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In der keramischen Industrie werden vor allem aus energetischen Gründen, häufig kontinuierliche Öfen zum Brennen der Erzeugnisse eingesetzt. Diese kontinuierlichen Öfen werden üblicherweise in Form von Tunnel- oder Rollenöfen ausgeführt, doch sind auch andere Bauformen wie Monker oder Durchschuböfen bekannt. Diese Öfen beruhen energetisch auf dem Prinzip eines Gegenstromwärmetauschers, wodurch sie energiesparender als periodische Öfen sind. Ein Nachteil dieser Öfen ist jedoch, dass ein sehr langer Baukörper notwendig ist. Bei allen Öfen, in denen die Ware auf feuerfesten Transportmitteln – bei Tunnelöfen z. B. Ofenwagen – transportiert wird, müssen diese außerhalb des Ofens zum Ofeneingang zurück transportiert werden. Dazu werden zum Beispiel die Ofenwagen mit Schiebenbühnen auf parallel zum Ofen installierte Gleise transportiert und entgegen der Ofenschubrichtung zum Eingang des Ofens geschoben. Die Ofenwagen werden auf dieser Strecke entladen und wieder beladen, wobei die dafür erforderliche Strecke nur wenige Meter beträgt. Da keramische Tunnelöfen üblicherweise 60 bis über 200 Meter lang sind, ist ein großer Teil der Hallenfläche, in denen solche Anlagen untergebracht sind, ungenutzt. Unter anderem um diese ungenutzten Hallenflächen und insbesondere um die Baukosten der Tunnelöfen selbst klein zu halten, haben sich in der Industrie Tunnelöfen durchgesetzt, die möglichst kurz sind. Um dies verfahrenstechnisch zu bewerkstelligen werden seit vielen Jahren Tunnelöfen und auch andere oben erwähnte kontinuierliche Öfen mit einer Sturz- oder Schnellkühlzone ausgestattet. In dieser Zone wird zur Kühlung der Ware eine große Menge Luft eingeblasen, um zu gewährleisten, dass bei kurzer Ofenbauweise, die Temperatur der Ware am Ofenausgang und damit der Energieverlust möglichst gering ist. Diese Kühlluft sowie die Kühlluft, die im Gegenstrom vom Ofenausgang in die Kühlzone geführt wird, wird üblicherweise abgesaugt und für die Trocknung der Ware verwendet. Zum Teil wird diese Luft auch in der Aufheizzone bzw. zur Vorwärmung des Brenngutes oder der Verbrennungsluft genutzt.
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Die Sturzkühlzone in einem kontinuierlichen Ofen beginnt üblicherweise direkt im Anschluss an die Hauptbrennzone, in der je nach Produkttyp und Rohstoff Temperaturen von ca. 900°C bis 1200°C vorherrschen. Durch die Kühlluft wird das Brenngut, die Ofenwagenaufbauten und gegebenenfalls die Brennhilfsmittel theoretisch auf bis zu 570°C üblicherweise jedoch auf ca. 650°C abgekühlt. Die nach dieser Zone für die Trocknung oder Vorwärmung abgesaugte Luft kann ebenfalls solche Temperaturen haben. Da jedoch für die Trocknung nur Temperaturen von maximal 120°C erforderlich sind, wird diese Luft mit Frisch- oder Umluft der Trockner gemischt und entsprechend abgekühlt. Da die oben genannten kontinuierlichen Brennaggregate im Gegenstromprinzip arbeiten, steht die so entnommene Wärmeenergie, nicht mehr für den Brennprozess zur Verfügung und muss in der Brennzone entsprechend zugeführt werden.
