DD294698A5 - Siliciumcarbid-feuerfestmaterial fuer die zustellung von festbettdruckvergasern - Google Patents

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Knut Kallmeier
Friedmar Kleber
Hans-Rainer Chudak
Detlef Hinze
Manfred Duerlich
Walter Moeller
Wolfgang Nitz
Uwe Schellenberger
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Schwarze Pumpe Energiewerke Ag
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Abstract

Die Erfindung betrifft Siliciumcarbid-Steine fuer die Zustellung von Festbettdruckvergasern. Erfindungsgemaesz werden einer Masse zur Herstellung von Siliciumcarbid-Steinen mit einem Anteil von 65 bis 90%, die aus grob- * mm), mittel- * mm) und feinkoernigem (0,3 mm) Siliciumcarbid, einem Anteil von 5 bis 15% an plastischem Bindemittel wie feuerfestem Bindeton bestehen, zusaetzlich 5 bis 20% feingemahlene Tonerde (a-Al2O3-Gehalt 85 bis 95%) und 2 bis 5% pyrogene Kieselsaeure in Form des Anfallproduktes der Entstaubungsanlage der Ferrosiliciumproduktion und/oder 2 bis 6% Kieselsol mit einem Gehalt an amorphen SiO2 von ca. 30% zugegeben. Die spezielle Tonerde ist einerseits so stabil, dasz sie beim Steinbrand nicht schwindet und so das Steingefuege nicht negativ beeinfluszt, andererseits aber so reaktionsfreudig, dasz sie mit dem amorphen SiO2 eine feste feinkoernige Mullitmatrix bildet.{Siliciumcarbid-Steine; Mullitbindung; Festbettdruckvergaser; Tonerde; a-Al2O3-Gehalt; amorphes SiO2; Kieselsol; Gefuege; Mullitmatrix; SiC-Oxidationsschutz}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die feuerfeste keramische Zustellung von Festbettdruckvergasern, in denen unter einem Druck < 3,5 MPa und Temperaturen < 130O0C der feste Brennstoff Braunkohle in hochwertige Gase umgewandelt wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Zustellung der Festbettdruckvergaser mit mullitgebundenen Siliciumcarbid-Steinen.
Charakteristik des bekannten Standen der Technik
Zur Vergasung ostelbischer Braunkohlen in den Festbettdrucl isern wird aufgrund der herrschenden Temperatur- und Korrosionsbedingungen keine Möglichkeit gesehen, die Standzeit des Innenmantels ohne keramische Zustellung wesentlich zu erhöhen. Deshalb wird die Ausmauerung der Festbettdruckvergaser mit Feuerfestmaterialien als die derzeitig optimalste Lösung angesehen. Die Ausmauerung verhindert den unmittelbaren Kontakt der korrosionsaktiven Asche mit der metallischen Wand. Aufgrund des Charakters der anfallenden Asche/Schlacke mittlerer bis höherer Viskosität und der hohen Temperaturen im Festbettdruckvergaser sind nur wenige Feuerfestmaterialien bekannt, die diesen Beanspruchungen über längere Zeit hinwog widerstehen können. Die bei der Fet, bettdruckvergasung zuvor verwendeten Schamotte- und Mullit-Korund-Steine waren bedingt durch die heißere Fahrweise der Festbettdruckvergaser, für diese veränderten Beanspruchungen nicht geeignet. Höherwertige Materialien, wie tongebundene Siliciumcarbid-Steine mit einem SiC-Gehalt von 65%, die gegenwärtig Verwendung finden, sind zwar besser als die vorgenannten Steinqualitäten, jedoch auch ihre Haltbarkeit ist nicht zufriedenstellend. Bei Einsatz der o. g. Kohlen mit erhöhtem Gehalt an Ascheträgern kann es mit dem Auskleidungswerkstoff SiC zu Reaktionen und zu Schlackewandbildungen kommen, die meist mit einer Schlackeinfiltration des Auskleidungswerkstoffes und einer Korrosion hinter der Ausmauerung verbunden sind.
