Projekt 22750/01

Ertüchtigung von Mischeinrichtungen für die schadstoffarme Verbrennung von Heizöl EL schwefelarm – Untersuchungen zu Konstruktion und thermischer Vorbehandlung

Projektträger

MEKU Metallverarbeitungs GmbH & Co. KG
Robert-Bosch-Str. 4
78083 Dauchingen
Telefon: 07720-974665

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Eine umweltschonende Energienutzung von Heizöl bei der Gebäudebeheizung ist heute mit emissionsarmen Verbrennungstechnologien, wie die der Rezirkulationsbrenner, in Kombination mit der energieeffizienten Brennwerttechnik und der Verwendung von schwefelarmem Heizöl möglich. Über den ho-hen Wirkungsgrad der Heizungsanlage wird eine Verminderung der spezifischen CO2-Emissionen um ca. 6 % und wegen des niedrigen Schwefelgehaltes des Heizöls eine Reduzierung der Schwefeldioxidemis-sionen von bis zu einem Faktor 40 erreicht. Die in den Rezirkulationsbrennern genutzte Technologie, die den niedrigen Stickoxidausstoß sicherstellt, erfordert den Einsatz von Flammenrohren. Bei der Verwendung von schwefelarmem Heizöl EL können an diesen Flammenrohren Schäden durch katastrophale Aufkohlung entstehen. Dieses ungelöste Korrosionsproblem beeinträchtigt zurzeit die Verwendung der schwefelarmen Heizölqualitäten. Im Projekt sollen werkstoffseitig und auf der Seite der Brennerkonstruktion Lösungen für das Korrosionsproblem erschlossen werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEine der Ursachen für die Korrosion sind lokale aufkohlende Gasatmosphären an der Flammenrohrwand. Von der strömungstechnischen Konstruktion einer Mischeinrichtung hängt ab, welche Gaskonzentrationen sich in den Flammenrohren einstellen. Daher sollen im Vorhaben verschiedene Mischeinrichtungen gebaut und an ihnen die Wechselwirkung von Strömungsführung und Korrosionsangriff durch Metal-Dusting untersucht werden. Es werden Messungen der Gaskonzentrationen und Korrosionsversuche durchgeführt. Aus den Ergebnissen der Untersuchungen können für neu zu entwickelnde Mischeinrichtungen Konstruktionskriterien im Hinblick auf eine Vermeidung des Metal-Dusting generiert werden. Eine materialseitige Lösung - die einzig mögliche Lösung für im Feld befindliche Anlagen - wird mit der Erprobung einer Voroxidation von Flammenrohren angestrebt. Im Forschungsvorhaben soll ein Glühverfahren mit geeigneten Temperaturen und Ofenatmosphären für die Voroxidation von marktgängigen Nickelbasis-Hochtemperaturlegierungen entwickelt werden. Oxidationsversuche und Analysen der erhaltenen Oxidschichten werden durchgeführt und die Korrosionsbeständigkeit von voroxidierten Rohren unter rea-len Bedingungen geprüft.


