cfi/Ber. DKG 92 (2015) No. 10-11 D 1

TECHNOLOGIE

Nachfolgend sollen wesentliche Drehrohr-prozesse anhand von Anwendungsbei-spielen für unterschiedliche Atmosphären vorgestellt werden. Grundsätzlich wird je nach Art der Beheizung zwischen direkt be-heiztem Drehrohrofen (Bild 1) und indirekt beheiztem Drehrohrofen (Bild 2) unterschie-den.

Indirekt beheizte Drehrohrofenanlagen

Bei indirekt beheizten Drehrohrofenanlagen wird das Drehrohr von außen beheizt. Dies kann mittels Brennern oder elektrischen Heizungen erfolgen. Der indirekt beheizte Bautyp wird insbesondere dann eingesetzt, wenn das zu behandelnde Gut u. a. zu starker Staubbildung neigt, ein definiertes Temperaturprofil durchlaufen oder unter besonderen Prozessbedingungen, wie z. B. Inert- oder Schutzatmosphäre, behandelt werden muss. Als Rohrmaterialien kommen entsprechend den Prozessanforderungen hinsichtlich maximaler Temperaturen, Atmosphäre und Schüttguteigenschaften metallische Rohre bis 1150 °C zum Einsatz. Keramische Drehrohre dienen dem Schutz des Produktes vor Kontamination und er-lauben deutlich höhere Temperaturen (bis zu 1600 °C) als metallische Rohre. Aller-dings sind keramische Rohre in ihrer Geo-metrie bei der Herstellung begrenzt. Dies gilt ebenfalls für den Einsatz von Rohren aus Graphit.

Drehrohröfen werden häufig für die thermische Behandlung von Schüttgütern des täglichen Lebens eingesetzt. Die Anwendungen er-strecken sich über chemische oder pharmazeutische Produkte, wie Pillen und Pigmente, Baustoffe, wie Zement, Bergbau- und Hütten-stoffe, wie Erze, Kohle und Koks, bis hin zu Katalysatorträgern, Schleif-mitteln und Batteriestoffen. In jedem Fall muss der Wärmprozess auf das entsprechende Schüttgut abgestimmt werden. Heute kommen neben einer großen Bandbreite an unterschiedlichsten Industrieöfen insbesondere Drehrohröfen zum Einsatz [1–3].

Drehrohrofenanlagen – verfahrenstechnische Anlagen für die Wärmebehandlung von SchüttgüternH. Weber

Allgemeines

Drehrohröfen sind dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut während der Wärmebe-handlung ständig durch die Rotation des leicht geneigten Rohres von der Einlauf- bis zur Auslaufseite im Inneren des Rohres durch den Ofen bewegt wird. In der Regel werden die Ofenanlagen vollautomatisch kontinuierlich betrieben und erlauben ei-nen direkten Transport des Schüttguts ohne weitere Transportmittel, was diese Anlagen sehr energieeffizient macht [4].Da der Drehrohrprozess in hohem Maße mechanisch auf das Schüttgut einwirkt, müssen Drehrohröfen speziell auf das zu behandelnde Gut ausgelegt werden. Als Parameter, die das Schüttgutverhalten charakterisieren, sind dabei Fließverhalten, Rieselfähigkeit, Schüttdichte, Feuchte und Prozesstemperatur zu berücksichtigen und in die verfahrenstechnische Auslegung der Wärmebehandlungsanlagen einzubeziehen. Die Anpassung an das jeweilige Schüttgut erfolgt über die Neigung des Rohres in der Längsachse, die Rotationsgeschwindigkeit des Rohres und gegebenenfalls zusätzliche Einbauten im Inneren des Rohres. Im Bereich der Keramik-, Glas- und Binde-mittelindustrie werden heute Drehrohrofen-anlagen zur thermischen Behandlung von pulvrigen, körnigen sowie stückigen und trockenen bzw. feuchten Gemengen ein-gesetzt. Überwiegende Anwendungen sind dabei das Trocknen, Entbindern, Vorsintern, Kalzinieren, Schäumen und Sintern.

