Forum: Emaillierte Wärmetauscher zur Effizienzsteigerung in der Energie- und Umwelttechnik

Forum Chemie Ingenieur Technik 2010, 82, No.6752

© 2010 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KG, Weinheimwww.cit-journal.de

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Emaillierte Wärmetauscher zur Effi zienzsteigerung in der Energie- und UmwelttechnikDr.-Ing. Jürgen Reinemuth und Dipl.-Krist. Steffen Sachsenröder, Deutscher Emailverband, AK TEM

Emaillierte Wärmetauscher werden seit Jahren in Kraftwerken und in Anlagen zur Müllverbrennung äußerst erfolgreich ein-gesetzt. Die hohe Korrosionsbeständigkeit der Emaillierung in Verbindung mit dem vergleichsweise guten Wärmeübergang machen Email zu einem Werkstoff der Wahl für diese Anwendungen. Die hohe Oberflächengüte mit einer sehr geringen Adhäsionsneigung für Verbrennungs-rückstände hat für den Betreiber große Vorteile. Dabei werden die emaillierten Wärmetauscher dort eingesetzt, wo mit dem Kondensieren des Abgases und der Bildung von schwefeliger und Schwe-felsäure gerechnet werden muss. Der Einsatz der Wärmetauscher kann den Gesamtwirkungsgrad von Kraftwerken signifikant erhöhen. Bisher werden diese Wärmetauscher aus emaillierten Rohren aus einem speziell oberflächenbehandelten Kohlenstoffstahl hergestellt. Das Auftragen erfolgt mittels des speziellen PUESTA-Ver-fahrens, das auf gleichmäßige Qualität und hohe Ausbringung der kontinuierlichen Produktionsanlage ausgelegt ist. THALE-TEC hat nun auf Wunsch von Kunden aus der Energie-branche ein System entwickelt, bei dem statt des Grundwerkstoffes Koh-lenstoffstahl ein nichtrostender Stahl ver-wendet werden kann, der weniger anfällig ist gegenüber Wasserstoffdiffusion, so dass die Betriebssicherheit der Wärmetauscher deutlich erhöht wird. Da sich diese Werk-stoffgruppe beim Emaillieren völlig anders verhält, waren weit reichende Modifizie-rung am Email und an der Prozessführung erforderlich.

1 EinleitungIn der Energiewirtschaft sind Kraftwerke auf Basis fossiler Brennstoffe sowie Müll-verbrennungsanlagen ein unverzichtba-rer Bestandteil der Energiegewinnung. Immer wichtiger wird die Verringerung der Belastung der Umwelt mit Verbren-nungsabfällen wie z. B. Rauchgasen. Um bei verringertem Brennstoffbedarf die glei-che Energiemenge zu erzeugen, muss der Wirkungsgrad der Energieerzeuger erhöht werden. Wesentlich sind dabei die Wärme-tauscher, die Energien nutzbar machen, die sonst mit den Abgasen ungenutzt in die Atmosphäre entweichen würden.

2 Wärmetauscher mit emaillierten RohrenUm diese Aufgabe immer besser zu erfül-len und die Energierückgewinnung aus dem Rauchgas zu maximieren, werden die Wärmetauscher (s. Abb. 1) zunehmend im Taupunktbereich betrieben, was wegen Kondensation von Wasserdampf auf den Rohren und sich im Kondensat bildenden Säuren durch Bestandteile aus den Rauch-gasen zu einer verstärkten Korrosion führt. Da die Flugaschen im kondensierenden Abgasstrom stark flüssigkeitsbehaftet sind, nimmt das Risiko von Anhaftungen an den Wärmetauscherrohren sehr stark zu. Dicke Ascheschichten vermindern jedoch die Wärmeübertragungsleistung erheblich. Die Höhe der Haftkräfte zwi-schen Aschepartikeln und der Oberfläche des Wärmetauschers bestimmt zudem den Reinigungsaufwand. Die hohe Ober-fl ächenglätte und die geringen Adhäsion-skräfte von Flugasche an emaillierten Wärmetauscherrohren führen zu einer verminderten Dicke von Ascheschichten und zu einem stark verminderten Reini-gungsaufwand der am Rohr anhaftenden Asche. Besonders der Wasserverbrauch der Waschanlage sinkt dadurch stark und damit auch die Kosten für die Aufbereitung und Entsorgung der hoch kontaminierten Abwässer und Schlämme.Alternative Werkstoffe wie Edelstahl und PTFE usw. ermöglichen den Bau von Wärmetauschern mit hoher Korro-sionsbeständigigkeit, der Nachteil dieser Werkstoffe ist die fehlende Universalität der Beständigkeit gegenüber wechselnden Korrosionsmedien, die teilweise geringe

