Korrosionsschutzmaßnahmen in Abfallverbrennungsanlagen und EBS-Kraftwerken Inserat Uhlig Rohrbogen GmbH 391
Manfred Born, Michael Beckmann Inserat Häuser & Co. GmbH 392
Korrosionsschutzmaßnahmen in Abfallverbrennungsanlagen und EBS-Kraftwerken Korrosionsschutzmaßnahmen in Abfallverbrennungsanlagen und Ersatzbrennstoff-Kraftwerken Auswertung einer Betreiberbefragung Manfred Born und Michael Beckmann 1. Zielstellung...393 2. Angefragte Anlagen...394 3. Dampfparameter...396 4. Werkstoffe und Korrosionsraten...397 5. Rußbläser...399 6. Feuerfestauskleidung...41 7. Korrosionsschutz...42 7.1. Cladding...44 7.2. Thermisches Spritzen...46 8. Zusammenfassung...47 9. Literatur...48 1. Zielstellung Der Schutz der Dampferzeugerheizflächen vor Korrosion zählt zu den wesentlichen Aufgaben bei der Sicherung einer hohen Verfügbarkeit von Verbrennungsanlagen, in denen abfallstämmige Brennstoffe eingesetzt werden. Die Ursachen für die Korrosion sind durch die Inhaltsstoffe des zu verbrennenden Abfalls bedingt und nicht vermeidbar. Cl- und S- Verbindungen, insbesondere mit Alkalien und Erdalkalien und ggf. Metallen (Pb) wurden als Problemstoffe erkannt, die für die Hochtemperatur- und Salzschmelzenkorrosion verantwortlich zeichnen. In zahlreichen Publikationen wurden die immer tiefer verstandenen Zusammenhänge dargestellt (Beispiele: [1 bis 8]). Die Möglichkeiten, Dampferzeuger aus Rohrwerkstoffen zu fertigen, die eine ausreichende Resistenz gegen die Abzehrung gewährleisten, sind wegen der mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe begrenzt. 393
Manfred Born, Michael Beckmann Zur Minderung des Korrosionsangriffs werden folgende Verfahren angewendet: Optimierung der Anordnung der Heizflächen in Dampferzeugern und Vermeidung kritischer Bereiche ([9], auch erosiver Beanspruchung), Begrenzung der Heizflächentemperaturen durch niedrige Dampfparameter (Dampfaustrittstemperatur unter 35 C). Diese Anwendung ist auf die Erzeugung von Prozessdampf begrenzt. Bei Dampfüberschuss werden zur Stromerzeugung höhere Dampfparameter benötigt. Optimierung der Prozessführung (z.b. weitgehende Mischung des Abfalls im Bunker), Vermeidung von heißen Flammensträhnen über dem Rost, Vermeidung örtlich zu hoher Wärmedurchgänge auf die Verdampferheizflächen [], intensiver Temperaturabbau vor der Berührung der Abgase mit den Heizflächen höherer Temperatur (Überhitzer), aerodynamische Optimierung der Strömungsverhältnisse auf dem Abgasweg, ausreichende Verweilzeit der Abgase vor dem Kontakt mit Berührungsheizflächen mit dem Ziel, die Chloride zu sulfatisieren und damit den Korrosionsangriff zu mindern (diese Möglichkeit ist wegen der geringen Verweilzeit der Abgase nur begrenzt wirksam), Zugabe von Additiven zur Beschleunigung der Sulfatisierungsreaktionen (bisher noch nicht erfolgreich ausgeführt), Minimierung des negativen Einflusses der Rußbläser [11], Schutz der Heizflächen durch Überzüge aus korrosionsresistenten Werkstoffen (zur Sicherung einer vertretbaren Anlagenverfügbarkeit fast immer erforderlich). Für den Schutz der Heizflächen vor hohen Abtragsraten wurden mehrere Verfahren entwickelt. Inwiefern sie genutzt werden, soll aus der Befragung der thermischen Anlagen ermittelt werden. Basis für die Auswertung ist eine Betreiberbefragung bei den Abfallverbrennungsanlagen (MVA) sowie bei Ersatzbrennstoff-Kraftwerken (EBS-Anlagen). Die MVA wurden der Liste der Interessengemeinschaft der Thermischen Abfallbehandlungsanlagen Deutschland (ITAD) und die EBS-Anlagen aus [12] entnommen. 2. Angefragte Anlagen Im Zeitraum vom November bis März 11 wurden bei siebzig MVA Informationen über die installierten Korrosionsschutzmaßnahmen abgefragt. Dreißig EBS-Anlagen wurden im Oktober 11 einbezogen. Von den Anfragen an die MVA wurden 44 Fragebogen, ausschließlich von Rostfeuerungen, beantwortet. Es konnten Informationen über 121 Kessel ausgewertet werden (66 der von der ITAD gelisteten Dampferzeuger). Von den EBS-Kraftwerken wurden zwanzig Fragebogen beantwortet (27 Kessel). Davon entfallen sechzehn Antworten auf Rostfeuerungen und vier auf zirkulierende Wirbelschichtfeuerungen. Die ausgewerteten Daten repräsentieren einen EBS-Durchsatz von 3,1 Millionen t/a, das sind etwa 75 der EBS-Menge die derzeit in den EBS-Kraftwerken mit Regelbetrieb eingesetzt werden. 394
