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Jun 09, 2023

Entwurf von Nasskanal-/Schornsteinsystemen für Kohle

Da die Grenzwerte für SO2-Emissionen immer strenger werden, bauen viele Kohlekraftwerke neue Rauchgasentschwefelungssysteme (REA) ein oder rüsten bestehende Systeme auf. Die meisten dieser Systeme verwenden

Da die Grenzwerte für SO2-Emissionen immer strenger werden, bauen viele Kohlekraftwerke neue Rauchgasentschwefelungssysteme (REA) ein oder rüsten bestehende Systeme auf. Die meisten dieser Systeme nutzen Nass-REA-Technologien. Viele Anlagen mit Nass-REA-Systemen nutzen wiedererhitztes Rauchgas, um die gesättigten Gase, die den Absorber des Systems verlassen, zu trocknen, bevor sie zum Schornstein geleitet werden.

Aufgrund der immer höheren Energiekosten und/oder der Notwendigkeit, die SO2-Gesamtemissionen der Anlagen zu senken, wird die Rauchgasnacherwärmung jedoch in der Regel bei neuen Anlagen nicht mehr eingesetzt und wird bei bereits in Betrieb befindlichen Anlagen abgeschafft. Ohne Nacherwärmung gelangen die gesättigten Rauchgase, die den Absorber verlassen, direkt in den Schornstein. Zusammen mit Tröpfchen, die vom Tropfenabscheider mitgerissen werden, bildet der aus den gesättigten Rauchgasen kondensierende Wasserdampf einen Flüssigkeitsfilm, der die Wände der Absorber-Auslassleitung und der Kaminauskleidung bedeckt. Dieser Film muss durch einen Prozess, der als Nassstapelbetrieb bezeichnet wird, gesammelt und aus dem System abgeleitet werden. Wenn die Rohrleitungen, die Schornsteinauskleidung und das Flüssigkeitssammelsystem nicht ordnungsgemäß ausgelegt sind, können unzulässige Mengen an Flüssigkeitströpfchen von der Oberseite des Schornsteins austreten.

Der störungsfreie Betrieb einer REA-Einheit mit Nasskanälen und Schornsteinen erfordert die Untersuchung mehrerer potenzieller Problembereiche im Zusammenhang mit der Handhabung und Ableitung von Nassrauchgas. Dies muss während der Konstruktion des Schornstein- und Kanalsystems erfolgen. In diesem Artikel werden die wichtigen Designaspekte beschrieben, die berücksichtigt werden müssen, wenn der Flüssigkeitsausfluss aus einer neuen oder nachgerüsteten Nasskaminanlage minimiert werden soll.

Obwohl Nass-REA-Systeme schon seit Jahrzehnten im Einsatz sind, werden die meisten davon mit Trockenkaminen betrieben. In den späten 1970er Jahren begannen einige Versorgungsunternehmen, Nasskanäle und Schornsteine ​​zu verwenden, um ihre Betriebskosten zu senken. In vielen Fällen führte dieser Wechsel jedoch (unvorhergesehen) zu unannehmbar hohen Mengen an Schornsteinflüssigkeitsableitungen (SLD). Um das Verständnis der physikalischen Prozesse in Nass-REA-Systemen zu verbessern, förderte EPRI in den 1980er Jahren eine Reihe von Programmen zur Bestimmung der Schlüsselvariablen, die zum erneuten Mitreißen von Flüssigkeiten beitragen. Die Ergebnisse einer dieser Studien wurden im EPRI-Bericht Nr. CS-2520 „Entrainment in Wet Stacks“ zusammengefasst.

In den späten 1990er-Jahren arbeiteten viele Versorgungsanlagen mit Nasskanal-/Schornsteinsystemen – die meisten davon waren mit Flüssigkeitssammlern ausgestattet – und EPRI verfügte über ausreichend Erfahrung, um ein weiteres Programm zur Entwicklung praktischer Richtlinien für die Konstruktion und den Betrieb von Nassschornsteinen zu sponsern. Die Ergebnisse dieser Studie wurden im EPRI-Bericht Nr. TR-107099, „Wet Stacks Design Guide“, zusammengefasst.

Wie in den beiden Berichten ausführlich dargelegt, erfordert die Entwicklung einer effektiven Nasskaminanlage eine gründliche strömungsdynamische Gestaltung des Nasskanal-/Kaminsystems sowie der Flüssigkeitssammler und -abläufe. Der Entwurfsprozess, der normalerweise von einem Labor für Strömungsmodellierung mit Erfahrung in diesem Bereich durchgeführt wird, besteht typischerweise aus fünf verschiedenen Phasen:

Anhand der Ergebnisse der ersten vier Phasen können Versorgungsingenieure den Entwurf des Nass-REA-Systems abschließen und die Spezifikationen für Liefer- und Bauangebote verfassen. Die Ergebnisse der fünften Phase werden zur Unterstützung der Installation des Flüssigkeitssammelsystems verwendet.