Durch die sehr gute Wärmeleitfähigkeit der SiC-Steine In Verbindung mit der Kühlung des Innenmantels der Festbettdruckvergaser soli einerseits der Schmelzprozeß der Asche und die Reaktion mit dem Auskleidungsmaterial verhindert und andererseits die thermische Beanspruchung des Innenmantels gesenkt werden. Ein entscheidender Nachteil besteht im Oxidationsverhalten des Siliciumcarbids, das nicht oxidationsbeständig ist. Das SiC wird durch Sauerstoff, sauerstoffhaltige Verbindungen sowie Wasserdampf und Wasserstoff, die auch im Festbettdruckvergaser anwesend sind, umgewandelt. Mit der Umwandlung des SiC ist eine Gefügeauflockerung und eine verminderte Wärmeleitfähigkeit verbunden. Der hohe Tonanteil der verwendeten Steine und das durch die SiC-Oxidation gebildete freie SiO2 stellen für die Asche gute Reaktionspartner dar, die im Zusammenhang mit der Erhöhung der Innenwandtemperatur verbesserte Reaktionsbedingungen bilden. Dies kann zu Schlackeansätzen an der Innenwand des Festbettdruckvergasers und damit zu Verengungen des Vergasungsraumes und schließlich zur Außerbetriebnahme des Festbettdruckvergasers führen. Es ist bekannt, daß in verschiedenen Wirtschaftspatenten bereits Lösungen für die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Festbettdruckvergaser durch Verbesserung der Wärmeabführung dargelegt wurden, die jedoch zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis führten. So wurde im DD WP 220026 zur Vermeidung von Schlackeansätzen an der Innenwand von Festbettdruckvergasern eine Auskleidung auszwei Schichten unterschiedlicher Materialart vorgeschlagen, wobei an der Brennstoffseite ein Schamottestein eingesetzt wurde, der eine isolierende Wirkung erzielen sollte. Die im Festbettdruckvergaser erzeugta Asche sollte durch eine sehr heiße Fahrweise in Form von flüssiger Schlacke an der Schamotteschicht abfließen. Dieses Prinzip konnte praktisch nicht verwirklicht werden, da es zu Schlackaansetzungen kam.
Ziel der Erfindung
Es ist das Ziel der Erfindung, Anbackungen von Schlacke an der Innenwand des Festbettdruckvergasers zu verhindern und dadurch eine Verbesserung der Ökonomie durch
- Erhöhung der Verfügbarkeit der Festbettdruckvergaser
- Verringerung des Bedarfs von Prozeßdampf und
- Senkung des Instandhaltungsaufwandes zu erreichen.
-2- 294 6S8 Darlegung de· Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zusammensetzung der SiC-Steine so zu verändern, daß die Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit der keramischen Feuerfestauskleidung im Festbettdruckvergaser erhöht wird. Erfindungsgemäß werden der für die Herstellung der SiC-Steine zur Feuerfestauskleidung verwendeten SiC-Masse, die aus grob- (1-2,5 mm), mittel- (0,1 blei mm) und feinkörnigem (< 0,3mm) Siliciumcarbid mit einem Anteil von 65 bis 90% und einem reduzierten Anteil an plastischem Bindemittel in Form von geschlämmtem Kaolin und/oder feuerfestem Bindeton (5-15%) besteht, zusätzlich 5 bis 20% feingemahlene Tonerde mit einem a-AI2O3-Gehalt zwischen 85 und 95% und 2 bis 6% Kieselsol mit einem Gehalt an amorphem SiO2 von ca. 30% und/oder pyrogene Kieselsäure in Form des Anfallproduktes der Entstaubungsanlage der Ferrosiliciumproduklion zugegeben. Die Masse wird mit Wasser und Sulfitablauge und/oder einem Tonschlicker auf Jie gewünschte Preßfeuchte gebracht und nach dem Trock«npreßverfahren auf hydraulischen oder Spindelpressen abgeformt. Die Formlinge werden anschließend bei Temperaturen zwischen PK 146 und PK 156 gesintert.
Die feingemahlene Tonerde mit einem a-AI2O3-Gehalt zwischen 85 und 95% ist einerseits so stabil, daß sie beim Steinabbrand nicht schwindet und so das Steingefüge nicht negativ beeinflußt, ist aber andererseits durch den verbleibenden Anteil an Übergangtstonerden und der hohen Feinheit noch so reaktionsfähig, daß mit dem amorphen SiO2 eine feste, feinkörnige Mullitmatrix ausgebildet wird, die dem Stein hohe mechanische Festigkeiten und eine geringe offene Porosität verleiht. Die Spezialtonerde ist, bedingt durch den definierten a-AI2O3-Anteil und einem günstigen Kristallzustand, der in der zum Erlangen dieses a-AI2O3-Gehaltes notwendigen Calcinationsführung begründet ist, mit in der Keramikindustrie üblichen Aggregaten wie Trommel- oder Rohrmühlen sehr fein aufmahlbar (Halbwertskorngröße 2,5μηη). Die Mullitmatrix schützt außerdem das SiC vor der Oxidation zu SiO2.
Die Zusammensetzung der Masse wird vorzugsweise so gewählt, daß nach dem Steinabbrand ein Überschuß an Tonerde erhalten bleibt, der mit evtl. doch gebildeten SiO: sofort zu MuIMt reagiert.
