Wtp 05 Kessel

Einleitung

• genehmigungsbedürftig: Brauereien mit 5000 hl Verkaufsbierausstoss, Mälzereien -> vollständige Emissionserklärung
• verkürzte Emissionserklärung bei Gas und Heizöl EL

Aufbau einer Kesselanlage

• Umwandlung chemisch gebundener Energie in Wärme
• Übertragung der Wärme durch Strahlung und Konvektion an Wärmeträger
• Bestandteile: Kessel, Brenner, Verbrennungsluftgebläse, thermischer Entgaser, Kondensatsammelbehälter, Speisewasserpumpe, Sicherheits- und Regeleinrichtungen

Feuerung

• Heizwert: Wärme die bei vollständiger Verbrennung frei wird, wenn Produkt wieder auf 25 °C zurückgekühlt wird. Wasserdampf bleibt dampfförmig
• Brennwert: Wärme, die bei vollständiger Verbrennung frei wird, wenn Produkt auf 25 °C gekühlt wird und die Kondensationswärme abgegeben wird. Wasserdampf wird kondensiert.
• spezifische Verdampfungswärme: Wärme, die benötigt wird um eine Flüssigkeit zu verdampfen, ohne dass sich diese erwärmt.
• Kohlenmonoxid senkt Kesselwirkungsgrad (unvollständige Verbrennung)
• Schwefel senkt Heizwert (niedrige Reaktionsenthalpie) und kann zu Schwefelsäure auskondensieren
• Ruß ist Produkt unvollständiger Verbrennung, Bestimmung Rußzahl < 1
• Mischung Verbrennungsgas und Verbrennungluft im Kessel nicht optimal (kurze Verweilzeit) -> Zuführung von mehr Luft als nötig
• Luftverhältnis $\lambda$: Verhältnis tatsächlich zugeführter Luftmasse zur stöchiometrischen Luftmasse

Wärmeübertragung an Wärmeüberträger

• Kessel ist Feuerraum und Wärmeüberträger
• Brennkammer -> Strahlung
• Abgaszüge -> Konvektion

Dampf

Dampferzeugung

• drei Phasen
  • Erwärmung Wasser bis Siedepunkt
  • Verdampfung Wasser (Temperatur und Druck konstant)
  • Überhitzung Wasserdampf (Temperatur, spezifisches Volumen steigt)
• Heißdampf ist schlechter Wärmeleiter als Sattdampf (70 <—> 7000)

Dampfkesselprozess

• Speisewasser erwärmt bis Siedetemperatur, Verdampfen durch Einbringen von Verdampfungswärme
• aufsteigender Dampf nimmt Wassertröpfchen mit (Naßdampf) -> Abscheider, Dampfdom -> Sattdampf
• Dampferzeugung bei höherem Druck
  • kleinere Frischdampfleitungen nötig
  • Drosselung vor Verbraucher

Dampferzeuger

• Angabe in kg/h (Heisswassererzeuger) oder m³/h (Dampferzeuger)
• Großwasserraumkessel

Der Kessel

• Dreizugkessel
  • erster Zug: Flammrohr geht in innere (nasse) Wendekammer
  • zweiter Zug: Rauchrohrbündel (große Übertragungsfläche) geht in äußere (trockene) Wendekammer (Revision)
  • dritter Zug: Rauchrohrbündel geht in Fuchs zum Schornstein
• Schwankung Wasserstand -> Speisewasser
• Dampfraum = Kesselvolumen - Wasserraum
• je größer Verdampfungsoberfläche, desto weniger Wasser im Dampf (Dampf hat dann eine geringere Geschwindigkeit)

Nutzung der Abgaswärme

• Trockener Betrieb des WÜT: Abkühlung Rauchgas über Kondensationspunkt -> Aufheizen des Speisewassers
• Nasser Betrieb des WÜT: Abkühlung unter Kondensationswärme
  • erdgasbeheizt, weil kein Ruß oder Schwefel
  • korrosionsbeständiger WÜT
  • Kondensationswärme steht zur Verfügung
  • Niedrigtemperaturverbraucher

Die Feuerung

• Brennstoff möglichst fein zerstäuben oder verdampfen, Mischung mit Verbrennungsluft, Steuerung der Verbrennung
• Verdampfungsbrenner, Zerstäubungsbrenner, Rotationszerstäuberbrenner
• Rotationszerstäuberbrenner
  • Zerstäuberbecher verteilt Heizöl auf Innenwand
  • Abschleudern des Öls an Wand und Mitreissen von Primärluft
  • gleichmäßige Zerstäubung (auch Teillast)
  • Zündung durch Zündelektroden
• Gasgebläsebrenner

Wirkungsgrad von Dampferzeugern

• direkte Methode: Bilanz zu- und abgehende Stoffströme

(1)

\begin{align} \eta_K = \frac{Nutzen}{Aufwand} = \frac{\dot{Q}_{FD} - \dot{Q}_{SpW}}{\dot{m}_{Br} \cdot H_u} \end{align}

• indirekte Methode: Bestimmung von Einzelverlusten und Abzug von 100 % (Abgasverluste, Abschlämmverluste, Absalzverluste, Strahlungsverluste)

(2)

\begin{align} \eta_K = 100 \% - V_{AG}- V_{Schl}- V_{Sa}- V_{St} \end{align}

• feuerungstechnische Wirkungsgrad: nur Abgasverluste
• Bereitschafts- und Anfahrverluste: Brennerstillstnad
• Jahresbetriebswirkungsgrad

Verluste durch fühlbare Wärme im Abgas

• Verlustformel nach Siegert
• brennstoffspezifisch Verlustbeiwert $\sigma$

(3)

\begin{align} V_{AG} = \sigma \cdot \frac{t_{AG} - t_L}{[CO_2]} \end{align}

Verluste durch Abschlämmen/Absalzen

• Zusatzspeisewasser bringt Salze ein
• zuviele Salze: Schäumen und Spucken -> Verunreinigungen in Dampfleitungen
• zu wenig Salze: Korrosionsgefahr des Kessels
• Absalzen in Normalwasserstand

• Calcium-, Magnesiumsalze fallen als Schlamm aus
• Kesselstein verringert Wärmeübergang
• Bestimmung über herstellerspezifische Diagramme

Verluste durch Strahlung und Leitung

• Messung nicht möglich, Erfassung über Erfahrungswerte
• Strahlungsverluste bleiben bei Teillast auch konstant (konstante Temperatur)

Anfahrverluste

• Flammenüberwachungs- und Regelgeräte
• vor Anfahren Spülen mit Frischluft, damit keine Verpuffungen stattfinden können
• Frischluft kühlt die heißen Kesselzüge

Verluste durch Dampfbedarf zur Ölvorwärmung, Tank- und Leitungsbeheizung

• schweres Heizöl muss viskos gemacht werden zum Transport und zur Zerstäubung
• Messung des Wärmebedarfs über eine Kondensatmessung

Eigenbedarf an elektrischer Energie

• Gebläseantrieb (in Teillast noch sehr hoch)
• Einsatz von drehzahlgeregelten Motoren
• Überwiegend im klein- und mittellastbereich optimal