Mit der zunehmenden Nutzung von Biomassekesseln im Bereich der erneuerbaren Energien gewinnt die Rückgewinnung von Rauchgaswärme immer mehr an Bedeutung. Durch die Nutzung der Abgaswärme können der Kesselwirkungsgrad verbessert, der Energieverbrauch reduziert und die Betriebskosten gesenkt werden.
Als entscheidendes Wärmeübertragungselement in Rauchgas-Wärmerückgewinnungssystemen beeinflusst die Auswahl des geeigneten Rippenrohrs für Biomassekessel-Rauchgas maßgeblich:
Das Rauchgas von Biomassekesseln unterscheidet sich deutlich von herkömmlichen Brennstoffen. Während der Verbrennung entstehen korrosive Bestandteile wie:
Der Taupunkt liegt häufig bei etwa 120–140 °C. Wird die Rauchgastemperatur unter diesen Bereich abgesenkt, kann sich schwefelsäurehaltiges Kondensat bilden, das eine starke Niedertemperaturkorrosion verursacht.
Zusätzlich enthalten Biomasse-Rauchgase große Mengen an Staubpartikeln, die zu:
führen können.
Ein geeignetes Rippenrohr für Biomassekessel muss daher folgende Eigenschaften besitzen:
| Anforderung | Bedeutung |
|---|---|
| Hohe Beständigkeit gegen Niedertemperatur-Säurekorrosion | Schutz vor Taupunktkorrosion |
| Gute Verschleiß- und Erosionsbeständigkeit | Widerstand gegen Staubpartikel |
| Hohe Wärmeübertragungsleistung | Verbesserung der Energieeffizienz |
| Lange Lebensdauer | Reduzierung von Wartung und Austausch |
Rippenrohre aus Kohlenstoffstahl werden aufgrund ihrer niedrigen Kosten und einfachen Herstellung häufig eingesetzt.
| Parameter | Kohlenstoffstahl-Rippenrohr |
|---|---|
| Wärmeleitfähigkeit | Sehr gut |
| Mechanische Festigkeit | Hoch |
| Fertigungstechnologie | Ausgereift und weit verbreitet |
| Kosten | Ca. 1/3–1/2 von Edelstahl |
| Geeignete Anwendung | Normale Temperatur, nicht korrosive Umgebung |
Bei Biomassekessel-Rauchgasen zeigen sich jedoch die Grenzen von normalem Kohlenstoffstahl.
Da Kohlenstoffstahl keine ausreichenden Legierungselemente gegen Korrosion enthält, ist er besonders empfindlich gegenüber:
Typische Korrosionswerte unter schwierigen Bedingungen:
| Parameter | Typischer Wert |
|---|---|
| Korrosionsrate | 0,35–1 mm/Jahr |
| Hauptschäden | Wanddickenverlust, Leckagen, Rippenkorrosion |
| Erwartete Lebensdauer unter starken Bedingungen | Ca. 1–2 Jahre |
Mögliche Folgen:
Daher sind gewöhnliche Kohlenstoffstahl-Rippenrohre für langfristige Biomassekessel-Rauchgas-Wärmerückgewinnungssysteme normalerweise nicht die optimale Lösung.
ND-Stahl-Rippenrohre (09CrCuSb) wurden speziell für Niedertemperatur-Korrosionsbedingungen am Kesselende entwickelt.
Sie werden häufig eingesetzt in:
Die verbesserte Korrosionsbeständigkeit entsteht durch die Zugabe spezieller Legierungselemente:
Diese Elemente unterstützen die Bildung einer stabilen Schutzschicht auf der Stahloberfläche und reduzieren die Korrosion durch schwefelsäurehaltiges Kondensat.
