Einführung in Lösungen zur Erweiterung und Effizienzsteigerung von kleinen und mittleren Kreislaufstrichterfeuerungsöfen

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In einer Papierfabrik in Fujian weist der Dampfkessel mit einer Leistung von 15 t/h Probleme auf: Die Leistung des Kessels ist unzureichend, die Temperatur des überhitzten Dampfs ist zu niedrig und die Temperatur der Abgase ist zu hoch. Um diese Probleme zu lösen, wurde der Kessel optisch verbessert – mit guten Ergebnissen. Im Folgenden werden das Konzept der Verbesserungen sowie die Betriebsbedingungen beschrieben:
I. Projektübersicht: Die Energieanlage der Papierfabrik in Fujian verfügt über einen Dampfkessel mit einer Leistung von 15 t/h sowie einen Dampfturbinen-Generator mit einer Leistung von 1,5 MW. Der Kessel stammt von einem Hersteller in Hunan und handelt sich um einen Dampfkessel mit niedrigerem Wirkungsgrad. Er arbeitet bei mittlerer Temperatur und mittlem Druck. Es handelt sich um einen Kessel mit einem einzigen Kesselrohr sowie einer wassergekühlten Wandstruktur. Der Kessel verfügt außerdem über einen Hochtemperaturseparator mit L-förmigen Rückflussventilen. Am Ende des Kessels befinden sich zwei Überhitzer, drei Spareheizgeräte sowie ein Satz Luftvorwärmer. Sowohl der Kesselraum als auch der Separator sowie die Abgasröhren sind mit einer robusten Wandkonstruktion ausgestattet. Der Kessel verwendet Steinkohle aus Longyan. Die Niedrigwertigkeit dieser Kohle beträgt etwa 4800 Kcal/kg. Seit dem Betrieb des Kessels gibt es folgende Probleme: 1. Die Leistung des Kessels reicht nicht aus, um den Bedarf an Dampf für die Papierherstellung zu decken. Die maximale Leistung liegt bei etwa 10 t/h. Zudem liegt die Temperatur im Brennraum bereits über 1000 °C. 2. Die Temperatur des überhitzten Dampfs ist äußerst niedrig; ohne Zufuhr von Kühlmittel beträgt die Temperatur des Hauptdampfs nur etwa 380 °C. Dadurch kann die Dampfturbinen-Generatoreinheit nicht in Betrieb genommen werden, was die Wärmeeffizienz der Anlage sowie die wirtschaftlichen Vorteile des Unternehmens erheblich beeinträchtigt. 3. Die Abgastemperatur beträgt bis zu 220 °C, wodurch die Filterbeutel der Staubabscheider häufig zerstört werden. Um die oben genannten Probleme zu lösen und die Auslastung der Anlage sowie die gesamte Wärmeeffizienz zu verbessern, beschloss der Kunde, den Kessel umfassend zu modernisieren. II. Prinzipien und Ansätze für die Umgestaltung
1. Die Umgestaltung erfolgt unter Berücksichtigung der Prinzipien Sicherheit, Zuverlässigkeit, Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Umweltschutz. Das bedeutet, dass unter Berücksichtigung der Leistung und des Funktionsumfangs des Kessels möglichst die vorhandenen Systeme sowie die Strukturkomponenten genutzt werden. 2. Der Kessel arbeitet einzeln – es gibt keinen Ersatzkessel. Zudem gibt es in der Umgebung des Werks keine weiteren Wärmequellen. Eine Modernisierung des Kessels bedeutet daher einen Stillstand der gesamten Fabrik. Deshalb muss bei der Planung der Modernisierung darauf geachtet werden, die Dauer der Arbeiten so weit wie möglich zu verkürzen. 