Beurteilung von Verschlackungsmechanismen des Kohlekraftwerk Block 15 der swb Erzeugung als Grundlage zur Wirkungsgradoptimierung

Inhaltsverzeichnis

II Inhaltsverzeichnis

I Zusammenfassung/ Abstract

Zusammenfassung

Abstract

II Inhaltsverzeichnis

III Selbstständigkeitserklärung

IV Abbildungsverzeichnis

V Tabellenverzeichnis

VI Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung und Zielsetzung

2. Naturwissenschaftliche Grundlagen
2.1 Kohle
2.1.1 Eigenschaften der Kohle
2.1.2 Kohleanalyse
2.1.3 Bezugszustände
2.1.4 Kohleverbrennung
2.2 Asche
2.2.1 Ascheschmelzverhalten
2.3 Schlacke
2.3.1 Definition und Bildung von Schlacke
2.3.2 Auswirkungen von Schlackenbildung

3. Technische Grundlagen des KW Hastedt Block 15
3.1 Kohleverbrennung im Kraftwerk Hastedt Block 15
3.1.1 Kohlemühlen
3.1.2 Tangentialfeuerung
3.1.3 Trockenentaschung

4. FOS Feuerungs- Optimierungs- System
4.1 Grundlagen des FOS
4.2 Schwächen des FOS

5. Messungen
5.1 Versuchsaufbau 1 Temperaturmessung
5.1.1 Durchführung der Temperaturmessung
5.1.2 Probleme bei der Durchführung der Messungen
5.1.3 Ermittelte Messwerte
5.2 Versuchsaufbau 2 Kohlenstaubbeprobung
5.2.1 Kohlenstaubprobenentnahme
5.2.2 Siebanalyse und Kohlenstaubverteilung
5.3.1 Ergebnisse der Siebanalysen
5.3.2 Ergebnisse der Kohlenstaubverteilung
5.3.3 Kohlemühlenparameter

6. Diskussion der Messungen
6.1 Feuerraumtemperaturen
6.2 Kohlenstaubverteilung und Siebanalyse

7.Zusammenfassung

8. Ausblick/ Weitere Optimierungsmöglichkeiten

9. Literaturverzeichnis

X. Anhang
X.1 Brenneranordnung
X.2 CE-Verteiler Kraftwerksblock 15
X.3 Temperaturmessungen

I Zusammenfassung/ Abstract

Zusammenfassung

Die Ausarbeitung der Thesis beschäftigt sich mit den

Verschlackungsmechanismen des kohlegefeuerten Kraftwerksblock 15 der swb Erzeugung GmbH & Co. KG am Standtort Hastedt in Bremen. Um die Verschlackungsintensität zu beeinflussen soll ein Feuerungs-Optimierungs- System (FOS) eingeführt werden welches aufgrund von nicht optimal eingestellten Parametern wie Kohlenstaubverteilung, Temperaturverlauf im Kesselbrennraum und Ausmahlung der Kohlemühlen nicht Schlackeminimierend eingesetzt werden kann.

Zur Evaluierung der Parameter werden Messungen der Kohlenstaubverteilung, der Kohlenstaubausmahlung vorgenommen und mittels eines Strahlungspyrometers ein Temperaturprofil des Feuerungsraumes des Kraftwerksblocks 15 erstellt.

Die Ergebnisse der Messungen und Analysen genannter Parameter zeigen, dass im Kraftwerksblock 15 eine Schieflage im Temperaturprofil der Kesselfeuerung vorherrscht und die Temperaturen über den Ascheerweichungstemperaturen liegen. Dieses wird verursacht durch einen starken Verschleiß der Kohlenstaubverteiler, welches eine Ungleichverteilung des Brennstoffs hervorruft. Dies wird vom FOS nicht berücksichtigt. Regelmäßige Beprobung der Kohlenstaubverteilung und stetige Kontrolle des Temperaturprofils werden in Zukunft helfen das FOS im Einsatz gegen die Schlacke zu verbessern.

Abstract

The elaboration of the thesis deals with the slagging mechanisms of the coal-fired power station block 15 of the swb Erzeugung & Co. KG in Hastedt, Bremen. To influence the slagging intensity a combustion optimisation system (FOS) was introduced. Due to not optimally adjusted parameters like the coal dust distribution, temperature course in the kettle and the comminution of the coal mills, the FOS was not working acceptable.

