DE102008052130B3 - Wasser- und säurefester Feuerfestformkörper - Google Patents

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Abstract

Ein wasser- und säurefester Feuerfestformkörper, insbesondere für die isolierende Auskleidung der Verschlüsse und Brennkammerböden von Heizkesseln mit Brennwerttechnik-Betriebsweise und von im Niedertemperaturbereich mit Taupunktunterschreitung betriebenen Heizkesseln, soll hinsichtlich seiner Wasser- und Säurebeständigkeit verbessert werden. Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Feuerfestformkörper gebildet ist aus einem Versatz, der 30-75 Gew.-% vorzugsweise 40-60 Gew.-% eines für den Hochtemperaturbereich geeigneten Wärmeisolierstoffes, 30-55 Gew.-%, vorzugsweise 35-50 Gew.-% Alkaliwasserglas, 5-14 Gew.-%, vorzugsweise 7-12 Gew.-% Phosphathärter, 2-15 Gew.-%, vorzugsweise 4-11 Gew.-% Metalloxid umfasst, wobei die genannten Komponenten in dem Versatz in homogener Verteilung vorliegen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen wasser- und säurefesten Feuerfestformkörper, insbesondere für die isolierende Auskleidung der Verschlüsse und Brennkammerböden von Heizkesseln mit Brennwerttechnik-Betriebsweise und von im Niedertemperaturbereich mit Taupunktunterschreitung betriebenen Heizkesseln.
  • Bei Heizkesseln mit Brennwerttechnik-Betriebsweise und Heizkessel, die im Niedertemperaturbereich mit Taupunktunterschreitung betrieben werden, werden die z. B. für die isolierende Auskleidung der Verschlüsse und Brennkammerböden der Heizkessel eingesetzten Feuerfestformkörper – bedingt durch die besondere Betriebsweise der Heizkessel – neben den Temperatur(wechsel)belastungen starken Belastungen im Hinblick auf Feuchtigkeitseinwirkung und Schwefelsäureeinwirkung ausgesetzt.
  • Die Feuchtigkeitsbelastung geht darauf zurück, dass es durch die spezielle Betriebsweise der Anlagen mit Niedertemperaturtechnik zu Taupunktunterschreitungen kommt, was zur Folge hat, dass der im Abgas enthaltene Wasserdampf kondensiert und sich eine kondensathaltige Atmosphäre in den Brennräumen bildet, die auf die Feuerfestformkörper einwirkt. Bei Heizkesseln mit Brennwerttechnik wird die Abgastemperatur im Rahmen der Energierückgewinnung gezielt unter die Kondensationstemperatur (Taupunkt) von Wasser gesenkt, so dass es zu vermehrter Kondensatbildung in den Brennräumen und zu zurückströmendem Kondensat aus den Abgasleitungen kommt, das die Feuerfestformkörper durchfeuchten kann.
  • Die Betriebsweise der genannten Heizkessel lässt überwiegend keine Austrocknung der feuchten Feuerfestformkörper zu, da die Anlagen jahreszeitlich bedingt (insbesondere im Sommer und in den Übergangszeiten) sowie im Winter bei Nachtabsenkung nicht mit voller Leistung und/oder nur kurzzeitig betrieben zu werden brauchen. Dies reicht nicht aus, um die Heizkessel vollständig aufzuheizen und die durchfeuchteten Feuerfestformkörper auszutrocknen.
  • Durchfeuchtung und mangelnde Austrocknung der Feuerfestformkörper können zur Beschädigung der Wärmedämmteile führen (Auswaschung von Dämmmaterial, Rissbildung usw.).
  • Bedingt durch die Schwefelanteile in fossilen Brennstoffen kommt es bei den genannten Heizkesseln ferner verstärkt zur Bildung von saurem Kondensat, das die im Brennraum eingesetzten Feuerfestformkörper zusätzlich angreift, so dass es im Langzeitbetrieb zu Festigkeitsverlusten der Dämmteile kommen kann.
  • In modernen Heizkesseln werden bislang überwiegend Keramikfaserformteile für hochwärmedämmende Feuerfestformkörper eingesetzt. Allerdings stellen solche Formteile nach heutigem Wissensstand ein Gesundheitsrisiko dar, da die Gefahr besteht, dass Keramikfasern eingeatmet werden, wodurch die Lunge geschädigt werden kann.
