Das Kesselhaus

Vom Brennstoff zugeführte Energie

Der Brennwert

Dieser Wert kann auf die zwei Arten „Gesamt“- oder „Netto“-Brennwert ausgedrückt werden.

Gesamt-Brennwert

Das ist die theoretische Gesamtenergiemenge im Brennstoff. Alle gängigen Brennstoffe beinhalten jedoch Wasserstoff, der mit Sauerstoff verbrennt und Wasser bildet, welches durch den Schornstein als Dampf entweicht. 

Der Gesamt-Brennwert des Brennstoffes beinhaltet die Energie, die zur Verdampfung dieses Wassers aufgebracht wird. Die Rauchgase in Dampfkesselanlagen kondensieren nicht und daher reduziert sich die tatsächliche Energiemenge, die der Kesselanlage zu Verfügung steht.

Die genaue Regelung der Luftmenge ist daher für den Kesselwirkungsgrad immens wichtig:

• Zu viel Luft kühlt den Verbrennungsraum und führt nutzbare Energie ab.
• Bei zu wenig Luft ist die Verbrennung nicht vollständig, unverbrannter Brennstoff wird mitgerissen und es entsteht ggf. Rauch.  

Netto-Brennwert

Dies ist der Brennwert des Brennstoffes, ohne die Energie im Dampf, die über den Kamin abgeführt wird, und dieser Wert wird normalerweise verwendet, um Kesselwirkungsgrade zu berechnen. Vereinfacht ausgedrückt:

Die genaue Regelung der Luftmenge ist daher für den Kesselwirkungsgrad immens wichtig:

• Zu viel Luft kühlt den Verbrennungsraum und entzieht nutzbare Energie.
• Bei zu wenig Luft ist die Verbrennung nicht vollständig, unverbrannter Brennstoff wird mitgerissen und es entsteht ggf. Rauch.

In der Praxis gibt es jedoch einige Hindernissen, um eine vollständige (stöchiometrische) Verbrennung zu erzielen:

• Die Randbedingungen um den Brenner sind nie perfekt und es ist unmöglich, eine vollkommene Balance der Kohlen-, Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle sicherzustellen.
• Einige der Sauerstoffmoleküle werden sich mit Stickstoffmolekülen verbinden und Stickoxide bilden (NOx ).

Um eine vollständige Verbrennung zu ermöglichen, muss ein Anteil an „überschüssiger“ Luft bereitgestellt werden. Dies hat wiederum einen Einfluss auf den Kesselwirkungsgrad.

Die Regelung des Luft-/Brennstoff-Mischungsverhältnisses bei vielen kleinen bestehenden Kesselanlagen ist ein „offener“ Regelkreis. Das bedeutet, dass der Brenner eine Reihe von Nocken und Hebeln besitzt, welche so eingestellt sind, dass sie bei einer bestimmten Feuerleistung für spezifische Luftmengen sorgen.

Da dies mechanische Einrichtungen sind, verschleißen sie natürlich und benötigen bisweilen eine Kalibrierung. Sie müssen daher regelmäßig gewartet und eingestellt werden.

In größeren Anlagen sind „geschlossene“ Regelkreise verbaut, die Sauerstoffsensoren im Brennstoff nutzen, um die Verbrennungsluftklappen zu regeln.

Luftleckagen in der Kesselbrennkammer haben einen negativen Einfluss auf die genaue Regelung des Verbrennungsprozesses.

Gesetzgebung

Derzeit gibt es eine globale Verpflichtungserklärung zu einem Klimawandel-Programm, und 160 Länder haben 1997 das Kyoto-Protokoll unterzeichnet. Diese Länder haben zugestimmt, konstruktive und eigenständige Schritte zu unternehmen, um:

• Emission von gesundheitsschädlichen Gasen an die Atmosphäre zu reduzieren - Obwohl Kohlendioxid (CO2) das schwächste Gas ist, das diese Vereinbarung beinhaltet, kommt es bei weitem am häufigsten vor und macht etwa 80 % der zu reduzierenden Gasemissionen aus.
• Jährlich eine quantifizierbare Reduzierung des Brennstoffverbrauchs zu realisieren - Dies kann entweder durch den Einsatz alternativer, umweltfreundlicher Energiequellen oder den effizienteren Einsatz der bestehenden Brennstoffe geschehen.