To evaluate the parameters, measurements of the coal dust distribution, the

I Zusammenfassung/ Abstract

Coal dust comminution are carried out and the temperature in the combustion chamber of the power station block 15 was measured with a pyrometer to get a temperature profile

The results of the measurements and analyses of called parameters show that in the power station block 15 the temperature profile is in a skew situation. Generally the Temperature is too high, it is over the ash softening temperature. This is caused by a strong wear of the coal dust distributors which cause an unequal distribution of the fuel. This is not considered by the FOS. Periodic sampling of the coal dust and steady control of the temperature profile will help to improve the FOS in use application against the slag in future.

III Selbstständigkeitserklärung

„Hiermit erkläre ich, dass ich die im folgenden bearbeitete Bachelorthesis nur mit den angegebenen Quellen und Hilfsmitteln, selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst habe. Dem Sinn nach entnommene Stellen oder Wörtlich entnommene Stellen aus benutzter Literatur sind unter den Quellenangaben kenntlich gemacht.“

Bremen, den 22.September.2008

IV Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2.1 Entstehung von Kohle

Abbildung 2.2 Bezugszustände

Abbildung 2.3 Abschnitte der Kohleverbrennung

Abbildung 2.4 Steinkohlenasche

Abbildung 2.5 Aussehen des Ascheprobekörpers

Abbildung 2.6 Verschlackung beeinflussende Faktoren

Abbildung 2.7 Entstehung der Urschicht

Abbildung 3.1 Fremdkraftmühlen

Abbildung 3.2 Prinzip der Tangentialfeuerung

Abbildung 3.3 Ascheanfall in trockenentaschten Kesseln

Abbildung 4.1 FOS - PPMS Oberfläche/ Inhaltsübersicht

Abbildung 5.1 Eigenschaften der Kohlemischung

Abbildung 5.2 Blockdiagramm Pyrometer

Abbildung 5.3 Messstellen der Temperaturmessung

Abbildung 5.4 Temperaturverlauf vom 09.05.2008 bis 04.06.2008

Abbildung 5.5 Temperaturverlauf vom 17.06.2008 bis 26.06.2008

Abbildung 5.6 Mittelwerte der Feuerraumtemperaturen #1

Abbildung 5.7 Mittelwerte der Feuerraumtemperaturen #2

Abbildung 5.9 Messluke mit Schlackeansammlung Kraftwerksblock 15

Abbildung 5.10 Kohlenstaubprobenentnahmewagen

Abbildung 5.11 Messlanze

Abbildung 5.12 Kohlenstaubverteilung Kraftwerksblock 15

Abbildung 5.13 Siebanalyse vom 14.05.2008

Abbildung 5.14 Siebanalyse vom 11.06.2008

Abbildung 5.15 CE-Verteiler

Abbildung 5.16 Vergleich Kohlestaubverteilung

Abbildung 5.17 Vergleich Mittlere Kohlestaubverteilung

Abbildung 5.18 Vergleich der Kohlenstaubabweichung vom Mittel

Abbildung X.1 Brenneranordnung

Abbildung X.2 - X.19 Fotos der CE-Verteiler Kraftwerksblock 15 66 -

V Tabellenverzeichnis

Tabelle 2.1 Einteilung der Kohlearten

Tabelle 2.2 Komponenten der flüchtigen Bestandteile

Tabelle 2.3 Umrechnungskoeffizienten

Tabelle 5.1 Messprotokoll

Tabelle 5.2 Temperaturen der Stirn- und Rückwand des Kessels

Tabelle 5.3 Messwerte Kohlenstaubbeprobung vom 14.05.2008

Tabelle 5.4 Messwerte Kohlenstaubbeprobung vom 11.06.2008

Tabelle 5.5 Aufgezeichnete Mühlenparameter

Tabelle X.1 Temperaturmessung Kesselbrennraum

Tabelle X.2 Temperaturmessung Kesselbrennraum

