DE19528147A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufheizung und anschließenden Abkühlung eines transportierbaren Gutes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufheizung und anschließenden Abkühlung eines durch eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung transportierbaren Gutes, insbesondere zum Brennen keramischer Produkte, wobei mindestens die Verfahrensschritte Aufheizen in einer Aufheizzone, Brennen in einer Brennzone und Abkühlen in einer Abkühlzone enthalten sind.

Bei derartigen allgemein bekannten Verfahren durchläuft das zu behandelnde Gut beispielsweise einen Brennofen von einem Ofeneinlauf zu einem Ofenauslauf entlang einer oder mehrerer in dieselbe Richtung fördernder paralleler Förderlinien und wird in einer Aufheizzone ausgehend in der Regel von Raumtemperatur bis auf eine Temperatur von ca. 1250°C (bei speziellen Produkten wie Mahlkugeln oder feuerfesten Materialien auch weit höher) aufgeheizt. Dabei ist üblicherweise eine vorgegebene Aufheizkurve einzuhalten. In einer Brennzone des Ofens wird die Maximaltemperatur während des gesamten Verfahrensablaufs erreicht und unter Umständen eine gewisse Zeitdauer beibehalten. Danach wird das Gut in einer Abkühlzone abgekühlt, wobei in der Regel die Einhaltung einer bestimmten Abkühlkurve über der Zeit beachtet werden muß.

Bei einer Vielzahl der bekannten Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird die bei der Abkühlung des Gutes freiwerdende Wärmemenge ungenutzt an die Atmosphäre abgegeben, weshalb der zur Durchführung solcher Verfahren erforderliche Energieaufwand sehr hoch ist.

Es ist auch ein Verfahren allgemein bekannt, bei dem zur Abkühlung des Gutes in der Abkühlzone eingeblasene Kühlluft als vorgewärmte Verbrennungsluft beispielsweise einer Gas- oder Ölbrenneinrichtung verwendet wird, wodurch sich die zur Durchführung des Verfahrens aufzubringende Energiemenge verringert. Die Energierückführungsrate ist jedoch hierbei sehr niedrig, so daß der Energiebedarf nur unwesentlich gesenkt werden kann.

Zum Stand der Technik gehört auch ein Verfahren, bei dem die in einer sogenannten Schnellkühlzone unmittelbar im Anschluß an die Brennzone eingeblasene und dort relativ hoch erhitzte Kühlluft wenigstens teilweise durch die Brennzone zum Ofeneinlauf gefördert wird, so daß die Brenneinrichtung in der Brennzone mit weniger Verbrennungsluft, also näher am stoichiometrischen Betriebspunkt betrieben werden kann, ohne daß dabei der Sauerstoffanteil in der Brennzone deutlich erniedrigt wird. Da die aus der Schnellkühlzone in die Brennzone eingebrachte Heißluft somit also zu einem Teil die erheblich kühlere Verbrennungsluft ersetzt, ergibt sich insgesamt eine Energieersparnis, ohne daß zusätzliche Aggregate zur Verbrennungsluftvorwärmung erforderlich wären.

Auch bei diesem Verfahren ist die Rückgewinnungsrate der gesamten, beim Abkühlvorgang freiwerdenden Wärmeenergie relativ gering, so daß der Energieverbrauch bei derartigen Verfahren gegenüber Verfahren ohne Energierückgewinnung lediglich um etwa 10% verringert werden kann.

