EP3561385A1 - Feuerfeste wand mit korrosionsschutzschicht - Google Patents

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EP3561385A1
EP3561385A1 EP19170024.4A EP19170024A EP3561385A1 EP 3561385 A1 EP3561385 A1 EP 3561385A1 EP 19170024 A EP19170024 A EP 19170024A EP 3561385 A1 EP3561385 A1 EP 3561385A1
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EP
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base element
refractory
wall
refractory wall
protection layer
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Tobias Kern
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Mokesys AG
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Mokesys AG
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Publication date
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    • F23M2900/05004—Special materials for walls or lining

Definitions

  • the invention relates to a refractory wall, in particular for a combustion furnace, according to the preamble of patent claim 1 and a method for producing such a refractory wall.
  • Such refractory walls are used for example in combustion chambers of combustion plants for the recovery of heat energy of the hot flue gases.
  • Typical representatives of such walls are eg in the CH 699 406 A2 respectively.
  • the usually metallic base element of the wall is often formed as a tube wall and is usually made of webs connected by pipes.
  • the refractory protective lining is pre-set to the pipe wall and is intended to protect the pipe wall from corrosion by flue gases.
  • the refractory protective lining is usually formed in rows and columns side by side or superimposed plates.
  • the protective cover is only arranged on one side of the pipe wall (eg CH 699 406 A2 ) or the protective cover encloses the pipe wall all around (eg WO 2016/109903 A1 ).
  • Protective cover protected base elements are used e.g. Also used in fluidized bed ovens, where it comes to protect a metallic boiler wall from corrosion by flue gases.
  • the base member is formed by the boiler wall.
  • the panels of the protective cover are usually mutually sealed by various measures to some extent to prevent the passage of flue gases.
  • this alone can not completely avoid that corrosive flue gases through the protective lining reach and the underlying base element, so for example, the pipe wall or boiler wall attack.
  • Active ventilated systems are structurally relatively complex because of the required protective gas supply. In addition, energy is consumed for pumping the protective gas under pressure.
  • a refractory wall to be improved so that on the one hand can be dispensed with an active ventilation and on the other hand, a reliable protection of at least one base element is achieved against the corrosive effect of flue gases.
  • a refractory wall in particular for a combustion furnace, comprises at least one base element and a refractory protective lining of refractory plates which is pre-fitted to the at least one base element.
  • the at least one base element has a ceramic corrosion protection layer at least on one side facing the protective lining. Due to the ceramic corrosion protection layer, aggressive flue gases which have penetrated through the protective lining can not attack the at least one base element, so that an active rear ventilation can be omitted.
  • the ceramic corrosion protection layer can cover the at least one base element on a side facing the protective covering entirely or only in regions, for example, if another corrosion protection is provided for certain areas or none at all is required.
  • the ceramic corrosion protection layer has a content of tricalcium aluminate and SiC which is at least 60% by weight.
  • a high temperature resistance and protective effect can be achieved.
  • the corrosion protection layer is a cured or hydraulically set ceramic paste.
  • the corrosion protection layer can be applied as a paste to the (usually metallic) at least one base element relatively simply.
  • the ceramic paste is a mixture of solid components and water and immediately after mixing its constituents, based on the totality of its solid constituents, contains 20-80% by weight, preferably 35-75% by weight, SiC and additionally one portion from 10-50 wt.% Al 2 O 3 , 5-30 wt.% SiO 2 and 1-5 wt.% CaO.
  • the thermal expansion coefficient can be adapted to that of the at least one base element so that the corrosion protection layer reliably adheres to the at least one base element under thermal stress.
  • the coefficient of thermal expansion of the anticorrosive layer differs by no more than 10% from the thermal expansion coefficient of the at least one base element.
  • the anticorrosion layer has a thickness of 0.1-3 mm, preferably 0.9-1.1 mm. This is an advantageous compromise between the anti-corrosive protective effect and the required amount of ceramic paste and optimum heat transfer.
  • the at least one base element is preferably metallic.
  • the at least one base element comprises pipes for the passage of a fluid medium.
  • the at least one base element is designed as a tube wall with tubes connected by webs.
  • Such pipe walls have proven themselves in known refractory walls.
  • the refractory protective lining is arranged at a distance from the at least one base element, wherein a gap is present between the at least one base element and the protective lining. Flue gases that have penetrated through the protective cover can escape through this intermediate space.
  • the refractory plates are attached via at least one plate holder on at least one base element.
  • the refractory plates of the protective cover are arranged in rows and columns next to and above each other. Such an arrangement facilitates the assembly of the protective cover and also the replacement of defective plates.
  • the protective covering encloses the at least one base element advantageously all around, so that the at least one base element is substantially protected on all sides from flue gases.
  • the at least one base element is a boiler wall.
  • the essence of the invention is as follows: By mixing solid components and water, a hydraulically setting ceramic paste is produced.
  • the ceramic paste is applied to at least one base element of a refractory wall as a corrosion protection layer, in particular brushed or sprayed, and the ceramic paste is then brought to hardening or setting.
  • the at least one base element is pre-set after the application of the ceramic paste, a refractory protective cover made of refractory plates.
  • Location and direction designations such as top, bottom, side by side, one above the other, side, vertical, horizontal, height and width refer to the usual vertical insert position of the refractory wall shown in the drawings.
  • any type of, in particular metallic, construction understood may be a metallic vessel wall or an array of (e.g., parallel) tubes through which a fluid medium (e.g., water) is permeable.
  • the basic element is in particular also a pipe wall consisting of several interconnected pipes or a single pipe.