In Großbritannien wird diese Verpflichtungserklärung „The UK National Air Quality Strategy“ genannt, und diese wirkt sich auf eine Reihe von Gesetzen und Vorschriften aus. Andere Länder haben ähnliche Vorgehensweisen.

Technologie

Der Druck der Gesetzgebung im Hinblick auf Umweltverschmutzung und von Kesselbetreibern im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit, in Kombination mit dem Leistungsvermögen von Mikrochips, haben die Konstruktion sowohl der Verbrennungskammern im Kessel als auch die der Brenner wesentlich vorangetrieben.

Moderne Kessel mit den neuesten Brennern haben daher

• Eine Rauchgasrückführung, um eine optimale Verbrennung bei minimalem Luftüberschuss sicherzustellen.
• Eine ausgeklügelte elektronische Regelung, welche alle Bestandteile der Rauchgase erfasst und die Brennstoff- und Luftströme so anpasst, dass die Betriebsbedingungen innerhalb festgelegten Eckdaten bleiben.
• Ein wesentlich verbessertes Reduzierverhältnis (das Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Feuerleistung), welches ermöglicht, dass Wirkungsgrad- und Emissionsparameter über einen größeren Arbeitsbereich eingehalten werden.

Wärmeverluste

Nachdem wir das Brennverhalten im Verbrennungsraum des Kessels besprochen haben, insbesondere die Wichtigkeit der korrekten Luftverhältnisse, die mit einer vollständigen und effizienten Verbrennung in Verbindung stehen, müssen noch andere potentielle Ursachen für Wärmeverluste und Unwirtschaftlichkeit betrachtet werden.

Wärmeverluste bei den Rauchgasen

Dies ist vermutlich die größte Einzelursache für Wärmeverluste, und ein Konstrukteur kann die meisten dieser Verluste reduzieren.

Diese Verluste stehen in engem Zusammenhang mit der Temperatur der Gase, die den Verbrennungsraum verlassen. Logischerweise ist der Kessel umso unwirtschaftlicher, umso heißer die Gase im Kamin sind.

Die Gase können auf Grund einer der zwei folgenden Gründe zu heiß sein:

1. Der Brenner erzeugt mehr Wärme als für einen spezifischen Lastfall des Kessels erforderlich ist.
   Das bedeutet, dass der (die) Brenner und die Klappenmechanik eine Wartung und Neujustierung benötigen.
2. Die Wärmeübertragungsflächen im Kessel arbeiten nicht richtig, und die Wärme wird nicht auf das Wasser übertragen.
   Das heißt, dass die Wärmeübertragungsflächen verschmutzt sind und gereinigt werden müssen.

Man muss hier aber vorsichtig sein – eine zu weite Abkühlung der Rauchgase kann zu einem Temperaturabfall unter den Taupunkt führen, und die Gefahr von Korrosion steigt auf Grund von:

• Salpetersäure (durch den Stickstoff in der für die Verbrennung genutzten Luft).
• Schwefelsäure (wenn der Brennstoff einen Schwefelanteil aufweist).
• Wasser

Strahlungsverluste

Da der Kessel wärmer als sein Umfeld ist, wird ein Teil seiner Wärme an die Umgebung übertragen. Beschädigte oder schlecht angebrachte Isolation wird diese möglichen Wärmeverluste massiv steigern.

Ein einigermaßen gut isolierter Großraumwasser- oder Wasserrohrkessel mit 5 MW oder mehr verliert zwischen 0,3 und 0,5 % seiner Energie an die Umgebung.

Dies scheint keine große Menge zu sein, aber man muss daran denken, dass dies 0,3 bis 0,5 % der Volllastleistung des Kessels ausmacht, und diese Verluste konstant bleiben, auch wenn der Kessel keinen Dampf in die Anlage liefert und sich nur im Stand-by befindet.

