Dampfkessel Verstehen: Grundlagen und Anwendungen

Ein Dampfkessel ist ein geschlossener Behälter, in dem Wasser unter kontrollierten Bedingungen erhitzt wird, um es in Dampf umzuwandeln. Ein Kessel ist im Grunde ein Wärmetauscher, wo Wärme an Wasser übertragen wird. Er wird auch manchmal als Dampferzeuger bezeichnet. Thermische Energie zum Erhitzen von Wasser wird entweder durch Brennstoff (Gas, flüssig oder fest) oder durch Abwärme, die aus verschiedenen industriellen Prozessen verfügbar ist, zugeführt. Manchmal wird auch Solarenergie für die Dampferzeugung verwendet. In einem Kessel erzeugter Dampf kann Niederdruck, Mitteldruck oder Hochdruck sein. Im industriellen Kontext wird der erzeugte Dampf als Prozessdampf in verschiedenen industriellen Prozessen oder zum Antreiben von Turbinen zur Stromerzeugung verwendet. Jeder Kessel ist darauf ausgelegt, so viel thermische Energie wie möglich an das im Kessel enthaltene Wasser zu übertragen. Wärmeenergie wird durch Leitung, Konvektion und Strahlung übertragen. Der relative Anteil jedes einzelnen hängt von der Kesseltyp, der ausgelegten Wärmeübertragungsfläche und den die Verbrennung antreibenden Brennstoffen ab.

Hauptkesseltypen

Es gibt hauptsächlich zwei Kesseltypen: Feuerrohrkessel und Wasserrohrkessel.

Feuerrohrkessel

Feuerrohrkessel bestehen aus einer Anzahl von Rohren, durch die heiße Gase geleitet werden. Diese heißen Gasrohre sind in Wasser in einem geschlossenen Behälter eingetaucht. In diesem Kessel enthält ein geschlossener Behälter oder Mantel Wasser, durch das heiße Gasrohre geführt werden. Diese heißen Gasrohre heizen das Wasser auf und wandeln es in Dampf um, und der Dampf verbleibt im selben Behälter. Feuerrohrkessel werden allgemein für relativ kleine Dampfkapazitäten und niedrige bis mittlere Dampfdrücke verwendet. Diese Kessel sind kompakt, in Paketbauweise und günstiger.

Wasserrohrkessel

Wasserrohrkessel ist eine Art Kessel, bei dem das Wasser im Inneren der Rohre erhitzt wird und die heißen Gase sie umgeben. Dies ist genau das Gegenteil des Feuerrohrkessels. In diesem Kessel fließt das Kesselspeisewasser durch die Rohre und tritt in die Kesseltrommel ein. Das zirkulierende Wasser wird durch die Verbrennungsgase erhitzt und in Dampf im Dampfraum der Trommel umgewandelt. Dieser Kessel wird verwendet, wenn der Dampfbedarf sowie die Dampfdruckanforderungen hoch sind, wie im Fall eines Kessels, der die Dampfanforderungen für industrielle Prozesse sowie für die Stromerzeugung decken muss. Die Merkmale von Wasserrohrkesseln umfassen: (i) erzwungene, induzierte und ausgeglichene Zugluftvorkehrungen, die zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz beitragen, (ii) geringere Toleranz für Wasserqualität, daher Notwendigkeit einer Wasseraufbereitungsanlage, und (iii) höhere thermische Wirkungsgrade.

Komponenten eines Kesselsystems

Die Hauptkomponenten eines Kesselsystems sind Wasseraufbereitungsanlage, Kesselspeisewasservorwärmer, Entgaser, Speisepumpe, Economizer, Überhitzer, Attemperator, Dampfsystem, Kondensator und Kondensatpumpe. Zusätzlich gibt es Steuersätze zur Überwachung von Wasser- und Dampfstrom, Brennstoffstrom, Luftstrom und chemischen Behandlungszusätzen. Ein schematisches Flussdiagramm der Kesselanlage ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1 Schematisches Flussdiagramm der Kesselanlage

Im Allgemeinen besteht ein Kesselsystem aus einem Speisewassersystem, Dampfsystem und Brennstoffsystem. Das Speisewassersystem liefert behandeltes Wasser an den Kessel und regelt es automatisch, um den Dampfbedarf zu decken. Das Dampfsystem sammelt und steuert den im Kessel erzeugten Dampf. Dampf wird durch ein Rohrleitungssystem zum Verwendungszweck geleitet. Das Brennstoffsystem umfasst alle Geräte, die verwendet werden, um Brennstoff zur Erzeugung der notwendigen Wärme bereitzustellen. Die benötigte Ausrüstung hängt von der Art des verwendeten Brennstoffs ab.

