DE102009006319B3 - Corrosion potential determining method for e.g. coal in fossil-fueled power station, involves analyzing measured process parameters and filling probe, and timely-resolved evaluating corrosion potential of fuel based on analysis - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brennstoff-Korrosionsdiagnose sowie die Verwendung von Belagssonden bei der Brennstoff-Korrosionsdiagnose.The The present invention relates to a method for fuel corrosion diagnosis and the use of pad probes in fuel corrosion diagnostics.
Die Strom- und Wärmeerzeugung durch Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Gas und Kohle in Kraftwerken wird seit langem betrieben und ist derzeit trotz des Wissens um die begrenzten Ressourcen nicht zu ersetzen.The Electricity and heat generation by burning fossil fuels such as gas and coal in power plants has been operating for a long time and is currently in spite of the knowledge about not replace the limited resources.
Bedingt durch dieses Wissen sind bei der Suche nach alternativen Energiequellen in den letzten Jahren zunehmend Wind- und Solarenergie ebenso wie andere alternative Energieträger in den Blickpunkt des Interesses gerückt. Zu diesen alternativen Energieträgern gehören zum einen Biomasse, die entweder getrocknet und direkt verbrannt oder aber zu Biogas umgesetzt werden kann, das seinerseits als Brennstoff dient. Zum anderen fällt in unserer Gesellschaft immer mehr Müll an, der ebenfalls als energetisch hochwertiger Ersatzbrennstoff genutzt werden kann, was bereits in den zahlreichen im Betrieb befindlichen Müllverbrennungsanlagen geschieht.conditioned through this knowledge are in the search for alternative sources of energy In recent years, increasingly wind and solar energy as well other alternative sources of energy moved into the spotlight of interest. To these alternatives fuels belong on the one hand biomass, which is either dried and burned directly or can be converted into biogas, which in turn serves as a fuel serves. For another thing More and more garbage in our society, also as energetic high-quality substitute fuel can be used, which is already in the numerous waste incineration plants in operation happens.
Als ”Ersatzbrennstoff” oder kurz ”EBS” wird dabei allgemein ein für die energetische Verwertung aufbereiteter und ofenfertiger, qualitätsüberwachter Brennstoff aus Abfällen bezeichnet. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Ersatzbrennstoffen, die aus flüssigen Abfällen wie Altöl oder Lösemittel hergestellt werden und denen aus festen Abfällen, die in der Regel aus stofflich nicht verwertbaren Kunststoffen, Papier, Textilien, Verbundverpackungen oder ähnlichem gezielt aufbereitet werden.As a "substitute fuel" or short "EBS" is doing generally a for the energy recovery of processed and ready-to-use, quality-monitored fuel from waste designated. Basically different one between substitute fuels made from liquid waste such as waste oil or solvents and those made from solid waste, which are usually made non-recyclable plastics, paper, textiles, composite packaging or similar be prepared specifically.
Während Verbrennungskraftwerke somit keine neuen Entwicklungen sind und viele mit Ihnen verbundenen technischen und ökologischen Probleme bereits gelöst worden sind, wie Rauchgasreinigung, Entschwefelung, etc., wird die Substitution von fossilen Brennstoffen durch CO2-neutrale Brennstoffe für die Anlagenbetreiber immer interessanter. Hier sind mit der Einführung der oben genannten neuen Brennstoffe aber auch neue Probleme aufgetreten.Thus, while incinerators are not new developments and many of the technical and environmental issues associated with them have already been addressed, such as flue gas cleaning, desulphurisation, etc., the substitution of fossil fuels with CO 2 -neutral fuels is becoming increasingly interesting for plant operators. However, there have been new problems with the introduction of the above-mentioned new fuels.
Aus ökologischer, aber auch aus ökonomischer Sicht ist es zwingend erforderlich, dass Kraftwerke eine hohe Energieeffizienz aufweisen, um die begrenzt verfügbaren Brennstoffe optimal zu nutzen.From ecological, but also for economic reasons Point of view, it is imperative that power plants have a high energy efficiency exhibit the limited available To use fuels optimally.
Dem steht das Problem gegenüber, dass in Verbrennungskraftwerken die Bauteile, die direkt mit dem Brennstoff oder den Abgasen in Berührung kommen, naturgemäß einer erhöhten Korrosion unterliegen, da diese Materialien den z. T. korrosiven Verbrennungsprodukten bei hohen Temperaturen und extremen Bedingungen ausgesetzt sind.the faces the problem that in combustion power plants the components that are directly connected to the Fuel or the exhaust gases come into contact, of course, a increased Corrosion are subject, since these materials the z. T. corrosive Combustion products at high temperatures and extreme conditions are exposed.
Durch verstärkte Belagsbildung auf den Wärmetauscherflächen und durch die daraus resultierende Korrosion an Dampferzeugerrohren wird die Effizienz der Anlagen verringert, da der Wärmedurchgangskoeffizient dieser Materialien deutlich geringer ist als jener der ursprünglich verwendeten Metalle und Legierungen. Die Dynamik der Korrosion erreicht dabei Größenordungen von bis zu 1,0 mm/1 000 h, was regelmäßige Wartung der Anlagen erfordert, die Reisezeiten der Anlagen verkürzt und die Wirtschaftlichkeit der Anlagen deutlich herabsetzt.By increased Deposit formation on the heat exchanger surfaces and by the resulting corrosion on steam generator tubes the efficiency of the plants is reduced because of the heat transfer coefficient of these materials is significantly lower than that of the original used Metals and alloys. The dynamics of corrosion thereby achieved orders of magnitude up to 1.0 mm / 1 000 h, which requires regular maintenance of the equipment, the travel times of the facilities are shortened and significantly reduces the cost-effectiveness of the systems.
Die Korrosionsverminderung, oder im Idealfall Verhinderung, ist somit eine zentrale Aufgabe bei Planung und Betrieb eines Verbrennungskraftwerkes und kann sowohl durch die Verwendung von Schutzschichten aus resistenteren Werkstoffen, wie z. B. auftragsgeschweißten oder thermisch gespritzten Nickelbasislegierungen oder keramischen Werkstoffen erfolgen, als auch durch eine vorausschauende Instandhaltung.The Corrosion reduction, or ideally prevention, is thus a central task in the planning and operation of a combustion power plant and can be made more resistant both by the use of protective layers Materials such. B. job-welded or thermally sprayed Nickel-based alloys or ceramic materials are made as also through predictive maintenance.