Durch den Einsatz der mullitgebundenen Siliciumcarbid-Steine in den Festbettdruckvergasern wird wegen der hervorragenden Gefügewerte und dem C'xidationsschutz des Siliciumcarbids eine gute Wärmeleitfähigkeit über einen langen Zeitraum bewirkt. Die Reaktion der Asche mit dem Feuerfestmaterial, die durch den geringen Tonanteil, dem dichten Gefüge und der Abwesenheit von aus SiC gebildeten freien SiO; ohnehin nur wenig ausgeprägt ist, wird dadurch weiter behindert. Die Standzeit der keramischen Ausmauerung wird hiermit verlängert. Außerdem kann die Reaktionstemperatur des Prozesses erhöht werden, indem das Dampf/Sauerstoff-Verhältnis mit bekannten Vorteilen abgesenkt wird, ohne daß Schlackeansätze an der Ausmauerung entstehen.
Ausführungsbeispiel 1
Ein Festbettdruckvergaser mit Siliciumcarbid-Steinen auf der Basis einer Masse aus 45% Siliciumcarbid, Kornfraktion 1-2,5 mm 25% Siliciumcarbid, Kornfraktion 0,1-1 mm 12% Siliciumcarbid, Kornfraktion < 0,3mm 10% feuerfestem Bindeton 6% feingemahlener Tonerde (a-AI2O3-Gehalt zwischen
85 und 95% Halbwertskorngröße 2,5μηη) und 2% pyrogene Kieselsäure in Form des Anfallproduktes
der Entstaubungsanlage der Ferrosiliciumproduktion
zugestellt. Die Siliciumcarbid-Steine haben eine stabile Mullitbindematrix, die offene Porosität beträgt 17%. Da das SiC durch die Mullitmatrix gut gegen Oxidation geschützt wird und die Steine gute Gefügewerte ausweisen, hat die Feuerfestauskleidung eine gute Wärmeleitfähigkeit über einen langen Zeitraum. Die Reaktion der Kohlenasche mit dem Feuerfestmaterial, die durch den geringen Bindetonanteil und das dichte Gefüge ohnehin schon gering ist, wird durch die niedrigere Innenwandtemperatur weiter verzögert. Dadurch sind längere Standzeiten der Festbettdruckvergaser gegeben; der Vergasungsprozeß kann ohne das Entstehen von Schlackeansätzen bei einem Dampf/Sauerstoff-Verhältnis von < 6,5kg/m3 i. N. durchgeführt werden.
Ausführungsbeispiel 2
Ein Festbettdruckvergaser mit Siliciumcarbid-Steinen auf der Basis einer Masse aus 45% Siliciumcarbid, Kornfraktion 1-2,5 mm 20% Siliciumcarbid, Kornfraktion 0,1-1 mm 5% Siliciumcarbid, Kornfraktion < 0,1mm 5% feuerfestem Bindekaolin 20% feingemahlener Tonerde (a-AI2O3-Gehalt 85-95%,
Halbwertskorngröße 2,5 μηη) und 5% pyrogene Kieselsäure in Form des Anfallproduktes
der Entstaubungsanlage der Ferrosiliciumproduktion zugestellt.
Die Steine haben nach dem Erzeugnisbrand von PK 146 eine offene Porosität von 14%. Die in Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Vorteile können durch diese Zustellung noch übertroffen werden. Der Vergasungsprozeß kann ohne das Entstehen von Schlackeansätzen bei einem Dampf/Sauerstoff-Verhältnis von < 6,5kg/m3 i. N. durchgeführt werden.

Claims (2)

  1. Siliciumcarbid-Feuerfestmaterial für die Zustellung von Festbettdruckvergasern auf der Basis einer Masse von
    65 bis 90% grob- (1-2,5mm), mittel- (0,1-1 mm) und feinkörnigem (< 0,3 mm) Siliciumcarbid
    5 bis 15% feuerfestem Bindeton und/oder-kaolin und bei denen der Erzeugnisbrand bei einem
    Kegelfallpunkt von vorzugsweise bei PK 146 bis PK 156 erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich
    5 bis 20% Tonerde mit einem a-AI2O3-Anteil zwischen 85 bis 95%, die durch in der
    Keramikindustrie übliche Aggregate auf hohe Feinheit (Halbwertskorngröße 2,5 pm) aufgemahlen ist,
    2 bis 5% pyrogene Kieselsäure in Form des Anfallproduktes der Entstaubungsanlage der
    Ferrosiliciumproduktion und/oder
  2. 2 bis 6% Kieselsol mit einem Gehalt an amorphem SiO2 von ca. 30%
    enthalten sind.
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