Droogtechnieken in de keramische industrie

Datum: 10 augustus 2015

Droogtechnieken en –strategieën in de keramische industrie

Auteur: drs. ing. J.C. Marks, adjunct directeur

Download hier de pdf versie van het document

1.    inleiding

Het gebruik van keramiek heeft een lange geschiedenis is betrouwbaar en duurzaam doordat de rivieren meer klei aanvoeren dan we verbruiken en wordt voor steeds meer toepassingen in verschillende uitvoeringen benut. Al meer dan 30.000 jaar geleden werden kleine keramische figuren gebakken, keramisch vaatwerk ontstond 15.000 jaar later. In de Tang dynastie tussen 600 en 900 is porselein in China ontwikkeld, dat in de 13^e eeuw naar Europa is gebracht door Marco Polo. De vroegste toepassing van bakstenen in Nederland stamt uit de tijd van de Romeinen.

Het omvat tegenwoordig:

• Grofkeramiek zoals gevelbakstenen, straatbakstenen, dakpannen, gresbuizen, raamdorpels;
• Fijnkeramiek als serviezen, sanitair, wand- en vloertegels, sieraardewerk en kunstobjecten; vuurvast keramiek voor hoge temperatuurbelaste toepassingen in de chemie, hoogovens, smelterijen, verbrandingsovens en haarden;
• Structurele keramiek voor zwaar belaste onderdelen zoals lagers, snijplaatjes, afsluiters en kranen, turbo’s, remschijven, kookplaten, katalysatoren;
• Functiekeramiek met essentiële materiaaleigenschappen voor bijvoorbeeld sensoren, membranen, piëzo elementen, pantserkeramiek;
• Elektrokeramiek voor condensatoren, chips, magneten, supergeleiders, isolatoren, temperatuurgevoelige weerstanden;
• Biokeramiek voor tanden en orthopedische implantaten.

De totale keramiek productie in Nederland is ruim 2 miljoen ton/jaar. Het totale primaire energieverbruik (Elektriciteit+gas) is ongeveer 6.500 TJ.

Het productieproces bestaat in het algemeen uit:

• Grondstofwinning en samenstelling;
• Voorbereiding door malen, mengen, homogeniseren en soms granuleren;
• Vormgeving volgens verschillende methoden;
• Drogen;
• Tussenbewerking;
• Sinteren en eventueel nabewerking.

Om klei duurzaam te verstevigen door een warmtebehandeling tot keramiek dient het eerst gedroogd te worden om dampexplosies in het materiaal te voorkomen tijdens het stookproces. Afhankelijk van de grondstofvoorbereidingsmethode: droog, nat of halfnat en het vormgevingsprincipe: droog, plastisch of nat gieten, dienen soms reeds in deze fase de (ongevormde) grondstoffen reeds gedroogd te worden. Dit wordt in hoofdstuk 2 beschreven.

Het drogen van gevormde producten is echter gecompliceerder door ongelijkmatige krimp. Het drogen hiervan en de togepaste technieken wordt in hoofdtuk 3 beschreven. Tot slot is in hoofdstuk 4 beknopt aangegeven welk onderzoek TCKI aan drogers kan uitvoeren en welke middelen daartoe ter beschikking staan.

2.    Drogen van ongevormde producten

In sommige gevallen dienen grondstoffen in de keramische industrie voor de vormgeving te worden gedroogd. Het betreft plastische massa’s die een droge voorbereiding ondergaan om beter te kunnen doseren, verkleinen of transporteren. Daarnaast wordt soms een vloeibaar slib aangemaakt om beter te kunnen mengen en additieven toe te voegen om daarna als plastische massa of kruimelig vrijvloeiend poeder te kunnen worden geperst. Zie figuur 1.

Figuur 1: Voorbereidingsmethoden en vormgeving.

Trommeldrogers voor zand en klei worden meestal direct gestookt met aardgas waarbij de klei in tegenstroom met de hete lucht en rookgassen eenzijdig wordt ingebracht. Bij zand is meestal sprake van een eenvoudige opstelling, met open vlam verwarming soms in een gesloten circuit met stofafzuiging om te voldoen aan de arbo- of milieu-eisen m.b.t. de stof- of de respirabel kwartsconcentratie in de lucht. Er bestaat geen risico op stofexplosies omdat klei en zand geen verbrandingswaarde kennen en reeds geoxideerd zijn. Voor klei worden wel meergangs systemen benut om het thermisch rendement te verbeteren. De gedroogde klei of het zand wordt in gesloten systemen in silo’s gebracht voor opslag of als tussenbuffer. De productie is 1,5 tot 5 m³/uur droog materiaal. Het specifiek energieverbruik is 4000 tot 6000 kJ/kg water.

