Röhrenkessel: Was ist das, wie funktioniert er und wann empfiehlt es sich, ihn durch einen Elektrokessel zu ersetzen?

Was ist ein Rauchrohrkessel?

Ein Rauchrohrkessel (auch als Rauchrohrkessel oder in Lateinamerika als „caldero pirotubular“ bezeichnet) ist eine Anlage, die durch die Verbrennung eines Brennstoffs – in der Regel Erdgas, Heizöl oder Biomasse – Dampf erzeugt. Sein Name leitet sich vom griechischen Wort „pyr“ (Feuer) ab: Das Feuer und die Rauchgase strömen durch das Innere der Rohre, während sich das Wasser außen befindet und einen großen zylindrischen Körper ausfüllt.

Es handelt sich um den in Spanien am weitesten verbreiteten Industriekessel. Er kommt in Bäckereien, Molkereien, Konservenfabriken sowie in der chemischen, pharmazeutischen und Textilindustrie sowie in industriellen Wäschereien zum Einsatz. Sein Erfolg lässt sich durch drei Gründe erklären: robuste Bauweise, großes Wasservolumen (das Spitzenlasten ausgleicht) und angemessene Herstellungskosten im Bereich von 1 bis 25 t/h.

In industriellen Kesselräumen werden die Begriffe „Rohrbündelkessel“ und „Rohrbündeldampferzeuger“ oft fast synonym verwendet, obwohl ein Dampferzeuger im engeren Sinne in der Regel ein geringeres Wasservolumen aufweist und schneller anläuft.

So funktioniert ein Rohrbrennrohrkessel

Das Prinzip ist einfach: Der Brenner erzeugt eine Flamme im Inneren eines Rohrs mit großem Durchmesser (dem Feuerraum). Die heißen Gase strömen anschließend durch mehrere Bündel schmaler Rohre, geben ihre Wärme an das sie umgebende Wasser ab und treten durch den Schornstein aus. Das Wasser kocht, und der Dampf sammelt sich im oberen Teil des Gehäuses, von wo aus er in den Prozess geleitet wird.

Die meisten modernen Rohrbündelkessel verfügen über drei Rauchgasdurchläufe: Das Gas durchströmt den Kesselkörper dreimal (Feuerraum → erstes Rohrbündel → zweites Rohrbündel), um die Wärme vor dem Austritt optimal zu nutzen.

Hauptteile

1. Brenner: Er mischt Brennstoff und Luft und erzeugt die Flamme. Seine Bauweise bestimmt zu einem großen Teil die NOx-Emissionen.
2. Feuerraum: Rohr mit großem Durchmesser, in dem die Verbrennung stattfindet.
3. Rauchkammern: vordere und hintere Kammern, in denen die Gase zwischen den Durchläufen die Richtung wechseln.
4. Rohrbündel: Rohre, durch die die Rauchgase strömen und dabei Wärme an das Wasser abgeben.
5. Kesselkörper oder Mantel: Der Druckzylinder, der das Wasser und die Dampfkammer enthält.
6. Schornstein und optional Economizer: Der Economizer gewinnt Wärme aus den Rauchgasen zurück, um das Speisewasser vorzuwärmen, und steigert den Wirkungsgrad um mehrere Prozentpunkte.
7. Sicherheits- und Steuerungsausrüstung: Sicherheitsventile, Druckschalter, Füllstandsüberwachung, Boden- und Salzablass sowie eine Zufuhrpumpe.

Tatsächliche Leistung

Ein gut eingestellter Rohrkessel erreicht einen Wirkungsgrad von 85 % bis 92 % des Heizwerts des Brennstoffs, mit einem Economizer sogar noch etwas mehr. Dieser Wirkungsgrad sinkt in der Praxis jedoch aufgrund von Strahlungsverlusten des Kessels, Entlüftungen, An- und Abschaltvorgängen sowie dem Betrieb unter Teillast. Ihr großes Wasservolumen hat jedoch einen Nachteil: Das Kaltstarten dauert lange, und das Warmhalten im Standby-Modus verbraucht Brennstoff, auch wenn kein Dampf genutzt wird.

Rohrbündelkessel vs. Wasserrohrkessel vs. elektrischer Dampferzeuger

Der Unterschied zwischen einem Feuerrohr- und einem Wasserrohrkessel besteht darin, welches Medium durch die Rohre fließt: Bei einem Feuerrohrkessel strömt das Feuer durch die Rohre; bei einem Wasserrohrkessel zirkuliert das Wasser durch die Rohre, umgeben von der Flamme. Acuotubular-Systeme sind für große Durchflussmengen und hohe Drücke vorgesehen (Kraftwerke, Raffinerien, Papierfabriken). Für die meisten Prozessanlagen ist heute der Vergleich zwischen dem Pirotubular-System und einem elektrischen Generator maßgeblich.

Strom (vorzugsweise mit PPA oder flexiblem Tarif)

Richtwerte; jede Anlage muss entsprechend dem tatsächlichen Bedarf und den Betriebsbedingungen ausgelegt werden.

