Energie sparender Herdwagenofen mit ... - Bauverlag

Energie sparender
Herdwagenofen mit
Wärmetauschersystem
Der Beitrag stellt einen neu entwickelten Herdwagenofen
vor, bei dem die eingesetzte Energie zu
etwa 75 % zurückgewonnen werden kann. Die
Brennaggregate Tunnelofen und Herdwagenofen
werden verglichen und wesentliche Merkmale des
neuen Herdwagenofen-Konzeptes wie Minimieren
der Abstrahlverluste des Ofens und der Wärmespeichermasse
von Ofen und Herdwagen, Verwenden
vorgewärmter Verbrennungsluft und die Wärmerückgewinnung
aus den Rauchgasen beschrieben.
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Vergleich Tunnelofen – Herdwagenofen
In der Ziegelindustrie wird, auf Grund vieler Vorteile, hauptsächlich
in Tunnelöfen gebrannt. Zum Brennen kleinerer
Chargen wie zum Beispiel Dachziegelzubehör, Blumentöpfe
usw. werden aber auch Herdwagenöfen eingesetzt. Deren
Vorteil ist eine große Produktionsflexibilität, der wesentliche
Nachteil der relativ hohe Energiebedarf.
Der grundlegende Unterschied zwischen Tunnelöfen und
Herdwagenöfen besteht in der Betriebsweise. Während ein
Tunnelofen kontinuierlich betrieben wird, kennzeichnet den
Herdwagenofen eine periodische Betriebsweise. Daraus ergeben
sich gegenüber dem Tunnelofen einige Nachteile, die in
Tabelle 1 zusammengefasst sind.
Energetisch besonders nachteilig ist, dass die Rauchgase den
Ofen im Prinzip mit Brennraumtemperatur verlassen. Der
Energieverlust über die Rauchgase ist enorm hoch. Durch die
Zugabe von sehr viel Frischluft (etwa die 4fache Menge bei
einer Brennraumtemperatur von zum Beispiel 1 000 °C) werden
die Rauchgase üblicherweise so weit abgekühlt, dass sie
einer Reinigungsanlage und dem Kamin zugeführt werden
können. Eine Reinigungsanlage muss deshalb im Verhältnis
zur Ofenleistung sehr groß dimensioniert werden.
Ein weiterer Nachteil ist, dass die Verbrennungsluft komplett
von außen über die Brenner zugegeben werden muss. Dazu
wird meist die vorhandene kalte Umgebungsluft verwendet.
Es gibt keine Kühlzone wie beim Tunnelofen, die heiße und
sauerstoffhaltige Luft relativ einfach – zum Teil über direktes Einströmen
aus der Kühlzone in die Brennzone – als Verbrennungsluft
zur Verfügung stellt. Das notwendige Aufheizen der kalten
Luft auf Prozesstemperatur erhöht den Energiebedarf [1].
Hinzu kommt, dass der Ofenbaukörper des Herdwagenofens
für jeden Brennzyklus mit aufgeheizt werden muss. Die dafür
notwendige Energie kann zwar in der Kühlphase, in Form von
Warmluft, weitgehend zurückgewonnen werden, erhöht aber
natürlich den Brennstoffverbrauch beim Aufheizen. Stand der
Technik ist, die Kühlluft aus dem Herdwagenofen als Warmluft
zum Trocknen zu verwenden. Die Endkühlung des Ofens
Dipl.-Ing. Patrick Strohmenger*
Energy-saving shuttle kiln
with heat exchanger
system
The article presents a recently developed shuttle kiln,
in which up to 75% of the energy used is recovered.
The firing units tunnel kiln and shuttle kiln are compared
and essential features of the new shuttle kiln
concept described, such as minimizing the radiation
losses of the kiln and the heat storage mass of the
kiln and shuttle, use of preheated combustion air
and heat recovery from the flue gases.
Comparison tunnel kiln – shuttle kiln
In the brick and tile industry, because of many advantages, firing
is mainly in tunnel kilns. For the firing of relatively small
batches, such as clay roofing tile accessories, flowerpots etc.
however shuttle kilns are also used. Their advantage is high
production flexibility, the essential disadvantage the relatively
high energy consumption.
The basic difference between tunnel kilns and shuttle kilns consists
in the method of operation. Whereas a tunnel kiln is operated
continuously, the shuttle kiln is characterized by intermittent or
periodic operation. This results in a number of disadvantages
compared with the tunnel kiln, which are summarized in Table 1.