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In der Fachwelt setzt sich zunehmend die Erkenntnis durch, dass dieses Verfahren allgemein auch als Wärmeverbund bekannt, energetisch ungünstig ist. Die in der Kühlzone von kontinuierlichen Öfen abgesaugte Luft besitzt eine hohe Temperatur und wird dann durch Mischen auf niedrige Temperaturen abgekühlt, um sie für die Trocknung nutzbar zu machen. Die Zufuhr der Wärmeenergie für die Trocknung kann auch durch andere Verfahren wie Solarthermie, Wärmepumpen oder durch Freilufttrocknung erfolgen, da entsprechend niedrige Temperaturen ausreichen. Ebenso kann es energetisch sinnvoll sein, Trockenwärme im Kraftwärmeverbund mittels Blockheizkraftwerken zu erzeugen.
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Andererseits könnte die vorhandene Hochtemperaturluft für die Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden, wie dies in
DE 4328301 C2 oder
DE 10 2011 100 736 A1 beschrieben ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den entsprechenden Energiebetrag im Brennaggregat zu belassen und damit den Energieverbrauch des Ofens zu senken. Um das zu tun wäre es günstig sowohl den Eintrag von Luft in der Sturzkühlzone als auch das Absaugen in der Kühlzone zu minimieren oder idealerweise zu eliminieren und somit zu einer Technik zurückzukommen, die am Anfang der Entwicklung von kontinuierlichen Brennaggregaten stand. Um zu verhindern, dass durch erhöhte Brennguttemperatur am Ofenausgang Energieverluste auftreten, müssten Öfen bei heute üblicher Durchsatzleistung jedoch deutlich länger ausgeführt werden bzw. bestehende Öfen entsprechend verlängert werden. Da mit zunehmender Ofenlänge auch die Temperatur am Ofenausgang und damit die energetischen Ausfahrverluste reduziert werden können, wäre es insgesamt günstig Öfen möglichst lang zu bauen.
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Das Problem dabei ist jedoch, dass nicht nur die Öfen selbst sondern auch die Gebäude in denen diese untergebracht sind, entsprechend groß ausgeführt werden müssten und damit auch die nicht nutzbare Gebäudefläche wie oben beschrieben ansteigen würde. Bei bestehenden Öfen besteht aus baulichen Gründen oft gar nicht die Möglichkeit Öfen zu verlängern, da angrenzende Gebäudenutzung oder Grundstücksgrenzen dies verhindern. Daneben wäre es bei bestehenden Öfen sehr aufwendig den Ofenwagenumlauf inklusive der Schiebebühnen umzubauen.
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Anders als am Ofenausgang, wo der Wärmeinhalt des Brenngutes und der Ofenwagen für Energieverluste verantwortlich ist, ist am Ofeneingang der Wärmeinhalt des Ofenabgases der entscheidende Verlustfaktor. Dies ist insbesondere deswegen der Fall, da die Ofenabgastemperatur üblicherweise bei Temperaturen über 150°C gehalten wird um die Kondensation von korrosiven Gasen zu verhindern. Bei vielen Öfen wird diese Temperatur jedoch überschritten, da durch die Länge der Aufheizzone ein Abkühlen des Abgases auf diese Temperatur nicht möglich ist. Hier wäre es günstig Öfen so zu verlängern, dass die minimale Abgastemperatur und damit die minimalen Wärmeverluste erzielt werden. Stand der Technik ist es, dass Wärmetauscher im oder parallel zum Abgasstrom angeordnet werden:
DE 3730365 A1 ,
DE 4023432 A1 . Diese Verfahren besitzen aber den Nachteil, dass die Abgastemperaturen immer noch so hoch sein müssen, dass Kondensation von korrosiven Gasen nicht erfolgt. Die latente Wärme, die im Wasserdampf, der durch die Verbrennung entsteht, wird dabei nicht genutzt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen kontinuierliche keramische Öfen energiesparend zu betreiben. Dabei wird die Energie für die Trocknung nicht oder nur zu einem reduzierten Teil aus der Kühlzone des Ofens entnommen und sowohl die Brennguttemperatur am Ofenausgang als auch die Abgastemperatur am Ofeneingang möglichst gering gehalten. Dabei soll die Möglichkeit bestehen die Temperatur der Ofenabgase unter die Taupunkt-Temperaturen der korrosiven Gasbestandteile bzw. des Verbrennungswassers zu senken.
