GASWÄRME International 3/2007 - Aichelin

VULKAN-VERLAG · ESSEN 3
2007
GASWÄRME
International
http://www.gaswaerme-online.de
Schwerpunkt
Verbrennungstechnik
Prozessoptimierung an einem Herdwagenofen durch
Einsatz keramischer Rekuperatorbrenner
Use of ceramic recuperator burners for process optimization of a hearth bogie furnace
Dipl.-Ing. (FH) Dirk Mäder, AICHELIN Entwicklungszentrum und Aggregatebau Gesellschaft mbH, Vertriebsbüro Hagen
Dr.-Ing. Roland Rakette, AICHELIN Entwicklungszentrum und Aggregatebau Gesellschaft mbH, Oederan
Dipl.-Ing. Stefan Schlager, Schlager Industrieofenbau GmbH, Hagen
erschienen in
GASWÄRME International 3/2007
Vulkan-Verlag GmbH, Essen
Ansprechpartner: Stephan Schalm, Telefon 0201/82002-12, E-Mail: s.schalm@vulkan-verlag.de

Fachberichte
Prozessoptimierung an einem Herdwagenofen
durch Einsatz keramischer Rekuperatorbrenner
Use of ceramic recuperator burners for process optimization of a hearth bogie furnace
Anhand des Neubaus eines Herdwagenofens, der zur Wärmebehandlung dient, werden Optimierungspotentiale aufgezeigt. Der Einsatz
moderner Rekuperatorbrenner, die im vorliegenden Fall zur direkten Beheizung eingesetzt werden, begünstigt das Ausschöpfen dieser
Potentiale. Es wird auf die Brenner- und Ofentechnik eingegangen sowie über erste Betriebserfahrungen berichtet. Viele der aufgezeigten
Maßnahmen lassen sich analog auf andere Ofentypen und Altanlagen übertragen. Der engen Zusammenarbeit zwischen Brennerhersteller,
Ofenbauer und Betreiber kommt bei der Prozessoptimierung eine tragende Rolle zu.
Potentials for optimization are outlined using the example of a new hearth bogie furnace for a heat-treatment installation. The use of
modern recuperator burners which, in this case, are employed for direct heating, favors the exhaustive exploitation of these potentials.
The burner and furnace technologies are examined in detail, and initial operating experience is reported. Many of the provisions outlined
can be applied analogously to other furnace types, including existing installations. Close cooperation between the burner manufacturer,
the furnace engineer and the operator plays a vital role in process optimization.
S
teigende Ansprüche der Betreiber an
die zentralen Eigenschaften einer Thermoprozessanlage
wie z. B. Gasverbrauch,
Temperaturgenauigkeit, Ofenatmosphäre,
oder Störungsunanfälligkeit stellen höchste
Anforderungen an den Brennerhersteller
und den Ofenbauer, die durch gemeinsame
Arbeit zur Prozessoptimierung und damit
zur Verbesserung der Eigenschaften
des Endproduktes beitragen können.
Dies wird am Beispiel eines mit 18 keramischen
Rekuperatorbrennern direkt beheizten
Herdwagenofens (Nutzraum: 2 300 x
1 500 x 9 700 mm, Temperaturbereich:
500–1200 °C, Temperaturgenauigkeit:
+/- 5 K, Beheizung: 18 x Rekuperator-
Hochgeschwindigkeitsbrenner NOXMAT ®
K-RHGB160, Gesamtanschlussleistung:
2.880 kW, Max. Beladung: 20 000 kg) näher
erläutert (Bild 1).
Der erste Herdwagenofen wurde Anfang
2006 in Betrieb genommen und ist seitdem
ununterbrochen in Produktion. Im Februar
2007 wurde der zweite, annähernd baugleiche
Ofen aufgestellt.
Brennertechnik
Bild 1:
Herdwagenöfen
HW65-2700-1200
Fig. 1:
HW65-2700-1200
bogie hearth furnaces
Bei der direkten Beheizung müssen die
Rauchgase aus dem Ofenraum über den
Brenner abgesaugt werden. Dies geschieht
mithilfe eines Ejektors, der am Abgasstutzen
des Brenners angebaut wird. Der Ejektor
erzeugt am Abgasstutzen einen Unterdruck,
wodurch die Rauchgase aus dem
Ofenraum gesaugt werden. Der notwendige
Ejektorluft-Volumenstrom wird der zentralen
Verbrennungsluftleitung entnommen.
