Das Kesselhaus

Aus den oben genannten Gründen muss der Betreiber die nationale, lokale und aktuelle Gesetzgebung einhalten.

Ziel dieses Moduls ist es, dem Konstrukteur, Betreiber und Instandhalter eines Kesselhauses einen Einblick in die erforderlichen Überlegungen bei der Gestaltung eines Kessels und dessen Zubehör zu geben.

Moderne Kessel gibt es in allen Größen, um sowohl große als auch kleine Einsatzbereiche abzudecken. Falls mehr als ein Kessel erforderlich ist, um den Bedarf zu decken, ist es im Allgemeinen wirtschaftlich sinnvoll, die Kesselanlage an einem zentralen Ort aufzubauen, da hier die Installations- und Betriebskosten wesentlich geringer sein können als bei einer dezentralisierten Anlage.

Eine Zentralisation bietet im Gegensatz zu verteilt gelegenen, kleinen Kesseln die folgenden Vorteile:

• Mehr Auswahlmöglichkeiten beim Brennstoff und Preistarif.
• In zentralen Kesselhäusern werden oft gleiche Kessel eingesetzt und dadurch werden Ersatzteilehaltung und Kosten reduziert.
• Eine Wärmerückgewinnung für optimale Rentabilität ist leicht umzusetzen.
• Eine Reduzierung der manuellen Überwachung gibt Personal für andere Aufgaben am Standort frei.
• Eine wirtschaftliche Auslegung der Kesselanlage, um einen breit gefächerten Bedarf abzudecken.
• Die Abgasemissionen sind einfacher zu kontrollieren und zu regeln.
• Sicherheits- und Wirtschaftlichkeitsaufzeichnungen sind leichter zu erfassen und zu lenken.

Kesselbrennstoffe

Die drei am häufigsten verwendeten Bennstoffarten für Dampfkessel sind Kohle, Öl oder Gas. Allerdings wird neben Elektrizität bei Elektrodenkesseln auch industrieller/kommerzieller Abfall bei bestimmten Kesseln verwendet.

Kohle

Kohle ist der allgemeine Begriff für die Gruppe der festen Brennstoffe, die einen hohen Kohlenstoffanteil haben. Innerhalb dieser Gruppe gibt es verschiedene Arten von Kohle, je nach Phase der Kohleausbildung und der Menge des Kohlenstoffanteils. Diese Phasen sind:

• Torf.
• Lignit- oder Braunkohle.
• Steinkohle.
• Kokskohle.
• Glanzkohle.

Stein- und Glanzkohle werden häufig als Kesselbrennstoff eingesetzt.

In England nimmt der Einsatz von Grobkohle zur Beheizung von Kesseln ab. Es gibt verschiedene Gründe dafür. Dazu gehören:

Verfügbarkeit und Kosten - Da viele Kohleflöze erschöpft sind, wird in England weniger Kohle abgebaut als früher und es ist zu erwarten, dass dieser Rückgang weiter anhält.

Reaktionsgeschwindigkeit auf Lastwechsel - Bei Grobkohle gibt es einen wesentlichen Zeitverzug zwischen:

• Auftreten des Wärmebedarfs.
• Einfüllen der Kohle in den Kessel.
• Entzündung der Kohle.
• Dampferzeugung zur Bedarfsdeckung.

Um diesen Zeitverzug zu vermeiden, müssen Kessel, die für die Befeuerung mit Kohle ausgelegt sind, mehr Wasser bei Sättigungstemperatur beinhalten, damit sie eine Energiereserve haben, um diese Verzögerung abzudecken. Das bedeutet im Gegenzug, dass der Kessel größer ist und daher teurer in den Anschaffungskosten und mehr wertvolle Produktionsfläche in Anspruch nimmt.

Asche - Asche entsteht, wenn Kohle verbrannt wird.

Es ist nicht ganz einfach, die Asche zu entfernen, und dies ist normalerweise mit einem manuellem Eingriff und einem Rückgang der verfügbaren Dampfmenge während des Ascheabtrags verbunden. Die Asche muss danach entsorgt werden, was kostenintensiv sein kann.

Beschickungseinrichtungen - Es gibt eine Vielzahl verschiedener Einrichtungen, wie beispielsweise Kettenförderer, Schubstangen und Rohrförderschnecken. Alle haben eines gemeinsam: sie erfordern eine umfangreiche Wartung.

Abgase - Kohle beinhaltet durchschnittlich 1,5 % Massenanteil an Schwefel, welcher in Abhängigkeit vom Förderort der Kohle bis auf 3 % ansteigen kann.

