Moving Grate - Hitachi Power Europe Service

Hitachi Power Europe Service GmbHRostfeuerung – VorschubrostGrate Firing – Moving GrateHitachi Power Europe Service ist eineigen ständiges Unternehmen der HitachiGruppe und bündelt die Service aktivitätender Hitachi Power Europe GmbH.Hitachi Power Europe Service is anindependent subsidiary of Hitachi Groupand bundles the service activities ofHitachi Power Europe GmbH.

About Hitachi Power Europe ServiceHitachi Power Europe Service GmbH (HPES), with about 300 employees, is an inter nationallyactive company in the field of power generation, steam generator construction, as well asfor environmental technologies and firing equipment. The company’s head office is locatedin Duisburg (Germany), with the departments of engineering, boiler and firing technology,mills and components, erection and commissioning and flue gas cleaning. In addition,Hitachi Power Europe Service GmbH operates a centre of excellence for surface engineering(cladding) with a cooperation partner.With service centres throughout Germany and branches in Europe, Middle East and Asia,Hitachi Power Europe Service GmbH operates as closely to its customers as possible, providingits products and specialist skills.Hitachi Power Europe Service GmbH• Hauptsitz in Duisburg, DeutschlandHead office in Duisburg, Germany Nationale StandorteGerman locations Internationale StandorteInternational locationsGrate Firing – Moving Grate 3

VorschubrostErstmalige Brennstoffbeaufschlagungdes MüllfeuervorschubrostsWaste firing moving grate is for thefirst time provided with fuelDer Rost für jeden HeizwertUnser Leistungsspektrum:■■Luft- und wassergekühlteVerbrennungsroste■■Aufgabevorrichtungen undEntaschungssysteme■■Systeme für Primär- / Sekundärluftund Rezirkulationsgase■■Zünd- und Stützfeuerungen■■Kesselumbauten undFeuerungsoptimierung■■Strömungssimulationen (CFD-Studien)■■FeuerleistungsregelungSeit über 50 Jahren ist die Hitachi Power Europe Service GmbH weltweit im Feuerungsbauzuhause.Ob in Kraftwerken zur reinen Stromerzeugung oder in Industriekraftwerken zur Dampf- /Stromerzeugung: Die Feuerungsanlagen der HPES finden Anwendung in fast allenBereichen der Energieumwandlung und sind den vorgegebenen Anforderungen immeroptimal angepasst.Umweltentlastende Verbrennung erfordert für Haus- und Kommunalmüll, Gewerbeabfall,Ersatzbrennstoff (EBS), Reststoffentsorgungen sowie Biomassen aller Art besondere Konzepteund Maßnahmen. Die Nutzung der thermischen Energie durch Energieumwandlungmittels Rostfeuerung bietet eine sinnvolle und wirtschaftliche Alternative zur Deponie.Die heutigen Abfallstoffe mit Heizwerten zwischen 6.000 bis 20.000 kJ / kg erfordernangepasste Rostkühlsysteme zur Begrenzung der Roststabtemperaturen. So setzen wir inAbhängigkeit der Heizwerte luft-, luft- / wasser- oder wassergekühlte Roste ein.4 Rostfeuerung – Vorschubrost

Moving Grate3-bahniger Vorschubrost bei der Montage3-track moving grate during installationThe grate for any calorific valueHitachi Power Europe Service GmbH has been working in firing engineering and constructionworldwide for more than 50 years.Whether in power plants purely for power generation, or in industrial power plants for steamor power generation, the furnace systems of HPES are applied in almost all fields ofenergy conversion and are always optimally adapted to the specified requirements.Environmentally-friendly combustion requires special concepts and measures for householdand municipal waste, industrial waste, RDF, disposal of residues as well as biomass of allkinds. The use of thermal energy through energy conversion with grate firing offers a reasonableand economic alternative to landfilling.Our service portfolio:■■Air-cooled and water-cooled combustiongrates■■Feeding devices and ash extraction systems■■Systems for primary / secondary air andrecirculation gases■■Ignition and auxiliary firing systems■■Boiler revamps and firing optimisation■■Fluid dynamics simulations (CFD studies)■■Firing control systemThe waste, with an LCV between 6,000 and 20,000 kJ / kg, requires adapted grate coolingsystems to limit the grate bar temperatures. We use air-cooled, air & water-cooled orwater-cooled grates, depending on the calorific value.Grate Firing – Moving Grate 5

