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Dr. Uwe Morgenstern
Feuerfeste Spezialmassen für
Ersatzbrennstoff-, Biomasse- und Verbrennungsanlagen
- das Dünnschicht SiSiC-Plattensystem -
1. Einleitung
Energieerzeugungskosten senken und Wärmeübertragung auf höchstem Niveau, sind seit je
her wichtige Schlagworte für die Umwandlung eines jeden Energieträgers.
Dies gilt für Großkraftwerke ebenso wie für Anlagen der Müllverbrennung und Anlagen der
Umwandlung von regenerativer Energie, den heutigen Biomassekraftwerken.
Alle diese Anlagen haben eines gemeinsam, sie setzen Energieträger ein, bei deren
thermischer Umwandlung aggressive Schadstoffe freigesetzt werden.
Diese Schadstoffe greifen die Rohrwände der Anlagen an und führen in Folge chemisch-
korrosiver Vorgänge zu Rohrschäden und damit zu Betriebsausfällen.
Diese Art von Schäden werden heute minimiert, in dem die Feuerungsräume monolithisch mit
feuerfesten Produkten geschützt werden. Dieser Schutz verschlechtert den Transport von
thermischer Energie aus dem Feuerraum in den Dampfkreislauf erheblich. Im Folgenden wird
eine Möglichkeit aufgeführt, wie mit einer speziellen, sehr dünnen, keramischen Auskleidung
auf Basis von SiSiC der Energietransfer verbessert werden kann.
2. Grundlegende Schadensmechanismen
Die Wärmeübertragung aus dem Feuerraum in den Dampfkesselkreislauf wird bei
Verbrennungsanlagen in Müll- und Biomasseverbrennung durch feuerfeste Auskleidungen im
Feuerraum behindert. Diese Auskleidung ist notwendig um die Rohrwände vor chemisch
korrosiven und abrasiven Angriff durch die heißen Verbrennungsgase zu schützen. Derzeit
wird dieser Verschleißschutz in Schichtdicken bis zu ca. 100 mm eingebaut. In
unterschiedlichen Veröffentlichungen [ 1,2,3 ] wurde bereits auf die Nachteile von dicken
Wandverkleidungen hingewiesen. Ebenso wurden die Vorteile beschrieben, die dünne
Wandverkleidungen für den Betreiber haben. Die wesentlichen Vorteile werden nachfolgend
kurz beschrieben.
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Dr. Uwe Morgenstern
Die Korrosionsrate von Stahlankern in Rauchgasatmosphären in Abhängigkeit von der
Temperatur ist im Bild 1 dargestellt. Relative hohe Korrosionsraten liegen im
Temperaturbereich bis ca. 170 °C vor. Hier dominiert die elektrochemische Korrosion.
Oberhalb von ca. 400 °C beginnt die Korrosion der Anker durch Chloride und Sulfate bzw.
durch deren Verbindungen. Die höchste Korrosionsrate wird bei 600 °C bis 700 °C durch
Alkali- und Schwefelverbindungen ausgelöst.
Bild 1: Korrosion von Stahl in Rauchgasen in Abhängigkeit von der Temperatur
Die geringsten Korrosionsraten liegen im Temperaturfenster von 190 °C bis 350 °C vor.
Werden die Anker in diesem Temperaturbereich betrieben sind nur geringe Korrosionsraten
zu erwarten.
Kurze Anker werden infolge des geringen Abstandes zu der „kalten“ Rohrwand stark gekühlt.
Durch diese Kühlung wird der Arbeitsbereich der Anker in den optimalen Temperaturbereich
geschoben, wodurch die Korrosion von kurzen Ankern erheblich langsamer wird.
Ein weiterer Punkt der für dünne Schichtdicken der Auskleidung spricht, ist die Kondensation
/4/ von Alkalien. Diese erfolgt bei Temperaturen zwischen 650°C bis 750°C aus der Gasphase.
Der Mechanismus soll anhand von Bild 2 erläutert werden. Da diese Temperatur üblicherweise
innerhalb der feuerfesten Auskleidung liegt, werden die vorhanden Poren aufgefüllt. Hierdurch
verringert sich die Elastizität sowie die Temperaturwechselbeständigkeit des Materials. Infolge
von Temperaturwechselbelastungen erfolgt ein Abspalten der feuerfesten Auskleidung parallel
zur Wand.
