DE4115714A1 - Feuerfester roehrenblock - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft feuerfeste Röhrenblöcke, die besonders dazu geeignet sind, Kesselröhren vor korrodierenden, erodierenden und schleifenden Nebenprodukten einer Verbrennung zu schützen, die im Kessel stattfindet, während gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit gewährleistet bleibt.

Es ist eine Reihe von verschiedenen feuerfesten Strukturen bekannt, die dazu verwendet werden, beispielsweise Heißluftkanäle sowie Heißwasser- und Dampfrohrleitungen vor einem Wärmeverlust zu schützen. Es werden Röhrenblöcke aus Siliciumcarbid in verschiedenen Gestaltungsformen zum Schutz von mit einem Fluid durchströmten Röhren in Verbrennungsöfen und Umlauffließbettkesseln verwendet. Soweit im folgenden der Ausdruck "Kessel" verwendet wird, ist er sehr breit aufzufassen. Er umfaßt alle Hochtemperaturkesselanordnungen bzw. -boileranordnungen, wie sie beispielsweise in Verbrennungsöfen, Kraftwerkskesseln und ähnlichen Anordnungen verwirklicht sind. Obwohl die bekannten Röhrenblöcke eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wird mit diesen keine maximale Wärmeleitung erzielt, da die herkömmlichen Röhrenblöcke nicht eng genug in direktem Kontakt mit den von dem Fluid durchströmten Röhren aus Metall stehen. Bei den meisten der bekannten Systeme wird zum Ausfüllen von luftgefüllten Spalten und zur Verbesserung des Wärmeflusses ein Siliciumcarbidmörtel zwischen den Röhren und dem feuerfesten Röhrenblock verwendet. Der Wärmefluß ist jedoch wegen der geringeren Wärmeleitfähigkeit dieser Mörtel und der Dicke der Mörtelschicht vom Optimum weit entfernt. In anderen Fällen erlauben es die Fertigungstoleranzen der vorgefertigten Wände der Metallröhren nicht, die feuerfesten Röhrenblöcke mit der besonderen Maßgenauigkeit herzustellen, die für die gewünschte optimale Paßgenauigkeit notwendig wäre. Die dadurch entstehenden Luftspalte beeinflussen in ungünstiger Weise den Wärmefluß zwischen den Röhren und den Röhrenblockanordnungen.

Ein maximaler Wärmefluß ist für den Wirkungsgrad eines Kessels kritisch. Wenn die Wärmeübertragung zwischen der feuerfesten Röhrenblockanordnung und den Kesselröhren nicht optimal ist, werden die Außenflächen der Röhrenblöcke heißer als vorgesehen. Dies hat zur Folge, daß, wenn die Temperatur weiter steigt, Asche vom verbrannten Brennstoff sich an der Oberfläche festsetzt und eine Isolierschicht bildet. Wenn dieser Vorgang erst einmal begonnen hat, wird die Schicht solange immer dicker, bis der Wärmefluß äußerst schwach wird. Das "Abgas" oberhalb der Verbrennungszone wird dann schneller und heißer und geht oft über die konstruktiv bedingten Grenzen hinaus, was dann Korrosions- und Erosionsprobleme stromabwärts im Kessel verursacht. Weiterhin kann schließlich die Ascheschicht, wenn sie wächst, aufbrechen und Schaden am Kesselboden anrichten.

Diese Schwierigkeiten werden durch keinen der bekannten Röhrenblöcke vermieden. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Röhrenblöcke anzugeben, die in äußerst engem Kontakt mit den Kesselröhren stehen, um einen optimalen Wärmefluß zwischen Boilerröhren und Röhrenblock zu gewährleisten. Darüber hinaus ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kessel anzugeben, die von Röhren mit optimal angepaßten Röhrenblöcken umgeben sind.

Diese Aufgaben löst die Erfindung durch die in den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 8 definierten Röhrenblöcke und Kessel. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Röhrenblöcke sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 und vorteilhafte Ausgestaltungen des Kessels sind in den Patentansprüchen 9 bis 12 angegeben.

