Typische Ursachen für Verschlackungs- und Verschmutzungsprobleme in Kesseln

Kesselverschlackung und -verschmutzung und der daraus resultierende häufige Betrieb von Rußbläsern gehören zu den wichtigsten Betriebs- und Wartungsfaktoren, die sich negativ auf die Zuverlässigkeit und Effizienz von Kraftwerken auswirken können.

Kesselverschlackung und -verschmutzung gehören zu den häufigsten Ursachen für Wartungsprobleme in Kohlekraftwerken. Obwohl Sie das Problem nicht vollständig beseitigen können, können Sie durch die Einhaltung ordnungsgemäßer Betriebs- und Wartungspraktiken den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Behebung des Problems drastisch reduzieren.

Sehen wir uns zunächst an, was Verschlackung ist, bevor wir uns mit den Ursachen und Abhilfemaßnahmen für Verschlackung und Verschmutzung befassen.

Schlacke besteht aus geschmolzener Asche und nicht brennbaren Nebenprodukten, die bei der Kohleverbrennung zurückbleiben. Wenn das Material auf eine bestimmte Temperatur abkühlt, kann es an Ofenkomponenten wie Wasserwänden haften bleiben, was als Verschlackung bezeichnet wird.

Ein mit Kohlenstaub betriebener Kessel ist mit einem großen Ofenhohlraum ausgestattet, der Flüssigphasenschlacke an den Wasserwänden tolerieren kann. Die Temperatur am Ofenausgang sollte jedoch so niedrig sein, dass die Schlacke unter ihre Erweichungstemperatur abgekühlt wird.

Eine typische Fusionstemperatur von bituminöser Brennstoffasche wird anhand der Norm D1857 der American Society for Testing and Materials (ASTM) bestimmt. Zur Durchführung des Tests wird ein Aschekegel in einen Laborofen gestellt und der Ofen langsam erhitzt. Die Ofentemperatur wird an vier Punkten gemessen, während sich der Aschekegel verformt.

Die Temperatur des ersten Punktes – wenn die Spitze des Aschekegels stumpf wird – wird als „anfängliche Verformungstemperatur“ bezeichnet. Wenn der Ofen stärker erhitzt wird, wird die Temperatur aufgezeichnet, bei der die Asche weich wird und die Höhe (H) des Kegels der Breite (W) entspricht. Dieser Wert wird als „Erweichungstemperatur“ bezeichnet. Die Erwärmung setzt sich fort, was dazu führt, dass der Aschekegel weiter durchhängt, bis H = 1/2 W. Diese Temperatur wird als „halbkugelförmige Temperatur“ bezeichnet. Wenn der Aschekegel schließlich flüssig wird, wird die Temperatur notiert und als „Flüssigkeitstemperatur“ der Asche bezeichnet.

Moderne Laboratorien verwenden fortschrittlichere Öfen als bei der ersten Entwicklung der Methode, aber die Angabe der Ascheschmelztemperaturen erfolgt immer noch auf der Grundlage derselben vier Stufen der Ascheschmelzung: anfängliche Verformung, Erweichung, halbkugelförmig und flüssig.

Der Zweck des Labortests besteht darin, den ungefähren Zustand der Asche zu bestimmen, wenn sie sich in verschiedenen Teilen eines Kesselofens befindet. Bei Verschlackung und Verschmutzung kommt es vor allem darauf an, dass die Ofengase oder „Verbrennungsprodukte“ den Ofen mit einer Temperatur verlassen, damit die Asche nicht zu klebrig wird. Eine gute Näherung besteht darin, dass die Ofenaustrittsgase etwa 100 bis 150 °F kühler sind als die Ascheerweichungstemperatur.

Ich habe Öfen gesehen, bei denen die Ofenaustrittsgase über der Flüssigkeitstemperatur liegen, und es ist möglich, einen Kessel mit flüssiger Asche zu betreiben, die durch den Überhitzer und den Zwischenüberhitzer fließt, aber das ist aus Gründen der Kohlenaschekorrosion und der Notwendigkeit nicht ratsam Nahezu kontinuierliches langes ausfahrbares Rußblasen zur Milderung der Ascheablagerungen.

Unter „Fouling“ versteht man typischerweise Ablagerungen, die im Konvektionsdurchgang entstehen, nachdem die Gase den Ofen verlassen. Verschmutzung wird im Allgemeinen auf Ascheschlacken und Ansammlungen zurückgeführt, die sich an den Vorderkanten der Überhitzer- und Zwischenüberhitzerrohre bilden (Abbildung 1), insbesondere an den Auslassschenkeln, deren Metalloberflächentemperatur über 1.000 °F liegt. Durch Rußblasen werden die Ablagerungen entfernt.

