CH663656A5

CH663656A5 - WALL ELEMENT FOR MELT CHAMBER FIRE.

Info

Publication number: CH663656A5
Application number: CH285384A
Authority: CH
Inventors: Sepp Zeug
Original assignee: Ffs Feuerfeste Systeme Holding
Priority date: 1983-08-05
Filing date: 1984-06-13
Publication date: 1987-12-31
Also published as: DE3328313A1

Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles Wandelement für Schmelzkammerfeuerungen, besonders für die Verbrennung von Schadstoffen. The invention relates to a flexible wall element for furnace furnaces, especially for the combustion of pollutants.

Zur Vernichtung von Schadstoffen durch Verbrennung verwendete Feuerungsanlagen sind im allgemeinen grösseren Belastungen ausgesetzt, da zur vollständigen Verbrennung besonders von Chemieabfällen oftmals hohe Temperaturen nötig sind, Abfälle und beim Verbrennen gebildete intermediäre Produkte, Schlacken und ähnliches häufig korrosiv sind und die Feuerungsanlagen im allgemeinen nicht kontinuierlich betrieben werden können, d.h., durch Temperaturwechsel ausgelöste mechanische Spannungen besonders in der feuerfesten Auskleidung Risse, Abplatzungen u. dgl. bedingen. Einige Feuerfestmaterialien sind vor allem wegen ihrer begrenzten Korrosionsbeständigkeit den Anforderungen nicht gewachsen, andere Materialien, wie die zur Auskleidung bestifteter Rohrflächen in Schmelzkammerkesseln verwendeten, im wesentlichen aus Siliciumcarbid bestehende Massen sind zwar korrosionsbeständig, aber ihre Temperaturwechselbeständigkeit reicht nicht aus. Auskleidungen dieser Art platzen unter der Betriebsweise der Feuerungsanlage häufig von der Trägerfläche ab, die dann der korrosiven Atmosphäre schutzlos ausgesetzt ist. Für vollständig aus Siliciumcarbid bestehende Elemente wie Rohre oder Platten gelten unter diesen Bedingungen grundsätzlich die gleichen Beschränkungen. Firing systems used to destroy pollutants by combustion are generally exposed to greater loads, since high temperatures are often required for complete combustion, particularly of chemical waste, waste and intermediate products formed during combustion, slags and the like are often corrosive and the combustion systems generally do not operate continuously can be, ie, mechanical stresses caused by temperature changes, especially in the refractory lining cracks, flaking and. like. condition. Some refractory materials, particularly because of their limited corrosion resistance, are not up to the requirements, other materials, such as the materials used for lining pipe surfaces in melting chamber boilers, which consist essentially of silicon carbide, are corrosion-resistant, but their resistance to temperature changes is not sufficient. Linings of this type often burst from the support surface during operation of the furnace, which is then exposed to the corrosive atmosphere without protection. For elements made entirely of silicon carbide, such as pipes or plates, the same restrictions apply in principle under these conditions.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wandelement für eine Feuerungsanlage zu schaffen, das gegen hohe Temperaturen, Temperaturwechsel und korrosive Stoffe beständig ist und einen kleinen Wärmedurchgangskoeffizienten hat. Überraschend wurde gefunden, dass die gute Korrosionsbeständigkeit von siliciumcarbidhaltigen Massen in einem Element genutzt werden kann, das aus einer Kohlenstoffasern enthaltenden flexiblen Trägerschicht und einer mit der Trägerschicht verbundenen siliciumcarbidhaltigen Deckschicht besteht. Die überraschende Beständigkeit des Wandelements ist offenbar darauf zurückzuführen, dass ein Spannungsaufbau in der Deckschicht durch die Flexibilität des Trägers weitgehend verhindert wird, d.h., das gesamte Wandelement verformt sich. The invention is therefore based on the object of providing a wall element for a furnace which is resistant to high temperatures, temperature changes and corrosive substances and has a low heat transfer coefficient. It has surprisingly been found that the good corrosion resistance of compositions containing silicon carbide can be used in an element which consists of a flexible carrier layer containing carbon fibers and a cover layer containing silicon carbide connected to the carrier layer. The surprising resistance of the wall element is apparently due to the fact that a tension build-up in the cover layer is largely prevented by the flexibility of the support, i.e. the entire wall element deforms.

