Leichte Feuerfest-Auskleidung spart Energie
Analytischer Vergleich von zwei Fällen: kurzer Brennzyklus mit H-Kassette und langer Zyklus bei Ziegeln
Sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus umwelttechnischen Gründen ist es unerlässlich, in allen Prozessen der grobkeramischen Industrie maximale Energieeffizienz anzustreben. Dabei gilt der Brennofen als einer der energieintensivsten Bestandteile im Produktionsprozess und der Ofenwagen spielt eine entscheidene Rolle für seine Leistung und seinen thermischen Wirkungsgrad.
Die Bauweise des Ofenwagens kann maßgeblich dazu beitragen, die Anlage effizienter zu machen. Dabei spielen viele Aspekte eine Rolle: die Luftdichtheit zum Ofenschacht, die Verzahnung mit den Ofenwänden, die Bauweise des Chassis und die feuerfeste Auskleidung. Der Schwerpunkt liegt hier jedoch auf letzterem Faktor: der Gestaltung der feuerfesten Auskleidung in Bezug auf zwei Eigenschaften:
Isoliervermögen (Leitfähigkeit):
Das Isoliervermögen, gemessen als Leitfähigkeit, ist wichtig, um die Wärmeübertragung durch die Auskleidung zu verringern (vor allem, wenn der Ofenwagen im Brennofen verfährt, aber auch dann, wenn er sich außerhalb des Ofens befindet). Die Leitfähigkeit ist bei langen Zyklen (beispielsweise bei massiven dicken Ziegeln oder Pflastersteinen) weitaus bedeutender als bei kurzen Zyklen (beispielsweise in H-Kassetten-Anlagen für Dachziegel). Dies liegt daran, dass die Wärme einige Zeit benötigt, um in die Auskleidung einzudringen und bis zum Boden zu gelangen, daher ermöglichen die langen Zyklen eine stetige Leitfähigkeit durch die Auskleidung über längere Zeit.
Wärmerückhaltevermögen (Wärmeträgheit):
Das Vermögen der Ofenwagen-Auskleidung zur Wärmerückhaltung ergibt sich aus der Kombination von verwendeten Materialien, wie diese in der Auskleidung kombiniert werden, sowie insbesondere der Gestaltung der eigentlichen Feuerfest-elemente. Grundsätzlich ist ein hohes Wärmerückhaltevermögen negativ; der Ofenwagen speichert im Brennofen Energie und bewahrt beim Verlassen immer noch etwas Wärme, die dann außerhalb des Ofens größtenteils verloren geht, bevor der nächste Zyklus beginnt. Diese am Ausgang des Ofens gespeicherte Energie ergibt sich im Wesentlichen aus der thermischen Leistung (eng verbunden mit dem Gewicht) und der Temperatur. Auf den ersten Blick speichern leichtere Auskleidungen weniger Wärme, dennoch ist es ebenso wichtig, deren Abkühlen im Kühlbereich zu erleichtern, damit die Auskleidung am Ofenausgang eine niedrigere Temperatur aufweist.
Diese beiden Faktoren sind nicht so unabhängig voneinander, wie es den Anschein hat. Die Ofenwagen arbeiten in einer instationären Strömung, sodass die Wärmeträgheit bei der „scheinbaren“ Leitfähigkeit der Auskleidung eine Rolle spielt und umgekehrt das Vorhandensein einer Isolierung die Fähigkeit der Auskleidung, sowohl innerhalb als auch außerhalb des Ofens abzukühlen, beeinflussen kann.
Um Energieeinsparungen in Einzelfall genau beurteilen zu können, ist es daher auch wichtig, die Zeit zu berücksichtigen, die die Ofenwagen zwischen den Zyklen außerhalb des Brennofens verweilen. Eine längere Zeit zwischen den Zyklen bedeutet auch immer höhere Verluste; die Art der Auskleidung kann dies jedoch verringern.
