Untersuchung des effektiven Diffusionskoeffizienten und der chemischen Reaktionskonstante während des Brennens von Ziegeln

Abstract

Ziegel wurden bereits von den ersten Menschen, die sesshaft wurden, eingesetzt, um sich vor Schlechtwetter und Wildtieren zu schützen. Somit zählt dieser Baustoff zu den ältesten in der Menschheitsgeschichte. Während vor tausenden Jahren die ersten Ziegel noch händisch geformt und durch Sonneneinstrahlung getrocknet wurden, so ist die heutige Ziegelindustrie hochautomatisiert und ausgereift. Ein wichtiger Bestandteil in der Ziegelindustrie sind Porosierungsstoffe. Dies sind meist organische Additive, die im Produktionsprozess eingesetzt werden, um hohe Ziegelporositäten zu erzielen. In den beim Brennen der Ziegel entstehenden Poren wird Luft eingeschlossen und dadurch die Wärmeleitfähigkeit des Ziegels gesenkt und die Wärmedämmung erhöht.Die bisherigen Forschungsarbeiten konzentrierten sich hauptsächlich auf die veränderten mechanischen, thermischen und physikalischen Ziegeleigenschaften durch den Einsatz von verschiedenen Porosierungsstoffen. Aufgrund dieser Tatsache und der großen Relevanz von Porosierungsmitteln in der Ziegelindustrie ist das Ziel dieser Diplomarbeit, die chemische Kinetik und den diffusiven Stofftransport bei der Verbrennung der Porosierungsmittel innerhalb der Ziegelmatrix zu untersuchen.Hierzu wurden elf Ziegelproben in Zylinderform mit verschiedenen Porosierungsstoffen (Sägespäne, Papierfangstoff und Braunkohle) und in unterschiedlicher Beimengung vorbereitet, untersucht und in weiterer Folge in einem stationärem Wirbelschichtreaktor bei verschiedenen Versuchsbedingungen verbrannt. Die Verbrennung des gebundenen organischen Kohlenstoffs innerhalb der Ziegelmatrix wurde für alle untersuchten Proben nach dem sogenannten Unreacted Shrinking Core Model (USCM) modelliert. Aus dem Modell wurden für alle Versuche der effektive Diffusionskoeffizient und die chemische Reaktionskonstante ermittelt. Es zeigte sich hierbei, dass beide Parameter für alle Proben eine Temperaturabhängigkeit nach Arrhenius aufweisen. Weiters konnte für die Proben mit gleichem Porosierungsstoff in unterschiedlicher Dosierung gezeigt werden, dass für die präexponentiellen Faktoren bei der chemischen Reaktionskonstante ein linearer Zusammenhang mit dem organischen Kohlenstoffgehalt der Proben besteht. Für die Proben mit Sägespänen und Papierfangstoff zeigen die präexponentiellen Faktoren beim effektiven Diffusionskoeffizienten einen möglichen linearen Zusammenhang mit der Porosität.Die Ergebnisse liefern einen Beitrag zum Verständnis des Reaktionsablaufes beim Ziegelbrand und könnten somit Vorteile in der Prozesskontrolle bringen und auch Vorhersagen und Optimierungen ermöglichen.

Bricks have been utilised by humans to shelter themselves from bad weather and wild animals since they have settled down. Therefore, bricks are one of the oldest construction materials in human mankind. Whilst thousands of years ago the first bricks were made by hand and dried with sunlight, today’s brick-manufacturing is highly automated and well-engineered. An important part of the brick manufacturing process is the addition of pore forming agents. These - mostly organic agents - are used to achieve a high porosity in bricks. The pores that are created due to the firing of the bricks with added pore forming agents are filled with air. This reduces the thermal conductivity and therefore increases the thermal insulation properties of the bricks.Up until now most of the scientific work was focused on the changing mechanical, thermal and physical properties of clay bricks due to the usage of different pore forming agents. This and the importance of pore forming agents in the clay brick manufacturing industry led to the aim of this master thesis, which is to investigate the chemical kinetics and the diffusive mass transfer during the combustion of pore forming agents inside a clay brick matrix.Therefore, eleven clay brick samples in cylindrical shape combined with different pore forming agents (saw dust, paper sludge and brown coal) in varying amounts were prepared, analysed and burned in a stationary fluidized bed reactor at different experimental conditions. The combustion of the fixed organic carbon inside the clay brick matrix was modelled with the Unreacted Shrinking Core Model (USCM) for all investigated samples. With this model, the effective diffusion coefficient and the chemical reaction constant were obtained for each experiment. The experiments led to the conclusion that both of these parameters show an Arrhenius-temperature-dependency. Furthermore, it could be shown that, for brick samples with the same pore forming agent in varying amounts, the pre-exponential factors of the chemical reaction constants are linearly correlated with the organic carbon content of the samples. The pre-exponential factors of the effective diffusion coefficients from the samples with saw dust and paper sludge are likely linearly correlated with the porosity of the samples.The results are providing a contribution to the understanding of the reaction proceeding during brick firing and could thus bring advantages in process control and also enable predictions and optimisations.