Entwicklung innovativer Tunnelofenkonzepte zum Brennen von keramischem Gut anhand eines mathematischen Prozessmodells

Abstract

Der Brand von Grobkeramik im Tunnelofen hat sich in den letzten vier Jahrzehnten technologisch kaum verändert trotz eines geringen energetischen Wirkungsgrades be-stehender Anlagen von nur rund 30 %. Dabei machen die Energiekosten einen signifi-kanten Anteil an den Produktionskosten aus. Die Ursache liegt maßgeblich in einer angespannten Marktsituation, die Investitionen in Neubauten erschwert. Vor dem Hin-tergrund der anstehenden Energiewende müssen jedoch Maßnahmen ergriffen wer-den, den Energieverbrauch bestehender Anlagen drastisch zu reduzieren. Die pro-zessspezifischen Abhängigkeiten zwischen Auslegungs-, Betriebs-, und Besatzpara-metern sind in bisherigen Arbeiten nur vereinzelt betrachtet worden, wobei grundle-gendes Prozessverständnis für die Fortentwicklung des Tunnelofens unabdingbar ist. Zur theoretischen Analyse des Brennprozesses wurde hierzu ein eindimensionales mathematisches Prozessmodell entwickelt, das den Aufheiz- und Abkühlvorgang im Tunnelofen simuliert. Berechnet werden können u. a. die axialen Profile der Besatz- und Gastemperatur, der Luftmenge sowie die Konzentration der Gaskomponenten. Des Weiteren kann der Einfluss wichtiger Eingangsgrößen auf die Brennkurve und den Energieverbrauch untersucht werden. Dazu zählen die Massenströme und geome-trischen Daten des Gutes und der Brennhilfsmittel, die zu- und abgeführten Luftströme und deren Temperatur, die Brennstoffverteilung sowie die Abmessungen des Brenn-kanals. Zur Validierung des Prozessmodells wurde der Brand von Dachziegeln simu-liert, wobei experimentell bestimmte Ofendaten aus einer Betriebsmessung als Grund-lage dienten. Unbekannt war hierbei die thermisch aktive Masse des Ofenwagens, die als Anpassungsparameter verwendet und der Besatzmasse zugeschlagen wurde. Zu-gleich wurde der Dachziegelbesatz durch einen Besatz aus Platten geometrisch ver-einfacht, wodurch der Wärmeübergang durch Konvektion und Gasstrahlung mit Hilfe von bewährten Funktionen bestimmt werden konnte. Der Vergleich zwischen berech-neter und gemessener Brennkurve zeigte eine gute Übereinstimmung mit lokalen Ab-weichungen von höchstens 50 K. Mit dem Prozessmodell stand ein flexibles Werkzeug zur Verfügung, den Tunnelofen-prozess zu analysieren und zu optimieren. Dazu wurde im ersten Schritt ein verallge-meinerter Ofenprozess definiert, der als Grundlage für systematische Parametervaria-tionen diente. Das Ziel hierbei war zum einen das Erlangen von Prozessverständnis und zum anderen das Aufzeigen von Möglichkeiten, gezielt Einfluss auf den Brennpro-zess zu nehmen. Dabei wurden u. a. die Parameter Warendurchsatz, Verbrennungsluft und Kühlluftmenge, Brennstoffmenge und –verteilung, Brennzonenlänge sowie Roh-stoffreaktionen untersucht. Im zweiten Schritt wurden aus den Ergebnissen neue Konzepte hergeleitet, mit dem Ziel, den Energieverbrauch bestehender Tunnelöfen zu senken. Die Bedingung hierbei war, den Verlauf der optimalen Brennkurve des Produktes nicht zu verändern. Die Maßnahmen zielen dabei auf eine Auftrennung des Wärmeverbundes zwischen Ofen und Trockner. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, dass die Kühlluft vollständig im Brennkanal verbleibt und als vorgewärmte Verbrennungsluft genutzt wird. Das Wärme-kapazitätsstromverhältnis erreicht dabei den theoretisch optimalen Wert von eins. Hierzu werden Umwälzsysteme benötigt, die für eine gute Durchmischung und einen hohen Wärmeübergang sorgen. Die Luftmenge, die in der Kühlzone in einem Bypass geführt wird, erlaubt die Einstellung der Abkühlgeschwindigkeit im Bereich des Quarz-sprunges. Durch eine Kombination dieser Maßnahmen sind Energie-einsparungen von über 50 % gegenüber dem Vergleichsprozess erreichbar.

The firing of coarse ceramics in tunnel kilns has hardly changed technologically in the last four decades while the energy efficiency of existing plants is only around 30 %. Energy costs account for a significant share of production costs. This is mainly due to the tense market situation, which makes it difficult to invest in new kilns. Against the background of the upcoming energy turnaround, hence, measures must be taken to drastically reduce the energy consumption of existing plants. The process-specific de-pendencies between design, operating and setting parameters have only been consid-ered isolated in previous work, but a fundamental understanding of the process is es-sential for the further development of the tunnel kiln. For the theoretical analysis of the firing process, a one-dimensional mathematical pro-cess model was developed which simulates the heating and cooling process in the tunnel kiln. The axial profiles of the ware and gas temperature, the volume flow rate and the concentration of the gas components can be calculated. Furthermore, the in-fluence of important input parameters on the firing curve and energy consumption can be investigated. These include the mass flows and geometric data of the material and the kiln furniture, the gas inlets and outlets, the fuel distribution and the dimensions of the firing channel. In order to validate the process model, the firing of roof tiles was simulated. Experimental data from an industrial kiln were input. The setting of roof tiles and H-cassettes was geometrically simplified by a setting of plates, whereby the heat transfer by convection and gas radiation could be determined with the help of proven functions. The thermally active mass of the kiln car was unknown. Therefore, it was used as an adjustment parameter. Finally, the roof tiles, the cassettes and the active mass of the car were combined in a single solid flow. The comparison of calculated and measured firing curve showed a good agreement with local deviations of at most 50 K. The process model provides a flexible tool for analyzing and optimizing the tunnel kiln process. In the first step, a generalized kiln process was defined, which served as a basis for systematic parameter variations. The aim here was on the one hand to gain an understanding of the process and on the other hand to point out possibilities how to control the firing process. The parameters examined included product throughput, quantity of combustion air and cooling air, fuel quantity and fuel distribution, firing zone length and raw material reactions. In the second step, new concepts were derived from the results with the aim of reducing the energy consumption of existing tunnel kilns. The condition here was to keep the optimal firing curve of the ware. The measures aim at separating the thermal bond between kiln and dryer. This results in the possibility that the cooling air remains com-pletely in the firing channel and is used as strongly preheated combustion air. The heat capacity flow ratio reaches the theoretically optimal value of one. This requires circu-lation systems that ensure good mixing and high heat transfer. A fraction of the cooling air is bypassed, what allows to control the cooling speed in the temperature range of quartz inversion. Compared to the reference process a combination of these measures results in energy savings of more than 50 %.