  • first embodiment of an inventive refractory wall is in practical use a part of a Boundary wall of a combustion furnace, with its protective lining is aligned with the interior of the incinerator. The wall is acted upon by one side of hot flue gases.
  • the designated as a whole with W refractory wall comprises a metal tube wall 1 designed as a base element and a refractory protective cover 2, which is the pipe wall 1 is set at a distance, so that between the protective cover 2 and the pipe wall 1 is a gap 3 ( Figures 2 and 4 ), through which air can flow.
  • the tube wall 1 forming the base element consists of a multiplicity of vertical tubes 11 which are used in practice and which are held together by webs 12 at a mutual distance (see in particular FIG Fig. 4 ).
  • the tubes 11 and the webs 12 are usually made of steel.
  • the protective covering 2 consists of a plurality of juxtaposed and superimposed refractory plates 21 arranged in rows and columns.
  • the plates are, for example, ceramic SiC plates, preferably SiC 90 plates having an SiC content of about 90% by weight in the production that are fire resistant up to over 1000 ° C.
  • the plates 21 of the protective cover 2 are fixed to the tube wall 1 by means of plate holders 13.
  • the plate holders 13 are made of heat-resistant steel, for example steel No. 310 according to AISI standard or material No. 1.4845 according to DIN 17440. Also suitable are corrosion-resistant CrNi alloys, in particular with additives such as molybdenum.
  • the plate mounts 13 essentially comprise in each case one bolt which is welded to a web 12 and one nut which is seated on the bolt.
  • the plate holders 13 engage in vertically continuous, inwardly widened grooves 21a (FIG. Fig. 4 ) of the plates 21 and set the distance of the plates 21 to the pipe wall 1 firmly.
  • the plate brackets 13 also serve to support the plates 21 in the vertical direction, the plates 21 with arranged on them (not shown) bridge elements rest on the plate brackets 13.
  • the plates 21 are in the vertical direction in movable to a certain extent so as to allow thermally induced expansion or contraction movements.
  • joints 23 Between the juxtaposed plates 21 extend vertical joints 23 and between the superposed plates 21 are horizontal joints 24.
  • the joints are sealed in a conventional manner by inserted sealing elements and / or an overlapping formation of the plate edges (not shown in detail).
  • the essential difference of the inventive refractory wall over conventional refractory walls of this type is that the pipe wall 1 or generally the (in particular metallic) base element is coated with a ceramic corrosion protection layer 10.
  • the corrosion protection layer 10 is best described in detail. FIG. 4 recognizable.
  • the anticorrosive layer 10 prevents smoke leaks that have penetrated the pipe wall 1 due to leaks in the protective covering 2 into the intermediate space 3 between the protective covering 2 and the pipe wall 1.
  • a structurally complex active ventilation prumping through a gas, eg air, under pressure through the gap 3 of the wall
  • the penetrated flue gases can be removed through the gap 3.
  • the ceramic corrosion protection layer 10 covers here the entire tube wall 1 including the webs 12 between the individual tubes 11. It consists of a hardened or (hydraulically) hardened ceramic paste, which consists of a mixture of different solid constituents and water. Immediately after the mixing of its solid constituents and before the addition of water, the paste contains as the essential constituent 20-80%, preferably 35-75%, SiC. Further constituents at this time are 10-50% Al 2 O 3 , 5-30% SiO 2 and as binder 1-5% CaO. The proportions of these solid components (excluding water) are always chosen to complement each other to 100%. Thereafter, about 6% water (H 2 O) is added (resulting in a total amount of about 106%), whereby a pasty-liquid state of matter is achieved. All percentages are by weight.
  • H 2 O 6% water
  • SiO 2 , Al 2 O 3 and CaO react together with H 2 O, whereby H 2 O is degraded to a large extent (chemically bonded). The rest of the H 2 O evaporates at the latest during operation.
  • the SiC reacts only minimally.
  • the SiO 2 contributes to the strength of the corrosion protection layer.
  • so-called calcium silicate hydrate fibers (Ca 3 S 2 H 3 ) are formed, which combine with the three constituents SiO 2 , Al 2 O 3 and CaO to form the hardened product "tricalcium aluminate".
  • the SiC is merely an aggregate, which is embedded by the tricalcium aluminate and solidifies after setting to the actual ceramic mortar.
  • a ceramic corrosion protection layer is present in which the proportion of tricalcium aluminate and SiC is at least 60% by weight.
  • composition of only the solid constituents of the ceramic paste are (in percentages by weight): SiC SiO 2 Al 2 O 3 CaO 38 17 42 3 49 15 33 3 57 12 28 3 63 10 24 3 72 8th 17 3
  • the grain size of the SiC in the ceramic paste is preferably ⁇ 2 mm, more preferably ⁇ 1 mm.
  • the thickness of the anticorrosion layer 10 is preferably 0.1-3 mm, more preferably 0.9-1.1 mm.
  • the corrosion protection layer 10 adheres to the surface roughness of the metallic pipe wall 1.
  • the corrosion protection layer 10 is painted or sprayed onto the pipe wall 1 as a paste in the production of the wall and then hardens or hydraulically binds. Usually, paste is mixed together and then within 5 min. applied up to 1 hour. After that it is already hardened so far that it can hardly be applied anymore.
  • the composition of the ceramic paste is further selected so that the corrosion protection layer in the cured or hardened state has a similar as possible (at most 10% different) thermal expansion coefficient as the pipe wall or generally the base element.