Hartmut Weber

Riedhammer GmbH

90411 Nürnberg

E-Mail: hartmut.weber@riedhammer.de

www.riedhammer.de

Keywords: Wärmebehandeln, Kalzinie-

ren, Sintern, Drehrohrofen, Pendelofen,

Schutzgasatmosphäre, Pyrolyse, indirekte

Beheizung, direkte Beheizung

Bild 1 Mit Gasbrenner direkt beheizter Drehrohrofen, Typ DRI (Werksfoto: Riedhammer GmbH)

Bild 2 Indirekt beheizter Drehrohrofen, Typ DRA (Werksfoto: Riedhammer GmbH)

Bild 3 zeigt das 3-D-Modell einer Drehrohr-ofenanlage des Typs DRA. Das eigentliche Drehrohr wird mittels zweier Laufringe auf Laufrollen gelagert. Der Antrieb erfolgt über

D 2 cfi/Ber. DKG 92 (2015) No. 10-11

TECHNOLOGIE

Reibrad oder Zahnkranz/Kette. Das Produkt wird durch eine Eintragsschnecke oder Vi-brationsrinne von links zugeführt. Die Ab-dichtung des Rohres erfolgt in der Regel beidseitig mittels mechanischer Axialdich-tung und dichtet die Ofenraumatmosphäre im Rohr (Produktraum) gegenüber der Um-gebungsluft ab. Das Dichtsystem wird zwi-schen den starren Gehäuseteilen (Ein- und Austragswagen) und dem rotierenden Rohr eingesetzt und entsprechend angedrückt. Durch die Wahl des richtigen Dichtwerkstof-fes können dabei die Reibkräfte erheblich beeinflusst werden. Bei Inertgas- oder Reaktivgasprozessen im Drehrohr wird das Dichtsystem in der Regel zusätzlich mit Sperrgas beaufschlagt. Bei Prozessen unter Luftatmosphäre wird auch häufig eine kostengünstigere Radialabdich-tung eingesetzt. Im Inneren des Drehrohres können je nach verfahrenstechnischer Notwendigkeit und Produktverhalten des Schüttgutes zusätz-lich Einbauten vorhanden sein [5]. Sie die-nen nicht nur unterstützend dem Produkt-transport, sondern werden insbesondere zur Verbesserung des Wärmeüberganges und der Durchmischung des Produktstro-mes eingesetzt, wie beispielsweise soge-nannte Hubschaufeln, die für ein Abrieseln sorgen. Zusätzliche Stauringe zum Beispiel werden am Ofenaustrag eingesetzt, um den

Füllgrad bei leicht fließfähigen Schüttgütern im Ofen zu erhöhen. Die Beheizungsein-richtung ist in einem isolierten Gehäuse eingebaut, das das Drehrohr umgibt. Die Beheizung erfolgt mittels Brennern, die entsprechend den Prozessanforderungen in mehrere Regelgruppen über die Rohrlänge unterteilt sein können und mit ihren Rauch-gasen das Drehrohr umspülen, um gezielt Temperaturprofile einstellen zu können [4].Der Einsatz von Rekuperatorbrennern bietet sich bei indirekt beheizten Drehrohranla-gen an, um gezielt die Energie der Rauch-gase zur Verbrennungsluftvorwärmung an den Brennern zu nutzen. Riedhammer kann darüber hinaus auf die innerhalb der SACMI-Gruppe entwickelten REKO-Brenner zurückgreifen und damit zusätzlich eine sehr wirtschaftliche und höchst energieeffi-ziente Alternative zu den am Markt etablier-ten Rekuperationsbrennern anbieten. Nach der Wärmebehandlung im beheiz-ten Drehrohr schließt sich in der Regel der Kühlprozess an, um das Produkt wieder auf annähernde Raumtemperatur abzukühlen. Bild 3 zeigt eine Drehrohrofenanlage, bei der das beheizte Drehrohr über eine Rut-sche mit dem Kühlrohr verbunden ist. Bild 4 zeigt eine Drehrohrofenanlage mit direkt angeflanschtem Kühlrohr. Die Förder-richtung des Produktes ist hier von rechts nach links. Ein solches Anlagenkonzept wird