A special drawback from the energy point of view is that the
flue gases leave the kiln in principle at firing chamber temperature.
The energy loss via the flue gases is enormously high.
By the addition of considerable fresh air (about 4 times the
amount at a firing chamber temperature of for example
1 000° C), the flue gases are normally cooled to such an
extent that they can be fed to a cleaning plant and the chimney.
A flue gas cleaning plant must therefore have very large
dimensions in the ratio to the kiln capacity.
Another disadvantage is that the combustion air has to be
completely added via the burners from the outside. For this
usually the existing cold ambient air is used. There is no cooling
zone as in the tunnel kiln, which makes the hot and oxygen-containing
air – partly via direct inflow from the cooling
zone into the firing zone – readily available as combustion air.
The necessary heating of the cold air to process temperature
increases the energy consumption [1].
Another factor is that the kiln structure of the shuttle kiln has to
be heated for every firing cycle. The energy needed for this can
* KWS Strohmenger GmbH, D-91077 Neunkirchen a. Br. * KWS Strohmenger GmbH, D-91077 Neunkirchen a.Br.

Tabelle 1: Vergleich Tunnelofen – Herdwagenofen
Merkmal
Ofenauskleidung
Ofenbelastung
Rauchgasmenge
Rauchgastemperatur
Verbrennungslufttemperatur
Energieverluste
Endkühlung
Tunnelofen
nur in der
Hauptbrennzone
hochwertig
konstante
Temperatur in
jeder Zone
relativ konstant
relativ konstant
Raumtemperatur
bis nahezu Garbrandtemperatur
(Einströmung aus
Kühlzone)
Rauchgasverluste,
Abstrahlung,
Ausfahrverluste
technisch einfach
Herdwagenofen
überall hochwertig
ständiges Heizen
und Kühlen des
Ofens
stark wechselnd
entsprechend
Brennraumtemperatur
i.d.R. Raumtemperatur
Rauchgasverluste,
Abstrahlung,
Ausfahrverluste,
Aufheizung der
Ofenauskleidung
technisch relativ
aufwändig
ist schwieriger: Bei fallender Ofentemperatur wird immer
mehr Kühlluft benötigt, um die Kühlgeschwindigkeit aufrecht
zu halten. Die Kühlluft kann nur mit relativ hohem Druck
durch die Brenner, oder durch extra Kühlluftrohre, gedrückt
werden.
Ansätze für die energetische Optimierung
Für eine energetische Verbesserung eines Herdwagenofens
gibt es zwei grundsätzliche Ziele:
n Senken des Energieeinsatzes beim Aufheizen
n Erhöhen der Wärmerückgewinnung für Trockenzwecke o.ä.
Mit diesen Zielen ergeben sich folgende Ansatzpunkte:
n Minimieren der Abstrahlverluste des Ofens durch gutes Isolieren
n Minimieren der Wärmespeichermasse von Ofen und Herdwagen
n Verwenden vorgewärmter Verbrennungsluft
n Wärmerückgewinnung aus den Rauchgasen
n Möglichst vollständige Wärmerückgewinnung in der Kühlphase
Bei der Entwicklung eines neuartigen Herdwagenofenkonzepts
wurden diese Ansatzpunkte, wie nachfolgend beschrieben, umgesetzt.
Auf Aspekte beim Aufbau des Herdwagenofens, die im
Wesentlichen Stand der Technik sind, wird hier nicht eingegangen.
Ofenauskleidung und Aufbau des Herdwagens
Der Ofenbaukörper sollte so gut isoliert sein, dass keine verblendete
Außenschale als Berührungsschutz notwendig ist. Temperaturen
von etwa 65°C bis 70°C sollten keinesfalls überschritten
werden, auch nicht bei Spitzentemperaturen im Brennraum.
Eine Verblendung täuscht oft über die wahren Energieverluste
hinweg.
Gleichzeitig sollte die Speichermasse der Innenauskleidung
des Ofens möglichst gering sein. Für diesen Zweck wird in
den meisten Fällen eine gut dimensionierte Faserauskleidung
verwendet, die auch bei diesem Projekt eingesetzt wurde.