BrennstoffeIhr Brennstoff – unser Know-howUnsere Rostfeuerungen, die sich seit Jahren im Einsatz erfolgreich bewährt haben,liefern auch für höchste Heizwerte die Lösung für thermische Entsorgungen.BrennstoffHausmüll, Kommunalmüll,Gewerbeabfall, BiomasseHaus-, Kommunal-, Biomüll,Ersatzbrennstoff (EBS), GewerbeabfallHaus-, Kommunalmüll,Ersatzbrennstoff (EBS), GewerbeabfallVerfahrenLuftgekühlter VorschubrostLuft- / wassergekühlter VorschubrostWassergekühlter VorschubrostUnser Know-how ist durch diverse nationale und internationale Patente und Gebrauchsmustergeschützt.Für die Bestimmung der Rostflächen sind die entscheidenden Größen die mechanische undthermische Rostflächenbelastung sowie die Auslegungsdaten des jeweiligen Feuerungsleistungsdiagramms.Ferner bestimmen das Zünd- und Abbrennverhalten des Brennstoffessowie die Stückigkeit und Ausbrandqualität die Rostlängen und Brennstoffschichthöhen.MaisMaizeOlivenresteOlive residues6 Rostfeuerung – Vorschubrost

FuelsYour fuel – our know-howOur grate technologies, which have proven successful in operation for many years,deliver the solution for thermal disposal even at the highest calorific values.FuelHousehold waste, municipal waste,industrial waste, biomassHousehold waste, municipal waste, bio refuse,RDF, industrial wasteHousehold waste, municipal waste,RDF, industrial wasteMethodAir-cooled moving grateAir / water-cooled moving grateWater-cooled moving grateOur know-how is protected by various German and international patents and registereddesigns.The mechanical and thermal grate surface load, as well as the layout data of the respectivefiring diagram are the decisive variables for the layout of the grate bar. Furthermore, the ignitionand burn-out behaviour of the fuel, as well as the waste size and burn-out quality determinethe grate lengths and fuel layer height.HolzspäneWood chipsErsatzbrennstoffRDFGrate Firing – Moving Grate 7

RosttechnologieDie eigene Rosttechnologie macht den UnterschiedAls Modul aufgebaut, verfügt jeder Rostwagen über zwei Unterwindzonen. Eine Rostbahnmit einer Länge von 9.200 – 10.800 mm für beispielsweise eine thermische Entsorgungvon Hausmüll besteht somit aus drei Rostwagen, wobei die Anzahl der nebeneinanderangeordneten Rostbahnen durch den Mülldurchsatz bestimmt wird.Die auf Kugeln gelagerten Rostwagen des Vorschubrostes werden über Schubstangen durcheine hydraulisch angetriebene Schwingwelle verfahren. Da die Kugellagerung des Rostwagenskeine Schmierung benötigt, sind Einsätze auch bei höheren UnterwindvorwärmungenVorschubprinzipFeed principleproblemlos möglich.LuftgekühltDie zum Patent angemeldeten luftgekühlten Roststäbe sind auf längere Standzeiten ausgelegt.Erreicht wird dies durch eine zweite Verschleißstirnwand, die – geschützt vor temperaturbedingterKorrosion – verdeckt hinter der Kopfstirnfläche angeordnet ist. Bei einemthermischen Verschleiß der äußeren Kopffläche ist so die weitere Funktion des Roststabesund damit die Verlängerung der Gesamtlaufzeit gewährleistet. Der Roststab kann für einseitigesowie als Wenderoststab für zweiseitige Auflagen ausgeführt werden.Anwendungsbereich:■■Uneingeschränkte Verwendbarkeit für den mittleren und tiefen HeizwertHU = < 12.000 kJ / kgBetriebswirtschaftliche Aspekte:■■Erhöhung der Standzeit durch unsere Wende- und Verschleißstirnwand-RoststabtechnikLuftgekühlter Wende-RoststabAir-cooled grate barWassergekühltIn die aus Guss gefertigten Roststäbe, die eine Breite von 240 mm haben, sind wasserführendeRohre eingegossen, deren Dichtigkeit auch bei höheren Temperaturen gewährleistet ist.Anwendungsbereich:■■Uneingeschränkte Verwendbarkeit für den Heizwertbereich von6.000 bis 20.000 kJ / kg und mit Einschränkungen sogar bis 30.000 kJ / kgBetriebswirtschaftliche Aspekte:■■32.000 h Betriebsgarantie■■8.000 h (Betrieb) Notlaufeigenschaften mit Standzeitausnutzung■■Verfügbarkeit > 8.000 h (Betrieb)/ Jahr■■Erhöhte Betriebssicherheit■■Reduzierung der laufenden InstandhaltungskostenWassergekühlter RoststabWater-cooled grate bar■■Verlängerung der Revisionsintervalle■■Reduzierte Ersatzteilvorhaltung8 Rostfeuerung – Vorschubrost