thermische Stabilität und die bei einigen Werkstoffen nicht vorhandene Dichtigkeit gegenüber Gasen, die bei Diffusion zu Korrosion unter der Schutzschicht führen. Wenn sich bei Kraftwerken und Müllver-brennungsanlagen die Zusammenset-zung des Brennstoffes ändert, kann es bei solchen Systemen zum Totalausfall des Wärmetauschers auf Grund geänderter korrosiver Bedingungen kommen. Die Folgen sind neben dem Stillstand enorm hohe Folgekosten, da sich der Investiti-onsaufwand bei der Rauchgasstrecke auf bis zu 25 % der Gesamtkosten eines Kraft-werks belaufen kann. Schließlich sind es die Investitionskosten, die beim Einsatz von emaillierten Rohren im Vergleich zu solchen aus anderen Werkstoffen deutlich geringer ausfallen.Bisher ist nur der Werkstoffverbund Tech-nisches Email in der Lage, einen universel-len Korrosionsschutz gegenüber sauren Medien bei gleichzeitig hoher thermischer Beständigkeit und absoluter Gasdichtigkeit zu gewährleisten.THALETEC stellt mit der selbstentwickel-ten kontinuierlichen PUESTA–Email-lierung von Wärmetauscherrohren auf Stahlbasis seit Jahren emaillierte Rohre für Wärmetauscher auf der Basis von Kohlenstoffstahlrohren her, die sich in vielen Einrichtungen bewährt haben. Seit Produktionsbeginn wurden mehr als 1 000 000 m emaillierte Rohre für Kraft-werke auf Basis fossiler Brennstoffe und Müllverbrennungsanlagen auf der ganzen Welt produziert und sind erfolgreich in Betrieb.

Abbildung 1. Anwendung emaillierter Rohre in Wärmetauschern der Energie- und Umwelt-technik.





3 Weiterentwicklung: Rostfreier Stahl statt KohlenstoffstahlBei Havarien, Fehlbedienungen, fehler-haften Reparaturen oder einer falschen Anlagenkonzeption kann es jedoch zu Ein-dringen von sauren Medien in das Innere der emaillierten Stahlrohre und zu einer Korrosion mit Wasserstoffbildung kom-men, die die äußere Emailschutzschicht schädigt (s. Abb. 2).Daher wurde das emaillierte Edelstahl-rohr für Kraftwerkswärmetauscher entwi-ckelt. Erstmalig in der Welt wird dabei das Verfahren der PUESTA–Emaillierung in Kombination mit völlig neu entwickeltenSpezialemails für rostfreie Stähle an-gewendet. Dabei wurde sehr eng mit führenden Herstellern von Spezialemails sowie mit Herstellern hochwertiger Edel-stahlrohre zusammengearbeitet.

Rostfreier Stahl ist auf Grund der höheren Korrosionsbeständigkeit (ge-genüber Kohlenstoffstahl) des innen mit Prozesswasser durchströmten, aber nicht emaillierten Rohres, we-sentlich unempfi ndlicher gegen wasserstoffbildende Reaktionen und Korrosion.So kann z. B. Lochfraßkorrosion verhindert werden. Einzig Halogenide wären für Rohre aus emailliertem rostfreiem Stahl problematisch. Diese emaillierten Edelstahlwärmetauscherrohre ermöglichen die

Auslegung von Wärmetauschern für völlig neue Anwendungsbereiche hinsichtlich der korrosiven Belastung. Durch die hohe Korrosionsbeständigkeit des Edelstahles ist die Wasserstoffbildung in den Rohren weitestgehend ausgeschlossen und Betriebssicherheit und Verfügbarkeit der großflächigen Rauchgaswärmetauscher haben sich für den Kraftwerksbetreiber deutlich erhöht. Gleichzeitig haben solche Wärmetauscherrohre hervorragende Not-laufeigenschaften, wie sie von keinem anderen Korrosionsschutzsystem erreicht werden. Sollte durch eine äußere Beschädigung der Emailschicht der Korrosionsschutz durch das Glas punktuell nicht mehr wirken, so garantiert das Edelstahlrohr noch eine lange Laufzeit, da keine flächige Korrosion auftreten kann. Ein Unterwandern der Korrosionsschutzschicht Email ist im Gegensatz zu anderen Korrosionsschutzschichten nicht möglich. Schließlich reduziert eine emaillierte Oberfläche im Vergleich zur Metalloberfläche (s. Abb. 3) die Haftungskräfte von Aschepartikeln auf den Wärmetauscherrohren, so dass der Aufbau von Ascheschichten reduziert und das Abreinigen vereinfacht wird.

