Erfahrungen beim Verschleißschutz in Abfallverbrennungsanlagen mit unterschiedlichen Frischdampfdrücken

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1 Verschleißschutz in MVAs mit unterschiedlichen Frischdampfdrücken Erfahrungen beim Verschleißschutz in Abfallverbrennungsanlagen mit unterschiedlichen Frischdampfdrücken Harald Lehmann 1. Anlagenaufbau der Abfallverbrennungsanlagen Rüdersdorf und Rostock Brennstoff- und betriebsbedingte Verschmutzungen im Dampferzeuger Allgemeines Rüdersdorf Rostock Verschleißerscheinungen und Optimierung des Verschleißschutzes im Dampferzeuger Allgemeines Rüdersdorf Cladding im 1. Zug Cladding an den Schottenüberhitzern im 2. Zug Überhitzer im 3. Zug Rostock SiC-Plattensysteme im 1. Zug HVOF-Beschichtung im 2. Zug Überhitzer im 4. Zug Mögliche Optimierungsmaßnahmen und Ausblick Zusammenfassung Literaturverzeichnis Die Vattenfall Europe New Energy Ecopower GmbH mit Sitz in Rüdersdorf bei Berlin ist eine 100%ige Tochtergesellschaft der Vattenfall Europe New Energy GmbH mit Sitz in Hamburg. Die Vattenfall Europe New Energy Ecopower GmbH betreibt die beiden Abfallverbrennungsanlagen Rüdersdorf und Rostock. In der am östlichen Rand von Berlin gelegenen Abfallverbrennungsanlage Rüdersdorf werden aufbereitete Siedlungsabfälle hauptsächlich aus dem Raum Berlin-Brandenburg thermisch verwertet. Da eine Wärmeauskopplung zum Zeitpunkt der Planung 517

2 Harald Lehmann Bild 1: Abfallverbrennungsanlage Rüdersdorf noch nicht möglich war, wurde bei der Konzeption der Anlage auf einen möglichst hohen elektrischen Wirkungsgrad von etwa 30% geachtet. Die Abfallverbrennungsanlage Rüdersdorf ist seit 2009 im bestimmungsgemäßen Dauerbetrieb, bis zum wurden Betriebsstunden absolviert. Bild 2: Abfallverbrennungsanlage Rostock Die Abfallverbrennungsanlage Rostock befindet sich im Überseehafen Rostock und erhält die aufbereiteten Abfälle aus der in unmittelbarer Nachbarschaft gelegenen mechanisch-biologischen Aufbereitungsanlage (MBA). In dieser MBA werden die in der Hansestadt Rostock und in den umliegenden Landkreisen anfallenden Siedlungsabfälle behandelt. In Rostock konnte schon von Beginn an eine Kraft-Wärme-Kopplung realisiert werden. Der an der Turbine zusätzlich entnommene Niederdruckdampf wird hier als Ferndampf ganzjährig einem Industrieunternehmen im Überseehafen für Produktionszwecke zur Verfügung gestellt. 518

3 Verschleißschutz in MVAs mit unterschiedlichen Frischdampfdrücken Die Abfallverbrennungsanlage Rostock ging nach drei Jahren Bauzeit im März 2010 in den bestimmungsgemäßen Dauerbetrieb. Bis zum lief die Anlage Betriebsstunden. Wegen der bei Planungsbeginn sehr verschiedenen Rahmenbedingungen weisen die Kesselkonzepte der Abfallverbrennungsanlagen Rüdersdorf und Rostock deutliche Unterschiede auf. Neben der Baugröße variieren die Bauart und der Frischdampfdruck. In Verbindung mit der inhomogenen Zusammensetzung des Brennstoffs Abfall führen diese verschiedenen Kesselkonzepte auch zu einem unterschiedlichen Betriebsverhalten bei Verschmutzungen und Verschleiß. 1. Anlagenaufbau der Abfallverbrennungsanlagen Rüdersdorf und Rostock Im Grundaufbau der Gesamtanlage ähneln sich die Abfallverbrennungsanlagen Rüdersdorf und Rostock zunächst. Kernstück beider Anlagen sind die mit einer wassergekühlten Rostfeuerung ausgestatteten Dampferzeuger und nachgeschaltet eine quasitrockene Abgasreinigung. Die Entstickung der Abgase erfolgt bereits im Kessel durch Eindüsung von Ammoniakwasser (Rüdersdorf) bzw. Harnstoff (Rostock) NO x -Reduzierung nach dem SNCR-Verfahren (selektive nichtkatalytische Reduktion). Nach dem Kesselende treten die Abgase mit den enthaltenen Schadstoffen und dem mitgerissenen Flugstaub aus dem Dampferzeuger mit etwa 185 C bis 190 C in die erste Komponente der Abgasreinigungsanlage, den Sprühabsorber, ein. In den Sprühabsorber werden Kalkmilch und Wasser eingedüst, so dass die im Abgas enthaltenen sauren Schadgase wie HCl, SO 2 und HF mit der aus Branntkalk erzeugten Kalkmilch chemisch reagieren. Gleichzeitig wird durch die Wasserverdampfung die Temperatur des Abgases auf etwa 135 C bis 140 C abgesenkt und die Reaktionsprodukte werden getrocknet. Nach dem Sprühabsorber wird zur trockenen Absorption der sauren Abgasinhaltsstoffe Kalkhydrat und zur Adsorption organischer sowie gasförmiger metallischer Stoffe mahlaktiver Herdofenkoks (HOK) in die Abgaskanalstrecke eingedüst. Im Filterkuchen des Gewebefilters finden die Nachreaktionen statt. Die angelagerten Reststoffe Flugstaub, Reaktionsprodukte und auch nicht reagierte Kalkprodukte werden kontinuierlich an den Filterschläuchen im Gewebefilter abgetrennt und ausgeschleust. In Rostock wird zur Erhöhung der Effizienz noch ein Teil des Reststoffes rezirkuliert. 519

