Feuerungen - STEAG Energy Services

Feuerungen
–
von
den
Anfängen
zum
schadstoffarmen
Höchstleistungsverbrennungssystem -1
Dr.-Ing. W. A. Benesch, Evonik Energy Services GmbH, Essen
1.
Einleitung
Der traditionsreiche Flammentag beschäftigt sich mit den neuesten Betriebs- und
Forschungsergebnissen auf dem Gebiet der Verbrennung und Feuerungen. Damit steht das
Feuer im Mittelpunkt dieser Veranstaltung. Lassen sie mich etwas grundsätzlicher auf das
Feuer schauen und was und wer es bei mir entfacht hat. Wenn ich das sage, bin ich bei
meinem Doktorvater, den national und international anerkannten Feuerungsexperten
Prof. Dr.-Ing. Hans Kremer, dem ich auf diese Weise - zugegebenermaßen etwas spät - zu
seinem 75. Geburtstag gratulieren möchte.
2.
Ein Blick zurück, Anfänge und Historie der Feuerungen
Die glühende Historie unseres Planeten zeigt, dass das Feuer so alt ist wie unser Planet
selbst. Besonders interessant wurde es für den Menschen aber dadurch, dass es ihm gelang
das Feuer zu zähmen und für sich und seine persönlichen Belange zu nutzen. Dies liegt
mehr als 300.000 – 400.000 Jahre zurück. Betrachtet man diese gigantischen Zeiträume, die
zwischen dem Heute und der ersten Nutzung des Feuers liegen, so mag man denken, es
müsste alles auf dem Weg zur kontrollierten Verbrennung in einer gezielt ausgelegten
Feuerungsanlage - eben zum Höchstleistungsverbrennungssystem - erforscht und
untersucht sein. Sicher liegen über solche Zeiträume erhebliche Betriebserfahrungen mit
dem Feuer vor. Aber es gibt noch genügend Rätsel.
Das anfängliche Feuer diente der Erwärmung von Speisen und des Menschen selber. Der
dabei verwendete Brennstoff lag zuerst fast ausschließlich in fester Form vor, sicherlich die
komplexeste Form der Verbrennung. Am Anfang eines jeden Feuers steht die sichere
Zündung, wobei wir wissen, dass dies nicht immer einfach ist, was unsere Vorfahren
sicherlich bestätigen können. Danach gilt es eine genügende Flammenstabilität zu erhalten.
Beobachtet man die Weiterentwicklung dieser frühen Feuerungsanlagen, dann spielte sicher
irgendwann die Effizienz eine größer werdende Rolle. Denn je effizienter die Feuerung war,
je weniger Brennstoffe mussten, teils mühselig, herangeschafft werden (Bild 1).
1
(gewidmet Prof. Kremer zum 75.Geb)
Dies gilt umso mehr, als der damalige Hauptbrennstoff Holz
nicht mehr überall in unbegrenzter Menge zur Verfügung
stand. Die Situation verschärfte sich mit Beginn der
Industrialisierung. Man erkennt hieraus, dass das Streben
nach hoher Effizienz bei Feuerungsanlagen schon in der
Frühzeit von Bedeutung war und wie wir alle wissen, heute
von
Bild 1: kontrolliertes
Lagefeuer
höchster
Feuerungsanlage
Bedeutung
und
eine
ist.
Denn
effiziente
eine
effiziente
Energienutzung
vermeiden am nachhaltigsten unnötige CO2-Emissionen.
Welche Macht im Feuer steckt, wird heute immer noch deutlich, wenn unkontrollierte Feuer
ganze Landstriche verwüsten (Bild 2). Bei ungeregelter und unbegrenzter Brennstoffzufuhr
können wahrlich gigantische Energiemengen freigesetzt werden. Verdienst der Erforschung
der Feuerungstechnik ist es, die Vorgänge zu kontrollieren, Anlagen geeignet zu
dimensionieren und das Zusammenspiel der verschiedenen Einflussgrößen vorherzusagen.