Um das in einer Anlage herrschende Korrosionspotential abzuschätzen, haben sich in der Vergangenheit einige empirische Zusammenhänge als in der Regel zutreffend herausgebildet, die aber auch z. T. einer Effizienzsteigerung entgegenstehen. Demnach erhöht sich die Korrosion,
- • wenn die Druckstufe deutlich über 40 bar gewählt wird,
- • wenn die Endüberhitzung des Frischdampfes deutlich über 400°C gewählt wird,
- • wenn der Brennstoff hohe Frachten an chlorhaltigen Stoffen und/oder geringe Frachten an schwefelhaltigen Stoffen aufweist,
- • wenn die Brennstoffmerkmale – Chemie, Feuchte, Heizwert – stark schwanken.
- • if the pressure level is chosen well above 40 bar,
- • if the final superheat of the live steam is clearly above 400 ° C,
- • if the fuel has high loads of substances containing chlorine and / or low loads of substances containing sulfur,
- • if the fuel characteristics - chemistry, humidity, calorific value - fluctuate greatly.
Ein wesentliches Element der Korrosionsverminderung ist daher auch die Bewertung der Brennstoffe an sich, wodurch geeignete Maßnahmen zum Korrosionsschutz getroffen werden können.One An essential element of corrosion reduction is therefore also the Assessment of the fuels themselves, taking appropriate measures can be taken for corrosion protection.
Während die Bewertung herkömmlicher fossiler Brennstoffe bekannt ist, so dass die Korrosion der Anlagen im Betrieb durch geeignete Maßnahmen minimiert und auf Erfahrungswerte hinsichtlich möglicher Reisezeiten, Befeuerungsbedingungen und dergleichen zurückgegriffen werden kann, weisen Biomas se-Brennstoffe und Ersatzbrennstoffe andere Charakteristika auf und sind hinsichtlich der Verschmutzung und Korrosion als ”schwierige Brennstoffe” einzuschätzen. Dies ist umso mehr der Fall, als die Brennstoffqualität von Biomasse und EBS starken Chargenschwankungen unterworfen sein kann.While the Evaluation of conventional fossil fuels is known, so that the corrosion of the equipment minimized during operation by suitable measures and on experience with regard to possible travel times, firing conditions and the like resorted to Biomas se fuels and substitute fuels have different characteristics in terms of pollution and corrosion as "difficult To estimate fuels. This is all the more so than the fuel quality of biomass and EBS strong Batch fluctuations may be subject.
Die von den Anlagenbetreibern angestrebte Substitution der fossilen Brennstoffe durch Biomasse und EBS ist somit nicht ohne Weiteres möglich.The target of the plant operators Substitution of fossil fuels by biomass and EBS is therefore not readily possible.
Die Bewertung der einzusetzenden Brennstoffe im Hinblick auf das Belagsbildungs- und Korrosionspotential – vor dem Einsatz – in der jeweiligen Verbrennungsanlage stellt eine wichtige Voraussetzung für Anlagenplaner dar, bei der Planung von Neuanlagen, aber auch für Anlagenbetreiber, welche fossile Brennstoffe durch Biomasse-Brennstoffe und/oder EBS substituieren wollen.The Evaluation of the fuels to be used with regard to the formation of deposits and corrosion potential - before the use - in the respective incinerator is an important prerequisite for plant designers in the planning of new plants, but also for plant operators, which fossil Substitute fuels with biomass fuels and / or EBS want.
Es ist notwendig, Korrosionsrisiken im Vorfeld einzugrenzen und abzuschätzen, da durch die Vermeidung/Verminderung von Korrosionen eine Erhöhung der Energieeffizienz und der Anlagenverfügbarkeit erreicht werden kann.It is necessary to limit corrosion risks in advance and estimate since by the avoidance / reduction of corrosion an increase of Energy efficiency and plant availability can be achieved.
Die Bestimmung des Korrosionspotentials in Verbrennungsanlagen erfolgt derzeit durch die Ermittlung verschiedener Parameter vor, während und nach dem Einsatz des Brennstoffes in der jeweiligen Anlage.The Determination of the corrosion potential in incinerators currently by identifying various parameters before, during and after the use of fuel in the respective plant.
Man unterscheidet dabei die
- • Diagnose am Brennstoff,
- • Diagnose im Betrieb und
- • Diagnose durch Begutachtung bei Stillständen.
- • diagnosis of fuel,
- • Diagnosis during operation and
- • Diagnosis by inspection at standstill.
Bereits vor dem Einsatz des Brennstoffs besteht die Möglichkeit einer Analyse der brennstofftechnischen Eigenschaften der Betriebsstoffe, wobei neben physikalischen und chemischen auch die kalorischen und reaktionstechnischen Eigenschaften erfasst werden.Already before the use of the fuel there is the possibility of an analysis of the fuel-technical properties of the operating materials, in addition to physical and chemical also the caloric and reactionary Properties are recorded.
Die brennstofftechnischen Eigenschaften umfassen somit sowohl die Bestimmung des brennbaren/nicht brennbaren Anteils der Brennstoffe, des Gehalts an flüchtigen Bestandteilen und eine Elementar- und Spurenanalyse, als auch die Bestimmung kinetischer Daten, z. B. zur Freisetzung der flüchtigen Bestandteile, des Zünd- und des Ausbrandverhaltens.The Fuel-technical properties thus include both the determination combustible / non-combustible part of fuels, content on fleeting Components and an elementary and trace analysis, as well as the Determination of kinetic data, eg. B. to release the volatile Components of the ignition and burnout behavior.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass das Zünd- und Ausbrandverhalten neben den eigentlichen kinetischen Daten von einer Reihe von Parametern wie dem Anteil der flüchtigen Bestandteile, der Korngrößenverteilung, der Wärmeleitfähigkeit und anderen Feuerungsparametern abhängig ist.in this connection is taken into account, that the ignition and burnout behavior in addition to the actual kinetic data of a number of parameters such as the content of volatile constituents, the particle size distribution, the thermal conductivity and other firing parameters.