4 Harald Lehmann Prozessdampf Harnstoff Abfall Frischdampf Turbine Strom Kondensat Luftkondensator Luft Kalkmilch Wasser suspension Abgasreinigung Reingas Rost Schlacke SNCR Dampferzeuger Kalkhydrat Herdofenkoks Sprühabsorber Gewebefilter Kesselstaub Flugstromreaktor Saugzug Bild 3: Filterstaub Anlagenschema Rostock Bei der Baugröße und vor allem beim Frischdampfdruck gibt es bei den Abfallverbrennungsanlagen Rüdersdorf und Rostock die ersten wesentlichen Unterschiede. Einheit Rüdersdorf Rostock Brennstoffdurchsatz im Betrieb t/a Feuerungswärmeleistung MW Dampfmenge nominal t/h Dampfdruck bar (ü) Dampftemperatur C elektrische Leistung brutto MW Wärmeauskopplung MW (bar, C) Projekt 20 (16, 260) R1-Kriterium 0,65 bis 0,68 0,78 bis 0,8 Tabelle 1: Anlagendaten Eine besondere Eigenheit in Rüdersdorf ist der erstmalige Einsatz einer direkt im Abgasstrom angeordneten Zwischenüberhitzung in einer Abfallverbrennungsanlage. Diese Technologie zur Leistungs- und Effizienzsteigerung ist sonst nur aus der konventionellen Kraftwerkstechnik bekannt. Im Wärmeschaltbild ist dargestellt, wie der Frischdampf den Kessel mit 420 C und 90 bar verlässt und nach der ersten Stufe der Turbine mit etwa 25 bar wieder zum Kessel zurückgeführt wird. Nach der Aufheizung auf eine Temperatur von wiederum 420 C wird der Dampf in der 2. Turbinenstufe auf etwa 60 mbar entspannt und anschließend im Luko kondensiert. In Rüdersdorf wurde eine kompakte Dampferzeugerkonstruktion in Vertikalbauweise gewählt und der Endüberhitzer als Schottenheizfläche im 2. Zug angeordnet. Für diese Schottenheizfläche im 2. Zug wurde der Überhitzer 3 und der Zwischenüberhitzer 2 in der Tiefe in insgesamt 2 x 12 Schotten aufgeteilt, die durch die Kesseldecke mit den außen liegenden Sammlern verbunden sind. Durch diese Anordnung der Schotten 520

5 Verschleißschutz in MVAs mit unterschiedlichen Frischdampfdrücken ergibt sich rauchgasseitig im Durchtrittsbereich des 1. zum 2. Zug eine Queranströmung der Rohrreihen durch die Abgase, was verschleißtechnisch hohe Ansprüche stellt. Die Schottenheizflächen im 2. Zug haben deshalb zum Schutz gegen Korrosion rundgecladdete Rohre erhalten. 420 C / 90 bar 420 C / 23,4 bar 269 C / 25,4 bar 38,5 C / 0,068 bar Bild 4: Rüdersdorf Wärmeschaltbild mit Zwischenüberhitzung Im 3. Zug sind die anderen Heizflächen für die Zwischenüberhitzung und für den Hochdruckdampf angeordnet. In der Grundausstattung wurde der 3. Zug ohne gesonderte Schutzmaßnahmen gegen Verschleiß ausgeführt, lediglich die Rohrwandstärken wurden etwas höher dimensioniert. Die Reinigung der Rohrbündel im 3. Zug erfolgt mit Dampfrußbläsern. Bild 5: Schottenheizflächen Rüdersdorf Längsschnitt Dampferzeuger Zum Schutz des Feuerraumes und des 1. Zuges wurde keine Ausmauerung verwendet, sondern Cladding mit Inconel 625 komplett für alle Rohrwände von den Rostrandrohren bis zur Kesseldecke eingesetzt. Die Aufschweißungen des Inconel 625 erfolgten dabei werkstattseitig bei der Herstellung der Membranwände und Rohre. Im Gegensatz zu Rüdersdorf wurde die Anlage Rostock als Horizontalzugkessel konzipiert. Um hohe Verfügbarkeiten zu erreichen wurden mit 405 C und 42 bar (ü) moderate Dampfparameter vorgesehen. Dazu wurde in Rostock das bei Abfallverbrennungsanlagen bewährte Konstruktionsprinzip gewählt, wonach der 2. Zug und 3. Zug wegen der zu erwartenden Verschlackungsneigung vorzugsweise als Leerzug mit in den Verdampfer 521

6 Harald Lehmann integrierten Membranwänden ausgeführt ist. Im 4. Zug sind die Konvektivheizflächen mit Schutzverdampfer, Überhitzer (erster Überhitzer vor Endüberhitzer) und Economizer angeordnet. Bild 6: Rostock Längsschnitt Dampferzeuger Tabelle 2: Rüdersdorf und Rostock: Vergleich Anlagenkomponenten System Komponente Rüdersdorf Rostock Dampferzeugung Kessel Naturumlaufkessel Naturumlaufkessel mit 4 vertikalen Zügen mit 3 vertikalen Zügen und 1 Horizontalzug Verschleißschutz/ 1. Zug: Vollcladding 1. Zug: VHT-Plattensystem, Grundausstattung 2. Zug: Cladding Schotten Zünddecke Spritzbeton ÜH/ZÜH Decke Cladding 2. Zug: HVOF-Beschichtung Kesselreinigung 2. Zug: ohne 2. Zug: SCS 3. Zug: Dampfbläser 3. Zug: SCS 4. Zug: ohne 4. Zug: Klopfer Rost 3-bahnig 1-bahnig 5 Zonen 4 Zonen wassergekühlt: Zonen 1 bis 4 wassergekühlt: Zonen 1 bis 3 Verbrennungsluft Primär- und Sekundärluft Primär- und Sekundärluft Abgasrezirkulation (zugemischt) Entaschung Stößel-Nassentschlacker Kratzer-Nassentascher Abgasreinigung SNCR Eindüsung Ammoniakwasser Eindüsung Harnstoff 3 Ebenen möglich 2 Ebenen möglich Sprühabsorber Drehzerstäuber Drehzerstäuber Comline Sanderson LAB U/min U/min Eindüsung Eindüsort Abgaskanal Eindüsort Umlenkreaktor Kalkhydrat/HOK Filterstaubrezirkulation keine Eindüsung in den Umlenkreaktor Stromerzeugung Dampfturbine Kondensationsturbine Entnahmekondensationsturbine mit ZÜ-Einbindung Dampfauskopplung vorbereitet/projekt für externe Ferndampflieferung 522