Speisewassersystem

Speisewasser ist das dem Kessel zugeführte Wasser, das in Dampf umgewandelt wird. Die zwei Quellen des Speisewassers sind Kondensat oder kondensierter Dampf, der aus dem Prozess zurückkehrt, und das Nachspeisewasser, das das behandelte Wasser aus der Wasseraufbereitungsanlage ist. Die Hauptkomponenten des Speisewassersystems sind:

• Speisewasservorwärmer – Die Kesselleistung wird durch die Extraktion von Abwärme aus dem verbrauchten Dampf zur Vorwärmung des Kesselspeisewassers verbessert. Vorwärmer sind Rohrbündel-Wärmetauscher mit dem Speisewasser auf der Rohrseite und Dampf auf der Mantelseite. Das Kondensat wird zum Kondensatspeicherbehälter oder Kondensat-Heißbecken zurückgeführt.
• Entgaser – Speisewasser hat oft gelösten Sauerstoff in unzulässigen Mengen, der aus Luftundichtigkeiten vom Kondensator, Pumpendichtungen oder aus dem Kondensat selbst stammt. Der Sauerstoff wird mechanisch in einem Entgaser entfernt. Der Entgaser funktioniert nach dem Prinzip, dass Sauerstoff mit steigender Temperatur abnehmend löslich ist. Dies wird durch Leiten von Dampf durch das Speisewasser erreicht.
• Economizer – Economizer sind die letzte Stufe des Speisewassersystems. Sie sind darauf ausgelegt, Wärmewert aus Abgasen zu extrahieren, um den Dampf zu erhitzen und die Kesselleistung zu verbessern. Es sind einfache Lamellenrohr-Wärmetauscher. Ein Speisewasser-Economizer reduziert den Brennstoffbedarf, indem er Wärme vom Rauchgas auf das einströmende Wasser überträgt.

Dampfsystem

Das Dampfsystem besteht aus Dampf- und Schlammtrommeln, Kesselsrohren, Überhitzern, Attemperatoren und Kondensatsystemen.

• Dampf- und Schlammtrommeln – Die Dampftrommel ist die obere Trommel eines Wasserrohrkessels, wo die Trennung von Wasser und Dampf erfolgt. Die Dampftrommel enthält interne Elemente für Speisewassereintritt, Chemikalieneinspritzung, Abblaseentfernung, Füllstandskontrolle und Dampf-Wasser-Trennung. Speisewasser tritt vom Economizer in die Dampftrommel ein. Dampf strömt vom oberen Teil der Trommel durch Dampfabscheider aus. Der Dampfauslass geht normalerweise von dieser Trommel zu einer unteren Trommel durch einen Satz Steig- und Fallrohre. Die untere Trommel, die als Schlammtrommel bezeichnet wird, ist ein Tank am Boden des Kessels, der die Verteilung von Wasser auf die Erzeugerrohre ausgleicht und Feststoffe wie Salze sammelt, die aus Härte und Kieselsäure gebildet werden.
• Kesselsrohre – Kesselsrohre werden aus hochfestem Kohlenstoffstahl gefertigt. Rohre werden verschweißt, um eine kontinuierliche Rohrwand zu bilden. Normalerweise wird mehr als ein Rohrbündel verwendet. Rohre sind am anfälligsten für Ausfälle aufgrund von Strömungsproblemen oder Korrosionsablagerungsproblemen.
• Überhitzer – Dampf, wenn er den Kessel verlässt, ist gesättigt, da er im Gleichgewicht mit Wasser bei Kesseldruck und -temperatur ist. Der Zweck des Überhitzers ist es, den gesamten Feuchtigkeitsgehalt aus dem Dampf zu entfernen, indem die Temperatur des Dampfes über seinen Sättigungspunkt erhöht wird. Der Überhitzer fügt dem Austrittsdampf des Kessels Energie hinzu. Die zugefügte Energie erhöht die Temperatur und den Wärmegehalt des Dampfes über den Sättigungspunkt. Überhitzter Dampf hat ein größeres spezifisches Volumen.
• Attemperatoren – Attemperatoren kontrollieren den Überhitzungsgrad. Attemperation ist der Prozess der teilweisen Entüberhitzung von Dampf durch kontrollierte Einspritzung von Wasser in den überhitzten Dampfstrom. Normalerweise wird Kesselspeisewasser für die Attemperation verwendet.
• Kondensatsysteme – Kondensat aus verschiedenen Wärmetauschersystemen wird als Teil des Speisewassers an den Kessel zurückgeführt. Allerdings muss Kondensat eng auf pH-Wert und Sauerstoffeintrag überwacht werden und eine ordnungsgemäße Kondensatbehandlung angewendet werden.