  • the composition of the paste can advantageously be based on the expected temperature range, which reaches the base element (in this case the metallic pipe wall 1) in use. At higher expected temperatures of the base element, the SiC content is reduced and the (highly heat-resistant) Al 2 O 3 content increased, as the table below shows, for example (percentages by weight here including water): SiC SiO 2 Al 2 O 3 CaO Fe 2 O 3 H 2 O 300 ° C 57 10 25 1 1 6 280 ° C 60 10 22 1 1 6 260 ° C 63 10 19 1 1 6
  • the paste additionally contains a small amount of Fe 2 O 3 , which promotes nitride formation and thereby curing.
  • this proportion is not absolutely necessary and can therefore be omitted.
  • the refractory wall again comprises a base element formed as a metallic tube wall 1 and a refractory protective covering 20, which is set at four sides at a distance from the tube wall 1, so that there is a gap 3 between the protective covering 20 and the tube wall 1 ( FIGS. 6 and 8th ).
  • the tube wall 1 forming the base element again comprises a multiplicity of vertical tubes 11 which are used in practice and which are held together by webs 12 at a mutual distance (see in particular FIG Fig. 8 ).
  • the protective cover 20 is analogous to the in the Figures 1-4 illustrated embodiment of a plurality of side by side and one above the other, arranged in rows and columns refractory plates 21 and 22 which are fixed to the pipe wall 1 by means of plate holders 13.
  • the protective cover 20 In contrast to the first embodiment encloses in this embodiment, the protective cover 20, the pipe wall 1 completely around.
  • substantially flat plates 21 are arranged as in the first embodiment and in addition are arranged along the lateral end edges of the tube wall 1 in cross-section substantially U-shaped plates 22 which surround the lateral end edges of the tube wall 1, so the protective covering 20 forms a closed envelope around the pipe wall 1, whereby a gap 3 remains between the pipe wall and the protective covering 20 around the pipe wall 1.
  • the plates 22 are also fastened to the tube wall 1 by means of plate holders 13, these plate holders being made into vertically continuous, inwardly widened grooves 22a (FIG. Fig. 8 ) of the plates 22 engage.
  • this embodiment corresponds to a novel wall in its basic structure and in its operation, for example, in the WO 2016/109903 A1 described conventional wall.
  • the design of the refractory plates and the plate mounts what has been said in connection with the first embodiment applies. The expert therefore needs with respect to the second embodiment so far no further explanation.
  • the essential difference of the inventive refractory wall over conventional refractory walls of this type is also in this second embodiment is that the tube wall 1 or generally the base member is coated with a ceramic corrosion protection layer 10, which prevents from leaks in the protective cover 20 in the space 3 between the protective cover 20 and the pipe wall 1 penetrated flue gas can attack the pipe wall 1.
  • the corrosion protection layer 10 is best described in detail. FIG. 8 recognizable. With regard to the anticorrosion layer 10 and its underlying ceramic paste is again explained in connection with the first embodiment.
  • the at least one base element can also comprise an arrangement of two or more pipes which are not connected by webs, the pipes being coated again with the already mentioned ceramic corrosion protection layer.
  • Metallic base elements consisting of unconnected pipes (without anticorrosion layer) are, for example, in EP 2 754 961 A2 described.
  • the at least one base element may also be formed by a metallic boiler wall, this boiler wall, the protective cover is set at a distance.
  • the boiler wall has a ceramic corrosion protection layer only on its side facing the protective covering.

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Abstract

Eine feuerfeste Wand (W), insbesondere für einen Verbrennungsofen, umfasst ein, insbesondere metallisches, Basiselement (1) und eine dem Basiselement (1) vorgesetzte feuerfeste Schutzverkleidung (2) aus feuerfesten Platten (21). Zum Schutz gegen durch die Schutzverkleidung (2) hindurchgetretene Rauchgase weist das Basiselement (1) zumindest an einer der Schutzverkleidung (2) zugewandten Seite eine keramische Korrosionsschutzschicht (10) auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine feuerfeste Wand, insbesondere für einen Verbrennungsofen, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen feuerfesten Wand.
  • Solche feuerfesten Wände werden z.B. in Feuerräumen von Verbrennungsanlagen zur Rückgewinnung von Wärmeenergie der heissen Rauchgase eingesetzt. Prinzipiell ist zu unterscheiden zwischen Wänden, die im praktischen Einsatz einen Teil der Begrenzungswände eines Verbrennungsofens bilden, und Wänden, die im praktischen Einsatz innerhalb des Verbrennungsofens z.B. hängend angeordnet und mehrseitig von Rauchgas beaufschlagt sind. Typische Vertreter solcher Wände sind z.B. in der CH 699 406 A2 bzw. WO 2016/109903 A1 beschrieben.
  • Das üblicherweise metallische Basiselement der Wand ist oft als Rohrwand ausgebildet und besteht in der Regel aus durch Stege verbundenen Rohren. Die feuerfeste Schutzverkleidung ist der Rohrwand vorgesetzt und soll die Rohrwand vor Korrosion durch Rauchgase schützen. Die feuerfeste Schutzverkleidung ist in der Regel aus in Reihen und Spalten neben- bzw. übereinander angeordneten Platten gebildet. Je nach Einsatzzweck ist die Schutzverkleidung nur auf einer Seite der Rohrwand angeordnet (z.B. CH 699 406 A2 ) oder die Schutzverkleidung umschliesst die Rohrwand ringsum (z.B. WO 2016/109903 A1 ).
