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6 | 2015

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EnergieForum Feuerung/Brennstoffsystem Aufgrund des relativ niedrigen Heizwertes von Hüttengas und dem daraus resultierenden großen Volumenstrom in Verbindung mit dem üblicherweise niedrigen Vordruck des Gases benötigen Hüttengasbrenner deutlich größere Querschnitte als etwa Erdgasbrenner. Dies bedeutet, dass Hüttengasbrenner einer größeren Einstrahlung aus dem Feuerraum ausgesetzt sind, was zu einer höheren thermischen Belastung der dem Feuerraum zugewandten Teile führt. Im vorliegenden Fall führte dieser Effekt anfänglich zu Verzunderungsproblemen an Brennereinbauten, da diese zu heiß wurden. Durch Einsatz höherwertigerer Materialien sowie eine modifizierte Verbrennungsluftaufgabe, die eine verbesserte Kühlung der Brennereinbauten bewirkte, ließen sich die Probleme dauerhaft lösen. Aufgrund des generell niedrigen Heizwertes von Hüttengas, der prozessbedingt deutliche Schwankungen nach oben und unten aufweist, war von Anfang an die Installation einer permanenten Stützfeuerung mit Erdgas vorgesehen. Es zeigte sich, dass die zunächst getroffene Annahme zum Stützgasverbrauch in Höhe von unter 1 % der Feuerungswärmeleistung zu optimistisch gewesen war. Um eine stabile Flamme auch bei sehr niedrigen Heizwerten sicherzustellen, hat sich eine Stützfeuerungsleistung von rund 3,8 % der Feuerungswärmeleistung als erforderlich herausgestellt. Die Rauchgasemissionen der Kesselanlage ließen sich jederzeit problemlos beherrschen. Sowohl der NO X - als auch der CO-Grenzwert liegen immer, in der Regel sehr deutlich, unter den zulässigen Grenzwerten. Dies gilt auch für den Betrieb mit Erdgas, wobei dann jedoch die Frischluftvorwärmung zur Einhaltung der NO X -Emissionen außer Betrieb genommen werden muss. Eine dauernde Herausforderung in hüttengasgefeuerten Kesselanlagen stellt der Feuchtegehalt im Brenngas dar. Durch die Abkühlung des wasserdampfgesättigten Hüttengases kondensiert ein Teil der Feuchtigkeit in den Rohrleitungen des Transportweges. Es ist daher sehr wichtig, ein geeignetes Entwässerungskonzept vorzusehen, das nicht nur anfallendes Kondensat permanent abführt, sondern auch dafür sorgt, dass kein Wasser in die Feuerung eingetragen wird. Verfügbarkeit Mit den bereits beschriebenen Maßnahmen konnte ein Anlagenbetrieb mit sehr Brennstoffe Dampfleistung 180 t/h Dampftemperatur 540 °C hoher Verfügbarkeit realisiert werden, die im Durchschnitt Werte von 99 % erreichte. Hierzu hat auch das erfahrene Betriebspersonal durch kontinuierliche Beobachtung und Pflege der Anlage wesentlich beigetragen. Neuer Gichtgaskessel Durch die Vulkan Energiewirtschaft Oderbrücke GmbH wurde das Industriekraftwerk am Standort Eisenhüttenstadt in den Jahren 2011 und 2012 weiter modernisiert. In diesem Rahmen wurde auch ein neuer mit Hüttengas gefeuerter Kessel als Ersatz für die bestehenden Dampferzeuger 1 bis 3 errichtet. Der neue Gichtgaskessel (K7) wurde für die gleichen Dampfparameter wie Kessel 4 ausgelegt, erzeugt mit 180 t/h jedoch 50 % mehr Dampf (Tabelle 3). Um den Wirkungsgrad des Kraft-Wärmeprozesses zu verbessern und um den Stützgasverbrauch der Kesselfeuerung zu reduzieren, wurden jedoch zusätzliche Maßnahmen vorgesehen. So wurde zusätzlich zur Verbrennungsluft auch für das Gichtgas ein dampfbeheizter Vorwärmer installiert Beide Vorwärmer werden unter anderem mit Entnahmedampf aus der ebenfalls neuen Dampfturbine beheizt. Ziel dieser Maßnahmen ist es, den Kessel ohne Stützgaseinsatz zu fahren. Solange der Heizwert des Hüttengases über einem Erdgas, Hüttengas Dampfdruck 120 bar Überdruck Genehmigungsdruck 136 bar Überdruck Speisewassertemperatur 105 °C Max. Feuerungsleistung 162 MW (th.) Wärmeverbrauch Luft- und Hüttengasvorwärmung 13,5 MW (th.) Lufttemperatur nach Vorwärmung 150 °C Hüttengastemperatur nach Vorwärmung 150 °C Kesselwirkungsgrad > 93 % Tabelle 3 Technische Daten des neuen Kessels K7. Lastfall Vorgabe Gemessen Volllast mit Hüttengas > 93 % 93,37 % 70 % Last mit Hüttengas > 93,5 % 93,95 % Volllast mit Erdgas > 95,7 % 95,94 % Tabelle 4 Kesselwirkungsgrade des neuen Kessels K7. Hüttengas Erdgas NO X [mg/m 3 ] < 100 < 100 CO [mg/m 3 ] < 100 < 50 Tabelle 5 Vorgaben für Abgasemissionen (bezogen auf m 3 (i.N.,tr.), bei 3 % O 2 ). definierten Wert liegt, ist kein Stützgas erforderlich. Erst bei erwartetem Absinken unter den Grenzwert wird die Stützfeuerung zugeschaltet. Hierzu wird Erdgas eingesetzt. Das Signal zur Zuschaltung der Stützfeuerung erfolgt aus einer bauseits vorhandenen Wobbezahlmessung. Erste Betriebserfahrungen Nach rund zehnmonatiger Betriebszeit liegen die ersten Betriebserfahrungen mit dem neuen Kessel K7 vor. Erwartungsgemäß wurden die geplante Dampfleistung und die vorgesehenen Dampfparameter sofort erreicht. Die im April 2013 durchgeführten Abnahmemessungen zeigten, dass auch die zugesagten Kesselwirkungsgrade in allen Lastpunkten sicher erreicht werden (Tabelle 4). Die Messung der Abgasemissionen zeigte ein differenziertes Ergebnis auf. Entsprechend den Vorgaben der 13. BimSchV waren die Werte in Tabelle 5 für das Hüttengas bzw. den Erdgasbetrieb einzuhalten. Die Messungen ergaben CO-Werte, die weit unterhalb der zulässigen Grenzwerte lagen. Dies betraf alle Volllast- sowie Teillastfälle und beide Brennstoffe. Die NO X - Werte stellten sich ebenfalls deutlich unterhalb der zulässigen Werte ein. Lediglich im Erdgasbetrieb mit Luftvorwärmung auf 150 °C ergab sich ein NO X -Wert, der mit 118 mg/m 3 oberhalb des Grenzwertes lag. Weitere Versuche zeigten je- 42 BWK Bd. 67 (2015) Nr. 6

