Komponenten

Feuerung und Beheizung

Die Aufgabe der Feuerung ist es, den im Brennstoff enthaltenen Kohlenstoff, Wasserstoff und eventuell Schwefel vollständig in CO₂, H₂O und SO₂ zu verbrennen. Damit dies möglichst schadstoffarm erfolgen kann, müssen vor allem der Brennstoff und die Verbrennungs­luft im richtigen Mischungsverhältnis zeitlich und örtlich im Verbrennungsraum vorhanden sein.

Für Großwasserraumkessel werden hierfür fast ausschließlich Überdruckfeuerungen eingesetzt. Das heißt, dass das Verbrennungs­luftgebläse den durch den Kessel und ggf. vorhandene, nachgeschaltete Wärmetauscher verursachten Widerstand von 5 ... ≤ 50 mbar an Überdruck zur Verfügung stellen muss. Im Feuerraum besteht deshalb stets ein geringer Überdruck.

Technische Information: Anforderungen an eine bauseitige Brenneranlage

Brennstoffe

Erdgas und Heizöl sind nach wie vor die am häufigsten eingesetzten Brennstoffe. Je nach Betriebsweise des Dampfkessels, der erforderlichen Leistung oder den Anforderungen an die Emissionswerte bietet jeder dieser Standardbrennstoffe unterschiedliche Vorteile und eignet sich für verschiedene Anwendungen.

Info zu Kriterien zur Brennstoffwahl zwischen Heizöl oder Erdgas

Vor allem für eine möglichst schadstoffarme Verbrennung ist die richtige Kombination von Brennstoff, Feuerungs­einrichtung und Feuerraum entscheidend.

Neben den standardisierten Brennstoffen können auch unterschiedlichste gasförmige und flüssige Brenn­­stoffe in einem Großwasserraumkessel eingesetzt werden. Je nach Brennstoff ist dies einfach zu realisieren oder erfordert größere Mehraufwände. In jedem Fall sollte der Einsatz dieser Brennstoffe in der Projektphase genau betrachtet werden, da diese neben den erhöhten Investitionen auch mitunter eine strengere Überwachung und Wartung im Betrieb erfordern.

Info zu Weitere Brennstoffe

Beispiele für flüssige Sonderbrennstoffe:

• Biodiesel
• Tierfett
• Rapsöl
• Sojaöl
• Palmöl/-fett

Beispiele für gasförmige Sonderbrennstoffe:

• Biogas
• Bio-Erdgas
• Klärgas
• Gas aus Biomasse-Vergasung
• Wasserstoffreiche Erdgase

Die Verbrennung dieser Brennstoffe kann dabei als eigenständiger Zusatzbrennstoff, z. B. bei der Ver­wendung eines Zweistoff­brenners mit Erdgas und einem flüssigen Sonderbrennstoff, oder als Beimisch­verbrennung, z. B. Erdgas mit Biogas, erfolgen.

Gebläsevarianten von Feuerungen

Monoblock­brenner

Monoblock­brenner in der Schnittdarstellung (Weishaupt)

Als Monoblock- oder Gebläsebrenner bezeichnet man Feuerungssysteme, bei denen das Verbrennungs­luftgebläse direkt im Gehäuse des Brenners integriert ist. Dieses Brennersystem eignet sich für Heizöl, gasförmige Brennstoffe und auch als Kombisystem, bei dem ein einfacher Wechsel zwischen Gas- und Ölverbrennung möglich ist. Die Vorteile von Monoblock­brennern liegen vor allem in ihrer kompakten und damit günstigen Bauweise und der Möglichkeit, alle Systeme der Feuerungs­anlage platzsparend direkt am Kessel anbauen zu können. Monoblock­brenner können bis zu einer Feuerungs­leistung von etwa 10 MW eingesetzt werden. Sie eignen sich jedoch nicht für den Einsatz einer Luftvorwärmung.

Feuerungen für flüssige Brennstoffe

Im Folgenden werden die wichtigsten Begriffe und Unterscheidungsmerkmale für Feuerungs­anlagen und die notwendige Ausrüstung beschrieben.

Druckzerstäuber

Öl-Brenner als Bild und in der Schnittdarstellung (Weishaupt)

Bei der Druckzerstäubung wird das Öl durch eine Düse geleitet und beim Austritt in den Verbrennungs­raum fein versprüht. Die notwendigen Vordrücke in der Ölzufuhr liegen bei 6 ... 30 bar. Beim Austritt des Ölstrahls aus der Düse bilden sich feine Öltropfen, die einen großen Reaktionsquerschnitt bilden. Voraussetzung hierfür ist, dass die Viskosität des Brennstoffs im Bereich von 5 ... 8 mm²/s liegen muss. Ist dies bei Umgebungs­temperatur nicht der Fall muss das Öl vorgewärmt werden.

