DE102014007876A1

DE102014007876A1 - Kondensationswärmetauscher für Abgase von keramischen Öfen

Info

Publication number: DE102014007876A1
Application number: DE102014007876.0A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Zbk Zentrum fur Baukeramik GmbH
Current assignee: Zbk Zentrum fur Baukeramik GmbH
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Kondensationswärmetauscher für Abgase von keramischen Öfen, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom nach dem Ofen ein Wärmetauscher angebracht ist, in dem das Verbrennungswasser und das im Brand aus den Rohstoffen freigesetzte Wasser kondensiert wird und die dadurch frei werdende Wärme für die Trocknung, Heizung oder Brauchwassererwärmung genutzt wird.

Description

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. Bei diesen Öfen stellt jedoch der Abgasvolumenstrom einen erheblichen energetischen Verlust dar. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass in den keramischen Rohstoffen Verunreinigungen von Fluor, Chlor oder Schwefel vorhanden sind, die im Brand ausgetrieben werden und bei unterschreiten der entsprechenden Taupunkt-Temperaturen zu Korrosion im Ofen, den abgasführenden Kanälen führen bzw. das Brenngut schädigen können. Aus Umweltgründen sind insbesondere bei Ziegelwerken Rauchgasreinigungsanlagen nachgeschaltet, die über Schüttgutfilter Fluor und andere schädliche Verbindungen mit Kalk binden. Vor allem beim Einsatz von Festbrennstoffen und bei der Porosierung mittels Ausbrennstoffen enthalten die Abgase häufig auch Feststoffpartikel und nicht verbrannte flüchtige Bestandteile. Aus vorgenannten Gründen wird die Abgastemperatur üblicherweise über dem Taupunkt des häufig mit Schwefel verunreinigten Abgases gehalten und eine Abgastemperatur von 120°C nicht unterschritten. Dies ist auch im Hinblick auf die nachgeschaltete Rauchgasreinigung erforderlich, da diese üblicherweise mit trockenen Schüttungen erfolgt und sich eine Unterschreitung des Taupunktes ungünstig auswirken würde. Stand der Technik ist es, im Abgasstrom Wärmetauscher zu integrieren, doch wird dabei obige Temperatur nicht unterschritten und eine Wärme-Rückgewinnung durch Kondensation nicht möglich. Auch wäre bei einer Abgasführung vertikal von unten nach oben, wie dies üblicherweise der Fall ist, die niedrigste Temperatur des Abgases und damit die Kondensation im oberen Teil des Wärmetauschers und das Kondensat würde die Funktion des Wärmetauschers beeinträchtigen. Die hohe Abgastemperatur hat aber zur Folge, dass ein beträchtlicher Teil der zugeführten Energie über das Abgas verloren geht. Dabei kann insbesondere die latente Kondensationswärme im Abgas nicht genutzt werden und ein großer Teil der zugeführten Energie wird ungenutzt in die Umwelt abgegeben wird.
Ziel der Erfindung ist es ein Verfahren bzw. eine Anlage für die Wärmerückgewinnung aus Abgasen von keramischen Öfen zu schaffen, bei dem die Abgase auf 50°C abgekühlt werden können und die Energie inklusive der Kondensationswärme zurückgewonnen werden kann. Dabei soll die Möglichkeit bestehen, dass insbesondere bei Abgasen, die mit Feststoffen oder flüchtigen organischen Bestandteilen verunreinigt sind, die Anlage regelmäßig gereinigt werden kann bzw. entstandene Anhaftungen entfernt werden können, ohne den Betrieb unterbrechen zu müssen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass im Abgasstrom keramischer Öfen ein Wärmetauscher integriert wird, der aus korrosionsbeständigem Material besteht und in dem der Abgasstrom horizontal geführt wird, wobei eine Umlenkung der Abgase im Wärmetauscher möglich ist. Das für die Wärmerückgewinnung genutzte Fluid (Luft, Wasser oder Thermo-Öl) wird dazu horizontal im Gegenstrom geführt, wobei das Fluid im Wärmetauscher umgelenkt werden kann. Dadurch wird erreicht, dass bei Abkühlung unter den Taupunkt das Kondensat im hinteren kälteren Teil des Wärmetauschers auftritt und unten abgeführt werden kann, ohne mit dem wärmeren Bereich des Wärmetauschers in Kontakt zu kommen. Vorteilhaft kann es dabei sein, den Abgasstrom alternierend durch zwei parallel angeordnete Wärmetauscher zu führen, wobei jeder von beiden für die Menge des gesamten Abgasstromes ausgelegt ist. Dadurch wird es möglich den Abgasstrom bei Verschmutzung z. B. durch Anhaftungen von Ruß oder organischen Abgasbestandteilen, außer Betrieb zu setzen und zu reinigen, während der Abgasstrom durch den anderen alternativen Wärmetauscher-Bereich geleitet wird. Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Wärmetauscher-Flächen so auszuführen, dass sie mit Reinigungsgeräten wie zum Beispiel einem Hochdruckreiniger zugänglich sind bzw. durch einfaches Verschieben zugänglich gemacht werden können. Dem Stand der Technik entsprechend ist es dabei vorteilhaft, die Wärmetauscher-Flächen in korrosionsbeständigem Material wie SiC auszuführen oder eine leicht zu reinigende Oberfläche wie Teflon zu verwenden.
Alternativ zu der horizontalen Führung der Abgase, können die Abgase auch vertikal geführt werden. Dabei würde der Abgaseintritt oben und der Eintritt des im Gegenstrom geleiteten Wärmetauscher-Fluids unten ausgeführt werden. Dadurch würde sich das Kondensat im unteren kälteren Teil des Wärmetauschers bilden und könnte dort abgeführt werden. Alternativ zum alternierenden Betrieb von 2 parallelen Wärmetauschern, kann bei Verwendung von nur einem Wärmetauscher in Zeiten der Reinigung der Wärmetauscher-Flächen das Abgas direkt in die Umwelt abgegeben werden.
Dadurch, dass die Abgase nach der Kondensation mit Wasser gesättigt sind, ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Rauchgasreinigung, die anders als bei Entschwefelungsanlagen vorwiegend der Reduktion des Fluor-Gehaltes im Abgas dient, mit trockenen Schüttungen, wie es dem Stand der Technik entspricht, problematisch. Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, dass in den abgekühlten Abgasstrom Kalkverbindung in flüssiger Form eingebracht werden. Dies kann zum Beispiel in Form von eingedüster Kalkmilch erfolgen.
Beispielrechnung:
Die Reduzierung der Ofen-Abgastemperatur von 150°C auf 50°C würde eine Enthalpie-Differenz von ca. 130 kJ/m_n ³ Rauchgas bzw. ca. 66% bewirken. Bei der Verbrennung von reinem Methan mit einem Heizwert H_i = 36000 kJ/m_n ³ würde zudem durch Kondensation des Verbrennungswassers eine Kondensationswärme von 3627 kJ/m_n ³ Methan oder 200 kJ/kg Brenngut freigesetzt werden. Unter Annahme eines keramischen Versatzes mit 50% reinem Kaolinit würde durch das abgespaltene Kristallwasser ca. 7% der Brenngut Masse im Abgas als Wasserdampf vorliegen. Bei einer Kondensationswärme von 2257 kJ/kg Wasser würde dies einer Wärmemenge von ca. 148 kJ/kg Brenngut betragen. Bei einem angenommenen Energieverbrauch von 2000 kJ/kg Brenngut und bilanzierten Abgasverlusten von 33% würde das erfindungsgemäße Verfahren bei verlustfreier Nutzung der rückgewonnen Wärme die Energieverluste eines keramischen Ofens theoretisch um bis zu 40% reduzieren.