Wenn die langen einziehbaren Rußbläser zum Freiblasen der Ascheablagerungen verwendet werden, werden die Aschepartikel in den Rauchgasstrom mitgerissen und bilden Schlacken, die die Strömungswege des Katalysators für selektive katalytische Reduktion (SCR) blockieren, Lufterhitzerkörbe verstopfen und Kesselrohre überbrücken können im Konvektionsdurchgang. Normalerweise liegen die Bereiche des Kessels, die als anfällig für Verschlackung gelten, vom Brennerband bis zum Ofenausgang.

Wärme fließt von der heißesten zur kältesten Temperatur. Um überhitzten Dampf mit einer Temperatur von 1.000 bis 1.100 °F (1.000 °F bis 1.100 °F) und überhitzten Dampfauslass zu erzeugen, muss die Ofenaustrittsgastemperatur (FEGT) am Gaseinlass des Zwischenüberhitzers über etwa 1.500 °F (1.500 °F) liegen, um den Wärmefluss in den Ofen zu leiten Nacherhitzer und Überhitzer zur Erzeugung der gewünschten Dampftemperaturen. Folglich sollte der Sweet Spot für die FEGT eines mit Kohlenstaub betriebenen Kessels bei etwa 2.150 F bis 2.250 F liegen, um die gewünschten Dampftemperaturen ohne Verschlackung zu erreichen. Bei weniger als 2.150 °F wird es schwierig, die vorgesehenen Dampftemperaturen zu erreichen. Oberhalb von 2.250 °F (auf Massengasbasis) nähert sie sich der Schmelztemperatur der Asche einiger Brennstoffe.

Brennstoffe mit extrem hohen Ascheschmelztemperaturen gelten als „kesselfreundlich“ und fehlerverzeihend. Kraftstoffe mit niedrigeren Ascheschmelztemperaturen erfordern eine präzisere Verbrennungsabstimmung und eine stärkere Rußbläsung, um Schlackenablagerungen zu mildern.

Schauen wir uns als Beispiel die in Tabelle 1 gezeigte Analyse der Kohleaschefusion D1857 an. Anhand der ASTM D1857-Temperaturen der Ascheschmelzanalyse kann der Aschezustand im Ofen und am Ofenausgang abgeschätzt werden, wenn die Temperaturen bekannt sind.

In diesem Beispiel zeigt die Kohleascheanalyse eine Flüssigkeitstemperatur in einer „reduzierenden Atmosphäre“ von 2.410 °F. Wenn es also Spuren von Verbrennungsprodukten gibt, die brennstoffreich sind und noch aktiv verbrennen, dann handelt es sich tatsächlich um eine „reduzierende Atmosphäre“ für die jeweilige Spur von brennstoffreichen Verbrennungsprodukten. In der Praxis könnte dies darauf zurückzuführen sein, dass ein Brenner brennstoffreich und luftarm ist. Die Verbrennungsprodukte dieses einen Brenners können tatsächlich den Ofenausgang verschlacken.

Manche Kraftstoffe sind gnadenloser als andere. Der Eisengehalt der Kohleasche ist ein wichtiger Faktor. Asche mit einem Eisengehalt von bis zu 15 % bis 20 % hat in einer reduzierenden Atmosphäre eine um bis zu 500 °F niedrigere Temperatur der Ascheflüssigkeit als die gleiche Asche in einer oxidierenden Atmosphäre. Aktuelle Anlagenbetriebe mit strengen gesetzlichen Grenzwerten für NOx zwingen die Betreiber tendenziell dazu, mit niedrigen Sauerstoffüberschüssen zu arbeiten. Diese Praxis kann in Kombination mit Brennstoff- und Luftungleichgewichten dazu führen, dass Rauchgaswege keinen freien Sauerstoff enthalten und daher technisch gesehen in einer reduzierenden Atmosphäre betrieben werden.

Wie kann also am Ofenausgang eine reduzierende Atmosphäre oder eine Sekundärverbrennung erzeugt werden? Hier sind unserer Erfahrung nach sechs der häufigsten Ursachen für Kesselverschlackung und -verschmutzung:

■ Geringer Sauerstoffüberschuss im Ofen

■ Extreme Schichtungen der FEGT-Rauchgasstränge

■ Hohe Primärluftströme

■ Brennerschaden und mangelhafter mechanischer Zustand/Toleranzen

■ Schlechte Leistung des Kohlepulverisierers

■ Inkonsistente Kraftstoffeigenschaften und -chemie

Die häufigste Ursache für Ofenverschlackung ist ein niedriger Sauerstoffgehalt im Ofen. Die meisten Kessel sind für 115 bis 120 % theoretische Verbrennungsluft ausgelegt. Dies wird im Allgemeinen als 15 % bis 20 % Luftüberschuss ausgedrückt. Bei Kohleöfen würde der Sauerstoffgehalt 3 % bis 3,8 % betragen. Beachten Sie die Position der Sauerstoffanalysatoren am Ausgang des Economizers in Abbildung 2. An dieser Position werden häufig höhere Sauerstoffwerte als der tatsächliche Sauerstoffgehalt des Ofens gemessen, da zwischen dem Ofen und dem Rauchgaseinlass des Lufterhitzers Luft eindringt.

Es ist äußerst wichtig, die erforderliche Aufmerksamkeit auf die Optimierung der „Eingänge“ des Ofenbrennerbandes zu richten, da die Verbrennung innerhalb des Ofenhohlraums abgeschlossen sein muss. Von größter Bedeutung ist die Bereitstellung eines ausreichenden Verbrennungsluftstroms zum Brennstoff, bevor die Verbrennungsprodukte den Ofen verlassen. Eine der häufigsten Ursachen für Verschlackung und Verschmutzung ist die Sekundärverbrennung am Oberofen. Die häufigste Ursache für eine Sekundärverbrennung ist ein unzureichender Sauerstoffüberschuss im Brennerband.

Warum kommt das so häufig vor? Es gibt zwei Gründe. Erstens weisen die meisten US-Heizkessel ein gewisses Alter auf, und die Kesseleinstellungen haben dazu geführt, dass im Laufe der Jahre immer mehr Luft eindringt. Da sich die Sauerstoffanalysatoren normalerweise am Ausgang des Economizers befinden, umfasst der überschüssige Sauerstoff, der am Ausgang des Economizers gemessen wird, auch die Umgebungsluft, die nach Abschluss der Verbrennung in die Kesselanlage gelangt ist. Dieser Mangel an überschüssigem freien Sauerstoff am Ofen führt dazu, dass sich die aktive Verbrennung ausdehnt und sich aktiv in den Überhitzerbereich fortsetzt. Die Rauchgastemperatur aufgrund einer solchen Sekundärverbrennung kann und wurde deutlich über 1.000 °F über dem Optimum liegen.

Der zweite Faktor besteht darin, dass die Schmelztemperatur der Asche in einer reduzierenden Atmosphäre niedriger ist, wenn die Kohleasche einen Eisengehalt von über etwa 10 % aufweist. Mit anderen Worten: Die Sekundärverbrennung erhöht nicht nur die FEGT, sondern auch, wenn die Kohleasche erhebliche Mengen Eisen enthält, kann die Fusionstemperatur aufgrund der Aschechemie drastisch niedriger sein. Das heißt, die Asche schmilzt in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer viel niedrigeren Temperatur als die Schmelztemperatur in einer oxidierenden Atmosphäre. Wie bereits erwähnt, kann die Ascheschmelztemperatur um bis zu 500 °F gesenkt werden.

Diese beiden Faktoren zusammen sind für Kraftwerke im Osten der USA, die bituminöse Brennstoffe verbrennen, besonders schwerwiegend. Der Eisengehalt in der Asche war bei den Brennstoffen aus dem Powder River Basin kein großer Faktor, aber die Sekundärverbrennung wirkt sich auf alle Kessel und alle Brennstoffe aus.

Die begrenzte Verweilzeit großer Versorgungskessel erfordert eine Optimierung der Ofenzufuhr von Brennstoff und Luft (Abbildung 3). Wenn sie nicht ordnungsgemäß kontrolliert werden, können Kraftstoff-Luft-Inkonsistenzen aufgrund von Sekundärverbrennung und erhöhten FEGTs zu Verschlackungs- und Verschmutzungsproblemen führen. Die Optimierung der Brennstoff- und Luftzufuhr zum Ofen und die Sicherstellung, dass am Ofenausgang eine oxidierende Atmosphäre herrscht, sind die ersten Schritte zur Reduzierung der Ofenverschlackung.

Die Optimierung des Kraftstoffeinsatzes umfasst die Sicherstellung, dass:

■ Die Kohlefeinheit entspricht den folgenden Richtlinien: Mindestens 75 % passieren ein 200-Mesh-Sieb und weniger als 0,2 % verbleiben auf einem 50-Mesh-Sieb mit repräsentativen und isokinetisch entnommenen Kohlefeinheitsproben.

