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6 | 2015

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EnergieForum Kessel -

EnergieForum Kessel - anlage der Vulkan Energiewirtschaft Oderbrücke GmbH (VEO) in Eisenhüttenstadt. Betriebserfahrungen mit gichtgasbefeuerten Dampferzeugeranlagen Prozessgase aus der Stahlproduktion energetisch genutzt STROM- UND WÄRMEERZEUGUNG | Die bei der Stahlproduktion anfallenden Prozessgase sind wertvolle Energiequellen, die sich für eine effiziente Strom- und Wärmeerzeugung im Kraftwerk nutzen lassen. Für den Stahlhersteller, der häufig auch der Kraftwerksbetreiber ist, führt die Nutzung dieser Gase zu wirtschaftlichen Vorteilen, da er den Einsatz anderweitiger fossiler Energieträger verringern kann. Ein zusätzlicher Anreiz besteht darin, dass die energetische Nutzung der Prozessgase CO 2 -kostenneutral erfolgt, da die Stahlherstellung selbst bereits mit CO 2 -Kosten belastet wird. Der Beitrag schildert Betriebserfahrungen mit gichtgas - befeuerten Dampferzeugeranlagen, dargestellt am Beispiel der Vulkan Energiewirtschaft Oderbrücke GmbH (VEO) in Eisenhüttenstadt. Bei der Stahlerzeugung fallen aufgrund der unterschiedlichen Verfahrensstufen zwei unterschiedliche Gassorten als Nebenprodukte an, die unter den Bezeichnungen Gichtgas und Konvertergas bekannt sind. Wird gleichzeitig noch eine Kokerei betrieben, fällt zusätzlich auch noch Koksgas an, das energetisch genutzt werden kann. Die Zusammensetzung dieser Prozessgase unterscheidet sich je nach Herkunft beträchtlich und damit auch die verbrennungstechnischen Eigenschaften wie Brennwert, Flammentemperatur, Wobbe-Index usw. Im Vergleich zum Erdgas haben die Gase eine schwankende Zusammensetzung, einen geringeren Heizwert und somit niedrige Flammentemperaturen. Verfahrenstechnisch problematischer sind jedoch die oft erheblichen Schwankungen bei Gasmenge und Zusammensetzung der einzelnen Gase in Abhängigkeit von der Produktion (Tabelle 1). Darüber hinaus finden sich in den Gasen zahlreiche Verunreinigungen, vor allem in Form von H 2 S, NH 3 , HCN, Benzol BTX, Teer und Stäuben. In Eisenhüttenstadt fällt Gichtgas und Konvertergas an und wird gegebenenfalls mit Erdgas aufgefettet. Auch das Konvertergas steht nicht permanent zur Verfügung. Zusammenfassend wird das Gemisch der eingangs genannten Gase als „Hüttengas“ bezeichnet. Hüttengaskessel VEO Eisenhüttenstadt Kesselkonzept Am Standort Eisenhüttenstadt wurde im Jahre 1997 im Auftrag der VEO ein Autor Dipl.-Ing. Wolfgang Zihla, Jahrgang 1951, Studium Allgemeiner Maschinenbau an der Ruhr-Universität Bochum. Projektleiter bei der Standardkessel GmbH, Duisburg. i wzihla@standardkessel.de Bestandteil CH 4 H 2 CO CO 2 N 2 C 2 H 6 Hu [Vol.-%] [Vol.-%] [Vol.-%] [Vol.-%] [Vol.-%] [Vol.-%] [kJ/m 3 (i.N.)] Gichtgas 0,3 2 30 8 60 4 000 Konvertergas 2 65 15 18 8 100 Koksgas 25 55 6 2 10 2 17 380 Tabelle 1 Typische Zusammensetzungen der Prozessgase. 40 BWK Bd. 67 (2015) Nr. 6

