Mit der zunehmenden Nutzung von Biomassekesseln in erneuerbaren Energiesystemen gewinnt die Abgaswärmerückgewinnung immer mehr an Bedeutung. Durch die Nutzung der Abgaswärme kann der Wirkungsgrad von Biomasseanlagen verbessert und der Brennstoffverbrauch reduziert werden.
Als zentrales Wärmeübertragungselement beeinflusst die Auswahl der Rippenrohre (Finned Tubes) direkt:
Bei Biomassekesseln stellen die Abgase jedoch besondere Anforderungen an das verwendete Rippenrohrmaterial.
Biomasseverbrennung erzeugt Abgase mit komplexer Zusammensetzung. Je nach Brennstoff können folgende aggressive Bestandteile enthalten sein:
Die typische Taupunkttemperatur von Biomasse-Abgasen liegt häufig zwischen 120 °C und 140 °C. Wird die Abgastemperatur unter diesen Bereich abgesenkt, kann sich saurer Kondensatfilm bilden.
Dieser verursacht insbesondere:
Zusätzlich entstehen bei der Biomasseverbrennung große Mengen an Asche und Staubpartikeln. Diese können durch Erosion die Oberfläche der Rippenrohre beschädigen und die Wärmeübertragung verschlechtern.
Daher müssen geeignete Rippenrohre für Biomassekessel folgende Eigenschaften besitzen:
| Anforderungen | Bedeutung |
|---|---|
| Hohe Korrosionsbeständigkeit | Schutz gegen saure Kondensation |
| Gute Verschleißfestigkeit | Widerstand gegen Asche- und Stauberosion |
| Hohe Wärmeübertragung | Maximierung der Wärmerückgewinnung |
| Gute Anti-Fouling-Eigenschaften | Reduzierung von Ablagerungen |
| Lange Lebensdauer | Weniger Wartung und Austausch |
Kohlenstoffstahl-Rippenrohre werden aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit, hohen mechanischen Festigkeit und niedrigen Kosten häufig eingesetzt.
Für Biomassekessel-Abgase sind herkömmliche Kohlenstoffstahlrohre jedoch nur eingeschränkt geeignet.
| Parameter | Beschreibung |
|---|---|
| Material | Kohlenstoffstahl |
| Wärmeleitfähigkeit | Sehr gut |
| Mechanische Festigkeit | Hervorragend |
| Herstellungskosten | Niedrig |
| Korrosionsbeständigkeit | Schwach bei sauren Bedingungen |
| Geeignete Anwendung | Saubere, nicht korrosive Abgase |
| Hauptproblem | Taupunktkorrosion und Rohrleckagen |
In schwefelhaltigen Niedertemperatur-Abgasen kann die Korrosionsrate von Kohlenstoffstahl etwa 0,35–1 mm/Jahr erreichen.
Langfristig können folgende Schäden auftreten:
Daher sind gewöhnliche Kohlenstoffstahl-Rippenrohre für langfristige Biomasse-Abgaswärmetauscher meistens nicht die optimale Lösung.
Für Biomassekessel mit Abgaswärmerückgewinnung gelten ND-Stahl-Rippenrohre aus 09CrCuSb als eine der geeignetsten Lösungen.
ND-Stahl wurde speziell für Anwendungen entwickelt, bei denen eine hohe Beständigkeit gegen:
erforderlich ist.
Durch die Zugabe spezieller Legierungselemente wie:
bildet ND-Stahl eine schützende Oxidschicht auf der Oberfläche. Dadurch wird die Korrosion durch saure Kondensate deutlich reduziert.