■ Die Kohleverteilung auf jeden Brenner muss im Verhältnis plus oder minus 10 % ausgeglichen sein.

Zur Optimierung der Verbrennungsluft gehört Folgendes:

■ Die Primärluftmengen werden optimiert und die Luft-/Kraftstoffverhältnisse sind wiederholbar.

■ Der dosierte und kontrollierte Sekundärluftstrom wird gleichmäßig auf die einzelnen Brenner verteilt.

■ Der gemessene und kontrollierte Oberluftstrom wird optimiert.

FEGT und überschüssiger Sauerstoff können mit einer wassergekühlten Hochgeschwindigkeits-Thermoelement-Sonde (HVT) gemessen werden. Die Messungen der HVT-Sonde sollten einen Sauerstoffüberschuss von mindestens 3 % bei Höchsttemperaturen von etwa 100 bis 150 °F unter der Aschefusionstemperatur ergeben. Wenn sich die FEGT der Ascheschmelztemperatur nähert, kommt es zur Verschlackung.

Die nützlichsten Daten, die mit einer wassergekühlten HVT-Sonde gewonnen werden, sind oft der Ofenausgang, der Sauerstoffüberschussgehalt und die Profile. Alle Stellen am Oberofen sollten oxidierend sein und vorzugsweise einen Sauerstoffüberschuss von über 3 % aufweisen.

Das Wort „Verschlackung“ wird normalerweise verwendet, um die Verschlackung im Ofen zu beschreiben, während das Wort „Fouling“ im Allgemeinen verwendet wird, um Schlacke oder Asche zu beschreiben, die in den Konvektionskanal gelangt sind und aufgrund der Ablagerung Strömungshindernisse verursacht haben. Wie bereits erwähnt, ist die Verschmutzung des Konvektionskanals, des SCR und des Lufterhitzers das Ergebnis von Ascheansammlungen an den Vorderkanten der Überhitzer- und Zwischenüberhitzerrohre, die durch den langen Betrieb des einfahrbaren Rußbläsers entfernt werden.

Die Minimierung von Verschlackung und Verschmutzung beginnt mit der Optimierung der Verbrennungsleistung des Brennerbandes. Dies ist notwendig, da die Verweilzeit zwischen der Oberseite des Brennerbandes und dem Rauchgaseinlass des Überhitzers nur etwa 1 bis 2 Sekunden beträgt. Am Ofenausgang werden die Abstände zwischen Überhitzer und Zwischenüberhitzerrohren immer enger, was zu immer engeren Gasströmungswegen führt.

Die typische FEGT liegt bei etwa 2.150 °F bis 2.250 °F, vorausgesetzt, dass die Voraussetzungen für eine optimale Brennerbandverbrennung für die Eingänge gegeben sind. In dem in Abbildung 4 gezeigten Überhitzer lagen die Spitzentemperaturen der Ofenrauchgase deutlich über der Schmelztemperatur von Edelstahl Alloy 310 (ca. 2.780 °F). Die Spitzentemperaturen der aktiven Sekundärverbrennung lagen bei optimierten Brennerbandeingängen tatsächlich etwa 1.000 °F über dem FEGT. Bei der Optimierung betrug die FEGT über die gesamte Kesselbreite gleichmäßig 1.950 F bis 2.100 F. Vor der Optimierung herrschten Temperaturen von 2.850 °F bis 3.100 °F. Diese Extreme wurden in zahlreichen Fällen dokumentiert.

Die hohe Temperatur hatte in diesem Fall drei Ursachen. Erstens waren die Primärluftgeschwindigkeiten hoch, wodurch der Brennstoff tief in den Ofen getrieben wurde, weg von der an den Brennern bereitgestellten Sekundärluft. Zweitens litt das Brennerband unter einem Mangel an Verbrennungsluft, da der Oberluftstrom zu hoch war und 20 % des Gesamtluftstroms überstieg, wobei nur etwa 115 % des gesamten theoretischen Luftstroms zum Kessel gelangten. Mit anderen Worten: Das Brennerband war bei unterstöchiometrischen Sauerstoffüberschüssen tief abgestuft. Drittens wurden die Feinheit und Verteilung des Kraftstoffs nicht optimiert. Die Rauchgastemperaturen lagen am gasseitigen Einlass des Überhitzers bei über 3.000 °F. Bei dieser Temperatur war der Aschezustand flüssig und es dauerte nur ein paar Schichten, bis der Ofenausgang vollständig verschlackt war.

