Alkalibursting - KERAPLAN Feuerfeste Spezialmassen GmbH

Feuerfeste Spezialprodukte
für
Kraftwerke und
Müllverbrennung
Alkalibursting

Alkalibursting
Ein in der heutigen Zeit hauptsächlich zu beobachtendes
Schadensbild an feuerfesten Auskleidungen,
ist das des Alkalibursting.
Diese Form der Alkalikorrosion wird in erster
Linie in Verbrennungsanlagen beobachtet, in
denen die entstehenden Aschen trocken vorliegen
und nicht eingeschmolzen werden.
Ein erstes Indiz für Alkalibursting sind großflächige
schalenförmige Abspaltungen der
feuerfesten Auskleidung. Diese Abspaltungen
bilden sich über große Bereiche der Auskleidung,
parallel zur Rohrwand aus.
das thermodynamische Verhalten der
Auskleidung.
Die entstandenen Luftspalten vermindern
die Wärmeabfuhr aus dem Feuerraum in das
Kühlsystem erheblich. Hierdurch werden
Überhitzungen auf der Materialoberfläche
induziert, die zu Sekundärschäden der Auskleidung
führen.
Betrachtet man die Risse in der geschädigten
Auskleidung, sind makroskopische Ablagerungen
von Alkalisalzen, wie in Bild 2 dargestellt,
zu erkennen.
Ein für Alkalibursting typisches Schadensbild
ist im Bild 1 dargestellt. Die hier zu erkennenden
Risse haben sich parallel zur Materialoberfläche
ausgebildet.
Innerhalb dieser Risse haben sich Alkalien
abgelagert.
Bild 2: Einlagerung von Alkalisalzen
innerhalb einer Feuerfestauskleidung.
Typisch ist eine Abspaltung der Auskleidung
oberhalb der Verankerung. Hierbei ist
zu beobachten, dass die Verankerung dann
einer zunehmenden Korrosion ausgesetzt ist.
Bild 1: Durch Alkalieinwirkung
geschädigte Feuerfestauskleidung.
Infolge von Phasenänderungen der Alkaliverbindungen
werden Volumenvergrößerungen
der Alkaliverbindungen erzeugt. Diese Volumenvergrößerungen
induzieren Spannungen,
die das im Bild 1 dargestellte Schadensbild
ermöglichen.
Im Bild 3 ist ein einzelner Ankerstift dargestellt,
der infolge von Alkaliangriff korrodiert
ist. Diese Korrosionsvorgänge an der
Verankerung führen zu einer Volumenzunahme
des Ankers. Es werden hohe Druckkräfte
um den Anker in der feuerfesten Auskleidung
erzeugt, was zu weiteren Schäden
an der Auskleidung führt.
Durch die Rissbildung wird zum einen das
gesamte feuerfeste Gefüge zerstört, des
Weiteren verändern die entstandenen Risse

Verbindung
KCl
NaCl
Na 2 CO 3
Na 2 O
K 2 O
K 2 CO 3
Na 2 SO 4
K 2 SO 4
Bezeichnung
Sylvin
Kochsalz
Soda
Natriumoxid
Kaliumoxid
Pottasche
Glaubersalz
Arcanit
Bild 3: Schadhafte Verankerung nach Alkaliangriff.
Alkaliverbindungen
Die Ursache der Alkalikorrosion ist in der
Müllzusammensetzung zu finden. Zunehmende
Sortiertechniken haben zu einer Verschiebung
der bisherigen chemischen Zusammensetzung
des Hausmülls geführt.
Hauptverursacher der Schäden sind Verbindungen,
die aus den Elementen Natrium und
Kalium entstehen. Tabelle 1 gibt einen Überblick
über die physikalischen Eigenschaften
dieser beiden Elemente:
Natrium Kalium
Schmelzpunkt 97,82°C 63,63°C
Siedepunkt 881,3°C 753,8°C
Dichte 0,97 g/cm 3 0,85 g/cm 3
Tabelle 1: Eigenschaften wesentlicher
Alkalien.
Aus den beiden Elementen Natrium und Kalium
entstehen während der Verbrennung durch
Sekundärreaktionen, innerhalb der Verbrennungszone,
mit weiteren Rauchgaskomponenten
zahlreiche weitere Alkaliverbindungen.
Tabelle 2: Häufige Alkaliverbindungen
in
Müllverbrennungsöfen.
Mechanismus der Alkalieinlagerung
Der Mechanismus der Alkalieinlagerung
in eine funktionsfähige Auskleidung ist
im Bild 4 dargestellt.
Das feuerfeste Material wird auf einer
gekühlten Rohrwand installiert. Bei einer
Medientemperatur von ca. 250°C und
einer Feuerraumtemperatur von 1400 °C
stellt sich auf der Rohroberfläche eine
Temperatur von ca. 300°C ein.
Infolge von Staubablagerungen auf der
Oberfläche der feuerfesten Auskleidung
wird eine Oberflächentemperatur von ca.
1.000°C erreicht.
Diese Temperatur wird innerhalb der
Auskleidung bis auf die Rohroberflächentemperatur
gesenkt.
Innerhalb der Auskleidung sind
makroskopische und mikroskopische
Poren vorhanden, die im Bild 4 weiß
dargestellt sind.
Die am häufigsten auftretenden Verbindungen
sind in Tabelle 2 aufgeführt:

40 bar
250°C
Temperaturverlauf
Staub
Pore
1400°C
Alkali
die gasförmigen Alkalien in Richtung der
kälteren Rohrwand in die Auskleidung.
Im Temperaturbereich von 650°C bis
750°C kondensieren diese Alkaliverbindungen
aus der Gasphase in die Flüssig/Feststoffphase
aus.
Infolge des Kondensationsvorganges
werden vorhandene Poren verschlossen.
Eine weitere Einlagerung von Alkalien
erfolgt nach Verbrauch des vorhandenen
Porenvolumens nicht.
650°C 750°C
Feuerfeste
Auskleidung
Eine Schädigung der feuerfesten Auskleidung
ist bisher nicht eingetreten.
Bild 4: Schematische Darstellung des
Schadenablaufes.
Die während der Verbrennung entstehenden
Alkaliverbindungen liegen bei einer Feuerraumtemperatur
von ca. 1.400 °C im gasförmigen
Aggregatzustand vor.
Infolge des Temperaturgefälles innerhalb der
feuerfesten Auskleidung diffundieren
Schadensentstehung
Im Bild 5 ist ein Stabilitätsdiagramm für
Chloride und Sulfate dargestellt. Aufgetragen
ist der Logarithmus der Molarität
über der Temperatur.
Stabilitätsbereich von Chloriden und Sulfaten
Log [mol%]
4
2
0
-2
-4
-6
-8
200 400 600 800 1000
Temperatur [°C]
Rauchgaszusammensetzung:
O2=10%, NaCl=5ppm,
KCl=5ppm, HCl=770ppm,
SO2=87ppm
NaCl; KCl CaSO4 Na2SO4; K2SO4 CaCl
Bild 5: Stabilitätsbereich für ausgewählte Verbindungen aus Müllverbrennungsanlagen.

