Neues Tunnelofenkonzept zum energieeffizienten Brennen von Ziegeln

Der Brand von Grobkeramik im Tunnelofen hat sich in den letzten vier Jahrzehnten technologisch kaum verändert. Dabei machen die Energiekosten einen signifikanten Anteil an den Produktionskosten aus. Die Ursache liegt maßgeblich in einer angespannten Marktsituation, die Investitionen in Neubauten erschwert. Vor dem Hintergrund der anstehenden Energiewende müssen jedoch Maßnahmen ergriffen werden, den Energieverbrauch bestehender Anlagen drastisch zu reduzieren.
Hierfür wurde ein neues Tunnelofenkonzept hergeleitet, mit dem Ziel, den Energieverbrauch bestehender Tunnelofen zu senken. Die Bedingung hierbei war, den Verlauf der optimalen Brennkurve des Produktes nicht zu verändern. Die Maßnahmen zielen dabei auf eine Auftrennung des Wärmeverbundes zwischen Ofen und Trockner.
Dazu werden in der Kühlzone über den Wagen Radiallaufräder platziert, die das Ofengas innerhalb des Brennkanals umwälzen. Bei dieser Art der Umwälzung muss kein Gas abgesaugt und wieder eingeblasen werden. Mit relativ kleiner Leistung können große Gasmengen umgewälzt werden. Diese Art der Umwälzung ist in der Aluminium- und Kupferindustrie seit vielen Jahren etabliert zur konvektiven Erwärmung verschiedener Bauteile, da hier auf Grund des geringen Emissionsgrades der Wärmeübergang durch Strahlung äußerst gering ist.
Zur Untersuchung der Wirkung dieser Umwälzsysteme wurde am Institut für Ziegelforschung Essen e.V. in einem Versuchsofen mit Dachziegelbesatz das Strömungsfeld experimentell vermessen. Am Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik an der RWTH Aachen wurden weiterführende CFD-basierte Strömungssimulationen durchgeführt, um den Einfluss von geometrischen Parametern seitens des Besatzes bzw. des Umwälzsystems zu quantifizieren. Am Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg wurde ein Prozessmodell zur Simulation des Brandes von Dachziegeln im Tunnelofen erstellt. Somit stand ein flexibles Werkzeug zur Verfügung, um die Wirkung der Umwälzer auf den Brennverlauf zu untersuchen.
Im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass durch Umwälzung die Temperaturvergleichsmäßigung und insbesondere der konvektive Wärmeübergang ansteigt. Dadurch kann in der Kühlzone der Luftstrom erheblich reduziert werden. Der Wärmeübergang wird in dem neuen Konzept nicht mehr durch die axiale Strömung mit der relativen geringen Geschwindigkeit hervorgerufen, sondern durch die Querströmung, die mit den Ventilatoren unabhängig zur axialen Strömung örtlich individuell eingestellt werden kann. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, dass die Kühlluft vollständig im Brennkanal verbleibt und als stark vorgewärmte Verbrennungsluft genutzt wird. Die Luftmenge, die in der Kühlzone in einem Bypass geführt wird, erlaubt die Einstellung der Abkühlgeschwindigkeit im Bereich des Quarzsprunges. Durch eine Kombination dieser Maßnahmen zum Brennen von horizontal gelagerten Dachziegeln sind Energieeinsparungen von bis zu 60 % gegenüber Vergleichsprozessen erreichbar.