Entwicklung eines neuen Verfahrens zur energiearmen Herstellung von Keramiken

 Zur Herstellung von Keramiken wie Ziegel, Klinkersteine, Steinzeug, Porzellan, Wasch und Toilettenbecken, usw. wird vergleichsweise noch viel Energie benötigt. Je nach Art der Keramik werden verschiedene Mineralien wie Quarz (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Natriumoxid (Na2O), Kaliumoxid (K2O), usw. gemahlen und vermischt. Danach werden diese mit bis zu 50 Vol. % Wasser vermengt, um die Masse formen zu können. Die danach entstandenen keramischen Rohlinge werden zunächst getrocknet. Die hierzu notwendigen Trockner müssen so ausgelegt werden, dass beim Trocknen und der damit verbundenen Schwindung keine Risse entstehen. Die getrockneten Rohlinge werden anschließend auf Temperaturen zwischen 800 °C und 1400 °C erwärmt, damit die einzelnen mineralischen Partikel zusammen wachsen. Dieses wird als sintern bezeichnet. Schließlich muss das fest gewordene Produkt wieder abgekühlt werden.
Der Sintervorgang, was man auch als Brennen bezeichnet, wird in Tunnelöfen durchgeführt. Die Rohlinge werden auf Wagen gestapelt, wie in Bild 1 dargestellt wird.

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Bild 1: Prinzip eines Tunnelofens zur Herstellung von Ziegelsteinen

Solche Wagen können bis zu 6 m breit sein und die gestapelte Ware kann bis zu 3 m hoch sein. Der Wagen wird durch den Ofen gestoßen. Solche Öfen können bis zu 150 m lang sein, weshalb diese als Tunnelofen bezeichnet werden. Die Reise des Wagens durch den Ofen kann mehrere Tage dauern. Bild 2 zeigt einen Wagen für Dachziegel.

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Bild 2: Tunnelofenwagen für Dachziegel

In der Mitte des Ofens befinden sich bis zu 100 Ergasbrenner. Das heiße Verbrennungsgas strömt im Gegenstrom zu den Wagen in Richtung Ofeneintritt. Dadurch wird das keramische Produkt erwärmt, wie im unteren Teilbild qualitativ dargestellt ist. Das abgekühlte Gas verlässt den Ofen in die Atmosphäre. An der Austrittsseite der Wagen wird kalte Luft eingeblasen, die das Produkt wieder abkühlt. Die sich dabei erwärmende Luft wird vor den Brennern abgesaugt und zum Trocknen der Rohling eingesetzt. Das Sintern der Mineralien benötigt theoretisch keine Energie. Könnte man folglich die beim Abkühlen des Produktes gewonnene Energie zum Erwärmen einsetzen, würde keine Energie zum Brennen benötigt. Man bräuchte lediglich Energie zum Trocknen der Rohlinge. Diese Energie ist jedoch um ein Vielfaches geringer als die zurzeit aufgewendete Energie zur Herstellung von keramischen Produkten.
Am Institut wird daher ein neuer Ofentyp entwickelt, mit dem die Energie zum Kühlen direkt zum Aufwärmen eingesetzt werden kann. Wie in Bild 3 dargestellt ist, fahren hierzu die Wagen auf zwei Schienenpaaren entgegengesetzt durch den Ofen. Ein Ventilator auf dem Dach des Ofens wälzt zwischen beiden Ofensegmenten Gas um. Die zu kühlenden Produkte erwärmen das Gas, welches dann im anderen Segment die Produkte aufheizt. In der Brennzone werden die Gase durch einige wenige Brenner umgewälzt, aus denen die Verbrennungsgase mit hohem Impuls austreten.

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Bild 3: Prinzip des neuen Tunnelofens mit Solid-Solid-Rekuperation

Das neue Ofenkonzept wird mit Hilfe von Berechnungen am Computer ausgelegt. Hierzu wird die umlaufende Strömung simuliert. Das Ziel diese Untersuchungen besteht darin, dass mit möglichst wenig elektrischer Energie für die Gebläse viel Wärme übertragen wird. Die optimale Anordnung der Produkte wird untersucht, damit die zur Übertragung der Wärme benötigte Fläche möglichst gering ist. Damit wird das Volumen des Ofens kleiner und damit die Investitionskosten. Erste Ergebnisse zeigen, dass bis zu 70 % der Ofenenergie eingespart werden kann. Die Entwicklung solcher neuen Verfahren trägt somit erheblich zur Einsparung von Energie und damit Kohlendioxid bei. Teilarbeiten dieses Projektes werden von Studenten im Rahmen von Bachelor- und Masterarbeiten durchgeführt.

Letzte Änderung: 16.08.2018 - Ansprechpartner: Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Manuela Dullin-Viehweg