Dies zeigt, dass eine Kesselanlage nahe an ihrer maximalen Kapazität betrieben werden sollte, um effizienter zu arbeiten. Das erfordert im Gegenzug eine enge Zusammenarbeit zwischen den Kesselhausmitarbeitern und den Produktionsabteilungen.

Reduzierverhältnis des Brenners

Eine wichtige Aufgabe der Brenner ist das Reduzierverhältnis. Dieses wird normalerweise als Verhältnis ausgedrückt und dadurch ermittelt, dass die maximale Feuerleistung durch die minimale regelbare Feuerleistung dividiert wird.

Dabei geht es nicht nur darum, verschiedene Brennstoffmengen in den Kessel zu pumpen, sondern es ist in zunehmendem Maße von wirtschaftlicher und rechtlicher Bedeutung, dass der Brenner für eine effiziente und genaue Verbrennung sorgt und über seinen gesamten Arbeitsbereich zunehmend strengeren Abgasvorschriften gerecht wird.

Wie bereits erwähnt wurde, ist Kohle als Brennstoff eher auf spezielle Anwendungen, wie beispielsweise Wasserrohrkessel in Kraftwerken, beschränkt. Die folgenden Abschnitte in diesem Modul werden sich mit den häufigsten Brennstoffen für Großraumwasserkessel beschäftigen.

Ölbrenner

Um Heizöl wirtschaftlich zu verbrennen, ist ein großes Verhältnis der Brennstoffoberfläche zu seinem Volumen erforderlich. Aus Erfahrung weiß man, dass hierfür Ölpartikel im Bereich zwischen 20 und 40 µm am besten geeignet sind.

Partikel, die:

• größer als 40 µm sind tendieren dazu, durch die Flamme zu strömen, ohne den Verbrennungsprozess abzuschließen.
• kleiner als 20 µm sind, können so schnell strömen, dass sie ohne zu verbrennen durch die Flamme gelangen.

Ein sehr wichtiger Aspekt der Ölfeuerung ist die Viskosität. Die Viskosität von Öl ändert sich mit der Temperatur: umso heißer das Öl ist, umso leichter fließt es. Tatsächlich wissen die meisten Leute, dass Schweröl erwärmt werden muss, damit es ungehindert fließen kann. Weniger bekannt ist, dass eine Temperaturänderung und damit die Änderung der Viskosität einen Einfluss auf die Größe der in der Brennerdüse erzeugten Ölpartikel hat.

Daher muss die Temperatur genau geregelt werden, um gleichbleibende Bedingungen in der Düse zu erzeugen. 

Gebläsebrenner (Düsenbrenner)

Ein Gebläsebrenner ist einfach eine Blende am Ende eines druckbeaufschlagten Rohres. Üblicherweise bewegt sich der Druck des Heizöls zwischen 7 und 15 bar.

Der starke Druckabfall, der innerhalb des Arbeitsbereichs über diese Blende entsteht, wenn der Brennstoff in den Brennraum geleitet wird, führt zu einer Zerstäubung des Brennstoffs. Derselbe Effekt wird erzeugt, wenn man einen Daumen auf das Ende eines Gartenschlauchs drückt.

Eine Änderung des Heizöldrucks kurz vor der Blende (Düse) regelt den Brennstoffdurchsatz des Brenners.

Wenn der Brennstoffdurchsatz um 50 % verringert wird, reduziert sich die Energie für die Zerstäubung um 25 %. Das bedeutet, dass bei dieser speziellen Düse das nutzbare Reduzierverhältnis auf etwa 2:1 begrenzt ist. Um diese Begrenzung zu umgehen, werden Gebläsebrenner mit einer Reihe von auswechselbaren Düsen geliefert, um sich unterschiedlichen Kessellasten anpassen zu können.

Vorteile von Gebläsebrennern:

• Relativ geringe Kosten
• Einfach zu warten

Nachteile von Gebläsebrennern:

• Wenn die Anlagenbetriebsparameter über den Tagesverlauf erheblich schwanken, muss der Kessel außer Betrieb genommen werden, um die Düse zu tauschen. 
• Sie können leicht durch Ablagerungen verstopfen. Daher sind gut gewartete, feinmaschige Schmutzfänger von großer Bedeutung.

