Materiaaltechniek in verbrandingskamers van biomassacentrales

Bijzondere uitdagingen van biogene brandstoffen

De verbranding van biomassa verschilt fundamenteel van de verbranding van fossiele energiedragers. Houtsnippers, resthout, schors en andere biogene brandstoffen hebben sterk wisselende samenstellingen. Vochtgehalte, asaandeel en chemische samenstelling variëren niet alleen tussen verschillende brandstofsoorten, maar ook tussen afzonderlijke leveringen van hetzelfde type. Die variabiliteit stelt de vuurvaste bekleding van de verbrandingskamer voor bijzondere uitdagingen, die met gestandaardiseerde materiaalconcepten niet voldoende zijn te beheersen.

Biomassa-assen bevatten hoge aandelen alkaliën zoals kalium en natrium, die bij verbrandingstemperaturen agressieve smeltfasen vormen. Deze smeltfasen tasten de vuurvaste bekleding chemisch aan en leiden tot versnelde slijtage. Bijzonder kritiek is de combinatie van hoge alkaligehalten en lage asverwekingspunten, zoals die optreedt bij de verbranding van stro of graanresten.

Materiaalkeuze als sleutelfactor

• Aluminiumoxiderijke vuurvaste materialen zijn hoogvuurvast en slijtvast, maar vormen onder inwerking van alkaliën volumevergrotende fasen zoals kalsiliet of leuciet, waardoor de structuur kan afspatten – in met alkaliën belaste zones zijn dichte, alkaliresistente chamotte- of andalusietkwaliteiten meestal de betere keuze
• Siliciumcarbidehoudende materialen combineren een hoge slijtvastheid met een goede temperatuurwisselbestendigheid, maar zijn duurder in aanschaf
• Chroomoxidehoudende speciale materialen worden in extreme zones ingezet, maar vragen bijzondere afvoerroutes bij verwijdering
• Gietmassa's op basis van laagcementhoudende bindsystemen maken voegloze bekledingen in complexe geometrieën mogelijk

Zonering van de verbrandingskamer

Een moderne bekleding van een verbrandingskamer wordt niet met één uniform materiaal uitgevoerd, maar ingedeeld in zones die elk met het optimale materiaal worden bekleed. De rooster- en voortstuwingszone staat bloot aan een sterke mechanische en thermische belasting en vraagt slijtvaste, temperatuurwisselbestendige materialen. De nabrandzone is onderhevig aan de intensiefste chemische aantasting door assmelten en heeft corrosiebestendige materialen nodig. Het stralingsdeel en de vernauwing zijn primair thermisch belast en worden met hoogvuurvaste materialen ontworpen.

Bij het ontwerp van een bekleding voor een verbrandingskamer werken wij nauw samen met de exploitanten om de specifieke belastingsprofielen te bepalen. Welke brandstoffen worden ingezet? Hoe hoog is het asaandeel? Zijn er seizoensgebonden schommelingen in de brandstofkwaliteit? Op basis van die informatie ontwikkelen wij een op maat gesneden materiaalconcept dat de standtijd maximaliseert en de onderhoudskosten minimaliseert.

Constructieve details als aanjager van de standtijd

Naast de materiaalkeuze bepalen constructieve details het succes of falen van een bekleding van een verbrandingskamer. De vormgeving van de dilatatievoegen, de uitvoering van de verankering, het vermijden van warmtebruggen en de aansluiting op aangrenzende bouwdelen vragen jarenlange ervaring en een diep begrip van de thermomechanische samenhangen. Een vaak onderschat detail is de vormgeving van de overgangszones tussen verschillende materiaalzones. Hier komen materialen met een verschillend thermisch uitzettingsgedrag samen. Zonder geschikte constructies voor uitzettingscompensatie ontstaan op die plekken spanningsscheuren, die als toegangspoort voor agressieve media dienen en tot voortijdig falen leiden.