Bei ca. 1.400 °C Feuerraumtemperatur liegen alle Alkalien in gasförmiger Form im Rauchgas
vor. Die Oberflächentemperatur der Auskleidung beträgt ca. 1.000 °C bei einer
Oberflächentemperatur der metallischen Rohrwand von ca. 300 °C.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Ko
rro
sio
nsra
te [
%]
[%]
Temperatur [°C]
Elektrochemische
Korrosion
Optimaler Betriebsbereich
für Anker
Korrosion durch Chloride/Sulfate und
deren Verbindungen Korrosion durch Alkali-Verbindungen und durch
Schwefelkorrosion
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Dr. Uwe Morgenstern
Bild 2: Schadensmechanismen der Alkalikorrosion
Die Temperatur fällt in der Auskleidung linear ab. Vorhandene Alkalien diffundieren solange in
Richtung „kalter Rohrwand“, bis sie ihre Kondensationstemperatur erreichen. Hier wechseln
die Alkalien von ihrem gasförmigen in den festen Zustand. Da diese Temperatur üblicher
Weise innerhalb der feuerfesten Auskleidung liegt, werden die vorhandenen Poren aufgefüllt.
Hierdurch verringert sich die Elastizität sowie die Temperaturwechselbeständigkeit des
Materials. Infolge von Temperaturwechselbelastungen erfolgt ein Abspalten der feuerfesten
Auskleidung parallel zur Wand.
Eine Form des entstehenden Schadens ist dem Bild 3 zu entnehmen. Hier sind deutlich die
Risse im Material zu sehen, die durch die Alkalikondensation entstanden sind.
Pore
Brennraumtemperatur 1400°C
Gaskanäle
Rohrwand 300°C
1000°C
Bild 3: Durch Alkalieinlagerungen geschädigte feuerfeste Auskleidung.
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Dr. Uwe Morgenstern
Alle Risse verlaufen parallel zur Oberfläche der feuerfesten Auskleidung. Im Schadensfall
schält sich die Oberfläche der Auskleidung kontinuierlich schichtweise ab.
Die Schichtdicke einer Auskleidung sollte so dünn gewählt werden, dass eine Kondensation
von Alkalien im Idealfall auf der feuerraumseitigen Oberfläche der Auskleidung und nicht im
Inneren der Auskleidung erfolgt. Wenn dies nicht möglich ist, muss die Oberfläche porenfrei
ausgebildet werden.
3. Wärmeübertragung im Vergleich zu herkömmlichen
Auskleidungen
Dünne Auskleidungen ermöglichen eine höhere Wärmeübertragungsrate im Vergleich zu
dickeren Auskleidungen.
Im Folgenden sind je zwei unterschiedlich hoch wärmeleitfähige SiC-haltige Produktgruppen
miteinander verglichen worden. Diese sind zum einem monolithische Systeme und zum
anderen zwei Plattensysteme. Bei den monolithischen Systemen handelt es sich um einen
SIC-Feuerbeton der in einer Schichtdicke von 70 mm eingebracht wurde. Das zweite
monolithische System ist eine phosphatgebundene SIC-Stampfmasse mit einer Schichtdicke
von 25 mm.
Als Basis für alle Vergleiche wurde das System mit 25 mm Schichtdicke gewählt. Für dieses
System wurde die Wärmeübertragung auf 100 gesetzt.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
KERAPLAN SIC-V-85-E KERAPLAN SIC-SF-60-LC KERABRICK SiSiC KERABRICK NSIC 80 NA
Bild 4: Prozentuale Änderung der Wärmeübertragung
unterschiedlicher Wandverkleidungssysteme.
25m
m
70m
m
18m
m
41m
m
monolithische Auskleidung Plattensysteme
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Dr. Uwe Morgenstern
Das Betonsystem mit 70 mm Dicke erreicht im Vergleich die geringste Wärmeübertragung mit
nur ca. 41 %. Für das nitritgebundene System mit 41 mm Aufbaudicke, ergibt sich eine um 4
% bessere Wärmeübertragung. Die beste Wärmeübertragung wird mit dem SiSiC-System
erreicht, das eine Gesamtschichtdicke von 18 mm aufweist. Es ergibt sich eine Verbesserung
der Wärmeübertragung um ca. 31 %. Dies ist begründet in der höheren Wärmeleitfähigkeit der
SiSiC-Platten mit 77 W/mK und einer Plattendicke von 8 mm.