7 Verschleißschutz in MVAs mit unterschiedlichen Frischdampfdrücken Zum Schutz der Verdampferrohre wurde der erste Zug bis etwa 3 m unter die Decke mit hinterfüllten SiC-Platten ausgestattet. Darüber kam an den Membranwänden und an der Decke des 1. Zuges Cladding mit Inconel 625 zum Einsatz. Im 2. Zug erhielten die Decke und die Membranwände eine thermische Spritzbeschichtung (HVOF-Beschichtung). Um den bekannten und auch erwarteten Verschmutzungs- und Korrosionsproblemen Rechnung zu tragen ist für die Leerzüge 2. und 3. Zug eine Sprühreinigung installiert. Im 4. Zug kommen Klopfer für die Reinigung der Rohrbündel zum Einsatz. 2. Brennstoff- und betriebsbedingte Verschmutzungen im Dampferzeuger 2.1. Allgemeines Die Verfügbarkeit der Abfallverbrennungsanlagen wird von den Reisezeiten geprägt, die vor allem von den Verschmutzungen im Feuerraum und an den Heizflächen entlang des Abgasweges abhängen. Die Ablagerungen führen zu einer Verminderung der Wärmeübertragung vom Abgas auf den Wasser-Dampf-Kreislauf und beeinflussen die Korrosion der Heizflächen. Bei starken Beeinträchtigungen der Wärmeübertragung durch Verschmutzungen, durch Belege oder Wechten muss der Anlagenbetrieb außerplanmäßig für Reinigungsarbeiten unterbrochen werden, was sich letztlich auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt. Die Brennstoffzusammensetzung, die Verbrennungsbedingungen und die Konstruktion des Dampferzeugers bestimmen die Bildung und Struktur der Beläge. Zu beobachten sind Beläge mit einem lockeren, porösen Aufbau bis zu versinterten Strukturen und im Verlaufe der Reisezeit entstehen schmelzflüssigen Ablagerungen. Neben den korrosiven Schäden beeinflussen die Anwachsungen insbesondere auch die Luftführung der Sekundärluftdüsen und schaffen damit ungleichmäßige Verbrennungsbedingungen. Hohe Inertgehalte im Brennstoff Abfall begünstigen dabei die Ablagerungen auf den Heizflächen. Bei den in Rüdersdorf und Rostock thermisch verwerteten Abfällen handelt es sich um überwiegend gewerbe- und hausmüllähnliche Siedlungsabfälle, die vor Einsatz in den Abfallverbrennungsanlagen einer Aufbereitung unterzogen wurden. Der Grad der Aufbereitung nimmt dabei immer mehr ab. Die Abfallverbrennungsanlagen Rüdersdorf und Rostock sind für Heizwerte der Abfälle von 11 bis 18 MJ/kg ausgelegt. Der Heizwert hat sich seit der Inbetriebnahme von etwa 12,8 MJ/kg auf zuletzt etwa 12, 2 MJ/kg verringert. Mit der Bildung und dem Aufbau von Belagsschichten sind die Voraussetzungen für die Verschleiß- und Korrosionserscheinungen an den Heizflächen und deren Schutzvorrichtungen gegeben. Dazu kommt die mit Zunahme der Schichtstärken von Ablagerungen sich ändernde Verteilung der Temperatur in den Belägen, wodurch die Temperaturen an den Oberflächen der Belege zunehmend ansteigen und teilweise schmelzflüssig werden. Diesen Erscheinungen müssen Schutzvorrichtungen wie Feuerfestmaterial, Cladding oder thermische Spritzschichten Rechnung tragen. 523

8 Harald Lehmann 2.2. Rüdersdorf Bei der Abfallverbrennungsanlage Rüdersdorf bestätigte sich die von anderen Anlagen ebenfalls bekannte geringe Belagsbildung auf dem Cladding im 1. Zug und im 2. Zug. Diese Beläge wiesen einen lockeren porösen Aufbau auf. Bild 7: Rüdersdorf Lockere Beläge auf gecladdeten Membranwänden im 1. Zug Das änderte sich etwas mit Einbringung von keramischen Dünnschichtplatten auf dem Cladding zum Schutz vor Erosion. Diese Maßnahme erfolgte zunächst im unteren Teil des 1. Zuges an der rechten und linken Seitenwand unterhalb der Einschnürungen. In den Bereichen der Seitenwände, zu denen die äußeren Sekundärluftdüsen im rechten Winkel stehen, waren nunmehr auf den keramischen Dünnschichtplatten sehr feste dünne Beläge zu verzeichnen. Bild 8: Rüdersdorf Beläge auf keramischen Dünnschichtplatten 524