Figuur 2: Trommeldroger voor klei.

Figuur 3: Trommeldroger voor zand.

Voor een aantal productieprocessen voor de productie van technische keramiek en fijnkeramiek is het noodzakelijk om grondstoffen in suspensie te brengen voor maximale nauwkeurigheid van de dosering, menging en homogeniteit van de componenten. Het vochtgehalte loopt hierbij op tot 50 % (m/md). De vloeibare slib wordt ontwatert met een filterpers of sproeitoren.

Figuur 4: Doorsnede handbediende filterpers.

Het mechanisch drogen van kleisuspensies in een filterpers wordt in de praktijk alleen nog voor kleine producties van bijvoorbeeld aardewerk of kunstobjecten gebruikt. De productiemethode is zeer bewerkelijk, de producties zijn vaak gering en het vrijkomende water kan soms niet direct worden geloosd in het riool. De gevormde kleikoeken vertonen vaak een ongelijkmatige deeltjesgrootteverdeling en dienen eerst verkleind, gemalen en gemengd te worden voordat de klei toepasbaar is, hetgeen nog een uitgebreide voorbewerkingstraat vergt. Het voordeel is dat het thermisch energieverbruik nihil is. Het elektrisch verbruik beperkt zich tot de pompen en eventueel een aanduwmechanisme voor de filterpers. De investering en het elektrisch verbruik wordt echter weer hoger door de noodzakelijke toepassing van nageschakelde machines.

Figuur 5: Principe sproeidroger.

Steeds meer wordt gebruik gemaakt van sproeidrogers om kleisuspensies te drogen. Hierbij worden zowel luchtnozzels als druknozzles (airless) gebruikt om tot de ideale korrelgrootteverdeling te komen. De procesluchttemperatuur kan worden opgevoerd tot ca. 450^°C, waardoor een gering specifiek luchtverbruik en warmteverbruik ontstaat. Het specifiek energieverbruik is 2800 tot 3000 kJ/kg water. Voordelen zijn daarnaast de goede loopeigenschappen van het granulaat, waardoor een snelle en goede matrijsvulling mogelijk is, het product is hierdoor homogener, de holle korrels geven een betere verdichting tijdens het persen dan met massieve korrels, door het gemakkelijk uiteenvallen van de holle korrels is het oppervlak van de producten gladder. Het vochtgehalte van het granulaat kan goed worden geregeld door het materiaal te meten met infraroodabsorptie. De toegepaste suspensie-vervloeïngsmiddelen (deflocculanten) kunnen echter hechting aan de matrijzen veroorzaken.

3.    Drogen van gevormde producten

Het drogen van gevormde producten is gecompliceerder dan van ongevormde materialen. Tijdens het drogen krimpen de producten ten gevolge van ongelijkmatige droging en vochtgradiënten in de vormelingen niet homogeen. Daardoor ontstaan interne spanningen die kunnen leiden tot het ontstaan van scheuren en/of vervormingen. Hierdoor worden beperkingen opgelegd aan de droogmethoden en de snelheid waarmee de producten kunnen worden gedroogd. Het droogproces in de keramische industrie is een belangrijke processtap in de keramische industrie, niet alleen technologisch maar ook economisch. Bij veel productiebedrijven is zowel het elektriciteitverbruik als het thermisch verbruik (gas) voor de helft toe te wijzen aan het drogen, terwijl er gestookt wordt tot 1200^°C voor het bakken van de producten. Het energieverbruik vormt een groot deel van de kostprijs van veel keramische producten en het is derhalve van groot belang om het droogproces te beheersen en economisch in te richten en te handhaven. Het droogproces hangt af van: grondstof-samenstelling, het drooggedrag, productsoort en – afmetingen, soort droger, interne ventilatie, ruimtelijke ordening in de droger, en het noodzakelijke droogregime.

Door de verdamping van water komen de deeltjes dichter bij elkaar te liggen waardoor drogende producten krimpen. Aan de hand van deze krimpverschijnselen kan men drie fasen in het droogproces beschrijven:

Eerste droogfase: In deze fase is er nauwelijks of geen contact tussen de vaste deeltje onderling: deze zijn gescheiden door de waterfase. Door de verdamping van het water en de naleve­ring van water naar het oppervlak komen de deeltjes dichter bij elkaar te liggen en de massa krimpt. Ondanks dat de krimp aan het oppervlak sterker is dan binnen in de massa, is het gevaar voor het ontstaan van scheuren in het begin van deze fase niet al te groot. De massa is nog voldoende plastisch waardoor trekspanningen beperkt blijven.

