Abfall

Eine Umfrage des Prewin Network zu ungeplanten Abschaltungen aus dem Jahr 2021 ergab, dass Geräteausfälle in Abfallverwertungs- (WtE) und Biomasseanlagen für insgesamt 22,9 Tage ungeplanter Abschaltungen im Jahr 2021 verantwortlich waren. Außerdem wurde festgestellt, dass 43 % der Klassifizierungen von Geräteausfällen kesselbedingt waren (Abbildung 1). Darüber hinaus waren allein Kessel für durchschnittlich 9,9 Tage ungeplanter Stillstände im Jahr 2021 verantwortlich, wobei der Strahlungsanteil 49 % der Kesselausfälle ausmachte (Abbildung 2), gefolgt vom Economizer (28 %) und dem konvektiven Anteil (20 %). und andere (3 %).

Diese neuesten Statistiken geben Einblick in die Anlagenleistung und -zuverlässigkeit und verdeutlichen, dass Kessel zu den problematischsten Anlagenteilen gehören, die Anlagenbesitzer verwalten müssen. In diesem Artikel wird einer der häufigsten Faktoren für Kesselausfälle besprochen: Korrosion.

WtE-Kessel sind in der Regel für mittlere oder große Anlagen konzipiert und erzeugen Dampf zur Strom- oder Wärmeerzeugung, indem sie Biomasse, recycelte Biomasse oder vorbehandelte Industrie- oder Siedlungsabfälle verbrennen. Brennstoffflexibilität bietet entsprechende Kostensenkungen, führt aber zu erhöhter Kesselkorrosion.

Umgebungen mit gemischter Brennstoffverbrennung schaffen extreme Bedingungen, die zu Schäden an der Ausrüstung führen können. Es gibt eine große Vielfalt an Kesselkonstruktionen: Horizontalrost, Schrägrost, sprudelndes Wirbelbett, zirkulierendes Wirbelbett und so weiter. Wenn die Kraftstoffmischung Kunststoffe und andere Chemikalien enthält, können Chlor, Schwefel und andere Alkali- und Schwermetalle erzeugt werden, wodurch die Dickenverlustraten der Druckteile durch beschleunigte Korrosionsmechanismen dramatisch ansteigen. Ohne angemessene vorbeugende Pflege können diese Bedingungen zu Undichtigkeiten, unerwarteten Ausfällen und hohen Wartungs- und Betriebskosten führen, wodurch die Verfügbarkeit, Effizienz und Emissionsvorteile dieser Kessel verringert werden.

Die Steigerung der Effizienz von WtE-Kesseln bedeutet eine Erhöhung des Drucks und der Temperatur in den Kesselrohren. Die Kombination neuer Kraftstoffarten mit einem höheren Anteil an Korrosionsmitteln und diesen höheren Temperaturen und Drücken kann zu einer Materialerweichung führen. Auf den ungeschützten Stahl-Wärmetauschflächen der Überhitzer beginnt eine beschleunigte Kesselkorrosion, und die Erosionsbeständigkeit des Grundmetalls nimmt ab.

Die meisten Korrosionsschutzmechanismen bestehen darin, durch Bildung einer Oxidschicht eine Korrosionsbarriere auf dem Grundmetall zu erzeugen. Die Herausforderung in WtE-Kesseln besteht darin, dass diese Schicht schnell erodiert, was die Bildung einer weiteren Schicht erzwingt und folglich zum Erosions-Korrosions-Phänomen führt (Abbildung 3). Eine Ausdünnung durch Erosion und Korrosion kann schnell auftreten, wenn raue Bedingungen mit weichen oder schlecht erosionsbeständigen Materialien bei diesen erhöhten Temperaturen kombiniert werden.

Feuerfester Schutz ist der erste Schutz gegen korrosive Rauchgase und kann auch hervorragende Erosionseigenschaften aufweisen. Allerdings sind die Wärmeaustauscheigenschaften begrenzt, da der thermische Wirkungsgrad gering ist. Feuerfeste Legierungen können verwendet werden, aber aufgrund der hohen Materialkosten und der begrenzten Erosionsbeständigkeit ist die Verwendung einer Oberflächenschutzschicht oft eine kostengünstigere Lösung.