Anhand von zwei Fallbeispielen werden zwei unterschiedliche Situationen dargestellt:
1. H-Kassetten-Anlage (Hydro-Casing-Ofen) mit relativ kurzem Brennzyklus
2. Ziegelwerk (traditioneller, mit Sand versiegelter Ofen) mit langem Brennzyklus
Die Berechnungen erfolgen mittels FEM (Finite-Elemente-Methode) anhand der tatsächlichen Ofenkurve und unter Annahme der Luftgeschwindigkeiten in verschiedenen Ofen- und Schacht-Bereichen. Die Graphiken zeigen die dritte Durchfahrt durch den Brennofen, um damit eine belastbare Situation zu erzielen.
Fallbeispiel 1: H-Kassette im Hydro-Casing-Ofen
Bei dieser Anlage handelt es sich um einen typischen Hydro-Casing-Ofen aus den vergangen Jahrzehnten, bei dem die Versiegelung des Ofenwagens mit Wasser erfolgt. Der Brennzyklus beträgt 24 Stunden, was bei einer H-Kassetten-Anlage nicht sehr kurz ist. Die Verweildauer außerhalb des Ofens zwischen den Zyklen liegt bei 22 Stunden 14 Minuten.
Zunächst werden Temperaturen und Wärme der ursprünglichen Auskleidungen berechnet (»Abbildung 1).
Diese Auskleidung besteht aus einer großen Betonmasse in der unteren Hälfte, die unten mit Calciumsilicat isoliert wird. Oben angebrachte feuerfeste Stützen dienen zur Stützung der H-Kassette. Der Bereich zwischen den Stützen ist mit Keramikfasern befüllt. Unter Anwendung der Finite-Element-Berechnung erfolgt die Ermittlung der Temperaturen und der gespeicherten Wärme während des gesamten Prozesses. In der Graphik wird der dritte Durchgang durch den Ofen dargestellt, um damit eine belastbare Situation herzustellen (»Abb. 2).
Die in der Graphik dargestellten Temperaturen zeigen die Ofentemperatur in Blau und die durchschnittlichen Temperaturen in unterschiedlichen Tiefen der Auskleidung, von „Ebene 1“ oben bis „Ebene 6“ unten. Anhand der Graphik wird sichtbar, wie die Temperaturen aufgrund der Wärmeträgheit verzögert in die Auskleidung eindringen.
Aus der Wärmekurve ergibt sich:
In Grün die „verbleibende Wärme“ in der Auskleidung. Hiermit wird die Energie dargestellt, die zu einem bestimmten Zeitpunkt im Ofenwagen gespeichert wird. Der Referenzwert (Nullenergie) liegt vor, wenn die gesamte Auskleidung bei 25 °C liegt. Aus dieser Wärmespeicherung ergibt sich eine sehr wichtige Information für die Analyse des Wärmewirkungsgrads der Auskleidung. Beim zweiten Durchgang lag die gespeicherte Energie pro Ofenwagen am Ofenausgang bei 431.608 kcal. Später lag die Energie dann im nächsten Zyklus bei 115.545 kcal an der Ofeneinfahrt. Das bedeutet, dass die Differenz von 316.063 kcal die Energie ist, die aus der Auskleidung außerhalb des Brennofens über den Zeitraum von 22 Stunden und 14 Minuten verloren geht. Beim dritten Zyklus lässt sich erkennen, dass die gespeicherte Energie den Höchstwert bei 792.526 am Ende der Brennzone erreicht. Ab diesem Punkt beginnt die Kühlzone des Ofens, in der ein Teil der gespeicherten Energie vom Brennofen zurückgewonnen wird. Die verbleibende Energie, die nicht vom Brennofen zurückgewonnen werden konnte, geht außerhalb des Ofens verloren.
