Feuerfeste SpezialProdukte für Kraftwerke und Müllverbrennung

Feuerfeste Spezialprodukte
für
Kraftwerke und
Müllverbrennung
Siliciumcarbid

Siliciumcarbid (SIC)
Ist ein künstlich hergestelltes Mineral, das
für die Anwendung in feuerfesten Produkten
wesentliche Eigenschaften aufweist.
In erster Linie sind hier zu nennen:
• hohe chemische Beständigkeit
• hohe mechanische Festigkeit
• hohe thermische Stabilität
Chemische Beständigkeit:
Phosphorsäure
Schwefelige Säure
Schwefelsäure
Salzsäure
Salpetersäure
Fluss-Salpetersäure-Gemische
SiO 2 (geschmolzen)
Kalium-Nitrat
Kalium-Chlorat
Schwefeldioxid
Kohlendioxid bei 1000°C
Thermische Stabilität:
Aufoxidation von SIC erfolgt in einer oxidierenden
Atmosphäre bei Temperaturen
oberhalb von 2000°C.
Bild 1: SIC-Druse.
In einem ersten Verfahrensschritt wird das
Roh-SIC einer produktschonenden Zerkleinerung
unterworfen.
Ziel dieses Verfahrens ist es zum einen eine
homogene kubische Kornform zu erhalten
und zum zweiten interkristalline Risse, wie
sie nach Zerkleinerungsprozessen häufig zu
beobachten sind, zu minimieren.
Eine kubische Kornform ist unerlässlich um
für das spätere Produkt eine hohe
Packungsdichte der Einzelkörner zu erreichen.
Im Bild 2 ist ein kubisches SIC-Korn dargestellt.
Der Korndurchmesser beträgt im dargestellten
Bild drei Millimeter.
Für die technische Produktion wird ein
Gemisch aus Petrolkoks und reinem
Quarzsand unter Luftabschluss elektrisch
in einem Widerstandsofen erhitzt.
Bei Temperaturen zwischen 1950 °C bis
2200 °C wandelt sich das Koks-/Quarzgemisch
in Siliciumcarbid um.
In Bild 1 ist eine SIC-Druse abgebildet.
Bei der hier dargestellten Druse handelt es
sich um kristallines SIC. Der SIC-Gehalt
beträgt hier ca. 98,5%.
Zur Herstellung von feuerfesten Produkten
höchster Qualität, wie sie von Keraplan
angeboten werden, muß das Roh-SIC einer
speziellen Aufbereitung unterzogen werden.
Bild 2: Kubisches Siliziumcarbid.
Im zweiten Verfahrensschritt wird das
zerkleinerte Korngemisch in neun Korn-

klassen von 0 bis 3 mm Korndurchmesser
klassifiziert.
Um unerwünschte Begleitkomponenten
wie z.B. Eisenanteile und nicht reagierte
Koks-/Quarzanteile zu entfernen wird das
SIC nach erfolgter Zerkleinerung und
Klassifizierung chemisch gewaschen.
Durch diese chemische Aufbereitung wird
der SIC-Gehalt im Korn auf einen SIC-
Anteil von 99,2% erhöht.
Für säuregebundene SIC-Stampfmassen
aus dem Hause Keraplan werden chemisch
gewaschene SIC-Körner mit einem SIC-
Gehalt von mindestens 99% verwendet.
Dieser hohe SIC-Gehalt im Korn ist ausschlaggebend
um den hohen Qualitätsstandard
unserer Keraplan Produktreihe zu
gewährleisten.
Mit abnehmendem SIC-Gehalt in den SIC-
Drusen entsteht bei der Zerkleinerung des
Roh-SIC tendenziell ein stengeliges Korn.
In Bild 3 ist ein stengeliges drei Millimeter
SIC-Korn dargestellt.
Bei der kubischen Form ist es möglich Körner
im Kornverbund enger aneinander zu lagern,
um eine möglichst hohe
Packungsdichte mit geringstem Porenvolumen
zu erreichen.
Stengelige SIC-Körner weisen in der Regel
eine poröse Oberfläche des Einzelkornes, im
Gegensatz zur kubischen SIC Kornform, auf.
Weiterhin sind hier eine hohe Anzahl interkristalliner
Risse festzustellen.
Interkristalline Risse innerhalb eines Kornes
geben Alkalien, wie sie z.B. in den Rauchgasen
einer Müllverbrennungsanlage vorkommen,
die Möglichkeit, innerhalb von Spalten
und Hohlräumen aus der Gasphase auszukondensieren.
Die Folge ist, dass vorhandenes Porenvolumen
innerhalb des SIC-Kornes durch
diese Rauchgaskondensate vollständig aufgefüllt
wird.
Die kondensierten Alkalien durchlaufen
temperaturabhängige chemische Reaktionen,
die eine Volumenvergrößerung der
ursprünglichen Rauchgaskondensate innerhalb
der SIC-Körner zur Folge haben.
Infolge dieser Volumenvergrößerung werden
interkristalline Zugspannungen indiziert.
Diese hohen inneren Spannungen führen zu
einer Aufspaltung des Kornes. In diesen
neuen Rissen werden weitere Alkalien im
Korn eingelagert.
Bild 3: Stengeliges Siliciumcarbid.
Stengelige Körner ermöglichen keinen
dichten Gefügeaufbau. Packungsdichten
mit niedrigster Porosität, wie sie für feuerfeste
Massen unumgänglich sind, werden
ausschließlich durch Annäherung der
Kornform der Einzelkörner an die Kugelform
erreicht.
Dieser fortlaufende Vorgang führt zum Versagen
der feuerfesten Auskleidung.
In Kenntnis des Vorstehenden werden für
unsere hochwertigen Keraplan Produkte ausschließlich
SIC-Körnungen höchster chemischer
Reinheit und höchster SIC-Gehalte
verwendet.
Speziell für den Einsatz in Schmelzkammerfeuerungen
und Müllverbrennungsöfen
besitzt Siliciumcarbid Eigenschaften,
die für die Auskleidung von
Verbrennungsräumen unumgänglich sind:

• Schlackeabweisend,
• Hohe Wärmeleitfähigkeit,
• Säurebeständigkeit,
• Alkaliresistenz.
Diese Eigenschaften werden durch die
Wahl des geeigneten Keraplan Bindesystems
unterstützt.
Die kristalline Oberflächenstruktur des
SIC führt dazu, dass schmelzflüssige
Schlacken keine feste Verbindung mit dem
SIC-Korn eingehen können.
Die Wahl eines entsprechenden chemischen
Bindesystems, das dem Kornverbund
die notwendige innere Festigkeit
verleiht ist ebenfalls von großer Bedeutung.
Dieses System muss ebenfalls schlackeabweisend
aufgebaut sein, um chemische
Reaktionen mit der Schlacke zu verhindern.
Bild 5 ist eine Membranrohrwand zu entnehmen,
die eine SIC-Auskleidung unserer
Keraplan Produktreihe erhalten hat.
Die Rohrwand befindet sich innerhalb einer
Schmelzkammerfeuerung.
Bild 4: Membranwand mit
3.000 Stiften/m 2 .
Die Schlacke fällt nach Abschalten der Feuerung
infolge von Wärmespannungen in der
Abkühlphase von den Wänden, ohne Schäden
an der Auskleidung zu hinterlassen.
Die Membranwand in Bild 5 hat eine fünfjährige
Reisezeit schadensfrei überstanden.
Im oberen Teil ist die Schlacke bereits von
der Wand abgelöst. Im unteren Teil ist der
Schlackefilm, der eine Dicke je nach
Feuerraumtemperatur und Schlackezusammensetzung
zwischen 2 mm bis 20 mm erreichen
kann, abgebildet.
In dieser Kraftwerksfeuerung werden neben
dem Primärbrennstoff Kohle, auch
Sekundärbrennstoffe eingesetzt.
Diese sind:
• Klärschlamm,
• Tiermehl.
Die vorherrschenden Feuerraumtemperaturen
betragen in der Primärbrennkammer
mehr als 1700°C.
Die Rohrwand, Bild 4, wurde zur erhöhten
Wärmeabfuhr mit 3.000 Stiften/m 2 bestiftet.
Gewählt wurde für diesen Anwendungsfall
unser höchstwertigstes Produkt,
KERAPLAN SIC-V-85-E -eine
phosphatgebundene Stampfmasse.
Bild 5: SIC-V-85-E Auskleidung in einer
Schmelzkammerfeuerung mit Schlackeablösungen.
Im folgenden Bild 6 ist eine Membranwand
einer Müllverbrennungsanlage dargestellt.

