Reduktion von Verschlackungstendenzen

Ziel des Projektes

Verschlackungen und Verschmutzungen in Dampferzeugern haben sich insbesondere mit steigenden Frischdampfparametern und höheren Verbrennungstemperaturen zu einem ernsthaften Betriebsproblem in Kraftwerken entwickelt. Sie entstehen dabei durch das Anhaften von Aschepartikeln an der Wärmetauscheroberflächen. Durch Akkumulation von Partikeln entstehen teilweise extrem dicke Anbackungen, welche eine isolierende Wirkung auf den Wärmeübergang besitzen. Durch diesen Effekt steigen die Oberflächentemperaturen im Inneren des Kessels an, die Wärme aus der Verbrennung kann also nicht mehr optimal ausgetragen werden. Dadurch wandert das Temperaturprofil weiter nach hinten im Kessel und verschlechtert dadurch in erster Linie den Gesamtwirkungsgrad der Anlage, aber auch die Materialbeanspruchungen der einzelnen Wärmetauscher steigen und reduzieren dadurch die Lebensdauer.

Dabei hängt die Verschlackungsneigung von vielen Einflussfaktoren ab, neben der Aschezusammensetzung nimmt auch die Temperaturhistorie eine entscheiden Einfluss auf die Eigenschaften und die Haftungsneigung des Flugaschepartikels. Zahlreiche Mess- und Analysemethoden wurden in der Vergangenheit entwickelt um das Verhalten von Asche vorherzubestimmen.

Zusammen mit der EnBW und dem IVD der Uni Stuttgart soll in dem Projekt ein tieferes Verständnis der ablaufenden Reaktionen und Mechanismen bei der Bildung von Verschlackungen erarbeitet werden, dadurch sollen am Ende sowohl Betriebszustand als auch der Brennstoffeinsatz optimiert werden. Im Rahmen des Projektes sollen grundlagenorientierte Forschungsarbeiten im Bereich der Verschlackungsbildung durchgeführt werden. Der innovative Ansatz besteht dabei in der vollständigen Charakterisierung der Kohle und deren Flugaschen insbesondere hinsichtlich ihrer Partikelgrößenverteilung in einem breiten Spektrum an Versuchsanlagen.

Methoden

Basierend auf einer umfassenden Charakterisierung der Brennstoffeigenschaften hinsichtlich Zusammensetzung und Verbrennungseigenschaften werden Stein- und Braunkohlen untersucht. Dabei wird bei der Auswahl der Kohlen darauf geachtet, dass diese zurzeit auch für den Industriepartner von Relevanz sind. Neben der Brennstoffanalyse sollen dann mit ausgewählten Brennstoffen Verbrennungstest in Versuchsanlagen zunehmender Leistungsgröße durchgeführt werden. Am Lehrstuhl wird der Flugsstromreaktor im Rahmen des Projektes eingesetzt. Mittels moderner Messtechniken zur Rauchgasanalyse, Depositionsratenmessung und Aschanalysemethoden zur Partikelgrößenverteilung wird der Verbrennungsprozess charakterisiert und analysiert. Die Flugascheproben aus dem Reaktor werden hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Zusammensetzung untersucht.

Die Versuche werden von CFD Berechnungen begleitet und ein Modell zur Simulation der Partikelgrößenverteilung in Abhängigkeit von Zeit, Temperatur und Ort soll implementiert werden. Das Modell soll anhand der experimentellen Versuchsdaten validiert werden. Bisher gilt die Implementierung der Viskosität als Haftkriterium als Stand-der-Technik. Im Rahmen des Projektes soll an einem neuen Ansatz gearbeitet werden, welcher auf dem Anteil der Schmelzphase in den Aschepartikeln beruht.

Insbesondere soll auch die Initalschicht untersucht werden; diese entsteht aus der Rekondensation von mineralischen Komponenten der Kohle, welche während des Verbrennungsprozesses verdampften. Hierfür sollen dann Simulationen mit FactSage durchgeführt werden und die Ergebnisse in die CFD Simulationen integriert werden.

Die wesentlichen Aufgaben des Lehrstuhls für Energiesysteme in dem Teilprojekt sind:

• Aufbau der Brennstoffdatenbank und Brennstoffanalyse
• Versuche im Flugstromreaktor
• Modellierung des thermodynamischen Gleichgewichts
• CFD Modellierung des Flugstromreaktors

Weitere Informationen

Verantwortlicher Mitarbeiter: Dipl.-Ing. Christoph Wieland

Website der Forschungsinitiative: Link