In Grau die „Wärme unterhalb“, also die gespeicherte Wärme, die in den Kanal unterhalb des Ofenwagens übertragen wird. Am Anfang des dritten Zyklus beträgt die bis zu diesem Zeitpunkt gespeicherte Wärme 370.911 kcal, während es am Ende 464.838 kcal sind. Die Differenz von 93.927 kcal stellt den Energieverlust durch die Wärmeleitung aus der Auskleidung im Inneren des Brennofens dar (die Energie, die über den Boden außerhalb des Ofens verloren geht, ist bereits in den Berechnungen der Energieverluste außerhalb des Brennofens enthalten). Diese Energie ist geringer als ein Drittel der Energie, die außerhalb verloren geht, was hauptsächlich auf den Ofen mit kurzem Brennzyklus zurückzuführen ist. Das bedeutet, dass der Energieverlust außerhalb des Brennofens viel höher ist als im Brennofen.
Nun erfolgen dieselben Berechnungen für die von Forgestal-Campo konzipierten leichten Auskleidungen, um damit den Wärmewirkungsgrad vergleichen und eventuelle Energieeinsparungen mit dieser leichten Bauweise berechnen zu können (»Abb. 3).
Die von Forgestal-Campo vorgeschlagene Auskleidung besteht aus extrudierten feuerfesten Hohlblöcken. Der gefügedichte Beton wird nur am Sockel der Auskleidung verwendet, um einen guten Stand zu erzielen. An der Unterseite der Auskleidung befindet sich ebenfalls eine Calciumsilicat-Schicht. Der Füllbeton im Kern der Auskleidung ist leicht und isolierend.
Für die Lösung von Forgestal-Campo unter Verwendung der gleichen Ofenbedingungen wie bei der vorherigen Auskleidung ergibt sich folgende Graphik für Temperaturen und Wärme: »Abb. 4.
Wie bei der vorherigen Berechnung ergibt sich:
In Grün die im „Wagen gespeicherte Wärme“, also die verbleibende Wärme in der Auskleidung. Die gespeicherte Wärme liegt hier am Ausgang bei 291.677 kcal und ist damit im Vergleich zur ursprünglichen Lösung (431.608 kcal) um 1/3 geringer. Beim nächsten Zyklus verzeichnet die Lösung noch 51.245 kcal am Ofeneingang, damit weniger als 50 Prozent der 115.545 kcal im Falle der ursprünglichen Lösung, die schwerer ist und daher mehr Wärme speichert. Das bedeutet eine Einsparung von 25 Prozent Energie zugunsten der leichteren Bauweise von Forgestal-Campo.
In Grau die „Wärme unterhalb“, also die gespeicherte Wärme, die in den Kanal unterhalb des Ofenwagens übertragen wird. Vergleicht man nun die Energie, die bei beiden Systemen verloren geht, so ergibt sich eine Reduzierung von 20 Prozent im Falle der Lösung von Forgestal-Campo (388.633-313.795=74.868 kcal im Vergleich zu 93.927).
Fallbeispiel 2: Ziegelwerk mit langem Zyklus
Jetzt werden dieselben Berechnungen für den Fall eines Verblendziegelwerks mit längeren Zyklen gegenüber der H-Kassette angestellt. Der Brennzyklus beträgt 43,5 Stunden und der Ofenwagen befindet sich durchschnittlich 67 Stunden außerhalb des Brennofens.
Zum einen wird eine klassische massive Feuerfestlösung simuliert (»Abb. 6):
Bei dieser Lösung sind alle Feuerfestelemente massiv. Unten an der Auskleidung befindet sich eine gefügedichte Betonschicht. Die Stützen sind mit einem Calciumsilicat-Sockel versehen. Die Ausfachung ist leicht und isolierend.
Unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode wurde folgende Graphik für Temperaturen und Wärme ermittelt: »Abb. 7.
Zum anderen erfolgt die Analyse der Lösung von Forgestal-Campo. Hierbei handelt es sich um eine leichtere Lösung, die sich einfacher aufheizen und abkühlen lässt: »Abb. 8.