Während des Verbrennungsprozesses:

• Verbindet sich der Schwefel mit Sauerstoff (O₂) aus der Luft und bildet SO₂ oder SO₃.
• Verbindet sich Wasserstoff (H) aus dem Brennstoff mit Sauerstoff (O₂) aus der Luft und bildet Wasser (H₂O).

Nachdem der Verbrennungsprozess abgeschlossen ist, verbindet sich das SO₃ mit dem Wasser (H₂O) und bildet Schwefelsäure (H₂SO₄), welche bei Nichteinhaltung der richtigen Rauchgastemperatur im Abgas kondensieren und Korrosion verursachen kann. Ansonsten wird sie über die Rauchgase in die Atmosphäre eingetragen. Diese Schwefelsäure wird dann über den Regen wieder zurück auf die Erde gebracht und verursacht:

• Beschädigungen an Bausubstanzen.
• Gefahr für und Zerstörung von Pflanzen und Vegetation.

Die durch die Kohle erzeugte Asche ist leicht und ein Teil davon wird unweigerlich über die Rauchgase mit in den Schornstein gelangen und als Schwebstoff in die Umwelt ausgestoßen.

Dennoch wird Kohle zur Befeuerung vieler, sehr großer Wasserrohrkessel in Kraftwerken eingesetzt.

Auf Grund der weiten Verbreitung dieser Anlagen ist es wirtschaftlich sinnvoll, Lösungen für die oben genannten Probleme zu finden, und vielleicht gibt es auch Druck von Regierungsseite, lokal erzeugte Brennstoffe zu verwenden, um die nationale Stromversorgung sicher zu stellen.

Die in Kraftwerken verwendete Kohle wird zu einem sehr feinen Puder zermahlen und normalerweise als „pulverisierter Brennstoff“ bzw. „Staubfeuerung“ bezeichnet.

• Die geringe Partikelgröße bei pulverisierten Brennstoffen bedeutet, dass das Oberflächen-/ Volumen-Verhältnis stark zunimmt, was die Verbrennung sehr schnell macht und damit das Problem des Zeitverzugs bei der Verwendung von Grobkohle umgeht.
• Die geringe Partikelgröße bedeutet auch, dass dieser Brennstoff fast so leicht strömt wie eine Flüssigkeit, und über die Brenner in den Kesselbrennraum eingebracht werden kann und somit die bei der Grobkohle verwendeten Schubstangen unnötig macht.
• Um die Flexibilität und den Leistungsbereich des Kessels weiter zu steigern, können 30 und mehr Staubfeuerungen an den Wänden und der Decke des Kessels vorhanden sein, wobei jede von ihnen unabhängig geregelt werden kann, um den Wärmeeintrag in einen bestimmten Bereich des Brennraumes zu steigern oder zu senken. Ein Beispiel dafür ist die Temperatur des Dampfes, der einen Überhitzer verlässt.

Im Hinblick auf die Beschaffenheit der Gase, die in die Atmosphäre freigesetzt werden, kann man folgendes sagen:

• Die Kesselabgase werden durch einen elektrostatischen Abscheider geleitet, in dem elektrisch geladene Platten die Asche und andere Partikel anziehen und damit aus dem Gasstrom entfernen.
• Die schwefelhaltigen Stoffe scheidet man über einen Gaswäscher ab.
• Die verbleibende Emission an die Umwelt hat somit eine hohe Reinheit. Aus der Verbrennung von 1 kg Kohle können etwa 8 kg Dampf erzeugt werden.

Öl

Öl als Kesselbrennstoff wird aus den Rückständen gewonnen, welche entstehen, wenn Rohöl destilliert wird, um leichter Öle wie Benzin, Paraffin, Kerosin, Diesel oder Ölgas herzustellen. Es gibt verschiedene Kategorien, welche für die verschiedenen Kesselklassen geeignet sind; die Kategorien lauten wie folgt:

• Kategorie D - Diesel oder Ölgas.
• Kategorie E - Leichtöl.
• Kategorie F - Heizöl. 
• Kategorie G - Schweröl.

In den 1950er begann Öl der Kohle als bevorzugter Kesselbrennstoff Konkurrenz zu machen. Dies kam zum Teil durch die Förderung von Untersuchungen zur Kesselanlagenoptimierung durch das Ministerium für Brennstoffe und Energie. Die Vorteile von Öl gegenüber der Kohle sind u. a.:

Es gibt eine kürzere Reaktionszeit zwischen der Bedarfsanforderung und der Erzeugung der erforderlichen Dampfmenge.

