Energy demand for the production of bricks and tiles
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Energy demand for the production of bricks and tiles
Energiebedarf zur Ziegelherstellung Der Energiebedarf von Tunnelöfen wird, getrennt nach den Produktgruppen Dachziegel, Klinker und Vormauerziegel sowie Mauerziegel, anhand von umfangreichen Messergebnissen erläutert. Der Einfluss von Brennstoff, Rohstoff, Abgas und Verbund auf den spezifischen Energiebedarf ist für die einzelnen Produktgruppen charakteristisch. Der Trocknungsenergiebedarf und die energetische Trockneroptimierung werden an einem Beispiel dargestellt. Die Konsequenzen für den Ofen-Trockner-Verbund werden erklärt, und ein Ausblick auf den zukünftigen Brennstoffbedarf zur Ziegelherstellung wird gegeben. Für die Ziegelherstellung ist der Einsatz von Brennstoffen erforderlich – zur Erzeugung von Prozesswärme, elektrischer Energie zum Antrieb unterschiedlicher Motoren und zur Treibstoffbereitstellung für den inner- und außerbetrieblichen Transport. Den größten Anteil an diesen verschiedenen Energieträgern nehmen Brennstoffe ein, die zum Betrieb von Tunnelofen und Trockner benötigt werden. Die Brennstoffkosten haben einen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten des Ziegeleibetriebes und sind für jeden in der Ziegelindustrie Engagierten von großem Interesse. Nicht nur die Höhe des derzeitigen Energiebedarfes durchschnittlicher Ziegelwerke zur Bereitstellung der Prozesswärme ist bedeutend, sondern auch die Entwicklungstendenz des Energiebedarfes in absehbarer Zeit. Messwerte zum Energiebedarf von Tunnelöfen Getrennt nach den Produktgruppen n Dachziegel n Klinker und Vormauerziegel n Mauerziegel stehen dem Institut für Ziegelforschung umfangreiche Messdaten zur Verfügung, die in einem aktuellen Zeitraum gewonnen wurden und als Diagramme aufbereitet sind. Der mit dem Rohstoff in den Ofen eingebrachte Heizwert der zu brennenden Masse (besonders interessant für porosierte Mauerziegel) ist das Kriterium für die Reihenfolge der in den einzelnen Öfen gewonnenen Messdaten. Energy demand for the production of bricks and tiles The energy demand of tunnel kilns, subdivided by product-groups, clay roofing tiles, clinker bricks and facing bricks as well as masonry bricks, is explained with reference to extensive measured results. The influence of the fuel, raw material, exhaust gas and heat combination on the specific energy heat combination on the specific energy demand is characteristic for the individual product groups. The drying energy requirement and the dryer energy optimization are presented in an example. The consequences for the kiln-dryer-combination are explained and the prospects given for future fuel demand for brick and tile making. For brick and tile production the use of fuels is required – for the generation of process heat, electrical energy, for the drive of different motors and for making motor fuel available for inhouse and external transport. The largest proportion of these energy media is occupied by fuels which are needed for the operation of the tunnel kiln and dryer. The fuel costs represent a considerable amount of the total costs of the brick or tile works and are of great interest for all those engaged in the brick and tile industry. Not only the level of the current energy demand of the average heavy clay works for the provision of the process heat is important, but also the development trend of energy demand in the foreseeable future. Measured data on the energy demand of tunnel kilns Bild 1 zeigt die Messergebnisse von 14 Anlagen für den Brand von Dachziegeln. Der über Brenner in den Ofen eingebrachte Brennstoff für die Energiezufuhr ist absolut dominierend, wie die Höhe der schwarzen Balken (Brennstoff) verdeutlicht. Die vergleichsweise kleinen grünen Balken stehen für Umwandlungsreaktionen, Subdivided according to the product groups n clay roofing tiles n clinker bricks and facing bricks n masonry bricks a very extensive amount of measured data is available to the Brick and Tile Research Institute (IZF), which were acquired recently and have been prepared as diagrams. The calorific value applied by raw material in the kiln to the clay body to be fired (particularly interesting for pore-formed masonry bricks) is the criterion for the sequence of the measured data acquired in the individual kilns. * Institut für Ziegelforschung Essen e.V., D-45301 Essen * Brick and Tile Research Institute (IZF) Essen Regd, D-45301 Essen Dachziegel 16 Dr.-Ing. Karsten Junge* ZI 4/2002 die der Rohstoff während des Ziegelbrandes erfährt. Positive Rohstoffenthalpien (die grünen Balken zeigen nach oben – wie für die Messwerte 1–3), deuten auf Anteile von fossilem Kohlenstoff im Ton hin. Bei den negativen Rohstoffwerten (Messwerte 4–14) wird keine Wärme freigesetzt, sondern Brennstoff zur Deckung der Umwandlungsenergie verbraucht. Das ist größtenteils auf Kalkanteile im Ton und die hierdurch verursachte stark endotherme Kalkentsäuerung zurückzuführen. Von großem Einfluss auf den Energiebedarf sind die Abgasverluste (rote Balken) und Verbundenergie (blaue Balken). Letztere fassen die Energieströme zusammen, die aus der Kühlzonenabsaugung, aber auch aus der Deckenkühlung und anderen Quellen stammen und zur weiteren energetischen Nutzung an den Trockner weitergegeben werden. Ausfahr- und sonstige Verluste werden im Balkendiagramm nicht gesondert dargestellt, sind aber als durchschnittliche Zahlenwerte unterhalb des Diagramms aufgeführt. Der