Auch hierbei bestehen alle Feuerfestelemente aus stranggepressten Hohlkörpern, sodass sie leichter sind, aber dennoch eine gute mechanische Festigkeit aufweisen. Der Sockel der Auskleidung ist aus gefügedichtem Beton und die Kernfüllung ist leicht und isolierend.
Die Ermittlung der Ergebnisse für Temperatur und Wärme erfolgt unter Verwendung gleicher Methodik und gleicher Brennofenbedingungen wie bei der schweren Lösung (»Abb. 9).
Beim Vergleich der Ergebnisse beider Systeme – der massiven Lösung und der Lösung mit Hohlblöcken bei Forgestal-Campo – zeigt sich:
Die gespeicherte Wärme am Ofenausgang ist bei der Bauweise von Forgestal-Campo 45 Prozent geringer als bei der schwereren Lösung. Dies ist eine beachtlich Zahl und stellt eine Einsparung von 458.121 kcal zugunsten der Lösung von Forgestal-Campo dar. Bei dieser Anlage ist die verbleibende Zeit außerhalb des Brennofens viel länger als bei der H-Kassette. Infolgedessen verlieren die Ofenwagen außerhalb fast die gesamte am Ofenausgang noch vorhandene Energie (etwa 92 Prozent). Dadurch, dass die Hohlblock-Lösung weniger Energie im Ofen hält (weniger Masse und weniger Temperatur am Ausgang), ist sie effizienter.
Die Energieverluste im Inneren des Brennofens (Leitfähigkeit) sind jedoch recht ähnlich, allerdings mit 16 Prozent bei der schweren Lösung günstiger. Der Grund dafür ist, dass durch die größere Masse das Eindringen der Wärme in die Auskleidung verzögert wird. Die größere Wärmeträgheit der Auskleidung verlangsamt die Wärmeeindringung, indem sie mehr Energie absorbiert, was sich später nachteilig auswirkt. Zum anderen tragen die vorhandenen Löcher in den Hohlblockelementen bei hohen Temperaturen, bei denen die Abstrahlung eine wichtige Rolle spielt, nicht zur Isolierung bei. Bei der schweren Lösung liegt die Einsparung ohnehin nur bei 42.602 kcal, wohingegen die Differenz bei der gespeicherten Wärme zugunsten der leichten Lösung 458.121 beträgt.
Anhand der Einsparung pro Ofenwagen lassen sich die jährlichen Einsparungen für die gesamte Ofenwagen-Flotte berechnen. Bei einer angenommenen Produktion von 13.104 Ofenwagen/Jahr bei der Anlage mit H-Kassette und 7.028 Ofenwagen/Jahr mit der leichten Auskleidung von Forgestal-Campo ließen sich Energieeinsparungen in Höhe von 1.442 MWh bzw. 3.397 MWh erzielen. Dies entspricht einer Reduzierung der CO2-Emissionen um 291 t bzw. 686 t pro Jahr (»Abb. 11).
Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass die Gestaltung der Auskleidung stark zur Einsparung von Energie in einem Brennofen in der Grobkeramikfertigung beitragen kann. Traditionell gilt die Leitfähigkeit der Auskleidung als Hauptmerkmal für den Vergleich des Wärmeverhaltens eines Ofenwagens. Dies würde bei stetiger Strömung zutreffen, bei Ofenwagen liegt jedoch eine instationäre Strömung vor. Daher spielt, wie aufgezeigt, das Wärmerückhaltevermögen eine äußerst wichtige Rolle, noch wichtiger als die Leitfähigkeit. Das Wärmerückhaltevermögen lässt sich jedoch nicht allein anhand der Höhe von zwei Auskleidungen vergleichen. Daneben ist auch die Verteilung des Gewichts in der Auskleidung von wesentlicher Bedeutung für das Verhalten.