Grate TechnologyOur own grate technology makes the differenceBuilt as a module, each grate carriage has two primary combustion air zones. A grate trackwith a length of 9,200 – 10,800 mm, used for example for thermal disposal of domesticwaste, consists of three grate carriages, whereby the number of grate tracks will bedetermined by the waste throughput.The grate carriages of the moving grate supported on ball bearings are activated by pushrods connected to a hydraulically operated shaft. Since the ball bearings of the grate carriagedo not require any lubrication, the operation at higher combustion air temperatures is possiblewithout any problem.Air-cooledThe patented air cooled grate bars are dimensioned for a longer lifetime. This is possible byusing a second wear front plate, located behind the frontside. The outer frontside guaranteesthe function of the grate bar and therefore also the extension of the lifetime, even at higherthermal wear. The grate bar can be constructed so that it is possible to use it for “one side”or “two side-reverse” bar.9812Area of application:■■Unrestricted use for mid and low LCVLCV = < 12,000 kJ / kg7643Economic and operational benefits:■■Long lifetime resulting from the use of our grate technology with wear front wall5Water-cooledManufactured from cast iron with a width of 240 mm, the grate bars are cooled with castedin water tubes. Their seal effectiveness is also guaranteed at higher temperatures.Area of application:■■Unrestricted use for the LCV range from 6,000 to 20,000 kJ / kgand with restrictions even to 30,000 kJ / kgEconomical aspects:■■32,000 h operation guarantee■■8,000 h (operation) dry running operationwith service life extension■■Availability > 8,000 h per year■■Increased operational safety■■Reduction of maintanance costs■■Extension of the inspection intervals■■Reduced number of spare parts to keep in stockAufbau eines RostmodulesConstruction of a grate module1 Roststäbe (feststehend)Grate bars (fixed)2 Roststäbe (beweglich)Grate bars (movable)3 RostgerüstGrate frame4 RostschlittenwagenGrate carriage slide5 HydraulikzylinderHydraulic cylinder6 RostantriebswelleGrate driving shaft7 RoststehlagerGrate pedestal bearing8 RostschlittenGrate carriage9 RoststabträgerGrate bar carrierGrate Firing – Moving Grate 9

RosttechnologieVerbindung der Wasserkühlungan den RoststäbenConnection of the water coolingcircuits to the grate barsTemperaturregelung des wassergekühlten RostesMit geringen Wassermengen wird mittels einer definierten Durchströmung eine kon trollierteWärmeabfuhr gewährleistet, die wiederum eine Kühlung der Roststäbe auf 150 – 250 °Can der Oberfläche sicherstellt.In Abhängigkeit der Wassertemperaturen kommen in den beweglichen Bereichen unterhalbder Roste flexible Schläuche oder aber das Gelenk-Scherensystem zum Einsatz.Um auch bei höheren Temperaturen eine Verdampfung im System auszuschließen wird derKühlkreislauf mit einer Druckhaltung beaufschlagt.Schema der Temperaturverteilung eines wassergekühlten RoststabesSchematic of temperature distribution within a water-cooled grate bar10 Rostfeuerung – Vorschubrost