Brennstoffbedarf ist dann besonders hoch, wenn die Verbund- oder Abgasenergie große Werte annimmt, von Ausnahmen wie z. B. Ofen 1 abgesehen. Beim Verbund ist dieser Zustand bis zur Grenze des regelmäßigen Energiebedarfs des Trockners hinnehmbar. Diese Grenze scheint bei den Öfen 2 und 12 überschritten und wäre für die Öfen 3 und 11 zu diskutieren. Ausreißer bei den Abgasverlusten (besonders Ofen 7, aber auch Öfen 4, 5, 11 und 12) lassen vermuten, dass sich der Brennstoffverbrauch durch eine abgasvermindernde Prozessoptimierung deutlich minimieren lässt. Interessant ist auch der Nettoenergiebedarf (Zahlenwert unterhalb des Balkendiagramms). Er enthält die, um die Verbundwärme verminderte, in den Prozess eingebrachte, Energie und entspricht der Summe aus Abgas-, Ausfahr- und sonstigen Verlusten. Der Nettoenergiebedarf ist für Dachziegel mit 1 341 kJ/kg auffallend hoch. Bei seiner Bewertung muss aber berücksichtigt werden, dass ein erheblicher Teil der den Ofen durchfahrenden Masse aus Stützbesatz (Kassetten u. ä.) besteht. Dadurch stellen sich unvermeidbar höhere Werte für die spezifischen Verlustwärmeströme ein. Klinker und Vormauerziegel Bild 1: Messwerte zum Energiebedarf von Dachziegelöfen Fig. 1: Measured values for the energy demand of clay roofing tile kilns Clay roofing tiles Fig. 1 presents the measured results for 14 plants for the firing of clay roofing tiles. The fuel feed into the kiln via burners is absolutely predominant, as is illustrated by the height of the black bars (fuel). The comparable small green bars stand for conversion by the raw material during tile firing. Positive raw material enthalpies (the green bars are directed upwards – as for the measured values 1–3) indicate contents of fossil carbon in the clay. In the case of negative raw material values (measured values 4–14) no heat is released, but the fuel is used to cover the conversion energy. This is very largely attributable to lime contents in the clay and the strongly endothermic lime deacidification. Great influence is exerted on the energy demand by the exhaust gas losses (red bars) and combination energy (blue bars). The latter combine the energy flows deriving from the cooling zone extraction but also from the roof cooling and other sources and are passed on for other energy utilization at the dryer. Exit and other losses are not shown separately in the Bar Diagram, but are entered as average numerical values underneath the diagram. The fuel requirement is especially high when the combination system or exhaust gas energy assume high values, apart from In Bild 2 ist der Energiebedarf zum Brand von Klinkern und Vormauerziegeln dargestellt. Auch für diese Produktgruppe überwiegen endotherme (wärmeverbrauchende) Einflüsse der Rohstoffbestandteile, sodass die grünen Balken (von den acht ersten Öfen abgesehen) neutral sind oder nach unten zeigen. Der Brennstoffbedarf ist wesentlich uneinheitlicher als bei Dachziegeln und weist zwischen den Extremfällen der Öfen 11 und 15 eine große Spannweite auf. Auch hier korrespondiert der Energiebedarf mit den Abgasverlusten und der Verbundenergie. Der Nettoenergiebedarf ist mit 1 264 kJ/kg nur geringfügig kleiner als der von Dachziegeln, obwohl der Brand von Klinkern und Vormauerziegeln nicht durch Stützbesatz belastet ist. Diese Produkte werden aber noch vielfach in relativ alten Öfen gebrannt, die teils recht große Wärmemengen abstrahlen. Die im Diagramm nicht enthaltenen „sonstigen Verluste“ sind in Einzelfällen deshalb recht hoch. Der in dieser Produktgruppe häufig übliche Reduktionsbrand führt ebenfalls zu einem höheren Energiebedarf. Mauerziegel Für die Mauerziegelwerke ergibt sich im Vergleich zu Dachziegeln sowie Klinkern und Vormauerziegeln eine deutlich abweichende Darstellung (Bild 3). Bild 2: Messwerte zum Energiebedarf beim Brand von Vormauerziegeln und Klinkern Fig. 2: Measured values for the energy demand in firing of facing bricks and clinkers ZI 4/2002 17 Bild 3: Messwerte zum Energiebedarf beim Brand von Mauerziegeln Fig. 3: Measured values for the energy demand in firing of masonry bricks Die Rohstoffheizwerte (grüne Balken) sind – durch teils erhebliche Gehalte an Ausbrennstoffen – von großem Einfluss auf den Brennstoffbedarf. Bei hohen Ausbrennstoffgehalten mit niedrigen Abgasverlusten und moderaten Verbundenergien kann der Brennstoffbedarf (Öfen 2 und 6) auf etwa 400 kJ/kg zurückgehen. Messwerte von etwa 800 kJ/kg (Öfen 1, 13, 15, 25, 28, 29, 32 und 33) zeigen ebenfalls eine gute energetische Nutzung der eingeziegelten Ausbrennstoffe; denn die zusätzlich eingesetzte Brennstoffenergie findet sich in gleich großem oder größerem Umfang in der Verbundenergie wieder. Der durchschnittliche Nettoenergiebedarf von nur 811 kJ/kg lässt darauf schließen, dass die überwiegende Zahl der zum Mauerziegelbrand eingesetzten Tunnelöfen relativ neu ist und einen guten Erhaltungszustand aufweist. Trocknungsenergiebedarf Für den Ziegelbrand liegt umfangreiches Datenmaterial aus Betriebsmessungen vor – für die Rohlingstrocknung nur in einem sehr eingeschränkten Rahmen. Das liegt daran, dass Tunnelöfen über längere Zeiträume mit gleich bleibender Leistung betrieben werden. Der Trocknungsprozess dagegen unterliegt häufig einem Tagesrhythmus in der Bereitstellung nasser Rohlinge, und darüber hinaus wird an Wochenenden oft keine frische Ware in den Trockner eingefahren. Dadurch befinden sich die meisten Trockner hinsichtlich Durchsatzleistung und damit auch Energieverbrauch nicht im stationären Zustand. Energetische