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BWK Bd. 56 (2004) Nr. 12

Energieerzeugung

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Heißdampfkessel mit Braunkohlenstaub-Feuerung

Braunkohlenstaub hat im Vergleich mit Heizöl und Erdgas inzwischen einen solchen Preis-vorteil erlangt, dass er für indus-trielle Heiz- und Heizkraftwerke mit hoher Grundlastfahrweise wirtschaftlich attraktiv ist. Für Dampferzeugungsraten von 20 bis 40 t/h bei Betriebsdrücken bis 40 bar hat die VKK Standard-kessel Köthen GmbH, Köthen, einen neuen Heißdampfkessel mit Braunkohlenstaub-Feuerung entwickelt, der den heutigen wirtschaftlichen und ökolo- gischen Anforderungen gerecht wird.

kessel ist mit einem Parallelstrombren-ner für die Verbrennung von Braunkoh-lenstaub ausgerüstet.

Bei direktbefeuerten Kesselanlagen müssen Brenner und Brennraum auf-einander abgestimmt sein, um einen ho-hen Ausbrand bei geringen Emissionen zu erzielen. Bei Festbrennstoff-Feuerun-gen mit trockenem Ascheabzug müssen Feuerung und Brennraum außerdem so konstruiert und ausgelegt sein, dass die Brennraumtemperatur unterhalb der Ascheerweichungstemperatur bleibt, um Schlackebildung und Anbackungen zu vermeiden. Für Braunkohlenstäube sind Erweichungstemperaturen von 950 bis 1 250 °C typisch.

Zur Reduzierung der NOx-Emissionen und zur Einstellung der erforderlichen Brennraumtemperatur kommt bei Braunkohlenstaub-Feuerungen eine Rauchgasrezirkulation zum Einsatz. Die Stufung der Verbrennungsluft sowie des Brennstoffes sind weitere mögliche Maßnahmen zur Verringerung der Stick-oxidbildung.

Die SO2-Emissionen werden haupt-sächlich durch Kalk-Additive auf das er-forderliche Maß reduziert. Unter diesen Randbedingungen ist für das Flamm-rohr eines Großwasserraumkessels bei einer Braunkohlenstaub-Feuerung etwa das doppelte Volumen erforderlich als bei Öl- oder Gas-Feuerungen gleicher Leistung. Daher müssen vor allem der Flammrohrdurchmesser und der Kessel-manteldurchmesser größer ausgeführt werden. Hinzu kommt, dass Großwas-serraumkessel aufgrund ihrer konstruk-

Dr.-Ing. Wolfgang Sobbe, Jahrgang 1958, Studium des Apparate- und Anlagenbaus der Stoffumwandlung an der TU „Otto von Gueri-cke“ Magdeburg. Dort von 1984 bis 1988 als wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig, 1990 Pro-motion. Von 1988 bis 1994 Verfahrensinge-nieur in der chemischen Industrie und im Ap-paratebau. Seit 1994 Leiter Technik bei der Vorwärmer- und Kesselbau Köthen GmbH, jetzt VKK Standardkessel Köthen GmbH, als Leiter Erzeugnisentwicklung. i sobbe@vkkstandardkessel.de

Im Einsatzbereich dezentraler Indus-trieheiz- und -heizkraftwerke hat der Brennstoff Kohle seit der Einführung

automatischer Ölfeuerungsanlagen in den 50er Jahren im Gegensatz zu Groß-kraftwerken zunehmend an Bedeutung verloren. Erst mit steigenden Ölpreisen wurden nach 1980 auch im industriellen Einsatzbereich wieder Kesselanlagen speziell mit Braunkohlenstaub neu er-richtet. Bei diesen handelte es sich vor allem um Flammrohr-/Rauchrohrkessel zur Erzeugung von Heißwasser oder Sattdampf bis etwa 10 MW(th.) Leistung bei Betriebsdrücken bis 13 bar. Ein typi-sches Beispiel einer Niederdruck-Heiß-wasseranlage ist im Bild 1 dargestellt. Der als Dreizug-Flammrohr-/Rauchrohr-kessel ausgeführte Großwasserraum-

Der Braunkohlenstaub-

Kessel erzeugt 20 t/h Heiß-

dampf bei einem Betriebs-

überdruck von 19 bar.

