David A. Short, Zeeco, Großbritannien, beschreibt, wie eine Verbesserung des Designs der traditionellen Wandstrahlungsbrenner-Kacheln, die in Prozessbrennern verwendet werden, erreicht wurde.
Die Kacheln der Strahlungsbrenner spielen eine wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung der Ofentemperatur, der Betriebsstabilität und der Effizienz. In der Vergangenheit wurden die Kacheln für Strahlungsbrenner in vier Teilen aus im Ofen gebranntem, handgeformtem Schamottestein hergestellt, der durch seitliche Außenbefestigungsstollen gehalten wurde. In den 1970er Jahren wurde die Mehrzahl der Wandheizungsbrenner in zwei Teilen aus herkömmlichem Aluminiumoxid-Kieselerde-Gussmaterial hergestellt. Ein Rückhaltesystem aus seitlichen und unteren Befestigungsklammern wurde an die vordere Brennermontageplatte geschweißt (Abbildung 1). Diese Konstruktion wurde von den großen Prozessbrennerherstellern übernommen und wird in den meisten Fällen auch heute noch verwendet.
Seiten- und Bodenbefestigungen.
Diese Konstruktion ist jedoch nicht unproblematisch. Die Hauptprobleme sind das Gewicht der Ziegel und das Versagen des Rückhaltesystems. Selbst wenn das dichte feuerfeste Material in zwei Abschnitten gegossen wird, ist es schwer und umständlich zu installieren, und es erfordert ein umfangreiches Verankerungs- und Stützsystem, wie in Abbildung 1 zu sehen ist. Das herkömmliche Rückhaltesystem lässt oft heißes Gas um den Ausdehnungsspalt der Brennerkacheln herum eindringen, und aufgrund der angrenzenden Schrumpfung der Feuerfestmasse oder der Bewegung der Feuerfestmasse verringert das rezirkulierende/entweichende Gas nicht nur den Wirkungsgrad und die Stabilität des Ofens, sondern erhöht auch die Wahrscheinlichkeit eines vorzeitigen Versagens der Stollen durch eine mögliche Überhitzung der Brennermontageplatte oder des Ofengehäuses.
Um sicherzustellen, dass eine Fliese die erwartete Leistung erbringt, müssen die Endnutzer bei der Auswahl des feuerfesten Materials wichtige Kriterien berücksichtigen. Dazu gehören:
- Betriebstemperatur des Ofens
- Temperatur der kalten Oberfläche des Ofens
- Gas- oder Ölfeuerung
- Oxidierende oder reduzierende Atmosphäre und Gaszusammensetzung
- Brenner für Dach-, Wand- oder Bodenmontage
- Wahrscheinlichkeit von Gaserosion und/oder chemischen Angriffen
- Wahrscheinlichkeit einer direkten Flammenbeaufschlagung
- Thermische Zyklusbedingungen.
Ein neues modulares Fliesendesign
Die Ingenieure von Zeeco machten sich daran, eine Fliese mit größerer Integrität und Zuverlässigkeit zu entwickeln. Die daraus resultierende Konstruktion mit dem Namen Zeecolite ist eine einteilige Verbundplatte für Strahlungsbrenner (Abbildungen 2 und 3). Zu den Hauptbestandteilen dieser Konstruktion gehören eine erosionsbeständige heiße Oberfläche und eine thermisch effiziente, leichte Material-Hinterisolierung mit einer sicheren, in Inconel-Edelstahl eingebetteten Verankerung.
Abbildung 2. Einteilige Zeecolite-Komposit-Wandstrahlungsbrennerfliese - heiße Seite.
Abbildung 3. Einteilige Zeecolite-Verbundplatte für Strahlungsbrenner - kalte Seite.
Das einteilige modulare Design verwendet einen speziell formulierten Guss mit 62 % Aluminiumoxid und 1700˚C niedrigem Zementgehalt als heiße Oberfläche, die mit Keramikfaser-Dämmplatten verstärkt ist (Abbildung 4). Die Konstruktion bietet sowohl thermische Effizienz als auch Erosionsbeständigkeit - grundlegende Kriterien für die Leistung des Brenners und die Zuverlässigkeit des Feuerraums.