Table 1: Comparison tunnel kiln – shuttle kiln
Feature
Tunnel kiln
Kiln lining only of high value
in the main firing
zone
Kiln load constant
temperature in
every zone
Flue gas volume relatively constant
Flue gas tempera- relatively constant
ture
Combustion air
temperature
Energy losses
Final cooling
room temperature
up to almost final
firing temperature
(inflow from
cooling zone)
flue gas losses,
radiation,
exit losses
technically easy
certainly largely be recovered in the cooling phase, in the form
of hot air, but naturally this increases the fuel consumption in
heating. The State of the Art is to use the cooling air from the
shuttle kiln as hot air for drying. The final cooling of the kiln is
more difficult: As the kiln temperature falls an increasing
amount of cooling air is needed, to keep up the cooling rate.
The cooling air can only be forced at relatively high pressure
through the burners, or through extra cooling air pipes.
Preparations for the energy optimization
Shuttle kiln
everywhere of high
value
constant heating
and cooling of the
kiln
very variable
according to the
firing chamber
temperature
normally room
temperature
flue gas losses,
radiation,
exit losses,
heating up of
kiln lining
technically
relatively expensive
To improve the energy of a shuttle kiln, there are two basic aims:
n to reduce the energy employed in heating
n to increase the heat recovery for drying purposes etc.
With these aims the following initial steps should be taken:
n minimizing the radiation loss from the kiln by good insulation
n minimizing the heat storage mass of the kiln and shuttle
n use of preheated combustion air
n heat recovery from the flue gases
n as complete heat recovery as possible in the cooling phase
In the development of a new type of shuttle kiln concept
these preparation points were described as follows. Aspects of
the design of the shuttle kilns which are mainly the State of
the Art are not here examined in detail.
Kiln cladding and design of the shuttle kiln
The body of the kiln should be so well insulated that no external
facing skin is necessary as protection against contact. Temperatures
of about 65° C to 70° C should in no case be exceeded,
not even at peak temperatures in the firing chamber. A facing
skin often gives a false idea of the true energy losses.
At the same time the storage mass of the internal lining of the
kiln should be as low as possible. In most cases a well-dimensioned
fibre lining is used for the purpose, which was also
used in this project.
The shuttles are likewise almost exclusively insulated with
ceramic fibres. The edge of the bogie deck consists of relatively
thin-walled cordierite sections, which are padded with ceramic
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Seitenansicht des Herdwagenofens mit geöffnetem Ofentor
Side view of the shuttle kiln with open kiln door
Die Herdwagen sind ebenfalls fast ausschließlich mit Keramikfaser
isoliert. Die Wagenumrandung besteht aus relativ dünnwandigen
Cordierit-Profilen, die mit Keramikfaser ausgestopft
sind. Das Brenngut ruht auf einem extrem leichten Balkengerüst
aus SiSiC, das von nur wenigen Cordierit-Stützen
getragen wird. Die Stützen sind auf dem Stahlchassis des
Herdwagens fest verankert. Auf eine obere feste Abdeckung
der Faserisolierung, zum Beispiel mit Schamotteplatten, wurde
verzichtet.
Durch dieses Konzept sind sowohl die Speichermasse als auch
die Wärmeleitung der Herdwagen minimal.
Brenner mit vorgewärmter Verbrennungsluft
Das System gewinnt Wärme aus den Rauchgasen zurück und
stellt diese zum Vorwärmen der Verbrennungsluft zur Verfügung.
Die Temperatur der Verbrennungsluft ist deshalb nicht
konstant, sondern steigt im Laufe des Brennzyklus an. Die Verbrennungsluftversorgung
wurde mit einer Frequenzregelung
ausgerüstet, um die Luftverhältnisse für den Brennerbetrieb
konstant zu halten. Die Luftarmaturen sind für die höhere
Temperatur entsprechend ausgelegt. Die Luftversorgung und
die Brenner wurden komplett isoliert.
Durch die höhere Verbrennungslufttemperatur ändern sich
die Strömungsverhältnisse im Zündbereich des Brenners
erheblich. Es war notwendig, die Mischeinrichtung des Brenners
für Gas und Luft anzupassen. Dazu wurden mehrere Versuche
bis zu einer Lufttemperatur von 250 °C durchgeführt –
der korrekt eingestellte Brenner funktioniert bis zu dieser Temperatur
einwandfrei. Höhere Temperaturen konnten noch
nicht ausprobiert werden.