Vorschriften für Rohrbündelkessel

NOx-Emissionen: Der Zeithorizont 2030

Die Richtlinie (EU) 2015/2193 über mittelgroße Feuerungsanlagen, die in Spanien durch das Königliche Dekret 1042/2017 umgesetzt wurde, begrenzt die Emissionen von Heizkesseln mit einer thermischen Leistung zwischen 1 und 50 MW. Für Erdgasheizkessel gilt Folgendes:

Ein Rohrbrennkammerkessel mit einer Leistung von 1 bis 5 MW entspricht in der Praxis einem Kessel mit einer Leistung von etwa 1,3 bis 6,5 t/h: genau die Größe vieler Kesselräume in der Lebensmittel- und Chemieindustrie. Viele Anlagen mit veralteten Brennern müssen vor 2030 den Brenner austauschen, eine Rauchgasrückführung einbauen oder den Kesselraum neu gestalten. Ein Elektrokessel verursacht keine direkten Emissionen und ist von diesem Problem nicht betroffen.

Kesselwärter und Inspektor

Die Verordnung über Druckgeräte (Königliches Dekret 809/2021) und die dazugehörige technische Anweisung ITC EP-1 regeln die Installation, die regelmäßige Inspektion und den Betrieb von Heizkesseln. Je nach Klassifizierung (die vom Druck und vom Wasservolumen abhängt) kann für einen Heizkessel ein zertifizierter gewerblicher Kesselbetreiber erforderlich sein, zusätzlich zu regelmäßigen Inspektionen durch eine Prüfstelle.

Rohrkessel fallen aufgrund ihres großen Wasservolumens in der Regel in die anspruchsvollsten Kategorien. Elektrische Schnellverdampfer mit geringem Wasservolumen vereinfachen diese Anforderungen in der Regel. Die konkrete Einstufung muss für jedes Gerät beim Hersteller oder bei der Prüfstelle bestätigt werden.

Wann empfiehlt es sich, einen Rohrbrennrohrkessel durch einen Elektrokessel zu ersetzen?

• Der tatsächliche Dampfbedarf liegt unter etwa 3 t/h. In diesem Bereich lässt sich die Elektrifizierung mit Niederspannungsanlagen realisieren, in vielen Fällen ohne Erweiterung des Mittelspannungsanschlusses.
• Der Kessel ist überdimensioniert. Dies ist sehr häufig der Fall: Er wurde für eine Produktion installiert, die es nicht mehr gibt, und arbeitet nun unter Teillast, was zu einem schlechteren Wirkungsgrad führt.
• Der Betrieb erfolgt intermittierend: in Schichten, mit Stillstand an Wochenenden oder bei kurzen Spitzenlasten. Der Rohrbrennrohrkessel verliert beim Anfahren und beim Warmhalten viel Energie; ein Stromgenerator ist hingegen innerhalb weniger Minuten betriebsbereit.
• Der Heizkessel nähert sich dem Ende seiner Lebensdauer oder steht vor einer größeren Inspektion bzw. Reparatur: Dies ist der ideale Zeitpunkt für einen Vergleich.
• Sie müssen die NOx-Grenzwerte für 2030 einhalten, und der derzeitige Brenner erfüllt diese nicht.
• Die Anlage verfügt über Solarstrom für den Eigenverbrauch, einen PPA oder einen Tarif mit Niedertarifzeiten. Die Kosten pro thermischer MWh für den elektrischen Dampf sinken erheblich.
• Das Unternehmen hat Dekarbonisierungsziele oder Kunden, die eine Reduzierung seines CO₂-Fußabdrucks (Scope 1) verlangen.

Wann ist es besser, sie (noch) nicht zu wechseln?

• Anhaltend sehr hoher Bedarf (mehrere Dutzend t/h) ohne verfügbare elektrische Leistung.
• Betriebsdrücke, die deutlich über den üblichen Prozessdrücken liegen.
• Neuer, gut eingestellter Kessel mit bereits installiertem NOx-armem Brenner.

In diesen Fällen stellt die Hybridlösung einen Mittelweg dar: Die Rohrbrenner werden als Reserve beibehalten, und die Grundlast wird durch elektrisch erzeugten Dampf gedeckt.

Wie lässt sich die Umstellung auf elektrischen Dampf angehen?

1. Ermittlung des tatsächlichen Bedarfs

Bevor Sie sich für eine Anlage entscheiden, müssen Sie wissen, wie viel Dampf tatsächlich verbraucht wird: durchschnittlicher Durchfluss, Spitzenwerte, Betriebsdruck und Betriebsstunden pro Jahr. Als Anhaltspunkt gilt: 1 t/h Dampf entspricht etwa 700–750 kW elektrischer Leistung. Häufig liegt der tatsächliche Bedarf deutlich unter der Nennleistung des installierten Rohrbündelkessels.

2. Die verfügbare elektrische Leistung prüfen

Die vertraglich vereinbarte Leistung und die Transformatorleistung geben die Grenze vor. Unterhalb von etwa 3 t/h (etwas mehr als 2 MW) können die meisten mittelgroßen Anlagen den Generator direkt mit Niederspannung (400 V) versorgen, ohne auf Mittelspannung umzuschalten.