  • Durch eine Schutzverkleidung geschützte Basiselemente werden z.B. auch bei Wirbelschichtöfen eingesetzt, wo es darum geht, eine metallische Kesselwand vor Korrosion durch Rauchgase zu schützen. In diesem Fall ist das Basiselement durch die Kesselwand gebildet.
  • Die Platten der Schutzverkleidung sind in der Regel durch verschiedene Massnahmen bis zu einem gewissen Grad gegenseitig abgedichtet, um den Durchtritt von Rauchgasen zu verhindern. Allerdings lässt es sich in der Praxis dadurch allein nicht vollständig vermeiden, dass korrosive Rauchgase durch die Schutzverkleidung gelangen und das dahinter liegende Basiselement, also z.B. die Rohrwand oder Kesselwand, angreifen können.
  • Sogenannte aktiv hinterlüftete Systeme begegnen diesem Problem dadurch, dass durch den Zwischenraum zwischen dem Basiselement und der im Abstand vorgesetzten Schutzverkleidung ein Schutzgas - im allgemeinen Luft - durchgepumpt wird. Das Gas bzw. die Luft steht dabei gegenüber dem Feuerraum des Verbrennungsofens unter einem leichten Überdruck, wodurch verhindert wird, dass die Rauchgase aus dem Feuerraum in den Wandzwischenraum eindringen und das metallische Basiselement angreifen können. Typische Beispiele solcher hinterlüfteten Systeme sind z.B. in der CH 699 406 A2 bzw. WO 2016/109903 A1 sowie auch in der EP 2 754 961 A2 beschrieben.
  • Aktiv hinterlüftete Systeme sind wegen der erforderlichen Schutzgaszufuhr konstruktiv relativ aufwändig. Ausserdem wird für das Durchpumpen des Schutzgases unter Überdruck auch Energie verbraucht.
  • Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine feuerfeste Wand dahingehend verbessert werden, dass einerseits auf eine aktive Hinterlüftung verzichtet werden kann und anderseits trotzdem ein zuverlässiger Schutz des mindestens einen Basiselements vor der korrosiven Wirkung von Rauchgasen erreicht wird.
  • Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die erfindungsgemässe feuerfeste Wand gelöst, wie sie im unabhängigen Patentanspruch 1 definiert ist. Patentanspruch 15 definiert ein Verfahren zur Herstellung einer solchen feuerfesten Wand. Besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Das Wesen der Erfindung besteht im Folgenden: Eine feuerfeste Wand, insbesondere für einen Verbrennungsofen, umfasst mindestens ein Basiselement und eine dem mindestens einen Basiselement vorgesetzte feuerfeste Schutzverkleidung aus feuerfesten Platten. Das mindestens eine Basiselement weist zumindest an einer der Schutzverkleidung zugewandten Seite eine keramische Korrosionsschutzschicht auf. Durch die keramische Korrosionsschutzschicht können durch die Schutzverkleidung eingedrungene aggressive Rauchgase das mindestens eine Basiselement nicht angreifen, so dass eine aktive Hinterlüftung wegfallen kann.
  • Die keramische Korrosionsschutzschicht kann das mindestens eine Basiselement an einer der Schutzverkleidung zugewandten Seite ganz oder auch nur bereichsweise bedecken, beispielsweise wenn für gewisse Bereiche ein anderer Korrosionsschutz vorgesehen ist oder gar keiner benötigt wird.
  • Vorzugsweise weist die keramische Korrosionsschutzschicht einen Anteil an Tricalciumaluminat und SiC auf, der mindestens 60 Gew.% beträgt. So kann eine hohe Temperaturfestigkeit und Schutzwirkung erreicht werden.
  • Vorteilhafterweise ist die Korrosionsschutzschicht eine ausgehärtete bzw. hydraulisch abgebundene keramische Paste. Dadurch lässt sich die Korrosionsschutzschicht als Paste relativ einfach auf das (in der Regel metallische) mindestens eine Basiselement aufbringen.
  • Vorzugsweise ist die keramische Paste eine Mischung von festen Bestandteilen und Wasser und enthält unmittelbar nach dem Mischen ihrer Bestandteile bezogen auf die Gesamtheit ihrer festen Bestandteile einen Anteil von 20-80 Gew.%, vorzugsweise 35-75 Gew.%, SiC und zusätzlich einen Anteil von 10-50 Gew.% Al2O3, 5-30 Gew.% SiO2 und 1-5 Gew.% CaO. Mit diesen Zusammensetzungen kann einerseits eine hohe Temperaturfestigkeit und Schutzwirkung erreicht werden und anderseits kann der thermische Ausdehnungskoeffizient an denjenigen des mindestens einen Basiselements angepasst werden, so dass die Korrosionsschutzschicht bei thermischer Belastung sicher auf dem mindestens einen Basiselement haften bleibt. Vorteilhafterweise weicht dabei der thermische Ausdehnungskoeffizient der Korrosionsschutzschicht um nicht mehr als 10% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des mindestens einen Basiselements ab.
  • Vorteilhafterweise weist die Korrosionsschutzschicht eine Dicke von 0,1 - 3 mm, vorzugsweise 0,9 - 1,1 mm auf. Dies ist ein vorteilhafter Kompromiss zwischen der antikorrosiven Schutzwirkung und der benötigten Menge an keramischer Paste und der optimalen Wärmeübertragung.
  • Das mindestens eine Basiselement ist vorzugsweise metallisch.
  • Zweckmässigerweise umfasst das mindestens eine Basiselement Rohre zur Durchleitung eines fluiden Mediums.
  • Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Basiselement als Rohrwand mit durch Stege verbundenen Rohren ausgebildet. Solche Rohrwände haben sich in bekannten feuerfesten Wänden bewährt.