3.
Der Weg vom Feuer zur Feuerung
Legt man dem Feuer die Zügel an, so wird daraus vereinfacht gesagt eine Feuerungsanlage.
Wir alle wissen, dass dies mitnichten so einfach ist wie die Worte es Glauben machen. Die
Feuerungsanlage muss unterschiedlichen Anforderungen genügen, die der technische
Prozess, dem die beim Feuern entstehende Wärme zugeführt werden soll, erfordert. Jedoch
gilt für jede Feuerungsanlage das bereits oben Gesagte, es muss eine sichere Zündung,
eine gute Flammenstabilität und eine guter Ausbrand erreicht werden, der eine hohe
Effizienz gewährleistet. Wie gelingt dies den verschiedenen Feuerungstypen?
4.
Rostfeuerungen
Bleiben wir beim frühen Brennstoff Holz, wie er zuerst im Lagerfeuer verwendet wurde.
Wegen der noch geringen Energiedichte waren bei hohen Feuerungsleistungen erhebliche
Brennstoffmengen zu bewegen. Dies ließ den Wunsch nach einer Automatisierung
aufkommen. So wurde daraus für Festbrennstoffe, insbesondere auch Kohle (Bild 3), zuerst
die Rostfeuerung. Die Rostbewegung und damit die Schürung erfolgte später ebenso wie die
Beschickung automatisch. Durch den Energiehunger stießen -damit verbunden- die immer
größer werdenden Feuerungsanlagen auch hier an ihre Grenzen. Der Rost wurde immer
größer und ließ Wünsche nach anderen Feuerungstechniken aufkommen. Vergessen ist die
Rostfeuerung nicht. Für die thermische Abfallbehandlung und die Biomasseverbrennung ist
sie von großem Interesse (Bild 4).
5.
Von der Öl-/Gasfeuerung zur Kohlenstaubfeuerung
Zwischenzeitlich waren aber auch andere Brennstoffformen
entdeckt worden, wozu Öl und danach Gas gehören. Diese
Brennstoffe, die anfänglich nur als Leuchtmittel genutzt
wurden, erlaubten einfacher den Betrieb großer Feuerungen
und die dazu notwendigen Auslegungen. Dies weckte
natürlich Begehrlichkeiten. Es trat der Wunsch auf, die
Vorzüge bei der Verbrennung dieser Brennstoffe auch für den
Bild 2: unkontrollierter
Waldbrand
Festbrennstoff Kohle verfügbar zu machen. Man gewöhnte sich sehr schnell an die Vorzüge
der guten Dosierbarkeit und der stabilen Flammenausbildung bei Öl- und Gasfeuerungen.
Um aber Kohle ähnlich dosieren zu können und schnell im Fluge zu verbrennen, war es
notwendig die Kohle mehlfein auszumahlen. Die Kohlenstaubfeuerung war damit geboren.
Aber es waren auch zusätzliche Aggregate wie z. B. die Kohlemühlen mit ihrer ganzen
Komplexität notwendig und andere neue Themen zu erforschen.
6.
Die Wirbelschichtfeuerung
Eine junge interessante Sonderform der Feuerungstechnik stellt die Wirbelschichtfeuerung
dar. Besonders für unterschiedliche Ballastgehalte zeigt sie sich als sehr vielseitig.
Außerdem ist sie in der Lage Schadstoffe schon in der Feuerung zu reduzieren. Es zeigt sich
aber auch an diesem Beispiel, dass keine Feuerungstechnik überfordert werden darf [1]. Wo
die Chancen und Risiken liegen muss die Forschung klären.
6.
Weitere Entwicklungsschritte:
Der Titel dieses Vortrages - Feuerungen von den Anfängen zum schadstoffarmen
Höchstleistungsverbrennungssystem - macht den Sprung deutlich, den die Feuerungstechnik
im Laufe der Zeit erfahren hat, wobei den folgenden Aspekten besondere Beachtung zu
schenken ist:
6.1.