| Parameter | ND-Stahl Rippenrohr (09CrCuSb) |
|---|---|
| Werkstoff | 09CrCuSb |
| Hauptlegierungselemente | Cr + Cu + Sb |
| Korrosionsbeständigkeit | Sehr hoch gegen Schwefelsäure-Taupunktkorrosion |
| Wärmeleitfähigkeit | Ähnlich wie Kohlenstoffstahl |
| Mechanische Festigkeit | Hoch |
| Stauberosionsbeständigkeit | Gut |
| Druckbeständigkeit | Geeignet für Kesselanlagen |
| Einsatztemperatur | Niedertemperatur-Abgasbereiche |
| Geeignete Anwendungen | Biomassekessel, Kohlekessel, Abgaswärmerückgewinnung |
| Vorteil | Beschreibung |
|---|---|
| Hervorragende Korrosionsbeständigkeit | Schutz gegen saure Kondensation |
| Lange Lebensdauer | Weniger Austausch und Wartung |
| Gute Wärmeübertragung | Vergleichbar mit Kohlenstoffstahl |
| Geeignet für staubreiche Abgase | Gute Beständigkeit gegen Aschepartikel |
| Wirtschaftlichkeit | Optimales Verhältnis zwischen Preis und Leistung |
Für die meisten Biomassekessel-Abgaswärmerückgewinnungssysteme sind ND-Stahl-Rippenrohre die bevorzugte Wahl.
Bei besonders aggressiven Biomassebrennstoffen mit hohem Anteil an:
können Edelstahl-Rippenrohre eingesetzt werden.
Häufig verwendete Werkstoffe:
Diese bieten eine höhere allgemeine Korrosionsbeständigkeit als ND-Stahl.
| Material | Korrosionsbeständigkeit | Kosten | Geeignete Anwendung |
|---|---|---|---|
| Edelstahl 304 | Gut | Mittel bis hoch | Moderate Korrosionsbedingungen |
| Edelstahl 316L | Sehr hoch | Hoch | Hoher Chloranteil und extreme Bedingungen |
| ND-Stahl 09CrCuSb | Hervorragend bei Taupunktkorrosion | Mittel | Biomasse-Abgaswärmerückgewinnung |
| Kohlenstoffstahl | Niedrig | Niedrig | Nicht korrosive Anwendungen |
Obwohl Edelstahl eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit besitzt, sollte die Auswahl anhand der tatsächlichen Betriebsbedingungen und des Budgets erfolgen.
Neben dem Material spielt auch die Konstruktion der Rippen eine wichtige Rolle.
Biomasse-Abgase enthalten normalerweise hohe Mengen an Staub und Asche. Zu enge Rippenabstände können verursachen:
Daher sollten Rippenrohre mit optimiertem Rippenabstand verwendet werden.
| Parameter | Empfohlene Spezifikation |
|---|---|
| Rohrmaterial | ND-Stahl 09CrCuSb / Edelstahl |
| Rippenart | Spiralrippenrohr oder geschweißtes Rippenrohr |
| Rippenabstand | Mittel bis groß zur Vermeidung von Staubablagerungen |
| Konstruktionsziel | Korrosionsschutz + Anti-Fouling |
| Anwendung | Biomassekessel-Economizer, Luftvorwärmer, Abgaswärmetauscher |
| Eigenschaft | Kohlenstoffstahl | ND-Stahl 09CrCuSb | Edelstahl |
|---|---|---|---|
| Wärmeübertragung | Sehr gut | Sehr gut | Gut |
| Niedertemperatur-Korrosionsschutz | Schwach | Hervorragend | Hervorragend |
| Schwefelsäure-Taupunktbeständigkeit | Schwach | Hervorragend | Hervorragend |
| Stauberosionsbeständigkeit | Mittel | Gut | Gut |
| Materialkosten | Niedrig | Mittel | Hoch |
| Lebensdauer | Kurz | Lang | Sehr lang |
| Empfehlung für Biomassekessel | Nicht empfohlen | Ja | Bei extremen Bedingungen |
Für die meisten Biomassekessel-Anwendungen sind ND-Stahl-Rippenrohre (09CrCuSb) die geeignetste Lösung.
Sie bieten ein optimales Gleichgewicht zwischen:
Bei Biomassebrennstoffen mit besonders hohem Chlor- oder Schwefelgehalt können 316L Edelstahl-Rippenrohre eingesetzt werden.
Kohlenstoffstahl-Rippenrohre eignen sich hauptsächlich für saubere und nicht korrosive Abgassysteme oder kurzfristige Anwendungen.
Die richtige Auswahl von Rippenrohrmaterial, Rippenstruktur und Rippenabstand kann die Energieeffizienz verbessern, Wartungskosten reduzieren und die Lebensdauer von Biomassekessel-Wärmetauschern deutlich verlängern.