Siehe hierzu Bild 4.
4. Eingestellte Oberflächentemperaturen im Vergleich zu
herkömmlichen Auskleidungen
Ausgehend von den Ergebnissen der besseren Wärmeübertragung mit SiSiC-Platten war es
interessant zu überprüfen, wie sich die Oberflächentemperaturen bei unterschiedlichen
Systemen verhalten. Die Absenkung der Oberflächentemperatur einer Auskleidung führt zu
geringerer Belastung der feuerfesten Auskleidung und damit zu einer längeren störungsfreien
Betriebsstundenzahl.
Auch hier wird für das System SiC-Stampfmasse die Oberflächentemperatur auf 100 %
gesetzt. Die Ergebnisse sind im Bild 5 dargestellt.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
160%
KERAPLAN SIC-V-85-E KERAPLAN SIC-SF-60-LC KERABRICK SiSiC KERABRICK NSIC 80 NA
Bild 5: Prozentualer Oberflächentemperaturunterschied
unterschiedlicher Wandverkleidungssysteme.
monolithische Auskleidung Plattensysteme
41m
m
18m
m
70m
m
25m
m
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Dr. Uwe Morgenstern
Für das SiC-Betonsystem mit 70 mm Schichtdicke erfolgt eine Temperaturanhebung um ca.
51 %. Für das nitritgebundene Plattensystem erfolgt eine Absenkung der Temperatur um 3 %.
Bei dem SiSiC-Dünnschichtsystem ergibt sich eine Temperaturreduzierung um 18 % auf der
Plattenoberfläche im Verbrennungsraum.
Bei einer Feuerraumtemperatur von 1.350 °C wird die Oberflächentemperatur einer SiSiC-
Platte mit ca. 660 °C mit einer um 140 °C geringeren Temperatur belastet als die Oberfläche
einer nitritgebundenen SiC-Platte. Ein weiterer Vorteil der geringeren Oberflächentemperatur
ist, dass die Kondensation von Alkalien auf der Oberfläche der Platte bzw. in der Staubschicht
auf der Platte erfolgen muss. Die Hinterfüllmasse ist ebenfalls thermisch gekühlt und kälter als
die SiSiC-Platte. Eine Kondensation kann auch hier weitgehend ausgeschlossen werden.
5. Werkstoff „Silicium infiltriertes Siliciumcarbid“
Um die vorstehend beschriebenen Vorteile:
Verminderung der Korrosion von Ankern
höherer thermischen Energietransport
geringere Oberflächentemperatur der Auskleidung,
geringere Gewichtsbelastung der Kesselwände
Unterbindung der Alkalidiffusion in die Auskleidung
nutzen zu können, bietet sich als Werkstoff reaktionsgebundenes Silicium infiltriertes
Siliciumcarbid (SiSiC) an.
Dieser Werkstoff besteht aus ca. 85 % - 90 % SiC und ca. 10 % - 15 % metallischem Silicium
(Si). Die Einlagerung und Reaktion von Silicium mit dem Siliciumcarbid erfolgt in
Vakuumhochtemperaturöfen. Hier wird das metallische Silicium unter Vakuum in vorhandenen
Poren der SiC-Bauteile gesaugt. Bei Temperaturen von ca. 1.600°C bis 1.700°C erfolgt die
Reaktion zu SiSiC.
Dieser Werkstoff hat folgende Vorteile:
keine messbare Porosität
Einsatzbereich bis 1.400 °C
hohe Abrassionsbeständigkeit
hohe mechanische Festigkeit
hohe Temperaturwechselbeständigkeit
hohe Korrosionsbeständigkeit
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Schlackeresistenz (nicht metallische schmelzen)
höchste Wärmeleitfähigkeit
Ein Vergleich der Eigenschaften unterschiedlicher SiC-haltiger feuerfester
Verkleidungssysteme mit einem Inconel Werkstoff ist in Tabelle 1 dargestellt.