Schließlich ist ein Verfahren allgemein bekannt, bei dem die erhitzte Kühlluft mit der in ihr enthaltenen Wärmeenergie bei der dem Brand zeitlich vorgeschalteten Trocknung des Gutes genutzt wird. Allerdings ist hier nur ein Teil der in der Kühlung abgeführten Wärmeenergie nutzbar, da die zur Trocknung erforderliche Wärmemenge vergleichsweise gering ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aufheizung und anschließenden Abkühlung eines durch eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung transportierbaren Gutes vorzuschlagen, mit dem der Gesamtenergieaufwand deutlich gesenkt werden kann, zu dessen Durchführung aber dennoch lediglich ein geringer apparativer Aufwand erforderlich ist.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gut derart entlang mindestens zweier paralleler, in geringem Abstand zueinander angeordneter Förderlinien in abwechselnd entgegengesetzte Förderrichtungen gefördert wird, daß Oberflächenbereiche des in der Abkühlzone einer Förderlinie befindlichen Gutes nur durch einen Gaszwischenraum von korrespondierenden Oberflächenbereichen des in der Aufheizzone einer benachbarten Förderlinie befindlichen Gutes getrennt werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es möglich, die nach dem Brennvorgang im behandelten Gut vorhandene und in der Abkühlzone abzuführende Wärme zu einem sehr großen Anteil und auf direktem Wege dem in der Aufheizzone befindlichen Gut einer benachbarten Förderlinie, die eine entgegengesetzte Förderrichtung aufweist, zuzuführen. Insbesondere der bei den hohen Prozeßtemperaturen in der Brennzone bzw. deren näherer Umgebung vorliegende hohe Strahlungsanteil kann somit auf direktem Wege, d. h. ohne den Umweg über konvektive Übertragungsmechanismen, auf das zu erhitzende Gut übertragen werden. In Zonen mit niedrigeren Temperaturen des Gutes, in denen der Strahlungsanteil geringer ist, erfolgt die Wärmeübertragung von dem abzukühlenden auf das aufzuheizende Gut hauptsächlich auf konvektivem Weg.

Der zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung erforderliche Energieverbrauch kann in Vergleich zu Verfahren nach dem Stand der Technik auf diese Weise um mehr als 50% reduziert werden. Eine derartig hohe Reduzierung des Energieverbrauchs ist deshalb möglich, weil der Anteil der zur Erzielung physikalisch-chemischer Reaktionen im zu behandelnden Gut notwendigen Energie nur ein Bruchteil der zur Aufheizung des Gutes von Raumtemperatur auf die Reaktionstemperatur benötigten Energie beträgt. Die einzigen, tatsächlich endothermen, also energieverzehrenden Prozesse beim keramischen Brand bestehen in der Verdampfung von Teilen des im Gut enthaltenen Wassers bzw. Kristallwassers, dem Austreiben flüchtiger Gase (CO₂ und F₂) sowie dem Aufschmelzen kristalliner Bestandteile zur Glasphase des späteren Produkts. Der für diese Prozesse erforderliche Energieanteil beträgt jedoch nur ca. 15% der bei den günstigsten Verfahren nach dem Stand der Technik erforderlichen Energie. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt es, einen sehr großen Anteil der 85% betragenden ungenutzten Verlustwärme wieder in den Behandlungsprozeß zurückzuführen bzw. überhaupt erst gar nicht aus dem Prozeß entweichen zu lassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich folglich durch einen extrem geringen Energieverbrauch aus, so daß seine Umweltfreundlichkeit als sehr gut zu bewerten ist und es des weiteren sehr kostengünstig betrieben werden kann. Die Umweltfreundlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich über die reine Energieeinsparung hinaus insbesondere in bezug auf Emissionsminimierung noch dadurch steigern, daß während der Aufheizung unter Umständen aus dem Gut austretende Gase (organische und anorganische) durch deren Transport in Hochtemperaturzonen hinein nachverbrannt werden können, ohne daß hierfür zusätzlicher apperativer oder energetischer Aufwand nötig wäre.

Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, daß der Energieaufwand selbst bei Verwendung von sogenannten Brennhilfsmitteln, die lediglich dem Transport des zu behandelnden Gutes dienen und selbst keine irgendwie geartete Veränderung erfahren, nur ganz unwesentlich erhöht wird. Während bei bekannten Brennverfahren der Energieaufwand bei der Verwendung von Brennhilfsmitteln in etwa proportional zu deren Gewicht, d. h. zu deren Wärmespeicherkapazität, ansteigt, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund der in hohem Maße erfolgenden Rückführung der in der Aufheiz- und Brennzone zugeführten Wärmemenge in der sich anschließenden Abkühlzone ein großer Teil der zusätzlich in den Brennhilfsmitteln enthaltenen Wärmeenergie zurückgewonnen werden. Dies führt zu einer drastischen Brennstoff- und Kosteneinsparung auch bei Verfahren, bei denen die Verwendung von Brennhilfsmitteln unerläßlich ist.

Da der Gesamtenergieaufwand bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu bekannten Verfahren sehr viel geringer ausfällt, können die Brennein­ richtungen - möglich sind sowohl öl- oder Gasbrenner aber auch elektrische Heizeinrichtungen - in ihrer Leistung und in ihren Abmessungen deutlich kleiner dimensioniert werden, was sich wiederum vorteilhaft auf die Investitionskosten und den Wartungsaufwand auswirkt. Auch treten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keinerlei Kosten für die sonst erforderliche aktive Abkühlung des Gutes in der Abkühlzone auf, da dieser Vorgang selbsttätig erfolgt.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß das Gut innerhalb einer Förderlinie abschnittsweise mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gefördert wird.