Die Verwendung dünner Keramikbeschichtungen scheint ein attraktiver Ansatz zu sein, doch oft machen die mangelnde Übereinstimmung der Wärmeausdehnung und die Zerbrechlichkeit solcher Beschichtungen diese Lösung unzuverlässig. Die Beschichtungen neigen zur Rissbildung und unter der Schutzschicht kann sich Korrosion entwickeln, die sich dann ablösen kann. Zu den möglichen Lösungen gehören die folgenden.

Schweißmetallauflage (WMO). Viele Kessel werden mit einem WMO-Schutz (Welded Metal Overlay) konstruiert und hergestellt, der in kritischen Bereichen angebracht ist, die der Gefahr von Erosion oder Korrosion ausgesetzt sind. Oftmals ist dann im Laufe der Zeit und im laufenden Betrieb eine beschleunigte Korrosion an den ungeschützten Rohren jenseits des WMO-Abschnitts zu beobachten, beispielsweise im zweiten Durchgang. Dies wird allgemein als „Korrosionskriechen“ bezeichnet. In diesem Fall muss der Umfang des durch eine Korrosionsbarriere geschützten Rohrbereichs erweitert werden (Abbildung 4).

In vielen Fällen besteht die herkömmliche Lösung darin, die betroffenen Abschnitte zu entfernen und durch neue Rohrplatten zu ersetzen, die wiederum durch eine in der Werkstatt aufgebrachte WMO-Korrosionsbarriere geschützt werden. Der Austausch von Wasserwandabschnitten kann jedoch zu langen Ausfällen und zusätzlichen Problemen führen, wie unter anderem zu Verformungen und Unregelmäßigkeiten der Oberflächengeometrie an den Verbindungsstellen und Stumpfschweißnähten der Plattenabschnitte. WMO stellt eine besondere Herausforderung dar, wenn es um Außenmöbel geht.

Die Alternative der WMO-Anwendung vor Ort vor Ort ist aus qualitativer Sicht schwierig zu handhaben, ist bei dünneren Rohrabschnitten möglicherweise nicht möglich, ist aufgrund der Wärmezufuhr zeitaufwändig und birgt das Risiko thermischer Verformungen, die zu längeren Anlagenstillständen führen. In anderen Fällen kann es in bestimmten Teilen des Kessels bereits nach ein oder zwei Betriebsjahren zu Anzeichen eines beschleunigten Verschleißes des WMO aufgrund von Erosion/Korrosion bei hohen Temperaturen kommen. Diese ursprüngliche Investition muss vor einer weiteren schnellen Verschlechterung geschützt werden, die die Integrität der darunter liegenden Wasserwand-Druckgrenze gefährdet.

Thermisches Spritzen. Die thermische Spritztechnologie wird seit den 1980er Jahren zum Auftragen von korrosionsbeständigen Legierungen (CRAs) in der Energieindustrie eingesetzt (Abbildung 5), wobei Metalllegierungen gespritzt werden, die im WMO-Verfahren weit verbreitet sind. Es wurde jedoch schnell erkannt, dass der thermische Spritzprozess selbst die Eigenschaften der zu spritzenden Legierung negativ beeinflusst.

Die resultierende Umhüllung im aufgebrachten Zustand war durchlässig, wenn handelsübliche Metalllegierungsdrähte und herkömmliche thermische Spritzgeräte verwendet wurden. Diese Durchlässigkeit aufgrund von Porosität, hoher innerer Spannung, eingekapselten Oxiden und geringeren Bindungsstärken mit dem Grundmetall schuf einen perfekten Weg für Korrosion und vorzeitiges Versagen. Ganz im Gegenteil zum gewünschten Ergebnis.

Diese frühen Misserfolge führten zu einem breiten Misstrauen gegenüber der thermischen Spritztechnologie. Gleichzeitig bot dies eine große Chance: Ist es möglich, die Haftfestigkeit zu verbessern und die Permeabilität, Porosität, Oxide und innere Spannung der thermischen Spritzbeschichtung im aufgetragenen Zustand zu reduzieren?