Damit die Rauchgase unmittelbar am Rekuperator
entlang strömen, wird der Brenner
mit einem Abgasführungsrohr ausgerüstet.
Um bei abgeschaltetem Brenner ungewolltes
Strömen heißer Ofenraumatmosphäre
durch den Brenner und damit dessen Aufheizen
zu verhindern, wird der Ejektor ausgangseitig
mit einer Abgasklappe ausgestattet.
Bei Brennerabschaltung wird diese
geschlossen.
Die Verbrennungsluft strömt vollständig an
der Innenseite des Rekuperators entlang.
Sie wird dabei durch die heißen Abgase
vorgewärmt, die an der Außenseite des Re-
Dipl.-Ing. (FH) Dirk Mäder
AICHELIN Entwicklungszentrum
und Aggregatebau Gesellschaft
mbH, Vertriebsbüro Hagen
Dr.-Ing. Roland Rakette
AICHELIN Entwicklungszentrum
und Aggregatebau Gesellschaft
mbH, Oederan
Dipl.-Ing. Stefan Schlager
Schlager Industrieofenbau
GmbH, Hagen
Tel. 0 23 34/44 23 58
E-Mail:
maeder@noxmat.de
Tel. 03 72 92/6 50 30
E-Mail:
drrakette@noxmat.de
Tel. 0 23 31/57 07-00
E-Mail:
s.schlager@schlager-gmbh.de
GASWÄRME International (56) Nr. 3/2007 181

Fachberichte
kuperators zurückfließen und den Brenner
abgekühlt durch den Ejektor verlassen.
Durch das Vorwärmen der Verbrennungsluft
wird ein höherer feuerungstechnischer
Wirkungsgrad erzielt, d. h. der Brenner hat
bei gleicher Wärmeleistung einen geringeren
Bedarf an Brennstoff.
Aus dem sicheren Zündverhalten, das
durch eine eigens dafür vorgesehene, separat
angelegte Zündkammer im Brennerinneren
realisiert wird, resultiert ein sehr
gutes Betriebsverhalten.
Standardmäßig werden die Brenner im Ein-
Aus-Betrieb gefahren, andere Betriebsweisen
sind möglich.
Die Brenner werden als funktionsfähige
Einheit, bestehend aus dem Basisbrenner,
den Gas- und Luftzuführungsleitungen
inkl. der elektrisch betätigten Stellglieder,
der Brennersteuerung und dem Ejektor, bei
Betriebstemperatur voreingestellt und einbaufertig
ausgeliefert (Bild 2). Dies ermöglicht
kurze Montage- und Inbetriebnahmezeiten.
Die modulare Bauweise der Brenner ermöglicht
es zudem, die Anschlüsse der Versorgungsmedien
in 90° Schritten um die
Brennerachse zu drehen, so dass eine Anpassung
an die örtlichen Gegebenheiten
einfach zu realisieren ist. Die Baugrößen
dieser keramischen Rekuperatorbrenner
umfassen einen Leistungsbereich von 9 bis
160 kW.
Steuerung
Bild 2:
Keramische Rekuperator-Hochgeschwindigkeitsbrenner
NOXMAT ® K-RHGB
160 für die
Direktbeheizung
Fig. 2:
NOXMAT ® K-RHGB
160 ceramic
recuperator
high-speed burners
for direct heating
Optimalerweise werden die Brenner wie im
vorliegenden Fall durch einen drehzahlgeregelten
Ventilator mit Verbrennungsluft
versorgt. Durch die Drehzahlregelung ist
ein konstanter Luftvordruck an den Rekuperatorbrennern
in jeder Betriebsphase des
Ofens, also bei Teil- und Volllast, gewährleistet.
Bild 3:
Schema eines
Ein-Aus betriebenen
Rekuperatorbrenners
mit Ejektor
Fig. 3:
Diagram of an
ON/OFF-operated
recuperator burner
with ejector
Die Taktsteuerung der SPS gibt das Signal
zum Brennerstart auf die am jeweiligen
Brenner angebrachte Brennersteuerung,
die den kompletten Ablauf eines Taktzyklus
vom Zünden über das Öffnen der elektrisch
betätigten Stellglieder bis hin zur Flammenüberwachung
selbstständig ausführt.