Tabelle X.3 Temperaturmessung Kesselbrennraum

Tabelle X.4 Temperaturmessung Kesselbrennraum

Tabelle X.5 Mittelwerte der Temperaturmessungen

VI Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung und Zielsetzung

In kohlegefeuerten Kraftwerken kommt es zu so genannter Verschlackung an den Feuerraumwänden und Heizflächen. Dies erfolgt aufgrund hoher Prozesstemperaturen und dem damit verbundenem Auftreten von schmelzflüssigen Aschen. Die Schlacke beeinträchtigt den Wärmeübergang vom Feuerraum auf die Kesselrohrwände und Überhitzerstufen. Dies führt zum Beispiel zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades der Anlage. Des Weiteren kann eine Anbackung der Schlacke an den Feuerraumwänden dazu führen, dass sich Schlackewände aufbauen, die bei unkontrolliertem Abgang mechanische und prozesstechnische Probleme im Bereich der Nassentschlackung nach sich ziehen. Da die genannten Probleme auch im kohlegefeuerten Kraftwerkblock 15 am Kraftwerksstandort Hastedt der swb Erzeugung GmbH & Co. KG auftreten, soll ein so genanntes Feuerungsoptimierungssystem (FOS) in Betrieb genommen werden. Dieses dient dazu, die Verfeuerung von Kohle zu optimieren und die Entstehung von Schlacke so gering wie möglich zu halten und im besten Fall zu verhindern. Die grundlegenden Einstellungen des FOS beruhen auf der Basis, dass bedeutende anlagentechnische Einflussgrößen der Feuerung optimal eingestellt sind. Zu den Einflussgrößen zählen hauptsächlich die Kohlenstaubverteilung, Kohlequalität und somit der Temperaturverlauf. Der Temperaturverlauf resultiert aus der Qualität der Kohle, der Verbrennung der Kohle und ihrer Distribution durch ein verzweigtes Kohlenstaubleitungsnetz. Ungleichmäßige Beaufschlagung und nicht gleich bleibende Qualität der Kohle verursacht verschiedene inhomogene Temperaturverläufe. Auf Grund verschiedener Faktoren, wie Abnutzung von Anlagenteilen, wechselnde Qualität der Kohle oder nicht optimal getrimmte Brenner und Kohlenstaubverteilungen, entspricht diese Annahme nicht der Realität. Abnutzungserscheinungen und nicht optimale Einstellungen beeinträchtigen die Verbrennung und nehmen starken Einfluss auf den Temperaturverlauf welcher eigentlich durch optimale Verteilung gewährleistet sein soll. Die Qualität der Kohle nimmt Einfluss auf das Schmelzverhalten der Kohlenasche und auf ihre Verbrennungseigenschaften. Ziel der gewonnenen Erfahrungen und Analysen soll es sein, Mechanismen der Schlackebildung besser zu verstehen und zu beeinflussen, Wirkungsgradoptimierung zu erlangen und höchst mögliche Energieausbeute aus der Kohle zu gewinnen. Des Weiteren soll festgestellt werden, in wie weit die Parameter für eine Optimierung der Feuerung im Bezug auf das FOS berücksichtigt werden müssen. Im Rahmen dieser Thesis wird ein Temperaturprofil aufgenommen, Kohlenstaubproben aus den Brennerleitungen entnommen, Siebanalysen durchgeführt und Kohlenstaubproben gravimetrisch bestimmt. Der Betrieb der swb Erzeugung GmbH & Co. KG erwartet von den Bewertungen der Ergebnisse der einzelnen Messungen eine verminderte Schlackebildung, durch Einbeziehung und Beurteilung der gewonnenen Ergebnisse auf die Feuerungsanlage des Kraftwerksblock 15 und das FOS.

