GASWÄRME. Prozessoptimierung an einem Herdwagenofen durch Einsatz keramischer Rekuperatorbrenner

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1 VULKAN-VERLAG ESSEN GASWÄRME International 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, und Aggregatebau Gesellschaft mbh, Vertriebsbüro Hagen Dr.-Ing. Roland Rakette, 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/ , s.schalm@vulkan-verlag.de

2 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: x x mm, Temperaturbereich: C, Temperaturgenauigkeit: +/- 5 K, Beheizung: 18 x Rekuperator- Hochgeschwindigkeitsbrenner NOXMAT K-RHGB160, Gesamtanschlussleistung: kw, Max. Beladung: 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 HW Fig. 1: HW 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 und Aggregatebau Gesellschaft mbh, Vertriebsbüro Hagen Dr.-Ing. Roland Rakette und Aggregatebau Gesellschaft mbh, Oederan Dipl.-Ing. Stefan Schlager Schlager Industrieofenbau GmbH, Hagen Tel / maeder@noxmat.de Tel / drrakette@noxmat.de Tel / s.schlager@schlager-gmbh.de GASWÄRME International (56) Nr. 3/

3 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 182 GASWÄRME International (56) Nr. 3/2007

4 Die energiesparende und servicefreundliche Brennertechnik Brenner für direkte und indirekte Beheizung mit und ohne Rekuperator Hochgeschwindigkeits- und Flammenbrenner Strahlrohre Keramik und Stahl Steuergeräte und Komponenten Flachflammenbrenner Rekonstruktion und Wartung und Aggregatebau GmbH Ringstraße 7, D Oederan Tel. +49 (37292) Fax +49 (37292) Wir informieren Sie gerne persönlich im Rahmen der Fachmesse THERMPROCESS - Düsseldorf auf unserem Messestand in der Halle 4, Stand F Juni 2007

5 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 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 184 GASWÄRME International (56) Nr. 3/2007