  • Vorteilhafterweise ist die feuerfeste Schutzverkleidung im Abstand zum mindestens einen Basiselement angeordnet, wobei zwischen dem mindestens einen Basiselement und der Schutzverkleidung ein Zwischenraum vorhanden ist. Durch die Schutzverkleidung eingedrungene Rauchgase können durch diesen Zwischenraum abziehen.
  • Zweckmässigerweise sind die feuerfesten Platten über je mindestens eine Plattenhalterung am mindestens einen Basiselement befestigt.
  • Vorzugsweise sind die feuerfesten Platten der Schutzverkleidung in Reihen und Spalten neben- und übereinander angeordnet. Eine solche Anordnung erleichtert den Zusammenbau der Schutzverkleidung und auch den Austausch defekter Platten.
  • Für den Einsatz der feuerfesten Wand im Innenraum eines Verbrennungsofens umschliesst die Schutzverkleidung das mindestens eine Basiselement vorteilhafterweise ringsum, so dass das mindestens eine Basiselement im Wesentlichen allseitig vor Rauchgasen geschützt ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist das mindestens eine Basiselement eine Kesselwand.
  • Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung einer feuerfesten Wand besteht das Wesen der Erfindung in Folgendem: Durch Mischen von festen Bestandteilen und Wasser wird eine hydraulisch abbindende keramische Paste hergestellt. Die keramische Paste wird auf mindestens ein Basiselement einer feuerfesten Wand als Korrosionsschutzschicht aufgetragen, insbesondere aufgestrichen oder aufgespritzt, und die keramische Paste wird dann zum Aushärten bzw. Abbinden gebracht. Dem mindestens einen Basiselement wird nach dem Auftragen der keramischen Paste eine feuerfeste Schutzverkleidung aus feuerfesten Platten vorgesetzt.
  • Das Auftragen einer keramischen Paste ist wesentlich einfacher und kostengünstiger als z.B. das Aufschweissen von Schutzlegierungen.
  • Die bezüglich der erfindungsgemässen feuerfesten Wand genannten Ausführungsvarianten und Vorteile gelten entsprechend auch für das Verfahren zur Herstellung einer solchen feuerfesten Wand.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen detaillierter beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    - einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen feuerfesten Wand in Aufsicht;
    Fig. 2
    - einen Längsschnitt des Ausschnitts der Fig. 1 gemäss der Linie II-II der Fig. 3;
    Fig. 3
    - einen Querschnitt des Ausschnitts der Fig. 1 gemäss der Linie III-III der Fig. 1;
    Fig. 4
    - einen vergrösserten Detailausschnitt aus Fig. 3;
    Fig. 5
    - einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen feuerfesten Wand in Aufsicht;
    Fig. 6
    - einen Längsschnitt des Ausschnitts der Fig. 5 gemäss der Linie VI-VI der Fig. 7;
    Fig. 7
    - einen Querschnitt des Ausschnitts der Fig. 5 gemäss der Linie VII-VII der Fig. 5 und
    Fig. 8
    - einen vergrösserten Detailausschnitt aus Fig. 7.
  • Für die nachstehende Beschreibung gilt die folgende Festlegung: Sind in einer Figur zum Zweck zeichnerischer Eindeutigkeit Bezugszeichen angegeben, aber im unmittelbar zugehörigen Beschreibungsteil nicht erwähnt, so wird auf deren Erläuterung in vorangehenden oder nachfolgenden Beschreibungsteilen verwiesen. Umgekehrt sind zur Vermeidung zeichnerischer Überladung für das unmittelbare Verständnis weniger relevante Bezugszeichen nicht in allen Figuren eingetragen. Hierzu wird auf die jeweils übrigen Figuren verwiesen.
  • Lage- und Richtungsbezeichnungen, wie z.B. oben, unten, nebeneinander, übereinander, seitlich, vertikal, horizontal, Höhe und Breite beziehen sich auf die übliche, in den Zeichnungen dargestellte vertikale Einsatzposition der feuerfesten Wand.
  • Als Basiselement wird im Zusammenhang mit der Erfindung jede Art von, insbesondere metallischer, Konstruktion verstanden. Insbesondere kann dies eine metallische Kesselwand sein oder eine Anordnung von (z.B. parallelen) Rohren, durch welche ein fluides Medium (z.B. Wasser) durchleitbar ist. Als Basiselement ist insbesondere auch eine aus mehreren untereinander verbundenen Rohren bestehende Rohrwand oder ein einzelnes Rohr zu verstehen.
  • Das in den Figuren 1-4 dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen feuerfesten Wand stellt im praktischen Einsatz einen Teil einer Begrenzungswand eines Verbrennungsofens dar, wobei ihre Schutzverkleidung zum Inneren des Verbrennungsofens ausgerichtet ist. Die Wand wird dabei einseitig von heissen Rauchgasen beaufschlagt.
  • Die als Ganze mit W bezeichnete feuerfeste Wand umfasst ein als metallische Rohrwand 1 ausgebildetes Basiselement und eine feuerfeste Schutzverkleidung 2, die der Rohrwand 1 im Abstand vorgesetzt ist, sodass sich zwischen der Schutzverkleidung 2 und der Rohrwand 1 ein Zwischenraum 3 befindet (Figuren 2 und 4), durch den Luft strömen kann.
  • Die das Basiselement bildende Rohrwand 1 besteht aus einer Vielzahl von im praktischen Einsatz vertikalen Rohren 11, welche durch Stege 12 in gegenseitigem Abstand zusammengehalten sind (siehe insbesondere Fig. 4). Die Rohre 11 und die Stege 12 bestehen üblicherweise aus Stahl.