Die Erfahrung lässt darauf schließen, dass eine frühzeitige Überprüfung der vorgeschlagenen Geometrie eines Absorber-Auslasskanals und eines Schornsteindurchbruchs/-einlasses oft zu empfohlenen Modifikationen führt, um die Geometrie besser für den Nassbetrieb geeignet zu machen. Diese Überprüfung sollte von einem Berater mit umfassender Erfahrung im Design und Betrieb von Nasskaminsystemen durchgeführt werden. Wichtige Systemdesignvariablen wie Gasgeschwindigkeiten, Bruchhöhe und -breite sowie Auskleidungsdurchmesser sollten mit Werten verglichen werden, die sich für den Nassbetrieb in anderen Anlagen als günstig erwiesen haben. Einfache Änderungen in der Systemgeometrie, wie z. B. die Anpassung des Bruchseitenverhältnisses, können die Wirksamkeit des Flüssigkeitssammelsystems häufig erheblich verbessern – indem sie die Strömungsmuster in der unteren Auskleidung verbessern, die Möglichkeit des erneuten Mitreißens von Flüssigkeit minimieren und die Gesamtzahl reduzieren Reduzierung der erforderlichen Flüssigkeitssammler und/oder Reduzierung der Systemkomplexität.

Bei der Gestaltung eines Stapelliners spielen viele wirtschaftliche Faktoren eine Rolle, darunter auch die Minimierung seines Durchmessers. Der wichtigste Kontrollparameter für einen effektiven Betrieb des Nasskamins ist jedoch die Gasgeschwindigkeit im Liner. Unterschiedliche Auskleidungsmaterialien und Konstruktionstechniken haben unterschiedliche Geschwindigkeiten, die für den Nassbetrieb als günstig angesehen werden. Laut EPRI „Wet Stacks Design Guide“ sollten gut konstruierte Auskleidungen aus C276 und glasfaserverstärktem Kunststoff (FRP) mit Höchstgeschwindigkeiten von 50 bis 60 Fuß/Sek. betrieben werden, wohingegen Ziegelauskleidungen – mit raueren Oberflächen – mit Geschwindigkeiten von maximal 50 bis 60 Fuß/Sek. betrieben werden sollten Gasgeschwindigkeiten nicht höher als 35 bis 45 Fuß/Sek. Bei ordnungsgemäßer Installation können moderne Materialien wie Borosilikat-Blockauskleidungen effektiv bei Geschwindigkeiten von bis zu 65 Fuß/Sek. betrieben werden (Abbildung 1, S. 22).

GrafikQuelle: Alden Research Laboratory Inc.

1. Schneller ist besser. Maximale Gasgeschwindigkeiten in der Stapelauskleidung für vier Materialien.

Manchmal muss die maximal empfohlene Auskleidungsgeschwindigkeit reduziert werden, wenn es horizontale Diskontinuitäten in der Auskleidung gibt, wie z. B. Schweißnähte oder FRP-Verbindungen. Diese Diskontinuitäten können als Orte für die erneute Mitnahme von Flüssigkeit dienen. Besondere Sorgfalt muss auch auf die Gestaltung des Kamineingangsbereichs gelegt werden, in dem der Gasstrom dreidimensional und sehr ungleichmäßig ist und Geschwindigkeiten aufweist, die zwei- oder mehrfach höher sind als der Flächendurchschnittswert. Die Stellen der Dehnungsfugen in diesem Bereich sind besonders kritisch und sollten nach Möglichkeit nicht innerhalb von ein bis zwei Auskleidungsdurchmessern von der Oberseite des Bruchs entfernt liegen.

Ein Großteil der Flüssigkeit, die aus einem nassen Schornstein entfernt werden muss, ist Kondensation an den Wänden des Kanals und der Schornsteinauskleidung. Sie entsteht durch thermische Kondensation an den Wänden (das Ergebnis der Wärmeübertragung vom Rauchgas auf die Außenluft durch die Auskleidung, Isolierung, Ringluft und Betonschale) und durch adiabatische Kondensation des gesättigten Rauchgases, wenn es den Schornstein hinaufströmt und dehnt sich aus, wenn der Druck mit der Höhe abnimmt.