Regelung
Bei einfachen Feuerungen kann die Brennstoff-/Luft-Zuteilung über einfache Kurvenscheiben
gesteuert werden. Komplexere Feuerungssysteme benötigen eine Regelung. Dabei ist es
wichtig,
nicht
nur
den
stationären
Zustand
zu
analysieren,
sondern
besondere
Betriebszustände wie das An- und Abfahren zu betrachten. Für eine optimale Regelung ist
eine Sensorik notwendig, die es ermöglicht, die Verbrennungspartner Brennstoff und
Sauerstoff (Luft) mengenmäßig in jedem Betriebszustand korrekt zu zuteilen. Eine solche
Erfassung ist bei gasförmigen und flüssigen Brennstoffen
einfacher möglich als bei Kohle und Kohlenstaub. Daher
wird
es
erforderlich,
nicht
nur
die
Messwerte
der
Brennstoffpartner für eine Regelung heranzuziehen, sondern
auch die Verbrennungsergebnisse d. h. den verbliebenen
Sauerstoff oder aber das gebildete CO. Hierdurch entstehen
Bild 3: Kohleverbrennung
auf dem Rost
Regelkreise, die in ihrer Komplexität mit den an die
Feuerung und an das Verbrennungsergebnis gestellten
Anforderungen zunehmen. Reichen für einfache Verbrennungssysteme die genannten
Kurvenscheiben aus, um eine Feuerung über der Last richtig zu steuern, so sind bei
komplexeren Zusammenhängen speicherprogrammierbare Steuerungen und im modernen
Großfeuerungsbau digitale Leittechniksysteme zur Regelung erforderlich.
Im Falle der Kohlenstaubfeuerung wird der Brennstoff durch Verändern der Zuteilerdrehzahl
zur Kohlemühle dosiert. Zwischen dem Einbringen der Kohle in die Mühle und dem
Austragen des Kohlenstaubs besteht eine zeitliche Differenz im Minutenbereich. Dies muss
von
der
Dampferzeugerführungsregelung
und
von
der
Regeleinrichtung
für
die
Verbrennungsluft berücksichtigt werden. Durch Übersteuern der Zuteilerdrehzahl kann
vorübergehend mehr oder weniger Kohle in die Mühle eingebracht, durch Übersteuern des
Mühlenluftstroms vorübergehend mehr oder weniger Kohle aus dem Sichter, ausgetragen
werden. Solche Eingriffe haben Einfluss auf die Qualität der Flamme. Das Thema, eine
schadstoffarme hocheffiziente Verbrennung herbeizuführen, mag im stationären Zustand
gelingen, aber wie viel komplexer ist diese Anforderung bei dynamischen Vorgängen.
6.2
Flammenüberwachung
Zu Anfang reichte eine rein visuelle Überwachung des Feuers. Heute ist dies nicht mehr
ausreichend. Es werden verschiedene Verfahren zur Flammenüberwachung eingesetzt:
•
Ionisationsdetektoren, die die ionisierende Eigenschaft von Flammen nutzen.
•
Optische Detektoren mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit.
•
Infrarotdetektoren, die auf die Strahlung ab 800 nm reagieren, wobei jedoch nur das
Flackern der Flamme berücksichtigt werden darf. Konstante Strahlungsquellen, wie
z. B. glühende Ausmauerungen dürfen nicht als Flamme erkannt werden.
•
Ultraviolettdetektoren die den Bereich der Strahlung unterhalb von 400 nm erfassen.
Zusätzliche Anforderungen an die Flammenüberwachung stellen Verfahren, wie z. B. die
Floxverbrennung.