  • Die Schutzverkleidung 2 besteht aus einer Vielzahl von neben- und übereinander, in Reihen und Spalten angeordneten feuerfesten Platten 21. Die Platten sind beispielsweise keramische SiC-Platten, vorzugsweise SiC 90-Platten mit einem SiC-Gehalt von ungefähr 90 Gew.% in der Herstellung, die bis über 1000°C feuerbeständig sind.
  • Die Platten 21 der Schutzverkleidung 2 sind an der Rohrwand 1 mittels Plattenhalterungen 13 befestigt. Die Plattenhalterungen 13 bestehen beispielsweise aus hitzebeständigem Stahl, z.B. Stahl Nr. 310 nach AISI-Norm oder Werkstoff Nr. 1.4845 nach DIN 17440. Geeignet sind auch korrosionsbeständige CrNi-Legierungen, insbesondere mit Zusatzstoffen wie z.B. Molybdän. Die Plattenhalterungen 13 umfassen im Wesentlichen je einen an einem Steg 12 angeschweissten Schraubbolzen und eine auf dem Schraubbolzen sitzende Mutter. Die Plattenhalterungen 13 greifen in vertikal durchgehende, nach innen erweiterte Nuten 21a (Fig. 4) der Platten 21 ein und legen den Abstand der Platten 21 zur Rohrwand 1 fest. Die Plattenhalterungen 13 dienen ebenfalls zur Stützung der Platten 21 in vertikaler Richtung, wobei die Platten 21 mit an ihnen angeordneten (nicht dargestellten) Brückenelementen auf den Plattenhalterungen 13 aufliegen. Die Platten 21 sind dabei in vertikaler Richtung in gewissem Masse beweglich, um so thermisch bedingte Ausdehnungs- bzw. Kontraktionsbewegungen zuzulassen.
  • Zwischen den nebeneinander angeordneten Platten 21 verlaufen vertikale Trennfugen 23 und zwischen den übereinander angeordneten Platten 21 befinden sich horizontale Trennfugen 24. Die Trennfugen sind in an sich bekannter Weise durch eingelegte Dichtelemente und/oder eine überlappende Ausbildung der Plattenränder abgedichtet (nicht im Detail dargestellt).
  • Soweit entspricht die erfindungsgemässe feuerfeste Wand in ihrem grundsätzlichen Aufbau und in ihrer Funktionsweise herkömmlichen Wänden dieser Art, wie sie z.B. in der CH 699 406 A2 , WO 2016/086322 A1 und WO 2016/109904 A1 in allen Einzelheiten, insbesondere auch bezüglich der Ausbildung der feuerfesten Platten, beschrieben sind. Der Fachmann bedarf also soweit keiner näheren Erläuterung.
  • Der wesentliche Unterschied der erfindungsgemässen feuerfesten Wand gegenüber herkömmlichen feuerfesten Wänden dieser Art besteht darin, dass die Rohrwand 1 oder allgemein das (insbesondere metallische) Basiselement mit einer keramischen Korrosionsschutzschicht 10 überzogen ist. Die Korrosionsschutzschicht 10 ist am besten in der Detail-Figur 4 erkennbar. Die Korrosionsschutzschicht 10 verhindert, dass durch Undichtigkeiten in der Schutzverkleidung 2 in den Zwischenraum 3 zwischen der Schutzverkleidung 2 und der Rohrwand 1 eingedrungene Rauchgase die Rohrwand 1 angreifen können. Dadurch kann eine konstruktiv aufwändige aktive Hinterlüftung (Durchpumpen eines Gases, z.B. Luft, unter Überdruck durch den Zwischenraum 3 der Wand) wegfallen. Die eingedrungenen Rauchgase können durch den Zwischenraum 3 abziehen.
  • Die keramische Korrosionsschutzschicht 10 bedeckt hier die gesamte Rohrwand 1 inklusive den Stegen 12 zwischen den einzelnen Rohren 11. Sie besteht aus einer ausgehärteten bzw. (hydraulisch) abgebundenen keramischen Paste, die aus einer Mischung von verschiedenen festen Bestandteilen und Wasser besteht. Unmittelbar nach dem Mischen ihrer festen Bestandteile und noch vor der Beifügung von Wasser enthält die Paste als wesentlichsten Bestandteil 20-80 %, vorzugsweise 35-75 %, SiC. Weitere Bestandteile zu diesem Zeitpunkt sind 10-50 % Al2O3, 5-30 % SiO2 und als Bindemittel 1-5 % CaO. Die Mengenanteile dieser festen Bestandteile (ohne Berücksichtigung des Wassers) sind immer so gewählt, dass sie sich auf 100 % ergänzen. Danach wird noch etwa 6 % Wasser (H2O) beigefügt (so dass sich eine Gesamtmenge von etwa 106 % ergibt), wodurch ein pastös-flüssiger Aggregatzustand erreicht wird. Alle Prozentangaben sind Gewichtsprozente.