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Die Trocknungsenergie kann dabei aus dem Ofenabgas rückgewonnen werden oder durch andere Verfahren, wie Solarthermie, Kraftwärmekoppelung (Blockheizkraftanlagen), Wärmepumpen oder durch Umgebungsluft zur Verfügung gestellt werden.
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Voraussetzung für dieses Verfahren ist jedoch, dass die Ofenlänge nach der Brennzone (Kühlzone) so lang ist, dass bei reduzierter Sturzkühlung bzw. Entnahme von Kühlluft eine hinreichend niedrige Temperatur des Brenngutes am Ofenausgang erreicht wird, da sonst Energieverluste auftreten würden. Bei bestehenden Öfen ist eine Verlängerung der Kühlzone aus baulichen Gegebenheiten oft nicht möglich oder z. B. durch eine erforderliche Verlagerung der Schiebebühne sehr aufwendig. Bei neuen Öfen wäre eine verlängerte Kühlzone einfach umzusetzen, die ungenutzte Hallenflächen und damit die Baukosten würde dabei aber sehr groß werden. Das Problem besteht nun darin ein Verfahren bzw. eine Bauart zu finden, bei der es möglich ist, bestehende Öfen entsprechend umbauen zu können bzw. bei neuen Öfen zu einer Platz sparenden Bauart zu kommen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass neben dem Ofenausgang ein baulich getrennter Tunnel angeordnet wird, durch den Ofenwagen entgegen der Schubrichtung des Ofens geschoben werden. Im Gegenstrom zu diesen Ofenwagen wird dieser Tunnel mit Luft durchströmt, wobei wie im Tunnelofen das Prinzip eines Gegenstromwärmetauschers erfüllt wird. Die von diesem Wärmetauscher austretende erwärmte Luft wird über Rohrleitungen oder Kanäle zum Ofeneingang geblasen und dort eingeblasen. Der Transport der Ofenwagen, die den Ofen verlassen erfolgt über herkömmliche oder bestehende Schiebebühnen, wobei diese Schiebebühnen mit einem isolierenden Aufbau versehen werden können, der Wärmeverluste der Ofenwagen reduziert. Idealerweise gleicht der innere Querschnitt dieses Aufbaues als auch des nachgeschalteten Wärmetauscher-Tunnels dem inneren Querschnitt des Ofens. Dies dient zur Verhinderung von Wärmeverlusten, wobei zur Abdichtung insbesondere das seitliche Labyrinth wie ihm Ofen ausgeführt werden. Dadurch wird erreicht, dass Ofenwagen, die durch die reduzierte Entnahme von Kühlluft eine höhere Ausfahrtemperatur aufweisen verlustarm zum parallel angeordneten Wärmetauscher transportiert werden können. Die Temperatur der ausgefahrenen Ofenwagen kann dabei bis zu 550°C betragen. Die Länge des nachgeschalteten Wärmetauscher, der mit Umgebungsluft versorgt wird, bzw. die installierte Ventilator-Leistung (Luftmenge für den Gegenstrom) kann so gewählt werden, dass die Brennguts-Temperatur idealerweise bis nah an die Umgebungstemperatur reduziert wird.