Abbildung 4. Seitenansicht des modularen Ziegeldesigns mit Keramikfaserdämmplatten und eingebettetem Verankerungssystem.
Die Kachelbaugruppe ist selbsttragend mit einem eingebetteten Verankerungssystem aus Inconel-Edelstahl mit vier Punkten. Das eingebettete, vollständig geschlossene System wird verwendet, um das Kachelmodul entweder am Ofengehäuse oder an der Brennermontageplatte zu befestigen. Das Verankerungssystem ist völlig unabhängig von der umgebenden Ofenauskleidung und den Verbrennungskomponenten des Brennersystems. Durch die Einbettung der Verankerungen in das Gussstück werden Probleme im Zusammenhang mit Metallermüdung und Oxidation vermieden (Abbildung 5).
Abbildung 5. Seitenansicht des modularen Fliesendesigns mit angebrachten Ösenschrauben für das Manövrieren der Fliese.
Hinter der heißen Seite sorgt die Keramikfaser-Dämmplatte für die thermische Effizienz und reduziert das Gewicht. Das daraus resultierende Kachelmodul mit Ankersystem bietet eine verbesserte thermische Effizienz und ein geringeres Gewicht, was für die modernen Öfen von heute unerlässlich ist.
Langlebigkeit und Start-up-Probleme angehen
Zeecolite-Platten werden auf 360˚C vorgetrocknet, um die Entfernung von freiem und chemischem Wasser zu gewährleisten. Durch dieses Verfahren wird das häufige Problem der thermischen Rissbildung oder des Versagens von Fliesen während der Inbetriebnahme vermieden. Das vollständig geschützte Verankerungssystem gewährleistet die langfristige Unversehrtheit des Trägersystems und verhindert jede Vorwärtsbewegung der Fliese in Bezug auf die Brennergasspitze - beides Herausforderungen für Langlebigkeit und Zuverlässigkeit, die bei herkömmlichen Fliesenkonstruktionen häufig auftreten. Die zusätzliche Isolierung aus Keramikfasern mit geringer Masse verbessert den Wärmewirkungsgrad, wodurch auch die Energiekosten für den Betrieb des Ofens innerhalb der Konstruktionsspezifikationen und der Effizienzziele gesenkt werden.
Anwendungen
Die einteilige modulare Platte wurde für den Einsatz in Flachflammen-Seitenbrenneranwendungen in Primärreformöfen entwickelt. Sowohl der Gussquerschnitt der heißen Seite als auch die Dicke der Keramikfaser-Isolierplatte können je nach den besonderen Parametern des Ofens oder der Anwendung variiert werden; diese Konstruktion eignet sich für alle bestehenden oder neuen Konstruktionen, unabhängig von der Wandstärke oder der Zusammensetzung des umgebenden Feuerfestmaterials.
Einrichtung
Das Brennerziegelmodul ist so konzipiert, dass es sowohl bei Neu- als auch bei Nachrüstungen leicht zu installieren ist. Die eingebetteten Edelstahlanker ragen durch die hinteren Keramikfaserdämmplatten zur Verschraubung mit der äußeren Montageplatte. Um die Module zunächst an den Montageort an der Ofenwand zu heben, werden Augenschrauben, die auf die Ankerbolzen geschraubt werden, normalerweise mit den Kachelbaugruppen geliefert. Einmal angebracht, sorgt das Montagesystem dafür, dass die Anker das Brennerkachelmodul ohne jegliche Bewegung aufgrund des Schwerkraftmoments aufhängen können - das bedeutet, dass das Kachelmodul keine nennenswerten Lasten oder Spannungen auf das umgebende Auskleidungssystem überträgt. Dies ist ein besonderer Vorteil, wenn empfindliche Materialien für das Auskleidungssystem verwendet werden, wie z. B. Module aus feuerfesten Keramikfasern (RCF). Die Montage des Kachelmoduls kann intern oder extern erfolgen, je nachdem, ob das Modul wiederum an einer Brennerhalterung oder direkt am Ofengehäuse befestigt wird.