6.3
Eng
Die sichere Feuerung
gekoppelt
mit
der
Regelung
und
der
Flammenüberwachung ist die Frage der Sicherheit. Eine
unkontrollierte Freisetzung, der im Brennstoff enthaltenen
Energie, kann insbesondere bei größeren Mengen zu
verheerenden Folgen führen. Unter Umständen können
erhebliche Anlagenschädigungen oder gar die Zerstörung
ganzer Anlagen die Folge sein, ganz zu schweigen von
Personenschäden. Um Verpuffungen und Explosionen sicher
Bild 4 : Biomasseverbrennung auf dem Rost
zu verhindern, muss sichergestellt sein, dass:
•
nicht unkontrolliert Brennstoff in den Verbrennungsraum gelangt,
•
eine Verbrennung nur mit gesicherten überwachten Brennstoffmengen gestartet wird,
•
die
einmal
gezündete
Verbrennung
sicher
hinsichtlich
der
kontinuierlichen
Flammenentwicklung überwacht wird.
Häufig werden Feuerungen nur im stationären Zustand betrachtet und optimiert, so dass sich
für den Anfahr- und Abfahrvorgang nicht optimale Bedingungen einstellen. Auf jeden Fall
sind in diesen Betriebszuständen die Verbrennungsverhältnisse schwieriger. Optimale
Lufttemperaturen sind nicht vorhanden, ggf. ist eine Trocknung des Brennstoffs im Falle
Kohle noch nicht optimal, außerdem findet die Verbrennung in einem noch kalten Feuerraum
statt und diese Aufzählung lässt sich problemlos weiter fortsetzen.
Ich erinnere mich in diesem Zusammenhang an ein besonderes Phänomen bei einem
Anfahrvorgang einer Gasfeuerung, der schließlich eine Verpuffung mit erheblichen
Kesselschäden zur Folge hatte. Es zeigte sich, dass die NOX-mäßig optimierte Verbrennung
im Zusammenspiel mit dem Anfahrvorgang und anlagen- und betriebstechnischen
Besonderheiten Ursache für den Kesselschaden waren. Die Interpretation dieser
fehlgeleiteten Verbrennung bereitete erhebliche Schwierigkeiten. Man erkannte, dass selbst
für eine einfache Gasverbrennung alle Vorgänge sauber zu modellieren nur mit erheblichen
Aufwendungen
bei
Simulation
und
wissenschaftlicher
Interpretation
möglich
ist.
Herrn Prof. Kremer ist es damals gelungen, mit modernen wissenschaftlichen Methoden und
viel Detektivarbeit die Vorgänge zu beleuchten, die zu diesem Ereignis geführt haben [2].
Was sich mir eingeprägt hat, ist die Verkettung besonderer Betriebszustände, die für das
Anfahren, nicht aber für den stationären Betrieb typisch sind. Es konnte eine entartete
geteilte Flamme entstehen, die teilweise verlöschen konnte ohne, dass der Flammenwächter
dies erkannte. Brennstoff trat unverbrannt in den Feuerraum und führte beim Nachzünden
eines weiteren Brenners zu einer Verpuffung. Aus diesem
Beispiel wird deutlich, dass eine Vielzahl von Parametern
überwacht
werden
muss
und
mit
den
jeweiligen
Betriebszuständen zu spiegeln ist, um jederzeit einen
sicheren Feuerungsbetrieb zu gewährleisten. Dies gilt in
besonderem Maße für die NOx reduzierte Verbrennung [3].