Hierdurch wird es möglich, in bezug auf eine gedachte Mittellinie der Brennzone unsymmetrische Brennkurven, d. h. unterschiedliche Verläufe der Aufheiz- und Abkühlkurve, zu erreichen. Nicht symmetrische Brennkurven können bei bestimmten Gutarten vorteilhaft oder erforderlich sein.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß aus einem brennzonenfernen Bereich der Abkühlzone einer Förderlinie das das abkühlende Gut umgebende Gas in einen brennzonenfernen Bereich der Aufheizzone einer benachbarten Förderlinie gefördert wird.

Auf diese Weise kann die mittels konvektiver Mechanismen von dem abzukühlenden Gut in Bereichen bereits vergleichsweise geringer Temperaturen übertragene Wärmemenge auf das relativ hierzu noch kühlere Gut im Anfangsbereich der Aufheizzone einer benachbarten Förderlinie erhöht werden. Der zur Durchführung dieser aktiven Förderung der Wärmeübertragung notwendige Energieaufwand ist dabei deutlich geringer als die vom abzukühlenden auf das aufzuheizende Gut zusätzlich übertragene Wärmemenge.

Ein Brennofen für keramische Produkte mit mehreren parallel verlaufenden Förderlinien, bei dem eine Förderlinie mindestens aus den in Förderrichtung hintereinander folgend angeordneten Abschnitten Aufheizzone, mittels einer Heizeinrichtung beheizbare Brennzone sowie Abkühlzone besteht und der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist, zeichnet sich dadurch aus, daß die Förderrichtungen jeweils benachbarter Förderlinien für das Gut einander entgegengesetzt sind, daß die Abstände der Förderlinien voneinander in Richtungen senkrecht zu den Förderrichtungen unter Berücksichtigungen der Abmessungen des geförderten Gutes sowie der jeweiligen Heizeinrichtung minimal sind, und daß Oberflächenbereiche des in der Abkühlzone einer Förderlinie befindlichen Gutes nur durch einen Gaszwischenraum von korrespondiernden Oberflächenbereichen des in der Aufheizzone einer benachbarten Förderlinie befindlichen Gutes getrennt sind.

Aus bekannten Baugruppen von Brennöfen für keramische Produkte mit mehreren, parallel verlaufenden Förderlinien läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auf verblüffend einfache Weise herstellen. Es ist somit möglich, zu einem Brennofen zu gelangen, mit dem sich der Energieaufwand im Vergleich zu bekannten Brennöfen drastisch senken läßt. Daher zeichnet sich dieser Ofen durch eine besonders große Umweltfreundlichkeit sowie seine niedrigen Betriebskosten aus. Auch ist aufgrund der nicht erforderlichen Kühleinrichtungen der Investitionsaufwand und der erforderliche Bauraum geringer, und die Wartungsfreundlichkeit wird gesteigert. Aufgrund der geringeren Mengen an einzusetzenden Brennstoffen können die Heizeinrichtungen kleiner dimensioniert werden, wodurch die Kosten und der Bauraum weiter reduziert werden.

Durch die auch weiterhin bestehende Möglichkeit, eine Vielzahl parallel verlaufender Förderlinien auf relativ engem Raum anzuordnen (besonders vorteilhaft ist eine geradzahlige Anzahl von Förderlinien, da dann mit jeder Abkühlzone eine Aufheizzone korrespondiert), lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Brennofen sehr hohe Durchsatzleistungen auf kleinem Raum erzielen. Der Transport des Gutes erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Brennofen vorzugsweise mittels Rollen, es sind aber auch andere Transportmöglichkeiten, so z. B. Herdwagen oder andersartige feuerfeste Behältnisse möglich. Besonders große energetische Vorteile, im Vergleich zu konventionellen Brennöfen, werden bei der Verwendung von Brennhilfsmitteln jeglicher Art erzielt.

