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Ofen zum Brennen keramischer Formlinge.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Ofen zum Brennern keramischer
Formlinge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die Nachteile des bisher fast ausschließlich angewendeten konventionellen
Brennens von keramischen Formlingen in einem Tunnelofen, in welchem die Formlinge
stapelweise mittels Tunnelofenwagen im Gegenstrom durch eine Aufhheizzone, eine
Brennzone und eine Kühlzone geführt werden, sind allgemein bekannt: Un einen festen
gesinterten Scherben zu erhalten, sind hohe Temperaturen (900 OC bis 1200 °C) erforderlich,
die entsprechende Wärmeverluste nach sich ziehen und einen mit feuerfestem Material
ausgestatteten Ofen bedingen. Zu dem bewirken hohe Temperaturen ein vermehrtes Austreiben
von Schwefel und Fluor aus den keramischem Formlingen. Hoher Schwefel- bzw. Fluorgehalt
im Abgas machen bei Oberschreiten der Grenzwerte Reinigungsanlagen notwendig. Sollen
die Produkte besondere Eigenschaften aufweisen - wie Frostbeständigkeit bei Dachziegeln
- sind die Haltezeiten während das Garbrandes sehr lang (8 bis 12 Stunden), da sonst
keine gleichmäßige Qualität gewährleistet ist.
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Der gesamte Energieverbrauch eines Tunnelofens resultiert zu ca.
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30 bis 50 % aus der Energie, die über das Rauchgas den Ofen verläßt.
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Die Rauchgasmenge beträgt in der Regel das zwei-bis vierfache der
produzierten Ware. Um die Kondensation von stark korrosiven Flüssigkeiten zu vermeiden,
muß die Rauchgastemperatur 120 ° bis 200 OC betragen.
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Das Brennen von keramischen Formlingen unter speziellen Bedingungen,
insbesondere in einer mit Wasserdampf angereicherten Atmosphäre sind seit längerem
bekannt. Bei diesem, dem hydrothernalen Brand, mit hohem Wasserdampfpartial-Druck
können gegenüber dem konventionellen Brand schon bei erheblich niedrigen Garbrandtemperaturen
(600 bis 800 oc) vergleichbare Ergebnisse erzielt werden. Die Vorteile des hydrothermalen
Brardes liegen auf der Hand. Die Wärmeverluste nehmen
stark ab und
Aufheiz- sowie Kühlzeiten verringern sich. Die Feuerstandsfestigkeit der Formlinge
braucht nicht beachtet zu werden da keinerlei Erweichung bzw. nur eine geringe Schwindung
auftritt.
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Besatzhöhe und Besatzdichte können optimal ausgelegt werden. Da Fluor
hauptsächlich erst ab 800 oC ausgetrieben wird, verbessern sich die Immissionswerte.
Sauerstoffmangel verringert zudem die Austreibung von Schwefeidioxyd. Aufgrund der
hohen Wärmekapazität und der guten Strahlungseigenschaften des Wasserdampfes sind
auch kürzere Haltezeiten beim Garbrand erreichbar. Durch die Möglichkeit, die Gaszusammensetzung
im Ofen zu kontrollieren, könnenFarbe und Eigenschaften der Formlinge in stärkerem
Maße beeinflußt werden.
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Das Brennern von Ziegelformlingen unter einer kontrollierten stark
wasserdampfhaltigen Atmosphäre ist in einem konventionellen Tunnelofen nicht möglich,
da das Gas nach Durchstromen des Tunnelofens in den Kamin gegeben wird und beim
Uffnen der Tore während des-Ofenwagenvorschubes Falschluft angesaugt wird, wodurch
hohe Energieverluste eintreten. Die Zuführung der zur gewünschten Gaszusammensetzung
erforderlichen Gase, hier besonders das Verdampfen des Wassers, wäre sehr teuer
und enorm aufwendig.
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Daher werden bei Anwendung des hydrothermalen Brennverfahrens diskontinuierlich
arbeitende fen, wie Kammer- und Haubenöfen, eingesetzt. Die für die gewünschte Atmosphäre
erforderlichen führt odeufkommen aus den Formlingen heraus (Kristallwasser) und
verbleiben im Ofen. Zur Vergleichmäßigung der Temperaturen im Besatz werden die
Gase durch Ventilatoren umgewälzt. Die Beheizung erfolgt indirekt. Ein für dieses
Brennverfahren geeigneter Ofen wird in der DE-PS 19 41 938 beschrieben.