9 Verschleißschutz in MVAs mit unterschiedlichen Frischdampfdrücken Die einzigen Verschmutzungen, die das Betriebsverhalten beeinflussten, befanden sich im 3. Zug. Die neuralgische Stelle waren die Verbindungsrohre zwischen den Sammlern im Übergang vom 2. zum 3. Zug. Das ist auch dadurch zu erklären, da nach den Schottenheizflächen im 2. Zug diese Verbindungsrohre die Kühlfalle vor Eintritt in den 3. Zug darstellen. Bild 9: Rüdersdorf Anwachsungen Verbindungsrohre 2. zum 3. Zug Durch Anwachsungen von unten konnten die von den Rußbläsern abgereinigten Partikel zum Teil dabei richtig feste Schalen nicht mehr durchfallen und damit auch nicht mehr über die Kesselentaschung ausgetragen werden, sondern lagerten sich oberhalb dieser Verbindungsrohre ab. Diese Erscheinung führte etwa h nach jeder Revision zu einem massiven Druckverlust. Als Reinigungsmaßnahme wurde dann mit einer Serie von manuellen Sprengreinigungen der Durchtritt für die Abgase wiederhergestellt. Zur Vermeidung der beschriebenen Anwachsungen im Übergang von 2. zum 3. Zug und den damit verbundenen Folgeerscheinungen wurde das Rohrgitter umgebaut. Beim Umbau wurde die Teilung der Rohre von 200 mm auf 400 mm erhöht. Seit Durchführung dieser Maßnahme im Juni 2012 sind die Anwachsungen nicht mehr zu beobachten Rostock Gegenüber den relativ porösen Anhaftungen von dünnen Belägen im 1. Zug des Rüdersdorfer Kessels hat die Abfallverbrennungsanlage in Rostock von Beginn an mit starker Wechtenbildung zu kämpfen, die sich im 1. Zug unterhalb der Ölbrenner zu bilden begannen, sich im Laufe der Zeit weiter nach unten aufbauten und schließlich die Rostbewegung und die Verbrennung behinderten. Die Wechten rissen nach einer längeren Zeit ab und mussten wegen ihrer Größe kurz vor Eintritt in den Schlackefallschacht mit hohem Aufwand mechanisch zerstört werden. 525

10 Harald Lehmann Bild 10: Rostock Wechtenbildung im Feuerraum In der Revision 2012 wurden im 1. Zug als Testfeld unterhalb der Brenner SiC-Platten mit höherem Wärmedurchgang eingebaut, was sich positiv auswirkte. Die Wechtenbildung wurde zwar nicht vollständig verhindert, aber die Wechten waren wesentlich kleiner und konnten jetzt ohne manuellen Einsatz über den Schlackeaustrag abtransportiert werden. Die Strahlungszüge 2. und 3. Zug verfügen in Rostock über ein Sprühreinigungssystem (Shower Clean System). Die Sprühreinigungseinrichtung wird mit zwei Verfahrmotoren, die an einem Schienensystem hängen, zu den Stutzen des 2. und 3. Strahlungszugs gefahren. Näherungsschalter signalisieren die Position der Stutzen. Bei Betrieb der Anlage wird ein Waschschlauch oberhalb der Decke des Dampferzeugers mit einem angehängten Düsenkopf von der Schlauchtrommel abgerollt, durch den betreffenden Stutzen in der Decke vertikal in den Abgaszug eingeführt und für die flächendeckende Reinigung pendelnd in den Dampferzeuger herabgelassen. Mit der Sprühreinigung wird auch in Rostock der fortschreitende Aufbau einer stärkeren Verschmutzung der Wände des Dampferzeugers erfolgreich verhindert, damit für eine verbesserte Wärmeübertragung vom Abgas auf das Wasser-Dampf-System gesorgt und auch periodisch die Abgastemperatur vor Eintritt in den vierten Zug des Dampferzeugers korrosionsmindernd abgesenkt. Die Reinigung der Heizflächen im 4. Zug erfolgt mit mechanischen Klopfern, die auf der rechten Kesselseite installiert sind. Zur Abreinigung der Heizflächen werden die Klopfstellen mit einem Klopferwagen getaktet angefahren. Die Wärmetauscherpakete werden in Abgasrichtung gereinigt, wobei die Häufigkeit der Abreinigung von der Anlagenbetriebsweise und vom Verschmutzungsgrad der Heizflächen abhängt und eingestellt werden kann. Die Wirksamkeit der Klopfervorgänge wird durch die veränderbare Einsatzhäufigkeit abhängig vom Verschmutzungsgrad und eine kontinuierliche Wartung unterstützt. Dabei wird kontrolliert, ob die Klopfstellen funktionsfähig sind und die Stößel nicht klemmen. 526

11 Verschleißschutz in MVAs mit unterschiedlichen Frischdampfdrücken 3. Verschleißerscheinungen und Optimierung des Verschleißschutzes im Dampferzeuger 3.1. Allgemeines Bei der Verbrennung von Abfällen bilden sich Beläge an den Wärmeübertragerflächen aus. Diese verändern die Wärmeübertragungsprozesse vom Abgas auf das Wasser/ Dampf-Medium. Durch die isolierende Wirkung der Beläge kommt es zu Verschiebungen des Temperaturprofils im Feuerraum und über den Abgasweg. Damit verändern sich im Verlaufe der Reisezeit die thermischen Belastungen der beanspruchten Bereiche und führen zu Korrosionserscheinungen an der Oberfläche der Schutzschichten und der nichtgeschützten Rohre. Dabei handelt es sich um Korrosion bei hohen Temperaturen und im Beisein von Chlor oder von angelagerten und zum Teil auch geschmolzenen Salzen. Neben dem Temperaturprofil beginnend von der Abgasseite durch die Beläge zur Rohrseite spielen noch die Strömungsverhältnisse im Kessel über den Abgasweg eine wichtige Rolle. Nicht zu unterschätzen ist in diesem Zusammenhang der strömungsbedingte Verschleiß durch Erosionserscheinungen, die zur Schwächung der Oberflächen der Schutzschichten und der nichtgeschützten Rohre führen. Abgezehrt werden nicht nur die Rohrmaterialien aus warmfesten ferritischen Stählen, sondern auch die zum Korrosionsschutz aufgetragenen Schweißplattierungen aus Inconel 625. Bild 11: Rüdersdorf Abrasion Schottenheizflächen Die Vorhersehbarkeit von Belagsentwicklung und Korrosionserscheinungen ist wegen der inhomogenen Zusammensetzung des Brennstoffes Abfall mit ständig wechselnden Schadstofffrachten und der dadurch ständig anzupassenden Prozessführung stark eingeschränkt bis nahezu unmöglich. 527

