GASWÄRME International 3/2007 - Aichelin

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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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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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