Hochtemperatur-Rekuperator / 02.08.2016

Keramikwürfel senkt Abgasverluste von Prozessfeuerungen

Die Rekuperatoren wurden am Versuchstand der Brennerversuchsanlage getestet. Der Demonstrator ist als silbrig glänzender Würfel zu erkennen. ©BFI

Ein neu entwickelter keramischer Wärmeübertrager kann einen deutlich höheren Anteil der Abgaswärme an die Brennmedien übertragen als die derzeit in Hochtemperaturöfen der Prozessindustrie eingesetzten Metall-Rekuperatoren. Der neue keramische Rekuperator senkt die Abgasverluste auf unter 25 Prozent. Er besteht aus Siliziumcarbid, das die Forscher in eine aus einem Holzfasermodell erzeugte poröse Kohlenstoff-Matrix infiltrieren.

Industrieofenanlagen dienen zur Erwärmung oder zur Wärmebehandlung von Stahl, Glas, Keramik und Nichteisen-Metallen. Mithilfe von Rekuperatoren lässt sich der energetische Wirkungsgrad solcher industrieller Prozessfeuerungen verbessern: Sie nutzen die Abgaswärme, um die Brennmedien vorzuwärmen. Das VDEh-Betriebsforschungsinstitut (BFI) entwickelte gemeinsam mit Industriepartnern eine neue, sparsamere Beheizungstechnik für solche Anwendungen. Ihr Ziel war es, bei diesen den Energieverbrauch durch bessere Nutzung der Abgaswärme im Beheizungssystem zu senken. Als Ergänzung zu einem bereits vorhandenen hochtemperaturfesten Brenner konstruierten sie einen neuen keramischen Hochtemperatur-Rekuperator aus reaktionsgebundenem siliziuminfiltriertem Siliziumcarbid (SiSiC). Dieser besteht aus einem keramischen Würfel mit einer Kantenlänge von 30 Zentimeter. Durch ihn fließen Abgas und zu erwärmende Brennluft im Kreuzstrom. Das heiße Abgas erwärmt dabei die Brennluft.

Keramik verbessert den Wirkungsgrad von Industrieöfen

Die Wärmeübertragerelemente schrumpfen im Laufe der thermischen Behandlung vom Holzfaser-Modell bis zum Siliziumcarbid-Würfel stark: Ausgangszustand (WT3.5), carbonisierter (WT3.4) und silizierter Zustand (WT3.3). Der fertige Würfel hat eine Kantenlänge von 30 Zentimeter. ©Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Draufsicht eines geöffneten den Demonstrators mit 2 halben Würfeln. Die Pfeile zeigen, wie Abgas und Brennluft durch den Rekuperator geführt werden (die blauen Pfeile zeigen den Luftweg, die roten den Abgasweg). ©BFI

Die Forscher erprobten die Leistungsfähigkeit des neuen Beheizungssystems an der Brennerversuchsanlage des BFI. Bei diesem neuen System sind Rekuperator und Brenner als eigenständige Bauteile durch kurze Leitungen verbunden. Dadurch ist es möglich, sie sehr flexibel anzupassen und zu kombinieren. Das neue System ist für eine Leistung ab 300 Kilowatt sowie Temperaturen über 1.000 Grad Celsius ausgelegt.

Durch die Verwendung des keramischen Rekuperators lassen sich die Abgasverluste bei Hochtemperatur-Industrieöfen auf unter 25 Prozent senken. Bisher eingesetzte metallische Rekuperatoren liefern eine Brennlufttemperatur von maximal 500 bis 600 Grad Celsius und erreichen Abgasverluste von knapp 40 Prozent. An Wärm- und Wärmebehandlungsöfen mit einer Abgastemperatur von mehr als 1.000 Grad Celsius können die neuen keramischen Systeme die Abgaswärmeverluste um rund 15 Prozentpunkte senken, verglichen mit Anlagen mit konventioneller Wärmerückgewinnung.