Die Feuerraumtemperatur beträgt hier ca.
1400° C. Die Membranwand ist mit 500
Stiften/m 2 bestiftet.
Zum Schutz vor Korrosion der Stifte werden
diese mit einseitig offenen keramischen
Kappen oder beidseitig offenen keramischen
Röhrchen aus SIC verkleidet,
wie es Bild 6 zu entnehmen ist. Als Kleber
wird ein phosphatgebundener Kitt,
KERAPLAN SIC-RK-85-ET verwendet.
Bild 7: SIC-V-90-E Auskleidung in einer
Müllverbrennungsanlage ohne Schlackeanbackungen.
SIC-haltige Produkte
Die SIC-haltigen Produkte von
Keraplan lassen sich in zwei Gruppen unterteilen:
• Phosphatbindung
• Zementbindung
Die Gruppe der Phosphatbindung ist unterteilbar
nach Art der Verarbeitung in:
Bild 6: SIC-Kappen (dunkel) und SIC-
Röhrchen (hell).
Die unterschiedlichen Farben für Kappen
und Röhrchen entstehen durch den unterschiedlichen
SIC-Gehalt. Dieser beträgt
für Kappen 85% und für Röhrchen 70 %.
Der Bereich um die SIC-Kappen herum ist
mit KERAPLAN SIC-V-90-E Stampfmasse
beschichtet worden.
• Spritzen
• Stampfen/Schmieren
Für die Gruppe der SIC-haltigen Produkte
mit Zementbindung sind folgende Verarbeitungsvarianten
möglich:
• Spritzen
• Gießen/Vibrieren
• Selbstfließend
In Bild 7 sind die SIC-Kappen mit der
Stampfmassenverkleidung zu erkennen.
Die Oberfläche wurde entsprechend der
Rohrform profiliert. Nach einer Betriebszeit
von ca. 12.000 Stunden sind keine
Schäden festzustellen.

• Phosphatgebundene SIC-haltige Produkte, spritzen, schmieren
Wärmeleitfähigkeit SIC Dichte KDF 800 ° C
[W/mK] [%] [g/cm 3 ] [MPa]
KERAPLAN SIC-V-30-E 2,0 35,0 2,80 75
KERAPLAN SIC-V-50-E 4,0 51,0 2,55 90
KERAPLAN SIC-V-70-E 5,7 72,0 2,55 90
KERAPLAN SIC-V-85-E 8,5 85,0 2,58 95
KERAPLAN SIC-V-90-E 8,0 89,0 2,48 90
KERAPLAN SIC-V-70-E 5,7 72,0 2,55 90
KERAPLAN SIC-B-70-VE 5,3 70,0 2,80 90
KERAPLAN RK-70-ET Kleber 70,0
KERAPLAN RK-85-ET Kleber 85,0
• Zementgebundene SIC-haltige Produkte, spritzen
Wärmeleitfähigkeit SIC Dichte KDF 800 ° C
[W/mK] [%] [g/cm 3 ] [MPa]
KERAPLAN SIC-FP-30-S 3,0 33,0 2,10 60
KERAPLAN SIC-FP-50-S 4,7 52,0 2,20 40
KERAPLAN SIC-FP-70-S 4,5 68,0 2,25 20
• Zementgebundene SIC-haltige Produkte, gießen/vibrieren
Wärmeleitfähigkeit SIC Dichte KDF 800 ° C
[W/mK] [%] [g/cm 3 ] [MPa]
KERAPLAN SIC-F-30-C 2,2 34,0 2,65 24
KERAPLAN SIC-F-50-C 4,0 54,0 2,57 28
KERAPLAN SIC-F-85-C 7,7 85,0 2,45 80
• Low Cement gebundene SIC-haltige Produkte, gießen/vibrieren
Wärmeleitfähigkeit SIC Dichte KDF 800 ° C
[W/mK] [%] [g/cm 3 ] [MPa]
KERAPLAN SIC-F-30-LC 3,3 34,8 2,65 80
KERAPLAN SIC-F-50-LC 4,5 54,0 2,55 80
KERAPLAN SIC-F-85-LC 6,0 85,0 2,42 85
KERAPLAN SIC-FP-35-V 4,0 35,0 2,40 150
• Zementgebundene SIC-haltige Produkte, selbstfließend
Wärmeleitfähigkeit SIC Dichte KDF 1000 ° C
[W/mK] [%] [g/cm 3 ] [MPa]
KERAPLAN SIC-SF-30-LC 6,5 34,6 2,40 100
KERAPLAN SIC-SF-60-LC 6,3 58,1 2,50 120
KERAPLAN SIC-SF-70-LC 3,9 71,2 2,65 120

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