Kohlenstoffasern - unter diesem Begriff werden auch Graphitfasern verstanden - werden u.a. als Auskleidung metallurgischer Öfen verwendet, die im Vakuum oder unter Schutzgas betrieben werden. Da die Fasern unter oxidie-renden Bedingungen nicht beständig sind und die Atmosphäre in der Brennkammer Luft im Überschuss enthält, kann man ausschliesslich aus Kohlenstoffasern bestehende Wandelemente für derartige Feuerungen nicht verwenden. Es ist bekannt, Kohlenstoffasern mit Schichten aus oxida-tionsbeständigen Werkstoffen zu versehen, u.a. auch mit Siliciumcarbid. Nach dem Verfahren der DE-OS 3 130 116 wird beispielsweise die Oberfläche jeder einzelnen Faser mit Siliciumcarbid beschichtet. Haufwerke aus beschichteten Fasern sind porös und eignen sich nicht für Wandelemente von Feuerungsanlagen. Die Porosität derartiger Gebilde kann in bekannter Weise durch Imprägnierung verringert werden, wobei allerdings ihre Flexibilität verloren geht (z.B. DE-OS 1 771 549). Carbon fibers - this term is also understood to mean graphite fibers - include used as the lining of metallurgical furnaces that are operated in a vacuum or under protective gas. Since the fibers are not stable under oxidizing conditions and the atmosphere in the combustion chamber contains air in excess, it is not possible to use wall elements consisting exclusively of carbon fibers for such furnaces. It is known to provide carbon fibers with layers of oxidation-resistant materials, including also with silicon carbide. According to the process of DE-OS 3 130 116, for example, the surface of each individual fiber is coated with silicon carbide. Piles of coated fibers are porous and are not suitable for wall elements in combustion plants. The porosity of such structures can be reduced in a known manner by impregnation, but their flexibility is lost (e.g. DE-OS 1 771 549).

In dem erfindungsgemässen flexiblen Wandelement sind die Trägerschicht bildenden Filamente oder Faserbündel im wesentlichen nicht mit Siliciumcarbid beschichtet. Die silici-umçarbidhaltige Deckschicht liegt vielmehr nur an der äusseren Oberfläche der Trägerschicht an und ist mit dieser eng verzahnt, so dass trotz guter Haftung der Deckschicht die Flexibilität der Trägerschicht nicht beeinträchtigt wird. Alle aus temperaturbeständigen Fasern bestehende Trägerschichten sind für diesen Zweck hinreichend flexibel. Kohlenstoffasern sind jedoch ein vergleichsweise besserer Haftgrund für die siliciumcarbidhaltige Deckschicht und haben vor allem eine wesentlich grössere Wärmeleitfähigkeit als keramische Fasern. Besonders für thermisch hochbelastete Wandelemente ist eine grosse Wärmeleitfähigkeit des Trägers nötig, damit die Deckschicht nicht geschädigt wird. Entsprechend werden Trägerschichten bevorzugt, die ausschliesslich aus Kohlenstoffasern bestehen. Von den verschiedenen textilen Formen des Kohlenstoffs, wie Gewebe, Gewirke, Vliese und Filze sind Filze für die Trägerschicht besonders geeignet, die in der nötigen Dicke gehandelt werden oder mit geringem Aufwand zu einem Träger der nötigen Dicke zusammengefügt werden können. Für sehr hohe Brennkammertemperaturen von etwa 1500 bis 1700°C sollte der Filz zweckmässig aus Graphitfasern bestehen, unterhalb dieser Temperatur genügen in der Regel aus Kohlenstoffasern bestehende Filze. In the flexible wall element according to the invention, the filaments or fiber bundles forming the carrier layer are essentially not coated with silicon carbide. The silicon-carbide-containing cover layer rather lies only on the outer surface of the support layer and is closely interlocked with it, so that the flexibility of the support layer is not impaired despite good adhesion of the cover layer. All carrier layers consisting of temperature-resistant fibers are sufficiently flexible for this purpose. However, carbon fibers are a comparatively better primer for the top layer containing silicon carbide and, above all, have a much greater thermal conductivity than ceramic fibers. A high thermal conductivity of the support is particularly necessary for thermally highly stressed wall elements so that the top layer is not damaged. Accordingly, carrier layers are preferred which consist exclusively of carbon fibers. Of the various textile forms of carbon, such as woven fabrics, knitted fabrics, nonwovens and felts, felts are particularly suitable for the backing layer, which can be traded in the required thickness or can be joined together to form a backing of the required thickness with little effort. For very high combustion chamber temperatures of around 1500 to 1700 ° C, the felt should expediently consist of graphite fibers; below this temperature, felts consisting of carbon fibers are usually sufficient.