2. Naturwissenschaftliche Grundlagen

2.1 Kohle

Kohle ist ein Sedimentgestein, das durch die Karbonisierung von abgestorbenen Pflanzen zwischen dem Erdzeitalter des Karbons (vor ca. 280 bis 345 Millionen Jahren) und dem Zeitalter des Tertiärs (vor ca. 2,5 bis 65 Millionen Jahren) entstand. Die Ausgangsmaterialien waren hauptsächlich pflanzlichen Ursprungs. Im Zeitalter des Karbons herrschte ein warmes und feuchtes Klima, in dem es einen sehr starken Bewuchs von Pflanzen gab. Auf Grund des feuchten Klimas gab es zu dieser Zeit viele Moore und Sümpfe in denen Bäume, riesige Farne und andere Pflanzen wuchsen. Starben diese Pflanzen ab, versanken sie im Sumpf oder Moor und wurden dem üblichen Zersetzungsprozess unter Sauerstoff aus der Luft an der Erdoberfläche entzogen. An die abgestorbenen Pflanzen im Sumpf, kam somit kein Sauerstoff, sie konnten hier nicht durch aerobe Bakterien zersetzt werden. Aus diesem Grund verfaulten die abgestorbenen Pflanzen nicht, sondern wurden in der ersten Stufe der Umwandlung anaerob zu Torf umgesetzt. Je nach Fachliteratur wird diese Stufe auch als Vertorfung oder Peatification- Diagenese bezeichnet. Die Sümpfe und Moore wurden teils durch Bewegung der tektonischen Platten und die dadurch resultierenden Meereseinbrüche mit Sedimenten aus diesen bedeckt. Im Laufe der Jahrtausende wiederholte sich dieser Prozess mehrfach. Mal lagerte sich Gestein ab, dann wieder abgestorbene Pflanzen. Der Druck der schweren Erdmassen nahm zu und presste das Wasser aus den Torfschichten. Im Zusammenspiel mit höheren Temperaturen, die durch den zunehmenden Druck entstanden und durch einen vorherrschenden biochemischen Prozess führte dies dazu, dass aus dem Torf zunächst Braunkohle wurde. Nach Ablagerungen von immer mehr Pflanzenschichten und Sedimenten, entstand durch die weitere Erhöhung des Drucks immer mehr Verlust von Wasser aus der Braunkohle die Steinkohle. Fachliteratur beschreibt diesen Prozess auch als Inkohlung oder Colefication- Metamorphose. Unter Inkohlung versteht man somit die Umwandlung von abgestorbenen Pflanzen zu Kohle unter Ausschluss von Luft, Erhöhung der Temperatur und Erhöhung des Drucks (vgl. Abb.2.1).

Kohle besteht aus mehr als 50% des Gewichts und zu mehr als 70% des Volumens aus Kohlenstoff. Die entstandene Braunkohle und Steinkohle wird seit dem Zeitalter der Industrialisierung Großtechnisch abgebaut und als Brennstoff heran gezogen. Sie dient seither hauptsächlich der Energiegewinnung durch Verfeuerung in Kohlekraftwerken.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1: Entstehung von Kohle (Eigene Darstellung)

2.1.1 Eigenschaften der Kohle

Kohle in fester Brennstoffform ist in seiner Zusammensetzung stark inhomogen. Das liegt an der Entstehungsgeschichte, dem Abbauort der Kohle und an der dadurch resultierenden Zusammensetzung.

Wie in Kapitel 2.1 beschrieben besteht Kohle hauptsächlich aus der organischen Brennstoffsubstanz Kohlenstoff, aber auch Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel sind wichtige Bestandteile. Zudem beinhaltet die Kohle noch weitere anorganische mineralische Verunreinigungen wie Silizium, Aluminium, Eisen und Calcium. Weitere Elemente, die hingegen einen geringeren Anteil ausmachen sind Magnesium, Titan, Kalium, Natrium, Phosphor, Chlor, und Fluor. Je nach Abbaugebiet und Flöz (ausgedehnte Lagerstätte abbaubarer Kohle) auch unterschiedliche Anteile an Wasser, welche mit zunehmendem Alter der Kohle abnehmen. Kohle als Brennstoff enthält neben den anorganischen Brennstoffzusätzen auch organische Ballaststoffe, zu denen Wasser und mineralische Elemente gehören.