Overgangsfase: In de overgangsfase worden de deeltjes dichter bij het oppervlak nog slechts door een dunne film water van elkaar gescheiden. Daardoor is de plasticiteit van de massa locaal sterk gedaald. Door de (nu weliswaar geringere) krimp ten gevolge van de verdamping van deze waterfilm kunnen nu trekspanningen worden opgebouwd die groter zijn dan de bindingskrachten tussen de deeltjes. Er kunnen dan inwendige scheuren aan het oppervlak ontstaan. Dit is de gevaarlijkste fase in het droogproces.

Tweede droogfase/eindfase: In de tweede fase liggen alle deeltjes in de buitenste regionen tegen elkaar. De massa is niet meer plastisch en krimpt daar ook niet meer. Alleen in de meer naar binnen gelegen poriën is nog water aanwezig. De verdamping veroorzaakt daar trekspanningen omdat eventuele krimp daar verhinderd wordt door de rigide buitenmantel. Te hoge trekspanningen kunnen hier de dan nog niet zichtbare (‘blinde’) scheuren veroorzaken. Naarmate in de eerdere fasen gematigder gedroogd is, is het gevaar voor scheuren in deze fase geringer. In deze fase treedt eventueel nog wel een geringe nakrimp op.

Het verloop van de krimp (uitgaande van de lengte van het natte product) als functie van het watergehalte in de massa wordt vaak weergegeven in een Bigot curve (zie figuur 6). Iedere massasamenstelling (receptuur, mineralogie, morfologie, korrelgrootteverdeling) heeft een karakteristieke Bigot curve.

Figuur 6: Bigot curve.

Poriën in de keramische massa’s en de wijze waarop water zich aan de vaste stof kan binden spelen een de belangrijkste rol bij het drooggedrag. De deeltjesgrootteverdeling, de deeltjesvorm en de mineralogische samenstelling zijn daarbij van belang.

 

3.1.    Droogprincipes voor gevormde producten

Voor gevormde producten worden verschillende droogprincipes gebruikt, afhankelijk van het soort product en de inzichten van de individuele producent. Het betreft: weerstanddroging, microgolfdroging, voordroging in gips- of kunststof mallen en convectiedroging.

 

3.2.    Elektrische weerstand droging

De elektrische weerstand van klei is vooral afhankelijk van de bewegelijkheid van de watermoleculen en de opgeloste zouten. Als op de uiteinden van een kleicilinder een spanning wordt aangelegd dan is de specifieke elektrische weerstand  R [zie formule pdf versie]. Zie figuur 7. Door de optredende weerstand wordt de cilinder opgewarmd en verdampt het water door de hogere waterdampspanning in het product. Het watertransport van binnen naar buiten wordt hiermee ondersteund. De droging wordt geforceerd door de daling van de dampdruk van binnen naar buiten (van het warme- naar het koude medium). Toepassing van elektrische weerstanddrogen vindt plaats bij de productie van lange isolatoren, waarbij het vochtgehalte wordt teruggebracht van 20 – 24 naar 15 – 17 % (m/md) om de kleicilinders te kunnen afdraaien. Daarna kan tot < 10 % (m/md) worden gedroogd. Bij een wisselspanning tot 1,3 kV is een cilindertemperatuur bereikt tot 75 °C en wordt tot 75 % droogtijdverkorting gerealiseerd ten opzichte van convectiedrogen. Het voordeel van dit type droogsysteem bij deze producten is tevens de droging van binnen naar buiten, waardoor krimpspanningen kunnen worden beperkt en productschade veel minder voorkomt.

Figuur 7: Vooraanzicht electrische weerstanddroging van isolatoren.

3.3.    Microgolfdroging

Microgolven representeren een gelijke energievorm als voor radio, televisie en mobiele telefonie wordt gebruikt. De elektrische- en de magnetische component van het veld bewegen in fase loodrecht op elkaar. De golflengte (lambda) en frequentie (f) verhouden zich als:

f = v/lambda, v is de lichtsnelheid = 300.000 km/s.

De microgolffrequentie ligt tussen die van radiogolven en het infrarood gebied. Microgolven interacteren transparant in keramiek, reflecteren op metaal en worden geabsorbeerd in water en vochtige materialen.