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Dieser Ofen besteht aus einem gasdichten Druckmantel, der mit einer
wärmeisolierenden Schicht und Gas-Oberströmventilen zum Regulieren des Wasserdampf-Gas-Oberdruckes
im Ofen versehen ist. Der Ofen erhält stirnseitig ein gasdicht abgeschlossenes Tor.
Die Wärmezuführung erfolgt durch. Elektroenergie über elektrische Heizleiter, die
an der Innenwandung des Ofens angebracht sind. Ober Ventilatoren werden die Wänmeübertragungsverhältnisse
innerhalb des Ofens
durch erzwungene Konvention kontrollierbar gestaltet,
indem das Wasserdampf-Gas-Gemisch zur Wärmeabgabe durch Hohlräume im oder zwischen
den auf Korbwagen gestapelten Formlingen hindurchgedrückt und danach zur Wärmeaufnahme
an den elektrischen Heizleitern zwangsweise vorbeigeführt wird. Der Ofen arbeitet
diskontinuierlich, vorzugsweise in Verschaltung mehrerer ofen zu einer Batterie.
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Im Vergleich zum kontinuierlich arbeitenden Tunnelofen weist dieser
bekannte Ofen aufgrund des fehlenden Gegenstromprinzips infolge wechselnder Aufheizung
und Abkühlung einen höheren spezifischen Energieverbrauch auf. Zudem sind Investitions-und
Betriebskosten bei einer den Tunnelofen angeglichenen Leistung wegen Verschaltung
mehrerer ofen zu einer Batterie sehr hoch.
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Die Aufgabe besteht nun darin, einen Ofen zum Brennen keramischer
Formlinge zu schaffen, mit welchem das hydrothermale Brennverfahren derart kontinuierlich
betrieben werden kann und der Ofen derart gasdicht ausgebildet ist, daß der Energieverbrauch
gesenkt werden kann.
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Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dem Anspruch 2 zu entnehmen.
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Durch den erfindungsgemäßen Ofen ist es möglich, die keramischen Formlinge
in einer stark wasserdampfhaltigen Atmosphäre in einem kontinuierlich ablaufenden
Brennverfahren zu brennen. Die Vorteile des Tunnelofens, der kontinuierlich und
mit dem Gegenstromprinzip arbeitet und die Vorteile des hydrothermalen Brennverfahrens
in einem gasdichten Ofen mit den niedrigen Garbrandtemperaturen, sind hier vereint,
so daß der Energieverbrauch wesentlich gesenkt werden kann.
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Dabei wird die zum Sunktionieren des Gegenstromprinzips
erforderliche
Wärmeträgermenge in Form einer stark wasserdampfhaltigen Atmosphäre durch den Tunnelofen
und zurück im Kreislauf geführt.
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Um die Gaszusammensetzung und den Druck im Tunnelofen konstant zu
halten, werden geringe Mengen bei zunehmendem Wassergehalt ausgeschleust und eine
der ausgeschleusten Menge entsprechenden Menge wieder eingeschleust. Diese Mengen
betragen wenige Prozent der sonst üblichen Rauchgasmenge Neben der Energieeinsparung
sind auch eventuell notwendige Reinigungsanlagen und Wärmerückgewinnungsanlagen
wesentlich kleiner und damit billiger.
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Die Beheizung des Tunnelofens erfolgt durch indirekt wirkende Strahlrohre,
die mit Gas oder Leichtöl betrieben werden. Bei diesen Strahlrohren ist jeweils
im Brennerkopf ein Rekuperator integriert, in welchem das heiße Abgas die Verbrennungsluft
vorwärmt. Bei Ofentemperaturen von max. 800 OC verläßt das Rauchgas die Strahirohre
mit ca. 350 bis 400 OC Da dieses Rauchgas sauber ist, kann es zur Behei-zungs des
Vorwärmer und/oder eines Trockners verwendet werden.
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Die Rauchgasmenge liegt ebenfalls unter 10 % der sonst üblichen Mengen.