Messungen an Trocknern haben für anstehende Prozessoptimierungen eine bedeutende Aussagefähigkeit. Sie führen aber nicht zu statistisch auswertbaren Mittelwerten, die analog zu den Bildern 1 bis 3 darstellbar wären. Auf Grund von Messungen kann ein Durchschnittswert von 4 300 kJ/kg (Unsicherheit ± 5 %), bezogen auf die verdampfte Wassermenge, angegeben werden. Trockner sind zur Berechnung ihres Energiebedarfs gut zugänglich, deshalb stimmen die errechneten Werte annähernd mit den Messwerten überein. Die Umgebungsluft wird durch Wärmezufuhr aufgeheizt, in den Trockner eingebracht und steht als Warmluft zur Trocknung zur Verfügung (Bild 4). Zur Aufheizung wird die Luft als Kühlluft durch die Kühlzone des Tunnelofens geführt. Sie nimmt die Wärme auf, welche die Ziegel bei ihrer Abkühlung von der Brenn- auf die Ausfahrtemperatur abgeben. Als Wär- 18 ZI 4/2002 exceptions such as kiln 1. With the combination this state is acceptable up to the limit of the regular energy demand of the dryer. This limit appears to be exceeded in kilns 2 and 12 and should be discussed for kilns 3 and 11. Freak values in the exhaust gas losses (especially kiln 7, but also kilns 4, 5, 11 and 12) would appear to indicate that the fuel consumption can be significantly minimized by an optimization process for reducing the exhaust gas. Also of interest is the net energy demand (numerical value underneath the Bar Diagram). It contains the energy, reduced by the combination heat, applied in the process and corresponds to the total from exhaust gas, exit and other losses. The net energy requirement for clay roofing tiles, at 1 341 kJ/kg is conspicuously high. In its evaluation it should be taken into account however that a considerable amount of the mass passing through the kiln consists of the support setting (cassettes etc.). On this account unavoidably higher values are found for the specific heat loss flows. Clinker bricks and facing bricks Fig. 2 presents the energy demand for the firing of clinker bricks and facing bricks. For this product group endothermic influences (heat-consuming) of the raw material components predominate, so that the green bars (apart from the first eight kilns) are neutral and directed downwards. The fuel requirement is considerably less uniform than for clay roofing tiles and displays a wide range between the extreme cases of kilns 11 and 15. Here too the energy demand corresponds to the exhaust gas losses and the combination energy. The net energy demand, at 1 264 kJ/kg is only slightly less than that for clay roofing tiles, even though the firing of clinker bricks and facing bricks is not subject to load from the setting support. These products however are still fired in many cases in relatively old kilns, which in some cases radiate quite considerable amounts of heat. The “other losses” not given in the diagram are therefore quite high in individual instances. The reduction firing often usual in this product group likewise results in a higher energy demand. Masonry bricks For masonry brickworks, compared with clay roofing tiles and clinker and facing bricks, a significantly deviating picture is found (Fig. 3). The calorific values of the raw material (green bars) – due to the contents of combustible materials in some cases – have great influence on the fuel requirement. With high contents of combustible materials with low exhaust gas losses and moderate combination energies, the fuel demand (kilns 2 and 6) may decline to about 400 kJ/kg. Measured values of about 800 kJ/kg (kilns 1, 13, 15, 25, 28, 29, 32 and 33) likewise display good energy utilization of the combustible materials used in brickmaking, as the additional fuel energy employed is to be found again to the same or a greater extent in the combination energy. The average net-energy demand of only 811 kJ/kg would lead to the conclusion that the vast majority of tunnel kilns used for masonry brick firing are relatively new and in a good state of repair. Drying energy demand Extensive data material is available on brick and tile firing from works measurements – for the drying of green ware only Bild 4: Zur Trocknung erforderliche Luftströme und Energien Fig. 4: Air flows and energies required for drying mequellen kommen auch Zusatzbrenner oder Heizregister zum Einsatz. Die erwärmte Trocknerzuluft steht innerhalb des Trockners im Wärmeaustausch mit den Rohlingen, die Wärme aus der Luft aufnehmen. Sie erwärmen sich zunächst auf einen Ausgleichszustand (so genannte Kühlgrenze) und verdampfen das in ihnen enthaltene Wasser. Im Vergleich zu der für die Wasserverdampfung benötigten Energie ist die Aufheizung auf die Kühlgrenztemperatur energetisch völlig belanglos. Im günstigsten Fall nimmt die Luft im Trockner so viel Wasser auf, bis sie vollkommen mit Wasserdampf gesättigt ist und sich dabei selbst auf die Kühlgrenztemperatur abkühlt (daher der Name „Kühlgrenze“). Praktisch ist eine so weitgehende energetische Ausnutzung der Trocknerluft nicht möglich, da dieses einen unendlich guten Wärmeübergang im Trockner voraussetzen würde. Die Trocknerablufttemperatur ist daher höher als die Kühlgrenztemperatur – jedenfalls dann, wenn es keine großen Wärmeverluste oder Luftaustausch durch die Kammerwände gibt. Die Energetik der Rohlingstrocknung lässt sich anhand des h-x-Diagramms (Bild 5) erläutern: Ausgehend vom Umgebungszustand wird Außenluft (mit z. B. 15 °C und 60 % rel. Feuchte) so weit erwärmt, dass sie als Zuluft für den Trockner dienen kann. Da diese Erwärmung (auf z. B. 160 °C) ohne Feuchtigkeitsaufnahme stattfindet, kann sie im h-x-Diagramm als vertikale Linie dargestellt werden. Innerhalb des Trockners gibt die Zuluft die zur Wasserverdampfung benötigte Wärme ab und nimmt den entstehenden Wasserdampf auf. Energetisch wird der Verlust an fühlbarer Wärme (Temperaturverlust) durch den Gewinn an latenter Wärme (Vedampfungsenthalpie des Wassers) ausgeglichen. Die Energie der Luft nimmt sogar geringfügig zu, da die Wasserverdampfung nicht bei 0°C, sondern bei der Kühlgrenztemperatur stattfindet, dadurch bringt der Dampf bereits eine gewisse Anfangswärme mit. Im h-x-Diagramm erkennt man die Zustandsänderung der den Trockner durchströmenden Luft als eine gerade Linie. Diese so genannte rückwärtige Verlängerung der Naßdampfisothermen weicht geringfügig von einer Isenthalpe (Linie gleicher Energie) ab und verbindet den Zuluftzustand mit dem Sätti- on a very limited scale. This is due to the fact that tunnel kilns are operated for relatively long periods at constant capacity. The drying process on the other hand is often subject to a daily rhythm in the preparation of wet bricks and tiles and in addition at weekends often no new ware is introduced into the dryer. This means that most dryers are not in a stationary state in regard to throughput and hence also energy consumption. Measurements of energy at dryers have yielded important conclusive information. They do not however lead to mean values which are capable of statistical evaluation, which could be illustrated in the same way as in Figs. 1 to 3. On the basis of measurements an average value of 4 300 kJ/kg (uncertainty ± 5%) can be given, taken on the evaporated volume of water. Dryers are readily accessible for the calculation of their energy demand, therefore the calculated values approximately agree with the measured values. The ambient air is heated up by heat feed, placed in the dryer and is available as hot air for drying (Fig. 4). For heating up the air is passed as cooling air through the cooling zone of the tunnel kiln. It takes up the heat which is released by the ware in cooling down from the firing temperature to the exit temperature. Suitable heat sources to be used are also supplementary burners or heat register (damper). The heated dryer feed air inside the dryer is in a heat exchange with the green bricks or tiles which take up the heat from the air. They are first heated up to a state of equilibrium (so-called cooling limit) and evaporate the water contained in them. In comparison with the energy needed for evaporation of the water, heating up to the cooling limit temperature is insignificant from the energy point of view. In the most favourable case the air in the dryer takes up so much water that it is completely saturated with steam and cools down itself to the cooling limit temperature (hence the name “cooling limit”). In practice such a far-reaching energy utilization of the dryer air is not possible, as this would be conditional upon an unlimited high heat transfer in the dryer. The dryer exhaust air temperature is therefore higher than the cooling limit temperature, at any rate when there are no great heat losses or air exchange due to the chamber walls. ZI 4/2002 19 The energy system of the green gungszustand (100 % rel. ware drying can be explained with Luftfeuchte), der Kühlreference to the h-x Diagram (Fig. grenze. Wie bereits erläu5): Proceeding from the ambient tert, wird der tatsächliche state the outside air (at e.g. 15° C Abluftzustand die Kühland 60% rel. humidity) is heated grenze nicht ganz erreiup to the level required for it to be chen, da das unendlich used as feed air to the dryer. As this gute Wärmeübergangsbeheating up process (to e.g. 160° C) dingungen voraussetzen takes place without an increase in würde. moisture, it can be shown in the hDie Luft kann nach ihrer x Diagram as a vertical line. Inside Nutzung im Trockner – the dryer the feed air releases the auch im energetisch günsheat needed for the water evaporatigsten Fall – nicht wieder tion and absorbs the steam occurihre Anfangstemperatur ring. From the energy aspect the (15 °C) erlangen, sondern loss of sensible heat (temperature theoretisch maximal bis loss) is offset by the gain in latent zur Sättigung mit Wasserheat (evaporation enthalpy of the dampf gebracht werden. water). The energy of the air in fact Für das im h-x-Diagramm slightly increases, as the steam eingezeichnete Beispiel process does not occur at 0° C but liegt dieser Zustand bei at the cooling limit temperature, 43 °C. thus the steam already contributes Auch unter günstigsten a certain initial heat. In the h-x DiaBedingungen ist es gram the change in the state of the unvermeidbar, über die air flowing through the dryer is Verdampfungsenthalpie apparent as a straight line. This sohinaus Energie dafür aufcalled backward extension of the zuwenden, dass die wet steam isotherms deviates Trocknerluft als Trägerslightly from an isenthalpy (line of medium für den Wasserthe same energy), and combines dampf den Trockner mit Bild 5: Mollier-Diagramm mit eingezeichneten Zustandsändethe feed air state with the saturaeiner erheblichen fühlba- rungen der Trocknerluft bei ihrer Erwärmung und während des Trocknungsvorgangs tion state (100% rel. humidity), the ren Restwärme verlässt. cooling limit. As already explained, Das Beispiel zeigt, dass Fig. 5: Mollier Diagram with indications of changes in state of the actual exhaust air state will not die Berechnung des Ener- the dryer