Durch Anschließen eines PCs an die Brennersteuerung
lassen sich bestimmte Parameter,
wie z. B. Mindestbrenndauer oder
Abschaltschwelle, vom Servicetechniker in
sinnvollen Grenzen verändern.
Sicherheitsrelevante Parameter dagegen
sind für den Bediener nicht zugänglich.
Verschiedene Störungsursachen können
durch die Brennersteuerung erkannt und
deren Art und Anzahl registriert werden.
Dies ermöglicht eine schnelle Fehleranalyse
bzw. -beseitigung und erhöht damit die
Anlagenverfügbarkeit. Bild 3 zeigt einen
schematischen Überblick der verwendeten
Rekuperatorbrenner-Einheit für die direkte
Beheizung.
Ofenatmosphäre
Die Ofenatmosphäre sollte in den meisten
Anwendungsfällen leicht oxidierend sein,
also einen Sauerstoffanteil von 2–4 % in allen
Betriebsphasen aufweisen. Speziell im
Teillastbetrieb, wenn nur wenige oder zeitweise
gar keine Brenner mehr in Betrieb
sind, muss daher der Eintritt von Falschluft
in den Ofenraum verhindert werden.
Dieser ist nicht nur energietechnisch unerwünscht,
sondern führt insbesondere bei
hohen Ofenraumtemperaturen zur erhöhten
Verzunderung des Wärmgutes.
Der Sauerstoffgehalt im Teillastbetrieb beträgt
weniger als 5 % und bei Ofenraumtemperaturen
von 1200 °C weniger als
2 %. Der Eintritt von Falschluft über den
Brenner wird zum einen durch die Verwendung
einer anschlagenden Luftklappe mit
geringer Leckmenge am Ejektor und zum
anderen durch die Realisierung einer geringfügigen
Spülluftmenge deutlich reduziert.
Das Starten der Brenner mit sofortiger
Brennstabilität innerhalb einer Sekunde
führt zu verringerten Schadstoffemissionen.
Ofenraumdruck
Von hoher Relevanz für den direkt beheizten
Wärmebehandlungsprozess ist ein
möglichst konstanter Ofenraumdruck, der
in der Regel immer leicht positiv sein sollte
(+ 0,1 bis + 0,5 mbar).
Ein zu niedriger Ofenraumdruck begünstigt
den Eintritt von Falschluft und damit
die Bildung von „Kältenestern“ im Ofen.
Ein zu hoher Ofenraumdruck dagegen
drückt die heißen Abgase an ungewünschten
Stellen aus der Ofenanlage. Dies sind
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GASWÄRME International (56) Nr. 3/2007

Die energiesparende und
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Fachberichte
Verbrennungsluft in Abhängigkeit von der
Ofenraumtemperatur und der Luftvorwärmung.
Die Emissionen des Treibhausgases
CO 2 reduzieren sich analog zur Einsparung
des Brenngases.
Bei der dezentralen Wärmerückgewinnung
werden höhere Luftvorwärmungen und
damit bessere Wirkungsgrade erzielt, da
die Luft ohne Umwege direkt im Brenner
erwärmt wird. Die vermeintlich höheren
Anschaffungskosten rechnen sich neben
der Energieersparnis auch über den geringeren
Wartungsaufwand und eine höhere
Anlagenverfügbarkeit. Nicht selten lohnt
sich daher auch bei Altanlagen eine Umrüstung
auf moderne Rekuperatorbrenner.
Bild 4: Energieeinsparpotential durch Luftvorwärmung
Fig. 4: Energy-savings potentials for air preheat
meist die Spalte zwischen den drei Baugruppen
Ofengehäuse, Ofentür und Herdwagen.
Der Austritt von Abgasen an diesen
Stellen wirkt sich sehr ungünstig auf
die in Spaltnähe befindlichen Ofenbauteile
aus. Verzug, größerer Verschleiß und höherer
Energieverbrauch sind die Folge.
Beim Einsatz von Rekuperatorbrennern
wird ein nahezu konstanter Ofenraumdruck
durch die zeitgleich zum Brennerstart
aktivierte Abgasabsaugung im Ejektor
erreicht. Der Ofenraumdruck lässt sich
durch eine Veränderung des Ejektorluftvolumenstroms
einstellen.