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Von Vorteil ist weiterhin, daß der Vorwärmer eine Temperatur der Formlinge
gewährleistet, die oberhalb des Taupunktes des Wärmeträgermediums im Tunnelofen
liegt um-Niederschläge in der Schleuse und auf den Formlingen zu vermeiden, während
der Endkühler die Formlinge von Temperaturen oberhalb des Taupunkes auf nahezu Raumtemperatur
herunter'kühlt, wobei die Formlingstemperaturen in der zwischen dem EndkUhler und
der Kühlzone angeordneten Schleuse um 50 bis 100 OC höher liegen als die in der
zwischen Vorwärmer und Aufheizzone angeordneten Schleuse. Dieser Unterschied entsteht
dadurch, daß das Wärmeträgermedium die Formlinge am Anfang der Aufheizzone aufheizt
und am Ende der Kühlzone abkühlt, gleichzeitig aber beim Rücktransport von der Aufheizzone
bis zur Kühizone
keine nennenswerte Temperaturänderung erfährt.
Die Warmluft des Endkühlers kann ebenfalls zum Vorwärmer bzw. Trockner geführt werden.
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Durch die Schleusen, deren Tore abwechselnd betätigt werden, ist der
Tunnelofen gasdicht gegenüber der Außenatmosphäre abgeschlossen, so daß beim Schubvorgang
keine Falschluft angesaugt werden kann.
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Da zusätzlich zur Lähgsstromung der stark wasserdampfhaltigen Atmosphäre
diese noch durch Ventilatoren eine Querumwälzung erfährt, werden alle Formlinge
mit gleicher Temperatur beaufschlagt, so daß ein gleichmäßiger Brand gewährleistet
ist.
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In der Zeichnung ist ein Ofen nach der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 den Ofen im Längsschnitt, Fig. 2 einen
Querschnitt im Bereich der Brennzone IIb, Fig. 3 einen Querschnitt im Bereich der
Brennzonge IIb nach einer anderen Ausführungsform.
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Der Ofen 1 besteht aus einem Vorwärmer I, einem Tunnelofen II und
einem Endkühler III. Der Tunnelofen II ist gegenüber dem Vorwärmer I und dem Endkühler
III jeweils durch eine Schleuse 2 und 3 gasdicht abgetrennt, die mit Toren 2a, 2b
und -3a, 3b versehen sind, die abwechselnd betätigt werden und zwischen denen jeweils
mindestens ein Ofenwagen 4 Platz findet. Auch der Vorwärmer I und der Endkühler
III sind mit Toren laund 1b versehen. Der Tunnelofen II ist in eine Aufheizzone
IIa, eine Brennzone IIb und eine Kühlzone IIc aufgeteilt. Die Ofenwagen 4, die mit
Formlingen in Brenngutstapel 5 beladen sind, durchlaufen den Ofen 1 in Richtung
des Pfeiles A, während die stark wasserdampfhaltige Atmosphäre 6 im Gegenstrom entsprechend
des Pfeiles B geführt wird.
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Das Schiebender Ofenwagen 4 in Richtung des Pfeiles A - mit der Annahme,
daß die Ofenwagen 4 nur eine Wagenlänge vorgeschoben werden - geschieht olgendermaßen:
Bei
leerer Schleuse 2 und geöffneten Toren 1a und 2a wird ein Ofenwagen 4 mit getrockneten
Formlingen in den Vorwärmer I geschoben Der letzte im Vorwärmer I befindliche Ofenwagen
4, mit auf 150 ° bis 250 OC aufgeheizten Formlingen, wird dadurch aus dem Vorwärmer
I in die Schleuse2geschoben. Nach Schließen der Tore 1a und 2a öffnen sich die Tore
2b und 3a und der Ofenwagen 4 aus Schleuse 2 wird in die Aufheizzone IIa geschoben,
während der letzte in der Kühlzone 2c befindliche Ofenwagen 4 in die leere Schleuse3
eintritt. Nach Schließen der Tore 2b und 3a verläßt bei geöffneten Toren 3b und
1b der in die Schleuse 3 eingefahrene Ofenwagen 4 die Schleuse 3 und gelangt in
den Endkühler I5I, aus dem ebenfalls ein Ofenwagen 4 ins Freie austritt. Die Tore
3b und ob werden wieder bis zum nächsten Schubvorgang geschlossen.