 

Entstehung des keramischen Wärmeübertragers

Der nachwachsende Rohstoff Holz dient den Entwicklern als Ausgangsrohstoff für die Herstellung der biogenen Rekuperatoren. Sie schneiden mitteldichte und hochdichte Holzfaserplatten (MDF- und HDF-Platten) auf die erforderliche Abmessung zurecht und verkleben sie anschließend mit Holzleim zur gewünschten Struktur zu einem Formrohling. Dann erfolgt in einem Schutzgasofen die Carbonisierung. Dabei werden die Bauteile bis etwa 1.000 Grad Celsius pyrolysiert. Daran schließt sich die sogenannte Graphitierung an, sie erfolgt durch eine weitere Temperaturbehandlung bis ca. 2.000 Grad Celsius.

Durch diese Hitzebehandlung verliert der strukturierte Wärmeübertragerwürfel stark an Volumen und Masse. Das Element schrumpft in Breite und Tiefe gleichmäßig um etwa 23 Prozent, in der Höhe sogar um etwa 44 Prozent. Die Masse reduziert sich um insgesamt rund 70 Prozent. Mit gesunkener Dichte steigt die Porosität stark an. Diese poröse Kohlenstoff-Formvorlage ist nun bereit für den nächsten Behandlungsschritt: die sogenannte Silizierung. Dabei wird das Bauteil mit flüssigem Silizium infiltriert, welches mit dem Kohlenstoff zu Siliziumcarbid reagiert. Dabei nehmen die Würfel die 3- bis 3,5-fache Menge ihres Gewichts an Silizium auf. Die Forscher passten das Ofenprogramm an, damit diese große Siliziummenge homogen in das komplexe Bauteil eindringen kann und ein gleichmäßiger Werkstoff entsteht.

Die fertigen keramischen Wärmeübertrager-Elemente aus reaktionsgebundenem siliziuminfiltriertem Siliziumcarbid (SiSiC) sind besonders hart, haben eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Wärmedehnung. Zudem ist das Material  sehr beständig gegen Verschleiß, Temperaturwechsel sowie Oxidation und Korrosion bei hohen Temperaturen. SiSiC lässt sich bis maximal 1.380 Grad Celsius einsetzen.

 

Wärmeübertrager aus Siliziumcarbid

Die Forscher untersuchten acht verschiedene Verfahren zur Herstellung von Keramikwürfeln mit einer Kantenlänge von 300 Millimeter. Die erste Produktionstechnologie basierte auf Holzfaserplatten. Dabei bestand die Herausforderung darin, die gesamte Prozesskette so zu optimieren, dass Würfel dieser Größe reproduzierbar und mit möglichst geringer Ausschussquote hergestellt werden können. Als Einflussfaktoren wurden Vorschäden im Material, die Art des Klebers, die Art des Füllstoffes im Kleber, eine zu schnelle Pyrolyse sowie eine inhomogene Silizierung identifiziert. Die Forscher untersuchten auch den Aufbau der Würfelformen aus organischen Materialien wie Filz und Holzmehl. Vorformen aus Holzmehl schrumpfen bei der Pyrolyse deutlich weniger als solche aus MDF- oder HDF-Platten. Zusätzlich testeten sie die Herstellung eines Wärmeübertragerwürfels mittels additivem 3D-Druckverfahren. Durch additive Fertigung von SiC-Keramik wird eine neue Formenvielfalt möglich, die Größe der Wärmeübertragerfläche der keramischen Elemente lässt sich so an den Bedarf anpassen.

 

Eignung keramischer Rekuperatoren belegt

Im Vorhaben wurden verschiedene Demonstratoren für die Abgaswärmerückgewinnung im Temperaturbereich über 1.000 Grad Celsius gebaut und an der Brennerversuchsanlage erprobt. Die Forscher variierten Wärmeübertragerfläche und damit Leistungsbereich, indem sie die keramischen Würfel unterschiedlich anordneten und kombinierten.