Ergebnisse und Diskussion

Im Vorhaben wurde eine Mischeinrichtung für den Leistungsbereich 14 kW bis 25 kW für Rezirkulationsbrenner entwickelt und gefertigt. Dabei handelt es sich um die Optimierung eines von MEKU bereits eingesetzten Mischkonzeptes, bei dem die Verbrennungsluft verdrallt zugeführt wird. Sowohl die Betriebsstabilität als auch die Einhaltung der Grenzwerte für die Kohlenmonoxid- oder Stickoxid-Emissionen wurden für dieses Modell sichergestellt. Das Ziel der Entwicklung war eine wesentliche Reduzierung des Gefahrenpotentials für das Auftreten der Korrosionsform Metal-Dusting. Der Nachweis dafür, dass die Modellmischeinrichtung dieses Ziel erreicht, wurde durch Messung der Zusammensetzung der Atmosphäre im Flammenrohr während des stationären Brennerbetriebs erbracht. Bei der entwickelten Mischeinrichtung ist die Kohlenstoffaktivität, die die treibende Kraft des Metal-Dusting darstellt, nur in einem räumlich eng begrenzten Bereich erhöht und überschreitet in diesem Bereich einen kritischen Wert nicht. In einem Testlauf der Mischeinrichtung mit schwefelarmem Heizöl blieb das Flammenrohr schadensfrei. Das Herzstück der Mischeinrichtung ist ein Mischkopf, der an die Bauformen anderer Hersteller ange-passt werden kann. Von der Mischeinrichtung wurden auch zwei Varianten mit zweistufiger Luftkühlung entwickelt, die den höheren Leistungsbereich von 25 kW bis 70 kW abdecken. Es zeigte sich, dass bei der zweistufigen Luftzuführung weiterer Entwicklungsbedarf besteht, da weniger gute Werte als für die einstufige Mischeinrichtung gemessen wurden.
Im Forschungsvorhaben konnte mit einer Glühung bei 900 °C in Luft, einer N2-H2-H2O- oder einer Ar-H2-H2O-Atmosphäre eine geschlossene Oxidschicht in der industriell praktikablen Glühzeit von 4 h auf Rohren aus Alloy 601 erzeugt werden. Mit diesen Rohren wurden in einem Metal-Dusting-Prüfbrenner Korrosionstests durchgeführt. Der Korrosionsangriff setzte gegenüber den Beobachtungen bei unbehandelten Rohren verzögert ein, wurde aber durch die Voroxidation nicht verhindert. Die Voroxidation des Alloy 601 ist daher als Maßnahme zur Lösung des Korrosionsproblems nicht geeignet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es ist geplant die im Rahmen des Forschungsvorhabens erarbeiteten Ergebnisse der Allgemeinheit über Fachartikel in der Fachzeitschrift Heizungsjournal zugänglich zu machen. Die MEKU fertigt Mischeinrichtungen für verschiedene Kunden und ist auch bei deren Entwicklung unterstützend tätig, so dass über diesen Weg die gewonnenen Erkenntnisse direkt weitergegeben werden. Ein Vortrag für die Europäischen Kongress EUROMAT 2007 im September in Nürnberg, dessen Schwerpunkt die materialseitigen Aspekte des Forschungsvorhabens sein werden, wurde bereits eingereicht. Weitere wissenschaftliche Veröffentlichungen in Zeitschriften aus dem Themenbereich Korrosion sind vorgesehen.


Fazit

Bei der im Forschungsvorhaben konstruierten Mischeinrichtung MBK für den Leistungsbereich von 14 kW bis 25 kW wird das Prinzip der Luftzuführung über ein Drallgitter verwendet, das dem Luftstrom einen Tangentialimpuls verleiht. Mit dieser Strömungsführung kann das Gefahrenpotential für das Auftreten von Metal-Dusting am Flammenrohr wesentlich verringert werden. Zwei weitere für höhere Leistung entwi-ckelte Modelle mit gestufter Luftzuführung zeigten, dass auch in diesem Fall ein Verdrallen der Sekundär-luft im Hinblick auf niedrige Kohlenwasserstoffkonzentrationen am Flammenrohr vorteilhafter ist als eine axiale Luftzuführung. Insgesamt schwächt die gestufte Luftzuführung aber den bei einstufiger Luftzuführung erreichten positiven Effekt. Die Untersuchungen ergaben außerdem, dass, falls die Freiheit besteht, ein großer Durchmesser für das Flammenrohr gewählt werden sollte.
Mit den im Forschungsvorhaben durchgeführten Glühungen bei 900 °C in Luft, einer N2-H2-H2O- oder einer Ar-H2-H2O-Atmosphäre konnte eine geschlossene Oxidschicht in der industriell praktikablen Glühzeit von 4 h auf der Außen- und Innenseite von Rohren erzeugt werden. Die Korrosionstests an auf diese Weise voroxidierten Rezirkulationsaufsätzen in einem Metal-Dusting-Prüfbrenner ergaben für alle drei Glühatmosphären, dass der Korrosionsangriff gegenüber den Beobachtungen beim unbehandelten Werkstoff verzögert einsetzte, jedoch nicht verhindert wurde. Die Voroxidation scheidet daher als Maßnahme zur Lösung des Korrosionsproblems aus.
Aus Kostengründen liegt im Interesse der Branche, die Forschung nach einer werkstoffseitigen Lösung fortzusetzen, die nicht den Einsatz von kostspieligen metallischen Werkstoffen oder von Keramik beinhaltet. Die Rolle, die den einzelnen in geringem Gehalt vorhandenen Legierungselementen des Alloy 601 und den Phasen in der Oxidschicht, insbesondere dem Mangan-Spinell, bei dem Korrosionsmechanismus des Metal-Dusting zukommt, ist noch nicht geklärt. Zukünftige Forschungen sollten diese Fragestellung bearbeiten

Übersicht

Fördersumme

236.000,00 €

Förderzeitraum

23.12.2004 - 23.12.2006

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik