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
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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-
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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.
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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
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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