Das führt dazu, dass weniger Energie im Kesselwasser gespeichert werden muss. Der Kessel kann daher kleiner sein und strahlt damit weniger Wärme an die Umgebung ab, was eine verbesserte Wirtschaftlichkeit mit sich zieht.

• Die geringere Größe bedeutet auch, dass der Kessel weniger Produktionsfläche belegt.
• Mechanische Schubstangen werden unnötig, was den Wartungsaufwand reduziert.
• Öl beinhaltet nur Spuren von Asche und vermeidet das Problem der Aschenhandhabung und -entsorgung nahezu.
• Die Schwierigkeiten, die mit der Lieferung, Lagerung und Handhabung von Kohle einhergehen, werden vermieden.
• Es können ungefähr 15 kg Dampf aus 1 kg Öl oder 14 kg Dampf aus 1 Liter Öl erzeugt werden.

Gas

Gas ist ein Kesselbrennstoff, der bei sehr geringem Luftüberschuss leicht zu verbrennen ist. Es gibt zwei verschiedene Arten von Brenngasen:

Erdgas - Das ist Gas, welches (auf natürliche Weise) unter der Erde entstanden ist. Es wird in seinem ursprünglichen Zustand (mit Ausnahme der Entfernung von Verunreinigungen) eingesetzt und besitzt einen hohen Methananteil.

Flüssiggas (LPG) - Dies sind Gase, welche durch Erdölaufbereitung hergestellt werden, und sie werden in flüssigem Zustand unter Druckbeaufschlagung gespeichert, bis sie eingesetzt werden. Die gebräuchlichsten Arten von Flüssiggas sind Propan und Butan.

In den späten 1960ern hat die Verfügbarkeit von Erdgas (wie das aus der Nordsee) zu einer weiteren Entwicklung von Kesseln geführt.

Die Vorteile der Gasfeuerung gegenüber der Ölfeuerung sind u. a.:

• Die Lagerung des Brennstoffs ist kein Thema, das Gas wird direkt in das Kesselhaus geleitet.
• Erdgas beinhaltet nur eine sehr geringe Menge an Schwefel, was bedeutet, dass der Anteil an Schwefelsäure im Abgas nahezu Null ist. Mit 1 Therm Gas (entsprechend 105,5 MJ) können etwa 42 kg Dampf in einem 10 bar Kessel mit einem Gesamtwirkungsgrad von 80 % erzeugt werden.

Abfall als Primärbrennstoff

Hier gibt es die zwei folgenden Gesichtspunkte:

Abfallstoffe - Hierbei wird Abfall verbrannt, um Wärme zu erzeugen, die zur Dampferzeugung genutzt wird. Ein Beweggrund hierfür ist u. a. eine sichere und sachgerechte Entsorgung von gefährlichen Stoffen. Ein Krankenhaus wäre ein gutes Beispiel hierfür:

• Unter diesen Umständen kann es sein, dass die sachgerechte und komplette Verbrennung von Abfallstoffen schwierig ist, und hoch entwickelte Brenner, eine Regelung der Luftanteile und eine Überwachung der Emissionen, insbesondere der Schwebstoffe, erforderlich sind. Die Kosten für diese Art der Entsorgung sind vielleicht hoch, aber ein Teil dieser Kosten werden dadurch zurückgewonnen, dass die produzierte Wärme zur Dampferzeugung genutzt wird. Wenn man die Kosten für die Abfallentsorgung über andere Methoden in Betracht zieht, dann kann die Gesamtwirtschaftlichkeit dieses Verfahrens durchaus interessant sein.
• Der Einsatz von Abfall als Brennstoff kann durchaus die wirtschaftliche Nutzung der Abfallverbrennung aus einem Prozess mit einschließen. Beispiele sind u. a. die in Papierfabriken vom Holz geschälte Rinde, Strunke (Bargasse) in Zuckerrohranlagen und manchmal sogar Abfall aus einer Hühnerfarm.
• Der Verbrennungsprozess ist wiederum sehr anspruchsvoll, aber die Gesamtwirtschaftlichkeit der Abfallentsorgung und die Dampferzeugung für andere Anwendungen in der Anlage können solche Verfahren attraktiv machen.

Abwärme - Hier werden heiße Gase aus einem Prozess, wie zum Beispiel aus einem Schmelzofen, direkt durch einen Kessel geleitet, mit dem Ziel, die Anlageneffizienz zu verbessern. Derartige Systeme unterscheiden sich abhängig vom Dampfbedarf innerhalb der Anlage in ihrer Ausgereiftheit. Gibt es keinen Bedarf an Prozessdampf, kann der Dampf überhitzt und zur Stromerzeugung verwendet werden.