Door het elektrische veld van de microgolven gaan de dipolen van water swingen en ontstaat warmte. De absorptie is afhankelijk van de diëlektrische constante en is in water het beste bij 18 GHz. Deze frequentie is echter niet beschikbaar voor deze toepassingen. De diëlektrische eigenschappen zijn temperatuur- en frequentieafhankelijk. Droog porselein is bijvoorbeeld bij 2,45 GHz transparant, maar kan bij 30 GHz in enkele minuten tot stooktemperatuur worden opgewarmd. De indringdiepte van de microgolven is afhankelijk van de golflengte en de diëlektrische constante. Als vuistformule wordt gehanteerd dat de verdamping van 1 liter water in 1 uur ca. 0,67 kWh stralingsenergie kost.

De internationaal vastgelegde frequentie voor microgolfsystemen zijn 0,915, 2,45 en 5,8 GHz, waarbij bij 0,915 een grote indringdiepte met geringe energietoevoer en 5,8 GHz een kleine indringdiepte met grote energietoevoer heeft. De uitvoering met 2,45 GHz is het meest gebruikt en daarmee het minst duur in aanschaf. Grotere magnetrons dienen met water te worden gekoeld, waardoor de voorkeur gegeven wordt aan de toepassing van meerdere eenvoudige luchtgekoelde exemplaren. Het voordeel van microgolfdroging is het inverse temperatuurverschil van binnen naar buiten het te drogen materiaal. Het water wordt uit het materiaal geperst in plaats van door de capillairen getrokken. De poriën aan de buitenkant van het materiaal blijven hierdoor open en kan de droogsnelheid over een langere tijd worden doorgezet.

Het gevaar voor materiaalschade kan bij de juiste energietoevoer worden beperkt. Verkorting van de droogtijd van 70–85 % is haalbaar ten opzichte van convectiedrogen. Microgolfdrogers bestaan er in verschillende uitvoeringsvormen van batch tot continudrogers, eventueel in combinatie met convectiesystemen. Belangrijk bij het ontwerp is de homogeniteit van het veld, de veiligheidsmaatregelen en de efficiency. Voorbeelden van toepassing zijn er in de technische keramiek om vervormingen te beperken en bij gevoelige producten in de fijnkeramiek.

Figuur 8: Microgolfdroging van roetfilters en katalysatoren.

Figuur 9: Microgolf banddroger.

Vooralsnog is de toepassing van microgolfdrogen of diëlectrisch drogen niet aan de orde voor grote volumes en massaproductie in de keramische industrie ondanks de lage elektriciteitprijzen. Fossiele brandstoffen blijven goedkoper voor convectieve droging, omdat ook grote hoeveelheden vocht moeten worden afgevoerd. Daarnaast kunnen massieve en compacte kleiproducten met een standaard dikte van 50 mm niet zo snel worden gedroogd als nodig zou zijn om de omvang van de installatie te beperken.

 

3.4.    Droging in gips of kunststof mallen

Een bijzondere vorm van droging wordt toegepast bij het voordrogen van slibs in gietvormen tot een vaste scherf. Het slibgietproces is een vormgevingsproces waarbij een suspensie uitgegoten wordt in een poreuze mal. Daarbij gaat het suspensiemiddel, onder invloed van de zuigende werking van de poriën van de mal (atmosferisch gieten), of door een uitwendig aangelegde druk (drukgieten), ín de mal en vormt zich aan de binnenzijde van de mal een zogenaamde scherf bestaande uit de vaste delen uit de suspensie. Wanneer deze scherf voldoende dik is door uitdroging, giet men het overtollige slib uit of laat men het weglopen.

Bij atmosferisch gieten en middendrukgieten worden gipsmallen gebruikt. Daarin moet ook de eerste droogfase van het product plaatsvinden totdat de scherf, door krimp, van de mal loslaat. De vormeling wordt dan verwijderd om verder aan de lucht te drogen.

Bij hogedrukgieten worden kunststofmallen, veelal op basis van polyurethaan. De vormeling worden onmiddellijk na vormgeving verwijderd door in de mal een overdruk aan te brengen waardoor het opgenomen water weer richting scherf geperst wordt en de vorme­ling uitgenomen kan worden.

Om het gietproces zo snel mogelijk te laten verlopen dient het vaste‑stof‑aandeel van de suspensie zo hoog mogelijk te zijn: er hoeft dan minder suspensiemiddel van het slib naar de mal gezogen of geperst te worden.

Door aan een gedeflocculeerde suspensie suspensiemiddel te onttrekken, komen de vaste stofdeeltjes gemiddeld veel dichter bij elkaar. De hoeveelheid vaste deeltjes neemt ten opzichte van de hoeveelheid déflocculant toe. Daardoor worden de ladingen op de deeltjes weer minder en trekken ze elkaar aan ten gevolge van de Vanderwaalskrachten die op een gegeven moment sterker worden dan de afstotende coulombkrachten. Deze ‘uitvlokking’ of coagulatie door de wateronttrekking geeft de gevormde scherf een zekere mechanische stevigheid om te handlen. Door nadroging kan voldoende sterkte worden bereikt om de producten zonder schade te kunnen bakken.

