David A. Short, Zeeco, Regno Unito, descrive come è stato possibile migliorare il design della tradizionale piastrella radiante a parete utilizzata nei bruciatori di processo.
Le piastrelle per bruciatori a parete radianti svolgono un ruolo intrinseco nel mantenimento della temperatura del forno e della stabilità ed efficienza operativa. Storicamente, le piastrelle per bruciatori a parete radianti venivano prodotte in quattro pezzi utilizzando argille di mattoni refrattari cotte in forno e modellate a mano, sostenute da tacchetti di fissaggio laterali esterni. Negli anni '70, la maggior parte delle piastrelle per bruciatori a parete radianti è stata prodotta in due pezzi, utilizzando materiale convenzionale in silice alluminata colata. Un sistema di ritenzione con fissaggi laterali e inferiori era saldato alla piastra di montaggio anteriore del bruciatore (Figura 1). Questo design è stato adottato dai principali produttori di bruciatori di processo e nella maggior parte dei casi è ancora valido.
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Tuttavia, questo progetto non è privo di sfide. I problemi principali sono il peso della piastrella e le carenze del sistema di ritenzione. Anche quando viene gettato in due sezioni, il materiale refrattario denso è pesante e ingombrante da installare e richiede un ampio sistema di ancoraggio e di supporto, come si può vedere nella Figura 1. Il sistema di ritenzione tradizionale spesso permette al gas caldo di penetrare intorno alla fessura di espansione delle piastrelle del bruciatore e, a causa del ritiro del refrattario adiacente o del movimento del refrattario, il gas che ricircola o fuoriesce non solo riduce l'efficienza e la stabilità del forno, ma aumenta la probabilità di un guasto prematuro dei tacchetti a causa del potenziale surriscaldamento della piastra di montaggio del bruciatore o dell'involucro del forno.
Per garantire che una piastrella funzioni come previsto, gli utenti finali devono considerare i criteri critici di selezione del materiale refrattario. Questi includono:
- Temperatura di esercizio del forno
- Temperatura frontale fredda del forno
- Cottura a gas o a olio
- Atmosfera ossidante o riducente e composizione del gas
- Bruciatori a tetto, a parete o a pavimento
- Probabilità di erosione da gas e/o attacco chimico
- Probabilità di impingement diretto della fiamma
- Condizioni del ciclo termico.
Un nuovo design di piastrelle modulari
Gli ingegneri di Zeeco hanno cercato di creare una piastrella con una maggiore integrità e affidabilità. Il progetto che ne è scaturito, denominato Zeecolite, è una piastrella per bruciatori radianti a parete in un unico pezzo (Figure 2 e 3). I componenti chiave di questo progetto includono una faccia calda resistente all'erosione e un isolamento di riserva in materiale leggero ed efficiente dal punto di vista termico, con un sicuro ancoraggio incorporato in acciaio inossidabile Inconel.
Figura 2. Piastrella per bruciatore radiante a parete in composito Zeecolite in un unico pezzo - faccia calda.
Figura 3. Piastrella per bruciatore radiante a parete composita Zeecolite in un unico pezzo - faccia fredda.
Il design modulare in un unico pezzo utilizza un materiale fuso a basso contenuto di ossido ferrico al 62% di allumina 1700˚C appositamente formulato come faccia calda, supportato da pannelli isolanti in fibra ceramica (Figura 4). Il design garantisce sia l'efficienza termica che la resistenza all'erosione, criteri fondamentali per le prestazioni del bruciatore e l'affidabilità del focolare.
Figura 4. Vista laterale del progetto di piastrelle modulari che mostra i pannelli isolanti in fibra ceramica e il sistema di ancoraggio incorporato.
Il gruppo di piastrelle è autoportante con un sistema di ancoraggio incorporato a quattro punti in acciaio inossidabile Inconel. Il sistema incorporato, completamente chiuso, viene utilizzato per fissare il modulo di piastrelle all'involucro del forno o alla piastra di montaggio del bruciatore. Il sistema di ancoraggio è completamente indipendente dal refrattario del forno circostante e dai componenti di combustione del sistema del bruciatore. L'inserimento degli ancoraggi nella sezione fusa evita i problemi legati all'affaticamento e all'ossidazione del metallo (Figura 5).
Figura 5. Vista laterale del progetto di tegola modulare che mostra i bulloni ad occhiello collegati per manovrare la tegola in posizione.
Dietro la faccia calda, il pannello isolante in fibra ceramica garantisce l'efficienza termica e riduce il peso. Il modulo di piastrelle risultante con il sistema di ancoraggio offre una migliore efficienza termica e un peso ridotto, esigenze fondamentali nei moderni forni.
Affrontare i problemi di longevità e avviamento
Le piastrelle in zeecolite vengono pre-essiccate a 360˚C per garantire la rimozione dell'acqua libera e chimica. Questo processo elimina il problema comune delle crepe termiche o del cedimento delle piastrelle durante le procedure di avviamento. Il sistema di ancoraggio completamente protetto garantisce l'integrità a lungo termine del sistema di supporto e impedisce qualsiasi movimento in avanti della piastrella rispetto alla punta del gas del bruciatore, problemi di longevità e affidabilità comuni ai design tradizionali delle piastrelle. L'aggiunta dell'isolamento in fibra ceramica a bassa massa migliora l'efficienza termica, riducendo anche i costi energetici per mantenere il forno in funzione entro le specifiche di progetto e gli obiettivi di efficienza.