Brennstoffsystem

Brennstoffzuführsysteme spielen eine kritische Rolle in der Leistung von Kesseln. Ihre Hauptfunktionen umfassen den Transport des Brennstoffs in den Kessel und die Verteilung des Brennstoffs innerhalb des Kessels, um eine gleichmäßige und vollständige Verbrennung zu fördern. Die Art des Brennstoffs beeinflusst die betrieblichen Merkmale eines Brennstoffsystems. Das Brennstoffzuführsystem bildet den bedeutendsten Bestandteil eines Kesselsystems. Brennstoffe müssen für die Verbrennung vorbereitet und zum Kessel transportiert werden. Das Verbrennungssystem muss die Flammenstabilität über einen weiten Bereich von Durchflussraten gewährleisten, indem es günstige Bedingungen für die Brennstoffzündung schafft und aerodynamische Bedingungen herstellt, die eine gute Mischung zwischen der primären Verbrennungsluft und dem Brennstoff sicherstellen. Brenner sind die zentralen Elemente für ein effektives Verbrennungssystem.

Dampfkesselwirkungsgrad

In Dampfkesseln treten Energieverluste auf, die unvollständige Verbrennung, Strahlungsverluste von der Kesselumgebungswand, Wärme, die von Abgasen mitgeführt wird, etc. umfassen. Der Wirkungsgrad des Dampfkessels gibt Aufschluss über diese Verluste. Der Dampfkesselwirkungsgrad ist der Prozentsatz der gesamten Wärme, die vom Auslassdampf exportiert wird, aus der gesamten vom Brennstoff zugeführten Wärme, wie unten angegeben:

Der Dampfkesselwirkungsgrad umfasst thermischen Wirkungsgrad, Verbrennungswirkungsgrad und Brennstoff-zu-Dampf-Wirkungsgrad. Der Dampfkesselwirkungsgrad hängt von vielen Faktoren ab, die die Größe des Kessels, die Art des Kessels, das Design des Kessels etc. umfassen.

Klassifizierung von Dampfkesseln

Basierend auf ihrem Design und ihrer Konstruktion werden Dampfkessel hauptsächlich wie folgt klassifiziert:

Staubfeuerungskessel (Pulverized Fuel Boiler)

Die meisten kohlebefeuerten Kraftwerke und industriellen Wasserrohrkessel verwenden pulverisierten Kohlenstaub. Diese Technologie ist gut entwickelt und macht weit über 90 % der kohlebefeuerten Kapazität aus. Der Kohlenstaub wird zu einem feinen Pulver gemahlen, sodass weniger als 2 % +300 µm (Mikrometer) und 70–75 % unter 75 µm für einen bituminösen Kohlenstaub sind. Der pulverisierte Kohlenstaub wird mit einem Teil der Verbrennungsluft durch eine Reihe von Brennerdüsen in den Kessel geblasen. Sekundär- und Tertiärluft können ebenfalls zugegeben werden. Die Verbrennung findet bei Temperaturen von 1300–1700 °C statt, abhängig weitgehend von der Kohlenqualität. Die Partikelverweilzeit im Kessel beträgt typischerweise 2 bis 5 Sekunden, und die Partikel müssen klein genug sein, damit die vollständige Verbrennung in dieser Zeit stattgefunden hat. Dieses System hat viele Vorteile wie die Fähigkeit, unterschiedliche Kohlenqualitäten zu verbrennen, schnelle Reaktion auf Laständerungen, Verwendung hoher Vorwärmelufttemperaturen etc.

Wirbelschichtfeuerungskessel (Fluidized Bed Combustion Boiler)

Im Wirbelschichtfeuerungskessel (FBC) ist das Feuerungssystem auf Wirbelschichtverbrennung ausgelegt. Es hat signifikante Vorteile gegenüber konventionellen Feuerungssystemen und bietet vielfältige Vorteile wie kompaktes Kesseldesign, Brennstoffflexibilität, höhere Verbrennungseffizienz und reduzierte Emissionen schädlicher Schadstoffe wie SOx und NOx. Die in diesen Kesseln verbrannten Brennstoffe umfassen Kohle, Waschereirückstände, Reisschalen, Bagasse und andere landwirtschaftliche Abfälle.