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Die im Gegenstrom bewegte stark wasserdampfhaltige Atmosphäre 6 im
Tunnelofen II wird in der Nähe der Schleuse 2 mittels Leitungen 6a durch Uffnungen
7 und mittels eines Ventilators 8 und Leitungen 6b durch Uffnungen 9 wieder in den
Tunnelofen II, und zwar in die Kühlzone IIc eingeblasen. Die stündlich von der Aufheizzone
IIa zur Kühlzone IIc zuruckzuführende stark wasserdampfhalte Abmosphäre wird über
die Drehzahl des Ventilators 8 bzw. über Drosselklappen (nicht dargestellt) geregelt.
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Ober eine Einschleusung 6c und eine Ausschleusung 6d werden in die
Leitungen 6a und 6b Gase zugeführt, z.B. Reduktions- bzw. Oxidationsmittel oder
abgeführt, z.B. überschüssiger Wasserdampf aus den Formlinge.Die Regelung der Ein-
und Ausschleusungen 6c und 6d (öffnungen in den Leitungen 6a und 6b) der Gase erfolgen
über entsprechende Vorrichtungen zur Regelung des Druckes im Tunnelofen II, die
am Tunnelofen II angeordnet sind, die den Druck im Tunnelofen II messen und die
die Ein- und Ausschleusungen 6c und 6d entsprechend des im Tunnelofen II aufrecht
zu haltenden Druckes betätigen, wodurch der Druck im Tunnelofen II geregelt werden
kann.
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Um Kühlrisse in den Formlingen zu vermeiden, kann ein ebenfalls regelbarer
Teilstrom 10 der wasserdampfhaltigen Atmosphäre 6 bei
einer Temperatur
von 500 bis 550 OC von einem Ventilator abgesaugt und im Temperaturbereich von 600
bis 650 0C als Teilstrom 10a wieder eingeblasen werden, um die Abkühlgeschwindigkeit
im Bereich des Quarzsprunges dem Formlings-Material anzupassen.
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In der Ofenwand sind in Seitenspalten 12 Strahl rohre 13 angeordnet,
die durch Uffnungen 14 in den Seitenspalten 12 hineinragen. Die Verteilung der Strahlrohre
13 über die Brennzone IIb und Aufheizzone IIa muß eine dem Rohstoff angepaßte Brennkurve
gewährleisten.
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Die von oberhalb der Brenngutstapel 5 angeordneten Heißgasventilatoren
15 umgewälzte wasserdampfhaltige-Atmosphäre 6 streicht an den Strahl rohren 13 vorbei,
wird erwärmt und strömt dann durch die Brenngutstapel zurück zu den Ventilatoren
15, wobei diese Querumwälzung dem Gegenstrom überlagert ist. Leitbleche 16 aus hitzebeständigem
Material sorgen für eine optimale Gasführung.
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Bei geringen Brenngutstapelhöhen 5a (Fig. 3) sind Heißgasventilatoren
15 nicht erforderlich, da eine Querumwälzung der wasserdampfnicht haltigen Atmosphäre'
erfolgt, sondern diese wird entsprechend des Pfeiles Durch den Tunnelofen II geführt.
Strahlrohre 17 sind bei dieser Ausführungsvariante in Deckenspalten 18 oberhalb
der Brenngutstapelhöhe 5a waagerecht angeordnet worden.
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Die Versorgung der Strahlrohre 13 und 17 mit Brennstoff und Verbrennungsluft
erfolgt unter Druck über die Leitungen 19 und 20, während das Abgas über Leitungen
21 in die Sammelleitung 22 geführt wird. Dieses Abgas kann mit einem Teilstrom 23
aus der Warmluft des Endkühlers III gemischt und in den Vorwärmer I gegeben werden.
Der zur Vorwärmung der Formlinge dienende Gasstrom 24 wird dabei über Uffnungen
25 und 26 zu- bzw. abgeführt. Der Abgasstrom 27 kann bei Eignung (Temperatur,Verunreinigung)
zusammen mit dem Warmluftstrom 28 zum Trockner gegeben oder alleine in den Kamin
geführt werden. Der Warmluftstrom 28 wird mittels eines Ventilators 29 transportiert
und aus dem Endkühler III entnommen. Im Endkühler I werden die keramischen Formlinge
auf nahezu Raumtemperatur abgekühlt.
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