Diese Art der Technologie wird in Blockheizkraftwerken (BHKW) immer beliebter:

• Eine Gasturbine treibt einen Wechselstromgenerator zur Stromerzeugung an.
• Die heißen (normalerweise 500 °C) Turbinenabgase werden in einen Kessel geleitet, welcher Sattdampf für den Einsatz in dem Betrieb erzeugt.

Mit dieser Art von Anlage können sehr hohe Wirkungsgrade erzielt werden. Andere Vorteile sind u. a. die Sicherung der Stromversorgung vor Ort oder die Möglichkeit, die Elektrizität über dem Marktwert an einen nationalen Energieversorger zu verkaufen.

Versorgungssicherheit

Welche Folgen hat es, wenn in der Anlage kein Dampf zur Verfügung steht? Zum Beispiel kann Gas für einen günstigen Tarif bezogen werden, wenn eine unterbrechbare Versorgung akzeptiert werden kann. Das bedeutet, dass der Gaslieferant solange Brennstoff liefert, solange er einen Überschuss hat. Sollte der Brennstoffbedarf jedoch die Versorgungsgrenze erreichen, vielleicht auf Grund saisonaler Schwankungen, könnte die Versorgung auch kurzfristig unterbrochen werden.

Alternativ könnten Kesselbetreiber sich dazu entscheiden, einen Brenner für zwei verschiedene Brennstoffe zu wählen, welcher mit Gas befeuert wird, wenn dieses zu einem günstigen Tarif verfügbar ist, aber dann die Möglichkeit haben, auf Ölfeuerung umzustellen, wenn es kein Gas gibt. Eine Anlage für zwei verschiedene Brennstoffe ist zweifellos die teurere Investitionsoption, und die Wahrscheinlichkeit, dass es kein Gas gibt, könnte gering sein. Die Kosten für einen Anlagenstillstand auf Grund einer Nichtverfügbarkeit von Dampf sind jedoch normalerweise wesentlich höher als diese zusätzlichen Kosten.

Brennstofflagerung

Dies ist bei Nutzung einer Hauptgasversorgung kein Thema, außer wenn ein System für zwei verschiedene Brennstoffe verwendet wird. Sie wird jedoch dann zunehmend ein Thema, wenn Gasflaschen, Leichtöle, Schweröle oder feste Brennstoffe zum Einsatz kommen.

Es geht u. a. um diese Aspekte:

• Wie viel und wo muss gelagert werden?
• Wie sicher müssen hochentzündliche Stoffe gelagert werden? 
• Was kostet es, die Temperatur von Schweröl zu halten, so dass es für die Anlage eine ausreichende Viskosität hat?
• Wie kann der Brennstoffverbrauch richtig gemessen werden?
• Berücksichtigung von Lagerverlusten

Kesselauslegung

Der Kesselhersteller muss bereits bei der Auslegung des Kessels wissen, welcher Brennstoff zum Einsatz kommt. Das liegt daran, dass die unterschiedlichen Brennstoffe unterschiedliche Flammtemperaturen und Verbrennungsverhalten erzeugen.

Zum Beispiel:

• Öl erzeugt eine leuchtende Flamme und ein Großteil der Wärme wird über Strahlung in der Brennkammer übertragen.
• Gas produziert eine durchsichtige, blaue Flamme, und ein geringerer Teil der Wärme wird über Strahlung in der Brennkammer übertragen.

Bei Kesseln, die nur für den Einsatz mit Öl ausgelegt sind, kann ein Brennstoffwechsel auf Gas dazu führen, dass Gase mit höheren Temperaturen in den ersten Zug der Flammrohre gelangen und zusätzliche thermische Belastungen erzeugen, die zu einem frühzeitigen Kesselausfall führen.

Kesseltypen

Die Aufgabe eines Kessel ist es:

• Die Energie im Brennstoff so wirtschaftlich wie möglich freizusetzen.
• Die freigesetzte Energie auf das Wasser zu übertragen und so effizient wie möglich Dampf zu erzeugen.
• Den Dampf vom Wasser zu trennen, sodass er geeignet ist, in die Anlage geleitet zu werden, wo seine Energie so nutzbringend wie möglich auf den Prozess übertragen werden kann.

Es wurde eine Reihe von verschiedenen Kesseltypen entwickelt, um die unterschiedlichen Dampfanwendungen abzudecken.