insbesondere dann eingesetzt, wenn es beim Wärmebehandlungsprozess nicht zu Kondensation an kalten Oberflächen kom-men kann. Bei mehrstufigen Drehrohrprozessen, wie sie in der Regel beim Werkstoffrecycling oder Pyrolyseprozessen eingesetzt werden, enthält die Ofenatmosphäre sehr hohe Be-ladungen an leicht- und mittelbituminösen flüchtigen Bestandteilen. Um eine Konden-sation sicher zu vermeiden, werden deshalb die in der Regel isolierten Ofeneintrags- und Austragswagen zusätzlich noch beheizt. Darüber hinaus erfolgt die Materialzufuhr und Materialabfuhr über Schleusensysteme, um einen Lufteintrag in das Drehrohr sicher auszuschließen und eine Verschleppung der Prozessgase in die Kühlung mit dem Risiko der Kondensation zu vermeiden. Außerdem gilt es, die Abdichtung des Drehrohres ge-gen Leckagen zu sichern, so dass vielfach bei diesen Anwendungen auch die zu- und abführende Fördertechnik gasdicht ausge-führt wird. Eine weitere Ofenbauform stellen direkt be-heizte Drehrohranlagen dar.

Direkt beheizte Drehrohrofenanlagen

Direkt beheizte Drehrohrofenanlagen wer-den über einen direkt in das Drehrohr feu-ernden Brenner beheizt. Daher wird dieser Ofentyp auch als innenbeheiztes Drehrohr oder Typ DRI bezeichnet. Direkt beheizte Drehrohrofenanlagen bestehen in der Regel

Bild 3 Indirekt beheizte Drehrohrofenanlage, Typ DRA, mit separatem Kühlrohr (3-D-Modell: Riedhammer GmbH)

Bild 4 Indirekt beheizte Drehrohrofenanlage, Typ DRA, mit direkt angeflanschtem Kühlrohr (3-D-Modell: Riedhammer GmbH)

Bild 5 Austragsseite IDO 10, Indirekt beheizte Drehrohrofenanlage, Typ DRA, mit direkt angeflanschtem Kühlrohr, maximale Brenntemperatur: 1150 °C, materialabhän-giger Durchsatz: bis zu 1000 kg/h, Ofen-länge: 10 m, beheizte Länge: 7 m (Bild: Fa. IBU-tec advanced materials AG, Weimar)

cfi/Ber. DKG 92 (2015) No. 10-11 D 3

TECHNOLOGIE

eingesetzt, wenn das Produkt beispielswei-se als Schlicker zugeführt werden soll. In diesem Fall, wie hier dargestellt, wird dann dem eigentlich mit feuerfester Isolierung ausgekleideten Drehrohr ein Vortrockner vorangestellt. Dieser kann dann auch mit Einbauten, wie Ketten oder Schabern, ver-sehen werden, um sich gegebenenfalls bildende Anbackungen zu vermeiden oder abzutragen. Bild 7 zeigt die Austragsseite einer direkt beheizten Drehrohrofenanlage vom Typ DRI mit der Brennereinrichtung sowie die zur Temperaturerfassung notwendigen Pyrome-ter [2]. Direkt beheizte Drehrohröfen für die Technische Keramik und Advanced Materi-als sind bis zu Anwendungstemperaturen von 1650 °C einsetzbar.

Sonderbauform Pendelofen

Beim innenbeheizten Drehrohrofen gibt es zusätzlich noch eine Sonderbauform, die durch eine pendelnde Rohrbewegung cha-

rakterisiert ist und daher als Pendelofen bezeichnet wird (Bild 8). Die pendelnde Rohrbewegung mit einer Auslenkung von ca. 120° ermöglicht, dass Brenner bzw. elektrische Heizelemente an der Ofendecke in Ofenlängsrichtung über

aus isolierten Ofeneintrags- und Austrags-wagen und einem grundsätzlich mit feuer-fester Isolierung ausgekleideten Drehrohr. Die Isolierung dient zwar primär dem Wär-meschutz, muss aber vielmehr auch als Ver-schleißschutz bzw. als inerte Schutzschicht zwischen Rohr und Schüttgut ausgelegt sein [4]. Drehrohre dieses Typs werden di-rekt stirnseitig mit einem Brenner beheizt. In der Regel werden die Brennergase bzw. Rauchgase im Gegenstrom zur Transport-richtung des Produktes geführt. Bild 6 zeigt schematisch den Aufbau einer direkt beheizten Drehrohrofenanlage. Der Materialeintrag erfolgt von links über einen Feeder in den Eintragswagen. Auf der ande-ren Seite im Austragswagen ist der Brenner angeordnet. Die Rauchgase strömen dem im in Längsrichtung geneigten Drehrohr laufenden Produkt entgegen. Unter dem Austragswagen ist, über einen Schacht mit Rutsche verbunden, das Kühlrohr angeord-net. Direkt beheizte Drehrohre werden auch