Grate TechnologyTemperature control of the water-cooled grateWith small quantities of water, a controlled heat exchange is ensured by means of a definedwaterflow. As a result, the cooling of the grate bars ensures a surface temperature of150 – 250 °C.3-linige EBS-Anlage mit je 2-bahnigemVorschubrostThree line RDF plant with a 2-trackmoving grate, eachDepending on the water temperatures, flexible hoses or flexible joints are used in the movableareas located below the grates.In order to prevent vaporisation in the system at higher temperatures, pressure is applied tothe cooling circuit.Kühlkreislauf und WärmerückgewinnungCooling circuit and heat recovery11 DruckhaltungPressure control2 WärmetauscherHeat exchanger3 UmwälzpumpeCirculating pump4 NachspeisepumpeFeeding pump234Grate Firing – Moving Grate 11

RosttechnologieWesentliche Merkmale der luft- undwasser gekühlten RoststäbeLuftgekühlte RoststäbeWenderoststab mitdoppelseitiger VerschleißstirnwandReversible grate bar withdouble wear front-wallKonstruktive Besonderheiten:■■Roststäbe bestehend aus CrNi-Stahl■■Roststabbreite 60 /120 mm,mit seitlichem Luftschlitz■■Geringer mechanischer Verschleiß derRoststäbe durch den langen Hub■■Geringer thermischer Verschleiß derRoststäbe durch die zweiteVerschleißstirnwand im Roststabkopf■■Standzeitverlängerung durch unsereWende- und Verschleißstirnwand-RoststabtechnikVerfahrenstechnische Merkmale:■■Thermische Rostbelastung von0,7 bis 0,9 MW / m²■■Maximale Roststabtemperaturan der Oberfläche von 500 °C■■Ruhige Feuerführung durch den langenArbeitshub von 400 mm■■Gleichmäßige Verbrennung durchseitliche Luftschlitze■■Luftaustrittsöffnungen im Abstandsrastervon 60 / 120 mm■■Geringer Staubaustrag aus derFeuerung■■Geringer Rostdurchfall (< 0,2 %)durch definierte LuftschlitzeWassergekühlte Roststäbe3D-Modell wassergekühlter Roststab3D model of water-cooled grate barKonstruktive Besonderheiten:■■Roststäbe sind einschließlich der Roststabköpfebestückt mit eingegossenenKühlrohren aus hitzebeständigem Guss■■Schweißarbeiten an den Gussstäbenentfallen■■Geringer mechanischer Verschleiß derRoststäbe sowie des Roststabkopfesdurch die Wasserkühlung sowie denlangen Hub■■Der seitliche Rostabschluss und dieRostbahntrennung sind mit in denKühlkreislauf eingebunden■■Geringe Anzahl von BewegungskompensationselementenwieSchläuche oder GelenkscherensystemVerfahrenstechnische Merkmale:■■Therm. Rostbelastung bis 1,2 MW / m²■■Höhere Druckstufe durch eingegosseneRohre■■Maximale Roststabtemperaturan der Oberfläche von 150 °Cin Hot-Spot-Bereichen 250 °C■■Ruhedruck zwischen4 und 16 bar (abs.)■■Rücklauftemperatur des Kühlwassers,geregelt zwischen 70 °C und 140 °C■■Wärmeauskopplung und Nutzung fürz. B. Fernwärme oder Kondensat■■Optimierung der Primär- / Sekundärluftverhältnissedurch die entkoppelteRostkühlung■■Ruhige Feuerführung durch den langenArbeitshub von 400 mm■■Gleichmäßige Verbrennung durch minimalenVerschleiß an den Luftschlitzen■■Luftaustrittsöffnungen im Abstandsrastervon 80 mm■■Geringer Staubaustrag aus derFeuerung■■Geringer Rostdurchfall (< 0,2 %)durch definierte Luftschlitze12 Rostfeuerung – Vorschubrost

