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Silizium-Dichtungen für Rohrleitungen Schmelzöfen Strom produzieren lassen

17.07.2018

Eigentlich ist ein Schmelzofen eine bekannte technische Anlage, aber wenn es um das Schmelzen von Silizium geht, wird alles schon etwas komplexer: Mit extrem hohen Temperaturen muss das Halbmetall quasi aus seinen Verbindungen gerissen werden. Die erheblichen Mengen Abwärme können dabei wieder zu Strom werden – sofern die Leitungen den rauen Bedingungen standhalten.

Typische siliziumhaltige Rohstoffe sind Quarzit oder Quarzsand, doch diese geben das gebundene Silizium (als SiO2 vorhanden) nicht so gerne frei. Man muss es mit recht brachialer Gewalt aus der chemischen Verbindung reißen. Dazu sind Temperaturen von über 2.000 °C nötig, die durch elektrische Lichtbogenöfen bei niedrigen Spannungen, aber sehr hohen Stromstärken erzeugt werden und damit in der Lage sind, den Sauerstoff aus der Verbindung zu reduzieren.

Das entstehende Rohsilizium oder auch metallurgische Silizium wird für die Legierung von Stahlschmelzen verwendet und ist auch ein Ausgangsstoff für hochreines Silizium für die Solarindustrie und Mikroelektronik. Der entstehende staubförmige Anteil wie etwa Microsilica verbessert Betonsorten und stabilisiert damit unter anderem Bohrlöcher bei der Erdöl- und Gasgewinnung.

Leitungen unter Strom und Druck

Das geschilderte Produktionsverfahren ist sehr energieintensiv, und es entstehen erhebliche Mengen an Abwärme. Um diese Abwärme sinnvoll zu nutzen, werden Dampferzeuger eingesetzt, die den entstehenden Dampf über Turbinen zur Stromerzeugung nutzen. In einem Anwendungsfall wurden damit circa 180 Gigawattstunden pro Jahr erzeugt, was laut Anwenderinformation dem Energieverbrauch von 12.000 Haushalten entspricht. Somit wird ein erheblicher Beitrag zur Energierückgewinnung geleistet.

Das Anspruchsvolle der Konstruktion der Anlage liegt darin, dass ein Teil der Rohrleitungen elektrisch isoliert sein muss. Auch wenn es „nur“ sechs bis zehn Volt an Isolationsspannung sind, wäre bei den hohen elektrischen Strömen ein elektrischer Kontakt gefährlich. Gleichzeitig liegen Dampftemperaturen von 260 bis 270 °C und Dampfdrücke von 50 bis 55 bar vor. Der übliche Einsatz von Graphitdichtungen ist hier aufgrund der Leitfähigkeit des Graphites nicht möglich.

Energieeffizient abdichten

Eine Alternative zu Graphitdichtungen bilden die Dichtungen der Serie Top-Chem 2000 von Klinger. Im Gegensatz zu Standard-PTFE-Dichtungsmaterialien sind sie nicht mit Siliziumdioxid oder Bariumsulfat, sondern mit Siliziumcarbid gefüllt. Dadurch härtet das Material bei hohen Temperaturen nicht aus, hält Druck besser stand und wirkt hinsichtlich des Stromflusses isolierend. Wesentlich dabei ist, dass die mittlere elektrische Durchschlagfestigkeit der Dichtung mit circa 3.600 V/mm für die Anwendung ausreichend ist. Es macht somit nichts aus, dass Einsatzdruck und -temperatur knapp außerhalb des von Klinger im p,T-Diagramm empfohlenen üblichen Einsatzbereiches liegen.

Obwohl Top-Chem 2000 ursprünglich für anspruchsvolle Anwendungen im Chemie- und Anlagenbau gedacht war, wird die Produktreihe nun schon seit Längerem auch in der Energieversorgung und im Sanitärbereich eingesetzt. Die Eigenschaften des Dichtungsmaterials gezielt zu nutzen soll laut Hersteller Ressourcen schonen und energieeffiziente Prozesse begünstigen.

Bildergalerie

  • Silizium ist in Form von Siliziumdioxid (SiO2) zum Beispiel in diesen weißen Quarzkristallen enthalten.

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  • Extrahierte Siliziumkörner

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  • Reines Silizium (Si) weist einen typischen metallischen Glanz auf.

    Bild: Klinger

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