Dipl.-Ing. Michael Schiemann, Jahrgang 1951, Studium der Verfahrenstechnik an der TU Dresden. Seit 1979 Projektinge-nieur bei Vorwärmer- und Kesselbau Kö-then und Standardkessel Duisburg, jetzt VKK Standardkessel Köthen GmbH, als Lei-ter Projektierung feststoffgefeuerter Kes-selanlagen.

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tiven Gestaltung und durch Vorgaben des technischen Regelwerks hinsichtlich ihrer Betriebsparameter begrenzt sind [1]. Im Bild 2 ist der maximal zulässige Kesseldurchmesser in Abhängigkeit vom zulässigen Betriebsüberdruck für typi-sche konstruktive Randbedingungen dargestellt. Danach kann beispielsweise der Kesseldurchmesser bei 18 bar Be-triebsüberdruck 4 m betragen. Hingegen muss der Kesseldurchmesser bei 39 bar Betriebsüberdruck auf 1,8 m schrump-fen. Diese Leistungsbegrenzung von Flammrohr-/Rauchrohrkesseln war in der Vergangenheit kein Problem, da für höhere Betriebsdrücke Wasserrohrkes-sel mit Dampferzeugungsleistungen ab 40 t/h zur Verfügung standen und für die Angebotslücke keine Nachfrage vor-handen war. Dies änderte sich mit dem starken Anstieg der Ölpreise im Jahr 2000, durch den der Preis für Braunkoh-lenstaub nur noch 30 bis 50 % der Erd-gas- und Heizölpreise betrug [2]. Seit-dem ist ein Bedarf nach Heißdampf-erzeugeranlagen im Leistungsbereich bis 40 t/h bei Betriebsdrücken bis 40 bar entstanden, der durch vorhandene tech-nische Lösungen nicht mit Großwasser-raumkesseln gedeckt werden konnte und für den der Einsatz eines Wasser-rohrkessels wirtschaftlich nicht reali-sierbar war.

Um diesen Bedarf zu decken, wurde bei VKK Standardkessel ein modular aufgebauter Kessel mit Braunkohlen-staub-Feuerung entwickelt, bei dem der Brennraum aus dem Großwasserraum-

kessel ausgelagert und dem Rauchrohr-kessel als kartesische Wasserrohr-Brennkammer vorgeschaltet ist [3].

Modulares Kesselkonzept

Im Jahr 2002 erhielt VKK Standardkes-sel von der Microcellulose Weißenborn GmbH & Co. KG, Weißenborn, den Auf-trag, eine mit Braunkohlenstaub befeu-erte Kesselanlage zur Erzeugung von 20 t/h Heißdampf mit einem Betriebs-überdruck von 19 bar zu errichten. Dazu wurde der Kessel als Rauchrohr-Groß-wasserraumkessel mit vorgeschalteter Wasserrohr-Brennkammer und inte-grierter Deckenfeuerung konzipiert. Bild 3 zeigt das Fließschema der Heiß-dampfkesselanlage mit Brennstoffver-sorgung, Rauchgasreinigung und Ent-aschung.