Drehzerstäuber-Brenner

Das Heizöl wird in einer zentralen Leitung nach vorne gefördert und auf die innere Oberfläche eines schnell rotierenden Konus (Becher) geleitet. Da sich das Öl im Becher (Konus) weiterbewegt (auf Grund einer fehlenden Zentripetalkraft), wird der Ölfilm zunehmend dünner, da der Umfang des Bechers größer wird. Letztendlich löst sich das Heizöl als feiner Sprühnebel vom Rand des Konus.

Da die Zerstäubung durch die Drehbewegung des Bechers erzeugt wird und nicht vom Zustand des Öls (d. h. Druck), ist das Reduzierverhältnis viel größer als bei einem Gebläsebrenner.

Vorteile von Drehzerstäuber-Brennern

• Robust
• Gutes Reduzierverhältnis
• Die Brennstoffviskosität ist unkritischer

Nachteile von Drehzerstäuber-Brennern

•  Teurer in Anschaffung und Wartung

Gasbrenner

Derzeit ist Gas vermutlich der weitverbreitetste Brennstoff in Großbritannien.

Da es sich um ein Gas handelt, ist die Zerstäubung kein Thema, und für eine Verbrennung ist nur die richtige Mischung von Gas und der entsprechenden Menge an Luft erforderlich.

Es werden zwei Arten von Gasbrennern verwendet, “Niederdruck-“ und “Hochdruck-Brenner“.

Niederdruck-Brenner

Diese arbeiten bei geringen Drücken zwischen normalerweise 2,5 und 10 mbar. Der Brenner ist eine einfache Venturidüse mit Gaseinleitung im Halsbereich und Ansaugung der Verbrennungsluft aus der Umgebung.

Die Leistung ist auf ungefähr 1 MW limitiert.

Hochdruck-Brenner

Diese arbeiten bei höheren Drücken zwischen normalerweise 12 und 175 mbar und können auch noch zusätzliche Düsen beinhalten, um eine gewisse Flammenform zu erzeugen.

Zweistoffbrenner

Die große Mehrheit der Unternehmen in Großbritannien nutzt den attraktiven „unterbrechbaren“ Gastarif. Viele dieser Unternehmen müssen jedoch ihren Betrieb aufrechterhalten, auch wenn die Gasversorgung unterbrochen wird. 

Üblicherweise ist vor Ort eine Heizölversorgung vorhanden und mit dieser den Brenner zu befeuern, wenn kein Gas zu Verfügung steht. Dies führte zur Entwicklung von Zweistoffbrennern.

Diese Brenner sind für Gas als Primärbrennstoff ausgelegt, haben aber auch die zusätzliche Möglichkeit, Heizöl zu verbrennen. 

Die Ankündigung des Gasunternehmens, dass die Versorgung unterbrochen wird, kann sehr kurzfristig erfolgen, so dass die Umschaltung auf Heizölfeuerung so schnell wie möglich erfolgen muss. Die übliche Vorgehensweise ist hierbei: 

• Absperrung der Gasversorgungsleitung.
• Öffnen der Ölversorgungsleitung und Einschalten der Ölpumpe.
• „Ölfeuerung“ am Bedienpanel des Brenners wählen. (Dies verändert die Lufteinstellung für den anderen Brennstoff).
• Spülen und erneutes Zünden des Brenners.

Dieser Vorgang kann in einem ziemlich kurzen Zeitraum ausgeführt werden. In einigen Betrieben wird dieser Wechsel im Rahmen regelmäßiger Übungen durchgeführt, um sicherzustellen, dass das Bedienpersonal mit dem Ablauf vertraut ist und die notwendigen Ausrüstungsteile vorhanden sind. 

Da das Heizöl jedoch nur als Reserve dient und wahrscheinlich nur für kurze Zeiträume genutzt wird, kann die Einrichtung für die Ölfeuerung sehr einfach gestaltet sein.  

In technisch ausgefeilteren Anlagen mit einer sehr hochwertigen Kesselanlage werden der/die Gasbrenner ggf. entfernt und durch Ölbrenner ersetzt.