Wärmerückgewinnung aus den Rauchgasen
Ziel ist es, die aus den Rauchgasen zurückgewonnene Energiemenge
zu maximieren. Die Rauchgase dürfen deshalb
nicht mit Frischluft verdünnt, sondern müssen direkt einem
Wärmetauscher zugeführt werden. In der baukeramischen
Industrie können die Rauchgastemperaturen bis zu 1 200 °C
betragen. Ein speziell dafür entwickelter keramischer Wärmetauscher
hält diesen Temperaturen dauerhaft stand. Die Rauchgase
werden darin auf circa 570°C abgekühlt und danach in
einem Edelstahl-Wärmetauscher auf etwa 180 °C bis 200 °C
gebracht. Beide Temperaturen sind regel- und einstellbar.
Die kalte Seite beider Wärmetauscher wird mit Frischluft
beaufschlagt, die auf rund 200 °C bis 250 °C erwärmt wird.
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fibres. The firing charge rests on an extremely lightweight
beam framework of SiSiC, which is supported by only a few
cordierite supports. The supports are firmly anchored to the
steel chassis of the shuttle. A top solid covering of the fibre
insulation, for example with chamotte slabs was dispensed with.
By this concept the body of the storage unit and also the heat
line of the shuttle is minimized.
Burners with preheated combustion air
The system recovers heat from the flue gases and makes this
available for the preheating of the combustion air. The temperature
of the combustion air is therefore not constant, but
increases during the course of the firing cycle. The combustion
air supply was equipped with a frequency regulation system,
in order to keep the air conditions constant for the burner
operation. The air fittings are correspondingly designed for
the higher temperature. The air supply and the burners were
completely insulated.
Due to the higher combustion air temperature the flow conditions
alter considerably in the ignition area of the burner. It
was necessary to adapt the mixing equipment of the burner
for gas and air. For this purpose, several tests were carried out
up to an air temperature of 250° C – the correctly set burner
functions fully efficiently up to this temperature. Higher temperatures
could not yet be tried out.
Heat recovery from the flue gases
The aim is to maximize the amount of energy recovered from
the flue gases. The flue gases should therefore not be diluted
with fresh air, but must be fed directly to a heat exchanger. In
the structural ceramic industry the flue gas temperatures may
amount to 1 200° C. A ceramic heat exchanger specially developed
for the purpose keeps these temperatures permanently
constant. The flue gases are cooled down in this to approx.
570° C and then brought up to about 180° C to 200° C in a
stainless steel heat exchanger. The two temperatures can be
regulated and set.
The cold side of the two heat exchangers is subjected to
impact of fresh air, which is heated up to about 200° C to
250° C. The fresh air, which is conducted via the steel heat
exchanger, is preheated to about 80° C, in order to avoid
exceeding the dewpoints and corrosion on the flue gas side.
The hot air generated is conducted via pipelines to various
dryer systems. Excessive hot air can be blown out via the roof.
Final cooling
During the cooling phase, corresponding to the cooling
curves, normally secondary air is injected into the kiln via the
burners and removed by suction as hot air. The shock cooling
and gentle cooling cause no problems. Rapid final cooling
with the shuttle kiln is more difficult however as here a comparatively
large volume of cooling air is needed. This cannot
be increased at will at reasonable energy expenditure by the
burner openings. Extra injections of cooling air applied must
either be rinsed during the heating, which increases the energy
consumption, or tend to premature corrosion due to
return flowing flue gases.
The shuttles were therefore not sealed with a sand channel,
but with a strip at the side to the kiln body. This sealing strip
can be raised and lowered automatically. In the final cooling
phase the sealing strip can be lowered, so that a great quantity
of fresh air can flow into the kiln at the side. The cooling air
injected to the burners at a high speed divides this fresh air.
Thus a relatively uniform final cooling is obtained in a com-

Die Frischluft, die durch den Stahlwärmetauscher geleitet
wird, ist auf circa 80 °C vorgewärmt, um Taupunktunterschreitungen
und Korrosion auf der Rauchgasseite zu vermeiden.
Die erzeugte Warmluft wird über Rohrleitungen zu
verschiedenen Trockensystemen geleitet. Überschüssige
Warmluft kann übers Dach abgeblasen werden.
