM(H)KW, EBS-Heizkraftwerke) durch die Verbesserung der Wärmeausnutzung in Abhitzekesseln durch eine Reduktion der Belagsbildung auf den Wärmetauscherflächen. Die durchzuführenden Versuche sollen die Grundlage für verfahrenstechnische Optimierungsmaßnahmen darstellen, mit denen es möglich ist, eine bessere Wärmeübertragung auf die Wärmetauscherflächen zu gewährleisten, die Energieeffizienz der Anlagen zu erhöhen und gleichzeitig Voraussetzungen zu schaffen, die Anlagen in Zukunft mit höheren Dampfparametern möglichst schadensfrei betreiben zu können und die Laufzeiten bis zu notwendigen Revisionen für die Kesselreinigungen zu verlängern und somit die Betriebskosten nachhaltig zu senken sowie durch die Einsparung fossiler Brennstoffe die CO2-Emission zu verringern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZunächst wurden Untersuchungen an Belägen aus 4 Abhitzekesseln mit unterschiedlicher Kesselgeometrie und verschiedenen Temperaturniveaus des Müllheizkraftwerkes Mannheim durchgeführt und mineralogisch-chemische Stabilitätsbereiche und Temperaturprofile relevanter Mineralphasen und Mineralvergesellschaftungen in den Belägen ermittelt. Danach erfolgte die Überprüfung der Allgemeingültigkeit durch Analysen von Belägen aus 5 weiteren Kraftwerken (1 MHKW, 3 Biomasseheizkraftwerke, 1 EBS-Heizkraftwerk) sowie die Erarbeitung einer Klasseneinteilung und die Entwicklung eines Bewertungsmodelles für Beläge, auf dessen Basis eine erfolgreiche Maßnahme zur Belagsreduzierung in einem bestehenden Kessel im MHKW Mannheim durchgeführt wurde. Weiterhin wurden grundsätzliche Empfehlungen zur Minimierung der Belagsbildung erarbeitet, die bereits beim Neubau eines weiteren Kessels im MHKW Mannheim umgesetzt wurden.


Ergebnisse und Diskussion

Mit Hilfe von systematischen mineralogischen und chemischen Untersuchungen von Belägen entlang des Rauchgasweges konnten Mechanismen der Belagsbildung bei verschiedenen Temperaturniveaus und unter Abhängigkeit der verfahrenstechnischen Parameter identifiziert werden. Dabei spielen Mineralphasen aus der Gruppe der Sulfate die größte Rolle. Das Ca-Sulfat Anhydrit (CaSO4) wird aus dem Ofen im Rauchgas ausgetrieben und ist bei relativ hohen Temperaturen zu Beginn des Rauchgasweges relativ teigig und klebrig ausgebildet, wodurch weitere Partikel aus dem Rauchgas im Belag festgehalten werden. Andere Sulfate wie K- und Na-Sulfate sowie deren Mischungsreihen entstehen durch mineralogisch-chemische Reaktionen in den Belägen oder direkt am Rohr der Wärmetauscher. Die jeweiligen Anteile der Mineralphasen ändern sich jedoch entlang der Rauchgasrichtung in Abhängigkeit von der verfahrenstechnischen Auslegung der Kessel sehr deutlich. Je nach Entstehungsart und Mineralphase werden Härtegrad und Mächtigkeit der Beläge festgelegt.
Der Bildungsmechanismus der Beläge ist in den Biomasseheizkraftwerken und dem EBS-Heizkraftwerk prinzipiell vergleichbar, allerdings können die voluminösen Beläge in BMHKW brennstoffbedingt höhere Anteile an kaliumreichen Sulfaten sowie Silikaten/Oxiden enthalten und die Beläge aus EBS-Heizkraftwerken z. B. phosphatreicher aufgebaut sein.
Auf der Basis der mineralogischen Phasenzusammensetzung und der makroskopischen Ausbildung der Beläge wurde eine Klasseneinteilung erstellt, die in Bezug auf die Wachstumsgeschwindigkeit und der Möglichkeit der Abreinigung eine Einteilung der Beläge in die Klasse 1 sehr kritisch bis in die Klasse 4 unbedenklich erlaubt. Entlang des Rauchgasweges werden die einzelnen Beläge den jeweiligen Klassen zugeordnet, sodass für jeden untersuchten Abhitzekessel ein Belagsprofil hinsichtlich der Belagscharakteristik erstellt werden kann. Anwendungsgebiete für das Bewertungsmodell können Optimierungsmaßnahmen an bestehenden Kesseln, die Überprüfung der Wirksamkeit umgesetzter Maßnahmen, eine Hilfe bei der Planung neuer Kessel sowie die Bestimmung der Auswirkungsgrade von unterschiedlichen Brennstoffen auf die Belagsbildung sein.
Im MK 4 des MHKW Mannheim wurde auf der Basis der Untersuchungsergebnisse eine Optimierungsmaßnahme durchgeführt und dadurch eine Reduktion der Stillstandszeiten von ca. 27% erreicht. Energetisch gesehen wurde hierbei die Verbrennung von 48.000 Nm³/a Erdgas ohne thermische Nutzung eingespart sowie ca. 42.000 m³/a CO2 weniger freigesetzt. Weiterhin kann durch die vermiedenen Stillstandszeiten Abfall anstelle von fossilen Energien zur Energieerzeugung genutzt werden, was nochmals die CO2-Emission erniedrigt. In den Tagen des zusätzlichen Betriebes werden bei Vollverstromung des Dampfes weiterhin ca.1.300 MWh Strom erzeugt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse wurden bisher auf folgenden Konferenzen vorgestellt und veröffentlicht:

VDI Wissensforum: Feuerung und Kessel - Beläge und Korrosion - in Großfeuerungsanlagen, Frankfurt am Main, 22. und 23. 06. 2010.
13. International Waste Management and Landfill Symposium, 3-7 October 2011, S. Margherita di Pula (Cagliari), Sardinia, Italy.
7. Fachtagung: Trockene Abgasreinigung für Feuerungsanlagen und thermische Prozesse. 10.-11. November 2011, Haus der Technik Essen.
Waste Management & Research, in press.


Fazit

Durch die systematische mineralogisch-chemische Untersuchung von Belägen aus verschiedenen Abhitzekesseln aus Müllheizkraftwerken, Biomasseheizkraftwerken und EBS-Heizkraftwerken konnten die Genese der Beläge sowie die mineralogisch-chemischen Stabilitätsbereiche und Temperaturprofile relevanter Mineralphasen und Mineralvergesellschaftungen in den Belägen ermittelt werden, auf deren Basis eine Klasseneinteilung sowie ein Bewertungsmodell entwickelt wurden. Auf der Grundlage der spezifischen Belagsprofile können nun zukünftig für unterschiedliche Kessel spezifische Optimierungsmaßnahmen zur Belagsreduktion entwickelt und der Einfluss unterschiedlicher Brennstoffe auf die Belagsbildung überprüft werden.