Die brennbaren Subtanzen in der Kohle setzen sich aus Kohlenstoff, Wasserstoff und brennbarem Schwefel zusammen (vgl. Gl. 2-1)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nichtbrennbare Substanzen der Kohle sind Wasser und mineralische Bestandteile (vgl. ZELKOWSKI 1986). Aufgrund verschiedenster Inhaltsstoffe der Kohle wird die Kohle nach dem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen bezogen auf die wasser- und aschefreie Kohle in Kohlearten eingeteilt (vgl. Tab. 2.1). Flüchtige Bestandteile sind die Anteile, die bei Verbrennung von 1 Gramm getrockneter Kohle bei 850°C über einen Zeitraum von 3 Minuten in einem Laborofen entgast werden. Diese entgasten flüchtigen Bestandteile bestehen im wesentlichem aus Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Methan, Teerdämpfen (Cm Hn), zyklischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen sowie Wasserdampf (vgl. Tab. 2.2).

Tab. 2.1: Einteilung der Kohlenarten (vgl. RUHRKOHLEN HANDBUCH 1984, S.19)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 2.2 Komponenten der Flüchtigen Bestandteile (vgl. ZELKOWSKI 1986, S.38)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.2 Kohleanalyse

Die Analyse der Kohlequalität wird anhand der Zusammensetzung und Eigenschaften von Kohleproben mittels der Untersuchung von chemischen, physikalischen, petrographischen und kalorischen Aspekten durchgeführt. Die Kohle muss stets Analysiert werden um Ihre Eigenschaften für die Verbrennung nachvollziehen zu können. Die Eigenschaften der Kohle als Naturprodukt sind fortwährend verschieden und hängen stark von den pflanzlichen Ausgangstoffen und den geologischen Bedingungen währen der Inkohlung ab. Als gebräuchlichste Verfahren zur Kohleanalyse werden so genannte Kurzanalysen, Elementaranalysen und petrographische Analysen heran gezogen. Des Weiteren kommen auch Untersuchungen zum Einsatz die die Korngrößen und die Kornoberflächen berücksichtigen. Die genannten Analysen und Untersuchungen der Kohle dienen zur Beurteilung der Qualität der Kohle und zur Klassifizierung der Kohle (vgl. LINKA 2003). Kohleanalysen werden durchgeführt, um eine annähernde vorhersehbare Verbrennung der Kohle zu gewährleisten.

Die Elementaranalyse erfolgt durch die Aufteilung der Kohle nach den Massenanteilen der elementaren Grundstoffe. Die Massenanteile der Elemente Chlor, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel der brennbaren Materie ergeben zusammen mit dem Wasser (wm) - und dem Aschegehalt (am) in der Summe eins (Gl. 2-2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei der Kurzanalyse wird die Kohle in flüchtige Bestandteile (vm), den festen Brennstoff (cm) sowie Wasser und Asche aufgeteilt, die in der Summe eins ergeben (Gl. 2-3). Diese Analyse gibt ersten Überblick über die Qualität der Kohle. Die Analyse ist zur Klassifizierung der Kohle nach flüchtigen Bestandteilen heran zu ziehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei der petrographischen Analyse erfolgt eine Untersuchung der Mazeralzusammensetzung von Kohlen. Als Mazerale werden mikroskopisch erkennbare Gefügebestandteile der Kohle bezeichnet, die sich durch ihr Reflexionsvermögen unterscheiden und einen entscheidenden Einfluss auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Kohlen haben (zit. LINKA 2003, S. 19). Die Analyse von Mazeralgruppen gibt Aufschluss darüber, wie sich der Anteil an flüchtigen Bestandteilen von Kohle mit unterschiedlichem Inkohlungsgrad voneinander unterscheidet. Das bedeutet, dass zwei Kohlen mit gleichen flüchtigen Bestandteilen unterschiedlich inkohlt sein können und somit verschiedene Verbrennungseigenschaften aufweisen. Auf Grund dieser Tatsache ist die Inkohlung und die Mazeralzusammensetzung ein Kohlequalität definierender Parameter und der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen ein klassifizierender Faktor. Nach den flüchtigen Bestandteilen richtet sich später auch die Kohlenstaubtrocknung in den Kohlemühlen.