Applicazioni
La piastrella modulare in un unico pezzo è stata progettata per l'uso in applicazioni con bruciatori a fiamma piatta a fiamma laterale in forni di reforming primario. Sia la sezione fusa della faccia calda che lo spessore del pannello isolante in fibra ceramica possono essere variati in base ai parametri specifici del forno o dell'applicazione; questo design è adatto a qualsiasi costruzione esistente o nuova, indipendentemente dallo spessore delle pareti o dalla composizione del refrattario circostante.
Installazione
Il modulo di piastrelle con bruciatore è stato progettato per essere facile da installare sia per le applicazioni nuove che per quelle in retrofit. Gli ancoraggi in acciaio inox incorporati sporgono attraverso i pannelli isolanti in fibra ceramica posteriori per essere avvitati alla piastra di montaggio esterna. Per sollevare i moduli fino alla posizione di montaggio sulla parete del forno, i bulloni a occhiello che si infilano nei bulloni di ancoraggio sono forniti in genere con i gruppi di piastrelle. Una volta in posizione, il sistema di montaggio garantisce che gli ancoraggi siano in grado di sospendere il modulo di piastrelle del bruciatore senza alcun movimento dovuto alla coppia gravitazionale, il che significa che il modulo di piastrelle non importerà carichi o sollecitazioni significative al sistema di rivestimento circostante. Questo è un vantaggio particolare quando si utilizzano materiali delicati per il sistema di rivestimento, come i moduli in fibra ceramica refrattaria (RCF). Il montaggio del modulo di piastrelle può essere eseguito internamente o esternamente, a seconda che il modulo sia fissato a una piastra di montaggio del bruciatore o direttamente all'involucro del forno.
Se lo schema dei bulloni di ancoraggio non corrisponde alla disposizione esistente sulla piastra di montaggio del forno, è possibile praticare ulteriori fori nella piastra di montaggio utilizzando una tavola dima per individuare i fori o, in alternativa, il modulo può essere preassemblato a una nuova piastra di montaggio del bruciatore. Questo tipo di modulo di piastrelle viene utilizzato in molti forni di steam reforming e offre vantaggi in termini di efficienza termica e durata.
Caso di studio: Germania
Un forno con bruciatori laterali a tiraggio naturale aveva uno spessore della parete refrattaria di 325 mm attraverso la piastrella del bruciatore.
La piastrella originale aveva una faccia calda di 250 mm di spessore e utilizzava una colata di silicato di allumina a 1650˚C, con due strati di fibra ceramica e pannelli di silicato di calcio che aggiungevano altri 75 mm di spessore. La temperatura della faccia calda poteva raggiungere i 1200˚C, anche se per il confronto del progetto delle piastrelle la temperatura media del focolare utilizzata era di 1100˚C. La temperatura del lato freddo, in condizioni ambientali di 21°C e assenza di vento, era di 96°C con una perdita di calore di 936 W/m2 .
Il materiale per la faccia calda della nuova tegola era costituito da un getto a basso cemento al 62% di allumina 1700˚C e aveva uno spessore di 60 mm tra i nastri di ancoraggio e di 160 mm attraverso i nastri di ancoraggio, con 165 mm di pannelli isolanti in fibra ceramica. Lo spessore complessivo del modulo era di 325 mm.
La temperatura media della faccia fredda delle sezioni colabili, a parità di condizioni ambientali, è stata di 60˚C con una perdita di calore media di 410 W/m2 .
Grazie all'applicazione della nuova tegola, si è registrato un miglioramento del 56% dell'efficienza termica con una riduzione del peso del modulo di 79 kg/tegola.
Caso di studio: Austria
Un forno con bruciatori laterali a tiraggio naturale aveva uno spessore della parete refrattaria di 293 mm attraverso la piastrella del bruciatore. La temperatura del fronte caldo poteva raggiungere i 1200 ˚C, ma ai fini del confronto tra le piastrelle la temperatura media del focolare utilizzata era di 1100 ˚C.
La piastrella originale aveva una faccia calda di 158 mm e utilizzava una lastra di silicato di allumina di 1650˚C, supportata da tre strati di fibra ceramica e pannelli di silicato di calcio, per un totale di 135 mm. La temperatura della faccia fredda, con condizioni ambientali di 21˚C e assenza di vento, era di 77˚C con una perdita di calore di 645 W/m2 .
Il materiale per la faccia calda della nuova tegola era costituito da un getto a basso cemento al 62% di allumina 1700˚C e aveva uno spessore di 58 mm tra i nastri di ancoraggio e 158 mm attraverso i nastri di ancoraggio, con un supporto di 135 mm di pannelli isolanti in fibra ceramica. La temperatura media della faccia fredda delle due sezioni in calcestruzzo, alle stesse condizioni ambientali, è stata di 65˚C con una perdita di calore media di 468 W/m2 .
Di conseguenza, è stato ottenuto un miglioramento del 28% dell'efficienza termica con una riduzione del peso del modulo di 38 kg/tela.
Conclusione
Il nuovo design delle piastrelle ha ridotto i tempi di inattività del forno e migliorato la durata del prodotto. Inoltre, se abbinato a una migliore efficienza termica, la sua applicazione ha consentito di risparmiare notevolmente sui bilanci operativi e di manutenzione.
Figura 6. Funzionamento dei bruciatori radianti a parete nel forno con piastrella Zeecolite.
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