Korrosionsschutzmaßnahmen in Abfallverbrennungsanlagen und EBS-Kraftwerken Bei der Datenauswertung ist zu beachten, dass die Korrosionsangriffe in EBS-Anlagen mit zirkulierender Wirbelschicht und Wirbelbettkühler unter anderen Bedingungen erfolgen, als bei Anlagen, in denen die Verbrennungsgase mit den korrosiven Stoffen aus dem Strahlungszug direkt in die konvektiven Heizflächen geleitet werden. Von den MVA-Kesseln, die bei der ITAD aufgelistet sind, wurden die im Bild 1 dargestellten Inbetriebnahmezeiten angegebenen. Das Bild 2 zeigt die Inbetriebnahmejahre der Kessel in den befragten Anlagen. 17 19 15 14 13 12 9 Bild 1: 5 vor 197 6 5 197 bis 1975 1976 bis 198 1981 bis 1985 5 1986 bis 199 1991 bis 1995 1996 bis Inbetriebnahme der von der ITAD aufgelisteten 183 MVA-Kessel 1 bis 5 6 bis 25 25 17 17 15 5 Bild 2: 8 vor 197 2 2 197 bis 1975 1976 bis 198 12 1981 bis 1985 1986 bis 199 1991 bis 1995 1996 bis 1 bis 5 Inbetriebnahme der in die Befragung einbezogenen 121 MVA-Kessel 7 6 bis 395
Manfred Born, Michael Beckmann Bei der Auswertung der Daten ist zu berücksichtigen, dass in den Anlagen Änderungen und technologische Korrekturen vorgenommen wurden, die nicht dem Jahr der Inbetriebnahme zuzuschreiben sind. In der Befragung sind ältere MVA, mit der Inbetriebnahme vor 1985, im Vergleich zur ITAD-Liste etwas unterrepräsentiert. Die später in Betrieb genommenen Anlagen sind in der Auswertung der Umfrage stärker vertreten. Bei den EBS-Anlagen ist der der vor 5 in Betrieb genommenen Kraftwerke naturgemäß gering. Die meisten Anlagen wurden 9 in Betrieb genommen (Bild 3). 4 3 26 33 15 19 7 Bild 3: vor 5 5 6 7 8 9 Inbetriebnahme der in die Befragung einbezogenen 27 EBS- Kessel 3. Dampfparameter Das Bild 4 zeigt die Dampfparameter der von der ITAD gelisteten MVA. Die Bilder 5 und 6 enthalten die Angaben der befragten MVA und EBS-Anlagen. 6 5 53 4 3 19 13 15 Bild 4: < 4 bar < 4 C 4 bar 4 C > 4 bar < 45 C > 4 bar > 45 C Dampfparameter der von der ITAD aufgelisteten 183 MVA- Kessel 396
Korrosionsschutzmaßnahmen in Abfallverbrennungsanlagen und EBS-Kraftwerken 6 62 5 4 3 15 7 17 Bild 5: < 4 bar < 4 C 4 bar 4 C > 4 bar < 45 C > 4 bar > 45 C Dampfparameter der Kessel der in die Befragung einbezogenen 121 MVA-Kessel 6 56 5 4 33 3 11 Bild 6: < 4 bar < 4 C 4 bar 4 C > 4 bar > 4 C Dampfparameter der Kessel der in die Befragung einbezogenen 27 EBS-Anlagen-Kessel Die Bilder 4 und 5 zeigen, dass die befragten Anlagen die Gesamtheit der MVA recht gut repräsentieren. Die Kessel mit den Standard-Parametern 4 bar, 4 C stellen mit 62 den Hauptanteil dar. Für die EBS-Anlagen zeigt das Bild 6 eine andere Situation. Mit 56 haben die Anlagen mit höheren Dampfparametern den größten. Dieser Unterschied resultiert aus der Kopplung der Anlagen an Strom- und Wärmeverbraucher sowie aus dem Streben nach höherer Energieeffizienz bei der Stromerzeugung. 4. Werkstoffe und Korrosionsraten Für die Verdampferrohre werden in den MVA überwiegend die Stahlsorten St35/St37 eingesetzt (Bild 7). Einige Anlagen, vorwiegend die mit höheren Dampfparametern, verwenden auch 15Mo3. Bei den Überhitzerwerkstoffen überwiegen die Mo-Legierungen, wenige Anlagen setzen auch hier St35/St37 ein (Bild 8). 397
Manfred Born, Michael Beckmann 79 8 7 6 5 4 3 St35/St37 26 15/16Mo2/4 n=39 8 7 6 5 4 3 18 St35/St36 79 15/16Mo3/4 18 n=39 13/16CrMo4/5 Bild 7: Werkstoffeinsatz in Verdampfern (MVA) Mehrfachnennungen möglich, mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Bild 8: Werkstoffeinsatz in Überhitzern (MVA) Mehrfachnennungen möglich, mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Dagegen ist bei den EBS-Anlagen, die, wie das Bild 6 gezeigt hat, häufiger höhere Dampfparameter haben, der der Verdampfer mit 15Mo3-Werkstoff wesentliche höher (Bild 9). Die Anlagen mit sehr hohen Dampfparametern verwenden vorwiegend diesen Werkstoff. Im Überhitzer wird die Mitverwendung von St35/St37 bei Standard-Dampfparametern ausgewiesen, bei sehr niedrigen Überhitzertemperaturen auch ausschließlich St35/St37. 9 8 7 6 5 4 3 53 St35/37 59 15/16Mo3/4 n=17 9 8 7 6 5 4 3 24 St35/37 88 15/16Mo3/4 18 n=17 13/16CrMo4/5 Bild 9: Werkstoffeinsatz in Verdampfern (EBS-Anlagen) Mehrfachnennungen möglich, mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Bild : Werkstoffeinsatz in Überhitzern (EBS-Anlagen) Mehrfachnennungen möglich, mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Korrosionsraten wurden nur von 16 MVA-Anlagenbetreibern angegeben. In zwanzig Anlagen liegen keine Informationen über die Abzehrung vor, sechs Anlagen verfügen über die Daten, geben sie aber nicht an. Die angegebenen Korrosionsraten sind in den 398
Korrosionsschutzmaßnahmen in Abfallverbrennungsanlagen und EBS-Kraftwerken Bildern 11 und 12 ausgewertet. Eine Korrelation mit Werkstoffen oder Dampfparametern ist nicht möglich. Inwiefern die Korrosionsraten sich auf den Grundwerkstoff oder auf die Schutzbeschichtung beziehen, lässt sich aus der Befragung nicht ablesen. 5 4 44 n=16 5 4 n=16 3 3 19 1 <,1,1-,3 6 2,3-,5,5-1 >1 <,1,1-,3,3-,5,5-1 >1 Bild 11: Korrosionsraten in Verdampfern (MVA) Mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Bild 12: Korrosionsraten in Überhitzern (MVA) Mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Lediglich in 3 der EBS-Anlagen wurden Korrosionsraten ermittelt. Ursache dafür dürften die kurzen Regelbetriebszeiten sein. Zwei Anlagen geben am Verdampfer Abzehrungen von über 1 mm/a an, bei den Überhitzern lagen alle Angaben unter 1 mm/a. Es ist zu beachten, dass aus den Einflussparametern Brennstoff, Konstruktion der Dampferzeuger und Prozessführung kein Hinweis auf zu erwartende Korrosionsraten abzuleiten ist. Selbst baugleiche Kessel mit ähnlichem Brennstoff können erhebliche Unterschiede in den Korrosionsraten zeigen. 5. Rußbläser Eine wichtige Rolle für die Korrosion spielen die Verfahren der Heizflächenreinigung. Die Ablagerungen auf den Strahlungs- und Konvektionsheizflächen beeinflussen wesentlich die Reisezeiten sowie Verschiebungen der Wärmeübertragung auf dem Abgasweg [11]. Aufgabe der Rußbläser ist es, die Heizflächen so zu reinigen, dass sie auf der gesamten Wärmeübertragungsfläche Beläge entfernen, ohne die Grundwerkstoffe für den Korrosionsangriff vollständig blank zu machen. Rußbläser beeinflussen den Korrosionsangriff durch zusätzliche mechanische Belastungen und die Abreinigung ggf. schützender Ablagerungen, in denen sich aber auch die aggressiven Salze aufkonzentrieren können. Das Bild 13 zeigt die Aufteilung der Rußbläser in den befragten MVA. Bei der Reinigung der Kessel nach dem Abstellen (offline) wird in den MVA nahezu ausschließlich die trockene Reinigung (Grobreinigung und Granulatstrahlen) angewendet. Krüger [11] zeigte Vorteile der Nassreinigung auf, die besonders in der geringen Verschmutzung des Kesselhauses und in den wesentlich geringeren Mengen an zu entsorgenden Rückständen liegen. 399
Manfred Born, Michael Beckmann Sprenggenerator Waschdüse Schraubenlanzenbläser Wandbläser Wasserlanzenbläser Dampfbläser Klopfer nass trocken 2 5 9 23 19 16 51 58 n=43 98 4 6 8 Bild 13: Einsatz der Rußbläser im offline- und online-betrieb in MVA-Kesseln Mehrfachnennungen möglich, mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Für die Reinigung der Heizflächen während des Betriebes (online) werden vorwiegend die klassischen Klopfverfahren (für hängende und liegende Heizflächenbündel) und Dampf- (Wasser-)bläser (vorwiegend für liegende Bündel) eingesetzt. Mit Hilfe exakter Positionierung der Düsen wird versucht, mit einem Wasserstrahl lediglich die Gassen zu reinigen und somit die Rohre zu schonen [13]. Wasserlanzenbläser und Waschdüsen reinigen die Heizflächen in den Strahlungszügen. Ihr Einsatz erfolgt in etwa der Anlagen. Die seit etwa zehn Jahren eingesetzte Waschdüse benötigt allerdings eine exakte Einstellung der Tropfengrößen, um einen optimalen Wascheffekt zu erzielen [15]. Die Anwendung von Sprengreinigungsverfahren in den Strahlungszügen kann für schwer zugängliche Beläge (Eckbereiche) im Abfahrbetrieb durch dosierte Explosionen vorteilhaft sein [14], ist aber mit etwa der Anwendungsfälle weniger häufig vertreten. Von den EBS-Anlagen wird für die offline-reinigung ausschließlich die Trockenreinigung angegeben. Die Verteilung der online-reinigungsverfahren zeigt das Bild 14. Schall Sprenggenerator Waschdüse Schraubenlanzenbläser Wandbläser Wasserlanzenbläser Dampfbläser Klopfer 5 15 15 15 35 35 n= 65 4 6 8 Bild 14: Einsatz der Rußbläser im online- Betrieb in EBS-Anlagen Mehrfachnennungen möglich, mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Der der Klopfeinrichtungen in den EBS-Anlagen bestimmt ebenfalls die Heizflächenabreinigung, die Waschdüse nimmt im Vergleich zu den MVA einen höheren ein, sie weist gleiche Anwendungsanteile auf, wie die Dampfbläser. Die Schallreinigung kommt häufiger zum Einsatz als bei den MVA. 4
Korrosionsschutzmaßnahmen in Abfallverbrennungsanlagen und EBS-Kraftwerken 6. Feuerfestauskleidung Die Feuerfestauskleidung in MVA wird je nach der thermischen und mechanischen Belastung im Kessel unterschiedlich ausgeführt. Die wesentlichen Beanspruchungsbereiche sind: Abfallaufgabe, Hauptbrennzone, Nachbrennzone und Ascheaustrag [16]. Über Erfahrungen beim Einsatz der verschiedenen Systeme wird in [16, 17] berichtet. Die Ergebnisse der Befragung für die Auskleidungen in der Hauptbrennzone der MVA enthält das Bild 15. Das Bild zeigt, dass die traditionellen Verfahren (gestampft und geklebt) den Hauptanteil der Anwendung bestimmen. Die aufwändigeren Auskleidungen (hinterlüftet) nehmen mit etwa 3 bereits einen erheblichen ein. Da diese Form der keramischen Schutzmaßnahmen auch oberhalb des Feuerraumes eingesetzt wird, können durch die o.g. und abgefragten Einsatzbereiche (Feuerraum) zu geringe e angegeben werden. Drei der befragten Anlagen haben die Feuerfestauskleidung durch Cladding ersetzt. Die Feuerfestauskleidung der EBS-Anlagen weist eine andere Verteilung der Verfahren auf, wie das Bild 16 zeigt. Die gestampften Auskleidungen haben ebenfalls den Hauptanteil, die hinterlüfteten Feuerfestmaterialien sind aber in erheblich höherem vertreten. Die Auskleidungen in den zirkulierenden Wirbelschichtanlagen sind mit den Rostfeuerungen nicht vergleichbar, da sie adiabate Feuerräume aufweisen und für den Überhitzer u.u. einen Fließbettwärmetauscher einsetzen. Die Auskleidungen werden gestampft oder gemauert. gespritzt hinterlüftet 2 31 n=42 gespritzt hinterlüftet 44 n=18 hintergossen 2 hintergossen geklebt 38 geklebt 39 gestampft 67 gestampft 56 3 4 5 6 7 3 4 5 6 7 Bild 15: Feuerfestauskleidungen in der Hauptbrennzone der MVA Mehrfachnennungen möglich, mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Bild 16: Feuerfestauskleidungen in der Hauptbrennzone der EBS-Anlagen Mehrfachnennungen möglich, mit n wird die Anzahl der ausgewerteten 41
Manfred Born, Michael Beckmann 7. Korrosionsschutz Der Schutz vor korrosiven Angriffen der Dampferzeugerheizflächen beginnt bei der konstruktiven Gestaltung der Kesselzüge und der Anordnung insbesondere der Überhitzerheizflächen. Umfangreiche Analysen über die Einflüsse der Konstruktionselemente auf die Korrosionsraten haben nicht zu einer eindeutigen Konstruktionsempfehlung geführt [7, 9 und 18]. Die Vorschaltung eines Schutz-Verdampfers als 1. Konvektionsheizfläche hat sich allerdings durchgesetzt [9]. Wesentlich für die Korrosionsraten ist die Überlagerung der Einflüsse durch die Brennstoff- Eigenschaften und die Prozessführung. Die mit dem Brennstoff Abfall in die Anlagen eingebrachten korrosiven Stoffe lassen sich auch bei intensiver Mischung im Bunker nicht auf ein gleichmäßig niedriges Niveau der Konzentration reduzieren. Spitzenwerte an Chlorid und Sulfat bildenden Verbindungen, sowie stark schwankende Verbrennungseigenschaften, verbunden mit Temperaturspitzen, sind nicht vermeidbar [5]. Eine Einflussnahme auf die Korrosion durch Abbau der korrosiven Verbindungen auf dem Abgasweg, vor Erreichen der Überhitzerheizflächen, wurde mehrfach durch Zugabe von Additiven versucht [19, ]. Wesentliche Ziele waren, die Alkalien der Chloride, die als Aerosole oder kondensiert auf Partikeln mitgeführt werden, vor ihrer Ablagerung auf den Konvektionsheizflächen an reaktives Si zu binden oder die Alkalichloride durch S zu sulfatisieren und das Cl in HCl zu überführen. Die Korrosionsraten durch HCl werden als gering eingeschätzt. Die Versuch zum Einsatz von Additiven wurden in [21] ausführlich dargestellt. Erfolgt die Sulfatisierung erst in den Ablagerungen, so kann das frei gesetzte Cl oder das Cl im Dampf der Salze mit dem Werkstoff der Wärmetauscher reagieren und diese abzehren. Für den Praktiker kann vereinfacht festgestellt werden: Kein Belag keine Korrosion [22]. Im Ergebnis der Umfrage zeigt sich, dass von zehn MVA, die die in [19, ] aufgeführten Maßnahmen getestet haben, nur noch zwei Versuche mit Additiven durchführen. Da die Wirkung des SO 2 im Abgas auf die Sulfatisierung der Chloride durch geringe Reaktionsgeschwindigkeiten wenig effektiv ist, wurde in [23] vorgeschlagen, die Bildung des reaktionsfreudigeren SO 3 zu begünstigen. Die Befragungsergebnisse verdeutlichen, dass die Zugabe und Verteilung von Additiven im Abgas keine nachhaltige Wirkung zur Minderung der Korrosionsraten erbracht hat. Bei den befragten EBS-Anlagen wurden keine Versuche mit Additiven angegeben. Ein Schutz der Wärmetauscher durch korrosionsresistente Werkstoffe, besonders, wenn die Korrosionsgeschwindigkeiten durch höhere Temperaturen an den Rohroberflächen ansteigen, bleibt erforderlich. Wie bereits erwähnt, ist die Verwendung von Rohrwerkstoffen, die der Korrosion widerstehen, durch deren Verarbeitungsbedingungen begrenzt. Daher werden die üblichen Grundwerkstoffe (Bilder 7 bis ) mit Schichten überzogen, die vorwiegend aus einer Ni-basierten Legierung mit Cr, Mo und je nach Anwender unterschiedlichen Zusätzen bestehen [24]. Der Einsatz eines elektrolytisch aufgetragenen hochdichten und dicken Überzuges aus reinem Ni [25] wurde von den befragten Anlagen nicht erwähnt. In den befragten MVA werden vorwiegend die Verdampferrohre geschützt (Bild 17). Die Anwendung der Schutzmaßnahmen im Bereich der Überhitzer ist wegen der höheren Temperaturen noch nicht so erfolgreich, wie in den Strahlungszügen. 42
Korrosionsschutzmaßnahmen in Abfallverbrennungsanlagen und EBS-Kraftwerken Verdampfer 95 Überhitzer 31 1. Zug 9 Decke 67 2. Zug 51 Bild 17: Schotten 18 4 6 8 n=39 Schutzmaßnahmen an Dampferzeugerheizflächen in MVA Mehrfachnennungen möglich, mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Bei den EBS-Anlagen wurde kein grundsätzlich anderes Ergebnis ermittelt (Bild 18). An der Decke und im 2. Zug wurden etwas weniger Schutzmaßnahmen angegeben. Einige Anlagen haben keinen Korrosionsschutz aufgebracht. Verdampfer 89 Überhitzer 32 1. Zug 84 Decke 42 2. Zug Schotten keine 5 16 26 4 6 8 n=19 Bild 18: Schutzmaßnahmen an Dampferzeugerheizflächen in EBS- Anlagen Mehrfachnennungen möglich, mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Wie das Bild 19 belegt, erfolgt das Aufbringen der Korrosionsschutzschicht in MVA überwiegend durch Cladding (Auftragschweißen). Diese Verfahren mit seiner mehrere mm starken Schicht, überwiegend aus Inconel 625 (bei höheren Dampftemperaturen auch Inconel 686), bietet ein hohes Maß an Sicherheit für eine kalkulierbare Anlagenverfügbarkeit. Die hohen thermischen Belastungen der Dampferzeugerrohre, die besonders bei der Durchführung der Applikation beim Anwender zu berücksichtigen sind und der hohe Aufwand sind Ursachen für erhebliche Kosten des Cladding. Daher wird in vielen Anlagen auch der Korrosionsschutz durch thermisch aufgespritzte Schutzschichten eingesetzt, die bei geringen thermischen Belastungen Schichtstärken von unter 5 µm aufbringen. Diese Schutzschichten lassen bei geringeren Kosten im Vergleich zum Cladding ebenfalls eine Reduzierung der Korrosionsraten erwarten. 43
Manfred Born, Michael Beckmann nur Cladding n=44 55 nur Therm. Spritzen 2 beides 43 Bild 19: 3 4 5 6 Anwendung der Korrosionsschutzmaßnahmen in MVA Mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Für die EBS-Anlagen ergibt sich ein etwas anders Befragungsergebnis. Der der Anlagen, die beide Verfahren erproben ist wesentlich geringer. Dafür nutzen wesentlich mehr Anlagen lediglich die thermischen Spritzverfahren als Korrosionsschutz (Bild ). nur Cladding n=15 6 nur Therm. Spritzen beides 15 Bild : keine 5 3 4 5 6 Anwendung der Korrosionsschutzmaßnahmen in EBS- Anlagen Mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Die höchste Wirksamkeit erreichen die Korrosionsschutzmaßnahmen, wenn die Schutzschicht auf neue Werkstoffe vor dem Einbau in die Kessel im Herstellerwerk aufgetragen wird. Bereits korrodierte Heizflächen in der Anlage weisen unterschiedliche Wandstärken auf und lassen sich vor Aufbringen der Schutzschicht nicht vollständig von Chloridbelastungen reinigen. Es besteht die Möglichkeit, dass sich unter der Schicht Korrosionsprodukte bilden, die von innen die Schutzschicht schädigen. 7.1. Cladding Das Aufschweißen der Korrosionsschutzschicht führt zu einem Anschmelzen des Substrates, der Oberfläche der Dampferzeugerrohre. Damit verbunden ist ein Übergang von Fe aus dem Grundwerkstoff in die Schutzschicht [24]. Eine Aufmischung von Fe in die Legierung des Claddingwerkstoffs wird als eine Ursache für ein mögliches Versagen der Schutzschicht angesehen. In den Qualitätssicherungsvorgaben wird daher die Aufmischung begrenzt [26]. Um eine höhere Resistenz gegen den Korrosionsangriff zu gewährleisten, werden die Schweißraupen überlappt oder heute überwiegend 2-lagig aufgetragen. Ein 44
Korrosionsschutzmaßnahmen in Abfallverbrennungsanlagen und EBS-Kraftwerken Überblick über die Schweißmethoden und über neuere Entwicklungen zur Reduzierung des Wärmeeintrages durch CMT-Schweißverfahren sowie zur Reduzierung der Schichtdicke auf 1 mm wird in [27] gegeben. Das Bild 21 zeigt die Anwendung des Cladding in den befragten MVA. Test großflächig beim Hersteller vor Ort einlagig überlappt zweilagig Reparatur 2 12 31 38 57 55 71 76 4 6 8 n=42 Bild 21: Aufbringung der Claddingschichten in MVA Mehrfachnennungen möglich, mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Vorwiegend werden großflächig im Werk beschichteten Heizflächen eingesetzt. Beim Cladding muss der hohe Energieeintrag, der durch den Schweißprozess erfolgt, durch Rohrkühlung ausgeglichen werden. Die Kühlung durch zirkulierende Wasserversorgung ist im Herstellerwerk leichter und sicherer zu handhaben. Eine vor-ort-beschichtung macht sich erforderlich, wenn Kessel im Einsatz einen Schutz benötigen. Da auch eine Abzehrung der Schutzschichten stattfindet, sind Reparaturen während der Revisionen erforderlich, für die es bereits ausreichend Erfahrungen gibt. Die befragten EBS-Anlagen haben keine Testflächen installiert. Die Nutzung der Erfahrungen aus den MVA, dass großflächig beim Hersteller beschichtet Heizflächen beste Ergebnisse liefern, wird im Bild 22 deutlich. Die wirksamste 2-lagige Beschichtung wird häufiger eingesetzt als bei den MVA. Test n=15 großflächig beim Hersteller vor Ort einlagig überlappt zweilagig Reparatur 7 6 4 6 8 67 73 87 Bild 22: Aufbringung der Claddingschichten in EBS-Anlagen Mehrfachnennungen möglich, mit n wird die Anzahl der ausgewerteten 45
Manfred Born, Michael Beckmann 7.2. Thermisches Spritzen Thermische Spritzschichten sind eine alternative Schutzmaßnahme zum Cladding. Sie belasten das Grundmaterial kaum durch Energieeintrag. Die Schichtdicken sind wesentlich geringer, die Kosten erheblich niedriger als beim Auftragschweißen [17]. Die thermischen Spritzverfahren und ihre Besonderheiten wurden in Schülein [28] ausführlich beschrieben. Wichtig bei den Spritzverfahren ist die Erreichung einer geringen Porosität und Rissfreiheit, damit die korrosiven Verbindungen nicht auf die Substratoberfläche gelangen können. Neuere Entwicklungen zur Standzeitverbesserung durch Einschmelzen von Beschichtungen sollen die Permeabilität weiter reduzieren [29]. Im Vergleich zum Cladding sind thermisch gespritzte Bauteile wesentlich anfälliger auf mechanische Belastungen beim Transport. Die vor Ort-Beschichtung nimmt daher einen hohen der Maßnahmen ein. Wegen der wesentlich besseren Bedingungen für die Applikation und Qualitätskontrolle werden aber die Beschichtungen beim Hersteller zunehmend angeboten. Die Qualität der Applikation vor Ort ist stark von der Vorbelastung und der Reinigung des Untergrundes abhängig. Vorbelastete Flächen können Restsalze in Poren enthalten, die unter den Spritzschichten verbleiben und diese unterwandern. Über die Probleme und die Qualitätssicherung bei der vor-ort-beschichtung wurde in [3] ausführlich berichtet. Im Bild 23 ist die Anwendung der thermischen Spritzverfahren in den befragten MVA dargestellt. 36 n=28 Test großflächig beim Hersteller vor Ort Lichtbogen Plasma HVOF Reparatur 32 4 (?) 21 54 21 36 43 4 6 8 Bild 23: Aufbringung der Spritzschichten in MVA Mehrfachnennungen möglich, mit n wird die Anzahl der ausgewerteten Die Auswertung zeigt, dass von den verfügbaren Spritzverfahren das Hochgeschwindigkeits- Flammspritzen (HVOF) die häufigste Anwendung findet. Die hohe kinetische Energie der Spritzpartikel führt bei diesem Prozess zu einer intensiven Verdichtung der Schicht und Minimierung der Porosität. Der des Lichtbogenspritzens wurde durch die Befragung wahrscheinlich zu gering ausgewertet. Hauptsächlich wurden die thermischen Spritzschichten vor Ort aufgetragen. Im Vergleich zum Cladding haben diese Schutzmaßnahmen daher im Hinblick auf ihre Standfestigkeit häufig ungünstigere Voraussetzungen als die durch Cladding geschützten Heizflächen (Bild 21). Der hohe an Testflächen zeigt, dass das Vertrauen der Anwender, thermische Spritzschichten als Korrosionsschutz anzuwenden, geringer ist, als beim Cladding (Bild 19). 46
Korrosionsschutzmaßnahmen in Abfallverbrennungsanlagen und EBS-Kraftwerken Die Reparatur geschädigter Spritzschichten im Kessel wird unter den gleichen Bedingungen ausgeführt, wie die vor-ort-beschichtung. In den EBS-Anlagen werden wesentlich weniger Testflächen gespritzt (Bild 24). Der großer geschützter Flächen ist höher, als bei den MVA. Für diese Flächen überwiegt die vor-ort-beschichtung. Als Verfahren wurde von den befragten Anlagen lediglich die HVOF- Spritztechnik angegeben. Fast die Hälfte der befragten Anlagen hat bereits Erfahrungen mit der Reparatur der Spritzschichten gesammelt. 14 n=7 Test großflächig beim Hersteller vor Ort Lichtbogen Plasma HVOF Reparatur 43 29 43 43 4 6 8 Bild 24: Aufbringung der Spritzschichten in EBS-Anlagen Mehrfachnennungen möglich, mit n wird die Anzahl der ausgewerteten 8. Zusammenfassung Die in den MVA durchgeführte Befragung wurde von etwa 7 der Anlagenbetreiber beantwortet. Die befragten EBS-Anlagen verbrennen etwa 75 der Abfallmengen, die den EBS-Kraftwerken zugeführt werden. Es kann angenommen werden, dass die ausgewerteten Ergebnisse auch im Hinblick auf die Dampfparameter einen repräsentativen Überblick über die Korrosionsschutzmaßnahmen in den Verbrennungsanlagen geben. Die EBS-Anlagen weisen einen höheren an Kesseln mit Dampfparametern > 4 bar, > 4 C auf. Der Einsatz von Grundwerkstoffen für die Wärmetauscher folgt dem Prinzip: St35/St37 für die Verdampfer, höherwertige (15/16Mo3/4 oder CrMo-Stähle) für die Überhitzer. Etwa der MVA nutzen höherwertige Stähle auch im Verdampfer. Da eine größere Anzahl der EBS-Anlagen über höhere Dampfparameter verfügt, ist der von höherwertigen Werkstoffen in den Verdampfern größer. Korrosionsraten werden