Grate TechnologyEssential characteristics of the air- andwater-cooled gratesStructural features:■■Grate bars made of CrNi steel■■Grate bar width 60 /120 mm,with lateral air slots■■Marginal mechanical weardue to long stroke■■Marginal thermal wear due tothe second wear front wall■■Longer lifetime by applyingour reversible and wear front wallgrate bar technologyProcess-engineering characteristics:■■Thermal grate load possible from0,7 to 0,9 MW / m²■■Maximum grate bar temperatureon the surface of 500 °C■■Smooth firing due to the longworking stroke of 400 mm■■Smooth incineration due to thelateral air slots■■Air holes in a distanceof 60 /120 mm■■Low dust entrainment■■Low pass through of dustbetween the grate bars (< 0,2 %)due to well defined air slotsAir-cooled grate barsRoststab mit einseitiger VerschleißstirnwandGrate bar with single wear front wallStructural features:■■Grate bars including grate bar headsare equiped with casted in coolingliners made of heat resistant cast iron■■No welding necessary for thegrate bars■■Low mechanical wear of thegrate bar as well as the grate barheads due to watercooling andlong stroke■■The lateral grate bars and thejunction of the grate trackare integrated in the coolingcircuit■■Marginal number of elements for thecompensation of the moving partssuch as hoses or jointsProcess-engineering characteristics:■■Thermal grate load up to 1,2 MW / m²■■Higher pressure possible due tocasted-in liners■■Maximum grate bar temperatureof 150 °C on the surface and of250 °C in hot spot areas■■Pressure of water-cooling4 to 16 bar (a)■■Return flow temperature of thecooling water controlled between70 °C and 140 °C■■Heat extraction and use for distanceheating or condensate heating■■Optimization of PA / SAbased on the uncoupledgrate cooling■■Smooth firing due to the longworking stroke of 400 mm■■Even incineration due to theminimum wear of the air slots■■Air holes in a distance of 80 mm■■Low dust entrainment■■Low pass through of dustbetween the grate bars (< 0,2 %)due to well defined air slotsWater-cooled grate barsEin- und Austritt der WasserkühlungInlet and outlet of the water cooling systemGrate Firing – Moving Grate 13

Regelung einer RostfeuerungAnforderungen an ein modernes FeuerungskonzeptMit einer optimalen Abstimmung aller Komponenten ist eine hohe Verfügbarkeit, eine hoheAusbrandgüte sowie eine verwertungsgerechte Reststoffqualität zu erreichen.Eine besondere Rolle spielt die optimale Auslegung der Feuer-Leistungs-Regelung (FLR).Die FLR hat die folgenden Aufgaben:■■Stabilisierung der Dampfproduktion■■Sicherstellung des Ausbrandes (gas- und brennstoffseitig)■■Kesselschonende FahrweiseFührungsgröße der FLR ist die Dampfmenge und der O 2 -Gehalt im Rauchgas. Geregeltwerden die Brennstoffmenge, die Rostvorschubgeschwindigkeit, die Primärluftmenge unddie Primärluftverteilung auf die einzelnen Verbrennungszonen. Des Weiteren werden dieSekundärluftmenge sowie die Verbrennungstemperatur und die CO-Konzentration in derFLR berücksichtigt.1 Luftversorgungs-ReglerAir controller2 Last-ReglerLoad controller3 Feuerungs-ReglerCombustion controller4 Primärluft-ReglerPA controller5 Sekundärluft-ReglerSA controllerFeuer-Leistungs-Regelung (FLR)Combustion Control System (CCS)2134 5896 Müllaufgabe-ReglerFuel controller7 Rostgeschwindigkeit-ReglerGrate speed controller8 FeuerraumtemperaturMittelwert von n MessungenCombustion chamber temperatureaverage value of n measurements9 Dampfleistung aus Zünd- und StützfeuerSteam capacity from ignition and auxiliary fire O 2 -KesselendeO 2 boiler outlet67 Signal vom Feuerungs-ReglerSignal from combustion controller14 Rostfeuerung – Vorschubrost