Producten die op deze wijze worden geproduceerd zijn: wastafels, toiletpotten, vuurvaste cassettes, serviezen, vazen en kunstvoorwerpen. Het grote voordeel van deze productiemethode is de grote vormvrijheid en de mogelijkheid om holle producten te kunnen produceren. Het voordrogen is niet alleen noodzakelijk om de vorm vast te leggen, maar ook om het product te kunnen lossen uit de mal. Dit wordt bewerkstelligd door oppervlaktedroging en productkrimp.

Figuur 10: Doorsnede en aanzicht gieten en voordrogen van een wastafel.

3.5.    Convectiedroging

In overgrote deel van de producties in de keramische industrie wordt convectie toegepast als droogprincipe. Dit dient een tweeledig doel: de toevoer van energie en de afvoer van verdampt water. In het verleden, maar ook in landen met een (sub)tropisch klimaat werd en wordt nog steeds aerotherm gedroogd. Producten worden met water opgemengd voor een passende vormgeving en op zand of op platen op de grond of in rekken buiten of onder een afdak gedroogd. Soms kunnen producten direct gestapeld worden om door zon en lucht te worden gedroogd. Dit is veruit de meest energievriendelijkste manier van drogen m.b.t. het thermisch- en elektrisch verbruik. Vaak beperkt zich de productie tot de seizoenen waarin voldoende droogpotentie in de lucht aanwezig is. Niet alleen tijdens de herfst, winter of een voorjaar, maar ook in (sub)tropische omstandigheden kan soms niet goed gedroogd worden door de lage temperatuur of te hoge relatieve vochtigheid in de lucht. Met het voortschrijden van de mechanisering en automatisering en de grote investeringen die hiermee gepaard gaan is er steeds meer behoefte ontstaan aan kunstmatig drogen, om daarmee gedurende het gehele jaar kwalitatief goede gedroogde producten te verkrijgen.

3.6.     Drooginrichtingen

De keuze van een drooginrichting vindt plaats op grond van een gedetailleerd programma van eisen betreffende bedrijfszekerheid, investeringsruimte, exploitatiekosten, veiligheidsaspecten, flexibiliteit, bestuurbaarheid en bediening. De drooginrichting moet bovendien ook passen in de productie-eenheid als geheel. De investering- en exploitatiekosten van een drooginrichting kunnen ondergeschikt zijn aan de totale exploitatiekosten van een productie-eenheid, bijvoorbeeld bij grote productiestromen van kwetsbare producten. Ook de beschikbare plaatsruimte, de inrichting van de aangrenzende productieafdelingen, de beschikbaarheid warmtebronnen, bijvoorbeeld in de vorm van afvalwarmte van ovens, zijn ook van invloed op de keuze van het type installatie. In de keramische industrie treft men veel verschillende typen van droogsystemen aan, vaak speciaal toegesneden op de droging van een bepaalde productsoort. Het type, de vorm en de afmetingen van producten bepalen vaak de uitvoeringsvorm van de droger.

Typen drogers voor vormgegeven producten die in de keramische industrie voorkomen:

• Aerothermdrogers;
• straaldrogers;
• banddrogers/rollendrogers;
• paternosterdrogers;
• tunneldrogers;

3.7.    Aerotherm drogers

Het principe van aerotherm drogen met buitenlucht wordt in (sub) tropische gebieden nog vaak toegepast voor veel soorten keramische producten. Vaak in combinatie met zondroging en absorptie door de droge zandbodem, of aerotherm onder een dak om de producten tegen regen te beschermen. Het energieverbruik is hierbij nihil, terwijl het de meest duurzame methode van drogen is. De condities zijn vaak oncontroleerbaar en alleen mogelijk bij geschikte condities en in bepaalde seizoenen.

Zon- en aerotherm droging in de buitenlucht.

Aerotherm droging onder dak.

Een bijzondere vorm van aerotherm drogers is voorgesteld door holle producten dwars op wagens te plaatsen en door een tunnel te rijden met dwarsventilatie met diagonale luchtgeleiders. De toegevoerde omgevingslucht wordt na gebruik direct weer afgevoerd. Hierbij is sprake van meer gecontroleerde condities. De luchtcondities dienen echter wel geschikt te zijn voor drogen. Alle volgende typen drogers worden voorzien van warme droge lucht om te kunnen functioneren.