12 Harald Lehmann Deshalb greift der Betreiber bei der Optimierung seiner Anlage zu möglichst umfassenden globalen Schutz- und Reinigungsmaßnahmen, die eine hohe Standzeit der eingesetzten Materialien, lange Reisezeit und geringe Instandhaltungsaufwendungen gewährleisten sollen Rüdersdorf Cladding im 1. Zug Bei der Auslegung des Dampferzeugers mit 90 bar und einer Sattdampftemperatur von 303 C standen die mit Inconel 625 vollständig gecladdeten Verdampferrohrwände unter einer besonderen Beobachtung. Schon frühzeitig während der Inbetriebnahmephase waren erste starke Abzehrungen an den Verdampferrohren der Roststufe 1 zu verzeichnen. Der Hersteller reagierte mit dem Austausch der ungeschützten Rohre gegen mit Inconel 625 gecladdeten Rohrmaterial. Diese werkstattseitig gecladdeten Rohre wiesen nach kurzer Reisezeit Poren im Cladding auf, wodurch eine akute Gefahr von Rohrleckagen entstand. Bei der Revision 2011 wurden die Rohre nochmals gegen gecladdete Rohre ausgetauscht und zusätzlich als mechanischer Schutz eine Schicht feuerfeste Stampfmasse aufgebracht. Seit dieser Maßnahme konnte bei den nächsten Revisionen nur noch ein geringer Verschleiß bei der Stampfmasse festgestellt werden, der sich mit geringem Aufwand reparieren lässt. Bild 12: Rüdersdorf Roststufe 1 In der Frühphase des Betriebs gab es weitere Überraschungen mit erheblichen Abzehrungen der Claddingschichten auf den Verdampferrohren unterhalb der Feuerraumeinziehungen. Als erstes probates Mittel wurde ein Reparaturcladding durchgeführt, wodurch aber die Ursache nicht beseitigt wurde. Bei einem unmittelbar darauf folgenden Rohrschaden im Übergangsbereich vom Reparaturcladding zum 528

13 Verschleißschutz in MVAs mit unterschiedlichen Frischdampfdrücken originalen Werkstattcladding zeigte sich bei Detailuntersuchungen, dass Restsalze in Poren enthalten waren, die unter den Claddingschichten verblieben sind und diese unterwandert haben. Das sich eine derartige Erscheinung auch bei Reparaturcladding von größeren Flächen und damit gleichfalls die Gefahr von plötzlichen Rohrleckagen nicht ausschließen ließ, wurden die geschädigten Rohrflächen großflächig ausgetauscht und die neuen werkstattseitig gecladdeten Membranwände zusätzlich zum Schutz vor Erosionserscheinungen mit keramischen Dünnschichtplatten versehen. Bild 13: Rüdersdorf Einsatz keramischer Dünnschichtplatten auf Cladding Der Aufwand dafür ist natürlich enorm, sichert dafür aber auch für diese Flächen einen kompletten Schutz und nachfolgend einen geringen Reparaturaufwand. Diese Art der Maßnahme der Austausch von stark geschädigten Rohrbereichen gegen neue werkstattseitig gecladdete Membranwände mit zusätzlichen Schutz durch keramische Dünnschichtplatten hat sich bewährt und wurde in den folgenden Jahren mit Teilen der Rostrandrohre, der Rückwand und der Stirnwand fortgesetzt. Die Nachrechnung der Veränderung der Abgastemperatur über den Abgasweg im Kessel durch den Kesselhersteller ergab bei den 2011 (Seitenwände 70,2 m²) und 2012 (Rückwand 194,5 m², Rostrandrohre 20,4 m²) ausgetauschten und durch keramische Dünnschichtplatten zusätzlich geschützten Membranwänden eine Temperaturerhöhung von max.10 K am Übertritt vom 1. zum 2. Zug. Die damit verbundenen Auswirkungen lassen sich derzeit noch nicht beschreiben. Für die verbliebenen Bereiche wird bei Kontrollstillständen und während der Jahresrevisionen weiterhin aufwendig Reparaturcladding durchgeführt. Cladding ist eine sehr kostenintensive Maßnahme, verursacht durch die teuren nickelbasishaltigen Schweißzusatzwerkstoffe. Der hohe Materialeinsatz resultiert aus der geforderten Schichtdicke von > 2 mm. Das Korrosionsrisiko bleibt, wenn Poren nicht vollständig bei der Claddingvorbereitung abgeschliffen werden. Das Abschleifen und das manuelle Nachcladden hängen natürlich von der individuellen Erfahrung und der Handfertigkeit der Mitarbeiter der eingesetzten Fachfirmen ab. 529