So wurde bei Untersuchungen zum Ascheschmelzverhalten von Mischungen aus Braunkohle und Ersatzbrennstoffen festgestellt, dass die Temperaturdifferenz tendenziell vom Erweichungspunkt bis hin zum Fließpunkt von Braunkohle über die Mischungen mit EBS bis hin zum einzelnen EBS immer geringer wird, jedoch nicht wie erwartet proportional zueinander. Die Halbkugeltemperatur der Mischungen kann beispielsweise durchaus auch größere Werte annehmen als die der beiden Ausgangsbrennstoffe. Auch zum Belagsbildungs- und Korrosionspotential sind zuverlässige Aussagen allein über das S/Cl-Verhältnis nicht möglich, da wie bei den Versuchen zum Ascheschmelzverhalten von Mischungen, wo eine einfache Mischungsrechnung der Ascheschmelzpunkte nicht möglich ist, auch hier die Brennstoffchemie und die Prozessbedingungen zur Freisetzung des Chlors eine entscheidende Rolle spielen.So was used in investigations on the ash melting behavior of mixtures from lignite and substitute fuels found that the temperature difference tends to be from the softening point to the pour point of Brown coal over the blends with EBS down to the individual EBS ever smaller but not proportional to each other as expected. The hemisphere temperature For example, the mixtures can also have larger values assume as the two starting fuels. Also for the formation of and corrosion potential are not reliable predictions about the S / Cl ratio alone possible, as in the ash melting behavior tests of mixtures, where a simple mixture calculation of ash melting points is not possible, too here the fuel chemistry and the process conditions for release of chlorine play a crucial role.
Nachteilig ist somit, dass sich das Korrosionspotential des Brennstoffs nicht durch eine Größe allein, z. B. durch den Chlorgehalt, ausdrücken lässt, sondern als Summenparameter zu verstehen ist, der über die brennstofftechnischen Eigenschaften hinausgeht und auch durch die prozesstechnischen Gegebenheiten beeinflusst wird.adversely is thus that the corrosion potential of the fuel is not by one size alone, z. B. by the chlorine content, express, but as a sum parameter to understand that over the fuel-technical properties goes out and also by the process engineering conditions are influenced.
Auch während des Betriebs können weitere Parameter, die das Korrosionspotential des Brennstoffs beeinflussen, bestimmt werden, wobei z. B. Temperatur, Wärmefluss, Asche-Salz-Proportion (ASP) und Belagsbildung mit einem Belagsmonitor oder einer Belagssonde gemessen werden. Die Schwierigkeit dieser Messungen besteht zum einen in der schlechten Zugänglichkeit der Messstellen im Verbrennungsraum und der online Auswertung der Messparameter.Also while of the operation other parameters that influence the corrosion potential of the fuel, be determined, where z. B. Temperature, Heat Flow, Ash-Salt Proportion (ASP) and deposit formation with a pad monitor or a pad probe be measured. The difficulty of these measurements is to one in poor accessibility the measuring points in the combustion chamber and the online evaluation of the measuring parameters.
Darüber hinaus können diese Messungen erst nach der Verbrennung zur Bestimmung des Korrosionspotentials des Brennstoffs herangezogen werden, so dass vorbeugende, korrosionsverhindernde oder korrosionsmindernde Maßnahmen nicht oder nur mit zeitlicher Verzögerung angewandt werden können.Furthermore can These measurements only after combustion to determine the corrosion potential of the fuel are used, so that preventive, corrosion-preventing or corrosion-reducing measures can not be applied or only with a time delay.
Die dritte Möglichkeit zur Bestimmung des Korrosionspotentials eines Brennstoffs ist zugleich die einfachste, aber auch in ihrer Aussage genaueste Möglichkeit, das Belagsbildungs- und Korrosionspotential zu bewerten. Es ist die Begehung und Beprobung der Anlage während der Stillstandzeiten. Allerdings können bei dieser Art der Datenermittlung lediglich Rückschlüsse durch bereits eingetretene Schäden an Anlagenteilen wie Verdampfern und Wärmetauschern gezogen werden. Eine frühzeitige Erkennung von negativen Einflüssen auf die Anlage oder die Eignung des Brennstoffes für die jeweilige Anlage ist mit Hilfe dieser Methode nicht bzw. nur nach bereits gesammelten positiven oder negativen Erfahrungen mit dem Brennstoff möglich.The third possibility for determining the corrosion potential of a fuel is also the the simplest but also the most accurate way of to evaluate the formation and corrosion potential. It is Inspection and sampling of the plant during downtime. However, you can in this type of data acquisition only conclusions about already occurred damage to parts of the system like evaporators and heat exchangers to be pulled. Early detection from negative influences to the plant or the suitability of the fuel for the respective plant is with the help of this method not or only after already collected positive or negative experiences with the fuel possible.
Ferner können bei Beschickung der Anlage mit unterschiedlichen Brennstoffen nur schwer Rückschlüsse auf das Korrosionspotential einzelner Brennstoffe gezogen werden.Further can when feeding the plant with different fuels only hard conclusions on the corrosion potential of individual fuels are drawn.
Zusammenfassend können zwar einzelne Eigenschaften eines neuen Brennstoffs, die das Korrosionspotential beeinflussen, im Vorfeld bestimmt werden, die Ermittlung eines tatsächlichen Korrosionspotentials im Einsatz ist hingegen mit den derzeit zur Verfügung stehenden Methoden nicht möglich.In summary can Although individual properties of a new fuel, the corrosion potential influence, be determined in advance, the determination of an actual Corrosion potential in use, however, is currently with the disposal standing methods are not possible.
Es besteht daher ein Bedarf für eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Werkzeuge zur Gewichtung von Risiken der Verschmutzung und Korrosion, um auch schwierige Brennstoffe mit möglichst hoher Energieeffizienz bei Verstromung einsetzen zu können, ohne gesetzliche Schwellen zur Emission oder zur Förderung alternativer Energien zu überschreiten, wobei nicht zuletzt möglichst lange Reisezeiten der Anlagen im Vordergrund stehen.It There is therefore a need for a continuous development of the tools for weighting from risks of pollution and corrosion to difficult too Fuels with the highest possible To use energy efficiency in electricity generation without legal thresholds for issue or promotion to exceed alternative energies, not least as possible long travel times of the plants are in the foreground.