Figuur 11: Voorgesteld principe aerotherm droger.

 

3.8.     Straaldrogers

Met name in de fijnkeramiek worden straaldrogers gebruikt voor het drogen van holle artikelen. Daarbij wordt een straal drooglucht in het product geblazen waardoor de holle artikelen gelijkmatiger drogen. Straaldrogers kunnen uitgevoerd zijn als carrouseldroger of als banddroger. Zie figuur 12 en 13. Een bijzondere vorm van straaldroging kan worden toegepast voor dakpannen, waar deze op profielen en steunen worden gelegd en lucht door de profielen via gaatjes wordt aangeblazen. Zie figuur 14.

Figuur 12: Doorsnede banddroger met straaldroging.               Figuur 13: Detail straaldroging.

Figuur 14: 2-Zijdige straaldroging van dakpannen via oplegprofielen met steunen.

3.9. Band- of rollendrogers

Dit type convectiedrogers wordt behalve voor grondstoffen en massa’s ook voor droging van vormgegeven producten toegepast, vooral in de fijnkeramische industrie. Producten als kopjes moeten daarbij wel ondersteund worden om kromtrekken te voorkomen. De droging kan daarbij ondersteund worden door straaldroging. Omdat dit type droging vaak toegepast wordt op voorgedroogde producten kan, gezien ook de droogkarakteristiek van de massa, een kort droogregime worden toegepast. De massastroom is betrekkelijk gering, de producten zijn dunwandig en hebben een relatief groot oppervlak. Ook worden rollendrogers toegepast voor dunwandige producten als tegels. Deze lopen in lijn over de rollen en worden vanaf de zijkanten of van boven en onder aangeblazen. Zie figuur 14. Dit type drogers kan snel worden gestart en gestopt. Het specifiek energieverbruik is 3800 tot 5000 kJ/kg water, afhankelijk van de omstandigheden. Zie figuur 14.

Als alternatief worden wel stralingslampen of stralingsbranders gebruikt om dunne oppervlaktelagen te drogen, als glazuren of engobes (dunne kleilagen) die als suspensie op gedroogde of gebakken producten zijn opgebracht. Het betreft meestal infraroodstraling waarmee in een tunnel of boven een band in de fabrieksomgeving wordt gedroogd. Dit gaat snel en voldoet meestal om de producten daarna te kunnen handlen.

De inzet van banddrogers voor het drogen van ongevormde producten in Nederland is niet zinvol, omdat ongevormde producten alleen worden gedroogd vanuit suspensies. Komt nog bij dat dit in sproeidrogers wordt uitgevoerd omdat er behoefte is aan goed lopende granulaten voor de vulling van matrijzen en hun gunstige gedrag bij de vormgeving van de producten.

Figuur 15: Rollendroger.

 

3.10.    Paternosterdrogers

In de fijnkeramische industrie worden paternosterdrogers toegepast voor het drogen van borden en schotels in gipsvormen, en in de grofkeramische industrie voor holle producten en dunne producten, zoals tegels, dakpannen en holle bouwblokken die relatief snel drogen bij toepassing van geschikte kleisoorten. Het betreft hier een continu proces, zonder buffers tussen de vormgeving en het drogen en maar beperkte mogelijkheden om grote productwisselingen uit te voeren. De natte producten worden aan de uitlaatzijde van de droger op schommels met meerdere etages aan kettingen via een sluis in een droogkanaal gebracht. Daarin wordt warme lucht met grote snelheid (tot 20 m/sec) in tegenstroom doorgeblazen. Afhankelijk van de situatie wordt alleen een toevoer- en afvoerkanaal gebruikt of meer kanalen toegepast. Het onderste deel ligt meestal in een kelder. Het energiegebruik is ca. 4500 tot 5000 kJ/kg water. Het transport is relatief eenvoudig, maar de regelbaarheid bij ongelijkmatige productie en verschillende soorten producten is lastig. Dit type droger kunnen gebouwd worden met een beperkte investering en worden vooral toegepast voor massaproductie van eenvoudige producten in 24/7 regime.

Figuur 16: Zijaanzicht paternosterdroger

 

3.11.    Tunneldrogers

In de grofkeramische industrie worden tunneldrogers het meest gebruikt voor massaproductie van gelijkvormige producten. Er bestaan veel uitvoeringsvormen, die voor de meest verschillende soorten producten worden toegepast. Dikwijls bestaat een tunneldroger uit een aantal parallel geplaatste tunnels, soms is de tunnel ook U-vormig uitge­voerd met terugloopspoor. Dat maakt een compacte installatie mogelijk met een centrale plaats voor belading en ontlading van drogerwagens waar de producten op dragers of platen in liggen. Het transport van de wagens vindt meestal geautomatiseerd plaats via een railsysteem. De drooglucht kan bestaan uit een mengsel van koellucht van de oven met buitenlucht en/of gerecirculeerde lucht en bijverwarming.