14 Harald Lehmann Auch in Rüdersdorf ist die bekannte Tatsache zu beobachten, dass die Korrosion entlang von Überlappungen das Cladding am stärksten angreift, da hier die Wärmestromdichte höher ist als auf der Raupe. Dabei finden sich die stärker abgezehrten Flanken auf der dem Feuer zugewandten Seite. Bild 14: Rüdersdorf Abzehrung Cladding an Rohrflanken Vermutlich lässt sich bei den beobachteten Schadensbildern im Verdampferbereich punktförmige Korrosionsmulden bis zum Grundwerkstoff, selektive Abzehrungen der Rohrflanken, Rissbildung im Cladding, flächige Einebnung der Cladding-oberfläche auch die Erfahrung ableiten, dass bei Dampferzeugern im Druckbereich um 90 bar (Sattdampftemperatur 303 C) die Schutzwirkung von Inconel 625 unter bestimmten Verbrennungsbedingungen, z.b. bei gleichzeitig hohen Feuerraumtemperaturen, materialtechnisch eingeschränkt ist Cladding an den Schottenüberhitzern im 2. Zug Bereits im ersten Betriebsjahr waren hohe Abzehrraten im Anströmbereich der Schotten-Überhitzer am Eintritt in den 2. Zug aufgetreten, die noch in die Gewährleistung des Herstellers fielen. Insbesondere war durch die konstruktive Auflösung der Schotten in Einzelrohre mit dem Entfall von Stegen zur Verminderung der Steifigkeit durch unterschiedliche Wärmedehnungen die Flucht der Rohrreihen nicht mehr gegeben, wodurch es durch die Querströmung zu starken Erosionserscheinungen insbesondere an den ausgelenkten Rohren kam. Darüber hinaus waren die ersten Rohre der Anströmseite durch die staubbeladene Strömung starker Abrasion unterlegen, die schnell zum Verlust der Cladding-Schicht führte. 530

15 Verschleißschutz in MVAs mit unterschiedlichen Frischdampfdrücken Dieser Schaden nach h konnte in einem ersten großen Revisionsstillstand 2009 durch neues Rohrmaterial, die Verklammerung der Rohre mit Kammblechen sowie durch Schutzbleche auf den ersten Rohren beseitigt werden. Im weiteren Betriebsverlauf waren unmittelbar über den Kammblechen Abzehrungen zu beobachten, die auf die Bildung von Wirbelströmungen zurückzuführen sind. Deshalb wurden die Kammbleche bei den nächsten Revisionen so angebracht, dass ein möglichst geringer Strömungswiderstand entsteht. Bild 15: Rüdersdorf Einsatz Kammbleche bei Schottenheizflächen Dem erhöhten Verschleiß an den Schottenheizflächen im Übergangsbereich vom 1. in den 2. Zug konnte nachfolgend erst durch den Einsatz von Schutzschalen vor den ersten Rohren zielgerichteter begegnet werden. Hierfür sind zwischenzeitlich unterschiedliche Materialien und Schalengeometrien getestet worden. Die Standzeiten haben sich zwar verbessert, eine allseits befriedigende Lösung steht aber weiterhin noch aus. Bild 16: Rüdersdorf Einsatz von Schutzschalen Übergang 1. zum 2. Zug 531

16 Harald Lehmann Überhitzer im 3. Zug Die Heizflächen im 3.Zug werden durch Rußbläser gereinigt. Aufgabe der Rußbläser ist es, auf der gesamten Wärmeübertragungsfläche die Beläge zu entfernen, ohne die Grundwerkstoffe für den Korrosionsangriff vollständig blank zu machen bzw. zu schädigen. Die Rußbläser begünstigen den Korrosionsangriff durch zusätzliche mechanische Belastungen und die Abreinigung von ggf. schützenden Ablagerungen. Der Hersteller hatte bei den Heizflächen auf einen zusätzlichen Schutz verzichtet und dafür die Rohrwandstärke um 2 mm erhöht. Dennoch war nach Betriebsstunden der erste Rohrschaden durch den Rußbläsereinsatz zu verzeichnen. Typischerweise befand sich dieser Schaden in dem Bereich des 3. und 4. Rohres nach Eintritt der Rußbläserlanzen. Als verschleißmindernde Maßnahme wurden Schutzschalen als Erosions- und Korrosionsschutz an den Berührungsflächen zum Einsatz gebracht. Auch diese Schutzschalen unterliegen bei Eintritt der Rußbläser in den 3. Zug einem enormen Verschleiß. Da zwischen Rohr und Schutzschale ein Spalt bleibt, ist Korrosion an den Anschweißungen der Schutzschalen zu beobachten, was dann auch zum Abfallen der Schutzschalen führen kann. Nach etwa Betriebsstunden wurde ein weiteres Verschleißbild an den Heizflächen im 3. Zug beobachtet. Diesmal betraf es die Außenseite der Rohrbögen, insbesondere der dem 2. Zug zugewandten Seite. Hier zeigten sich starke Abzehrungen bis hin zur Rohrleckage. Wegen der räumlichen Enge und der kleinen Rohrteilung ist in diesem Bereich bei Stillständen eine vollständige Kontrolle der Wandstärken aller Rohrbögen nicht möglich, so dass bisher nur punktuell vorbeugend Austausche einzelner Rohrbögen vorgenommen werden konnten. Zu den möglichen Ursachen dieser Verschleißerscheinungen gibt es noch kein abschließendes Bild Rostock SiC-Plattensysteme im 1. Zug Die SiC-Platten weisen je nach Materialzusammensetzung und Herstellungsart unterschiedliche Eigenschaften bei der Wärmeleitfähigkeit (Wärmeleitung durch die Platte), Temperaturwechselbeständigkeit, thermischen Dehnung (Ausdehnung im Verhältnis zu den metallischen Rohren und in Verbindung mit der Befestigung/Ankersystem), Oxidationsbeständigkeit (Spannungen durch unkontrolliertes Plattenwachstum) auf. 532

