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
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:
Beispiele für gasförmige Sonderbrennstoffe:
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.
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.
Duoblockbrenner
Als Duoblockbrenner werden Brenner bezeichnet, bei denen das Verbrennungsluftgebläse (im Bild auf dem Kessel aufgebaut) getrennt von der Verbrennungseinheit aufgestellt wird. Die Verbindung vom Verbrennungsluftgebläse zum Brenner erfolgt durch einen Verbrennungsluftkanal. Die Duoblockbrenner werden speziell bei großen Feuerungsleistungen und bei Einsatz einer Luftvorwärmung verwendet.
Duoblockbrenner mit Gebläse auf dem Kesselscheitel und Verbrennungsluftkanälen (Saacke)
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
Der flüssige Brennstoff wird über eine schnell rotierende Hohlwelle einem konischen Zerstäubungsbecher bei geringem Druck zugeführt. Auf diesem wandert der sich bildende Ölfilm bis zur Becherkante, die sich in Richtung des Feuerraums aufweitet. Durch die Zentrifugalkraft reißt der Ölfilm an der Becherkante ab und bildet feine Öltröpfchen, die mit Drall in den Feuerraum geschleudert werden.
Ein Teil der Verbrennungsluft wird in den Becher geleitet, der andere Teil strömt in einem Ringspalt um den Becher mit meist entgegengesetztem Drall. Durch die Zugabe und Verteilung der Verbrennungsluft wird das Flammenbild beeinflusst. Hierdurch ergibt sich eine intensive Vermischung des Öls mit der Verbrennungsluft.
Der große Vorteil des Drehzerstäubers ist die größere Unabhängigkeit von den Viskositätseigenschaften des Brennstoffes im Vergleich zum Druckzerstäuber. Dadurch können auch Brennstoffe mit schwankender Qualität sicher verbrannt werden. Die Rotation des Bechers kann zusätzlich überwacht werden, um eine schadstoffarme Verbrennung ohne Bildung von CO und Ruß zu gewährleisten.
Schnittbild eines Drehzerstäuberbrenners (Saacke)
Ölversorgung
Beispielhafte Darstellung einer Leichtölfeuerung mit Druckzerstäuberbrenner
BA
Flammenwächter
FI
Durchflussanzeiger
PI
Druckanzeiger (Manometer)
PZA-
Luftmangelsicherung
PZA+
Maximaldruckbegrenzer
Feuerungseinrichtung
Ölversorgungsmodul OSM
Ölversorgungsmodul
Manometer
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
Ölzirkulationsmodul
Filterarmatur
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
Ölvorwärmmodul
TC
Temperaturregelventil
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.
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.
Neben dem wirtschaftlichen Vorteil sprechen noch weitere Vorteile für den Brennstoff Gas:
Gasbrenner in Monoblockbauweise (Dreizler)
Gasbrenner in der Schnittdarstellung (Weishaupt)
Gasversorgung
Beispielhafte schematische Darstellung einer Gasfeuerung (Hochdruckversorgung)
PRZA-
Gasmindestdruckbegrenzer
PRZA+
Gasmaximaldruckbegrenzer
TI
Temperaturanzeiger
Sicherheitsabsperrventil: Absperrung der Gasversorgung bei Störungen und Not-Aus (Lage außerhalb des Kesselaufstellraums)
Sicherheitsabsperrventil: Verriegelung der Gaszufuhr bei unzulässigem Anstieg des Gasdrucks
Thermische Absperreinrichtung: Absperrungder Gasversorgung bei Brand im Kesselhaus
Gasdruckregler: Gewährleistet gleichbleibenden Gasdruck für die Verbrennung
Gasregelmodul
Sicherheitsabblaseventil: Spricht bei unzulässigem Überdruck nach dem Gasdruckregler an
Absperrhahn: Für händische Absperrung
Druckanzeigeeinrichtung (PI)
Gasfilter: Schutz der empfindlichen Teile vor Verschmutzung
Kompensator: Ausgleich der Rohrleitungsdehnung
Brenner
Flammenwächter (BA): schaltet die Feuerung ab, wennnach einem Anfahrzeitintervall keine stabile Verbrennung im Feuerraum vorhanden ist
Gasmindestdruckbegrenzer (PRZA-): Abschaltung der Feuerung, wenn der Gasdruck zu gering ist
Gebläse: Verbrennungsluftversorgung
Gasmaximaldruckbegrenzer (PRZA+): Abschaltung der Feuerung, wenn der Gasdruck zu hoch ist
Luftmangelsicherung (PZA-): Abschaltung der Feuerung bei geringem Förderdruck des Verbrennungsluftgebläses
Doppelmagnetventil: Doppelte Absperrung der Gasversorgung, wenn der Brenner außer Betrieb ist
Luftklappe: Regelung des Brennstoff-Luftverhältnisses
Dichtheitskontrolle (PRZA+): Prüfung der Dichtheit der Magnetventile
Feuerungsmanager/Sicherheitskette
Gasregelklappe: Regelung der Gasmenge
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).
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:
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