air with heating and during the drying process entirely reach the cooling limit, as gieaufwandes zur Trockthis would be conditional on unlimited good heat transfer nung relativ einfach ist. Dieser ist vom Umgebungszustand, conditions. The air after its use in the dryer – also in the most von dem ausgehend die Aufheizung der Trocknerzuluft stattfavourable case with regard to energy – does not again attain finden muss, und von der Temperatur, die als Zulufttemperaits initial temperature (15° C), but in theory at maximum brought up to saturation with steam. For the example shown in the h-x Diagram this state is at 43° C. Even under the most favourable conditions it is unavoidable that via the evaporation enthalpy energy has to be used so that the dryer air, as the medium for transporting the steam, leaves the dryer with a considerable residual sensible heat. The example shows that it is relatively easy to calculate the energy expenditure for drying. This is dependent on the ambient air state, proceeding from which the heating of the dryer feed air should take place and on the temperature, which is reached as the feed air temperature in the heating up process. With these data can be calculated the theoretical minimum expenditure on the energy required for evaporation water from the green ware. Fig. 6 shows this relationship as the limiting value of the specific energy demand as a function of the dryer feed air temperature with the ambient air temperature u as parameter. The lefthand part of the curves describes the free air drying and is of less interest here. The middle and right-hand part shows a strong dependence, becoming less towards the right, of the energy demand on the external- and dryer feed air temperature. Bild 6: Mindestwärmebedarf zur Rohlingstrocknung It is common knowledge that the dryer energy demand in Fig. 6: Minimum heat requirement for green ware drying summer (at high u) is less than in winter (at low u), and also 20 ZI 4/2002 tur bei der Aufheizung erreicht wird, abhängig. Mit diesen Daten ist der theoretische Mindestaufwand der zur Verdampfung von Rohlingswasser erforderlichen Energie kalkulierbar. Bild 6 zeigt diesen Zusammenhang als Grenzwert des spezifischen Energiebedarfs in Abhängigkeit von der Trocknerzulufttemperatur mit der Umgebungstemperatur u als Parameter. Der linke Teil der Kurven beschreibt die Freilufttrocknung und ist hier weniger interessant. Der mittlere und der rechte Teil zeigen eine starke, nach rechts geringer werdende Abhängigkeit des Energiebedarfs von der Außen- und Trocknerzulufttemperatur. Bekanntermaßen ist der Trocknerenergiebedarf im Sommer (bei hohem u) geringer als im Winter (bei niedrigem u), außerdem nimmt er bei zunehmender Zulufttemperatur mehr oder weniger ab. Für typische Bedingungen (Außentemperatur 10 °C und Trocknerzulufttemperatur 150 °C) ist dem Diagramm ein spezifischer Mindestenergiebedarf von knapp 3 200 kJ/kg (bezogen auf verdampftes Wasser) zu entnehmen. Das sind fast 30 % mehr als die Verdampfungsenthalpie. Es ist unmöglich, so zu trocknen, dass die komplette Abluft den Trockner stets gesättigt (mit 100 % rel. Feuchte) verlässt und dass keine Wärmeverluste auftreten. Der Energiebedarf muss deshalb noch höher sein. Welcher tatsächliche Sättigungsgrad erreicht wird, hängt insbesondere davon ab, wie gut der Wärmeaustausch zwischen der Trocknerluft und den Ziegelrohlingen ist. Um sich dem in Bild 6 gezeigten Grenzwert des (Wärme-) Energiebedarfs zur Rohlingstrocknung nähern zu können, muss an den äußeren und inneren Rohlingsoberflächen für gute Konvektion gesorgt werden. Das geschieht durch Ventilation der Trocknerluft, also durch elektrische Energie. Entsprechend Bild 7 ergibt sich ein Minimum der Energiekosten, wenn die Stromkosten zur Erzeugung der für den konvektiven Wärmeübergang erforderlichen Luftventilation und die für die Zulufterwärmung erforderlichen Brennstoffkosten den geringstmöglichen Wert haben. Das Ergebnis dieser Minimierungsaufgaben variiert n mit dem (gerade in letzter Zeit sehr instabilen) Verhältnis zwischen Brennstoff- und Stromkosten n mit der Bewertung des eingesetzten Brennstoffs (über den Kühlzonenverbund indirekt teilweise aus preiswerten Ausbrennstoffen) und n mit der Effizienz zur Erzeugung hoher flächenbezogener Wärmeübergangskoeffizienten. Auch die Rohstoffanforderungen an schonendes, d.h. rissund verkrümmungsfreies Trocknen sind zu berücksichtigen. Ein realistisches Ziel für den beschriebenen Trocknungsprozess wäre, dass die komplette Trocknerabluft im Durchschnitt eine relative Luftfeuchtigkeit von 80 % einnimmt und dass Wandverluste, Ausblasungen und sonstiger, hier nicht berücksichtigter Energiebedarf sich zu Verlusten von 5 % summieren. Aus dem oben genannten theoretischen Grenzwert von 3 200 kJ/kg wird ein realistisches Ziel von 3 500 kJ/kg. Wie in Bild 8 dargestellt, sind das 800 kJ/kg weniger als der derzeitig durchschnittliche Trocknerenergiebedarf. Konsequenzen für den Ofen-Trockner-Verbund Vorausgesetzt, die im Trockner zu verdampfende Wassermenge beträgt zwischen 25 % und 30 % der produzierten Ziegelmasse (diese Werte sind auf Grund der Glühverluste höher als die üblichen „atro“-Angaben) und es wird ein Energiebedarf von 3 500 kJ/kg Wasser als realistischer Zielwert angesetzt, so errechnet sich der Energiebedarf zur Rohlingstrocknung auf 875 bis 1 050 kJ/kg gebrannte Ziegel. Bild 7: Optimierung des Einsatzes von Brennstoff und elektrischem Strom Fig. 7: Optimization of the use of fuel and electricity it decreases