17 Verschleißschutz in MVAs mit unterschiedlichen Frischdampfdrücken Bei der Auskleidung des 1. Zuges (40 bar, 250 C Sattdampftemperatur) kamen in Rostock geklebte SiC-Plattensysteme bis zum Bereich 3 m unter der Kesseldecke zum Einsatz. Bei den Revisionen 2010 und 2011 mussten größere Flächen an den Stellen erneuert werden, wo sich die SiC-Platten von der Rohrwand abgelöst hatten. Wegen dieser wenig befriedigenden Situation mit den ursprünglich eingesetzten ungebrannten SiC-Platten wurden bei der Revision 2012 verschiedene SiC-Plattensysteme parallel zum Einsatz gebracht, um das Korrosions- und Verschleißverhalten unter den konkreten Einsatzbedingungen zunächst zu untersuchen und später eine erneute Entscheidung auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse zu treffen. Bei der Revision 2012 wurden folgende Plattensysteme eingebaut: unterer Bereich: mittler Bereich: oberer Bereich: mehrfach gebrannte Platten mit glatter Oberfläche, ungebrannte Platten wie Ursprungsaustattung, gebrannte Platten mit rauer Oberfläche. Bei der Revision 2013 ergab sich nach Einsatzstunden folgendes Bild: Die im unteren Bereich eingebauten Platten hatten mit einem höheren Wärmedurchgang der Wechtenbildung erfolgreich entgegen gewirkt. Einzelne Platten wiesen Risse auf, jedoch konnten die Abgase wegen der noch vorhandenen Vergussmasse die Verdampferrohre nicht erreichen. Bild 17: Rostock Testfläche SiC-Platten im unteren Bereich des 1. Zuges Im mittleren Bereich waren die Platten zu einem großen Teil noch vorhanden, jedoch wiesen verschiedene Bereiche großflächig Ablösungen auf. Dahinter ergaben Wandstärkenmessungen bereits Abzehrungen einzelner Rohre bis auf 2,9 mm. Im oberen Bereich im Übergang zum Cladding, wo ein stärkerer Verschleiß erwartet worden war, zeigte das eingesetzte Plattensystem keinerlei Beeinträchtigungen. 533

18 Harald Lehmann Bild 18: Rostock Testfläche SiC-Platten im mittleren Bereich des 1. Zuges Bild 19: Rostock Testfläche SiC-Platten im oberen Bereich des 1. Zuges Das Cladding über der feuerfesten Auskleidung bis einschließlich Kesseldecke zeigte keine Auffälligkeiten und musste bisher nicht nachgearbeitet werden HVOF-Beschichtung im 2. Zug Zum Schutz der Rohrwände gegen Korrosion wurden die Decke und ein Teil der Wände des 2.Zuges mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) mit einer Schichtdicke von etwa 400 µm versehen. Beim Flammspritzen kommt es zu keiner Schmelzverbindung zwischen dem Beschichtungsmaterial und dem Grundwerkstoff, sondern zu einer mechanischen Verbindung. Beim Flammspritzen erfolgt gegenüber dem Cladding keine Grundmaterialaufmischung und somit keine Gefügeänderung des Grundmaterials. 534

19 Verschleißschutz in MVAs mit unterschiedlichen Frischdampfdrücken Der Nachteil dabei ist. dass die aufgetragene Schicht eine gewisse Porosität aufweist. Die Abgase können so durch die Schutzschicht diffundieren und so zu Unterkorrosion führen. Dabei durchwandern Salze die Spritzschicht und verursachen Abplatzungen. Wegen der noch vorhandenen Rohrwandstärken wurde trotz der mit den Abplatzungen fehlenden Schutzschicht wegen des sehr hohen Aufwandes beim Auftragen der Spritzschichten auf Reparaturen während der Revisionen 2012 und 2013 verzichtet Überhitzer im 4. Zug Beim 4. Zug waren bis einschließlich Revision 2012 ( Betriebsstunden) lediglich beim Überhitzer 3, der dem Schutzverdampfer nachgeschaltet ist, Abzehrungen an der ersten Rohrreihe zu verzeichnen. Aufgrund der Abzehrungsrate wurde für die Revision 2013 der Austausch dieser Rohrreihe vorbereitet. Die Messung der Wandstärken ergab jedoch, dass sich die Abzehrung nicht wie erwartet fortgesetzt hatte, sondern stagnierte, so dass der Rohrtausch auf die Revision 2014 verschoben wurde. 4. Mögliche Optimierungsmaßnahmen und Ausblick Nach der Revision ist vor der Revision. Dementsprechend beschäftigen sich die Überlegungen des Betriebes ständig mit weiteren möglichen Optimierungsmaßnahmen bei den nächsten geplanten Reinigungs- und Revisionsstillständen. Bei der Abfallverbrennungsanlage Rüdersdorf gilt es die Frage zu beantworten, ob es Sinn macht, den keramischen Schutz auch ohne Einbau neuer werkstattseitig gecladdeter Membranwände auf einem Reparaturcladding auszuführen. Damit wäre ein gewisses Risiko von Salzkorrosionen durch verbliebene Poren verbunden, welches es abzuschätzen gilt. Weiterhin ist die Situation mit dem alljährlichen Austausch von Rohren im Bereich der Schottenüberhitzer des 2. Zuges wegen der Abzehrung der Rohrflanken trotz Cladding wenig befriedigend. Hier sind Lösungen für einen seitlichen Schutz der Rohre gegen Abrasion, beispielsweise durch metallische oder feuerfeste Schutzschalen, zu finden. Beim 3. Zug erfordern die Abzehrungen der Rohrbögen gesonderte Schutzvorkehrungen. Hier ist abzuwägen, ob spezielle Schutzschalen zum Einsatz gebracht werden können und/oder noch Kammbleche an Rohrwänden angebracht werden sollten, um mögliche Rückströmungen zu unterbinden. Es wurde auch die Diskussion geführt, welche Auswirkungen eine Absenkung des Frischdampfdrucks beispielweise auf 70 bar haben könnte. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ergab, dass die infolge dieser Maßnahme auftretenden wirtschaftlichen Verluste jedoch das gesamte Instandhaltungsbudget überstiegen, so dass auf tiefer gehende technische Untersuchungen erst einmal verzichtet worden ist. 535