Die Regelung des Brenners kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Bei Stufenbrennern sind mehrere Düsen im Brennerkopf eingebaut. Je nach Leistungsanforderung werden über die Ansteuerung von Magnetventilen Düsen zu- oder abgeschaltet. Es sind Brenner mit bis zu drei Düsen verfügbar.

Für eine stufenlose Leistungsregelung werden Rücklaufzerstäubungsbrenner eingesetzt. Hierfür regelt ein Ventil im Heizölrücklauf die dem Verbrennungsraum zugeführte Brennstoffmenge. Dieses Ventil wird im Verbund mit der Stellung der Verbrennungs­luftklappe angesteuert.

Drehzerstäuber

Ölversorgung

Ölversorgungsmodul OSM

Das Ölversorgungsmodul pumpt den Brennstoff aus dem außerhalb des Kesselhauses aufgestellten Öllagertank über die Ölringleitung zu den einzelnen Ölzirkulationsmodulen, die jeden Ölbrenner einzeln versorgen.

Es ist als Einzel- oder Doppelstation mit 100 % Reserve für die Versorgungssicherheit, auch bei einem Ölfilterwechsel, mit allen Armaturen in einer Ölauffangwanne für den einfachen Einbau in die Ringleitung vormontiert.

Öldruckregelungsmodul ORM

Das Öldruckregelungsmodul dient zur Einstellung eines konstanten Öldruckes im Vorlauf der Ölring­leitung. Es besteht aus einem Öldruckregler, vor- und nachgeschalteten Absperr­armaturen, die einen Ausbau des Öldruckreglers ermöglichen, einem Druckanzeiger (PI) und einer Umgehungs­armatur. Die Einbindung erfolgt immer nach der letzten Stichleitung zur Versorgung des Brenners.

Ölzirkulationsmodul OCM

Das Ölzirkulationsmodul bereitet flüssige Brennstoffe durch Filtern und Luftabscheiden auf und er­fasst den Öl-Mengendurchsatz. Es ist für Leicht- und Schweröldruckzerstäuberbrenner mit Rück­lauf­düsen­system ausgelegt und wird als anschlussfertige Einheit inklusive Verkleidung für jeden Brenner in die Ringleitungen mit einem Vordruck von ≥ 1,5 bar eingebaut.

Das Modul beinhaltet ein Zweikammer-Ölvorlagegefäß für die direkte Ölversorgung des Brenners und die Aufnahme der Rücklaufmenge aus dem Brenner. Die Leitungen können direkt an die Ölschläuche des Brenners angebunden werden.

Es sind eine Filterarmatur (FI), der Ölmengenzähler, Absperr­armaturen, die Überdruckabsicherungs­armatur, eine Entlüftungsabsperrarmatur sowie Entleerungsstopfen enthalten. Bei Schwerölbetrieb ist zusätzlich eine Isolierung unter der Blechverkleidung angebracht.

Ölvorwärmmodul OPM

Für Mittel- und Schweröle als Brennstoff ist eine Ölvorwärmung notwendig, da diese Brennstoffe bei Um­gebungstemperatur nicht die für eine Zerstäubung notwendigen Fließeigenschaften aufweisen. Das Öl muss vorgewärmt werden um die Viskosität zu senken. Je nach Brennerfabrikat und Brennstoff ist eine Aufheizung auf 100 ... 180 °C erforderlich um eine sichere Verbrennung zu gewährleisten.

Die Aufheizung erfolgt dabei über einen Wärmetauscher mit ausziehbarem Rohrbündel und kann mit Dampf- oder kombinierter Dampf-/Elektrobeheizung betrieben werden. Es ist darauf zu achten, dass auch alle Rohrleitungen und Armaturen mit Begleitheizung ausgestattet sind. Im Anfahrzustand wird das Öl zunächst elektrisch aufgeheizt und im Dauerbetrieb der Anlage wird es dann mit Dampf über das Temperaturregelventil (TC) auf eine stetige Temperatur erhitzt. Das Modul wird inklusive der Be­heizungsregelung, der Wärmeisolierung und aller Armaturen anschlussfertig vormontiert.

Feuerungen für gasförmige Brennstoffe

Erdgas ist heute an den meisten Standorten verfügbar und meist kostengünstiger zu beziehen als Öl. Daher stieg der Anteil an Gasfeuerungen in den letzten Jahren stetig.