CFD-Studien und VersuchsanlageTemperaturprofil der Verbrennungsgase in der KesselanlageTemperature profile of the combustion gases in the boiler systemFall 1a /Case 1a Fall 1b /Case 1b Fall 1c /Case 1c Fall 1d /Case 1d> 1500 °C20%30%30%20%25%25%25%25%30%20% 30%25%30%20% 20%25%> 1000 °C< 500 °CCFD-Studien und VerbrennungsversucheMit den Ergebnissen der CFD-Studien werden die Aufteilung der Primär- und Sekundärluft,die Lage, der Einbauort sowie die Neigung der Sekundärluft- und Harnstoffdüsen festgelegt.Wir legen mittels der CFD-Studien die optimale Feuerraum-Geometrie sowohl für Neuanlagenals auch für Kesselumrüstungen fest. Am Beispiel der folgenden CFD-Studie ist erkennbar,welchen Einfluss alleine Veränderungen der Sekundärlufteindüsung auf das Temperaturprofilder Verbrennungsgase im Kessel hat.Im Rahmen unserer Kooperationsvereinbarungen mit dem Fraunhofer Institut UMSICHT undder Universität Duisburg-Essen (LUAT – Lehrstuhl für Umweltverfahrens- und Anlagentechnik)können bei hochkalorischen Brenn stoffen Verbrennungsversuche gefahren werden.Diese Verbrennungsversuche werden in der MARS ® Versuchsanlage (Modulare Anlage zurRückstands optimierten Stoffbehandlung) durchgeführt und dienen der Bestimmung desAbbrennverhaltens, der Güte der Verbrennungsrückstände, der Rohgaszusammensetzungsowie des Verschmutzungsverhaltens in nachgeschalteten Aggregaten. Hierdurch könnenauch für Brennstoffe mit unbekannten Verbrennungskennwerten CFD-Studien zur Optimierungder Rostsysteme erstellt werden.16 Rostfeuerung – Vorschubrost

CFD Studies and Test PlantCFD studies and combustion testsWith the results of the CFD studies the balancing of the primary and secondary air,the location, the installation place and the inclination of the secondary air and urea nozzlesare determinded.MARS ® -Versuchsanlage derUniversität Duisburg-EssenMARS ® Test plant at the Universityof Duisburg-Essen (Germany)CFD studies help us to determine the optimal combustion chamber geometry for newconstructions, as well as boiler overhauls. The example of the following CFD study demonstratesthe effect on the temperature profile of the combustion gases in the boiler, createdmoreover, by changes in the secondary air injection.Together with the UMSICHT Fraunhofer Institute and the Chair of Environmental ProcessEngineering and Plant Design at the University of Duisburg-Essen (LUAT – Lehrstuhl fürUmwelt verfahrens- und Anlagentechnik), combustion tests can be made for all kind of highcaloric fuels.These combustion tests are carried out at the MARS ® Test plant and serve for the determinationof the burn-out behaviour, the quality of residues, the flue gas composition, as well as thefouling behaviour in subsequent equipment. This way, CFD studies for the optimisation ofgrate systems can also be created for fuels with unknown combustion parameters.Grate Firing – Moving Grate 17

ReferenzenProjekte / Produkte von Hitachi Power Europe Service (Auswahl)Projekt Art Gesamt-MülldurchsatzEVI-Europark EmlichheimDeutschlandEVN Moskau MSZ 3RusslandMVA Spittelau WienÖsterreichswb BremenMittelkalorisches Kraftwerk (MKK)Deutschlandswb Bremen OkenDeutschland2 Linien 365.000 t / a2 Linien 360.000 t / a2 Linien 250.000 t / a1 Linie 230.000 t / a4 Linien 500.000 t / a18 Rostfeuerung – Vorschubrost

ReferencesProjects / Products of Hitachi Power Europe Service (Selection)Project Technology Total capacityEVI-Europark EmlichheimGermanyEVN Moscow MSZ 3RussiaMVA Spittelau ViennaAustriaswb BremenMedium calorific power plant (MKK)Germanyswb Bremen OkenGermany2 Lines 365.000 t / a2 Lines 360.000 t / a2 Lines 250.000 t / a1 Line 230.000 t / a4 Lines 500.000 t / aGrate Firing – Moving Grate 19

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