Beim Demonstrator mit zwei keramischen Würfeln wurde die Brennluft im Kreuzgegenstrom zum Abgas durch die Würfel geführt. Dabei wurde das Abgas von 1.200 auf rund 500 Grad Celsius abgekühlt und die Brennluft konnte von 50 auf 830 Grad Celsius erwärmt werden. Bei diesem Rekuperator war die Wärmeübertragerfläche für die Anschlussleistung von 100 Kilowatt deutlich überdimensioniert.

Um auf der Brennluftseite bei Leistungen unter 300 Kilowatt bessere Strömungsverhältnisse herzustellen, entwickelten die Forscher einen Demonstrator mit halben Würfeln. Dieser kühlte an der Brennerversuchsanlage das Abgas von 1.200 auf 580 Grad Celsius ab und erwärmte die Brennluft von 30 auf 750 Grad Celsius. Hier war die Wärmeübertragungsleistung höher als beim Demonstrator mit den ganzen Würfeln.

Neben den keramischen Würfeln testeten die Forscher einen Demonstrator mit einem keramischen Rohrbündel. Durch eine veränderte Abgasführung ließ sich die Wärmeübertragung verbessern. Mit 30 Rohren und bei einer Anschlussleistung von 80 kW bis 100 kW wurde die Brennluft auf 420 bis 460 Grad Celsius erwärmt.

    keramische Rohre   halbe Würfel   Würfel
Wärmeübertrager-Fläche   1,66 m²   3,27 m²   5,45 m²
Abgas ein   1.246 °C   1.242 °C   1.259 °C
Abgas aus   902 °C   623 °C   575 °C
Brennluft ein   46 °C   37 °C   54 °C
Brennluft aus   465 °C   767 °C   854 °C

An der Brennerversuchsanlage gemessene Temperaturen für die unterschiedlichen Demonstratoren mit Rohren, halben sowie ganzen Würfeln aus SiSiC (Anschlusswert jeweils 100 kW). ©BFI

Ab wann lohnt sich der Keramik-Einsatz?

Eine erste Kostenschätzung ergab, dass ein keramischer Rekuperator mit Würfeln (300 x 300 x 300 mm³) erst in einem Bereich ab 2 MW sinnvoll einsetzbar ist; die Amortisationszeit wird abgeschätzt auf drei Jahre. Durch die geometrische Anpassung der keramischen Würfel (300 x 300 x 150 mm³) ist ein Einsatz bei Brennerleistungen ab 1 MW sinnvoll. Hier beträgt die abgeschätzte Amortisationszeit mit den vorgenannten Annahmen ca. 4 Jahre. Eine Verkürzung der Amortisationszeit ließe sich durch Verbesserungen des Herstellungsprozesses und höhere Stückzahlen erreichen.

Eine weitere Option besteht darin, keramische Rohre zu verwenden, die in verschiedenen Durchmessern und Längen am Markt erhältlich sind und die strömungstechnisch an Brennerleistungen ab 300 Kilowatt angepasst werden können.

Mehr zum Projekt

Verbundvorhaben
Neuartiger keramischer Hochtemperaturrekuperator zur Steigerung der Energieeffizienz von Prozessfeuerungen REKUKER

Abschlussbericht ist erhältlich als externer Download von der TIB Hannover.

Projektbeteiligte:

Projektleitung und Erprobung
VDEh-Betriebsforschungs-institut GmbH

Konstruktion des Rekuperators
Hülsenbusch Apparatebau GmbH & Co. KG

Schunk Kohlenstofftechnik GmbH

Schunk Ingenieurkeramik GmbH

Förderkennzeichen
0327877A,C,D,E

Laufzeit
2010-2015

Links und Literatur

Beheizungssystem ROREBS

BINE-Projektinfo 15/2009

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.