3. Der ursprüngliche Kessel war ein Kessel vom Typ Kreislauf-Glasstrahlofen mit niedriger Verdichtungsrate und einer massiven Ofenwand; er war im Innenraum angeordnet. Unter Berücksichtigung von Standort, Investitionskosten und Bauzeit wird bei dieser Modernisierung weiterhin ein Ofentyp mit niedriger Verdichtungsrate verwendet. Die Höhe des ursprünglichen Kessels bleibt unverändert. Dabei werden der ursprüngliche Kesseldeckel, der Trenner, der obere Teil des Kessellaufs sowie das Rohrleitungssystem genutzt, um das Verbrennungssystem neu zu gestalten. Zudem wird die Heizfläche am Ende des Kessels optimiert, um die Probleme wie unzureichende Leistung, niedrige Dampftemperatur und hohe Abgastemperaturen zu beheben. Drei, Konkrete Maßnahmen zur Umgestaltung: 1. Der untere Teil des Ofenraums wird in eine Struktur mit unterschiedlichen Höhen umgewandelt. Dabei werden der untere Teil des Ofenraums sowie das Lufteinsatzsystem umgebaut. Die Fläche des Hauptbetts beträgt 2,24 m², die Fläche des Nebenbetts 3,92 m². Die Fläche der Lufteinsatzplatten erhöht sich von ursprünglich 3,8 m² auf 6,16 m². Im Nebenbett sind 22 Rohre verlegt, auf einer Fläche von etwa 21 Quadratmetern. Der Zweck der Änderung besteht hauptsächlich darin, auf der bestehenden Struktur des Feuerrohrs die Verbrennungsbedingungen im Kessel zu optimieren. Dadurch soll bei gleichbleibender Leistung des Kessels die Verbrennungseffizienz gesteigert werden. Zudem ermöglicht die Anordnung der Rohre in einer Zone mit hoher Position, feinem Korngröße und niedriger Fließgeschwindigkeit eine Lösung des Problems der Abnutzung der Rohre, das bei Kesseln mit geringerem Verhältnis von Fläche zu Volumen häufig auftritt. 2. Die entsprechenden Leitungen für Wasser und Dampf werden angepasst, um den Anforderungen der Strukturänderung gerecht zu werden ； 3. Angesichts der hohen Kosten sowie des langen Installationszeitraums bei einer Erhöhung der Ofenkammer – außerdem müssten alle hitzebeständigen Materialien erneut bereitgestellt werden – ist die Gesamteffizienz zwar etwas höher, doch der Gesamtwert ist nicht besonders gut. Zudem reichen die ursprünglichen Abmessungen der Ofenkammer aus, um die Leistungsanforderungen der Kessel mit einer Leistung von 15 T zu erfüllen. Daher wird bei diesem Plan die Ofenkammer nicht erhöht, und auch der Trenner muss nicht angepasst werden ； 4. Die Anzahl der Reihen des Hochtemperaturüberhitzers wurde von 7 auf 11 erhöht. Die Spezifikationen der Rohre wurden auf Φ32*3,5 geändert, um die Anforderungen bezüglich der Strömungsgeschwindigkeit sowie der Dampfeigenschaften zu erfüllen ； 5. Die Anzahl der Rohre im Niedertemperatur-Überhitzer wurde von 10 auf 14 erhöht. Die Rohrdimensionen wurden auf 32*3,5 geändert, um die Anforderungen bezüglich der Strömungsgeschwindigkeit sowie der Dampfeigenschaften zu erfüllen. Sowohl die Ein- und Auslasskästen des Überhitzers als auch die Kühlkästen wurden vollständig ersetzt. Zur Kühlung wird ein Flächenkühler verwendet ； 6. Die Anzahl der Hochtemperatur-Steine wurde von 16 auf 22 erhöht ； Zwischen dem Kondensator für niedrige und mittlere Temperaturen wurde ein Übergangskollektor eingefügt, um Wartungsarbeiten zu erleichtern. Die Anzahl der Rohrsegmente wurde von 24 auf 22 verringert, um die Geschwindigkeit der Rauchgase zu senken ； 8. Der Vorwärmert wird in eine Struktur mit unabhängigen Rohrboxen für die Primär- und Sekundärluft umgewandelt. Die Gesamthöhe der Rohrboxen erhöht sich um 35 %. Die Rohrboxen sind so angeordnet, dass die Primär- und Sekundärluft getrennt voneinander fließen können. Dadurch wird die Dichtheit gewährleistet, während gleichzeitig die Heizfläche sowie die Wärmeübergabeeffizienz verbessert werden. 40 % der Luft ist Primärluft, 60 % Sekundärluft. Die Spezifikationen sowie die Anordnung der Rohre bleiben unverändert. 