Het transport door een tunneldroger kan gekoppeld zijn aan het navolgende stookproces. De te drogen producten zijn dan al op de tunnelovenwagens met vuurvaste bekleding geplaatst. De droger is dan als ‘voorsectie’ met de tunneloven geïntegreerd. Dit kan alleen als de producten zeer droog worden geperst, voldoende sterkte hebben en goed uitdrogen als ze worden gestapeld.

De warme lucht wordt dan aan de (product)uitgang van de tunnel in de droger geblazen en vaak ook nog op een aantal plaatsen in de lengterichting van de tunnels. Daardoor komen de (aan de ingang) vers ingereden producten in contact met uitlaatlucht met mildere droogcondities. De toestandsverandering, die de lucht op haar tocht door deze tunnel ondergaat, blijkt, behou­dens een klein warmteverlies door straling en convectie aan de buitenwand, nagenoeg adiabatisch te verlopen. Tunneldrogers kunnen voorzien worden van dwarsstroomcirculaties of langsstroomrecirculaties met of zonder het inbrengen van opgewarmde lucht. Hiermee kan het droogregime beter worden beheerst. Regeling vindt meestal plaats in secties op basis van de ruimtetemperatuur en de relatieve vochtigheid, die op meerdere plaatsen wordt gemeten. Het energieverbruik wordt gunstig beïnvloed door de directe koppeling tussen oven en droger, waarbij capaciteitwijzigingen en warmteverliezen tot een minimum worden beperkt.

In de huidige tunneldrogers wordt de lucht intensief gecirculeerd om de homogeniteit in de lading te verbeteren en om de lucht beter te verzadigen. De uitlaattemperatuur van de verzadigde lucht wordt beperkt door de temperatuur van de ingereden producten. Bij de ingang van de producten treedt condensatie van de uitlaatlucht op, die leidt tot gewichttoename van de te drogen producten of druppels of vlekvorming op de producten. Opwarming en conditionering van de lading voor de droger is vaak noodzakelijk. Als er niet 24/7 wordt geproduceerd dienen opstelsporen met lading te worden voorzien aan de natte- en droge zijde om de droogcurve in de tunneldroger te kunnen stabiliseren. Het specifiek warmteverbruik in drogers volgens de stand der techniek is 3500 tot 4000 kJ/kg water. Het specifiek elektriciteitverbruik 40 tot 60 Wh/kg water. Het is niet gemakkelijk om het tempo te wijzigen of over te schakelen van grotere naar kleinere producten in een tunneldroger. Eén van de mogelijkheden om dat toch te realiseren is het overdimensioneren van de tunneldroger. Voor onderhoud of schoonmaken van de tunnels moet de productie worden gestopt.

Figuur 17:  Tunneldroger met 5 droogsporen, terugloopspoor, warme lucht systeem.  Luchtafvoersysteem, 2-zijdige aanblazing met interne ventilatoren.

3.12.    Eenlaags sneldrogers

In horizontale- of verticale éénlaags tunneldrogers worden producten in één of enkele lagen doorgevoerd. Voorwaarde is wel dat zowel product als klei geschikt is voor snelle droging, bijvoorbeeld bij groot formaat holle bouwstenen, waar lucht doorheen kan worden geblazen. Eénlaags drogers hebben een geringere omvang en dus lagere bouwkosten.

 

3.13.    Kamerdrogers

Kamerdrogers bestaan uit grote kamers waarin geconditioneerde lucht ingelaten, rondgeblazen en wordt afgeblazen om de grootst mogelijke homogeniteit te realiseren en de drooglucht zo goed mogelijk te verzadigen. De drooglucht kan bestaan uit een mengsel van koellucht van de oven, buitenlucht en/of gerecirculeerde lucht die al of niet (bij)verwarmd wordt. Als luchtverdelers worden intern (heen en weer rijdende) vrij uitblazende mengventilatoren of roterende conussen met mengventilatoren gebruikt die vaak gefixeerd worden op één plaats.

Vulling van de kamers kan uitgevoerd worden door de producten op platen of dragers met afzetsystemen in rekken te plaatsen die reeds in de kamers staan of in de kamers worden gereden per heftruck of per spoor. Na vulling van een kamer kan op basis van het warmte-aanbod van de ovens gekozen worden wanneer de cyclus wordt gestart, teneinde tijdig droge producten te kunnen ontladen, met zo laag mogelijke kosten. Het transport en het droogproces loopt vaak automatisch af volgens ingeregelde programma’s.