2.1.3 Bezugszustände

Ergebnisse aus den Kohleanalysen, werden auf den in Kapitel 2.1.1 genannten ballastfreien Brennstoff, bzw. auf den ballasthaltigen Brennstoff bezogen. Der Gehalt von Einzelkomponenten im Brennstoff ist abhängig vom Zustand der Kohle bei der Untersuchung. Wird die Kohle verbrannt, so verändern sich die mineralischen Elemente chemisch wodurch sich das Gewicht verändert. Die verbleibenden Rückstände werden als Asche bezeichnet. Als Ballastgehalt wird die Summe aus Aschegehalt (mineralische Elemente) und Wassergehalt bezeichnet (Gl. 2-4). Ergebnisse aus den Kohleanalysen werden auf Grund der Nachvollziehbarkeit stets unter Angabe des Bezugszustands angegeben. In Abbildung 2.2 sind die Kennzeichnungen der Bezugszustände angegeben. Außerdem werden die Bezugszustande genutzt um Ergebnisse mit Hilfe von Tabellen (Tab.2.3) zurück auf andere Bezugszustände umzurechnen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab.2.3: Umrechnungskoeffizienten für verschiedene Bezugszustände (vgl. ZELKOWSKI 1986, S. 28)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2 Bezugszustände (vgl. ZELKOWSKI 1986, S.27)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.4 Kohleverbrennung

Als Kohleverbrennung bezeichnet man eine bei hoher Temperatur und unter Wärmeabgabe schnell verlaufende chemische Reaktion. Diese Reaktion findet zwischen Brennstoff und Sauerstoff statt und ist somit eine Oxidation. Die Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff findet besonders intensiv oberhalb bestimmter Temperaturen statt.

Um eine Verbrennung der Kohle zu erreichen, muss diese vorher getrocknet werden. Die Trocknung ist eine notwendige Vorraussetzung für die nachfolgende Entgasung und Verbrennung. Erst nach der Trocknung kann durch weitere Wärmeaufnahme eine Zündtemperatur, erreicht werden. Entsprechend ZELKOWSKI lässt sich der Verbrennungsprozess in verschiedene Stufen unterteilen (vgl. Abb. 2.3).

Abb. 2.3 Abschnitte der Kohleverbrennung (vgl. ZELKOWSKI 1986, S.81)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Vor der eigentlichen Verbrennung der Kohle wird die Kohle durch Wärmezufuhr getrocknet. Anschließend folgt die erste Stufe der Kohleverbrennung. Die erste Stufe beinhaltet die Entgasung und die Zündung flüchtiger Bestandteile. Die Entgasung ist eine chemische Reaktion, welche unter Wärmeeinwirkung erfolgt und je nach Fachliteratur auch Pyrolyse genannt wird. Es findet eine zeitliche Verringerung der Entgasungsgeschwindigkeit mit Zunahme der Zeit statt. Die Zündung beginnt, wenn die bei der Entgasung ausgetretenen Bestandteile in die Umgebung diffundieren. Gleichzeitig müssen die Konzentrationen der flüchtigen Bestandteile mit bestimmten Temperaturen übereinstimmen. Diese Temperaturen hängen im wesentlichen von der Kohlequalität ab. In der zweiten Stufe werden die flüchtigen Bestandteile unter Sauerstoffatmosphäre verbrannt, bis diese restlos verbraucht sind.

Die dritte und vierte Stufe des Verbrennungsprozesses dient der Restkoksverbrennung. Wenn die Oberfläche der Kohle eine genügend hohe Temperatur angenommen hat, beginnt die Restkoksverbrennung. Die Verbrennung dringt hierbei immer tiefer in die Kohle ein und hinterlässt als Verbrennungsrückstand Asche in den Poren der Kohle. Für die Restkoksverbrennung ist Vorraussetzung, dass genügend Sauerstoff unmittelbar an der Oberfläche der Kohle zur Verfügung stehen. Nach der Verbrennung des Restkoks, verbleibt lediglich der mineralische Anteil der Kohle, die Asche zurück.

2.2 Asche

Wird Asche rein chemisch betrachtet, so handelt es sich dabei um den Mineralstoffgehalt der bei der Kohleverbrennung entstandenen Rückstände, d.h. den anorganischen Anteil der Kohle. Asche besteht vor allem aus Oxiden und (Bi)Karbonaten diverser Metalle, z.B. Al2O3, CaO, Fe2O3, MgO, MnO, P2O5, K2O, SiO2, Na2CO3, NaHCO3, TiO2 etc. Somit dient die Asche als Indikator für den Mineralstoffgehalt des Brennstoffs.