Der erfindungsgemäße Röhrenblock weist auf seiner Oberfläche in der Nähe der Kesselröhrenwand Vorsprünge auf. Diese Vorsprünge sind vorteilhafterweise in Form von Rippen ausgebildet. Wenn der Röhrenblock gegen die Röhrenwände einer Fluid, d. h. Gas oder Flüssigkeit, enthaltenden Röhre in einem Kessel angeordnet wird, sind die Rippen in Kontakt mit den Röhrenwänden, und die Aussparungen zwischen den Rippen werden mit einem feuerfesten Mörtel gefüllt. Der Röhrenblock enthält außerdem einen Schraubbolzen, welcher dazu verwendet wird, den Röhrenblock mit den Kesselröhren oder der Membran zwischen aneinanderstoßenden Kesselröhren zu verschrauben. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, daß der Röhrenblock über die Rippen mit den Röhrenwänden in direktem Kontakt steht und jeglicher Luftspalt mittels des Mörtels und des Verschraubungsmechanismus verhindert wird, was einen im Vergleich zu herkömmlichen Röhrenblöcken verbesserten Wärmefluß zwischen den Kesselröhren und den erfindungsgemäßen Röhrenblöcken zur Folge hat.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Röhrenblocks von oben, welcher an Kesselröhren befestigt ist;

Fig. 2 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Röhrenblocks von oben ohne Kesselröhren;

Fig. 3 eine Ansicht des Röhrenblocks aus Fig. 2 mit der Schnittlinie 2-2, welche die Schnittansicht gemäß Fig. 3 festlegt; und

Fig. 4 eine Schnittansicht vom Innenraum eines den erfindungsgemäßen Röhrenblock enthaltenden Kessels.

In den Fig. 1 und 4 ist ein Teil einer Vielzahl von Röhren 12 gezeigt, die eine Röhrenanordnung 13 bilden. Die Röhren 12 erstrecken sich entweder vertikal oder horizontal in der Verbrennungskammer eines Kessels 10, wie er beispielsweise in einem städtischen Hochtemperaturabfallverbrennungsofen, z. B. gemäß Fig. 4, vorkommt. In Fig. 1 ist gezeigt, wie die Röhren 12 mittels einer Membran 14 verbunden sind. Der Verbrennungsofen enthält weiterhin, wie in Fig. 4 gezeigt, eine Zuführöffnung 17, einen Rost 15, auf dem der brennende Abfall ruht, sowie einen Ascheauslaß 19.

Zusätzlich zur Ascheverbrennung wird der Verbrennungsofen zur Herstellung einer Energiequelle, beispielsweise Dampf, verwendet, um einen turbinengetriebenen Elektrogenerator anzutreiben oder um ein Fluid für irgendwelche anderen Zwecke zu erwärmen. Während des Betriebs wird im Abfallverbrennungsofen Abfall bei sehr hohen Temperaturen bis zu etwa 1370°C (2500°F) verbrannt, wobei korrodierende, erodierende und schleifende Verbrennungsprodukte entstehen, welche die ein Fluid, d. h. ein Gas und/oder eine Flüssigkeit enthaltenden Metallröhren 12 erwärmen und angreifen.

Um einen direkten Angriff der Verbrennungsnebenprodukte auf die Röhren zu verhindern und dennoch ein Erwärmen der Röhren zu erlauben, werden erfindungsgemäße feuerfeste Röhrenblöcke 16 verwendet, welche wenigstens einen Teil der Röhren 12 umgeben. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die Rückseite der Röhren mit einer Isolierung 18 und einem Blech 20 verkleidet.

Wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, bedeckt jeweils ein Röhrenblock 16 die Vorderseite von Röhren 12. Er besteht aus einem ersten Seitenabschnitt 22 und einem zweiten Seitenabschnitt 24, welche die Röhren 12 abdecken und aus einem Mittelabschnitt 26, welcher von einem Gewindebolzen 28 durchdrungen ist. Auf den Gewindebolzen 28 wird nach dem Zusammenfügen des Röhrenblocks 16 mit den Röhren 12 eine Mutter 29 aufgeschraubt. In Fig. 2 sind die Rippen 32 der vorderen Oberfläche 30 des Röhrenblocks 16 gezeigt. Obwohl gemäß der vorliegenden Ausführungsform Rippen 32 gezeigt sind, kann die Vorderseite 30 stattdessen Vorsprünge mit irgendeiner Form oder Größe aufweisen. Die Rippen 32 erstrecken sich entweder horizontal oder vertikal über die Oberfläche 30 des Röhrenblocks, und sie können in irgendeinem Muster oder irgendeiner Gestaltung geformt sein. Wie in Fig. 2 gezeigt, erstrecken sich die Rippen 32 über einen Abstand d von der Oberfläche 30. Der Abstand d variiert in Abhängigkeit von der Größe und der Verwendung des Röhrenblocks, und er beträgt im allgemeinen weniger als 0,16 cm (1/16 inch) bis 0,32 cm (1/8 inch), vorzugsweise etwa 0,08 cm (1/32 inch) bis 0,16 cm (1/16 inch). Auch die Größe des Röhrenblocks 16 variiert in Abhängigkeit von der endgültigen Verwendung und der Röhrengröße des Kessels oder Verbrennungsofens, in dem er verwendet wird. Die einzelnen Röhrenblocks haben bestimmte Abmessungen, nämlich im allgemeinen eine Weite w von etwa 15,2 cm (6 inch) bis 20,3 cm (8 inch), eine Höhe h von 15,2 cm (6 inch) bis 20,3 cm (8 inch) und eine Tiefe d von etwa 1,3 cm (1/2 inch) bis 2,5 cm (1 inch). Der Kurvenradius der inneren Oberfläche 30 hängt von der Größe und vom Radius der Röhren 12 ab, mit denen er zusammenpassen soll.