3. Die Wahl zwischen einem großen Heizkessel oder mehreren modularen Heizkesseln

Anstatt einen Rohrbrennrohrkessel durch einen einzigen gleichwertigen Elektrokessel zu ersetzen, ist es in der Regel effizienter, mehrere Module parallel zu installieren. Bei einem kürzlich durchgeführten Projekt für einen Lebensmittelbetrieb mit einem Bedarf von 600 kg/h schlug Giconmes drei 150-kW-Generatoren anstelle eines einzigen großen Kessels vor. Vorteile des modularen Ansatzes:

• Redundanz: Wenn ein Modul gewartet wird, läuft die Anlage weiter.
• Bessere Leistung bei Teillast: Es werden nur die erforderlichen Module eingeschaltet.
• Schrittweiser Ausbau: Bei steigendem Bedarf werden weitere Module hinzugefügt.
• Einfachere Installation: Kleinere und leichtere Geräte, die in bestehende Räume passen.

Giconmes produziert die NGV-Serie (stationäre Generatoren mit einer Leistung von bis zu 180 kW pro Modul) und die HGV-Serie (hohe Leistung, bis zu 3,5 t/h), die beide über eine PED-Zertifizierung verfügen.

4. Die Hybridoption prüfen

Die Beibehaltung des Rohrbrenners als Reserve oder für Spitzenlasten sowie die Deckung der Grundlast durch elektrischen Dampf ermöglicht eine Elektrifizierung mit geringeren Investitionen und ohne Versorgungsrisiko. Darüber hinaus kann ein Elektrokessel die Zeiten mit günstigen Strompreisen nutzen und an Flexibilitätsmärkten teilnehmen, was zusätzliche Einnahmen generiert.

Häufig gestellte Fragen

Was ist ein Rohrbrennrohrkessel?

Es handelt sich um einen Dampfkessel, in dem die Verbrennungsgase durch in Wasser getauchte Rohre strömen. Dies ist der gängigste Typ eines Industriekessels für Dampfleistungen von 1 bis 25 t/h.

Was ist der Unterschied zwischen einem Rohrbrennkammerkessel und einem Wasserrohrkessel?

Bei der Rohrbrennkammer strömen die Rauchgase im Inneren der Rohre und das Wasser außen daran entlang. Bei der Wasserrohrbrennkammer ist es umgekehrt: Das Wasser zirkuliert durch die Rohre, während die Flamme diese umgibt. Wasserrohrbrennkammern werden für große Durchflussmengen und hohe Drücke eingesetzt.

Wie hoch ist der Wirkungsgrad eines Rohrbrennrohrkessels?

Zwischen 85 % und 92 % unter Nennbedingungen, etwas mehr mit Economizer. Im tatsächlichen Betrieb mit An- und Abschaltungen sowie Teillast liegt der saisonale Wirkungsgrad in der Regel niedriger.

Kann ein Rohrbrennrohrkessel durch einen Elektrokessel ersetzt werden?

Ja, insbesondere wenn der Dampfbedarf unter etwa 3 t/h liegt und elektrische Leistung zur Verfügung steht. Dies kann mit einem einzigen Hochleistungsgerät, mit mehreren parallel geschalteten Modulen oder in einer Hybridkonfiguration mit dem vorhandenen Kessel realisiert werden.

Wie viel elektrische Leistung benötige ich, um meinen Dampfkessel zu ersetzen?

Als Richtwert gelten etwa 700–750 kW pro Tonne Dampf pro Stunde. Ein Rohrbrenner mit einer Leistung von 2 t/h, der unter Volllast betrieben wird, entspricht etwa 1,5 MW elektrischer Leistung, wobei der tatsächliche Bedarf in der Regel unter dem Nennbedarf liegt.

Welchen NOx-Grenzwert müssen bestehende Rohrbündelkessel einhalten?

In Spanien müssen Erdgasheizkessel mit einer Leistung von 1 bis 5 MW gemäß dem Königlichen Erlass 1042/2017 ab dem 1. Januar 2030 einen Grenzwert von 250 mg/Nm³ einhalten, und solche mit einer Leistung von mehr als 5 MW ab 2025 einen Grenzwert von 200 mg/Nm³ einhalten. Für neue Heizkessel gilt ein Grenzwert von 100 mg/Nm³.

Wer stellt in Spanien elektrische Dampferzeuger her?

Das 1957 gegründete Unternehmen Giconmes Ibérica mit Sitz in Zaragoza stellt stationäre (Baureihe NGV), mobile (RGV) und Hochleistungs-Dampferzeuger (HGV, bis zu 3,5 t/h) für die Lebensmittel-, Pharma-, Chemie- und Prozessindustrie her.

Denken Sie darüber nach, Ihren Kesselraum zu modernisieren? Bei Giconmes analysieren wir Ihren tatsächlichen Dampfbedarf und schlagen Ihnen die elektrische, modulare oder hybride Konfiguration vor, die am besten zu Ihren Anforderungen passt. Wenden Sie sich an unser technisches Team.