Es ist üblich, dass der Sauerstoffanstieg vom Ofen zum Lufterhitzer-Einlass-Rauchgas zwischen 0,5 % und 1 % beträgt. Warum? Nun, aus einem Grund ist der durchschnittliche mit Kohlenstaub betriebene 500-MW-Kessel mehr als 30 Jahre alt. Daher ist die Gefahr des Eindringens von Luft alleine aufgrund des Alters erhöht, selbst wenn sorgfältige und gründliche Wartungsreparaturen durchgeführt werden. Der einzige überschüssige Sauerstoff, der aus Sicht der Verschlackung und Verschmutzung von Bedeutung ist, ist der am Ofenausgang vorhandene überschüssige Sauerstoff. Bedenken Sie, dass die verfügbare Verweilzeit von der Oberseite bis zum Brennerband weniger als 1,5 Sekunden betragen kann.

Ein hoher Primärluftstrom, insbesondere bei Wandkesseln, trägt zu einem schlechten Brennstoffgleichgewicht, einer schlechten Brennstofffeinheit und längeren Flammenlängen bei. Primärluft ist grundsätzlich Transportluft und stellt 15 bis 25 % der gesamten Luft für die Verbrennung bereit. Wenn daher der Primärluftstrom sehr hoch ist, „rennen“ die Brennstoffpartikel der Sekundärluft „vorbei“ und führen zu längeren als optimalen Flammen (Abbildung 5).

Ein hoher Primärluftstrom bei fast jedem modernen Brenner mit niedrigem NOx-Gehalt treibt den Brennstoff tief in den Ofen und überholt so den Sekundärluftstrom. Infolgedessen können sich im Oberofen brennstoffreiche Zonen bilden, die zu Sekundärverbrennung, erhöhten Temperaturen und Zonen mit örtlich begrenzter reduzierender Atmosphäre führen – alles Faktoren, die zur Verschlackung und Verschmutzung beitragen.

Eine der 13 Grundvoraussetzungen für eine optimale Verbrennung ist die Brennertoleranz von plus oder minus einem Viertel Zoll. Die in Abbildung 6 gezeigten Fotos bieten einige Beispiele für typische Brenner im Fundzustand.

Die meisten Schäden an Brennern entstehen durch Überhitzung stillstehender Brenner aufgrund der Strahlungswärme des Ofens. Eine Möglichkeit, eine Überhitzung des Brenners zu überwachen, besteht darin, Thermoelemente an den Brennerdüsen anzubringen und Kühlluft durch die Brennerdüsen zu leiten, um die Temperatur bei Außerbetriebnahme unter 800 °F zu halten. (Brennerkühlung ist ein Thema für einen anderen Tag.)

Die häufigste Ursache für extreme Brennstoffungleichgewichte am Ofenausgang ist die Leistung des Kohlepulverisierers. Eine schlechte Kraftstofffeinheit trägt fast immer zu einer schlechten Kraftstoffbilanz bei. Bestenfalls liegt die Abweichung des pulverisierten Brennstoffs im Bereich von plus/minus 5 % bis 15 %.

Wenn Klassierer nicht auf die beste Feinheit eingestellt sind (in der Regel, um eine geringere Feinheit durch mehr Durchsatz der Kohlemühle zu ersetzen), kann sich die Feinheit beim Passieren von 200 Mesh auf weniger als 70 % verschlechtern. Zusammen mit der geringeren Feinheit ergibt sich eine weniger gleichmäßige Brennstoffbilanz. Eine schlechte Kraftstofffeinheit führt fast immer zu einer schlechten Kraftstoffverteilung. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Brennstoffabweichungen von plus oder minus 25 % auftreten, wenn die Pulverisierer nicht optimiert sind.

Die Kohlemühlen sind das Herzstück eines mit Kohlenstaub betriebenen Kessels. Etwa 75 % der Verbesserungsmöglichkeiten bei der Abstimmung liegen bei den Kohlemühlen, dem Primärluftstrom und dem Ausgleich der Kraftstoffleitungen. Abbildung 7 zeigt die wichtigen Punkte für eine optimale Verbrennung mit minimaler Verschlackung und Verschmutzung.

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—Richard F. (Dick) Storm, PE ist leitender Berater für Storm Technologies Inc. und langjähriger POWER-Mitarbeiter. Die Mitarbeiter von Storm Technologies haben zu diesem Artikel beigetragen.

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