Endkühlung
Während der Kühlphase wird, entsprechend der Kühlkurve,
normalerweise Sekundärluft über die Brenner in den Ofen eingeblasen
und als Warmluft abgesaugt. Die Sturzkühlung und
Schonkühlung sind unproblematisch. Eine schnelle Endkühlung
ist aber beim Herdwagenofen schwieriger, da hierfür
eine verhältnismäßig große Kühlluftmenge benötigt wird. Diese
kann durch die Brenneröffnungen mit vertretbarem Energieaufwand
nicht beliebig gesteigert werden. Extra angebrachte
Kühllufteinblasungen müssen entweder während der Aufheizung
gespült werden, was den Energiebedarf erhöht, oder
neigen zu vorzeitiger Korrosion durch rückströmende Rauchgase.
Die Herdwagen wurden deshalb nicht mit einer Sandrinne,
sondern mit einer Leiste seitlich zum Ofenbaukörper abgedichtet.
Diese Abdichtleiste kann automatisch gehoben und
gesenkt werden. In der Endkühlphase kann die Abdichtleiste
gesenkt werden, sodass eine große Menge Frischluft seitlich
am Wagen einströmen kann. Die an den Brennern mit hoher
Geschwindigkeit eingeblasene Kühlluft verteilt diese Frischluft.
Damit wird eine relativ gleichmäßige Endkühlung in verhältnismäßig
kurzer Zeit erreicht. Die als Warmluft zurückgewonnene
Energiemenge wird maximiert, und die Ausfahrverluste
werden minimiert.
Ergebnisse beim Betrieb
Der beschriebene Herdwagenofen wird zum Brennen von
Dachziegelzubehör eingesetzt. Das Brennraumvolumen
beträgt circa 140 m 3 , das Gewicht des Besatzguts (gebrannte
Dachziegel plus Kassetten) etwa 34 t. Die Brenntemperatur
liegt bei circa 1 050 °C.
Es wird in 23 Stunden (13 h Heizen, 1 h Haltezeit, 9 h Kühlen)
kalt-kalt gebrannt. Der spezifische Energiebedarf beträgt circa
700 kcal (2 900 kJ) pro kg Besatzgut (Dachziegel plus Kassetten).
Die eingesetzte Energie kann zu etwa 75 % zurückgewonnen
werden. Der spezifische Energieeinsatz für den Brand an sich
beträgt also nur circa 175 kcal (725 kJ) pro kg Besatzgut und
liegt damit im Bereich eines Tunnelofens. Allerdings kann die
abgegebene Warmluft nicht immer vollständig in den angeschlossenen
Trockensystemen genutzt werden und muss
dann abgeblasen werden.
Ausblick
Das beschriebene Herdwagenofenkonzept wurde von Eon
Bayern mit einem Energieförderpreis für Umweltschutz und
Ressourcenschonung ausgezeichnet. Das Konzept ist weiter
optimierbar. Die Verbrennungsluft könnte beispielsweise mit
höherer Temperatur bereitgestellt werden, um den Energieverbrauch
beim Heizen noch weiter zu senken.
Literatur
[1] Junge, K; Telljohann, U.: Entkopplung von Ofen und Trockner
durch Verbrennungsluftvorwärmung und Zwischenspeicherung
der Verbundwärme, Zi Ziegelindustrie International 55, 8/2002, S.12
bis 22
Die Brenner und die Luftversorgung sind komplett isoliert
The burners and the air supply are completely insulated
paratively short time. The energy volume recovered as hot air
is maximized and the exit losses minimized.
Results in operation
The shuttle kiln described is employed for the firing of clay
roofing tile accessories. The firing chamber volume amounts
to approx. 140 m 3 , the weight of the setting charge (fired clay
roofing tiles plus cassettes) about 34 t. The firing temperature
is approx. 1 050° C.
Firing takes place cold-cold in 23 hours (13 hours heating, 1 h
holding time, 9 h cooling). The specific energy consumption
amounts to approx. 700 kcal (2 900 kJ) per kg setting charge
(clay roofing tiles plus cassettes).
The energy used can be recovered up to about 75%. The specific
energy use for firing per se thus amounts to only approx.
175 kcal (725 kJ) per kg setting charge and therefore comes
within the range of a tunnel kiln. However the hot air released
cannot always be completely utilized in the subsequent drying
systems and must then be blown out.
Future prospects
The shuttle kiln concept described was awarded an Energy
Promotion Prize for Environmental Protection and Conservation
of Resources by the Eon Bavaria. The concept is capable
of further optimization. The combustion air could for example
be prepared at a higher temperature, in order to reduce the
energy consumption in heating still further.
Literature references
See German text.
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