Wenn das Muster der Ankerbolzen nicht mit der vorhandenen Anordnung auf der Ofenmontageplatte übereinstimmt, können zusätzliche Löcher in die Montageplatte gebohrt werden, wobei eine Schablone zur Lokalisierung der Löcher verwendet wird, oder das Modul kann alternativ an eine neue Brennermontageplatte vormontiert werden. Diese Art von Kachelmodul wird in vielen Dampfreformierungsöfen verwendet und hat Vorteile in Bezug auf den thermischen Wirkungsgrad und die Langlebigkeit gebracht.
Fallstudie: Deutschland
Ein Ofen mit seitlich befeuerten Naturzugbrennern hatte eine Feuerfestwandstärke von 325 mm durch die Brennerplatte.
Die ursprüngliche Fliese hatte eine 250 mm dicke heiße Oberfläche und bestand aus einem 1650˚C-Aluminiumoxid-Silikat-Gießling, der durch zwei Schichten aus Keramikfasern und Kalziumsilikatplatten weitere 75 mm dick war. Die Temperatur der Heizfläche konnte bis zu 1200˚C erreichen, obwohl für den Vergleich der Kacheln eine mittlere Temperatur von 1100˚C im Feuerraum verwendet wurde. Die Temperatur der kalten Vorderseite betrug bei Umgebungsbedingungen von 21˚C und Windstille 96˚C mit einem Wärmeverlust von 936 W/m2.
Das Material für die heiße Oberfläche der neuen Ziegel bestand aus 62 % Aluminiumoxid 1700˚C mit niedrigem Zementgehalt und war zwischen den Ankerstegen 60 mm und durch die Ankerstege hindurch 160 mm dick, hinterlegt mit 165 mm Keramikfaserdämmplatten. Die Gesamtdicke des Moduls betrug 325 mm.
Die durchschnittliche Kaltflächentemperatur der Gussabschnitte betrug bei gleichen Umgebungsbedingungen 60˚C mit einem durchschnittlichen Wärmeverlust von 410 W/m2.
Die Anwendung der neuen Ziegel führte zu einer Verbesserung des Wärmewirkungsgrads um 56 % bei einer Gewichtsreduzierung der Module um 79 kg/Ziegel.
Fallstudie: Österreich
Ein Ofen mit seitlich befeuerten Naturzugbrennern hatte eine Feuerfestwandstärke von 293 mm durch die Brennerplatte. Die Heißfronttemperatur konnte bis zu 1200˚C erreichen, aber für den Vergleich der Kachelkonstruktion wurde eine mittlere Temperatur im Feuerraum von 1100˚C verwendet.
Die ursprüngliche Fliese hatte eine 158 mm dicke heiße Oberfläche und bestand aus einem 1650˚C Aluminiumsilikat-Gießling, der mit drei Schichten aus Keramikfasern und Kalziumsilikatplatten, also insgesamt 135 mm, hinterlegt war. Die Temperatur der kalten Seite betrug bei 21˚C und Windstille 77˚C mit einem Wärmeverlust von 645 W/m2.
Das Material der heißen Seite der neuen Ziegel bestand aus 62 % Aluminiumoxid 1700˚C mit niedrigem Zementgehalt und war zwischen den Ankerstegen 58 mm und durch die Ankerstege hindurch 158 mm dick, hinterlegt mit 135 mm Keramikfaserdämmplatten. Die durchschnittliche Kaltflächentemperatur der beiden Gussabschnitte betrug bei gleichen Umgebungsbedingungen 65˚C mit einem durchschnittlichen Wärmeverlust von 468 W/m2.
Dadurch wurde eine Verbesserung des Wärmewirkungsgrads um 28 % bei einer Gewichtsreduzierung der Module um 38 kg/Ziegel erreicht.
Schlussfolgerung
Das neue Kacheldesign hat die Ausfallzeiten des Ofens verringert und die Langlebigkeit des Produkts verbessert. In Verbindung mit der verbesserten thermischen Effizienz hat ihre Anwendung außerdem zu erheblichen Einsparungen bei den Betriebs- und Wartungsbudgets geführt.
Abbildung 6. Betrieb von Wandstrahlungsbrennern in einem Ofen mit Zeecolite-Kacheln.
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