GASWÄRME International 3/2007 - Aichelin

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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 182 GASWÄRME International (56) Nr. 3/2007
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