In
der
- – Beschicken einer Versuchsvorrichtung mit einer Probe des Brennstoffs (Einsprühen über Düse in Vergaser/Verdampferrohr);
- – Vermischen des eingesprühten Brennstoffs mit einem Reaktionsgas (Frischluft vermittels Ventilator);
- – Entzünden des Brennstoffs (Zündelektroden);
- – Bereitstellen einer Prüffläche im Brenn-/Abgasweg der Versuchsvorrichtung, wobei ein Plasma im Bereich der Prüffläche entsteht und die Temperaturen des Brennstoffs und der Prüffläche gemessen werden;
- – Analyse der gemessenen Verfahrensparameter und der Prüffläche; und
- – Bewertung des Korrosionspotentials anhand der Messwerte;
- – wobei ferner eine Prüffläche verwendet wird, die metallen ist und aus einem für den Brennerbau geeigneten Material besteht.
- - Loading a test device with a sample of the fuel (spraying through nozzle in carburetor / evaporator tube);
- - Mixing the sprayed fuel with a reaction gas (fresh air by means of a fan);
- - ignition of the fuel (ignition electrodes);
- - Providing a test area in the combustion / exhaust path of the experimental device, wherein a plasma is formed in the test area and the temperatures of the fuel and the test area are measured;
- - analysis of the measured process parameters and the test area; and
- - evaluation of the corrosion potential on the basis of the measured values;
- - In addition, a test area is used, which is metal and consists of a suitable material for burner construction.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bestimmung des Korrosionspotentials von Brennstoffen sowie die Verwendung von Belagssonden in diesem Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, detailliert den Verbrennungsvorgang und das Abgas sowie die sich gleichzeitig bildenden Beläge in Abhängigkeit vom jeweiligen Brennstoff zu untersuchen und mittels der Meßdaten der Belagssonde dessen Korrosionspotential zu ermitteln, bevor dieser Brennstoff in einer Anlage verfeuert wird.The Object of the present invention is therefore to provide a method for Determination of the corrosion potential of fuels and the use of pad probes in this method, which makes it possible to detailed the combustion process and the exhaust as well as the simultaneously forming coverings dependent on to examine the respective fuel and by means of the measured data of the Coating probe to determine its corrosion potential before this Fuel is burned in a plant.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausführungsformen, sowie die Verwendung einer Belagssonde nach Anspruch 11.The Task is solved by the method according to claim 1 and those described in the dependent claims Embodiments, and the use of a lining probe according to claim 11.
Bei kontinuierlich betriebenen Rostsystemen mit bewegtem Rost, wie sie üblicherweise großtechnisch in Verbrennungskraftwerken eingesetzt werden, laufen die Teilschritte Trocknung, Entgasung und Vergasung des Brennstoffs sowie Restausbrand des Feststoffes entlang des Reaktionsweges (Rostlänge) nahezu gleichzeitig ab.at continuously operated grate systems with moving grate, as they usually do industrially used in combustion power plants, run the substeps Drying, degassing and gasification of the fuel and residual burnout of the fuel Solid along the reaction path (rust length) almost simultaneously.
Bei diesen Rostsystemen können insbesondere die Sauerstoffkonzentration, die Temperatur und die Verweilzeit unabhängig voneinander entlang des Reaktionsweges gesteuert werden. Grundlegende Untersuchungen an einem kontinuierlichen Rostsystem sind jedoch aufgrund der hohen Versuchsdauer sehr aufwendig und nicht praktikabel.at These rust systems can in particular the oxygen concentration, the temperature and the Residence time independently be controlled from each other along the reaction path. Basic However, studies on a continuous grate system are due to the high duration of the experiment very expensive and not practical.
Demgegenüber ist der Versuchsreaktor eine Anlage, die für stückige und körnige Brennstoffe geeignet ist und die den realen Betrieb im Modellmaßstab simulieren soll. In seiner einfachsten Form ist der Versuchsreaktor beispielsweise ein Batch-Reaktor, dem der Brennstoff diskontinuierlich zugegeben wird und die einzelnen Prozessteilschritte dabei zeitlich hintereinander in einem instationären Betrieb ablaufen.In contrast, is the experimental reactor is a facility suitable for particulate and granular fuels is and is to simulate real operation on a model scale. In its the simplest form is the experimental reactor, for example a batch reactor, the fuel is added discontinuously and the individual Process steps during this time in a row in a transient operation expire.
Gasförmige, flüssige und staubförmige Brennstoffe können selbstverständlich ebenfalls in Modell- oder Versuchsbrennkammern verbrannt und ihr Korrorionspotential ermittelt werden.Gaseous, liquid and dusty fuels can Of course also burned in model or experimental burning chambers and her Corruption potential can be determined.
Trotz der unterschiedlichen Reaktionsbedingungen und Verfahrensparameter in realen Reaktoren und Versuchsreaktoren, die sich allein aufgrund der unterschiedlichen Größendimensionierung ergeben, wurde überraschenderweise gefunden, dass Untersuchungen zum Korrosionspotential von Brennstoffen in Versuchsreaktoren durchgeführt und die Ergebnisse anschließend auf kontinuierlich betriebene Reaktortypen übertragen werden können.In spite of the different reaction conditions and process parameters in real reactors and experimental reactors arising solely on the basis of different size sizing surrendered, surprisingly found that investigations on the corrosion potential of fuels carried out in experimental reactors and the results afterwards can be transferred to continuously operated reactor types.
Hierdurch wird ermöglicht, das Korrosionspotential eines Brennstoffs unter Berücksichtigung der oben diskutierten komplexen Zusammenhänge vor seiner großtechnischen Verwendung zur Energieerzeugung zu ermitteln, so dass geeignete Maßnahmen zur Verhinderung oder Minderung von Korrosionsschäden der Verbrennungsanlage getroffen werden können. Diese Maßnahmen können beispielsweise die Eindüsung von Hilfsstoffen, die Zugabe von Additiven oder auch die Zugabe von Anfahrbrennstoffen umfassen.hereby is enabled the corrosion potential of a fuel taking into account the discussed above complex relationships before his large-scale Use to determine energy production, so that appropriate activities to prevent or reduce corrosion damage Incinerator can be taken. These measures can for example, the injection of excipients, the addition of additives or even the addition of starting fuels.