9. Der L-förmige Rückführer wird durch einen U-förmigen Rückführer ersetzt, um die Steuerung des Rückflusses zu erleichtern. 10. Der Kessel verwendet Steinkohle aus Longyan – diese weist einen hohen Anteil an Feinstaub auf und brennt nur schwer vollständig ab. Deshalb wurde die Kohlezufuhr in Form eines Druckspiralsystems in den dichten Phasenbereich des Hauptfeuerraums umgestellt, um die Verweildauer der Kohle im Ofen zu verlängern und so die Verbrennungseffizienz zu gewährleisten. 11. Um den Anforderungen der Ausstattung des Differenzialbettes gerecht zu werden, muss der Kessel mit einem zusätzlichen Gebläse ausgestattet werden, das als Primärgebläse dient (Luftmenge: 9000 m³/h, Gesamtdruck: 13500 Pa). Das ursprüngliche Gebläse wird dann als Sekundärgebläse verwendet, wobei das vorhandene Abluftgebläse weiterhin genutzt wird. IV. Betriebszustand nach der Modernisierung
Mit den Arbeiten zur Modernisierung des Kessels begann man Mitte August 2018; sie waren Anfang Oktober 2018 abgeschlossen. Der Kessel wurde erst am 3. Januar 2019 in Betrieb genommen – aus Gründen im Zusammenhang mit den Produktionsplänen des Kunden verzögerte sich der Betriebsbeginn. Insgesamt funktionierte der Kessel stabil. Der Betriebszustand nach der Modernisierung ist wie folgt: 1. Die Dampferzeugungskapazität des Kessels beträgt 15 t/h. Im Rahmen dieser Belastung kann der Kessel sicher und stabil über einen längeren Zeitraum arbeiten. Die Temperatur im Kessel liegt bei etwa 950 °C. 2. Die Temperatur des überhitzten Dampfes erreicht die vorgesehene Wert von 450 °C, und die Menge des zur Abkühlung verwendeten Wassers liegt im vorgesehenen Bereich. Dadurch werden die Anforderungen an die Eingangsbedingungen des Dampfturbsins erfüllt, **was die gesamte Wirkungsgrad der Anlage verbessert. 3. Die Abgastemperatur bei der Nennbelastung beträgt etwa 158 °C, was den Anforderungen entspricht. 4. Der Kessel benötigt nur eine Zündfläche – die Fläche dieser Zündfläche ist im Vergleich zu vor der Umgestaltung kleiner. Dadurch wird die Zündzeit verkürzt und es werden weniger Kosten für das Zündbenzin benötigt. 5. Der Kohlenstoffgehalt des Schlackes ist im Vergleich zu vor der Umgestaltung gesunken. Dies liegt hauptsächlich daran, dass durch den Einsatz eines Brennsystems mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten im Brennraum die innere Zirkulation verbessert wurde und dadurch die Verweildauer der Materie im Ofen verlängert wurde. 6. Da die Rohre im Nebenbett angeordnet sind, weist das in den Ofen eingebrachte Kohle einen hohen Heizwert sowie einen niedrigen Aschengehalt auf. Dadurch erfolgt beim Starten des Kessels eine langsamere Erhöhung der Last. Es wird empfohlen, vor dem Anzünden so viel Kohle wie möglich ins Nebenbett zu geben. Beim Anzünden sollte Kohle mit einem niedrigeren Heizwert verwendet werden. So kann nach dem Start des Nebenbetts schnell ein Druckunterschied im Materialbett erzeugt werden, wodurch die Zeit bis zur Erhöhung der Last verkürzt wird. V. Schlussbemerkung: Aus der Vergleichsanalyse der Betriebsdaten vor und nach der Modernisierung geht hervor, dass die Belastbarkeit des Kessels, die Parameter des Dampfs sowie die Abgastemperaturen alle den gestellten Anforderungen entsprechen. Nach Inbetriebnahme der Dampfturbinen wurde eine effiziente Nutzung der Dampfthermie erreicht, was dem Unternehmen erhebliche Vorteile brachte. Somit wurden mit dieser Erweiterungs- und Effizienzsteigerungsmaßnahme die angestrebten Ziele erreicht.