Einheit SiC silicat
gebunden
SiC (Oxy-)
Nitride
gebunden
Hochleistungs
SiSiC
Siliciumreaktions-
gebunden
Ni-Alloy
Inconel 625
Rohdichte g/cm^3 2,6 2,65 3,05-3,10 8,4
Wasserabsorption -% 15 15 < 0,1 0
Phasenzusammensetzung Vol% SiC: 90
Oxyde 10
SiC:78
Si3N4/SiN2O2:
20
SiC: 88-92
Simet: 12-8
Ni- alloy mit
Cr20Mo8Ta3
M.O.R. 4-Point, 20°C MPa 240-280
M.O.R. 3-Point, 1300°C MPa 26 52 250-300
Wärmeleitfähigkeit 200°C* W/(mK) 122 11
Wärmeleitfähigkeit
1200°C*
W/(mK) 16 14 29 21(600°C)
CTE 20-1000°C 10^-
6K^-1
4,7 5,0 4,3 17,3
GPa 90 153 370 208
Temp. Schock
Beständigkeit
Sehr gut Sehr gut Sehr gut
Maximale
Anwendungstemperatur **
°C ca. 1500 Ca. 1500 ca. 1350
Tabelle 1: Eigenschaftsvergleich unterschiedlicher feuerfester Systeme
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Dr. Uwe Morgenstern
Bild 6: Vakuumhochtemperaturofen
Im Bild 6 ist ein Vakuumhochtemperaturofen abgebildet. In dem der Rekristallisationsprozess
von SiC zu SiSiC abläuft. Die Reaktion erfolgt unter inerter Schutzgasatmosphäre. Die
Bauteile aus SiC werden in Brennwagen geschichtet. Alle Hohlräume um die Bauteile werden
mit metallischem Silizium aufgefüllt. Im Bild 7 ist ein Brennwagen abgebildet in dem SIC-
Brennerdüsen geschichtet sind. Teilweise wurden diese Düsen bereits mit einer Schüttung
aus metallischem Silizium ummantelt.
Bild 7: SiC Bauteile vor dem Rekristallisationsprozess
Der wesentliche Vorteil einer SiSiC Bindung für feuerfeste Anwendungen wird in einem
Vergleich mit der konventionellen NSiC Bindung deutlich. Die herkömmlichen
stickstoffgebundenen Systeme weisen eine erheblich gröbere Struktur in der Matrix auf. Siehe
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Dr. Uwe Morgenstern
hierzu Bild 8. Zum einen sind die SIC-Körner um ein vielfaches größer als bei einer SiSiC
Matrix (Bild 9). Des Weiteren findet sich in NSiC-Bauteilen nicht reagiertes metallisches
Silizium, das im späteren Arbeitseinsatz der Bauteile unter Volumenzunahme zu SiO2 reagiert.
Was eine Schädigung des Bauteils bewirkt. Auch finden sich in den Bauteilen offene Poren, in
denen Alkalien kondensieren und zu Schäden führen. Insgesamt liegen in der Matrix große
Unterschiede in den Korndurchmessern vor. Dies führt zu einem stark inhomogenen Gefüge.
Bild 8: Schliffbild einer NSiC-Bindung
Im Gegensatz hierzu besteht die Matrix in einer SiSiC Bindung aus nahezu gleich großen SiC-
Körnern. Es ist zu beachten, dass die Vergrößerung des Schliffbildes für SiSiC in Bild 9 2,5-
fach größer als für das NSiC in Bild 8 gewählt wurde. Dies war erforderlich um die Form der
SIC Körner darstellen zu können. Alle SiC-Körner sind von metallischem Si ummantelt. Alle
vorher vorhandenen Poren sind im Rekristallisationsprozess aufgefüllt und verschlossen
worden.
SiC
Poren
Freies Si
Si3N4
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Bild 9: Schliffbild einer SiSiC-Bindung
Ein weiterer großer Vorteil dieses Herstellungsprozesses ist, dass die Bauteile während des
Silizierungsprozesses keine Schwingungsvorgänge durchlaufen. Da bei der Herstellung
praktisch keine Schwingung auftritt, können Bauteile mit extrem präzisen Abmessungen wie
z.B. Metrische Gewinde hergestellt werden. Im Bild 10 ist ein Bauteil aus SiSiC mit einem 10
mm Innengewinde dargestellt.
Bild 10: SiSiC-Element mit 10 mm Innengewinde
Im Jahr 2007 begannen wir basierend auf den Erfahrungen, die wir mit der jahrelangen
Produktion verschiedenster Bauteile aus SiSiC gesammelt haben, ein System für feuerfeste
SiC
met. Si
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Dr. Uwe Morgenstern
Wandverkleidung zu konstruieren. Dieses System besteht heute aus einer 8 mm dicken SiSiC-
Platte, die mit einer keramischen SiSiC-Mutter auf einem Gewindebolzen befestigt wird. Im
Bild 11 ist eine Explosionszeichnung aller notwendigen Komponenten dieses Systems
dargestellt. Die Platten sind mit Abstandshaltern versehen, die eine Spaltbreite von 8 mm
zwischen Platte und Oberkante der Rohre einstellen. Dieser Spalt wird nach erfolgter
Installation der Platte mit einer selbstverdichtenden feuerfesten Masse versiegelt. Die
Gesamtschichtdicke dieses Systems beträgt 16 mm über dem Rohrscheitel.
Bild 11: Systemzusammenstellung des SiSiC-Dünnschichtplattensystem
Dieses System verfügt über folgende technische Vorteile:
- Gasdichte, porenfreie Oberflächen der SiC-Bauteile
- 25 mm kurze, gekühlte Haltebolzen auf dem Rohrsteg
- Haltebolzen wird von der keramischen Mutter zu 50 % gasdicht geschützt
- Gewichtsreduzierung der Wandverkleidung um 50 %
- Höhere Wärmetransportmöglichkeit durch
a) geringere Auskleidungsdicke
b) höhere Wärmeleitfähigkeit 77 W/mk bei 400 °C
- geringere Oberflächentemperatur von der SiC-Platte gegenüber konventionellen
Auskleidungen durch hohe Wärmeabfuhr
- Schlackeresistente / Schlackeabweisende Auskleidung
1- SiSiC–Platte 5- Keramisches Faserpapier 2- Keramische Haltemutter aus SiSiC 6- Keramischer Faserring 3- Keramische Abstandshalter aus SiSiC 7- Zentrierring 4- Keramisches Faserpapier 8- Schraubbolzen
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Dr. Uwe Morgenstern
6. Betriebserfahrung
Es wurden erste Versuche mit dünnen SiSiC-Platten 2006 in Dänemark und Italien gestartet.
Die erste Generation dieser Platten wurde noch nicht mit einem Schraubgewinde befestigt. Als
Halterung wurde ein metallischer Kopfbolzen auf den Rohrsteg geschweißt. Mit einem
keramischen SiSiC-Riegel (Bild12), der durch eine rechteckige Öffnung in der Mitte der Platte
geführt wurde, erfolgte die Befestigung der Platte. Die endgültige Fixierung wurde durch
Hintergießen der Platte mit einem feuerfesten Beton erreicht. In den Anlagen in Italien wurden
über einen Zeitraum von zwei Jahren und in Dänemark über 18 Monate keine Schäden
festgestellt. Jedoch wurde nach Ablauf dieser Zeit bei allen Anlagen in denen diese erste
Plattengeneration eingebaut wurde, Risse im Bereich der rechteckigen Öffnung in der Platte
festgestellt.
Bild 12: Keramischer SiSiC Schließriegel
Durchgeführte Wärmespannungsberechnungen zeigten, dass enge Kurvenradien in den
Ecken der rechteckigen Öffnungen zu klein gewählt waren. Die Ursache für die Rissbildung
waren hier in erster Linie thermische Überlastungen.
Defekte in der Matrix der Platte waren nicht festzustellen. Auch Infiltrationen von Alkalien in
das Hinterfüllmaterial waren nicht festzustellen.
Im Bild 13 ist ein makroskopischer Schnitt durch ein SiSiC-Bauteil mit Hinterfüllmasse
dargestellt. Das Bauteil war 12 Monate in einer Müllverbrennungsanlage in Betrieb.
Einlagerungen sind in beiden Materialien nicht feststellbar. Es ist eine sehr gute Verbindung
zwischen dem SiSiC-Bauteil und der Hinterfüllmasse vorhanden. Eine Abspaltung infolge von
möglichen unterschiedlichen Wärmedehnungen ist nicht feststellbar.
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Dr. Uwe Morgenstern
Bild 13: SiSiC Bauteil mit SiC-haltiger Verfüllmasse.
Diese Erkenntnisse führten zu einer konstruktiven Anpassung der Halterung der Platte.
Entwickelt wurden zwei Befestigungsvarianten:
- zentrale Befestigung in der Mitte der Platte
- Befestigung an den Seiten der Platten
Beide Systeme sind im Bild 14 dargestellt. Auf der linken Seite sind die Platten mit einer
zentralen keramischen Mutter in der Mitte befestigt. Auf der rechten Seite werden die Platten
jeweils links und rechts mit der keramischen Mutter gehalten. Ziel der seitlichen Halterung war
es im Falle des Versagens einer keramischen Mutter eine „Reservemutter“ zur Sicherheit zur
Verfügung zu haben.
Diese beiden Systeme wurden bisher in Anlagen in Deutschland und Schweden installiert.
Die Überprüfung der Lebensdauer ist derzeit noch nicht abgeschlossen. Die Laufzeiten
betragen momentan zwischen 15 und 6 Monaten.
Derzeit wird von dem Konzept der seitlichen Befestigung der Platten Abstand genommen, da
bei der Montage die Abdichtung der seitlichen Plattenränder zum Einfüllen der
selbstverdichtenden Hinterfüllmasse technisch nur sehr aufwändig gelöst werden konnte.
Ferner war kein Versagen der keramischen Mutter festzustellen.
SiC-haltige Hinterfüllmasse
SiSiC-Platte
SiC-Körner 8 mm
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Dr. Uwe Morgenstern
Bild 14 SiSiC-Plattensystem mit seitlicher und zentrischer Befestigung
Bild 15 zeigt den Montagezustand einer Platte mit zentrischer Befestigung. Zu beachten sind
die keramischen Abstandhalter. Mit diesen Abstandhaltern wird der Spalt zwischen
Rohrscheitel und Platte exakt eingestellt, in diesem Fall 8 mm. Die Abstandhalter sind nicht
mit der Platte keramisch verbunden. Sie werden auf die Rückseiten geklebt. Diese „lose
Verbindung“ wurde bewusst technisch gewählt. So wird vermieden, dass Spannungsrisse in
der Platte entstehen, wenn sich die Platte gegen das Hinterfüllmaterial bewegt. Ein weiterer
Vorteil besteht in der Montage. Eventuell in Höhe der Abstandhalter verlaufende
Schweißnähte, die ein exaktes montieren erschweren, können so umgangen werden, indem
die Abstandshalter auf eine andere Position geklebt werden.
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Dr. Uwe Morgenstern
Bild 15: Montagebild eines SiSiC-Plattensystems
Im Bild 16 ist eine SiSiC-Auskleidung nach einer 12-monatigen Betriebszeit abgebildet. Die
Fläche wurde nicht gereinigt.
Deutlich sind die seitlich angebrachten SiSiC-Schrauben sowie die Umrisse der Platten zu
erkennen. Schäden sind hier nicht feststellbar. Eine Überprüfung der metallischen
Gewindestifte auf Korrosionsansätze ergab, dass sich der Schutz der metallischen
Gewindebolzen durch die keramischen Muttern sehr gut bewährt hat. Die Gewinde zeigen
keinerlei Korrosionsspuren. Auch sind keine Einlagerungsspuren jedweder
Schadkomponenten hinter den Platten festzustellen.
Analysen zum Nachweis der Alkalikondensation auf der Oberfläche der Platte werden derzeit
durchgeführt. Zur Drucklegung dieses Vortrages lagen die Ergebnisse noch nicht vor.
Rohrwand
Abstandhalter
Selbstverdichtende Hinterfüllmasse
SiSiC-Platten
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Dr. Uwe Morgenstern
Bild 16: Rohrwand nach 12-monatigem Betrieb
7. Zusammenfassung
Ziel eines jeden Schutzssystemes für Feuerräume in Biomasseanlagen ist die Verhinderung
von Rohrschäden durch chemisch-korrosiven, und abrasiven Verschleiß. Des Weiteren sollen
Anbackungen und Verklebungen von Partikeln aus der Asche auf der Rohroberfläche und
damit Verschmutzungen verhindert werden, die mit einer Minderung des thermischen
Wirkungsgrades einhergehen.