Durch den Einsatz eines chargenbetriebenen Versuchsrostes kann somit der Versuchsaufwand zur Bestimmung des Korrosionspotentials deutlich verringert werden, wobei das erfindungsgemäße Verfahren somit die Schritte umfaßt:
- – Beschicken eines Versuchsreaktors mit einer Probe des Brennstoffs;
- – Durchströmen der Brennstoffschüttung von unten mit einem Reaktionsgas;
- – Entzünden des Brennstoffs;
- – Einbringen mindestens einer Belagssonde in den Abgasweg des Reaktors;
- – Analyse der gemessenen Verfahrensparameter und der Belagssonde
- – zeitaufgelöste Bewertung des Korrosionspotentials
- - loading a pilot reactor with a sample of the fuel;
- - Flowing through the fuel bed from below with a reaction gas;
- - igniting the fuel;
- - introducing at least one lining probe in the exhaust path of the reactor;
- - Analysis of the measured process parameters and the pad probe
- - Time-resolved evaluation of the corrosion potential
Anstatt eines Rostreaktors können selbstverständlich auch andere geeignete Reaktortypen wie Zündofen, Fallrohr- und Verschlackungsreaktor verwendet werden, wobei die Reaktionsgas- und Luftzufuhr sowie der Brennstoffeintrag an den Reaktortyp angepasst werden. So können für gasförmige, flüssige und auch staubförmig feste Brennstoffe Brennkammersysteme, für körnig-feste Brennstoffe Wirbelschichtsys teme und für pastöse Brennstoffe Drehrohrsysteme verwendet werden.Instead of a rust reactor can Of course Other suitable types of reactor such as ignition furnace, downpipe and slagging reactor be used, the reaction gas and air supply and the Fuel input to be adapted to the reactor type. So can for gaseous, liquid and also dusty solid fuels Combustor systems, for granular-solid fuels Fluidized bed systems and for pasty Fuels rotary kiln systems are used.
Als Reaktionsgas wird das Gas bezeichnet, welches dem Prozess zugeführt wird, wobei bei Verbrennungsreaktionen das Reaktionsgas in der Regel Luft ist. In Abhängigkeit der Reaktionsbedingungen und der gewünschten Reaktion können aber als Reaktionsgas auch Sauerstoff oder Sauerstoff/Kohlendioxid-Gemische, beispielsweise beim Oxyfuel-Prozess, oder für Vergasungsreaktionen nur Wasserdampf oder Kohlendioxid zugeführt werden.When Reaction gas is the gas which is fed to the process, wherein in combustion reactions, the reaction gas usually air is. Dependent on However, the reaction conditions and the desired reaction can as reaction gas also oxygen or oxygen / carbon dioxide mixtures, for example, in the oxyfuel process, or for gasification reactions only Steam or carbon dioxide are supplied.
Das Zünden des Brennstoffes erfolgt vorzugsweise durch Zufuhr thermischer Energie über die Reaktorwände. Besonders bevorzugt sind die Reaktorwände schon vor dem Eintrag des Brennstoffs vorgeheizt, so dass die Reaktionsbedingungen einem kontinuierlich arbeitendem Reaktor ähnlicher werden und der für die Messungen zur Verfügung stehende Zeitraum ausgedehnt wird, da Totzeiten, die dadurch entstehen, dass der Reaktor erst die Betriebstemperatur erreichen muss, minimiert werden.The Ignite of the fuel is preferably carried out by supplying thermal energy over the Reactor walls. Particularly preferably, the reactor walls are already in front of the entry of Fuel preheated, so that the reaction conditions a continuous become more similar to the working reactor and the for the measurements available Period is extended because dead times that arise because of the reactor must first reach the operating temperature minimized become.
Gerade bei kleinen Versuchsreaktoren mit geringer Brennstoffmenge bestünde sonst die Gefahr von stark fehlerbehafteten Messungen, da während des gesamten Messvorgangs die notwendige Reaktor- und Abgastemperatur nicht erreicht wird. Gerade die für das Korrosionspotential wichtigen Salze und Salzablagerungen würden in einem solchen Fall nicht erfasst, da die Temperaturen für ihre Sublimation nicht erreicht werden.Just Otherwise, in small pilot reactors with a small amount of fuel the risk of highly erroneous measurements since during the entire measurement process the necessary reactor and exhaust gas temperature is not achieved. Especially important for the corrosion potential Salts and salt deposits would in such a case not recorded, as the temperatures for their sublimation can not be reached.
Bei der Verbrennung im Versuchsreaktor wird an mindestens einer Stelle im Feuerraum eine Belagssonde für einen Zeit raum von 1 s bis 300 s, vorzugsweise von 3 s bis 45 s, eingebracht.at The combustion in the experimental reactor is at least one place in the furnace a lining probe for a period of from 1 second to 300 seconds, preferably from 3 seconds to 45 seconds, brought in.
Um das Korrosionspotential des Abgasstroms im gesamten Reaktor und gegebenenfalls im Kamin bestimmen zu können, werden Belagssonden vorzugsweise an mindestens drei unterschiedlichen Messpunkten, weiter bevorzugt an mindestens vier Messpunkten, und besonders bevorzugt an mindestens fünf Messpunkten, eingebracht.Around the corrosion potential of the exhaust stream throughout the reactor and If necessary, to determine in the fireplace, pad probes are preferably at least three different measuring points, more preferred at least four measuring points, and more preferably at least five measuring points, brought in.
Ferner können über den zeitlichen Ablauf der Verbrennung mehrere Messungen vorgenommen werden, um auch die Veränderungen des Korrosionspotentials bei fortschreitendem Abbrand des Brennstoffs analysieren zu können. Vorzugsweise erfolgen mindestens zwei Messungen in regelmäßigen zeitlichen Abständen über den Verlauf der Verbrennung. Um Messfehler noch weiter auszuschließen, werden bevorzugt zu jedem Messzeitpunkt an jedem Messpunkt zwei bis fünf Einzelmessungen durchgeführt. Diese Vorgehensweise ist vorteilhaft, da bei der vorliegenden offline-Messung die Belegung der Sonden nicht sofort erkannt werden kann und der Ausfall einer einzelnen Messung durch mangelhafte Belegung einen erheblichen Fehler verursachen würde.Further can over the timing of combustion several measurements are made also about the changes the corrosion potential as fuel burns to be able to analyze. Preferably, at least two measurements take place in regular time Distances over the Course of the combustion. To further eliminate measurement errors, be prefers two to five individual measurements at each measurement point at each measurement point carried out. This approach is advantageous because in the present offline measurement the assignment of the probes can not be recognized immediately and the Failure of a single measurement due to poor occupancy would cause significant errors.