Da die Röhrenblöcke 16 in Kesseln und Abfallverbrennungsöfen verwendet werden, in denen extrem hohe Temperaturen auftreten, sind die Röhrenblöcke vorzugsweise aus Siliciumcarbid oder Metall hergestellt, obwohl auch andere geeignete feuerfeste Materialien, wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Kohlenstoff, verwendet werden können. Zusätzlich zu dem feuerfesten Material enthalten die Röhrenblöcke weiterhin ein Bindesystem mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Eine bevorzugte Röhrenblockzusammensetzung enthält etwa 90 bis etwa 99 Teile Siliciumcarbid und etwa 1 bis etwa 10 Teile Bindemittel, beispielsweise ein Nitrid oder ein Material auf Oxidbasis.

Der Röhrenblock wird mittels herkömmlicher Verfahren hergestellt, und die Rippen bzw. sonstigen Vorsprünge werden während des Herstellungsprozesses in die Röhrenblöcke eingeformt, zusammen mit einer Aussparung 34 zur Aufnahme einer Vorrichtung zur Befestigung des Röhrenblocks an der Röhrenwand, beispielsweise eines Gewindebolzens 28, der an der Membran oder der Röhre befestigt ist.

Während des Zusammenbaus des Röhrenblocks 16 mit der Röhrenanordnung 13 in dem Kessel wird auf die innere Oberfläche 30 des Röhrenblocks ein feuerfester Mörtel aufgebracht. Der feuerfeste Mörtel kann jede geeignete Zusammensetzung aufweisen. Vorzugsweise gewährleistet die Zusammensetzung einen guten Wärmefluß zwischen dem Röhrenblock 16 und den Röhren 12 der Röhrenanordnung 13. Geeignete Mörtelzusammensetzungen enthalten Siliciumcarbid sowie ein Bindemittel, das fest an dem Röhrenblock und den metallenen Röhrenwänden haftet.

Wenn der Röhrenblock 16 an der Röhrenanordnung 13 angeordnet wird, wird er an der Membran 14 oder einer anderen geeigneten Stelle mittels einer Vorrichtung, beispielsweise einem Gewindebolzen, befestigt, um einen innigen Kontakt zwischen dem Röhrenblock und der Röhrenanordnung herzustellen. Während der Gewindebolzen festgezogen wird, wird der Röhrenblock 16 gegen die Röhrenanordnung gedrückt, wobei der Mörtel die Rillen 36 zwischen den Rippen 32 ausfüllt, wodurch Luftzwischenräume eliminiert werden. Die Rippen 32 werden in direkten Kontakt mit den Wänden der Röhren 12 gezwungen, was zu einem ausgezeichneten Wärmefluß zwischen der Röhrenanordnung 13 und dem Röhrenblock 16 führt. Der Mörtel dient auch dazu, den Röhrenblock 16 selbst dann noch in Kontakt mit der Röhrenanordnung 13 zu halten, wenn die Befestigungsvorrichtung, d. h. der Gewindebolzen, während einer längeren Betriebszeit korrodiert. Obwohl es nicht zwingend ist, kann der Röhrenblock 16 während des Einbaus auch mit einem Hammer, beispielsweise einem mit Leder überzogenen Hammer, gegen die Röhrenanordnung geklopft werden, um einen optimalen direkten Kontakt der Rippen 32 zu gewährleisten und alle Luftspalte zu eliminieren.