20 Harald Lehmann Die Abfallverbrennungsanlage in Rostock hatte bisher noch keine korrosionsbedingte Rohrschäden zu verzeichnen. Hier gilt es nach Auswertung des Verschleißes bei den verschiedenen zum Schutz der Rohrwände im 1. Zug eingesetzten SiC-Plattensystemen die günstigste Variante zu finden. Auch eine Ausdehnung des Cladding von oben weiter nach unten ist in der Diskussion. Im unteren Bereich des 1. Zuges behindert immer noch Wechtenbildung unterhalb der Ölbrenner bis zum Rost den kontinuierlichen Betrieb. Hier sind für die Revision 2014 weitere konstruktive Änderungen vorgesehen. Für die Reparatur der HVOF-Beschichtung im 2. Zug liegt noch keine Lösung vor, außer in der Folge diese Beschichtung weiter aufwendig zu erneuern. Für den Fall, dass die erste Rohrreihe des Überhitzers 3 im 4. Zug ausgetauscht wird, ist in der Folge hier auch ein Einsatz von Schutzschalen zu prüfen. 5. Zusammenfassung Bei den von der Vattenfall Europe New Energy Ecopower GmbH betriebenen Abfallverbrennungsanlagen in Rüdersdorf und Rostock wurden unterschiedliche Kesselkonzepte realisiert. Mit geeigneten Optimierungsmaßnahmen zur Reduzierung von Verschleiß und Korrosion konnte durch eine Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit die Jahresarbeitsleistung der Anlagen weiter gesteigert werden. Mit einer technisch anspruchsvollen Lösung wie mit einer hohen Druckstufe von 90 bar, mit einer Zwischenüberhitzung und einem Vollcladding des 1. Zuges sowie einem Teilcladding im 2. Zug entstand in Rüdersdorf eine hocheffiziente Abfallverbrennungsanlage, die in dieser Kombination einmalig ist. Es wurde jedoch deutlich, dass diese Maßnahmen zur Steigerung der Effizienz nicht gleichzeitig auch die Anlagenverfügbarkeit erhöhen. Die Betriebserfahrungen zeigen hier, dass als Folge der Bauart und insbesondere der Prozessparameter nicht bekannte und so nicht erwartete Verschleißerscheinungen aufgetreten sind. Vergleichbare Verschleißerscheinungen sind in Anlagen mit geringeren Frischdampfdrücken wie bei der Abfallverbrennungsanlage Rostock mit einer Druckstufe von 43 bar so nicht zu beobachten. Derartige Anlagen weisen dafür jedoch eine geringere Effizienz auf. Die Instandhaltungsmaßnahmen konzentrieren sich hier auf die Erhaltung des Verschleiß- und Korrosionsschutzes für die Rohrwände. 6. Literaturverzeichnis [1] Bandilla, A.: Betreibererfahrungen im Spannungsfeld von Legislative und Eigentümerstruktur. In: Thomé-Kozmiensky, K.J. (Hrsg.): Planung und Umweltrecht Band 6. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2012, S [2] Bauchmüller, R.: Stellungnahme zur veränderten Wärmeaufnahme des Kessels nach Installation zusätzlicher Feuerfestzustellung im Juni Fisia Babcock Environment GmbH, Stellungnahme ,

21 Verschleißschutz in MVAs mit unterschiedlichen Frischdampfdrücken [3] Bette, M.: Übersicht von Maßnahmen zur Verbesserung der Verfügbarkeit und Reisezeit. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 4. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2008, S [4] Herzog, T.; von Trotha, G.; Molitor, D.: Von Korrosion lernen Welche Herausforderungen stellt der Betrieb, was ist schweißtechnisch beim Korrosionsschutz durch Cladding machbar? In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 10. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2013, S [5] Lehmann, H.: Betriebserfahrungen mit dem EBS-HKW Rostock. 14. DIALOG Abfallwirtschaft MV Abfall als Wertstoff- und Energiereserve, 16.Juni 2011 an der Universität Rostock. In: Universität Rostock Schriftenreihe Umweltingenieurwesen Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät, Band 29. Putbus: Wissenschaftsverlag Putbus, 2011, S [6] Lehmann, H.; Bette, M.: Abfallverbrennungsanlagen an der Grenze zum Leistungskraftwerk. In: Vortragsunterlagen VDI-Konferenz Feuerung und Kessel, 12./ , Köln [7] Magel, G.; Molitor, D.; Bratzdrum, C.; Koch, M.; Aleßio, H.-P.: Wie kommt die Wärme in das Rohr? Korrosion ist oftmals ein Symptom hoher Wärmestromdichte. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall Band 9. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé- Kozmiensky, 2012, S [8] Maghon, T.; Schäfers, W.: Betriebserfahrungen mit großen Abfallverbrennungsanlagen. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 10. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2013, S [9] Manzke, A.: Technischer Stand beim Schweißplattieren Neue Erkenntnisse im Überhitzer- Cladding. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 10. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2013, S [10] May, F.: Hohe Effizienz durch ausgeklügelte Technik. BWK Bd. 60 Nr. 12. Düsseldorf: VDI- Verlag, 2008, S [11] Spiegel, W.; Herzog, T.; Magel, G.; Müller, W.; Schmidl, W.; Albert, F.W.: Korrosion in Abfallverbrennungsanlagen. In: Born, M. (Hrsg.): Dampferzeugerkorrosion Freiberg i. S.: Saxonia Verlag, 2013, S [12] Warnecke, R.: Einflüsse von Konstruktion und Verfahrenstechnik auf die rauchgasseitige Hochtemperatur-Chlor-Korrosion. In: Born, M. (Hrsg.): Dampferzeugerkorrosion. Freiberg i. S.: Saxonia Verlag, 2005, S

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