Keramik-Tunnelöfen in der Ukraine

In der Ukraine gibt es viele alte Fabriken, die keramische Wandmaterialien herstellen. Diese wurden Mitte des vorigen Jahrhunderts nach den damaligen Standards eiligst errichtet, d.h. innerhalb kürzester Zeit, da es galt, die im Krieg zerstörte Infrastruktur schnell wiederherzustellen. Allerdings sind auch heute noch einige dieser Fabriken in Betrieb; wenn auch einzuräumen ist, dass mehrere Werke nach europäischem Standard wiederhergestellt wurden, so reicht dies dennoch nicht aus.

Die Ukraine verfügt über Tonrohstoffe, die sich für Herstellung von keramischen Produkten eignen [1]. Allein im Gebiet der Region Poltawa gibt es über 200 erforschte Tonlagerstätten, deren mineralische Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften den Anforderungen an Tonrohstoffe für Keramik entsprechen [1].

Die meisten Keramikfabriken wurden mit Standard-Tunnelöfen mit einer Kapazität von rund 30 Millionen Stück pro Jahr bzw. hunderttausend Tonnen pro Jahr ausgestattet. Die Öfen konnten sowohl mit Gas als auch mit Kohle betrieben werden. Bei der Verwendung von Kohle wurde zur Entfernung der Asche ein Aschesammler unterhalb der Brennzone angeordnet. Zur Steigerung der Produktivität der Fabriken wurde die Anzahl der Öfen erhöht. Bei einigen Brennöfen wird derzeit Kohlenstaub als Brennstoff verwendet, obwohl in den europäischen Ländern bereits die mögliche Verwendung von Wasserstoff als Brenngas in der Keramikproduktion erforscht wird [2]. In den alten Fabriken ist man zudem noch weit von umweltneutralen Brennprozessen für keramische Produkte entfernt, so wie dies in Europa bereits erforscht wird [3]. Darüber hinaus werden auch keine Untersuchungen zur Reinigung von Rauchgasen aus Tunnelöfen durchgeführt, um so die schädlichen Emissionen in die Atmosphäre zu reduzieren, wenngleich hierzu in europäischen Ländern bereits Untersuchungen durchgeführt werden [4].

Die meisten Fabriken stellen Vollziegel in der Standardgröße 250 x 120 x 65 mm her. Die Erzeugnisse entsprechen nicht den Anforderungen der aktueller Normen, obwohl deren Festigkeit im Bereich von 10 bis 15 MPa liegt und damit den lokalen Normen entspricht. Auf der Grundlage der obigen Angaben und angesichts der Tatsache, dass die Infrastruktur in der Ukraine nach Kriegsende wiederherzustellen ist und Wohngebäude errichten werden müssen, wurden Untersuchungen an einem typischen Tunnelofen hinsichtlich der Einsparung von Brennstoff und damit der Reduzierung von Emissionen in die Atmosphäre durchgeführt.

Die Ergebnisse der Untersuchungen am Tunnelofen

Tunnelofen zum Brennen von Ziegelsteinen und Keramikplatten mit einer Kapazität von 30 Millionen Stück im Standardformat für Ziegelsteine unter Verwendung von Gasbrennstoff.

Allgemeine Merkmale des Ofens

Gesamtlänge – 120 m.

Länge der Zonen:

- Aufheizzone – 42 m;

- Brennzone – 30 m;

- Kühlzone – 48 m.

Anzahl der Brenner – 22 St.

Zyklusdauer – 48 Stunden.

Arbeitsdauer pro Jahr – 7920 Stunden.

Vorrichtungen zur Rückführung von Verbrennungsprodukten sowie Luftschleier sind nicht vorhanden.

Besatz des ersten Wagens – 3000 St. Ziegel.

Die Masse des Wagens m_t = 2200 kg.

Die Masse der Ziegel auf dem Wagen m_b = 11520 kg.

Der Anfangsfeuchtegehalt des Rohmaterials am Einlass beträgt W = 5%.

Die Anzahl der Wagen, die sich gleichzeitig in der Kühlzone befinden, beläuft sich auf 16 St.

Die Zeit, die der erste Wagen in der Kühlzone verbleibt, beträgt 19,2 Stunden.

Die Temperatur in den einzelnen Zonen:

- Aufheizzone – 600 ºC;

- Brennzone – 1000 ºC;

- Kühlzone – 400 ºC (im Durchschnitt).

Um die Höhe des Wärmeverlusts durch die Gehäusekonstruktion des Ofens zu bestimmen, wurden die Wärmedurchgangskoeffizienten für die Wände und das Dach in verschiedenen Bereichen des Tunnelofens ermittelt.

