Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Neues Tunnelofenkonzept zur Einsparung fossiler Energie und CO2 beim Brennen von Ziegeln

Bei heutige Tunnelöfen werden geringe Ausfahrtverluste durch hohe Kühlluftmengen „erkauft“, die aus dem Tunnelofen abgesaugt und der Trocknung zugeführt werden, dies bindet meist über 50% der eingebrachten Primärenergie. Für schnelle Lösungen werden neue Konzepte benötigt, die auf bestehende Anlagen übertragen werden können.

Im Vorhaben (IGF-Nr.13EWBG) wurden Öfen zur Produktion von Dachziegeln untersucht. Deren Heißluft kann nicht vollständig im Trockner Verwendung finden, da durch die Kühlung der Brennhilfsmittel mehr Energie zum Trockner geführt wird als für die Produkttrocknung benötigt wird. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass bei Umsetzung des neuen Tunnelofenkonzepts durch den Einsatz von Heißluftventilatoren über 50% der Energie eingespart werden kann. Vormauerziegel, Pflasterklinker und Hintermauerziegel werden in kompakten Besätzen auf dem Tunnelofenwagen gebrannt und rufen deutlich unterschiedliche Strömungs- und Druckverhältnisse im Brennkanal hervor. Werden innerhalb des Brennkanals Heißluftventilatoren platziert, kann die axiale Strömung unterstützt und der konvektive Wärmeübergang gesteigert werden. Auf diese Weise kann der Luft-/Gasstrom im Ofen erheblich reduziert und die Strömungsgeschwindigkeit örtlich individuell eingestellt werden. Es wird auch untersucht, in welcher Weise die Wärmeübertragung in elektrisch beheizte Tunnelöfen stattfinden muss. Da der Wärmeeintrag dann nur über die Seitenwände stattfinden kann, muss die Energieverteilung durch zusätzliche Konvektion vergleichmäßigt werden, wie es in periodischen Öfen der Nichteisenmetallindustrie geschieht.

Drei Forschungsstellen werden das Tunnelofenkonzept weiterentwickeln, so dass vorhandene Ofenanlagen umgerüstet werden können. Die geplante Prozessinnovation stellt eine kontinuierliche Weiterentwicklung energieeffizienter Tunnelöfen in der hauptsächlich KMU dominierten Ziegelindustrie dar und zeigt innovative Wege zur Energieeinsparung.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Vorhabens wurde die interne Atmosphärenumwälzung, durch Einbau von Ventilatoren an der Ofendecke für die Produktgruppen Hintermauerziegel und Klinker untersucht. Dazu wurden experimentelle Untersuchungen an einer Versuchsanlage, numerische 3D Simulationen und ein vereinfachtes Ofenmodell weiter optimiert.

Die interne Umwälzung führt zu einer lokalen Geschwindigkeitserhöhung bei gelichzeitiger Erhöhung der konvektiven Wärmeübertragung. Wesentlich ist dabei die Vergleichmäßigung der Temperatur über die Besatzhöhe, welche experimentell und numerisch nachgewiesen werden konnte. Dadurch ist eine Energieeinsparung von rund 10% und somit eine CO2 Reduktion erzielbar. Dabei ist die Auswirkung auf die Wärmeübertragung hauptsächlich durch die Wärmeleitfähigkeit des Produktes und die Besatzanordnung limitiert. Im Vergleich ist die interne Umwälzung bei den untersuchten Produktgruppen, Hintermauerziegel und Klinker, weniger effektiv als bei Dachziegeln, da der Strömungswiderstand auf Grund der Lochgeometrie bei Hintermauerziegeln und der Besatzanordnung bei Klinkern größer ist.

Es konnten numerische Modelle aufgestellt und optimiert werden, welche bei der Auslegung und konstruktiven Umsetzung eine Vorhersage der möglichen Energieeffizienzsteigerung vorausberechnen und gleichzeitig die optimale Anordnung und Umsetzung bei Umrüstungen oder Neubauten von Tunnelöfen ermöglichen.

Die erzielten Ergebnisse und Erkenntnisse wurden und werden im Rahmen von Vorträgen und Veröffentlichungen, speziell der Ziegelindustrie, zugänglich gemacht und sind auch auf andere Industriezweige, wie z. B. der Stahlindustrie im Bereich der Wärm- und Wärmebehandlung, anwendbar.