Um den Aschegehalt von Kohle im Labor zu bestimmen, wird eine Probe der Kohle bei 815°C im Laboratoriumsofen verbrannt. Diese Analyse wird nach DIN51719 (Norm für die Untersuchung Fester Brennstoffe: „Aschegehalt“) durchgeführt. Die durch die Verbrennung der Kohle entstandene Asche wird

Analysiert und die Ergebnisse in Tabellen und Diagrammen dargestellt. Die Untersuchungen der Asche werden nach DIN51729 (Norm für die Untersuchung von festen Brennstoffen: „Analyse der Brennstoffasche“) durchgeführt. Die Analyse gibt Aufschluss über die Gehalte an Mineralstoffen, kann zur Beurteilung des Ascheschmelzverhaltens heran gezogen werden. Abbildung 2.4 zeigt die Asche aus denen die Proben gezogen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2.4: Steinkohleasche (Eigene Abbildung)

2.2.1 Ascheschmelzverhalten

Das Ascheschmelzverhalten wird heran gezogen, um verschiedene Zustandsformen der Asche bei diversen Temperaturen zu ermitteln. Dies ist wichtig um zu beurteilen ab welcher Temperatur die Asche zur Verschlackung neigt.

Das Schmelzverhalten der Asche wird nach DIN51730 (Norm für die Untersuchung fester Brennstoffe: „Ascheschmelzverhalten“) durchgeführt. Anhand der Untersuchung des Ascheschmelzverhaltens kann das Schmelzverhalten der in der Asche enthaltenen Mineralstoffe bestimmt werden. Die Schmelzeigenschaften werden nur anhand von Brennstoffasche ermittelt. Alle gewonnenen Daten können somit nicht direkt auf die tatsächlichen Verhältnisse in Feuerungsanlagen angewendet werden, weswegen die Ergebnisse des Ascheschmelzverhaltens nur als Vergleich von verschiedenen Brennstoffaschen eingesetzt werden.

Nach DIN51730 wird aus der zu beprobenden Brennstoffasche ein Pressling hergestellt, welcher anschließend bei maximal 10K/min in schwach reduzierender Atmosphäre (60 Vol.-% CO + 40 Vol.-% CO2) oder in oxidierender Atmosphäre, wie zum Beispiel in Luft in einem entsprechendem Ofen erhitzt. Bei verschiedenen Temperaturen nimmt der Pressling, welcher in Form eines Würfels oder in der Form eines Kegelstumpfs hergestellt wurde, verschiedene Zustandsformen an. Diese Formen werden unter zu Hilfenahme eines Aufnahmegerätes festgehalten und die entsprechenden Temperaturen notiert. Besonders kennzeichnende Temperaturen der Schmelzeigenschaften bei der Beprobung der Asche, sind die Erweichungstemperatur, die Sphärischtemperatur, die Halbkugeltemperatur und die Fließtemperatur (vgl. Abb. 2.5). Zu Beginn der Untersuchung besitzt der Prüfkörper die so genannte Einsatztemperatur. Diese Temperatur ändert sich zunehmend und es folgt in der nächsten Phase die Erweichungstemperatur. Die Erweichungstemperatur ist erreicht wenn der Prüfkörper erste Anzeichen einer Formveränderung zeigt. Anschließend folgt die Sphärischtemperatur, welche erreicht ist wenn der Prüfkörper eine Halbkugel ähnliche Form annimmt. Die Halbkugeltemperatur folgt nach der Sphärischtemperatur und ist erreicht, wenn der Prüfkörper zu einer halbkugelförmigen Masse geschmolzen ist. Die Höhe des Prüfkörpers ist bei erreichen dieser Temperatur halb so groß wie die Länge der Grundlinie. Im Anschluss an der erreichten Halbkugeltemperatur knüpft sich die Fließtemperatur an. Diese ist erreicht, wenn der Probenkörper auf ein drittel seiner ursprünglichen Höhe zusammen geschmolzen ist (vgl. DIN51730). Die Untersuchung der Asche auf das Ascheschmelzverhalten hin ist wichtig, um einen Zusammenhang der Verschlackungsneigung der Asche, mit den im Kessel herrschenden Temperaturen herzustellen. Das Schmelzverhalten der Asche kann recht einfach untersucht werden und gibt Aufschluss darüber, ob die Asche bei den Temperaturen im Brennraum Ansätze von Schlacke zeigen wird oder eventuell Einstellungen der Verbrennung entsprechend des Ascheschmelzverhaltens geändert werden müssen.