Der Wert des Wärmedurchgangskoeffizienten wurde mit folgender Formel berechnet:

К=1/[(1/α_in) + Σ(δ_i/λ_i) + (1/α_out)],   W/м² °C        (1)

dabei ist α_in der Wärmedurchgangskoeffizient an der Innenfläche des Ofengehäuses. Wert α_in=17 W/m² °C;

δ_i – die Schichtdicke der Wandkonstruktion, m;

λ_i – der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Wandmaterials;

α_out – der Wärmedurchgangskoeffizient an der Außenfläche der Umhausung. Bei Windgeschwindigkeit v=5m/s, , α_o=28 W/m² °C.

Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient der Materialien wird wie folgt angenommen:

roter Ziegelstein – λ = 0,81 W/m °C;

Schamottestein – λ = 1,33 W/m °C;

normaler Ton – λ = 1,0 W/m °C;

Diatomeenfüllung – λ = 0,15 W/m °C;

Kieselgur-Isolierziegel – λ = 0,22 W/m °C;

Kesselschlacke (auf dem Dach vergossen) – λ = 0,29 W/m °C.

Die Bestimmung der Höhe des durch die Umhausung abfließenden Wärmestroms (Wärmeverlust an die Umgebung) wurde nach folgender Formel berechnet:

Q_ср = K *·F * (t_in – t_out)   W,                (2)

wobei F die Oberfläche der Umhausung ist;

t_in – die Temperatur des Mediums im Brennraum, ºC;

t_out – die Umgebungstemperatur, gemessen gemäß der Durchschnittstemperatur der Beheizungszeit, t_out = 0 ºC.

Die Berechnungen der Wärmeverluste werden in der »Tabelle dargestellt.

Wie sich der »Tabelle entnehmen lässt, beträgt der Wärmeverlust des Ofens bei den gegenwärtigen Bedingungen 898 kW, was fast der Hälfte des gesamten Wärmepotenzials des erforderlichen Brennstoffverbrauchs entspricht. Unter Berücksichtigung dieses Umstands wird ein Umbau des Ofens vorgeschlagen. Der Umbau erfolgte auf Grundlage des von Firma Keller [6] entwickelten Organigramms zum gasdynamischen Ofenkreislauf, das bei Br. Laumans in Braacht umgesetzt wurde.

Das Umbauprojekt umfasst folgende Maßnahmen:

Wärmedämmung des Ofens mit Basaltwolle;

Einbau eines Systems zur Umwälzung der Verbrennungsprodukte in der Aufheizzone;

Einbau eines Luftschleiers zwischen Brenn- und Kühlzone;

Einbau eines Kaltluftzufuhrsystems zur Kühlzone;

Einbau eines System zur Lokalisierung warmer Luft und deren Transport zum Trockner;

Aussonderung der Verbrennungsprodukte aus der Brennzone und Wärmetauscher zur Erwärmung der Luft für die Brenner sowie Zufuhr der erwärmten Luft zur Aufheizzone des Tunnelofens.

Zum Vergleich der Daten wurden thermische Berechnungen vor und nach der Umsetzung der Umbaumaßnahmen durchgeführt.

Die Wärmebilanz des Ofens wird anhand folgender Gleichung bestimmt:

Q_ng+ Q‘_tr+ Q_wb+ Q_air=Q_uh+ Q_wg+ Q‘‘_trout+ Q_hlb+ Q_hle,  кВт     (3)

wobei Q_ng die Wärme aus dem Brennstoff (hier: Erdgas) ist;

 Q‘_tr ist die physikalische Wärme aus dem 2200 kg schweren Wagen;

 Q_wb – die physikalische Wärme aus den rohen, ungebrannten Ziegeln mit einem Gewicht von 11520 kg/vag;

 Q_air – die physikalische Wärme aus der erwärmten Luft;

 Q_uh – die Nutzwärme, die für das Heizen, Brennen der Ziegel und Aufheizen der Wagen aufgewendet wurde, wird unter der Bedingung bestimmt, dass die Temperatur von Ziegel und Wagen am Ofenauslass + 50 ºC nicht überschreitet.

Die Berechnung erfolgt nach der folgenden Formel:

Q_uh=(m_tr+ m_br) * с * t_out,                                      (4)

dabei ist c die durchschnittliche Wärmekapazität von Wagen und Ziegel, c = 0,22 kJ/kg ºC;

Q_wg – der Wärmeverbrauch aus Abgasen, die in der Brennzone beim Verbrennen von Erdgas entstehen, wird bestimmt in Abhängigkeit von:

Q_wg=[Р_gc(1+λ·V_t) * с_hcwg * ( t_out-170)]K_ef,            (5)

wobei P_gc der Erdgasverbrauch im Brennofen ist, m³/h;

λ – die Luftüberschusszahl, mit der die Ofenbrenner arbeiten;

V_t – theoretisch benötigte Luft für die Verbrennung, V_t=9,8 nm³/nm³ Gas;

c_hcwg – volumetrische Wärmekapazität der Abgase, 1,3 kJ/nm³ ºC;

 t_out – die Temperatur der Abgase am Auslass aus der Brennzone des Ofens, t_out = 1000 – 950 ºC;

Hierbei sind 170 °C die geringst mögliche Temperatur der Rauchgase am Ofenauslass bzw. am Wärmetauscher des Brennofens, die zur Vermeidung von Kondensation an den Verbrennungsprodukten notwendig ist.