Eine deutliche Reduzierung des Eintritts
von Falschluft wird durch zusätzliche Abdichtungssysteme
an den Spalten zwischen
Ofengehäuse und Ofentür sowie Ofengehäuse
und Herdwagen erzielt. Die mechanische
Abdichtung dieser Spalte wird im
vorliegenden Beispiel durch pneumatische
Abdichtvorrichtungen realisiert und ist in
einer besonders verschleißarmen Bauweise
ausgeführt. Diese Maßnahmen lassen sich
bei vielen Altanlagen nachträglich umsetzen
und tragen somit zu einer Prozessoptimierung
bei.
Temperaturverteilung
Entscheidend für das Ergebnis einer Wärmebehandlung
ist eine gleichmäßige Temperaturverteilung
im Nutzraum des Ofens.
Beide Öfen genügen hohen Genauigkeitsansprüchen
und erreichen eine Temperaturabweichung
von +/– 5 K vom vorgegebenen
Sollwert bei Ofenraumtemperaturen
zwischen 500 °C und 1 200 °C.
Im Wesentlichen wird dies durch folgende
Brennermerkmale realisiert:
– Die hohe Austrittsgeschwindigkeit der
Flammengase bewirkt eine gute Umwälzung
der Ofenraumatmosphäre. Sie beträgt
bei maximaler Ofenraumtemperatur
bis zu 130 m/s. Deshalb ordnet man
derartige Brenner den Hochgeschwindigkeitsbrennern
zu.
– Begünstigt wird die Umwälzung durch
die dezentrale Abgasabsaugung an jedem
einzelnen Brenner.
– Durch die sofortige Brennstabilität haben
die Rekuperatorbrenner innerhalb einer
Sekunde nach ihrer Zündung die volle
Nennleistung erreicht. Dies ermöglicht
eine kurze Brenndauer und verhindert
örtliche Überhitzungen im Ofenraum.
Energieeinsparung
Steigende Preise für Erdgas machen die
Umsetzung von Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung
zunehmend rentabel. Eine
Möglichkeit zur Wärmerückgewinnung ist
die Vorwärmung der Verbrennungsluft
durch die Nutzung der im heißen Abgas
enthaltenen Energie.
Für die rekuperative Luftvorwärmung haben
sich in der Praxis der Zentralrekuperator
(zentrale Wärmerückgewinnung) auf
der einen und der Rekuperatorbrenner (dezentrale
Wärmerückgewinnung) auf der
anderen Seite durchgesetzt.
Bild 4 zeigt das Energieeinsparpotential einer
Ofenanlage durch Vorwärmung der
Weitere Einsparpotentiale ergeben sich
auch durch die Bauweise des Ofens. Durch
einen der Fahrweise des Ofens entsprechenden
Aufbau der Isolierung lassen sich
die Verluste ebenfalls reduzieren. Im vorliegenden
Fall wurde das Ofengehäuse mit
einer Faserisolierung mit geringer spezifischer
Wärmekapazität ausgekleidet, so
dass die Isolierung möglichst wenig Energie
beim Aufheizen aufnimmt.
Erfahrungen nach
einjährigem Betrieb
Nach einjährigem Betrieb hat sich das Anlagenkonzept
bestens bewährt. Bei gleichzeitiger
Verwendung von Rekuperatorbrennern
und pneumatisch angetriebenen
Tür- und Herdwagenabdichtsystemen werden
sehr geringe spezifische Gasverbräuche
erzielt.
Das gute Betriebsverhalten der Rekuperatorbrenner
bewirkt, dass nahezu keine
Brennerstörungen mehr auftreten.
Nach dem einen Betriebsjahr wurde turnusgemäß
eine Wartung durchgeführt, bei
der die Elektrodenstäbe gewechselt und
die Brennereinstellungen kontrolliert wurden.
Eine Abgasanalyse des Ofens weist
unverändert gute Werte auf.
Weitere Wartungstätigkeiten waren nicht
erforderlich.
Fazit
Optimierungspotentiale finden sich an vielen
Stellen einer Ofenanlage. Wärmerückgewinnung,
Ofenatmosphäre, Temperaturgleichmäßigkeit
und Anlagenverfügbarkeit
sind dabei nur einige Ansatzpunkte. Mit
dem Einsatz moderner Rekuperatorbrenner
lässt sich bereits ein Großteil dieser Potentiale
direkt ausschöpfen.
y
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