to a greater or lesser degree with increasing feed air temperature. For typical conditions (outside temperature 10° C and dryer feed air temperature 150° C), a specific minimum energy demand of just under 3 200 kJ/kg (taken on the evaporated water), should be taken from the Diagram. That is almost 30% more than the evaporation enthalpy. It is impossible to dry in such a way that the complete exhaust air leaves the dryer constantly saturated (with 100% rel. humidity) and that no heat losses occur. The energy demand must therefore be still higher. Which degree of saturation is actually reached depends in particular on how good the heat exchange is between the dryer air and the bricks and tiles. In order to approximate to the limiting value shown in Fig. 6 of the (heat) energy demand for drying the green ware, care must be taken to have good convection on the outside and inside surfaces of the ware. This is done by ventilation of the dryer air, that is by electrical energy. Fig. 7 gives accordingly a minimum of the energy costs, when the electricity costs for generation of the air ventilation required for the convective heat transfer and the fuel costs for heating the feed air are to have the minimum possible value. The results of these minimization processes varies n with the ratio between the fuel- and electricity costs (precisely very unstable recently) n with the evaluation of the fuel used (via the cooling zone combination indirectly in some cases from valuable combustible materials) and n with the efficiency for the generation of high surface-related heat transmission coefficients. The raw material requirements for gentle, i.e. crack- and distortion-free drying should also be taken into account. A realistic aim for the drying process described would be for the complete dryer exhaust air to have on average a relative humidity of 80% and for the wall losses, blow-outs and energy demand not considered here to add up to losses of 5%. From the theoretical limiting value mentioned above of 3 200 kJ/kg a realistic aim would be of 3 500 kJ/kg. As shown in Fig. 8, that is 800 kJ/kg less than the current average dryer energy demand. Consequences for the kiln-dryer combination Assuming that the volume of water to be evaporated in the dryer amounts to between 25% and 30% of the heavy clay ZI 4/2002 21 mass produced (these values owing to the losses on ignition [L.O.I.] are higher than the usual “atro” [bone dry] values given) and an energy demand of 3 500 kJ/kg water is set as a realistic target value, then the energy demand for drying the green ware is calculated as 875 to 1 050 kJ/kg fired clay products. This range of values, according to Figs. 1 to 3 corresponds to the current mean combination energies of 930 kJ/kg for masonry bricks, 1 025 kJ/kg for facing bricks and 749 kJ/kg for clay roofing tiles. It is also similar to the heat calculated which is released in the cooling of clay products by 900 to 1 000 degrees in the cooling zone of the tunnel kiln. Thus the following essential conclusions can be drawn: The combination heat released in the cooling zone of the tunnel kiln is adequate for the energy-optimized drying of green clay products. Bild 8: Ziel der energetischen Trockneroptimierung Dieser Wertebereich passt nach den Bildern 1 bis 3 zu den derzeitigen mittleren Verbundenergien von 930 kJ/kg für Mauerziegel, 1 025 kJ/kg für Vormauerziegel und 749 kJ/kg für Dachziegel. Er gleicht auch der errechenbaren Wärme, die bei der Abkühlung von Ziegeln um 900 bis 1 000 Grad in der Kühlzone des Tunnelofens freigesetzt wird. Damit kann folgende wesentliche Aussage getroffen werden: Die in der Kühlzone des Tunnelofens freiwerdende Verbundwärme ist für die energetisch optimierte Trocknung von Ziegelrohlingen ausreichend. Eine Zusatzbeheizung der Trockner ist grundsätzlich nicht erforderlich – kann aber zur besseren Regelbarkeit notwendig sein. In der Praxis arbeiten Trockner jedoch mit teilweise erheblichem Zusatzenergieeinsatz. Dieses ist nach Bild 9 darauf zurückzuführen, dass Ofen- und Trocknerbetrieb energetisch nicht hinreichend zeitgleich erfolgen. Nur bei Synchronbetrieb stimmen die Enthalpie der Ofenkühlluft und die vom Trockner benötigte Wärmemenge überein. Ansonsten ist die zeitweilige Nutzung von größeren Mengen Zusatzenergie unvermeidbar. Der Bedarf an Zusatzenergie kann durch n die zeitliche Anpassung der Verdampfungsleistung im Trockner an den Ofenprozess (durch Synchronbetrieb) und n die sicher unvollständige, aber energetisch bedeutsame Verringerung des Energieverbundes (Brenner des Tunnelofens arbeiten mit durch Kühlluft vorgewärmter Verbrennungsluft) vermindert werden. In diesem Fall reicht die Verbundenergie für die Trocknung nicht mehr aus – die notwendige Zusatzenergie des Trockners entspricht aber etwa der Einsparung der im Tunnelofen genutzten vorgewärmten Verbrennungsluft. Außerdem ist das System zeitlich flexibler und ohne negative energetische Auswirkungen nicht mehr auf strikten Synchronbetrieb angewiesen. Für nachfolgende Überlegungen zum Energiebedarf der Ziegelherstellung wird aber vorausgesetzt, dass der komplette Wärmebedarf der Trockner im Verbund aus der Kühlzone des Tunnelofens bereitgestellt wird. Wird die oben beschriebene Lösung angewandt, wirkt sich das auf nachfolgende Schlussfolgerungen insofern nicht aus, als dabei die Zusatzenergie des Trockners der Kühlluftverminderung gleicht, 22 ZI 4/2002 Supplementary heating of the dryer is basically not required – it may be necessary however for