EnergieForum 140 Diagramm 1: Brennstoffleistung Bild 3 Brennstoffleistung. 120 100 doch, dass der Grenzwert mit abgesenkter Lufttemperatur sicher unterschritten werden konnte. 80 MWth 60 40 20 0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 Minuten Diagramm 2: Heißdampfdruck und -temperatur 140 135 130 bar 125 120 115 HD-Druck HD-Temperatur 110 105 100 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 Minuten Bild 4 Heißdampfdruck und -temperatur. Diagramm 3: Dampfleistung 180 170 160 150 t/h 140 130 120 110 100 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 Minuten Bild 5 Dampfleistung. 560 555 550 545 °C 540 535 530 525 520 515 510 Erdgas Hüttengas Summe Gas Dampfleistung Übergangsverhalten Eine wichtige Anforderung an Anlagen, die für mehrere Brennstoffe konzipiert sind, besteht im Übergangsverhalten der Anlage beim Brennstoffwechsel. Dies gilt insbesondere, wenn diese Brennstoffe sich im Brennverhalten und im Heizwert so stark unterscheiden, wie Hüttengas und Erdgas. Während der heißen Inbetriebsetzung der Kesselanlage wurde ein erheblicher Zeitaufwand eingesetzt, dieses Übergangsverhalten zu optimieren. Die Bilder 3 bis 5 zeigen, wie nach schrittweiser Veränderung der Brennereinstellungen schließlich eine Betriebsweise gefunden werden konnte, die ein flüssiges und unterbrechungsfreies Umschalten ermöglicht. Bild 3 zeigt einen Brennstoffwechselvorgang von reinem Hüttengasbetrieb auf reinen Erdgasbetrieb und wieder zurück in etwa 30 Minuten. Die Messungen zeigen, dass die Heißdampftemperatur in einem engen Schwankungsbereich zwischen 528 und 536 °C gehalten werden kann. Der Dampfdruck bleibt während des gesamten Wechselvorgangs konstant auf seinem Solldruck (Bild 4). Die Heißdampfmenge bewegt sich – von 146 t/h ausgehend – zwischen 136 und 160 t/h, was für das nachgelagerte Wasser-Dampfsystem und die Dampfturbine als unproblematisch anzusehen ist (Bild 5). Die eingesetzte Anlagentechnik erwies sich in den ersten Betriebsmonaten als zuverlässig. Probleme gab es lediglich mit der Dichtigkeit des Gasvorwärmers. Dieser ist so konzipiert, dass die Wärmeaustauscherheizfläche während eines Anlagenstillstandes ausgebaut und durch eine Reserveheizfläche ersetzt werden kann. Dieser Austauschvorgang ist in acht Stunden zu vollziehen. Es zeigte sich, dass die hierfür erforderlichen Flanschdichtungen nur begrenzt haltbar sind und nach zwei bis drei Monaten ersetzt werden müssen. Eine dauerhafte konstruktive Lösung ist in Vorbereitung und wird beim nächsten geplanten Anlagenstillstand installiert. Mit einer sehr hohen Verfügbarkeit bereits in den ersten zehn Betriebsmonaten hat die Anlage die an die Versorgungssicherheit gestellten Anforderungen bisher im vollen Umfang erfüllt. BWK Bd. 67 (2015) Nr. 6

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