Feuerungen - STEAG Energy Services
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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