Da die im Ofen befindlichen Gase (nicht notwendigerweise Verbrennungsgase, da auch elektrisch geheizt werden kann), nicht unbedingt zur Aufheizung des Gutes verwendet werden müssen, können sie an beliebiger Stelle abgezogen werden, so daß besonders günstige Strömungsverhältnisse im Ofen entstehen. So wird es z. B. möglich, bei niedrigen Temperaturen entstehende Schmauchgase in heiße Ofenbereiche zu fördern und sie hier zu verbrennen. Diese in Richtung heißerer Zonen gerichtete (Ab-)Gasströmung war in bisher bekannten brennstoffgefeuerten Öfen nicht möglich, da die Abgase bei der Aufheizung des Gutes in kühlen, brennzonenfernen Bereichen als Wärmeträger und -lieferant zur Aufheizung des Gutes demselben unbedingt im Gegenstrom entgegen gefördert werden mußten, um eine kontinuierliche Erwärmung zu erzielen.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß in brennzonenfernen Bereichen zwischen zwei benachbarten Förderlinien ein Umluftgebläse vorgesehen ist.

In Bereichen, in denen die Strahlung des abzukühlenden Gutes aufgrund seiner bereits recht niedrigen Temperatur zu einer wirkungsvollen Energieübertragung auf das aufzuheizende Gut allein nicht mehr ausreicht, kann die rückgeführte Energiemenge durch Herbeiführung einer gerichteten Luftströmung mittels eines Umluftgebläses zwischen zwei benachbarten Förderlinien deutlich gesteigert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von zwei Prinzipskizzen, die in der Zeichnung als Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellt sind, näher erläutert. In den Prinzipskizzen sind schematisch der Temperaturverlauf entlang zweier angedeuteter Förderlinien sowie die sich ergebenden Wärmeströme dargestellt.

Eine Förderlinie 1 weist eine Aufheizzone 2, eine Brennzone 3 sowie eine Abkühlzone 4 auf. Der Verlauf der Temperatur des behandelten Gutes ist durch die Kurve 5 veranschaulicht. Das Temperaturmaximum wird im Schnittpunkt der Kurve 5 mit einer Mittellinie 6 erreicht, zu der die Kurve 5 symmetrisch ist. Die Förderrichtung der Förderlinie 1 ist durch Pfeile 7 angedeutet. Der Transport des Guts entlang der Förderlinie 1 erfolgt mittels nicht dargestellter Rollen. In der Brennzone 3 befindet sich eine nicht abgebildete Heizeinrichtung.

Parallel zu der Förderlinie 1 verläuft eine Förderlinie 8, die zu der Förderlinie 1 einen möglichst geringen Abstand aufweist. Das Gut ist auf den beiden Förderlinien 1 und 8 so angeordnet, daß möglichst große Oberflächenbereiche sich in korrespondierenden Stellungen befinden und lediglich durch einen Gaszwischenraum getrennt sind. Der Verlauf der Temperatur entlang der Förderlinie 8 ist durch eine Kurve 9 veranschaulicht, die identisch mit der Kurve 5 verläuft, in Bezug zu dieser jedoch um die Strecke 10 parallel verschoben ist. Diese Parallelverschiebung resultiert aus der natürlichen zeitlichen Verzögerung des Wärmeüberganges von wärmerem auf kälteres Gut und ist durch spezielle Anordnung der Brenneinrichtungen sowie Veränderung der Transportgeschwindigkeiten beeinflußbar.

Die Förderrichtung der Förderlinie 8 ist durch Pfeile 11 angedeutet und der Förderrichtung der Förderlinie 1 entgegengesetzt, wobei beide Fördergeschwindigkeiten dem Betrag nach gleich sind. Analog zu der Förderlinie 1 weist die Förderlinie 8 eine Aufheizzone 12, eine Brennzone 13 sowie eine Abkühlzone 14 auf. Im Schnittpunkt der Kurve 9 mit einer Mittellinie 15 liegt die maximal auftretende Temperatur. Auch in der Brennzone 13 befindet sich eine nicht dargestellte Heizeinrichtung.

Das entlang der Förderlinie 1 geförderte Gut weist im Endbereich der Brennzone 3 sowie im Anfangsbereich der Abkühlzone 4 eine sehr hohe Temperatur auf und gibt daher in hohem Maße Energie in Form von Strahlung an das eine ebenfalls absolut recht hohe, aber vergleichsweise niedrigere Temperatur aufweisende Gut ab, das sich im Endbereich der Aufheizzone 12 und im Anfangsbereich der Brennzone 13 der Förderlinie 8 befindet. Die vom abzukühlenden Gut der Förderlinie 1 auf das aufzuheizende Gut der Förderlinie 8 abgegebene Strahlung ist durch Pfeile 16 veranschaulicht. Die in analoger Weise vom Gut der Förderlinie 8 in der Brenn- bzw. Abkühlzone auf das am Ende der Aufheizzone bzw. dem Beginn der Brennzone befindliche Gut der Förderlinie 1 abgegebene Strahlung ist durch Pfeile 17 angedeutet.

