Energie sparender Herdwagenofen mit ... - Bauverlag

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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 ZI 3/2003 37
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. 38 ZI 3/2003 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-
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