EnergieForum Dampferzeuger (Kessel 4) zur energetischen Nutzung der Prozessgase des benachbarten Stahlwerkes errichtet. Als Brennstoff steht Hüttengas als Mischung aus Gichtgas mit maximal 10 % Konvertergas aus dem Stahlwerk zur Verfügung. Alternativ kann die Anlage auch mit Erdgas betrieben werden. Der Dampferzeuger wurde in stehender Vertikalbauweise als Dreizugkessel konzipiert und im Naturumlauf geschaltet (Bild 1). Die Überhitzerheizflächen sind in drei Stufen aufgeteilt mit zwei dazwischen liegenden Einspritzkühlern zur Heißdampftemperaturregelung. Die Speisewasservorwärmung erfolgt in einem nachgeschalteten Rippenrohrvorwärmer. Die Kesselkonstruktion war dabei auf die im Kesselhaus vorhandenen Platzverhältnisse anzupassen. Dies beinhaltete auch die Einbindung des Rauchgaskanals in einen der vorhandenen Schornsteine, um das äußere Erscheinungsbild des Kraftwerkgebäudes nicht zu verändern. Die Kesselanlage wurde für die in Tabelle 2 abgebildeten technischen Daten konzipiert. Feuerung Der Dampferzeuger ist mit einer kombinierten Hüttengas-/Erdgasfeuerungsanlage ausgerüstet. Die vier Brenner sind als Drallbrenner ausgeführt, die im Kesselboden angeordnet sind. Zur Überwachung der Flamme sind je Brenner zwei Flammenwächter vorgesehen, die bei Erlöschen der Flamme die Schnellschlussorgane vor dem Brenner schließen und sofort die Brennstoffzufuhr unterbrechen. Die Regelung der Feuerung erfolgt mittels Brennstoff-/Luftverhältnisregelung gemeinsam für alle Brenner, ebenso die Zuführung von rezirkuliertem Rauchgas im Erdgasbetrieb (Bild 2). Hüttengasversorgung Aufgrund des niedrigen Gasvordrucks an der Liefergrenze war die Installation eines drehzahlgeregelten Hüttengasverdichters erforderlich, um einen ausreichend hohen und konstanten Förderdruck des Hüttengases gewährleisten zu können. Trotz dieser Maßnahme war der Regelbereich der Brenner auf 1 : 3 zu begrenzen, da ein größerer Regelbereich zwangsläufig einen höheren gasseitigen Druckverlust im Brenner bedingt, was wiederum den Eigenbedarf des Hüttengasverdichters in die Höhe treiben würde. Bild 1 Kesselquerschnitt. Betrieb mit Stützgas Zur Stabilisierung der Brennerflamme wird permanent eine definierte Menge an Stützgas zugefeuert. Hierzu wird Erdgas verwendet. Verbrennungsluft Der Kessel ist für einen rauchgasseitigen Überdruckbetrieb ausgelegt. Somit liefert das drallgeregelte Frischluftgebläse die Gesamtpressung zur Überwindung sämtlicher luft- und rauchgasseitiger Widerstände. Rauchgasrezirkulation Zur Reduzierung der NO X -Emissionen und zur Anhebung der Frischdampftemperatur bei Teillast wird im Erdgasbetrieb Rauchgas hinter Eco entnommen und den Brennern zugeführt. Betriebserfahrungen den. Konvektionsheizflächen sind erst im zweiten Kesselzug, also außerhalb des Einstrahlungsbereiches der Feuerung, angeordnet. Diese Maßnahme führt zu einer geringeren Materialbelastung der Überhitzerheizflächen beim Anfahren, aber auch im Dauerbetrieb. Der Kessel wird 8 500 bis 8 600 Betriebsstunden pro Jahr mit häufig variierender Last gefahren. Der Kesselkonvektionszug wird routinemäßig einmal jährlich rauchgasseitig gereinigt. Dabei werden die Heizflächen mit Hochdruckwasser abgespritzt. Der Feuerraum wird nicht gereinigt. Die Verschmutzungsneigung der Heizflächen ist als gering einzuschätzen, ein nennenswerter Anstieg der Abgastemperatur liegt nicht vor. Bild 2 Hüttengasbrenner. Zündluft Kesselkonstruktion Die Ausführung der Kesselanlage als von unten unterstützter Kessel mit Bodenfeuerung hat sich sehr gut bewährt. Die Luft Tertiärluft Hüttengas Erdgas Bodenfeuerung führt zu einer sehr gleichmäßigen Heizflächenbelastung im Feuerraum, da sich die Flammen parallel zu Brennstoffe Hüttengas, Erdgas den Umfassungswänden Dampfleistung 120 t/h ausbilden. Dampftemperatur 540 °C Punktuelle Wandbelastungen, die zu einem erhöhten Materialverschleiß Dampfdruck Genehmigungsdruck Speisewassertemperatur 120 bar 136 bar 70 bis 105 °C füh- Max. Nutzleistung 105 MW ren könnten, werden sicher vermie- Tabelle 2 Technische Daten, auf denen die Konzeption der Kesselanlage basiert. BWK Bd. 67 (2015) Nr. 6 41

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