  • Als Alternative zu Keramikfaserformteilen sind Isolierteile aus anorganischen Materialien wie Perlit, Vermiculit, Reisschalenasche, Hohlkugelsilikat, Leichtbetone usw. bekannt, die durch geeignete Bindemittel zusammengehalten werden. Beispielsweise ist in der DE 196 27 961 A1 ein Feuerfestformkörper beschrieben, der aus einem mit hochtemperatureständigem Bindemittel (Kaliwasserglas) verpressten Korpus aus Partikeln auf mineralischer Basis (Vermiculit, keramische Hohlkügelchen) besteht. Ferner ist aus der DE 198 09 590 A1 ein Feuerfestformkörper bekannt, der aus einem Wärmedämmmaterial (Vermiculit und/oder Perlit und ggf. weiteren Wärmedämmmstoffen) und einer Binderkombination aus Wasserglas, Metakaolin und Siliziumdioxid aus der Ferrosiliziumoder Siliziummetallherstellung gebildet ist.
  • In der DE 102 05 728 A1 werden Profile und Formteile für aktive Brandschutzanwendungen beschrieben. Diese bestehen aus Füllstoffen auf Basis von Siliziumdioxid und/oder Aluminiumoxid, Brandschutz-aktiven Füllstoffen, wie Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid oder Kalziumcarbonat, und einem Bindemittel basierend auf Alkali-Wasserglas. Die Aushärtung zu festen Formkörpern ge schieht mit Hilfe eines Härters wie Aluminiumphosphat oder Kalziumsulfat.
  • Ferner sind aus dem Chemie- und Feuerungsbau wasserglasgebundene Kittmassen bekannt ( DE 1 252 835 B ), die aus einem säure- bzw. hochtemperaturbeständigen Füllstoff (z. B. Quarzsand oder Bariumsulfat bzw. Schamotte), Alkalisilikat (z. B. Kaliwasserglas) und einem Härter bestehen. Als Härter wird die Verwendung von kondensierten Aluminiumphosphaten vorgeschlagen.
  • Im Langzeitbetrieb der eingangs genannten Heizkessel hat sich jedoch gezeigt, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Feuerfestformkörper die beschriebenen Belastungen nicht zuverlässig aushalten bzw. die verwendeten Isolierstoffe gesundheitsgefährdend sein können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feuerfestformkörper der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass er eine verbesserte Wasser- und Säurebeständigkeit aufweist, damit er den gestiegenen Anforderungen z. B. durch hohe Kondensatbelastung (Wasser und Säure) standhält.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Feuerfestformkörper mit den Merkmalen des Anspruches 1. Erfindungsgemäß wird der Feuerfestformkörper aus einem Versatz gebildet, der sich zusammensetzt aus einem für den Hochtemperaturbereich geeigneten Wärmeisolierstoff (30–75 Gew.%) und einer speziellen Binderkombination, die 30–55 Gew.% Alkaliwasserglas, 5–14 Gew.% Phosphathärter und 2–15 Gew.% Erdalkalimetalloxid umfasst. Dabei liegen die genannten Komponenten in dem Versatz bzw. Formkörper in homogener Verteilung vor.
  • Ein erfindungsgemäßer, aus der genannten Zusammensetzung gebildeter Feuerfestformkörper zeichnet sich durch eine gute Wärmedämmung in Verbindung mit hoher Wasser- und Säurefestigkeit aus und eignet sich daher für den Einsatz in den eingangs genannten Heizkesseln mit Brennwerttechnik oder Niedertemperaturbetriebsweise. Ein erfindungsgemäßer Feuerfestformkörper ist jedoch nicht auf dieses spezielle Einsatzgebiet beschränkt, sondern kann z. B. auch in anderen Heizkesseltypen, Brennöfen und anderen Hochtemperaturbereichen eingesetzt werden.
  • Anforderungen an den Wärmeisolierstoff im Feuerfestformkörper sind hohes Dämmvermögen, gute Festigkeit und ausreichende Dauerstandfestigkeit. Als im Rahmen der Erfindung einsetzbare Wärmeisolierstoffe kommen Vermiculit, Perlit, Hohlkugelsilikat, Hohlkugelkoxid, Blähglas und/oder Reisschalenasche zum Einsatz. Die genannten Stoffe können als Einzelkomponente oder in beliebigen zweckmäßigen Kompositionen der genannten Komponenten enthalten sein. Die jeweils günstige Art und/oder Zusammensetzung des Wärmeisolierstoffes hängt von dem für den Feuerfestformkörper geplanten Einsatzweck und von den anstehenden Belastungen ab. Vorteilhafterweise kann der Versatz 40–60 Gew.% des Wärmeisolierstoffes enthalten.
  • Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der Versatz 35–50 Gew.% Alkaliwasserglas umfasst.
  • Der Phosphathärter ist ein Härter auf Basis von Phosphaten, hat die Funktion, die Bindemittelkomponente Alkaliwasserglas (z. B. Wasserglas auf Basis von Natrium, Kalium und/oder Lithium) zu härten, und kann z. B. gebildet werden durch eine Kondensationsreaktion einer Lösung, die beispielsweise P2O5 und Al2O3 enthält. Je nach Kondensationsgrad und dem Verhältnis P2O5 und Al2O3 können unterschiedliche Reaktivitäten erhalten werden. Werden Phosphathärter und Alkaliwasserglas zusammengebracht, kommt es zur reaktionsbedingten Bildung von gelförmigen Kieselsäure-Fällungsprodukten mit anschließender Vernetzung zu dreidimensionalen Silikatgerüsten und zeolithischen Strukturen. Dadurch wird eine hohe Wasser- und Wasserdampffestigkeit erreicht. Vorteilhafterweise kann der Versatz 7–12 Gew.% Phosphathärter aufweisen.
  • Welcher spezielle Phosphathärter bei einem bestimmten Feuerfestformkörper geeignet ist, hängt insbesondere von der Art des verwendeten Wasserglases und dem Einsatzweck des Feuerfestformkörpers ab. Polymere Phosphathärter können vorteilhaft sein. Bei einem Feuerfestformkörper für den Einsatz in den Heizkesseln der eingangs genannten Art kann es sich bei dem Phosphathärter vorteilhafterweise um ein Aluminiumphosphat oder um ein Alumosilikophosphat handeln.
  • Bei der Reaktion zwischen den alkalischen Anteilen des Wasserglases mit dem Phosphathärter bildet sich sekundäres wasserlösliches Alkaliphosphat. Durch das erfindungsgemäß zugesetzte Erdalkalimetalloxid wird dieses Alkaliphosphat sowie noch nicht gebundene Phosphat-Anteile über eine weitere Reaktion in eine wasserunlösliche Form überführt, indem sich schwer lösliche Metallphosphate bilden. Vorteilhaft kann der Versatz 4–11 Gew.% Erdalkalimetalloxid umfassen. In einer vorteilhaften Variante handelt es sich bei dem Erdalkalimetalloxid-Zusatz um Kalziumoxid oder Magnesiumoxid. Diese Zuschlagsstoffe verfügen über eine ausreichend hohe Reaktivität.
  • Eine Wasserglashärtung durch die erfindungsgemäße Binderkombination mit Phosphathärter hat den Vorteil, dass sie im Gegensatz zur bekannten Wasserglashärtung mit Silikofluoriden kein Fluor oder andere Halogenide enthält, so dass sich im Kontakt mit Wasser bzw. Säuren keine Flusssäure bildet. Im Vergleich zu einer Kieselgelbildung durch eine Kohlendioxidhärtung oder durch Wasserentzug erreicht die Härtung mit der erfindungsgemäßen Binderkombination höhere Festigkeitswerte und in Abhängigkeit von der Dichte der Feuerfestformkörper eine wesentlich geringere Wasserlöslichkeit.
  • Um die Wasserglashärtung weiter zu verbessern, weist der Versatz in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung 1–8 Gew.%, vorzugsweise 2–6 Gew.% feinstkörniges, hochreaktives Siliziumdioxid auf. Dabei handelt es sich bevorzugt um ein amorphes Siliziumdioxid, das sich durch eine hohe Reaktivität auszeichnet. Siliziumdioxid geht mit dem Alkaliwasserglas eine Verbindung ein und wirkt dadurch als zusätzlicher Härter. Wenn in dem Versatz zusätzlich Siliziumdioxid enthalten ist, ist es vorteilhaft, den Gew.%-Anteil der Bindemittelkomponente Wasserglas in Bezug auf die Ausgangszusammensetzung (d. h. die in Anspruch 1 genannte Zusammensetzung) im wesentlichen konstant zu halten und die Gew.%-Anteile der übrigen Komponenten zweckmäßig zu reduzieren, um die gewünschte bzw. erforderliche Festigkeit der Feuerfestformkörper zu erhalten.