Obwohl es in den Figuren nicht näher gezeigt ist, können auch noch zusätzliche Röhrenblöcke an benachbarten Teilen der Röhrenanordnung angebracht werden. Abhängig von der Größe des Kessels werden Röhrenblöcke üblicherweise über, unter und an den beiden Seiten von Röhren angeordnet, um die gesamte Röhrenanordnung zu bedecken, wie es zum Schutz der Röhren notwendig ist. In einem herkömmlichen Abfallverbrennungsofen werden diese Röhrenblöcke verwendet, um alle Röhrenwände zu umgeben, die den schädlichen Einflüssen der Verbrennungsprodukte ausgesetzt sind.

Die Spalte zwischen den Röhrenblöcken werden bei Verbrennungskesseln offengelassen, damit sie sich unter Wärmeeinfluß ausdehnen können. In Fluidbettkesselanordnungen werden diese Spalte dagegen oft mit Mörtel verschlossen, um eine Abnutzung durch Fluidbettpartikel zu verhindern.

Claims (12)

1. Röhrenblock (16) zum Schutz von in einem Kessel (10) befindlichen und von einem Fluid durchströmten Röhren (12) gegen einen Angriff von in dem Kessel (10) befindlichen Verbrennungsprodukten, dadurch gekennzeichnet, daß
der Röhrenblock (16) ein Röhrenblockelement mit einer Innenfläche und einer Außenfläche aufweist,
die Innenfläche des Röhrenblockelements konkav geformt ist zur Aufnahme wenigstens einer Röhre (12) in dem Kessel (10),
die Innenfläche des Röhrenblockelements sich nach außen erstreckende Vorsprünge zum direkten Kontakt mit wenigstens einer Röhre (12) in dem Kessel (10) aufweist, und
das Röhrenblockelement außerdem eine Vorrichtung aufweist, mit der es an wenigstens einer Röhre (12) in dem Kessel (10) befestigbar ist.

2. Röhrenblock (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge Rippen (32) sind, die sich über die Innenfläche des Röhrenblockelements erstrecken.

3. Röhrenblock (16) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rippen (32) horizontal über die Innenfläche des Röhrenblockelements erstrecken.

4. Röhrenblock (16) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rippen (32) vertikal über die Innenfläche des Röhrenblockelements erstrecken.

5. Röhrenblock (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrenblockelement einen ersten Seitenabschnitt (22), ein mit dem ersten Seitenabschnitt im wesentlichen übereinstimmenden zweiten Seitenabschnitt (24) und einen dazwischenliegenden Mittelabschnitt (26) aufweist, wobei die Innenfläche jedes der beiden Seitenabschnitte (22, 24) konkav geformt ist, um eine Röhre (12) in dem Kessel aufzunehmen.

6. Röhrenblock (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Siliciumcarbid besteht.

7. Röhrenblock (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtung einen Gewindebolzen (28) aufweist.

8. Kessel (10) mit einer Mehrzahl von Fluid enthaltenden Röhren (12), die ein Röhrensystem bilden, dadurch gekennzeichnet, daß
jede Röhre (12) mit einer benachbarten Röhre (12) mittels einer Membran (14) verbunden ist,
eine Mehrzahl von Röhrenblockelementen an Abschnitten des Röhrensystems befestigt ist,
jedes der Röhrenblockelemente eine Innen- und eine Außenfläche aufweist,
die genannte Innenfläche konkav geformt ist, um die Fluid enthaltenden Röhren (12) aufzunehmen, die Innenfläche Vorsprünge (32) aufweist, welche direkt mit den Fluid enthaltenden Röhren (12) in Kontakt stehen,
die Vorsprünge (32) zwischen den Fluid enthaltenden Röhren (12) Vertiefungen (36) bilden,
die Vertiefungen (36) zum Verbinden der Röhrenblockelemente mit einem Abschnitt des Röhrensystems mit einem feuerfesten Mörtel gefüllt sind, und
eine Klemmeinrichtung an den Röhrenblockelementen und dem Röhrensystem angeordnet ist, um die Röhrenblockelemente an wenigstens einem Abschnitt des Röhrensystems zu befestigen.

9. Kessel (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge Rippen (32) sind, die sich über die Innenfläche des Röhrenblockelements erstrecken.

10. Kessel (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrenblockelement Siliciumcarbid enthält.

11. Kessel (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung ein Gewindebolzen (28) ist, der sich zwischen dem Röhrenblockelement und der Verzweigung des Röhrensystems erstreckt.

12. Kessel (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Mörtel Siliciumcarbid enthält.