Experimentelle und theoretische Modellbildung heterogener Reaktionen am Beispiel des Tonziegelbrands

Abstract

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit den Kohlenstoff-assoziierten heterogenen Reaktionen, die beim thermochemischen Prozess des Tonziegelbrands auftreten. Dieser Prozess wird in seinen Urformen seit tausenden Jahren von Menschen genutzt. Nach wie vor werden die günstigen Eigenschaften des gebrannten Tons als Werkstoff in der Konstruktion von Gebäuden eingesetzt. Dennoch wird das Produktionsverfahren von Tonziegeln wie generell jene von Baustoffen aufgrund des hohen Energiebedarfs und Treibhausgas-Ausstoßes zunehmend hinterfragt. In einer exemplarischen Prozessanalyse werden in der vorliegenden Arbeit zunächst die grundlegenden Merkmale des Tonziegel-Produktionsprozesses untersucht. Um die Wärme- und Stoffaustauschphänomene in der Tonphase eines Ziegels während dem Brennprozess besser zu verstehen, wurden im Zuge dieser Forschungsarbeit vielfältige Untersuchungen auf praktischer und theoretischer Ebene durchgeführt. In der Vergangenheit war keine theoretische Beschreibung des Brennvorgangs bekannt, der neben dem Ausbrand von organischer Substanz vor allem die Kalzination der im Rohton vorhandenen Karbonate und andere Umwandlungsprozesse umfasst. In der vorliegenden Arbeit werden die Oxidations- und Kalzinationsvorgänge im Ziegel während dem Brennvorgang nach Kenntnisstand des Autors erstmalig theoretisch fundiert beschrieben. Es wurde ein integriertes Reaktionsmodell für den Ziegelbrand entwickelt, welches die Beschreibung der Reaktionskinetik mittels etablierter kinetischer Reaktionsmodelle und die Implementierung eines detaillierten Mehrkomponenten-Diffusionsmodells umfasst. Dieses System von Differentialgleichungen wurde mittels Finite-Differenzen-Methode gelöst und in dimensionslose Form gebracht. Damit wurde eine allgemeine Form einer Massen- und Energiebilanz für den Ziegel gefunden, die auch auf andere Reaktionen im Kontext der Ziegelproduktion (z.B. Trocknung) oder auf ähnliche heterogene Reaktionen angewendet werden kann. Für den Ziegelbrand wurde gezeigt, dass der diffusive Stofftransport der Reaktanden O2 und CO2 in der Tonmatrix für den Ausbrand- und Konversionsfortschritt maßgeblich ist. Das hier vorgelegte Reaktionsmodell des Brennvorganges trägt zu einem besseren Prozessverständnis bei und stellt ein Prädiktionsinstrument für veränderliche Prozessbedingungen dar. Im Hinblick auf diskutierte Prozessänderungen zur Reduktion des spezifischen Energiebedarfs, bzw. zur Senkung der Treibhausgas-Emissionen, können damit mögliche Auswirkungen auf den Produktionsprozess beurteilt werden.

The present doctoral thesis investigates the carbon-related heterogeneous reactions, which occur in the thermo-chemical process of clay brick firing. This technique has been used of humans in its ancient forms since thousands of years. Today, the favourable properties of fired clay as a construction and building material are still utilized. However, the production process of clay bricks is – as that of all construction materials – more and more questioned due to its substantial energy demand and greenhouse gas emissions. First, an exemplary process analysis is presented in this work, which investigates the basic characteristics of the clay brick production. Various theoretical and practical investigations have been undertaken in the framework of this thesis, in order to gain knowledge on the actual mass and heat transfer phenomena occurring in the brick during the firing process. In the past, no theoretical description of the conversion process at firing conditions was available. The firing comprises – beside other reactions – the combustion of organic substances in the brick and the calcination of carbonates originating from the natural clay. To the knowledge of the author, in the context of brick firing these phenomena have been theoretically described the first time in the present work. An integrated reaction model has been developed, including the description of the reaction kinetics according to well-established kinetic models and the implementation of a comprehensive multi-component diffusion model. This system of differential equations has been solved using a finite differences method and made dimensionless. By means of the model, a generalized form of mass and energy balances of the brick has been established, which could be used also for other reactions in clay brick firing (e.g. drying) or similar heterogeneous reactions. The application of the model showed the main processes in clay brick firing to be governed by diffusive mass transport of O2 and CO2 within the dense phase of the brick. The present reaction model provides better understanding of the firing process and serves as a prediction tool to investigate varying firing conditions. Process modifications helping to improve energy and greenhouse gas balances can be simulated by the established model, in order to assess possible effects on the production process.