In diesen Kesseln findet die Wirbelschichtverbrennung (FBC) bei etwa 840 bis 950 °C statt. Da diese Temperatur weit unter der Ascheverschmelzungstemperatur liegt, werden das Schmelzen von Asche und damit verbundene Probleme vermieden. Die niedrigere Verbrennungstemperatur wird durch den hohen Wärmeübergangskoeffizienten aufgrund schnellen Mischens in der Wirbelschicht und effektive Wärmeentnahme aus dem Bett durch im Bett eingebaute Wärmeübertragungsrohre und Wände des Betts erreicht. Die Gasgeschwindigkeit wird zwischen der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit und der Partikelmitreißgeschwindigkeit gehalten. Dies gewährleistet einen stabilen Betrieb des Betts und vermeidet Partikelmitreißen in den Gasstrom. Es gibt drei Arten von Wirbelschichtkesseln: (i) Atmosphärische Wirbelschichtverbrennung (AFBC) Kessel, (ii) Atmosphärische Zirkulierende Wirbelschichtverbrennung (CFBC) Kessel und (iii) Druckbeaufschlagte Wirbelschichtverbrennung (PFBC) Kessel.

Atmosphärischer Wirbelschichtverbrennungskessel (AFBC)

In diesem Kesseltyp wird Kohle auf eine Größe von 1–10 mm zerkleinert, abhängig vom Kohlenrang und der Art des der Brennkammer zugeführten Brennstoffs. Die atmosphärische Luft, die sowohl als Fluidisierungs- als auch als Verbrennungsluft fungiert, wird nach Vorwärmung durch die Abgasbrennstoffe unter Druck zugeführt. Die im Bett verlegten Rohre, die Wasser führen, fungieren allgemein als Verdampfer. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte passieren die Überhitzerabschnitte des Kessels, strömen am Economizer, den Staubabscheidern und dem Luftvorwärmer vorbei, bevor sie in die Atmosphäre abgeleitet werden.

Atmosphärische zirkulierende Wirbelschichtverbrennungskessel (CFBC)

In einem zirkulierenden System werden die Bettparameter so gehalten, dass sie die Elutriation von Feststoffen aus dem Bett fördern. Elutriation ist der Prozess, bei dem feine Partikel aufgrund der durch das Bett strömenden Fluidströmungsrate aus einer Wirbelschicht ausgetragen werden. Partikel werden in einer relativ verdünnten Phase in einem Feststoffaufsteiger angehoben, und ein Absteiger mit einem Zyklon bietet einen Rückführweg für die Feststoffe. Es gibt keine Dampferzeugungsrohre, die im Bett eingetaucht sind. Erzeugung und Überhitzung von Dampf findet im Konvektionsabschnitt, Wasserröhren und am Ausgang des Aufsteigers statt. CFBC-Kessel sind im Allgemeinen wirtschaftlicher als AFBC-Kessel für industrielle Anwendungen, die mehr als 75–100 t/h Dampf erfordern.

Druckbeaufschlagter Wirbelschichtverbrennungskessel (PFBC)

In diesem Kessel liefert ein Verdichter die Zwangsluft und der Brenner ist ein Druckbehälter. Die Wärmefreisetzungsrate im Bett ist proportional zum Bettdruck und daher wird ein tiefes Bett verwendet, um große Wärmemengen zu extrahieren. Dies verbessert die Verbrennungseffizienz und die Schwefeldioxidabsorption im Bett. Der Dampf wird in zwei Rohrbündeln erzeugt, eines im Bett und eines darüber. Heiße Abgase treiben eine stromerzeugende Gasturbine an. Das PFBC-System kann für Kraft-Wärme-Kopplung (Dampf und Strom) oder kombinierte Kreisprozess-Stromerzeugung verwendet werden. Der kombinierte Kreisprozessbetrieb (Gasturbine & Dampfturbine) verbessert den Gesamtumwandlungswirkungsgrad um 5 bis 8 %.

Abwärmekessel (Waste Heat Boiler)

Wo immer Abwärme bei mittleren oder hohen Temperaturen verfügbar ist, wird ein Abwärmekessel installiert, um wirtschaftlich Dampf zu erzeugen. Der Dampf kann in einer Dampfturbinen-Generatoreinheit abgelassen werden und Strom daraus erzeugt werden. Er wird weit verbreitet in der Wärmerückgewinnung aus Abgasen verwendet.