Um auch die bei einem niedrigeren Temperaturniveau anfallende Wärme des abkühlenden Gutes nutzen, d. h. auf das aufzuheizende Gut übertragen zu können, wird jeweils zwischen dem brennzonenfernen Bereich der Abkühlzone 4 bzw. 14 der einen Förderlinie 1 bzw. 8 und dem brennzonenfernen Bereich der jeweils anderen Förderlinie eine Zwangskonvektion hergestellt. Dies kann beispielsweise mittels eines in diesem Bereich zwischen den Förderlinien 1 und 8 angeordneten Umluftgebläses geschehen, das das im Brennofen befindliche Gas aus der Abkühlzone 4 in die Aufheizzone 12 sowie aus der Abkühlzone 14 in die Aufheizzone 2 transportiert. Diese konvektiven Wärmeströme sind durch die Pfeile 18 und 19 dargestellt. Auf konvektive Weise lassen sich somit auch bei relativ geringen Temperaturen, bei denen der Strahlungsanteil klein ist, auf effektive Weise große Wärmemengen übertragen.

Auch wenn das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand des Brenn- bzw. Sinterprozesses für keramische Produkte erläutert wird, ist es gleichwohl z. B. auch bei Verfahren zur Herstellung von Pigmenten und ähnlichen Produkten, bei denen Festkörperreaktionen in Pulverschüttungen auftreten und die während des Herstellungsprozesses in feuerfesten Behältnissen befördert werden sowie bei Temperverfahren für Metalle (ohne thermische Abschreckung) anwendbar.

Claims (5)

1. Verfahren zur Aufheizung und anschließenden Abkühlung eines durch eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung transportierbaren Gutes, insbesondere zum Brennen keramischer Produkte, wobei mindestens die Verfahrensschritte Aufheizen in einer Aufheizzone, Brennen in einer Brennzone und Abkühlen in einer Abkühlzone enthalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Gut derart entlang mindestens zweier paralleler, in geringem Abstand zueinander angeordneter Förderlinien (1, 8) in abwechselnd entgegengesetzte Förderrichtungen gefördert wird, daß Oberflächenbereiche des in der Abkühlzone (4 bzw. 14) einer Förderlinie (1 bzw. 8) befindlichen Gutes nur durch einen Gaszwischenraum von korrespondierenden Oberflächenbereichen des in der Aufheizzone (12 bzw. 2) einer benachbarten Förderlinie (8 bzw. 1) befindlichen Gutes getrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gut innerhalb einer Förderlinie abschnittsweise mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gefördert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem brennzonenfernen Bereich der Abkühlzone einer Förderlinie das das abkühlende Gut umgebende Gas in einen brennzonenfernen Bereich der Aufheizzone einer benachbarten Förderlinie gefördert wird.

4. Brennofen für keramische Produkte mit mehreren parallel verlaufenden Förderlinien (1, 8), wobei eine Förderlinie (1, 8) mindestens aus den in Förderrichtung hintereinanderfolgend angeordneten Abschnitten Aufheizzone (2, 12), mittels einer Heizeinrichtung beheizbare Brennzone (3, 13) sowie Abkühlzone (4, 14) besteht, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderrichtungen jeweils benachbarter Förderlinien (1, 8) für das Gut einander entgegengesetzt sind, daß die Abstände der Förderlinien (1, 8) voneinander in Richtungen senkrecht zu den Förderrichtungen unter Berücksichtigungen der Abmessungen des geförderten Gutes sowie der jeweiligen Heizeinrichtung minimal sind, und daß Oberflächenbereiche des in der Abkühlzone (4 bzw. 14) einer Förderlinie (1 bzw. 8) befindlichen Gutes nur durch einen Gaszwischenraum von korrespondiernden Oberflächenbereichen des in der Aufheizzone (12 bzw. 2) einer benachbarten Förderlinie (8 bzw. 1) befindlichen Gutes getrennt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in brennzonenfernen Bereichen zwischen zwei benachbarten Förderlinien ein Umluftgebläse vorgesehen ist.