Das Ausmaß der thermischen Kondensation auf den Kanal- und Auskleidungsoberflächen ist eine Funktion der Geometrie und Wärmeleitfähigkeit des Stapels, seiner internen Strömungsbedingungen, der Umgebungstemperaturen und der Windgeschwindigkeit sowie – in einigen Fällen – der Windrichtung. Eine Wärmedämmung kann die Menge an Wärmekondensation auf einer Kaminauskleidung reduzieren. In der Praxis hat sich gezeigt, dass das Hinzufügen einer 2 Zoll dicken Isolierung dazu geeignet ist, die Menge der thermischen Kondensation um den Faktor vier zu reduzieren.

Was die adiabatische Kondensation angeht, zeigen Branchenerfahrungen, dass der relativ geringe Druckabfall vom Durchbruchskanal zur Oberseite des Schornsteins eine beträchtliche Flüssigkeitsmenge erzeugen kann. Ein kleiner Teil dieser Flüssigkeit lagert sich aufgrund turbulenter Diffusion auf der Lineroberfläche ab, der Rest wird als Teil des Massengasstroms in Form sehr kleiner Tröpfchen aus dem Liner ausgetragen. Diese Tröpfchen stellen kein Problem dar, da sie so klein sind, dass sie verdunsten, bevor sie den Boden erreichen.

Mithilfe maßgeschneiderter Wärmeübertragungs-Computerprogramme wird die Gesamtmenge der Flüssigkeit berechnet, die sich aufgrund thermischer und adiabatischer Kondensation an den Wänden der Schornsteinauskleidung ablagert. Solche Anwendungen können auch die Kondensationsrate bestimmen, die eine Funktion der Umgebungslufttemperatur, der Windgeschwindigkeit und der Designvariablen der Auskleidung ist. Beide Berechnungsreihen sind erforderlich, um ein effektives Flüssigkeitssammelsystem zu entwerfen und zu entwickeln, da die Ergebnisse die Anzahl, Größe und Position seiner Dachrinnen und Abflüsse bestimmen.

Das Problem der SLD aus einem Kanal- und Schornsteinsystem, das im „vollständig gereinigten“ Modus betrieben wird, wird durch die Zweiphasen-Strömungswechselwirkung von Flüssigkeit und Gas verschärft. Die Flüssigkeit gelangt in Form von Tröpfchen sowie kondensiertem Wasserdampf, der von den Tropfenabscheidern der Absorber mitgerissen wird, in die Kanäle und den Schornstein. Bei normalen Waschzyklen oder wenn Tropfenabscheider bei normalem Gebrauch verschmutzen, kann die Rate der Flüssigkeitsverschleppung im Vergleich zu den vorgesehenen Raten deutlich ansteigen.

Wie viel Flüssigkeit und Kondensat abgeschieden wird, hängt von der Rauchgasgeschwindigkeit, der Kanal- und Schornsteingeometrie, dem Flüssigkeitsbeladungsgrad und der Verteilung der Tröpfchengröße ab. Die sich bildenden Flüssigkeitsfilme können sich unter dem Einfluss von Schwerkraft und Gasscherkräften bewegen. Jeder Film, der sich bewegt, sammelt sich an anderer Stelle an oder wird von den Wänden der Auskleidung, den inneren Streben, den Dämpfern oder den Flügeln wieder mitgerissen und durch die Hochgeschwindigkeitsgase von der Oberseite des Stapels abgeführt.

Dieser erneute Mitreißvorgang hängt wiederum von der Rauchgasgeschwindigkeit, der Oberflächenrauheit und Oberflächendiskontinuitäten wie Schweißnähten zwischen Kanal und Auskleidung oder FRP-Auskleidungsverbindungen ab. Linerkompensatoren können eine Hauptquelle für das erneute Mitreißen von Flüssigkeiten sein, wenn sie nicht richtig platziert und angeordnet sind. Der Großteil der im Stapel wieder mitgerissenen Flüssigkeit lagert sich nicht erneut an der Auskleidungswand ab; Es verlässt den Schornstein in Form von Tröpfchen, die groß genug sind, um den Boden zu erreichen, bevor sie verdampfen.