Einige dieser vorstehenden Probleme können mit herkömmlichen feuerfesten
Auskleidungssystemen verschiedenster Art wie monolithischen Auskleidungen auf der Basis
von Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid oder Wandverkleidungen aus Steinen oder Platten
minimiert werden. Die optimale Lösung bietet das hier vorgestellte SiSiC-
Dünnschichtplattensystem.
Dieses völlig neue Verkleidungssystem schützt Rohrwände in Anlagen der Biomasse und der
Müllverbrennung besser vor Rohrschäden, die durch chemisch-korrosiven, und abrasiven
Verschleiß ausgelöst werden, als konventionelle feuerfeste Systeme. Weiterhin wird ein
Verschmutzen von Wandflächen durch Anlagerung von Aschen durch die
Schlackeabweisende Wirkung des SiSiC weitgehend vermindert. Dieser Schutz wird unter
Nutzung der chemischen-, physikalischen Vorgänge in der Verbrennungszone und den
positiven Eigenschaften des Werkstoffes SiSiC, erreicht.
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Dr. Uwe Morgenstern
Dieses neue SiSiC-Plattensystem hat für die Statik des Kessels den Vorteil der
Gewichtsreduzierung der feuerfesten Materialien um ca. 75% gegenüber konventionellen
Auskleidungen.
Infolge kurzer Verankerungsbolzen für die Platten werden diese soweit gekühlt, dass die
Bolzen im optimalen Temperaturbereich, zwischen 190°C und 350°C, dem Bereich der
minimalsten Korrosion betrieben werden. Durch die porenfreie keramische
Befestigungsmutter wird der Bolzen zu 70% gasdicht eingeschlossen.
Die hohe Wärmeleitfähigkeit der Platte ermöglicht eine hohe Wärmeübertragungsrate. Infolge
dieser hohen Wärmeübertragung wird die feuerraumseitige Temperatur Plattenoberfläche um
ca. 150°C gesenkt. Dies hat folgende Vorteile:
Die Oberfläche der feuerfesten Auskleidung wird geringer thermisch belastet
als bei herkömmlichen Auskleidungen, dadurch wird eine höhere Lebensdauer
der Auskleidung erreicht.
Infolge des geringen Temperaturgefälles zwischen Rohrwand und
Feuerraumseitiger Plattentemperatur entstehen geringere Belastungen
innerhalb des Auskleidungssystems, die durch Wärmespannungen ausgelöst
werden.
Der Verankerungsbolzen wird im Bereich minimalster Korrosionsraten
betrieben, da er weitgehend durch die Rohrwand gekühlt wird.
Der Bolzen wird im „heißen“ Bereich durch die keramische SiSiC-
Verschraubung vollständig gasdicht ummantelt.
Alkalien kondensieren außerhalb der Platte auf deren Oberfläche und können
keine Schäden an der Platte bzw. der Auskleidung anrichten.
Das neue SiSiC-Plattensystem trägt dazu bei, Biomasseverbrennungsanlagen mit hohem
thermischem Wirkungsgrad zu betreiben. Weiterhin werden die Kosten für
Reparaturmaßnahmen an Rohrwänden und feuerfesten Auskleidungssystemen minimiert.
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Dr. Uwe Morgenstern
8. Literatur
/1/ Dr. Morgenstern, Uwe
Dünne Wandverkleidungen –Eine Maßnahme gegen Alkalibursting-
2004, VGB Tagung in Mannheim
/2/ Dr. Morgenstern, Uwe
Ist teuer wirklich besser oder welche Faktoren beeinflussen die Lebensdauer
einer Auskleidung aus Siliziumkarbid
2006 Calderys Fachtagung in Frankfurt
/3/ Dr. Morgenstern, Symanek, Schmidt
SiC als Hochleistungswerkstoff in Dampferzeugeranlagen von der Schmelzkammer
bis zur Biomasseanlage
2006, VGB Fachtagung in Würzburg
/4/ Gwosdek, Rainer
Minderung des Alkaligehaltes von Rauchgasen bei Temperaturen über 1000°C
VDI Fortschritt-Berichte, Reihe 15 Umwelttechnik, Nr. 131