6.4
Bild 5: Gasflamme
Die schadstoffarme Verbrennung
Das Thema Sicherheit gewann erneut im Zusammenhang mit
der schadstoffarmen Verbrennung an Bedeutung [4]. Während vor ca. 30 Jahren bei der
Feuerung noch höchste Verbrennungsgüte im Vordergrund stand, wurde durch die
Primärmaßnahmen
zur
NOx-Reduzierung
anfänglich
die
Verbrennungsgüte
wieder
verschlechtert. Durch die verzögerte Luftzufuhr räumlich und zeitlich konnte die NOx Bildung
erheblich reduziert werden, aber eine stabile Verbrennung über einen großen Lastbereich
war nicht mehr gewährleistet. Nur mit den Methoden der Wissenschaft konnten die
entsprechenden Phänomene erforscht und näher beleuchtet werden, so dass aus dem
Widerspruch schadstoffarme Verbrennung bei gleichzeitig hoher Flammenstabilität eine
Synthese werden konnte. Das schadstoffarme Höchstleistungsverbrennungssystem war
damit geschaffen, womit wir beim Thema des Vortrags und einem wesentlichen Schwerpunkt
der Veranstaltungsreihe „Verbrennung und Feuerungen“ wären.
War die NOx-arme Kohlenstaubfeuerung anfänglich sehr aufwendig (für eine Großfeuerung
wuchs die Anzahl der Stell- und Regelorgane auf der Luftseite von 20 auf 100) so konnten
mit zunehmendem Verständnis der Phänomene und Zusammenhänge die Systeme wieder
vereinfacht werden, ohne dabei die Sicherheit der Verbrennung in Frage zu stellen oder aber
die Schadstoffarmut zu vernachlässigen [5].
Das Thema bietet immer noch genügend unerforschte Facetten, so dass regelmäßig die
Inhalte dieser Tagung diskutiert werden können. Im Rahmen seines beruflichen Wirkens
konnte Herr Prof. Kremer maßgeblich dazu beitragen, die Ziele der Schadstoffarmut mit der
gleichzeitigen sicheren Höchstleistungsverbrennung zu verheiraten. Nicht zuletzt spielt dabei
die Wirtschaftlichkeit eine besondere Rolle, denn nur, wenn Phänomene genügend bekannt
sind, können darüber wirtschaftliche Verbrennungssysteme praktisch realisiert werden.
Herr Prof. Kremer schrieb 1994 [6]: „In den letzten 20 Jahren war wegen der
NOx-Problematik die Weiterentwicklung der Feuerungen zu höheren Leistungen schwierig.
Die erzielten Erfolge bei der Minderung der NOx-Emissionen
machen es aber wieder aussichtsreicher Energie und damit
Betriebskosten so wie bei neuen Anlagen auch Investitionen
zu sparen.“
6.5
Zu mathematischen Modellen
Lassen Sie mich aus einer anderen Veröffentlichung zitieren
[7]: „Mathematische Modelle sind nicht neu, sie wurden
beinahe seit der Erfindung der Mathematik, schon lange vor
Bild 5: Tangentialfeuerung
dem technischen Zeitalter benutzt. Neu ist aber neben dem relativ jungen Sammelbegriff,
dass durch die heute verfügbaren Großrechner der sinnvolle Anwendungsbereich der
Modelle gewaltig erweitert wurde. Großrechner erlauben heute die schnelle näherungsweise
Lösung von komplizierten Gleichungssystemen, was dazu führte, dass überwiegend
empirische Methoden ihre Daseinsberechtigung verloren haben. Diese Feststellung darf
jedoch nicht zu einem blinden Vertrauen in komplizierte mathematische Modelle führen.
Auch hier ist der Appell von Bedeutung. Durch die tiefgreifende Erforschung von
Zusammenhängen muss ein Gefühl für Phänomene geschaffen werden, was ein
Niederschlag dann in einfachen Praktikerformeln findet. Gelingt dies nicht und wird die
zitierte Blindgläubigkeit an Modelle eintreten, dann werden wir durch die Wissenschaft einen
Rückschritt und nicht Fortschritt erleben.