Das Verhalten der im Gasstrom der Tropfenabscheider des Absorbers mitgerissenen Tröpfchen und die Bewegung der Flüssigkeitsfilme müssen durch ein physikalisches Strömungsmodell der Einheit bewertet werden. Solche Modelle erleichtern den Entwurf und die Entwicklung von Flüssigkeitssammelgeräten, die in der Lage sind, die primäre Tröpfchenablagerung und Flüssigkeitssammlung zu maximieren und gleichzeitig die Möglichkeit einer erneuten Mitnahme von Tröpfchen aus Flüssigkeitspools und -filmen zu minimieren. Computational Fluid Dynamics (CFD)-Modelle können für diesen Zweck nicht verwendet werden, da diese Computercodes zwar effektiv bei der Vorhersage von Tröpfchenbahnen und Tröpfchensammelmustern sind, derzeit jedoch nicht in der Lage sind, die Entwicklung und Bewegung von Flüssigkeitsfilmen auf den Kanal- und Auskleidungswänden genau zu simulieren.

Physikalische Strömungsmodelle von Nasskanal- und Schornsteininstallationen werden üblicherweise im Maßstab 1:12 bis 1:16 gebaut. Sie umfassen typischerweise das System vom Auslass des Absorber-Tropfenabscheiders bis zu einem Punkt in der Schornsteinauskleidung, der etwa drei bis vier Auskleidungsdurchmesser über der Decke des Durchbruchkanals liegt. Typische Nassstapelströmungsmodelle mit einem oder mehreren Absorbern sind in den Abbildungen 2 bzw. 3 dargestellt. Soweit möglich werden Modelle aus klarem Plexiglas hergestellt, um eine detaillierte Visualisierung der internen Gas- und Flüssigkeitsströme zu ermöglichen. Um sicherzustellen, dass die Bewegung des Flüssigkeitsfilms in der primären Sammelzone des unteren Liners genau simuliert wird, muss darauf geachtet werden, dass die Oberfläche des in diesem Bereich verwendeten Materials ähnliche Benetzungseigenschaften wie im Feld aufweist.

Mit freundlicher Genehmigung: Alden Research Laboratory Inc.

2. Einer ist gut. Ein typisches Einzelabsorber-Nassstapelströmungsmodell.

Mit freundlicher Genehmigung: Alden Research Laboratory Inc.

3. Mehr ist besser. Ein typisches Nassstapelströmungsmodell mit mehreren Absorbern.

Mithilfe eines physikalischen Strömungsmodells können Tropfenbahnen und die Bewegung von Flüssigkeitsfilmen als Strömungsmuster beobachtet werden. Diese Muster können wiederum verwendet werden, um ein System aus Leitschaufeln, Rinnen, Ringsammlern, Dämmen, Leitblechen und Abflüssen zu entwerfen, zu entwickeln und zu optimieren, das in einer Reihe erwarteter Kessellasten und Betriebsszenarien effektiv funktionieren kann. Soweit möglich werden die Flüssigkeitssammler und -rinnen aus handelsüblichen Strukturformen aus korrosionsbeständigen Materialien wie C276 oder FRP hergestellt.

Ein Seitenwind an der Spitze eines Kraftwerksblocks verleiht der austretenden Wolke eine horizontale Komponente. Wenn das Verhältnis des vertikalen Schwadenimpulses zum horizontalen Windimpuls abnimmt, kann der Schwaden teilweise in dem Wirbelstrom mitgerissen werden, der sich auf der windabgewandten Seite der Auskleidung und des Schornsteinmantels bildet. Bei niedrigeren Impulsverhältnissen kann der verringerte statische Druck im Nachlauf das Rauchgas in ein Abwärtsströmungsmuster entlang der windabgewandten Seite des Schornsteinmantels ziehen (Abbildung 4).

Mit freundlicher Genehmigung: Alden Research Laboratory Inc.

4. Ergebnis eines reduzierten statischen Drucks. Eine Wolke, die vom Schornstein eines Kohlekraftwerks herabströmt.

Wenn das gesättigte Rauchgas, das in diesen Nachlauf gesaugt wird, mit dem Dach und den Seiten der Kaminauskleidung und dem Mantel in Kontakt kommt, kann es zu Problemen wie Metallkorrosion, Betonverfall und Eisbildung (in den Wintermonaten) kommen. Bei Schornsteinen mit mehreren, interagierenden Austrittsfahnen ist es besonders wichtig, sich mit dem Abschwimmen der Fahnen zu befassen. Starke Abwindsituationen können sogar zu einem Kontakt der Fahne mit tiefer gelegenen umgebenden Pflanzenstrukturen führen. In den extremsten Fällen können die Rauchfahnen in der Nähe des Schornsteins auf Bodenniveau aufsetzen.