better control. In practice dryers operate however with in some cases considerable use of supplementary energy. According to Fig. 9 this is to be attributed to the fact that kiln and dryer from the energy aspect are not adequately synchronized in operation. Only with synchronous working are the enthalpies of the kiln cooling air and the heat volume needed by the dryer in agreement. Otherwise the intermittent utilization of relatively large amounts of supplementary energy is unavoidable. The need for supplementary energy can be reduced by n the adaptation in time of the evaporation capacity in the dryer to the kiln process (by synchronous operation) and n the, certainly incomplete, but for the energy important reduction of the energy combination (burners of the tunnel kiln operate with combustion air preheated by cooling air). In this case the combined energy is no longer adequate for the drying – the necessary supplementary energy of the dryer corresponds however roughly to the saving of the preheated combustion air used in the tunnel kiln. Moreover the system is more flexible in time and, with no negative energy effects, no longer dependent on strictly synchronous working. For subsequent considerations of the energy demand for clay product production however an essential condition is that the complete heat requirement in the dryer is provided in the combination from the cooling zone of the tunnel kiln. If the solution described above is applied, this has no effect on the Fig. 8: Aim of the dryer optimization in regard to energy Bild 9: Zusatzenergie zur Trocknung als Konsequenz mangelnder Synchronität Fig. 9: Supplementary energy for drying as a consequence of lack of synchronization für den Gesamtprozess also äquivalent zum synchronen Ofen-Trockner-Betrieb mit energetischer Vollversorgung des Trockners durch den Kühlzonenverbund ist. Dann lässt sich der Energiebedarf für die zur Ziegelherstellung erforderliche Wärme allein auf den des Tunnelofens beschränken. subsequent conclusions as here the supplementary energy of the dryer is equal to the cooling air reduction, for the entire process, therefore equivalent to the synchronous kiln-dryer operation with full energy supply to the dryer by means of the cooling zone combination. Then the energy demand for the heat required for brick and tile production can be confined to the tunnel kiln alone. Ausblick auf den zukünftigen Brennstoffbedarf zur Ziegelherstellung Im Gegensatz zu den energetisch klar definierten Vorgängen der konvektiven Wasserverdampfung bei der Rohlingstrocknung lässt sich die Energetik zukünftiger Brennprozesse nur spekulativ abschätzen. Theoretisch funktioniert ein Tunnelofen, wenn er unendlich lang und ideal isoliert ist oder einen unendlich guten Wärmeübergang aufweist, vollkommen ohne Energiezufuhr. Eine Angabe klar definierter Zielvorgaben ist nicht möglich, da diese zukünftig durchaus unterboten werden können. Für absehbare Zeit kann von folgenden Annahmen ausgegangen werden: n Der Tunnelofen arbeitet stationär; Anfahr- oder Abfahrvorgänge spielen keine Rolle n Die Kühlzone dient mit 1 000 kJ/kg als ausschließliche Wärmequelle; Synchronbetrieb des Trockners wird vorausgesetzt n Die Abgastemperatur beträgt 150 °C, um Taupunktunterschreitungen zu vermeiden. Das Luft-Ziegel-Verhältnis wird bei Mauer- und Vormauerziegeln mit 2 und bei Dachziegeln mit 3 (wegen des Hilfsbesatzes) angegeben n Die Ausfahrtemperatur von Ziegeln, Hilfsbesatz und Wagen beträgt 100 °C. Hilfsbesatz plus Wagen haben das 0,5fache Besatzgewicht bei Mauer- und Vormauerziegeln und das 1fache bei Dachziegeln n Sonstige Verluste (Wandverluste, Ausblasungen u. ä.) werden mit 5 % der eingesetzten Energie bei Mauerziegeln und 8 % bei Vormauer- und Dachziegeln angegeben A look at the future need for fuel for brick and tile production In contrast to the clearly defined energy processes of convective water evaporation in the drying of the green products, the energy situation for firing processes in future can be only speculatively estimated. In theory a tunnel kiln functions when it has unlimited length, is ideally insulated or has infinitely good heat transmission, completely without energy feed. A list of clearly defined aims stipulated is impossible, as in the future these can be greatly undercut. For the immediate future the following assumptions can be taken as a point of departure: n Tunnel kiln operation is stationary; entering and leaving processes play no part n The cooling zone at 1 000 kJ/kg serves exclusively as a hat source; synchronous operation with the dryer is an essential condition n The exhaust gas temperature amounts to 150° C, in order to avoid temperatures falling below the dewpoint. The air/brick ratio is given as 2 for masonry- and facing bricks and 3 for clay roofing tiles (owing to the auxiliary setting) n The exit temperature of bricks and tiles, auxiliary setting and cars amounts to 100° C. Auxiliary setting plus car have 0.5 the setting weight for masonry bricks and facing bricks and once that of clay roofing tiles n Other losses (wall losses, blow-outs etc.) are given at 5% of the energy applied for masonry bricks and 8% for facing bricks and clay roofing tiles ZI 4/2002 23 Dachziegel Vormauerziegel Mauerziegel Aims set (Targets) Kühlzonenabsaugung 1 000 kJ/kg Abgasverluste 450 kJ/kg Ausfahrverluste 200 kJ/kg sonstige Verluste 143 kJ/kg 1 000 kJ/kg 300 kJ/kg 150 kJ/kg 127 kJ/kg 1 000 kJ/kg 300 kJ/kg 150 kJ/kg 76 kJ/kg Cooling zone extraction Exhaust air losses