  • SiO2, Al2O3 und CaO reagieren zusammen mit H2O, wobei H2O zu einem grossen Teil abgebaut (chemisch gebunden) wird. Der Rest des H2O verdunstet spätestens im Betrieb. Das SiC reagiert nur minim. Das SiO2 trägt u.a. zur Festigkeit der Korrosionsschutzschicht bei. Bei der Hydratation (dem Abbinden) entstehen (wachsen) sogenannte Calciumsilikathydratfasern (Ca3S2H3), welche sich mit den drei Bestandteilen SiO2, Al2O3 und CaO verbinden, wobei das erhärtete Produkt "Tricalciumaluminat" entsteht. Das SiC stellt lediglich einen Zuschlagstoff dar, welcher vom Tricalciumaluminat eingebettet wird und nach dem Abbinden zum eigentlichen keramischen Mörtel erstarrt. Nach dem Abbinden liegt eine keramische Korrosionsschutzschicht vor, bei der der Anteil an Tricalciumaluminat und SiC mindestens 60 Gew.% beträgt.
  • Konkrete Beispiele für die Zusammensetzung nur der festen Bestandteile der keramischen Paste sind (Angaben in Gewichtsprozenten):
    SiC SiO2 Al2O3 CaO
    38 17 42 3
    49 15 33 3
    57 12 28 3
    63 10 24 3
    72 8 17 3
  • Die Korngrösse des SiC in der keramischen Paste ist vorzugsweise < 2 mm, noch bevorzugter < 1 mm. Die Dicke der Korrosionsschutzschicht 10 beträgt vorzugsweise 0,1 - 3 mm, noch bevorzugter 0,9 - 1,1 mm. Die Korrosionsschutzschicht 10 haftet an den Oberflächenrauigkeiten der metallischen Rohrwand 1.
  • Die Korrosionsschutzschicht 10 wird bei der Herstellung der Wand als Paste auf die Rohrwand 1 aufgestrichen oder aufgespritzt und härtet dann aus bzw. bindet hydraulisch ab. Üblicherweise wird Paste zusammengemischt und dann innert 5 min. bis 1 Stunde aufgetragen. Danach ist sie bereits soweit ausgehärtet, dass sie kaum mehr aufgetragen werden kann.
  • Die Zusammensetzung der keramischen Paste ist ferner so gewählt, dass die Korrosionsschutzschicht im ausgehärteten bzw. abgebundenen Zustand einen möglichst ähnlichen (höchstens 10% abweichenden) thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Rohrwand bzw. allgemein das Basiselement aufweist. Die Zusammensetzung der Paste kann sich dabei vorteilhafterweise nach dem erwarteten Temperaturbereich richten, den das Basiselement (hier also die metallische Rohrwand 1) im Einsatz erreicht. Bei höheren zu erwartenden Temperaturen des Basiselements wird der SiC-Anteil reduziert und der (hoch hitzebeständige) Al2O3-Anteil erhöht, wie die nachstehende Tabelle beispielsweise zeigt (Gewichtsprozente hier inklusive Wasser):
    SiC SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 H2O
    300°C 57 10 25 1 1 6
    280°C 60 10 22 1 1 6
    260°C 63 10 19 1 1 6
  • In den Beispielen der vorstehenden Tabelle enthält die Paste zusätzlich noch einen geringen Anteil an Fe2O3, welcher die Nitridbildung und dadurch die Härtung unterstützt. Dieser Anteil ist aber nicht unbedingt erforderlich und kann daher auch weggelassen sein.
  • Das in den Figuren 5-8 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen feuerfesten Wand ist dafür vorgesehen, im praktischen Einsatz als Wärmetauscher im Inneren eines Verbrennungsofens angeordnet zu sein, wobei die Wand mehrseitig von heissen Rauchgasen beaufschlagt wird. Sie ist prinzipiell ähnlich aufgebaut wie die feuerfeste Wand der Figuren 1-4, jedoch mit dem Unterschied, dass ihr Basiselement, also die Rohrwand, vierseitig bzw. ringsum durch eine feuerfeste Schutzverkleidung geschützt ist.
  • Die feuerfeste Wand umfasst wieder ein als metallische Rohrwand 1 ausgebildetes Basiselement und eine feuerfeste Schutzverkleidung 20, die der Rohrwand 1 vierseitig im Abstand vorgesetzt ist, sodass sich zwischen der Schutzverkleidung 20 und der Rohrwand 1 ein Zwischenraum 3 befindet (Figuren 6 und 8).
  • Die das Basiselement bildende Rohrwand 1 besteht wieder aus einer Vielzahl von im praktischen Einsatz vertikalen Rohren 11, welche durch Stege 12 in gegenseitigem Abstand zusammengehalten sind (siehe insbesondere Fig. 8).
  • Die Schutzverkleidung 20 besteht analog zum in den Figuren 1-4 dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Vielzahl von neben- und übereinander, in Reihen und Spalten angeordneten feuerfesten Platten 21 und 22, die an der Rohrwand 1 mittels Plattenhalterungen 13 befestigt sind. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel umschliesst bei diesem Ausführungsbeispiel die Schutzverkleidung 20 die Rohrwand 1 ringsum vollständig. An den beiden gegenüberliegenden Längsseiten der Rohrwand 1 sind wie beim ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen ebene Platten 21 angeordnet und zusätzlich sind längs der seitlichen Endränder der Rohrwand 1 im Querschnitt im Wesentlichen U-förmige Platten 22 angeordnet, welche die seitlichen Endränder der Rohrwand 1 umschliessen, so dass die Schutzverkleidung 20 eine geschlossene Hülle um die Rohrwand 1 bildet, wobei rings um die Rohrwand 1 ein Zwischenraum 3 zwischen der Rohrwand und der Schutzverkleidung 20 verbleibt. Auch die Platten 22 sind mittels Plattenhalterungen 13 an der Rohrwand 1 befestigt, wobei diese Plattenhalterungen in vertikal durchgehende, nach innen erweiterte Nuten 22a (Fig. 8) der Platten 22 eingreifen.