Ingenieure und Materialwissenschaftler bei Integrated Global Services (IGS) haben erfolgreich eine Lösung für dieses Problem entwickelt, indem sie sowohl die Förderausrüstung zum Auftragen der Metalllegierung als auch das Metalllegierungs-Ausgangsmaterial selbst neu gestaltet haben.

Haftfestigkeit. Das Problem der Bindungsfestigkeit zwischen den thermisch aufgespritzten Metallpartikeln und dem Substrat wurde durch eine Erhöhung der Sprühgeschwindigkeit und eine Verbesserung der Qualität der Substratoberflächenvorbereitung gelöst. Wenn die zerstäubten geschmolzenen Metallpartikel, die durch den Überschallluftstrom angetrieben werden, auf das entsprechend vorbereitete Substrat treffen, spritzen sie wie ein Pfannkuchen und werden in das Substrat eingebettet, wodurch sehr feste Bindungen entstehen.

Eine undurchlässige Barriere schaffen. Wenn die zerstäubten Metalltröpfchen die thermische Spritzpistole verlassen, sind sie auf ihrem Weg zum Substrat der Atmosphäre und 21 % Sauerstoff ausgesetzt. Infolgedessen erfahren diese geschmolzenen Tröpfchen mit hoher Temperatur während des Fluges eine Oxidation. Wenn die Metalltröpfchen nicht kontrolliert werden und auf dem Substrat landen, werden sie mit einer dünnen begleitenden Oxidschicht abgeschieden, was die Durchlässigkeit der aufgebrachten Mikrostruktur beeinträchtigt.

IGS hat dieses Problem der Makroporosität mit seinen High-Velocity Alloy Cladding-Systemen gelöst. Herkömmliche Standardlegierungen wurden durch modifizierte Legierungen ersetzt, die einzigartige Legierungskomponenten enthalten, um die Oxidation während des Fluges zu minimieren. Durch die Verringerung der Oxidbildung wurden die Korrosionsleistung und Durchlässigkeit der schützenden thermischen Sprühbarriere verändert.

Bei dem bei Renergia installierten Hitachi Zosen Inova (HZI)-Ofen handelt es sich um einen Vierzug-WtE-Kessel mit geneigtem beweglichem Rost und einem externen Economizer. Die thermische Leistung des Kessels beträgt 47 MW mit einem Dampfdurchsatz von 58 Tonnen/h und einem Dampfdruck von 41 Bar bei 410 °C.

Die Schweißauflage aus Alloy 625 wurde bewusst ohne feuerfestes Material auf die Kamin-Wasserwandplatten aufgetragen, um die WtE-Kesselrohre vor Kaminkorrosion zu schützen. Nach Monaten des Betriebs ergab eine Inspektion einen beschleunigten Abbau der Alloy 625-Schutzschicht, insbesondere direkt über dem Rost, der an einigen Stellen mehr als 0,5 Millimeter pro Jahr an Dicke verlor. Es wurden mehrere Lösungen in Betracht gezogen, um die Metallverschwendung der Kesselrohre in den Griff zu bekommen und sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Lebensdauer der Wasserwände zu verbessern, darunter Austausch, vor Ort aufgebrachte Schweißauflagen und thermisches Spritzen.

Es wurde jedoch beschlossen, die HVTS-Lösung von IGS auszuprobieren. Die erste Anwendung erfolgte im Jahr 2017 auf einer 20 Quadratmeter (m2) großen Fläche, die sich an der linken Membranwand bis zur Höhe des Vorschubrost-WtE-Kessels befand. Die Anlage verfügte außerdem über eine thermische Spritzbeschichtung (TS), die von einem anderen Anbieter auf die rechte Seite der Membran aufgetragen wurde.