Durch diese Art der Messung kann der Brennstoff bezüglich seines Korrorionspotentials sowohl örtlich als auch zeitlich aufgelöst bewertet werden.By this type of measurement can be the fuel with respect to its Korrorionspotentials both locally as well as temporally dissolved be rated.
Als Belagssonde kann dabei jedes geeignete und unter den im Reaktor vorliegenden Bedingungen inerte Material verwendet werden, wobei das Material so gewählt wird, dass dieses die spätere Analytik nicht beeinflusst.When Paddle probe can be any suitable and below those in the reactor existing conditions inert material can be used, wherein the material is chosen that will be the later Analytics not influenced.
Als besonders bevorzugt haben sich Metalldrahtgeflechte als Belagssonde erwiesen, wobei sicherzustellen ist, dass die Sonden nicht aufgrund von Aufladung oder anderen Effekten die Teilchen anziehen, sondern sich lediglich diejenigen Teilchen auf der Sonde ablagern, deren Flugbahn die Sonde trifft. Der Durchmesser des Drahtes, der das Gewebe der Sonde bildet, liegt vorzugsweise zwischen 5 μm und 50 μm, weiter bevorzugt zwischen 10 μm und 40 μm, und besonders bevorzugt zwischen 20 μm und 30 μm.When Metal wire meshes have particularly preferably been used as a cover probe It has to be made sure that the probes are not due to of charge or other effects attract the particles, but Only those particles deposit on the probe whose Trajectory hits the probe. The diameter of the wire that the Tissue of the probe forms, preferably between 5 microns and 50 microns, on preferably between 10 microns and 40 μm, and more preferably between 20 microns and 30 μm.
Der Vorteil dieser Belagssonden zur Bestimmung der sich ablagernden korrosiven Bestandteile besteht darin, dass diese Sonden leicht dimensioniert werden können und eine aufwendige Konservierung der einzelnen Proben nicht erforderlich ist.Of the Advantage of this pad probes for determining the depositing corrosive ingredients is that these probes easily can be dimensioned and a complex preservation of the individual samples is not required is.
Neben der Identifizierung korrosiver Beläge mittels der Belagssonden werden vorteilhafterweise während des Versuches auch die Temperaturen und der Druck an verschiedenen Messpunkten des Feuerraumes und/oder des Kamins gemessen, wobei vorzugsweise die Temperaturmesspunkte räumlich mit denen der Belagssonde korrelieren. Darüber hinaus können Wärmefluss und andere reaktorspezifische Parameter mit den dem Fachmann bekannten Methoden bestimmt werden.Next the identification of corrosive deposits by means of the pad probes are advantageously during try also the temperatures and the pressure at different Measuring points of the furnace and / or the fireplace measured, preferably spatially with the temperature measuring points those of the lining probe correlate. In addition, heat flow can and other reactor specific parameters using methods known to those skilled in the art be determined.
Die Analyse der Belagssonden kann mit jedem geeigneten, dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen, vorzugsweise werden die Sonden aber mittels REM-EDX (Rasterelektronenmikroskop-Energy Dispersive X-Ray Analysis) analysiert, wobei im wesentlichen drei Arten von Belägen unterschieden werden:
- a) Klebrige Salzschmelzen, die sich als Schicht auf der Sondenoberfläche ablagern.
- b) Feine feste bzw. verklebte Partikel und gesprosste Kristalle.
- c) gröbere Partikel wie inerte Aschen, z. B. silikatische Schmelzkügelchen oder sonstige Grobpartikel.
- a) Sticky salt melts, which deposit as a layer on the probe surface.
- b) Fine solid or sticky particles and spiked crystals.
- c) coarser particles such as inert ashes, e.g. B. silicate melt pellets or other coarse particles.
Der räumlichen Auflösung der REM-EDX sind keine Grenzen gesetzt, jedoch werden pro Belagssonde bevorzugt 5–50, besonders bevorzugt 8–30, und insbesondere bevorzugt 10–20 Punktanalysen vorgenommen.Of the spatial resolution There are no limits to the REM-EDX, but they are per pad probe preferably 5-50, especially preferred 8-30, and more preferably 10-20 Point analyzes made.
Der Bewertung des Korrosionspotentials liegt die Annahme zugrunde, dass stofflich ursächlich für diesen Parameter Verbindungen des Chlors mitverantwortlich sind, wobei auch Schwermetalle (z. B. Blei, Zink und Kupfer) und Alkalimetalle (Natrium, Kalium), sowie Calcium maßgeblich beteiligt sind. Ferner ist Schwefel aufgrund seiner Wechselwirkungen mit den Chlorverbindungen zu berücksichtigen. Somit eröffnet sich aus stofflicher Sicht ein breites Feld von korrosionsrelevanten Elementen im Brennstoff. Je nach Fracht, wechselseitigen Proportionen und Bindungsarten der Elemente ist der Brennstoff selbst aus korrosionstechnischer Sicht als mehr oder weniger schwierig einzustufen.Of the Evaluation of the corrosion potential is based on the assumption that Substantially causal for this Parameters compounds of chlorine are partly responsible, wherein also heavy metals (eg lead, zinc and copper) and alkali metals (Sodium, potassium), as well as calcium are significantly involved. Further is sulfur due to its interactions with the chlorine compounds to take into account. Thus opened From a material point of view, a broad field of corrosion relevant Elements in the fuel. Depending on the cargo, mutual proportions and bonding modes of the elements is the fuel itself from corrosion technology View as more or less difficult to classify.
Ferner wird angenommen, dass hauptverantwortlich für die Korrosion der Anlagenelemente die aus dem Rauchgas abgeschiedenen Beläge sind. Da durch den Prozessschritt der Feuerung die oben genannten Frachten, Proportionen und Bindungsarten im Brennstoff zu veränderten Frachten, Proportionen und Bindungsarten im Rauchgas übertragen werden, ist der Brennstoff so auch mittelbar für die Beläge und deren Korrosionsvermögen verantwortlich.Further It is assumed that the main responsibility for the corrosion of the system elements From the flue gas deposited deposits are. Because of the process step firing the above freights, proportions and binding types changed in the fuel Freight, proportions and types of bonds are transmitted in the flue gas, the fuel is thus also indirectly responsible for the deposits and their corrosivity.