  • Bei dem eingesetzten Siliziumdioxid handelt es sich gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung um ein aus der Dampfphase abgeschiedenes Siliziumdioxid aus der Ferrosilizium- oder Sili ziummetallherstellung mit einer hohen spezifischen Oberfläche, die vorteilhaft > 10 m2/g betragen kann. Das aus der Ferrosilizium- oder Siliziummetallherstellung gewonnene Siliziumdioxid ist amorph, zeichnet sich durch eine besonders hohe Reaktivität aus und unterstützt die Ausbildung der anorganischen Polymer-Gerüststruktur und damit die Bildung wasser- und säurefester Verbindungen.
  • Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der Versatz 2–16 Gew.%, vorzugsweise 7–10 Gew.% Metakaolin aufweist. Auch der Zuschlagsstoff Metakaolin wirkt als zusätzlicher Wasserglashärter. Wenn in dem Versatz zusätzlich Metakaolin enthalten ist, ist es vorteilhaft, den Gew.%-Anteil der Bindemittelkomponente Wasserglas in Bezug auf die jeweilige Ausgangszusammensetzung (z. B. die in Anspruch 1 genannte Zusammensetzung) im wesentlichen konstant zu halten und die Gew.%-Anteile der übrigen Komponenten zweckmäßig zu reduzieren, um die gewünschte bzw. erforderliche Festigkeit der Feuerfestformkörper zu erhalten.
  • In den Abbildungen sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Feuerfestformkörpers exemplarisch dargestellt.
  • Es zeigen:
  • 1 einen Feuerfestformkörper als Heizkessel-Verschlussauskleidung,
  • 2 einen Feuerfestformkörper als Verleidung eines kreisförmigen Heizkesselverschlusses,
  • 3 einen Feuerfestformkörper als Verschlussauskleidung in anderer Ausführunsform,
  • 4 einen Feuerfestformkörper als Verkleidung eines Brennkammerbodens und
  • 5 im Teilschnitt die Einbindung von Befestigungselementen in den Feuerfestformkörper.
  • Die exemplarisch in den Figuren dargestellten Feuerfestformkörper 1 sind für die isolierende Auskleidung der Verschlüsse und Brennkammerböden von Heizkesseln mit Brennwerttechnik-Betriebsweise und von im Niedertemperaturbereich mit Taupunktunterschreitung betriebenen Heizkesseln geeignet und zeichnen sich bedingt durch ihre Zusammensetzung durch hohes Wärmedämmvermögen sowie durch Wasser- und Säurefestigkeit aus. Mit BS ist dabei jeweils die Wärmebeaufschlagungsseite bezeichnet.
  • In den Figuren sind Befestigungselemente 2 zu erkennen. Diese können bei der Ausformung der Feuerfestformkörper 1, entsprechend angeordnet, direkt in die Feuerfestformkörper 1 eingebunden sein. Es ist aber auch möglich, beim Ausformen für entsprechend bemessene Aufnahmeaussparungen 3 zu sorgen, in die dann die entsprechend gestalteten Befestigungselemente eingesetzt und beispielsweise durch Kleben, Reibschluss oder Formschluss fixiert werden.
  • Ein Feuerfestformkörper 1 weist bevorzugt eine Dichte zwischen 300 und 900 kg/m3 auf, um die an ihn gestellten Belastungsanforderungen zu erfüllen. Ferner besteht die vorteilhafte Möglichkeit, den Feuerfestformkörper 1 mit unterschiedlich stark verdichteten, zwischen 200 und 900 kg/m3 liegenden Bereichen auszubilden. Dadurch kann die Belastbarkeit im Hinblick auf thermische und/oder konstruktive Faktoren gezielt erhöht werden.
  • Zur Herstellung eines Feuerfestformkörpers werden die jeweiligen Versatzbestandteile gemischt, zu einzelnen Formkörpern geformt, gepresst und getrocknet. Darüber hinaus ist es möglich, die beteiligten Materialkomponenten in Form einer Platte zu verpressen, um aus einer solchen Platte einen oder mehrere Feuerfestformkörper 1 mit gewünschter Kontur auszuschneiden.