Exit losses other losses Zielsetzungen Durch Brennstoffe und Rohstoffenthalpie zu deckender Energiebedarf 1 793 kJ/kg (428 kcal/kg) Durchschnittsbedarf derzeit nach den Bildern 1 bis 3 24 2 090 kJ/kg (499 kcal/kg) 1 577 kJ/kg (376 kcal/kg) 2 289 kJ/kg (546 kcal/kg) 1 526 kJ/kg (364 kcal/kg) 1 741 kJ/kg (415 kcal/kg) Clay roofing tiles Facing bricks Masonry bricks 1 000 kJ/kg 450 kJ/kg 200 kJ/kg 143 kJ/kg 1 000 kJ/kg 300 kJ/kg 150 kJ/kg 127 kJ/kg 1 000 kJ/kg 300 kJ/kg 150 kJ/kg 76 kJ/kg 1 577 kJ/kg (376 kcal/kg) 1 526 kJ/kg (364 kcal/kg) 2 289 kJ/kg (546 kcal/kg) 1 741 kJ/kg (415 kcal/kg) Energy to be covered by fuels and raw material enthalpy 1 793 kJ/kg (428 kcal/kg) Average demand at present according to Figs. 1 to 3 2 090 kJ/kg (499 kcal/kg) Einzelfälle mit besonderer Ofenausstattung (z. B. Rollenofen, Riedel’scher Gegenlaufofen) erfordern andere Überlegungen. Für die überwiegende Anzahl gelten folgende Zielvorgaben: Zu den Werten dieser Tabelle sei angemerkt: n Auf Grund des Hilfsbesatzes überschreitet die Kühlwärme bei Dachziegeln die abgesaugten 1 000 kJ/kg. Der Rest verbleibt im Tunnelofen und steht mit dem für Dachziegelöfen vorausgesetzten höheren Luft-Ziegel-Verhältnis der Abgasmenge im Zusammenhang n Die Heizwerte von Brennstoffen und eingemischten Ausbrennstoffen sind nur in eingeschränktem Umfang äquivalent. Sehr hohe Ausbrennstoffmengen führen zu Problemen in der energetischen Nutzung und der Regelbarkeit von Tunnelöfen und der Rauchgasnachverbrennungsanlagen Individual cases with special kiln equipment (e.g. roller kilns, Riedel counterflow kilns) require other consideration. For the main bulk the following target stipulations apply: It should be noted with regard to the values in this Table: n Owing to the auxiliary setting, the cooling heat in the case of clay roofing tiles exceeds the 1 000 kJ/kg extracted. The remainder stays in the tunnel kiln and stands in relation to the higher air/tile ratio of the exhaust gas volume essentially required for clay roofing tiles n The calorific values of fuels and combustible materials added are only equivalent to a limited extent. Very high amounts of combustible additives lead to problems in energy utilization and the capacity for control of tunnel kilns and flue gas afterburning plants Zusammenfassung Summary Sieht man vom energetischen Mehraufwand ab, der durch den nicht synchronen Betrieb von Ofen und Trockner entsteht, ergeben sich für den Energiebedarf der Ziegelherstellung folgende Zielvorgaben, mit denen die statistischen Mittelwerte nach unten korrigiert werden können: Unter derzeit erreichbar scheinenden Betriebsbedingungen dürfte es möglich sein, den zur Deckung von Prozesswärme erforderlichen Energiebedarf zur Herstellung von n Mauerziegeln um 12 % von 1 741 kJ/kg auf 1 526 kJ/kg n Vormauerziegeln um 31 % von 2 289 kJ/kg auf 1 577 kJ/kg n Dachziegeln um 14 % von 2 090 kJ/kg auf 1 793 kJ/kg zu senken. Dabei zeigt das relativ geringe Einsparpotenzial von Mauerund Dachziegeln den im Durchschnitt guten und modernen technischen Zustand der für diese Produktgruppen eingesetzten Brennöfen. Die Produktion von Vormauerziegeln und Klinkern lässt größere Möglichkeiten zur Energieeinsparung erkennen. Ursache dafür sind die im Durchschnitt älteren technischen Anlagen, aber auch, dass vielfach mit Reduktionsfarben und anderen bewusst eingesetzten Oberflächeneffekten gearbeitet wird, die zu erhöhten Abgasverlusten und damit zu einem höheren Energieverbrauch führen. Bei der Mauerziegelproduktion, die mit 12 % nur geringe Einsparmöglichkeiten aufweist, ist es nach wie vor sehr interessant, einen möglichst großen Anteil des Energiebedarfs durch in den Rohstoff zur Porosierung eingemischte Ausbrennstoffe zu decken, um damit den Brennstoffeinsatz zu vermindern. Das ist finanziell und ökologisch von Vorteil, solange auf die Überschreitung von Höchstgrenzen (siehe ZI 12/2001) verzichtet wird. Apart from the additional energy expenditure occasioned by non-synchronous operation of kiln and dryer, the following target stipulations are given for the energy demand for brick and tile production with which the statistical mean values can be corrected downwards. Under the operating conditions which appear to be attainable at present, it should be possible to reduce the energy demand for covering the process heat for the production of n Masonry bricks by 12% from 1 741 kJ/kg to 1 528 kJ/kg n Facing bricks by 31% from 2 289 kJ/kg to 1 577 kJ/kg n Clay roofing tiles by 14% from 2 090 kJ/kg to 1 793 kJ/kg The relatively small energy saving potential of masonry bricks and clay roofing tiles here shows the on average good and modern technical state of the kilns used for these product groups. The production of facing bricks and clinker bricks makes it apparent that there are greater possibilities for energy saving here. The causes of this are the older technical plant on average however, which is very often operated with reduction colours and other deliberately employed surface effects, which lead to higher exhaust gas losses and hence higher energy consumption. In masonry brick production, which at 12% shows only very slight energy saving possibilities, as in the past it is of great interest to cover as large as possible an amount of the energy demand by combustible additives to the raw material for pore-forming, in order thus to reduce the fuel used. This is of advantage financially and ecologically, as long as exceeding the maximum limits (see ZI 12/2001) is dispensed with. ZI 4/2002