4 Innovative HerausforderungenDas Emaillieren von rostfreiem Stahl stellt für den Emaillierer oft eine technische Herausforderung dar (s. Abb. 4). Insbe-sondere die drei Anforderungsbereiche Produkt, Verfahren und Wirtschaftlichkeit beeinflussen sich gegenseitig. Im Hin-blick auf das Produkt sind zum einen die Haftungsmechanismen zwischen dem Stahlwerkstoff und dem Email genaues-tens zu untersuchen und die Materialien genau aufeinander abzustimmen, ebenso wie der thermische Ausdehnungskoeffizi-ent von Grundwerkstoff und Email. Auch

die Schweißnahtgüte und -ausführung hat großen Einfluss auf die Qualität der Emaillierung. Schließlich beeinflussen die Oberflächenspannung des Emails das Glattfließen und die Benetzungseigen-schaften und damit die Prozesssicherheit. Im Bezug auf das Emaillierverfahren soll-ten die Rohre mit nahezu gleicher Ausbrin-gung auf der vorhanden Anlage gefertigt werden, womit das Emailauftragsverfahren

– PUESTA- festgelegt war. Ein für dieses Verfahren geeignetes Edelstahlemail, das in bis zu zwei Schichten kontinuierlich aufgetragen und gebrannt werden muss, war daher erforderlich. Schließlich muss die Prozesssicherheit gewährleistet sein: Gleichbleibende und reproduzierbare Qualität bei hoher Ausbringung und ein insgesamt energieeffizientes Verfahren ohne wesentliche Auswirkungen auf die Umwelt muss sichergestellt sein.Abb. 5 zeigt den Querschliff durch eine Emaillierung auf einem Rohr aus rostfrei-em Stahl. Man erkennt gut den Aufbau aus zwei Schichten (Grund- und Deckemail) und die überaus feine Blasenstruktur, die sich aus dem angewandten Auftragsverfah-ren ergibt. Die Emailschichtdicke liegt im Bereich von etwa 0,4 bis 0,6 mm.

Abbildung 2. Schadensbild an emaillierten Wärmetauschern: Wasserstoffabplatzung.

Abbildung 3. Anhaftende Flugaschepartikel an Rohren aus Duplexstahl.

Abbildung 4. Zu-sammenfassung der innovativen Herausforderun-gen.

Abbildung 5. Querschliff durch ein Rohr aus rostfreiem Stahl mit der aufgebrachten Emailschicht.





5 Ökologische AspekteTechnisches Email ist per se ein ökologi-scher Werkstoff (s. Abb. 6), da ausschließ-lich Materialien eingesetzt werden, die vollständig wieder verwendbar oder rezyk-lierbar sind. Der Energieaufwand für das Herstellen der emaillierten Rohre ist sogar völlig vernachlässigbar, wenn man die Po-tenziale berücksichtigt, die sich aufgrund der Energieeinsparung beim Betrieb von Kraftwerken und Anlagen der Energie- und

Umwelttechnik ergeben. Neben der eigent-lichen Hauptaufgabe des Wärmetauschers, nämlich der Wärmerückgewinnung, ist es auch die Verfügbarkeit, die die Wirt-schaftlichkeit und den ökologischen Wert des Systems maßgeblich bestimmt. Die Betriebskosten des Kraftwerkes können durch Verbesserung des Wirkungsgrads des emaillierten Wärmetauschers auf-grund der geringeren Verschmutzungsnei-gung und das einfachere Abreinigen, bei

Abbildung 6. Ökologische Aspekte.

dem weniger Waschwässer anfällt, weiter gesenkt werden.Aus der Sicht des Herstellers der emaillier-ten Rohre kommen insbesondere die fol-genden ökologischen Aspekte zum Tragen: Durch die Verwendung von Rohren aus rostfreiem Stahl konnte der Materialeinsatz aufgrund geringerer Wanddicken um etwa ein Drittel reduziert werden. Aufgrund des PUESTA-Auftragsverfahrens entstehen zu-dem keine Abfälle; das Emailpulver ist voll-ständig im Prozess gebunden und es treten keine Verluste auf, beispielsweise durch Overspray. Da das Verfahren trocken, d. h. wasserfrei arbeitet, gibt es keinen Wasser-verbrauch und keine Abwässer. Schließlich ist auch kein Trocknen des aufgetragenen Emailpuders erforderlich, wodurch der En-ergiebedarf für die Herstellung der email-lierten Rohre aus rostfreiem Stahl niedrig gehalten werden kann.

Dr.-Ing. Jürgen Reinemuth, Dipl.-Krist. Steffen Sachsenröder, THALETEC GmbH, Steinbachstraße 3, 06502 Thale, [email protected], www.thaletec.com

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