Die erfindungsgemässe Deckschicht enthält Siliciumcarbid in einem Anteil zwischen etwa 50 und 90%. Bevorzugt wird ein keramisch gebundenes Siliciumcarbid, das in einfacher Weise als plastische Masse auf die Trägerschicht aufgebracht und gesintert werden kann. Die Sinterung wird erleichtert durch Zusätze von Vanadiumverbindungen, die zugleich die Benetzbarkeit der Deckschicht durch Schlacken herabsetzt. Die Dicke der Deckschicht beträgt bevorzugt mehr als 5 mm, da Schichten dieser Dicke hinreichend impermeabel sind und den Kohlenstoff wirksam gegen den Angriff oxidierender Stoffe schützen. Die Trägerschicht erfüllt mit Dicken unter 2 mm ihre Funktion am besten. The top layer according to the invention contains silicon carbide in a proportion between about 50 and 90%. A ceramic-bonded silicon carbide is preferred, which can be easily applied as a plastic mass to the carrier layer and sintered. The sintering is facilitated by the addition of vanadium compounds, which at the same time reduces the wettability of the top layer by slag. The thickness of the cover layer is preferably more than 5 mm, since layers of this thickness are sufficiently impermeable and effectively protect the carbon against the attack of oxidizing substances. The backing layer best fulfills its function with thicknesses below 2 mm.

Zum Herstellen des flexiblen Wandelements werden flächige Fasergebilde, vorzugsweise ausschliesslich aus Kohlenstoffasern, mit einer plastischen Masse beschichtet, die durch Mischen von Siliciumcarbidpulver, Ton und einer Vanadiumverbindung mit Wasser zubereitet wird. Das Feststoffge-misch enthält zweckmässig 50 bis 90% Siliciumcarbidpulver, 50 bis 10% Ton und etwa 0,5 bis 2% Vanadium in Form von To produce the flexible wall element, flat fiber structures, preferably exclusively made of carbon fibers, are coated with a plastic mass which is prepared by mixing silicon carbide powder, clay and a vanadium compound with water. The solid mixture advantageously contains 50 to 90% silicon carbide powder, 50 to 10% clay and approximately 0.5 to 2% vanadium in the form of

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

663 656 663 656

Oxiden oder Vanadaten. Die zum Plastifizieren nötige Wassermenge beträgt je nach Zusammensetzung und Korngrös-senverteilung des Gemischs etwa 2 bis 12%, wobei der genaue Anteil durch eine einfache Konsistenzprüfüng bestimmt werden kann. Es ist zweckmäsig, die streichfähige Masse in der vorgesehenen Dicke auf den Träger aufzuspritzen. Die Schicht wird bei Raumtemperatur, anschliessend bei etwa 120 bis 140°C getrocknet und dann gesintert. Die Sinterung erfolgt in den üblichen Sinteröfen bei wenigstens 800°C oder bevorzugt in situ nach Einbau des Wandelements in die Brennkammer einer Schmelzkammerfeuerung durch Erhitzen auf wenigstens 1100°C. Obwohl die Eindringtiefe der plastischen Masse in die Trägerschicht unter diesen Bedingungen klein ist, haften beide Schichten des Wandelements fest aneinander, so dass das Element ohne weiteres grossen Temperaturwechseln ausgesetzt werden kann. Oxides or vanadates. The amount of water required for plasticizing is about 2 to 12% depending on the composition and grain size distribution of the mixture, the exact proportion being determined by a simple consistency test. It is expedient to spray the spreadable composition onto the carrier in the intended thickness. The layer is dried at room temperature, then at about 120 to 140 ° C and then sintered. The sintering takes place in the usual sintering furnaces at at least 800 ° C. or preferably in situ after the wall element has been installed in the combustion chamber of a melting chamber furnace by heating to at least 1100 ° C. Although the depth of penetration of the plastic mass into the carrier layer is small under these conditions, both layers of the wall element adhere firmly to one another, so that the element can be exposed to large temperature changes without further notice.