Diese Bereiche wurden dann im Jahr 2018 inspiziert, um festzustellen, ob das IGS HVTS und das TS des anderen Anbieters die Verschlechterung der Schweißauflage erfolgreich stoppen konnten. Die Inspektion der HVTS/WMO-Schnittstelle (Abbildung 6) ergab, dass der mit IGS HVTS verkleidete Bereich nicht mehr von Erosion/Korrosion betroffen war. Das ungeschützte Alloy 625 WMO und das TS des anderen Anbieters verschlechterten sich hingegen weiter.

Es wurde beschlossen, den Anwendungsbereich zu erweitern und im Jahr 2019 eine IGS HVTS-Legierungsverkleidung auf eine weitere Fläche von 20 m2 aufzubringen. Eine Inspektion später in diesem Jahr, im August 2019, bestätigte Folgendes: Die mit HVTS-Legierungsverkleidung geschützten Bereiche waren nicht geschützt Lochfraß oder Abrieb aufweisen. Angrenzende ungeschützte Schweißnahtabschnitte aus Alloy 625 wiesen Anzeichen von Abnutzung und Zersetzung auf. Laufende Inspektionen und Umfangserweiterungen in beiden Linien bei Renergia in den Jahren 2020, 2021 und 2022 haben bestätigt, dass das IGS HVTS-System den Erwartungen entspricht und seit 2017 weiterhin mit Alloy 625 überzogene Schweißbereiche vor weiterer Korrosion schützt.

Markus Benz, Leiter Instandhaltung bei Renergia Zentralschweiz AG, kommentierte: „IGS wurde im November 2017 ausgewählt, rund 20 m² ihres IGS-Materials mithilfe ihrer HVTS-Technologie aufzutragen. Sie mobilisierten effizient und führten innerhalb des engen geforderten Zeitplans den erwarteten Arbeitsumfang aus.“ .

„Nach zehn Monaten im Betrieb wurde im September 2018 eine Kurzinspektion des Müllverbrennungskessels durchgeführt, die die gute Leistung der Beschichtung bestätigte. Daraufhin wurde im Januar 2019 ein weiterer Bereich zur Anwendung bestellt. Anfang Januar wurde a Eine eingehendere Inspektion bestätigte das gute Gesamtverhalten der Verkleidung nach 14 Monaten im Betrieb.

„Der Schutzbereich wurde verdoppelt, so dass wir davon ausgehen, dass wir bis zu unserem nächsten Turnaround in 18 Monaten sicher arbeiten können. IGS hat den vertraglich vereinbarten Umfang innerhalb des kritischen Pfads erfolgreich umgesetzt, und zwar auf hochprofessionelle Weise, mit zuverlässiger und transparenter Kommunikation.“

Die in der Prewin Network-Umfrage 2021 zu ungeplanten Abschaltungen dargelegten Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Anlagenwartung und des Schutzes der Prozessausrüstung vor Beeinträchtigung und Leistungsverlust. Ungeplante Stillstände können erhebliche finanzielle Auswirkungen sowohl in Form von Produktivitätsverlusten als auch in Form von Notreparaturarbeiten haben.

Es gibt andere Lösungen auf dem Markt, nämlich WMO, eine zuverlässige, wenn auch zeitaufwändige und kostspielige Methode. Thermisches Spritzen ist eine weitere Lösung, die theoretisch eine bessere Alternative zu WMO darstellt, jedoch zu einem vorzeitigen Ausfall führen kann.

IGS HVTS ist die nächste Weiterentwicklung der thermischen Spritzbeschichtungen (Abbildung 7), die einen zuverlässigen, langfristigen Schutz vor Korrosion bietet. Da Anlagenausfälle, insbesondere Kesselausfälle, weiterhin ein kostspieliges Problem für WtE-Anlagenmanager darstellen, ist es von entscheidender Bedeutung, vorbeugende Wartungsmaßnahmen zu ergreifen, um die Lebensdauer und Verfügbarkeit der Anlagen zu verbessern und so erhebliche Einsparungen und Vorteile zu erzielen.

—Colin Batemanist ein Experte für Kesselzuverlässigkeit (KMU) bei Integrated Global Services (IGS).

Teile diesen Artikel

Weitere O&M-Neuigkeiten