| Leistungsmerkmal | ND-Stahl-Rippenrohr (09CrCuSb) |
|---|---|
| Beständigkeit gegen Schwefelsäurekorrosion bei niedriger Temperatur | Hervorragend |
| Wärmeleitfähigkeit | Ähnlich wie Kohlenstoffstahl |
| Mechanische Festigkeit | Hoch |
| Beständigkeit gegen Stauberosion | Gut |
| Druckbelastbarkeit | Geeignet für Kesselsysteme |
| Lebensdauer | Deutlich länger als Kohlenstoffstahl |
| Typische Anwendungen | Biomassekessel, Kohlekessel, Wärmerückgewinnung |
ND-Stahl-Rippenrohre lösen typische Probleme wie:
Für die meisten Biomassekessel-Projekte bieten ND-Stahl-Rippenrohre das beste Verhältnis zwischen:
Bei Biomasse mit besonders hohem Schwefel- oder Chlorgehalt können die Betriebsbedingungen aggressiver werden.
In solchen Fällen können Edelstahl-Rippenrohre verwendet werden.
Häufig eingesetzte Edelstahltypen:
| Material | Korrosionsbeständigkeit | Kosten | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| Edelstahl 304 | Gut | Mittel | Allgemeine korrosive Bedingungen |
| Edelstahl 316L | Hervorragend | Höher | Hoher Chloridgehalt und starke Korrosion |
| Vorteil | Beschreibung |
|---|---|
| Hohe Chloridbeständigkeit | Geeignet für chlorhaltige Rauchgase |
| Sehr gute chemische Stabilität | Widerstand gegen aggressive Medien |
| Hohe Korrosionsbeständigkeit | Für extreme Betriebsbedingungen geeignet |
Allerdings liegen die Materialkosten von Edelstahl deutlich über denen von ND-Stahl.
Die Auswahl sollte daher basieren auf:
| Betriebsbedingungen | Empfohlenes Rippenrohrmaterial |
|---|---|
| Standardbetrieb von Biomassekesseln | ND-Stahl (09CrCuSb) Rippenrohr |
| Niedrige Rauchgastemperatur mit Schwefelkorrosion | ND-Stahl-Rippenrohr |
| Biomasse mit hohem Schwefel- und Chlorgehalt | Edelstahl 316L Rippenrohr |
| Extrem korrosive Umgebung | Edelstahl-Rippenrohr |
| Kurzzeitige oder temporäre Projekte | Kohlenstoffstahl-Rippenrohr |
Neben dem Rohrmaterial ist auch die Konstruktion der Rippen entscheidend.
Biomasse-Rauchgas enthält normalerweise eine hohe Staubkonzentration. Eine zu enge Rippenanordnung kann zu:
führen.
Empfohlene Konstruktionsmerkmale:
| Designfaktor | Empfehlung |
|---|---|
| Rippenabstand | Größerer Abstand zur Verringerung von Ascheablagerungen |
| Staubbeständigkeit | Keine zu dichte Rippenstruktur verwenden |
| Wärmeübertragung | Balance zwischen Effizienz und Reinigbarkeit schaffen |
| Wartung | Reinigung und Rußblasen berücksichtigen |
Ein optimal ausgelegtes Rippenrohr gewährleistet gleichzeitig:
Für die meisten Anwendungen zur Rauchgas-Wärmerückgewinnung in Biomassekesseln sind ND-Stahl-Rippenrohre (09CrCuSb) die geeignetste Lösung.
Sie bieten:
Bei Biomassebrennstoffen mit extrem hohem Schwefel- oder Chlorgehalt können Edelstahl-Rippenrohre wie 304 oder 316L zusätzlichen Schutz bieten.
Kohlenstoffstahl-Rippenrohre haben zwar niedrigere Anschaffungskosten, sind jedoch aufgrund des Korrosionsrisikos für langfristige Biomassekessel-Anwendungen meist nicht empfehlenswert.
Empfohlene Auswahlreihenfolge:
ND-Stahl-Rippenrohr (09CrCuSb) → Edelstahl-Rippenrohr → Kohlenstoffstahl-Rippenrohr (nur temporäre Nutzung)
Die richtige Materialauswahl für Rippenrohre kann die Effizienz von Biomassekesseln erhöhen, Wartungskosten reduzieren und die Lebensdauer von Rauchgas-Wärmerückgewinnungsanlagen deutlich verlängern.
