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 ben��tigt. 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 k��nnen. Die danach entstandenen keramischen Rohlinge werden zun��chst getrocknet. Die hierzu notwendigen Trockner m��ssen so ausgelegt werden, dass beim Trocknen und der damit verbundenen Schwindung keine Risse entstehen. Die getrockneten Rohlinge werden anschlie��end auf Temperaturen zwischen 800 ��C und 1400 ��C erw��rmt, damit die einzelnen mineralischen Partikel zusammen wachsen. Dieses wird als sintern bezeichnet. Schlie��lich muss das fest gewordene Produkt wieder abgek��hlt werden.
Der Sintervorgang, was man auch als Brennen bezeichnet, wird in Tunnel��fen durchgef��hrt. Die Rohlinge werden auf Wagen gestapelt, wie in Bild 1 dargestellt wird.
Bild 1: Prinzip eines Tunnelofens zur Herstellung von Ziegelsteinen
Solche Wagen k��nnen bis zu 6 m breit sein und die gestapelte Ware kann bis zu 3 m hoch sein. Der Wagen wird durch den Ofen gesto��en. Solche ��fen k��nnen 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 f��r Dachziegel.
Bild 2: Tunnelofenwagen f��r Dachziegel
In der Mitte des Ofens befinden sich bis zu 100 Ergasbrenner. Das hei��e Verbrennungsgas str��mt im Gegenstrom zu den Wagen in Richtung Ofeneintritt. Dadurch wird das keramische Produkt erw��rmt, wie im unteren Teilbild qualitativ dargestellt ist. Das abgek��hlte Gas verl��sst den Ofen in die Atmosph��re. An der Austrittsseite der Wagen wird kalte Luft eingeblasen, die das Produkt wieder abk��hlt. Die sich dabei erw��rmende Luft wird vor den Brennern abgesaugt und zum Trocknen der Rohling eingesetzt. Das Sintern der Mineralien ben��tigt theoretisch keine Energie. K��nnte man folglich die beim Abk��hlen des Produktes gewonnene Energie zum Erw��rmen einsetzen, w��rde keine Energie zum Brennen ben��tigt. Man br��uchte 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 K��hlen direkt zum Aufw��rmen 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 w��lzt zwischen beiden Ofensegmenten Gas um. Die zu k��hlenden Produkte erw��rmen das Gas, welches dann im anderen Segment die Produkte aufheizt. In der Brennzone werden die Gase durch einige wenige Brenner umgew��lzt, aus denen die Verbrennungsgase mit hohem Impuls austreten.
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 Str��mung simuliert. Das Ziel diese Untersuchungen besteht darin, dass mit m��glichst wenig elektrischer Energie f��r die Gebl��se viel W��rme ��bertragen wird. Die optimale Anordnung der Produkte wird untersucht, damit die zur ��bertragung der W��rme ben��tigte Fl��che m��glichst 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 tr��gt somit erheblich zur Einsparung von Energie und damit Kohlendioxid bei. Teilarbeiten dieses Projektes werden von Studenten im Rahmen von Bachelor- und Masterarbeiten durchgef��hrt.