Claims

Kondensationswärmetauscher für Abgase von keramischen Öfen, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom nach dem Ofen ein Wärmetauscher angebracht ist, in dem das Verbrennungswasser und das im Brand aus den Rohstoffen freigesetzte Wasser kondensiert wird und die dadurch frei werdende Wärme für die Trocknung, Heizung oder Brauchwassererwärmung genutzt wird.
Kondensationswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangstemperatur der Abgase größer 120°C und die Ausgangstemperatur kleiner 90°C idealerweise jedoch kleiner 50°C ist.
Kondensationswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher im Gegenstrom betrieben und der grundsätzliche Abgasstrom im Wärmetauscher horizontal oder vertikal betrieben wird, wobei das Abgas von oben nach unten geführt und das Kondensat unten abgeführt wird.
Kondensationswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Kondensationswärmetauscher ein weiterer Kondensationswärmetauscher angeordnet ist und beide alternierend betrieben werden können.
Kondensationswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle Wartungsöffnungen besitzt, durch die, die Wärmeübertragungsflächen mit Reinigungsgeräten zugänglich sind und die Wärmeübertragungsflächen einen Abstand von mindestens 10 cm haben oder reversibel auf diesen Abstand gebracht werden können.
Kondensationswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Abgasstrom auf der Kaltseite des Wärmetauschers Kalziumverbindungen in Form von Pulvern, Suspension oder Lösungen eingebracht werden.
Kondensationswärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat direkt oder chemisch behandelt und/oder gefiltert als Anmachwasser in der Aufbereitung oder Formgebung der keramischen Fertigung verwendet wird.
Kondensationswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsflächen aus korrosionsbeständigen Werkstoffen wie SiC bestehen und/oder mit korrosionsbeständigen Werkstoffen überzogen sind.
Kondensationswärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet dass die korrosionsbeständige Oberfläche eine niedrige Oberflächenenergie, wie sie zum Beispiel Polytetrafluorethen hat, aufweist.