  • Nachfolgend ist ein Versatzbeispiel für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Feuerfestformkörper 1 aufgeführt (in Bezug auf 100% Gesamtmasse):
    45 Gew.% Vermiculit
    35 Gew.% Kaliumwasserglas
    8 Gew.% Phosphathärter
    4 Gew.% Siliziumdioxid
    8 Gew.% Erdalkalimetalloxid
  • Die Anteile der genannten Komponenten können erheblich variieren in Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen, Belastungsanforderungen des jeweiligen Feuerfestformkörpers und den Materialqualitäten (z. B. Reaktivität, spezifische Oberflächen, Korngrößen etc.) der eingesetzten Komponenten. Ferner können die einzelnen Versatzbestandteile aufgrund der verschiedenen Einsatzmöglichkeiten als Feuerfestformkörper in Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen, Belastungsanforderungen etc. ausgetauscht werden, z. B. vollständigen oder teilweisen Ersatz von Vermiculit durch ein anderes Wärmeisoliermaterial laut Anspruch 1 oder durch eine Kombination von Wärmeisolierstoffen laut Anspruch 1, Austausch von Kaliumwasserglas durch Natriumwasserglas usw.
  • Mit den beschriebenen erfindungsgemäßen Versätzen kann eine Vielzahl wasser- und säurefester Feuerfestformkörper mit unterschiedlichsten Eigenschaften hergestellt und zu Platten, Formteilen etc. verarbeitet werden. Für die erzielten Eigenschaften spielen neben der Art und den Anteilen der Versatzkomponenten die Korngrößen sowie die spezifischen Oberflächen der verwendeten reaktiven Komponenten eine große Rolle. Durch eine gezielte Auswahl und Zusammenstellung der Versatzbestandteile kann ein für den jeweiligen Einsatzzweck optimierter Feuerfestformkörper erhalten werden.

Claims (13)

  1. Wasser- und säurefester Feuerfestformkörper, insbesondere für die isolierende Auskleidung der Verschlüsse und Brennkammerböden von Heizkesseln mit Brennwerttechnik-Betriebsweise und von im Niedertemperaturbereich mit Taupunktunterschreitung betriebenen Heizkesseln, gebildet aus einem Versatz, der 30–75 Gew.% eines für den Hochtemperaturbereich geeigneten Wärmeisolierstoffes, ausgewählt aus Vermiculit, Perlit, Hohlkugelsilikat, Hohlkugeloxid, Blähglas und/oder Reisschalenasche, 30–55 Gew.% Alkaliwasserglas, 5–14 Gew.% Phosphathärter, 2–15 Gew.% Erdalkalimetalloxid umfasst, wobei die genannten Komponenten in dem Versatz in homogener Verteilung vorliegen.
  2. Feuerfestformkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz 40–60 Gew.% des für den Hochtemperaturbereich geeigneten Wärmeisolierstoffes umfasst.
  3. Feuerfestformkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz 35–50 Gew.% Alkaliwasserglas umfasst.
  4. Feuerfestformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz 7–12 Gew.% Phosphathärter umfasst.
  5. Feuerfestformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz 4–11 Gew.% Erdalkalimetalloxid umfasst.
  6. Feuerfestformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz 1–8 Gew.%, vorzugsweise 2–6 Gew.% feinstkörniges, hochreaktives Siliziumdioxid aufweist.
  7. Feuerfestformkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Siliziumdioxid um ein aus der Dampfphase abgeschiedenes Siliziumdioxid aus der Ferrosilizium- oder Siliziummetallherstellung mit hoher spezifischer Oberfläche, vorzugsweise von > 10 m2/g, handelt.
  8. Feuerfestformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz 2–16 Gew.%, vorzugsweise 7–10 Gew.% Metakaolin aufweist.
  9. Feuerfestformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Erdalkalimetalloxid um Kalziumoxid oder um Magnesiumoxid handelt.
  10. Feuerfestformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Phosphathärter um ein Aluminiumphosphat oder um ein Alumosilikophosphat handelt.
  11. Feuerfestformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Dichte zwischen 300 und 900 kg/m3 aufweist.
  12. Feuerfestformkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Feuerfestformkörper belastungsabhängig unterschiedlich zwischen 200 und 900 kg/m3 verdichtete Bereiche angeordnet sind.
  13. Feuerfestformkörper nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er gebildet ist aus 45 Gew.% Vermiculit, 35 Gew.% Kaliumwasserglas, 4 Gew.% Siliziumdioxid, 8 Gew.% Phosphathärter und 8 Gew.% Erdalkalimetalloxid.
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