DE10257305A1

DE10257305A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überhitzen von Dampf in korrosiver Rauchgasatmosphäre

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Publication number: DE10257305A1
Application number: DE2002157305
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-07
Filing date: 2002-12-07
Publication date: 2004-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überhitzen von Dampf in korrosiver Rauchgasatmosphäre, insbesondere für den Einsatz in Dampfkesselanlagen für die Verbrennung von Hausmüll, Gewerbeabfällen und Sondermüll wie aber auch in Verbrennungsanlagen für Biomassen mit korrosiven Bestandteilen wie Chlor- oder Kalium-Verbindungen. DOLLAR A Um die Hochtemperatur-Überhitzerheizflächen im Bereich hoher Rauchgastemperaturen korrosions- und verschlackungsresistent zu bauen, wird die Überhitzerheizfläche als flacher, glatter Strahlungswandüberhitzer konzipiert und die der Rauchgasseite zugewandte Überhitzerheizfläche mit einem korrosionsresistenten Belag überzogen. DOLLAR A Die Überhitzer-Plattenheizfläche wird mittels Halterungs- und Distanzierungsrohren an einer Siederrohrwand befestigt, wobei die Distanzierungsrohre ein Isolierungselement gegenüber der kälteren Siederohrwand bilden. DOLLAR A Über gestaffelte Bohrungen werden kleinere Spülluftmengen auf 200-300 DEG C vorgewärmt und gleichmäßig über den Plattenüberhitzer korrosionsschützend verteilt.

Description

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).

Claims

Verfahren zum Überhitzen von Dampf in korrosiver Rauchgasatmosphäre, insbesondere in Dampfkesselanlagen für die Verbrennung von Hausmüll, Gewerbeabfällen und Sondermüll sowie in Verbrennungsanlagen für Biomassen, bei welchen die Überhitzerheizflächen oder Teile der Überhitzerheizflächen als glatte, flache Wandüberhitzer konzipiert werden mit dahinterliegenden vorzugsweise aus Rohren bestehenden Halterungen, welche die Überhitzerplatten gegenüber der tragenden Siederohrwand des Dampfkessels gegen Wärmeleitung und Wärmestrahlung isolieren und bei welchem in einem weiteren Verfahrensschritt die Überhitzervandplatte – auf der Rauchgasseite – durch Düsen mit Luft bespült werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überhitzerrohre, welche mindestens zur beheizenden Rauchgasseite eine glatte Fläche haben, ohne feste mechanische Bindung aufeinandergestapelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Überhitzerrohre vorzugsweise durch Heftschweißung mit den hinter den Überhitzerrohren liegenden Halterungs- und Distanzierungsrohren verbunden sind und Überhitzerrohre und Distanzierungsrohre nahezu die gleiche Bauhöhe haben.
Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurchgekennzeichnet, dass die mit den Halterohren verbundenen Überhitzerrohre vorzugsweise einzeln mit der tragenden Siederrohrwand des Dampferzeugers verschraubt sind.
Vertahren nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die flache, glatte Überhitzer-Wandplatte über eine Vielzahl von Düsen gleichmäßig mit Spülluft beaufschlagt wird, welche durch die Siederrohrwand und die Überhitzer-Rohrkonstruktion auf 250-300°C vorgewärmt wurde.
Verfahren nach Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die der Rauchgasseite zugewandten glatten, flachen Überhitzerrohrtlächen jeweils einzeln eine korrosionsfeste Schutzschicht erhalten, welche mittels Cladding, Flammspritzen oder Plasmaspritzen materialschlüssig und gasdicht aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Überhitzerheizflächen für Heißdampftemperaturen im Bereich von 410-510°C eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überhitzerheizflächen in einem Rauchgastemperaturbereich oberhalb 700°C eingesetzt werden.
Überhitzerheizfläche zum Überhitzen von Dampf in korrosiver Rauchgasatmosphäre, insbesondere zur Durchführung des Vertahrens nach einem der Ansprüche 1–6 mit einer aus Einzelrohren (4) bestehenden flachen, glatten Überhitzer-Wandheizfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelrohre zur Rauchgasseite eine ebene, glatte Fläche haben.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelrohre aus Omega-Rohren (4) bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 9–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelrohre (4) mit den Halte- und Distanzierungsrohren (5) durch Heftschweißungen (18) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Halte- und Distanzierungsrohre (5) rund, prismatisch oder quadratisch sein können.
Vorrichtung nach Anspruch 9–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Halte- und Distanzierungsrohre aus einer Schweißkonstruktion bestehen können.