Dargestellt wurde der Stabilitätsbereich für
die Verbindungen:
1. NaCl, KCl
2. CaSO 4
3. Na 2 SO 4 , K 2 SO 4
4. CaCl
Dem Diagramm ist zu entnehmen, dass bei
Temperaturen von 600°C, 700°C und
800°C Volumenänderungen in den Alkaliverbindungen
auftreten. Hier ist besonders
das NaCl und KCl zu beachten. Im Temperaturbereich
von 600°C bis 700°C wird
eine irreversible Volumenvergrößerung
hervorgerufen. Parallel wird im gleichen
Temperaturprofil das Volumen der Anteile
von Na 2 SO 4 und K 2 SO 4 verringert, wobei
oberhalb von 800°C wiederum eine Volumenvergrößerung
einsetzt.
Die Verbindungen die auf der Basis von
Ca aufgebaut sind, CaSO 4 und CaCl, behalten
über den gesamten Temperaturbereich
annähernd ein konstantes Volumen bei.
Während des Betriebes einer Müllverbrennungsanlage
treten regelmäßig in der Feuerung
Temperaturschwankungen auf. Diese
wirken sich auch auf das Temperaturprofil
innerhalb der Auskleidung und somit auch
auf die innerhalb der Auskleidung kondensierten
Alkalien aus.
Diese durchlaufen eine irreversible Volumenvergrößerung,
oder -verkleinerung.
Hierdurch werden einerseits sehr hohe
Zugspannungen innerhalb der Auskleidung
hervorgerufen, die zu einer minimalen
Rissbildung führen. In diesen neu entstandenen
Rissen ist freies Porenvolumen vorhanden,
in dem weitere Alkalien kondensieren
können und das vorhandene freie
Porenvolumen verschließen.
Dieser Vorgang wiederholt sich nach einem
Temperaturwechsel so häufig, bis das
gesamte Material parallel zur Oberfläche
abplatzt.
Abhilfe
Eine vollständige Vermeidung des Alkalibursting
ist nicht möglich. Ziel aller Maßnahmen
ist es, das Einsetzen des Schadensbildes
– die Abspaltung der feuerfesten
Auskleidung – bezüglich der Betriebszeit
zu optimieren.
Ausgangspunkt für diese Optimierung war
eine Schadensanalyse, bei der auf weltweite
Erfahrungen durch den Einsatz eigener
Produkte in Müllverbrennungsanlagen zurückgreifen
konnte.
Es wurden umfangreiche Schadensanalysen
durchgeführt. Aufbauend auf diesen
Ergebnissen begann die Entwicklung und
Adaptierung von Produkten, die einem
Alkalibursting eine hohe Widerstandskraft
entgegensetzen.
Diese Produkte zeichnen sich durch folgende
Merkmale aus:
• Geringe Porosität
Low Cement Technologie
• Interne Glasurbildung
Selbstglasurbildner
• Externe Schutzschichtausbildung
Siliciumcarbid
• Phosphatbindung
Siliciumcarbid
Alkaliresistente Produkte
Alkaliresistente KERAPLAN Produkte
sind in nachfolgenden Tabellen aufgeführt.
Diese Produkte werden seit Jahren in Müllverbrennungsanlagen
eingesetzt und haben
hier ihre Funktionalität unter Beweis gestellt.

Gruppe 1:
• Geringe Porosität
• Interne Glasurbildung
Rohstoffbasis Al 2 O 3 Dichte KDF 800 ° C
[%] [g/cm 3 ] [MPa]
KERAPLAN CHA-2,3-V Schamotte 44,0 2,30 100
KERAPLAN BAU-LC-75-V Bauxit 76,0 2,70 60
KERAPLAN CHA-LC-2,4-V Schamotte 53,0 2,24 100*
Gruppe 2:
• Externe Schutzschichtausbildung
Rohstoffbasis SIC Dichte KDF 800 ° C
[%] [g/cm 3 ] [MPa]
KERAPLAN SIC-FP-35-S Schamotte 35,0 2,40 150
KERAPLAN SIC-FP-20-V Tonerdereiche 20,0 2,30 100
Rohstoffe
KERAPLAN SIC-FP-50-LC Siliciumcarbid 52,0 2,30 100
KERAPLAN SIC-SF-30-LC Schamotte 34,6 2,40 100*
KERAPLAN SIC-SF-60-LC Siliciumcarbid 58,1 2,50 120*
KERAPLAN SIC-SF-70-LC Siliciumcarbid 71,2 2,65 120*
KERAPLAN SIC-F-85-C Siliciumcarbid 85,0 2,45 80
KERAPLAN SIC-F-85-LC Siliciumcarbid 85,0 2,42 85
Gruppe 3:
• Externe Schutzschichtausbildung
• Phosphatbindung
Rohstoffbasis SIC Dichte KDF 800 ° C
[%] [g/cm 3 ] [MPa]
KERAPLAN SIC-V-85-E Siliciumcarbid 85,0 2,58 95
KERAPLAN SIC-V-90-E Siliciumcarbid 89,0 2,48 90
KERAPLAN SIC-V-70-E Siliciumcarbid 72,0 2,55 90
KERAPLAN SIC-V-50-E Siliciumcarbid 51,0 2,55 90
KERAPLAN SIC-V-30-E Aluminiumoxid 35,0 2,80 75
* bei 1000°C

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