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Optional kann in gleicher Weise am Ofeneingang durch einen parallel angeordneten vorgeschalteten Wärmetauscher, der über eine wärmeisolierte Schiebenbühne die Ofenwagen vom Wärmetauscher zum Ofeneingang transportiert, die Abgastemperatur reduziert werden, falls diese größer als 150°C. Dazu können die Ofenabgase vor der Zuführung zum Abgaskamin durch diesen vorgeschalteten Wärmetauscher geblasen werden, um Abgastemperaturen nahe der Kondensationstemperatur von z. B. 120°C zu erreichen. In den auf diese Temperatur abgekühlten Abgasstrom kann erfindungsgemäß ein Abgaskondensator integriert werden, der außerhalb des Ofens eine Absenkung der Abgastemperatur unter die Taupunkte ermöglicht. Die darin rückgewonnene Wärme inklusive der Kondensationswärme kann dabei, für die Versorgung von Vorwärmern bzw. für die Trocknung oder die Warmwasserversorgung verwendet werden. Das anfallende Kondensat kann in der Aufbereitung bzw. Formgebung als Anmachwasser Verwendung finden. Je nach Zusammensetzung des Kondensats kann das Wasser chemisch behandelt oder gefiltert werden. Sinnvoll kann es dabei sein den pH-Wert durch Zugabe von Kalkmilch einzustellen oder Schwefelverbindungen durch die Zugabe von Bariumkarbonat auszufällen bzw. schwerlöslich zu machen.
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Das Energieeinsparpotential des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an zwei Beispielrechnungen veranschaulicht. Eine Variante wird mit Wärmerückgewinnung aus dem Rauchgas und eine Variante ohne diese Wärmerückgewinnung betrachtet.
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Beispielrechnung 1: Bei einem angenommenen Gesamtenergiebedarf von 2000 kJ/kg Brenngut, einem Energiebedarf in der Trocknung von 3500 kJ/kg Wasser und einem Feuchtegehalt des Trockengutes von 17% würde der erforderliche Energiebedarf der Trocknung 595 kJ/kg Trockenware betragen. Die Reduzierung der Ofen-Abgastemperatur von 150°C auf 50°C würde eine Enthalpie-Differenz von ca. 130 kJ/mn 3 Rauchgas bzw. ca. 66% bewirken. Bei einem bilanzierten Abgasverlust eines Tunnelofens von angenommen 33% würde dies einer Wärmeenergie von 436 kJ/kg Brenngut entsprechen. Bei der Verbrennung von reinem Methan mit einem Heizwert Hi = 36000 kJ/mn 3 würde zudem durch Kondensation des Verbrennungswassers eine Kondensationswärme von 3627 kJ/mn 3 Methan oder 200 kJ/kg Brenngut freigesetzt werden. Ohne Berücksichtigung von Wirkungsgraden würde somit aus der Abgaswärmerückgewinnung eine Bruttowärmemenge von 636 kJ/kg Brenngut zur Verfügung stehen. Somit könnte die gesamte Energie zur Trocknung aus dem Abgas rückgewonnen werden und eine Absaugung von Kühlluft wäre nicht erforderlich. Im Idealfall würde in diesem Beispiel die Energieeinsparung dem Energiebedarf der Trocknung entsprechen und somit ca. 30% betragen.
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Beispielrechnung 2: Angenommene Werte wie Beispiel 1, jedoch verunreinigtes Abgas, das die Kondensation des Abgases impraktikabel macht. Die Wärmeenergie für die Trocknung wird dabei nicht dem Abgas entzogen, sondern durch ein Blockheizkraftwerk (BHKW) erzeugt. Bei einem angenommenen Wirkungsgrad von 90% (35% Erzeugung elektrischer Energie und 55% nutzbare Wärmenergie) könnten neben der Einsparung von Energiekosten, die Treibhausgase um 59% gegenüber herkömmlichen Großkraftwerken reduziert werden (Daten Stadtwerke Aalen). Für die Erzeugung der erforderlichen Trocknungsenergie würde dabei pro Tonne Trockengut ca. 100 kWh elektrische Energie erzeugt werden. Da der elektrische Energiebedarf bei der Herstellung von Ziegeln in etwa in dieser Größe liegt, könnte der gesamte elektrische Energiebedarf darüber gedeckt werden. Bei einer Tagesproduktion von 200 to wäre dafür eine BHKW mit einer elektrischen Leistung von 833 kW erforderlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4328301 C2 [0004]
- DE 102011100736 A1 [0004]
- DE 3730365 A1 [0006]
- DE 4023432 A1 [0006]