Der vollständig gekühlte Brennraum wird aus senkrecht angeordneten Mem-branheizflächen gebildet, in dem die Flamme abwärtsgerichtet ausbrennt. Über einen aufwärts gerichteten Mem-branwand-Leerzug gelangen die Rauch-gase in den horizontal angeordneten Rauchrohrzug des Großwasserraumkes-selmoduls, das gleichzeitig als Verdamp-fer und Dampftrommel fungiert. Nach dem Austritt aus dem Rauchrohrzug durchströmen die Rauchgase den Über-hitzer und Economiser. Kesselgerüst und Verbindungsleitungen komplettieren die Kesselkonstruktion. Die Stahlkonstrukti-on für das Kesselgerüst ist so konzipiert, dass Wärmedehnungen nach oben und unten frei erfolgen können und in hori-zontaler Richtung durch eine sinnvolle Anordnung von Los- und Festlagern auf-genommen werden.

Das Speisewasser wird dem Economi-ser bei etwa 104 °C zugeführt, kühlt dort die im Gegenstrom geführten Abgase auf etwa 140 °C ab und gelangt nach Verlassen des Economisers über eine Verbindungsleitung zum Wasserraum des Großwasserraumkesselmoduls. Von dort strömt Siedewasser über außenlie-gende Fallrohre und Verteiler in das Steigrohrsystem der Brennkammer und des Leerzuges. Von den oberen Samm-lern des Steigrohrsystems wird das Was-ser-Dampf-Gemisch dem Dampfraum des Großwasserraumkesselmoduls über Einzelrohre zugeführt. Der aus dem Dampfraum entnommene Sattdampf durchströmt die Verbindungsleitung zum Überhitzer in Abwärtsrichtung. Der ungeregelte Überhitzer wurde so aus-

Bild 1

Typisches Beispiel eines

Niederdruck-Heißwasserkessels

mit Braunkohlenstaub-Feuerung.

1700

2100

2500

2900

3300

3700

4100

15 20 25 30 35 40

Zulässiger Betriebsüberdruck [bar]

Maxim

al zu

läss

iger

Du

rch

mess

er

[mm

]

Bild 2

Maximal zulässiger Kesseldurchmesser als Funktion

des zulässigen Betriebsüberdrucks bei 32 mm Wand-

dicke des Werkstoffes P295 GH und einem Verzicht

auf Wärmebehandlung nach dem Schweißen.

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gelegt, dass die Heißdampftemperatur bei Nennlast 270 °C und bei Halblast 255 °C beträgt.

Für die als Deckenfeuerung konzipier-te vollautomatische Feuerungsanlage wurde ein Duoblock-Industriebrenner vom Typ PK-KG der Pillard Feuerungen GmbH aus Taunusstein eingesetzt, mit dem wahlweise Braunkohlenstaub oder Erdgas H verbrannt werden kann. Mit diesem Parallelstrombrenner wird über eine gestufte Verbrennungsluftzugabe und Rauchgasrückführung eine NOx-ar-me Verbrennung realisiert. Die Feue-rungsanlage wird nach den Vorgaben der 4. BImSchV [4] und der TA-Luft [5] betrieben. Bild 4 zeigt den am Kessel montierten Brenner. Je nach Feuerungs-leistung wird der in zwei Silos zwischen-gelagerte Braunkohlenstaub dosiert und mittels Trägerluft pneumatisch zum Brenner transportiert. Der Braunkohlen-staub kann je nach Bedarf ohne oder

auch mit Additiv – 3 bis 5 % Ca(OH)2 – vom Brennstofflieferanten bezogen wer-den. In der hier vorgestellten Anlage wurde die Option einer unmittelbaren Additivzugabe in den Brennstoff berück-sichtigt. Dafür wurde eigens ein separa-tes Kalksilo mit Kalkdosiereinrichtung realisiert.

Festbrennstoff-Feuerungen müssen mit Reinigungseinrichtungen für die Heizflächen und mit Vorrichtungen zur Entaschung ausgerüstet werden. Bei der hier vorgestellten Kesselanlage wurde eine diskontinuierliche Abreinigung und Entaschung an den Umlenkstellen im Rauchgasweg nach der Brennkammer bzw. zwischen den Nachschaltheizflä-chen realisiert. Für die Entaschung sind Förderschnecken und ein pneumati-scher Aschetransport vorgesehen. Wäh-rend der frei wählbaren Pausenzeiten werden die Schnecken mit Flugasche aufgefüllt. Für die Brennkammerent-

aschung wird eine pneumatische För-dereinrichtung eingesetzt, die um einen Knollenbrecher ergänzt wurde, um ge-sinterte Ascheteilchen zu zerkleinern. Die Brennkammer-Membranwände wer-den mechanisch durch Rüttler und der Rauchrohrzug pneumatisch mittels Druckluft-Blaskanonen, die an der Rauchgaseintrittseite positioniert sind und nacheinander betätigt werden, ab-gereinigt. Für die Reinigung der Überhit-zer- und Economiserheizflächen wurden Drehrohrbläser installiert.

Bevor die Rauchgase über den Kamin die Anlage verlassen, werden sie nach dem Austritt aus dem Kessel über einen Zyklon und Gewebefilter von Flugasche befreit.

Bild 5 zeigt das Kesselhaus mit der Rauchgasreinigungsanlage. Für einen rund um die Uhr beaufsichtigungsfreien Betrieb (BoB 24 h) wurden alle Regelun-gen, wie die Anfahr-, Leistungs-, Speise-

Bild 4

Parallelstrombrenner für Braunkohlenstaub und Erdgas.

Bild 5

Kesselhaus mit Rauchgasreinigungsanlage.

Bild 3

Fließschema der von

VKK Standardkessel

Köthen entwickelten

Heißdampfkesselanlage

mit Braunkohlenstaub-

Feuerung.

800

900

1 000

1 100

1 200

1 300

30 40 50 60 70 80 90 100

Last [% ]

SO

2-E

mis

sio

nen

[m

g/N

m3]

7 % O2 ohne Kalk

7 % O2 mit 2 % Kalk

Emissionsgrenzwert

250

275

300

325

350

375

400

425

30 40 50 60 70 80 90 100

Last [% ]

NO

x-E

mis

sio

nen

[m

g/N

m3]

7 % O2

Emissionsgrenzwert

wasser-, Feuerraumdruck- und Rauch-gastemperaturregelung sowie die Regel-kreise der Feuerung und die Regelung der Entaschungseinrichtung in einer freiprogrammierbaren Siemens-Steue-rung vom Typ SPS S7 300U realisiert. Für die Rüttler, die Druckluftblaskanonen und Drehrohrbläser ist eine separate Steuerung vorhanden. Die Absalzrege-lung erfolgt über einen KS-90-Standard-regler der Prozess- und Maschinen-Au-tomation GmbH, Kassel, für verfahrens-technische Anwendungen. Der Kessel-schutz mit den Begrenzern für Wasser-stand, Leitfähigkeit, Druck und Tem-peratur wird in einer separaten sicher-heitsgerichteten SPS überwacht und schaltet bei Überschreitung der Grenz-werte die Anlage aus.

Die wichtigsten technischen Daten des modular aufgebauten Kessels sind in der Tabelle zusammengefasst.

Messergebnisse

Im Rahmen der Kesselentwicklung wurde ein Messprogramm durchgeführt, das die Bilanzschlüssigkeit und Repro-duzierbarkeit der Messergebnisse sicher stellt. Dabei wurden die Massenströme, Temperaturverläufe und Abgaskonzen-trationen bei verschiedenen Lastzustän-den ermittelt. Für die Messungen wur-den installierte Betriebsmessgeräte als auch zusätzliche Messgeräte verwendet. Die Messdaten werden einerseits für die Überprüfung wärmetechnischer Berech-nungen und andererseits zur Beurtei-lung der Betriebsverhältnisse, insbeson-dere zum Emissionsverhalten, benötigt. Im Bild 6 sind die lastabhängigen NOx-Emissionen dargestellt. Die Werte liegen mit ausreichendem Abstand unter dem Emissionsgrenzwert und wurden mit Unterstützung der externen Rauchgas-Rezirkulationsanlage erzielt. Der rezir-kulierte Rauchgasanteil entspricht etwa 5 % des Gesamt-Rauchgasstroms. Ein er-höhter Rezirkulationsstrom brachte kei-

ne Verbesserung der NOx-Emissionen. Die gemessenen SO2-Emissionen sind im Bild 7 dargestellt. Es wird deutlich, dass die Einhaltung des Emissionsgrenzwer-tes nur durch Zugabe von Kalk erreicht werden konnte. Der Kalk wurde dem Braunkohlenstaub außerhalb der Brenn-kammer zudosiert.

Insgesamt lässt sich festhalten, dass die Messergebnisse die vereinbarten Be-triebsparameter bestätigt haben. Die Daten werden darüber hinaus auch zur Weiterentwicklung von Kesseln mit Braunkohlenstaub-Feuerung verwendet.

Bild 6

Lastabhängige Stickoxidemissionen.

Heißdampfkessel

Hersteller VKK Standardkessel Köthen Gmb H

Ty p HU 7041

Betriebsweise TRD 604 – 24 h

Zulässige Dampferzeugung 20 t/h

Zulässiger Betriebsüberdruck 24 bar

Betriebsüberdruck am Überhitzeraustritt 19 bar

Zulässige Heißdampftemperatur 330 °C

Heißdampftemperatur (ungeregelt) 270 °C ± 20 °C bei V olllast

255 °C ± 15 °C bei Te illast

Speisewassertemperatur 104 °C

Abgastemperatur nach Economiser 140 °C (sauber) bis 170 °C (verscmutzt)

Feuerung

Hersteller Pillard Feuerungen Gmb H

T yp Duoblock-Industriebrenner PK-KG

Brennstoffe Braunkohlenstaub (Lausitz) Erdgas H

Heizwert H u 20 MJ/kg (19,5 MJ/kg) 36 MJ/m 3 i.N .

Nennlastwirkungsgrad 91 % 94 %

Brennstoffbedar f bei Nennlast 2,77 t/h (2,84 t/h) 1 490 m 3 i.N./h

Regelbereich der Feuerung 1 : 3 1 : 5

Luftüberschuss bei Nennlast 30 % 7 %

Emissionsgrenzwerte, bezogen auf 7 % O 2 3 % O 2

q Stickoxid, NO x 400 mg/m 3 i.N . 150 mg/m 3 i.N.

q Schwefeldioxid, SO 2 1 000 mg/m 3 i.N . –

q Kohlenmonoxid, CO 150 mg/m 3 i.N . 80 mg/m 3 i.N.

q Staub 20 mg/m 3 i.N . 5 mg/m 3 i.N.

Bild 7

Lastabhängige Schwefeldioxidemissionen.

Literatur

[1] Europäische Norm EN 12953 Großwasserraumkes-

sel. www.beuth.de

[2] www.kohlenstatistik.de

[3] Sobbe, W.; Schiemann, M.: Dampfkessel für Braun-

kohlenstaub-Feuerungen im mittleren Leistungsbereich.

Vortrag auf der VGB-Fachtagung „Industrie- und Heiz-

kraftwerke, BHKW 2004“ am 6. und 7. September

2004 in Bochum.

[4] Vierte Verordnung zur Durchführung des Bundes-

Immissionsschutzgesetzes. Verordnung über genehmi-

gungsbedürftige Anlagen. 4. BImSchV vom 06. Mai

2002, BGBl. I S. 1566.

[5] Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-

Immissionsschutzgesetz. Technische Anleitung zur Rein-

haltung der Luft – TA Luft. GMBl. 2002, Heft 25–29, S.

511.

Tabelle

Die wichtigsten Daten des

Braunkohlenstaub-Kessels.

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