nur von einigen Anlagenbetreibern ermittelt. Die EBS-Anlagen verfügen wegen der noch geringen Regelbetriebszeit selten über diese Daten. Zur Sicherung der Anlagenverfügbarkeit sollte aber eine regelmäßige Kontrolle und Nachweisführung erfolgen [8]. Zur Reinigung der Heizflächen (Rußbläser) werden vorwiegend Klopf- und Wasserdampfsysteme eingesetzt. Die EBS-Anlagen nutzen verstärkt die Waschdüse und Schallreinigung. Bei den Feuerfestauskleidung überwiegen in allen Anlagen die gestampften und geklebten Systeme. Die hinterlüfteten Wände haben bei den EBS-Anlagen einen erheblich höheren als in den MVA. In einigen Anlagen wird auf die Feuerfestzustellung verzichtet und Cladding für den gesamten 1. Zug der Kessel eingesetzt. 47
Manfred Born, Michael Beckmann Die Umwandlung der korrosiven Substanzen (Chloride) auf dem Abgasweg durch Reaktionen mit Additiven hat trotz umfangreicher Versuche nicht zu einem wirksamen Ergebnis geführt. Korrosionsschutzschichten werden nahezu auf allen Verdampfern im ersten Zug aufgebracht. Bei den MVA sind auch über die Hälfte der Anlagen an der Decke und im zweiten Zug geschützt. Das Auftragschweißen ist die weitaus bevorzugte Maßnahme. Die MVA nutzen in vielen Fällen parallel das thermische Spritzen, während der EBS-Anlagen allein auf diese Verfahren setzen. Unterschiedlich werden auch die Applikationen ausgeführt. Beim Cladding überwiegt immer die Werksbeschichtung beim Hersteller. Sechzig Prozent aller Anlagen lassen aber Schutzmaßnahmen auch vor Ort vornehmen, erhebliche e davon als Reparatur. Die EBS-Anlagen nutzen konsequent die Erfahrungen der MVA. Thermische Spritzschichten werden in MVA noch zu großen en mit verschiedenen Verfahren getestet. Die vor-ort-beschichtung überwiegt. In den EBS-Anlagen ist die Anzahl der Werksbeschichtungen höher, es wurden lediglich HVOF-Spritzschichten angegeben. Auch bei diesen Verfahren gibt es umfangreiche Reparaturerfahrungen. 9. Literatur [1] Fässler, K. et al.: Korrosion an Müllverbrennungskesseln. Mitteilungen des VGB, 1968/2. S. 126-139 [2] Kautz, K.; Kirsch, H.: Neue Ergebnisse der Korrosionsforschung auf dem Gebiet der Müllverbrennung. Mitteilungen der VGB, 1971, 3, S. 223-288 [3] Reichel, H.-H.; Schirmer, U.: Waste incineration plants in the FRG: construction, materials, investigations on cases of corrosion. Werkstoffe und Korrosion, 1989, S. 135-141 [4] Husemann, R. U.: Korrosionserscheinungen und deren Reduzierung an Verdampfern und Überhitzerbauteilen in kommunalen Müllverbrennungsanlagen. In: VGB Kraftwerkstechnik, 1992, S. 918-927 [5] Born, M.; Spiegel, W.; Spiegel, M.: Wissenschaftliche Grundlagen der rauchgasseitigen Dampferzeugerkorrosion. In: Born, M. (Hrsg.): Dampferzeugerkorrosion 5, Teil 1. Freiberg: Verlag SAXONIA, 5, S. 1-41 [6] Herzog, T.: Belagsentwicklung und Korrosion auf Dampferzeugerrohren bei der Verbrennung von Abfällen und Biomasse. Dissertation TU Bergakademie Freiberg, 7, Freiberger Forschungshefte C 522, 7 [7] Albert, F. W.: Eindämmung MVA-spezifischer Korrosion; Betriebsorganisation, Instandhaltung, Prozessführung. In: SAXONIA Standortentwicklungs- und -verwaltungsgesellschaft mbh (Hrsg.): Dampferzeugerkorrosion 9. Freiberg: Verlag SAXONIA, 9, S. 51-72 [8] Magel, G.et al.: Standzeitprognose durch regelmäßige Kesselkontrolle. In: SAXONIA Standortentwicklungs- und -verwaltungsgesellschaft mbh (Hrsg.): Dampferzeugerkorrosion 11. Freiberg: Verlag SAXONIA, 11, S. 95-1 [9] Dräger, R.: Einfluss der Kesselkorrosion auf die Entwicklung moderner Dampferzeugerkonzepte. In: SAXONIA Standortentwicklungs- und -verwaltungsgesellschaft mbh (Hrsg.): Dampferzeugerkorrosion 11. Freiberg: Verlag SAXONIA, 11, S. 87-92 [] Beckmann, M. et al.: Charakterisierung von Belägen an Membranwänden von Dampferzeugern durch Wärmestromdichtemessung. In: SAXONIA Standortentwicklungs- und -verwaltungsgesellschaft mbh (Hrsg.): Dampferzeugerkorrosion 9. Freiberg: Verlag SAXONIA, 9, S. 31-48 48
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