Auch die Wechselwirkungen zwischen dem vorherrschenden Wind und den einzelnen Fahnen spielen eine wesentliche Rolle für die Neigung und das Ausmaß des Abwinds bei Schornsteinen mit mehreren Schornsteinen. Die Windrichtung relativ zu den Fahnen kann unterschiedlich starke Abwinde erzeugen. Bei einem gegebenen Verhältnis von vertikalem zu horizontalem Impuls ist der Abwind der Fahne in einem Stapel mit zwei Linern größer, wenn die Richtung des vorherrschenden Windes senkrecht zur Achse der beiden Liner verläuft, verglichen mit einem Zustand, in dem die Windrichtung parallel dazu verläuft diese Achse. Die Bewertung des Abwindpotenzials für zwei (oder mehr) Windrichtungen ermöglicht die Definition des maximalen Abwindpotenzials und die Entwicklung geeigneter Auskleidungsverlängerungen und Stapeloberseitengeometrie, um das Problem zu entschärfen.

Letztlich können alle Stacks bei geringer Stücklast und hohen Windgeschwindigkeiten in den Downwash-Modus übergehen. Die einzigen Fragen sind:

Im Gegensatz zu Simulationen von Flüssigkeitssammelsystemen eignet sich die CFD-Modellierung ideal zur Bewertung der Variablen des Downwash, eines Phänomens, das fast ausschließlich auf Gas-Gas-Wechselwirkungen zurückzuführen ist. Abbildung 5 zeigt eine typische Ausgabe eines solchen Modells, die einen guten Stack-Betrieb ohne Downwash zeigt. Verschiedene Linergeschwindigkeiten/atmosphärische Bedingungen können ausgewertet werden, um die Höhe der Linerverlängerung oder die Reduzierung der Austrittsdrosselgröße zu bestimmen, die erforderlich ist, um Abwind zu verhindern, oder das Ausmaß, in dem die Oberseite des Schornsteinmantels mit einer säurebeständigen Beschichtung bedeckt sein sollte. Das Potenzial für eine Vereisung der Schornsteinoberseite lässt sich auch bewerten, indem man die Wärmeübertragung in das Modell einbezieht und vorhersagt, wie schnell die Wolke nach dem Austritt aus dem Schornstein abkühlen wird.

Mit freundlicher Genehmigung: Alden Research Laboratory Inc.

5. Sehr vorhersehbar. Typische Ergebnisse eines numerischen Strömungsdynamikmodells für den Abschwung von Fahnen.

Die Ergebnisse dieser Phase werden zur Unterstützung der Feldinstallation des Flüssigkeitssammelsystems verwendet. Die Konstruktions- und Installationszeichnungen des Systems vor Ort sollten von den Ingenieuren, die es entworfen und entwickelt haben, überprüft werden, um sicherzustellen, dass ihre Empfehlungen korrekt interpretiert wurden, und um alle vom Installationsunternehmen vorgenommenen Änderungen zur Erleichterung der Herstellung, Montage, Installation oder strukturellen Unterstützung zu bewerten .

Bei der Installation vor Ort sind aufgrund unerwarteter Störungen oder Installationsprobleme häufig Abweichungen vom vorgegebenen Design erforderlich. Um sicherzustellen, dass das Flüssigkeitssammelsystem ordnungsgemäß installiert wurde, wird eine Vor-Ort-Inspektion der Installation durch den Planer dringend empfohlen und sollte für einen Tag eingeplant werden, an dem die Installation zu 80 % bis 90 % abgeschlossen ist. So können Fehler erkannt, bei Bedarf Änderungen vor Ort definiert und Korrekturen vorgenommen werden, während das Bauteam vor der Inbetriebnahme der Einheit vor Ort ist.

Es wird außerdem dringend empfohlen, das Flüssigkeitssammelsystem nach mehreren Monaten Betrieb zu überprüfen. Wenn es während des normalen Betriebs zu Zwischenfällen mit Schornsteinemissionen kommt, liegt die Notwendigkeit einer Inspektion auf der Hand. Auch wenn Sie noch keine Erfahrung mit SLD haben, ist es dennoch wichtig, die Flüssigkeitssammler zu überprüfen, um ihren zufriedenstellenden Langzeitbetrieb sicherzustellen. Diese Inspektionen können beginnende Ablagerungs- und Entwässerungsprobleme aufdecken, die dann bei zukünftigen Anlagenausfällen behoben werden können.

– David K. Anderson ist Direktor für Luft-/Gasströmungsmodellierung bei Alden Research Laboratory Inc. Er kann unter [email protected] oder 508-829-6000, Durchwahl 464 erreicht werden. Lewis A. Maroti ist leitender Berater bei Alden; Er ist unter [email protected] oder 508-829-6000, Durchwahl 496 erreichbar.

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