Bild 7 Direkt beheizte Drehrohrofenan-lage, Typ DRI (Werksfoto: Riedhammer GmbH)

Bild 8 Direkt mit Brennern beheizter Pendelofen vom Typ DP mit Vortrockner und nachgeordnetem Kühlrohr (Prinzipskizze: Riedhammer GmbH)

Bild 6 Direkt beheizte Drehrohrofenanlage, Typ DRI, mit angeflanschtem Vortrockner und separatem Kühlrohr (Prinzipskizze: Riedhammer GmbH)

D 4 cfi/Ber. DKG 92 (2015) No. 10-11

TECHNOLOGIE

geringsten Platz- und Personalbedarf sowie durch eine sehr gute Wirtschaftlichkeit.

Literatur

[1] Becker, F.: Brennstoffbeheizte Keramiköfen. Pra-

xishandbuch Thermoprozesstechnik. Band II, 2.

Aufl., Essen 2011, 518 ff.

[2] Weber, H; Hajduk, A; Fink, R.: Thermo-Prozess-

anlagen für die Wärmebehandlung von techni-

schen Schüttgütern. cfi/Ber. DKG 90 (2013) [4]

D 11–13

[3] Hajduk, A.: Moderne Trends in der Wärmebe-

handlung von hochentwickelten Materialien. cfi/

Ber. DKG 92 (2015) [4] D 15–18

[4] Weber, H.: Energieeffizienz in der keramische In-

dustrie – Technische Entwicklungen im Ofenbau.

Prozesswärme – Energieeffizienz in der indust-

riellen Thermoprozesstechnik. Sonderpublikatio-

nen 2011, 204 ff.

[5] Weber, H.: Einblicke in Riedhammer Application

Center (RAC) – Brennpunkte der Ofen- und

Prozess-Entwicklung für Technische Keramik. cfi/

Ber. DKG 89 (2012) [3] D 8–10

heizte Drehrohrofenanlagen zur Verfügung, die verfahrenstechnisch auf die komplexen Schüttguteigenschaften, wie u. a. Fließver-halten, Rieselfähigkeit und die mechani-schen Eigenschaften der Schüttgüter abge-stimmt werden können. Drehrohrofenanlagen sind robuste Pro-duktionsanlagen mit hohen Durchsatzleis-tungen, die eine gezielte Einstellung von Temperatur, Verweilzeit und in gasdichter Ausführung auch die gezielte Atmosphä-renführung erlauben. Drehrohranlagen sind sehr energieeffizient, da für die Wärmebehandlung keine zusätz-lichen Transporthilfsmittel, wie Kassetten oder Handlingseinrichtungen benötigt wer-den, sie einen hervorragenden Wärmeüber-gang ermöglichen und kürzeste Verweildau-ern realisiert werden können. Im Bereich der Keramik zeichnet sich die Drehrohrofentechnologie immer wieder als Ausgangstechnologie für neue und innova-tive Anwendungen und Produkte aus. Zu guter Letzt sind Drehrohranlagen ge-kennzeichnet durch höchste Verfügbarkeit,

die Länge angeordnet werden können. Da-durch kann abweichend vom innenbeheiz-ten Drehrohrofen eine gezielte Temperatur-kurve über die Ofenlängsachse eingestellt werden [2]. Bild 9 zeigt im Vergleich das Temperatur-profil mit zugehöriger Verweilzeit auf Ma-ximaltemperatur für einen direkt beheizten Drehrohrofen und einen entsprechenden Pendelofen. Während beim direkt beheizten Drehrohrofen Brennraum und Wärmebe-handlungsraum eine Einheit bilden, wird das Prozesstemperaturprofil im Wesentli-chen von der gewählten Brennerkonfigurati-on und der Brennerflammenform bestimmt. Im Pendelofen ist dies nicht so, sondern das Prozesstemperaturprofil wird wie im indi-rekt beheizten Drehrohrofen durch einzelne Heizgruppen gezielt bestimmt, wodurch sich auch ein gezieltes Temperaturplateau realisieren lässt.

Zusammenfassung

Für die Wärmebehandlung von Schüttgü-tern stehen u. a. direkt und indirekt be-

Bild 9 Verweilzeit auf Temperatur bei Drehrohr- und Pendelofen (Prinzipskizze: Riedhammer GmbH)