Heizelemente in der Ziegelindustrie

Die Ziegelindustrie steht vor der Herausforderung, ihre bestehenden thermischen Prozesse und die zugehörige Anlagentechnik auf CO₂-arme/freie Technologien umzustellen. Die Dekarbonisierung der Wärmeerzeugung für Thermoprozessanlagen kann z. B. über eine (Teil-)Elektrifizierung erreicht werden. Die Bereitstellung von Prozesswärme erfolgt in der Ziegelindustrie hauptsächlich über Tunnelöfen. Das Brennen der Ziegel ist ein energieintensiver Prozess, bei dem z. B. für die Produktgruppe der Hintermauer-, Dach- und Vormauerziegel Temperaturen im Bereich von 850 °C bis 1250 °C benötigt werden.

Im Projekt sollen technologische Anpassungen und Möglichkeiten der (Teil-)Elektrifizierung geprüft und entwickelt werden. Die Umstellung auf (teilweise) elektrische Beheizung ist jedoch mit erheblichen wirtschaftlichen und betrieblichen Risiken verbunden, denn der rein elektrische Betrieb von Anlagen mit elektrischen Widerstandsheizsystemen stellt neue Anforderungen an die technischen Lösungen und den prinzipiellen Aufbau der Tunnelöfen.

Bei den Prozessen des Ziegelbrandes erfolgen rohstoffbedingt Ausgasungen in den unterschiedlichen Temperaturzonen des Ofens. Dabei entstehen z. B. Kohlenmonoxid sowie Verbindungen mit Schwefel, Chlor und Fluor. Bei direktem Kontakt mit der Ofenatmosphäre ist also neben der thermischen auch eine zusätzliche korrosive Beanspruchung der Ofenmaterialien und speziell der metallischen Komponenten wie den Widerstandsheizelementen zu erwarten, was ihre Lebensdauer verringert. Verschärft wird dieser Effekt durch die Option des hybriden Betriebs, da sich durch die parallele Beheizung mit Erdgas oder auch Wasserstoff der Wasserdampfanteiles in der Ofenatmosphäre erhöht.

In diesem Projekt werden die Alterungs- und Lebensdauerbetrachtungen der elektrischen Heizelemente speziell für die in der Ziegelindustrie auftretenden Bedingungen untersucht. Diese Ergebnisse sind ein wesentlicher Schritt zur Lösung der Fragestellungen um den möglichen Einsatz von Widerstandsheizelementen bei verschiedenen Ofenraumatmosphären für den Elektro- und Hybridbetrieb von Thermoprozessanlagen.

Gegenwärtig stehen diese zentralen Fragestellungen im Fokus der Forschung:

1. Verständnis der korrosiven und oxidativen Alterungsmechanismen der Heizdrähte unter elektrischem Stromfluss; relative Lebensdauerbestimmung
2. Auswahl des Heizelementmaterials zur Maximierung von Temperatur und/oder Leistung für die Ziegelindustrie bei geringer Heizelementschädigung
3. Bewertung der Auswirkung von Korrosion durch Säuren und Gase auf den elektrischen Widerstand der Heizelemente
4. Bewertung des Einflusses der Alterung von Heizdrähten auf ihre Wärmeübertragungseigenschaften
5. Bewertung des Einflusses verschiedener Betriebsszenarien auf die Produktqualität

• Festlegung der erforderlichen Anforderungen an die elektrische Beheizung in Abhängigkeit der Ofenatmosphäre (Produktgruppe: Hintermauer-, Dach- und Vormauerziegel)
• Langzeitversuche und Schnellalterungsversuche an verschiedenen Heizdrähten unter Strombelastung in relevanten und synthetischen Abgasatmosphären in einem maßgeschneiderten Prüfstand
• Umbau des Versuchsofens und Durchführung von Versuchsbränden
• Analyse und Bewertung der auftretenden Korrosionsmechanismen und deren Auswirkung auf die Alterung von Heizdrähten
• Entwicklung eines realitätsnahen Prozessmodells eines Hybridofens zum Ziegelbrennen
• Aufstellung von Handlungsempfehlungen für elektrisch betriebene Tunnelöfen und deren energetische Bewertung

• OWI Science for Fuels gGmbH
• Institut für Ziegelforschung Essen e.V. (IZF)