Abb. 2.5: Aussehen des würfelförmigen Ascheprobekörpers (vgl. DIN51730)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3 Schlacke

Schlacke ist der anorganische Anteil der Kohle, die Asche, der nicht verbrennt und der bei bestimmten Temperaturen als schmelzflüssige Asche auftritt. Die Temperaturen bei denen die Asche ihr Schmelzverhalten ändert sind nicht immer gleich. Dieses liegt an der nicht gleich bleibenden Qualität der Kohle und somit an verschiedenen Qualitäten der Asche (vgl. Kapitel 2.1.2).

Schlacke ist in kohlegefeuerten Kraftwerken ein Problem und es kommt immer wieder zu Verschlackung an den Feuerraumwänden und Heizflächen. Die Schlacke beeinträchtigt den Wärmeübergang auf die Rohrkesselwände in der Feuerung und verschlechtert zum Beispiel den Wirkungsgrad der Anlage.

2.3.1 Definition und Bildung von Schlacke

Der Ascheschmelzpunkt hängt ganz wesentlich von dem verwendeten Brennstoff und dessen Qualität ab. Durch diese Tatsache verändert sich die Neigung der Schlackenbildung erheblich. Der Ascheschmelzpunkt eines Brennstoffes kann starken Schwankungen unterliegen. Je nach Menge und Zusammensetzung der in der Kohle enthaltenen Mineralien ändert sich das Verhalten der Asche während des Verbrennungsprozess. Schlacke entsteht vor allem an den Bereichen der Kesselbrennraumes, an denen hohe Temperaturen herrschen. Diese Bereiche sind häufig die an den Brennern und den Brennkammerwänden.

Die Bildung der Schlacke wird durch viele Faktoren beeinflusst. Einer der wichtigsten Einflussfaktoren ist die Aschezusammensetzung, welche die Umwandlung des anorganischen Anteils der Kohle bei der Verbrennung stark beeinflusst. Weitere Einflussfaktoren, die die Entstehung der Schlacke beeinflussen können sind physikalische und strömungsmechanische Vorgänge, die in der Brennkammer vorliegen (vgl. Abb. 2.6). Zum Ablauf des Aufbaus der Schlacke kann laut ZELKOWSKI von einem ersten Ansatz einer Urschicht als Grundlage für die Verschlackung ausgegangen werden (vgl. Abb. 2.6). Diese Urschicht entsteht durch Kontakt einer Oberfläche mit der Brennstoffflamme. Die Urschicht entsteht durch Kondensierung von verdampften Komponenten der Asche oder durch physikalische Anhaftungen (Adhäsion) von kleinsten Ascheteilchen der Flugasche direkt an den Kesselwänden. Auf der Urschicht können sich nun die geschmolzenen Anteile der Asche absetzen. Die Urschicht ist 0,2mm bis 0,5mm stark und kennzeichnet sich durch hohe Isoliereigenschaften aus. Ansätze werden je nach Fachliteratur auch Schlacke oder Deckschicht genannt (vgl. Abb.2.7). Die Neigung der Asche zur Verschlackung kann Anhand von verschiedenen Faktoren beschrieben und beurteilt werden. Diese Kennzahlen werden von ZELKOWSKI als Kennzahlen der Verschlackungsfähigkeit bezeichnet. Der Verschlackungsfaktor, der Verschmutzungsfaktor, das SiO2 Verhältnis, das Basen-/ Säureverhältnis und die Mineralkennzahl sind genannte Kennzahlen.

Das FOS bezieht für die Funktion der vorhersage der Verschlackungsneigung diese Faktoren mit ein. Generell wird auch in anderen Kraftwerken die Verschlackungsneigung nach diesen Faktoren bestimmt.

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