Info zu Kriterien zur Brennstoffwahl zwischen Heizöl oder Erdgas

Neben dem wirtschaftlichen Vorteil sprechen noch weitere Vorteile für den Brennstoff Gas:

• Keine Brennstofflagerung
• Geringere Verschmutzung der Heizflächen
• Weniger störanfällig
• Geringerer NOx und CO₂ Ausstoß
• Einfachere Nutzung der Brennwerttechnik

Gasversorgung

Beispielhafte schematische Darstellung einer Gasfeuerung (Hoch­druckversorgung)

Gasregelmodul GRM

Das Gasregelmodul enthält alle Regel- und Sicherheitseinrichtungen, die für den sicheren und störungs­freien Betrieb der Verbrennung notwendig sind. Vor allem Gas- und Luftzufuhr werden über eine elektronische oder pneumatische Verbundregelung so eingestellt, dass in allen Lastpunkten das richtige Brenn­stoff-/Luftverhältnis für eine vollständige, sichere und effiziente Verbrennung im Brennraum vorhanden ist.

Der Gasdruckregler wird eingebaut, um unabhängig von wechselnden Vordrücken einen gleichbleibenden Gasdruck vor dem Brenner sicherzustellen. Bei Änderung des Gasdrucks würde sich das Gas-/Luft­ver­hältnis am Brenner ändern und als Folge davon kann entweder eine instabile Flamme oder eine stark rußende Verbrennung mit CO-Bildung auftreten. Wenn der abgesicherte Gasvordruck größer sein kann als der zulässige Betriebsüberdruck der Komponenten der Gasstrecke, dann müssen ein Sicherheits­absperrventil (SAV) und Sicherheitsabblase­ventil (SBV) vor dem Regler installiert werden.

Die Druckwächter überwachen den minimal und maximal zulässigen Gasdruck, falls der Gasdruckregler einen Defekt zeigt. Beim Stillstand oder beim Vorbelüften darf kein Gas in den Feuerungsraum ge­langen, da ansonsten eine Verpuffung erfolgen kann. Deshalb müssen die Magnetventile in der Gas­strecke sicher schließen. Aus Sicherheitsgründen sind die Gasmagnet­ventile doppelt vorhanden und im Brenner­ablaufprogramm wird vor jedem Brennerstart geprüft, ob die Ventile dicht sind (Gasdichtheitskontrolle).

Beheizung durch Abwärmegas

Die Wärme von heißen Abgasen aus vorgelagerten Prozessen, wie z. B. die Kraft-Wärme-Kopplung aus Blockheizkraftwerken oder Gasturbinen, industrielle Herstellungs- und Fertigungsprozesse aus der Metallindustrie oder der thermischen Verwertung von Reststoffen, eignen sich zur Dampferzeugung in Großwasserraumkesseln.

Info zu Kraft-Wärme-Kopplung

Die mögliche Dampfleistung aus den Abgasen richtet sich dabei im Wesentlichen nach drei Kriterien:

• Temperaturniveau mit dem die Abgase zur Verfügung stehen
  Je höher das Temperaturniveau der Abgase liegt, desto größer ist die erzielbare Dampfleistung. Das Temperaturniveau kann bis etwa 300 °C bei Mikrogasturbinen, bis rund 360 ... 550 °C bei Abgasen aus Motoren oder bis zu 1 000 °C bei industriellen Prozessen wie Schmelzen oder Schmieden von Werkstücken oder aus einer thermischen Verwertung liegen.
• Abgasmenge und zur Verfügung stehende Dauer der Abgase
  Es ist zu beachten, ob kontinuierlich oder nur zu bestimmten Betriebszeiten Abgas zur Verfügung steht. Zusätzlich ist die Menge der Abgase zu beachten.
  So steht bei der Kraft-Wärme-Kopplung mit einer Gasturbine aufgrund des hohen Luftüberschusses bei der Verbrennung bis zu 5-mal mehr Abgas zur Verfügung als bei einem Verbrennungsmotor gleicher elektrischer Leistung.
• Druckniveau mit dem der Dampf zur Verfügung gestellt werden soll
  Je höher das Druckniveau und damit die Sattdampf­temperatur im Dampfkessel sein müssen, desto geringer ist das für den Wärmeübertrag zur Verfügung gestellte Temperaturgefälle vom Abgas zum Dampf. Für Abgas­temperaturen ≤ 330 °C eignet sich daher ein Betriebsüberdruck < 5 bar am besten. Bei höheren Abgas­temperaturen kann auch ein entsprechend höherer Dampfdruck realisiert werden.

Weitere Rahmenparameter bei der Auswahl des geeigneten Kessels sind der jeweilige Schwefelgehalt, Feststoffgehalt oder sonstige korrosiv wirkende Substanzen z. B. Chlorgehalt im Abgas.

Aufgrund der Vielzahl der möglichen Variationen des Abwärmegases empfiehlt sich hier immer ein ausführliches Engineering bereits im Vorfeld einer Abhitzedampfkessel­anlage durchzuführen um die optimale Wärmeausnutzung zu erhalten.

Blockheizkraftwerk mit 4-Zug-Abhitzekessel