Wie Forschungsergebnisse in die Praxis einfließen können, habe ich selbst erfahren, wenn
ich 25 Jahre zurückblicke. Damals habe ich mich genauso wie Herr Prof. Görner mit der
Modellierung der dreidimensionalen Strömung in Feuerräumen und den resultierenden
Flammen beschäftigt. Damals waren solche Modelle unter anderem auch durch die
begrenzte Rechnerleistung rein der Wissenschaft vorbehalten, heute sind es standardisierte
Werkzeuge geworden, die für die Auslegung von Feuerungs- und Kesselanlagen eingesetzt
werden. Solche Schritte sind auch für andere Techniken der Verbrennungsforschung
wünschenswert. Besonders wichtig ist, dass die Feuerung und die Verbrennung als
Phänomen nicht alleine betrachtet werden sollen. Denn schließlich zünden wir das Feuer,
um einen Nutzen davon zu haben. Der Nutzen beim Lagerfeuer war die Erwärmung von
Speisen bzw. der umgebenden frierenden Menschen. Heute soll ein technischer Prozess
damit gespeist werden, Medien damit erhitzt werden und damit sind wir bei dem Punkt, dass
optimale effiziente Verbrennung untrennbar mit dem Wärmeübergang verknüpft ist. Das
höchst effiziente Verbrennungssystem muss dazu optimale Voraussetzungen schaffen.
7.
Fazit
Durch diese Betrachtungen wird deutlich:
•
Das Feuer und Flamme heute noch den gleichen
Namen wie vor Jahrhunderten haben, dass aber im
Prinzip nichts mehr so ist wie früher. Wir haben es
heute mit einem Hightech-Produkt zu tun, das im
Bild 5: Kohlenstaubrundbrenner
Zentrum der meisten heutigen industriell genutzten Prozesse steht.
•
Herr Prof. Kremer konnte durch seine wissenschaftlichen Arbeiten maßgeblich zur
Weiterentwicklung
von
Feuerungssystemen
Höchstleistungsverbrennungssystem
unter
besonderer
zum
schadstoffarmen
Berücksichtigung
der
wirtschaftlichen Gesichtspunkte beitragen.
•
Es bleiben aber auf dem Weg der weiteren Entwicklung noch genügend
Fragestellungen offen, so dass wir uns alle wünschen können, dass im Rahmen dieser
Veranstaltung zumindest ein Teil der Fragen, die noch existieren, beantwortet werden
können.
Ich wünsche Herrn Prof. Kremer weiterhin alles Gute und viel Gesundheit und uns noch
weitere Ideen zum Thema der Höchstleistungsverbrennung und damit dem 24. Flammentag
einen fruchtbaren Verlauf mit angeregter Diskussion.
Literaturangaben
[1]
Benesch, W. A.: 850°C - Theorie und Praxis der Wirbelschichtfeuerung,
19. Deutscher Flammentag (1999), VDI-Bericht 1492
[2]
Mylonas, J., Rimmelspacher, J, Kremer, H., Döring, F.: Explosionsschaden an einem
Benson-Kessel der Isar-Amperwerke , VGB Kraftwerkstechnik 73 (1993), Heft 7
[3]
Benesch, W.A., Müller, L., Schirmer, U.: Umsetzung der TRBS am Beispiel der VGB
Richtlinie R200 „Auslegung und Betrieb von Kraftwerksfeuerungen“ und des VGB
Merkblatt M213H-„Kohlemahlanlagen“, VGB Power Tech 7 (2007)
[4]
Benesch,
W.
A.
et
al.:
VGB-Erfahrungsbericht
Primärmaßnahmen
zur
NOx-Minderung an Staubfeuerungen für Stein- und Braunkohle, VGB-TW 216 (2007)
[5]
Benesch, W. A.; A.J.C. Korthout; O.C.J. Rens, International experiences with low
NOx hard coal furnace, VGB Power Tech 8 (2002)
[6]
Kremer, H.: Möglichkeiten und Grenzen der Strahlungswärmeübertragung in
industriellen Gasfeuerungen, Gas Wärme International 43 (1994) Heft 10
[7]
Michelfelder, S.: Methoden zur Vorausberechnung von Feuerungen, Glastechnische
Berichte 50 (1977) Nr.8