Umgekehrt lassen sich so aber auch aus den Ablagerungen, die sich auf den Belagssonden aus dem Rauchgas niederschla gen, Rückschlüsse auf das Korrosionspotential des Brennstoffes ziehen.Vice versa But so can the deposits, which are on the Coarse lining probes from the flue gas, conclusions on the corrosion potential fuel.
Ein hoher Anteil von chloridhaltigen Salzschmelzen im Belag der Sonde deutet somit auf ein hohes Korrosionspotential des Brennstoffs hin, während ein geringer Chloranteil oder auch ein hoher Sulfatanteil die Einstufung des Brennstoffs als weniger schwierig hinsichtlich der zu erwartenden Korrosionsschäden erlauben.One high proportion of chloride-containing salt melts in the lining of the probe thus indicates a high corrosion potential of the fuel, while a low chlorine content or a high sulfate content classifies the fuel is less difficult in terms of expected corrosion damage allow.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden zur Beurteilung des so ermittelten Korrosionspotentials auch die durch klassische physikalisch-chemische Analyse erhaltenen Daten berücksichtigt.In a preferred embodiment are also used to assess the corrosion potential thus determined the data obtained by classical physicochemical analysis considered.
In einem letzten Schritt des vorliegenden Verfahrens können aufgrund des so ermittelten Korrosionspotentials prozesstechnische Größen angepasst, der Brennstoff mit Additiven bezuschlagt werden und/oder Brennstoffgemische mit geringerem Korrosionspotential gemischt werden.In A final step of the present process may be due to adapted to the corrosion potential determined in this way the fuel is admixed with additives and / or fuel mixtures be mixed with less corrosion potential.
Im Falle einer hohen Freisetzung korrosiver Belagsstoffe, die erst bei hohen Temperaturen oder bei weit fortgeschrittenem Abbrand auftritt, kann beispielsweise die Temperatur der Anlage angepasst oder die Verweilzeit des Brennstoffs im Reaktor verkürzt werden.in the Case of high release of corrosive coverings, the first occurs at high temperatures or with advanced combustion, For example, you can adjust the temperature of the system or the Residence time of the fuel in the reactor can be shortened.
Das nachfolgende Ausführungsbeispiel soll das vorliegende Verfahren veranschaulichen, nicht aber beschränken.The following embodiment is intended to illustrate but not limit the present process.
Die
- • V1-Wirbelschicht, Diagnose im Betrieb 65%/35% (FWL)-Mischung (Feuerungswärmeleistung-Mischung);
- • V2-Wirbelschicht, Diagnose im Betrieb 75%/25% (FWL)-Mischung; und
- • V3-Versuchsreaktor, Diagnose am Brennstoff 50%/50% (FWL)-Mischung.
- • V1 fluidized bed, diagnosis in operation 65% / 35% (FWL) mixture (combustion heat output mix);
- • V2 fluidized bed, diagnosis in operation 75% / 25% (FWL) mixture; and
- • V3 pilot reactor, diagnostic on fuel 50% / 50% (FWL) mixture.
Zur Bestimmung des Korrosionspotentials eines Brennstoffes wurde dieser in einem Versuchsreaktor wie folgt verbrannt und analysiert.
- • Der Brennstoff wird kalt in den Reaktionsraum gegeben, dessen Wände vorher auf eine Temperatur (800°C bis 900°C) aufgeheizt wurden.
- • Die Brennstoffschüttung wird von unten nach oben von einem Reaktionsgas durchströmt.
- • Die für den Kohlenstoffumsatz notwendige hohe Reaktionstemperatur wird durch Strahlungswärmeübertragung von den Wänden auf den Feststoff und das Gas erreicht.
- • Mit steigender Temperatur nehmen die Reaktionsgeschwindigkeit und der Kohlenstoffumsatz zu.
- • Bei einem ausreichend hohem Umsatzstrom werden die Wände weiter aufgeheizt. In diesem Fall wird Wärme vom Brennstoffbett auf die Feuerraumwände übertragen.
- • Mit zunehmendem Kohlenstoffumsatz nimmt die reaktive Oberfläche des Brennstoffes und damit die Freisetzung der chemischen Energie wieder ab.
- • The fuel is added cold into the reaction chamber, the walls of which were previously heated to a temperature (800 ° C to 900 ° C).
- • The fuel bed is flowed through from bottom to top by a reaction gas.
- • The high reaction temperature required for carbon conversion is achieved by radiant heat transfer from the walls to the solid and gas.
- • As the temperature increases, the reaction rate and carbon turnover increase.
- • If the flow of electricity is sufficiently high, the walls will continue to heat up. In this case, heat is transferred from the fuel bed to the furnace walls.
- • With increasing carbon turnover, the reactive surface of the fuel and thus the release of the chemical energy decreases again.
Der weitere Verlauf der Reaktion ist von der im Bett gespeicherten Energie abhängig. Bei einem Brennstoff mit geringer Speicherfähigkeit (geringer Inertanteil) sinkt die Temperatur der Schüttung infolge der Kühlwirkung des Reaktionsgases schnell ab, so dass die Reaktion bei vergleichsweise hohen Restkohlenstoffgehalten abbricht (”Kaltblasen”).Of the the further course of the reaction is from the energy stored in the bed dependent. For a fuel with low storage capacity (low inert content) the temperature of the bed decreases as a result of the cooling effect of the reaction gas quickly, so that the reaction at comparatively high residual carbon contents stops ("cold bubbles").
Hat der Brennstoff eine große Wärmespeicherfähigkeit (hoher Inertanteil), erfolgt die Abkühlung langsamer. Die nötige Reaktionstemperatur kann länger aufrechterhalten werden, so dass der im Inertbett eingebundene Kohlenstoff weiter umgesetzt werden kann. Der Restkohlenstoffgehalt am Ende sinkt weiter ab.Has the fuel is a big one Heat storage capacity (high inert content), the cooling is slower. The necessary reaction temperature can longer be maintained so that the embedded in the inert bed carbon can be implemented further. The residual carbon content at the end decreases continue down.