Brennerregelsysteme

Der Leser sollte wissen, dass die Brennerregelung nicht isoliert betrachtet werden kann. Der Brenner, die Brennerregelung und die Niveauregelung sollten kompatibel und aufeinander abgestimmt sein, um die Dampfbedarfe der Anlage auf effiziente Weise zu decken. 

Die nächsten Abschnitte beschreiben grob die wesentlichen Brennersteuerungen.

An-/Aus-Regelsystem

Das ist das einfachste Regelsystem und bedeutet, dass der Brenner mit voller Leistung feuert oder aus ist. Der größte Nachteil dieser Regelmethode ist, dass jedes Mal, wenn der Brenner feuert, der Kessel großen und oft häufigen Temperaturschocks ausgesetzt ist. Der Einsatz sollte daher auf kleine Kessel bis 500 kg/h beschränkt werden.

Vorteile eines An-/Aus-Regelsystems:

• Einfach
• Kostengünstig

Nachteile eines An-/Aus-Regelsystems:

Wenn eine große Last am Kessel anfällt, kurz nachdem sich der Brenner ausgeschaltet hat, verringert sich die verfügbare Dampfmenge. Im schlimmsten Fall kann das zum Schäumen des Kessels und zu seiner Abschaltung führen.

• Temperaturwechselbeanspruchung

Zweistufiges Regelsystem

Dies ist ein etwas aufwendigeres System, bei dem der Brenner zwei Feuerleistungen hat. Der Kessel arbeitet zuerst auf der niedrigeren Feuerleistung und schaltet bei Bedarf auf die volle Feuerleistung um, und vermeidet somit eine sehr großen Temperaturschock. Der Brenner kann bei reduzierter Last auch zurück auf die geringe Feuerleistung geschaltet werden und somit wiederum die thermischen Spannungen im Kessel begrenzen. Dieses System wird normalerweise im Kessel mit einer Leistung von bis zu 5000 kg/h eingebaut.

Vorteile eines zweistufigen Regelsystems:

• Der Kessel kann besser auf große Lasten reagieren, da die Stufe mit geringer Feuerleistung sicherstellt, dass mehr Energie im Kessel gespeichert ist.
• Wenn der Brenner auf geringer Feuerleistung steht und eine große Last auftritt, kann er umgehend darauf reagieren, indem er die Feuerung auf volle Leitung steigert, und so kann der Spülvorgang des Brenners vermieden werden.

Nachteile eines zweistufigen Regelsystems:

• Aufwendiger als eine An-/Aus-Regelung
• Kostenintensiver als eine An-/Aus-Regelung

Stetiges Regelsystem

Eine stetige Brennerregelung passt die Feuerleistung über das gesamte Reduzierverhältnis an die Kessellast an. Jedes Mal, wenn der Brenner ausschaltet und wieder zündet, muss das System gespült werden, indem kalte Luft durch die Kesselzüge geblasen wird. Das verschwendet Energie und reduziert den Wirkungsgrad. Stetige Regelung bedeutet jedoch, dass der Kessel über den gesamten Arbeitsbereich feuert, um den thermischen Wirkungsgrad zu maximieren und thermische Spannungen zu minimieren. Diese Regelungsart kann für jede Kesselgröße verwendet werden, sollte aber bei Kesseln über 10 000 kg/h immer eingebaut sein.

Vorteile eines stetigen Regelsystems:

Der Kessel ist noch besser in der Lage, mit großen und wechselnden Lasten zurechtzukommen. 
Grund dafür ist:

• Der Kesseldruck wird am oberen Ende seines Regelbereichs gehalten und damit ist die gespeicherte Energiemenge am größten.
• Sollte kurzfristig mehr Energie benötigt werden, kann das Regelsystem sofort reagieren, indem es die Feuerleistung steigert, ohne für eine Spülzyklus pausieren zu müssen.

Nachteile eines stetigen Regelsystems:

• Sehr kostenintensiv 
• Sehr aufwendig
• Es werden Brenner mit einem großen Reduzierverhältnis benötigt