Die flexiblen Wandelemente haben die Form ebener oder gekrümmter Voll- oder Hohlkörper, beispielsweise Quader oder Hohlzylinder, und werden in bekannter Weise mit gekühlten Ringen aus temperaturbeständigem Stahl in die The flexible wall elements have the shape of flat or curved solid or hollow bodies, for example cuboids or hollow cylinders, and are made in the known manner with cooled rings made of temperature-resistant steel

Brennkammer eingespannt. Die das Element durchdringende Wärmeenergie wird auf der Trägerseite durch inerte Wärme abgeführt und beispielsweise indirekt zum Vorwärmen der Verbrennungsluft verwendet. Für eine direkte s Vorwärmung von Verbrennungsluft muss die Trägerschicht gegen Oxidation geschützt werden oder man verwendet Wandelemente, die sich aus einer Vielzahl zylindrischer Einzelelemente zusammensetzen. Combustion chamber clamped. The thermal energy penetrating the element is dissipated on the carrier side by inert heat and used, for example, indirectly for preheating the combustion air. For a direct preheating of combustion air, the carrier layer must be protected against oxidation or wall elements made up of a multitude of cylindrical individual elements are used.

Durch schnelle Temperaturänderungen in dem erfin-10 dungsgemässen Wandelement induzierte mechanische Spannungen werden durch Verformen der Trägerschicht weitgehend aufgefangen, so dass die gegen korrosive Stoffe beständige impermeabele Deckschicht nicht als Folge betriebsgebundener Temperaturschwankungen abplatzt. Einzelne sich 15 in der Deckschicht bildende Risse beeinträchtigen das Korrosionsverhalten nicht, da in den Riss eindringende Schlacke die Kohlenstoffasern nicht benetzt und sie gegen den Kontakt mit oxidierenden Stoffen abschirmt. Die mittleren Wärmeleitwiderstände von Trägerschicht und Deckschicht 20 betragen etwa 0,003 m2k/W. Mechanical stresses induced by rapid temperature changes in the wall element according to the invention are largely absorbed by deformation of the carrier layer, so that the impermeable cover layer, which is resistant to corrosive substances, does not flake off as a result of operational temperature fluctuations. Individual cracks forming in the top layer do not impair the corrosion behavior, since slag penetrating the crack does not wet the carbon fibers and shield them against contact with oxidizing substances. The average thermal resistances of the carrier layer and cover layer 20 are approximately 0.003 m2k / W.

B B

Claims

663 656 PATENT CLAIMS

1. Flexible wall element for smelting chamber firing, especially for the combustion of pollutants, characterized by a flexible carrier layer containing carbon fibers and a top layer containing silicon carbide covering the carrier layer.

2. Wall element according to claim 1, characterized in that the carrier layer consists of carbon fibers.

3. Wall element according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier layer consists of carbon felt.

4. Wall element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cover layer consists of ceramic-bonded silicon carbide.

5. Wall element according to one of claims 1 to 4, characterized in that the thickness of the cover layer is at least 5 mm.

6. Wall element according to one of claims 1 to 5, characterized in that the thickness of the carrier layer is at most 2 mm.

7. A method for producing a flexible wall element according to one of claims 1 to 6, characterized in that a flat structure made of carbon fibers coated with a silicon carbide, a vanadium compound, clay and water containing plastic mass, the layer dried and by heating to at least

1100 ° C is sintered.