K_ef – Koeffizient, der den Wirkungsgrad des Wärmerückgewinnungssystems der Verbrennungsprodukte des Brennstoffs kennzeichnet;

Q‘‘_trout ist eine physikalische Größe zur Kennzeichnung der Wärmemenge, die mit dem aus dem Brennofen ausfahrenden Wagen austritt (Wärmeverlust);

Q_hlb – Wärmeverlust über die erwärmten Ziegel, die den Brennofen verlassen;

Q_hle – Wärmeverlust an die Umgebung durch die Umhausung des Brennofens.

1. Verteilung der Wärmebilanzposten für den Ofen im Istzustand

a – Nutzbare Wärmemenge zur Umsetzung der technischen Prozesse - 0,55 MW (7,6%);

b – Wärmeverlust an die Umgebung durch die Umhausung

 - 0,88 MW (12,4%);

c – Wärmeverlust aus Abgasen – 2,9 MW (40%);

d – Wärmeverlust aus erwärmten Ziegeln – 2,9 MW (40%);

Gesamt: 7,2 MW (100%).

Brennofen-Wirkungsgrad – 7,6 %;

Stündlicher Gasverbrauch – 731 m³/h;

Gasverbrauch pro Jahr gleich 5,8 Millionen m³.

2. Verteilung der Posten in der Wärmebilanz des Brennofens nach dem Einbau eines Kühlsystems für Ziegel und Wagen sowie der Installation der Wärmdämmung an den Rohrleitungen

a – Nutzbare Wärmemenge zur Umsetzung der technischen Prozesse - 0,55 MW (18,0%);

b – Wärmeverlust an die Umgebung durch die Umhausung - 0,44 MW (14,6%);

c – Wärmeverlust aus Abgasen – 0,86 (28,4%);

d – Wärmeverlust aus erwärmten Ziegeln 1,18 MW (39,0%);

Gesamt: 3,03 MW (100%)

Brennofen-Wirkungsgrad – 18,0%;

Stündlicher Gasverbrauch – 307 m³/h;

Gasverbrauch pro Jahr – 2,431 Millionen m³.

Wie die obengenannten Daten zeigen, sank der Brennstoffverbrauch nach Durchführung der Umbaumaßnahmen um mehr als die Hälfte und der Wirkungsgrad stieg um mehr als das Doppelte.

Schlussfolgerungen

1. Im Ist-Zustand weist der Brennofen einen erheblichen Brennstoffverbrauch für die Ziegelproduktion auf sowie einen geringen Wirkungsgrad, was sich wie folgt erklärt:

geringe Wärmeschutzeigenschaften der Umhausung des Ofens, was zu erheblichen Wärmeverlusten an die Umgebung beiträgt;

Fehlende Umwälzsysteme für Verbrennungsprodukte sowie Luftschleier im bestehenden Ofenbaukonzept, was den Wirkungsgrad bei der Nutzung von Wärme aus den Verbrennungsprodukten des Brennstoffs im Ofen wesentlich verringert, zu einem Anstieg der Schichtungszahl beiträgt und zu einer Verschlechterung der Produktqualität führt;

Völliges Fehlen einer Wärmerückgewinnung aus der Brennzone, was etwa 40 % der Wärmebilanz des Ofens ausmacht. Diese Wärme ist unwiederbringlich verloren und führt zu einer erheblichen Verschlechterung beim thermischen Wirkungsgrad des Ofens.

2. Es wird vorgeschlagen, den Wirkungsgrad des Tunnelofens durch die Einführung einer Reihe von Energiesparmaßnahmen – wie in der Tabelle angegeben – zu erhöhen.

3. Die jährliche Gesamteffizienz der durchgeführten Maßnahmen beläuft sich auf 25.400 Tausend UAH, bei einer Amortisationszeit von 0,5 Jahren.

4. Auf Basis der Ergebnisse aus der Umsetzung der Energiesparmaßnahmen konnte der Wirkungsgrad des Ofens von 7,6 % auf 18 % erhöht werden.

5. Mit den vorgeschlagenen Maßnahmen konnte das europäische Niveau beim Brennstoffverbrauch sowie dem Wirkungsgrad des Ofens nicht erreicht werden. Es wurde grundsätzlich nicht erwartet, dass ein derartiges Niveau erreicht würde, denn um solche Ergebnisse beim Brennen von Keramik zu erzielen, müsste die gesamte Anlage in Betracht bezogen werden: angefangen von der Konstruktion des Ofens und dem gesamten gasdynamischen System.

6. Die Ukraine wird die durch den Krieg zerstörte Infrastruktur wiederherstellen müssen und dafür wird eine große Menge an Materialien, einschließlich Keramik, erforderlich sein. Diese Fabriken werden weiterhin Produkte herstellen, auch wenn sie nicht den Standards entsprechen.