  • Soweit entspricht dieses Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Wand in ihrem grundsätzlichen Aufbau und in ihrer Funktionsweise der beispielsweise in der WO 2016/109903 A1 beschriebenen herkömmlichen Wand. Bezüglich der Ausbildung der feuerfesten Platten und der Plattenhalterungen gilt das im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel Gesagte. Der Fachmann bedarf daher bezüglich des zweiten Ausführungsbeispiels soweit keiner näheren Erläuterung.
  • Der wesentliche Unterschied der erfindungsgemässen feuerfesten Wand gegenüber herkömmlichen feuerfesten Wanden dieser Art besteht auch bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel darin, dass die Rohrwand 1 oder allgemein das Basiselement mit einer keramischen Korrosionsschutzschicht 10 überzogen ist, welche verhindert, dass durch Undichtigkeiten in der Schutzverkleidung 20 in den Zwischenraum 3 zwischen der Schutzverkleidung 20 und der Rohrwand 1 eingedrungenes Rauchgas die Rohrwand 1 angreifen kann. Die Korrosionsschutzschicht 10 ist am besten in der Detail-Figur 8 erkennbar. Hinsichtlich der Korrosionsschutzschicht 10 und der ihr zugrundeliegenden keramischen Paste gilt wieder das im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel Erläuterte.
  • Das mindestens eine Basiselement kann auch eine Anordnung von zwei oder mehreren, nicht über Stege verbundenen Rohren umfassen, wobei die Rohre wieder mit der schon erwähnten keramischen Korrosionsschutzschicht überzogen sind. Aus unverbundenen Rohren bestehende metallische Basiselemente (ohne Korrosionsschutzschicht) sind z.B. in der EP 2 754 961 A2 beschrieben.
  • Das mindestens eine Basiselement kann auch durch eine metallische Kesselwand gebildet sein, wobei dieser Kesselwand die Schutzverkleidung im Abstand vorgesetzt ist. In diesem Fall weist die Kesselwand nur auf ihrer der Schutzverkleidung zugewandten Seite eine keramische Korrosionsschutzschicht auf.

Claims (15)

  1. Feuerfeste Wand (W), insbesondere für einen Verbrennungsofen, mit mindestens einem Basiselement (1) und einer dem mindestens einen Basiselement (1) vorgesetzten feuerfesten Schutzverkleidung (2; 20) aus feuerfesten Platten (21, 22), dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Basiselement (1) zumindest an einer der Schutzverkleidung (2; 20) zugewandten Seite eine keramische Korrosionsschutzschicht (10) aufweist.
  2. Feuerfeste Wand (W) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Korrosionsschutzschicht (10) einen Anteil an Tricalciumaluminat und SiC aufweist, der mindestens 60 Gew.% beträgt.
  3. Feuerfeste Wand (W) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (10) eine hydraulisch abgebundene keramische Paste ist.
  4. Feuerfeste Wand (W) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste eine Mischung von festen Bestandteilen und Wasser ist und unmittelbar nach dem Mischen ihrer Bestandteile bezogen auf die Gesamtheit ihrer festen Bestandteile einen Anteil von 20-80 Gew.%, vorzugsweise 35-75 Gew.%, SiC enthält.
  5. Feuerfeste Wand (W) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste unmittelbar nach dem Mischen ihrer Bestandteile bezogen auf die Gesamtheit ihrer festen Bestandteile einen Anteil von 10-50 Gew.% Al2O3, 5-30 Gew.% SiO2 und 1-5 Gew.% CaO enthält.
  6. Feuerfeste Wand (W) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (10) eine Dicke von 0,1 - 3 mm, vorzugsweise 0,9 - 1,1 mm, aufweist.
  7. Feuerfeste Wand (W) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (10) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der nicht mehr als 10% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des mindestens einen Basiselements (1) abweicht.
  8. Feuerfeste Wand (W) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Basiselement (1) metallisch ist.
  9. Feuerfeste Wand (W) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Basiselement (1) Rohre (11) zur Durchleitung eines fluiden Mediums umfasst.
  10. Feuerfeste Wand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Basiselement (1) als Rohrwand mit durch Stege (12) verbundenen Rohren (11) ausgebildet ist.
  11. Feuerfeste Wand (W) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die feuerfeste Schutzverkleidung (2; 20) im Abstand zum mindestens einen Basiselement (1) angeordnet ist, wobei zwischen dem mindestens einen Basiselement (1) und der Schutzverkleidung (2; 20) ein Zwischenraum (3) vorhanden ist.
  12. Feuerfeste Wand (W) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die feuerfesten Platten (21, 22) über je mindestens eine Plattenhalterung (13) am mindestens einen Basiselement (1) befestigt sind.
  13. Feuerfeste Wand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzverkleidung (20) das mindestens eine Basiselement (1) ringsum umschliesst.
  14. Feuerfeste Wand (W) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Basiselement (1) eine Kesselwand ist.
  15. Verfahren zur Herstellung einer feuerfesten Wand (W) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Mischen von festen Bestandteilen und Wasser eine hydraulisch abbindende keramische Paste hergestellt wird, dass diese Paste als Korrosionsschutzschicht auf das mindestens eine Basiselement (1) aufgetragen, insbesondere aufgestrichen oder aufgespritzt, wird und dann zum Aushärten gebracht wird, und dass dem mindestens einen Basiselement (1) nach dem Auftragen der keramischen Paste eine feuerfeste Schutzverkleidung (2; 20) aus feuerfesten Platten (21, 22) vorgesetzt wird.
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