Der
Innenraum der Retorte ist nach unten durch den Rost (
Die Spaltengröße und -anzahl des Rosts wird so gewählt, dass einerseits eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit der Primärluft erreicht und andererseits eine gute Verteilung des Reaktionsgases gewährleistet wird.The Column size and number the rust is chosen so that on the one hand reaches a sufficient flow velocity of the primary air and on the other hand ensures a good distribution of the reaction gas becomes.
In Abhängigkeit von den geforderten Versuchsbedingungen kann der Rost vor dem Versuch in der Höhe angepasst werden. Die Temperaturmessung im Brennstoffbett erfolgt mittels vier Thermoelementen. Am Rost selbst befindet sich eine Messstelle zur Messung der Rosttemperatur.In dependence From the required test conditions, the rust before the experiment in height be adjusted. The temperature measurement takes place in the fuel bed by means of four thermocouples. On the grate itself is a Measuring point for measuring the temperature of the grate.
Der
Feuerraum (
Im folgenden wurden Belagssonden isokinetisch im Versuchsreaktor und in einer Wirbelschichtanlage, die dem realen Betrieb eines Verbrennungsreaktors entspricht, beprobt. Dazu wurden Belagssondenmessungen in beiden Anlagen durchgeführt. Die Beprobung erfolgte identisch und bei ähnlichen Temperaturverhältnissen (ca. 300°C), um die Ergebnisse am Versuchsreaktor mit denen der Wirbelschichtanlage vergleichen zu können.in the Subsequently, paddle probes were isokinetic in the experimental reactor and in a fluidized bed plant, the real operation of a combustion reactor corresponds, sampled. In addition, paddle probe measurements were carried out in both Plants performed. The Sampling was identical and at similar temperature conditions (about 300 ° C), to the results on the experimental reactor with those of the fluidized bed plant to be able to compare.
Abhängig von der Entnahmeposition (Messöffnung im Kessel) und der damit gegebenen Abgastemperatur scheidet sich – isokinetisch – die Fracht der physikalisch (fest, flüssig) und stofflich (Silikate, Oxide, Chloride, Sulfate, Hydroxide usw.) unterschiedlichen Partikel des Rohgases ab. Die verschiedenen Partikeltypen (grobe und feine Partikel, besonders korrosionsrelevante Salzschmelzen) formen signifikante Gefügestrukturen auf der Sonde.Depending on the removal position (measuring opening in the boiler) and the given exhaust gas temperature separates - isokinetic - the freight of the physically (solid, liquid) and material (silicates, oxides, chlorides, sulfates, hydroxides, etc.) different particles of the raw gas. The different particle types (coarse and fine particles, especially salt melts relevant to corrosion) form significant microstructures on the probe.
Die mineralogische Bewertung dieser Sedimentationsgefüge und die chemischen Daten aus Punkt- und Kleinflächenmessungen der abgelagerten Partikel führen zu einer differenzierten Zustandsbewertung der am Belagsaufbau teilnehmenden Partikel des Rohgases an der Beprobungsposition.The mineralogical evaluation of these sedimentary structures and the chemical data from point and small area measurements of the deposited Particles lead to a differentiated condition assessment of the participants in the pavement structure Particles of the raw gas at the sampling position.
Die erkennbaren Unterschiede sind zum Teil darin begründet, dass die Belagssondenmessung in dem Versuchsreaktor mit einer Brennstoffmischung von 50% Steinkohle und 50% Holzpellets und in der Wirbelschichtanlage mit einer Brennstoffmischung von 65% Steinkohle und 35% Holzpellets bzw. 75%/25%, jeweils bezogen auf die Feuerungswärmeleistung (FWL), durchgeführt wurden.The discernible differences are partly due to the fact that the paddle probe measurement in the experimental reactor with a fuel mixture of 50% hard coal and 50% wood pellets and in the fluidized bed system with a fuel mixture of 65% hard coal and 35% wood pellets or 75% / 25%, in each case based on the rated thermal input (FWL).
Ausgehend von dem Sedimentationsgefüge wurden die chemischen Daten aus Punkt- und Kleinflächenmessungen der abgelagerten Partikel untersucht.outgoing from the sedimentation structure the chemical data from point and small area measurements of the deposited Particles examined.
Wie
in den
Die chemischen Daten aus Punkt- und Kleinflächenmessungen der abgelagerten Partikel von den Belagssondenmessungen im Versuchsreaktor und in der Wirbelschichtanlage stimmen in der Größenordnung gut überein, so dass das Belagsbildungs- und Korrosionspotential gut korrelieren und mit dem vorliegenden Verfahren Rückschlüsse auf das Korrosionspotential eines Brennstoffs in großtechnischen Anlagen anhand von Vorversuchen im Versuchsreaktor und anschließender Auswertung der Belagsbeprobung gezogen werden können.The chemical data from point and small area measurements of the deposited Particles from the paddle probe measurements in the experimental reactor and in the fluidized bed plant are of the same order of magnitude as well so that the pavement formation and Corrosion potential correlate well and with the present method Conclusions on the Corrosion potential of a fuel in large-scale plants based of preliminary tests in the experimental reactor and subsequent evaluation of the plaque sampling can be pulled.
- 11
- Ventilatorfan
- 22
- Regelung der Luftzufuhrregulation the air supply
- 33
- Messblendenorifice
- 44
- PrimärluftzuführungPrimary air supply
- 55
- SekundärluftzuführungSecondary air supply
- 66
- Retorte mit Rostretort with rust
- 77
- Feuerraumfirebox
- 88th
- Feuerfest- und Isoliermaterialrefractory and insulating material
- 99
- Rostrust
- 1010
- Höhenverstellung Rostbodenheight adjustment A grate
- 1111
- Temperaturmessung im Feststoffbetttemperature measurement in a solid bed
- 1212
- Abgasrohrexhaust pipe
- 1313
- Messstutzen für Temperatur- und Druckmessung sowie Abgasanalytikmeasuring port for temperature and pressure measurement and exhaust gas analysis
- 1414
- Schauglassight glass
- 1515
- Trägerkonstruktionsupport structure
- 1616
- 1. Quenche1. quench
- 1717
- Abgasregelungemission control
- 1818
- 2. QuencheSecond quench
- 1919
- Abgasventilatorexhaust fan
- 2020
- Kaminfireplace
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