Het voordeel van kamerdrogers is de mogelijkheid om snel om te schakelen en separate droogprogramma’s te gebruiken voor verschillende producten, productafmetingen en grondstofsoorten. Tevens is het gemakkelijker mogelijk om tijdens stilstand reparaties uit te voeren en de ruimte te reinigen van afgewaaid zand. Condensatie van drooglucht op de producten hoeft niet voor te komen door aanpassing van het droogregime. Expert systemen (software) worden gebruikt om de droogprogramma’s en het droogschema aan te passen op de laagste elektriciteit- en bijstookkosten. Het energieverbruik is 3500 tot 4000 kJ/kg water. Het specifiek luchtverbruik 15-25 kg lucht/kg water, het specifiek elektriciteitverbruik: 30 – 60 Wh/kg water, afhankelijk van het interne ventilatiesysteem.

Figuur 18: Rijdende reuzenventilator met laag elektriciteitverbruik, diameter tot 4,5 m.

In Techcondrogers zijn met conditione­ringsruimten “buffers” gemaakt tussen de pers en de droger enerzijds en de droger en ontlading anderzijds. Het ledigen en vullen van de kamers is daarmee onafhankelijk van de pers èn de ontlading. Dit maakte het mogelijk om met korte droogtijden de productie in minder kamers te drogen èn om de afvalwarmte van de oven gelijkmatiger te benutten.

Figuur 19:   Kamerdroger met 5 kamers, warme luchttoevoer, natte lucht afvoer en eenzijdige  interne conusventilatoren.

 

3.14.    De inzet van biobrandstoffen en het voorkomen van emissies

De inzet van biobrandstoffen zou wel kunnen passen in de keramische industrie, omdat veel bedrijven zijn gelegen in de uiterwaarden met veel ruimte en dat het groene imago van de producten zou kunnen versterken. Aangezien bijvoorbeeld groen gas nog vrijwel niet te verkrijgen is zouden bedrijven eigen vergistinginstallaties of pyrolyse-installaties kunnen bouwen en biogas kunnen produceren. Met enige aanpassingen kan de vrijkomende gaskwaliteit direct worden gebruikt voor de gasstookinstallaties voor het drogen en stoken van de producten. Er is onderzocht of in samenwerking met b.v. een loonbedrijf voldoende biomassa kon worden geleverd om aan de gasbehoefte van een productiebedrijf zou kunnen worden voldaan. De gasverbruiken blijken echter zo groot te zijn, dat de aanvoer van voldoende biobrandstoffen snel tekort zou schieten. In Europa zijn alle toekomstig vrijkomende biobrandstoffen al gereserveerd voor een aantal bestaande installaties. Daar komt bij dat de kostprijs van het gas veel hoger uitkomt dan de huidige industriële aardgasprijs. De installatie kan zonder aanzienlijke subsidies nooit renderen. Als alternatief kunnen de biobrandstoffen gebruikt worden om drooglucht te verwarmen. In de praktijk blijkt dat de installatiekosten hiervoor zo hoog worden, dat uitvoering niet wordt overwogen.

Ook kan gedacht worden aan het direct stoken van biobrandstoffen tussen de lading en in ovens voor keramiek. Naast bovenvermelde beperkingen komt daarbij de minder gemakkelijke dosering en temperatuurgelijkmatigheid in de ovens en de vorming van asresten op de lading en ongewenste verkleuringen op de producten. Indien biobrandstoffen direct in de klei worden verwerkt leidt dit tot porievorming en sterkteverlies van de producten door uitbranding van de bodyfuel. Daarnaast vindt gedeeltelijke ontgassing van de biobrandstoffen in de opwarmzone van oven plaats, waardoor ongewenste onvolledig verbrande koolwaterstoffen ontstaan in de rookgassen. Naverbranding hiervan wordt dan noodzakelijk.

In de keramische industrie is voor het drogen van de klei vrijwel alleen sprake van de emissie van lucht, CO₂ en waterdamp. De klei reageert bij een temperatuur tot ca. 100 ^°C nog niet. De elementen blijven bij deze temperatuur nog gebonden aan de grondstoffen. Ook (fijn)stofemissies komen vrijwel niet voor. Dit in tegenstelling met de emissies van ovens waarin sprake is van temperaturen tussen 1000 en 1200 ^°C waar wel reacties plaatsvinden die emissies veroorzaken. Om deze emissie te beperken zijn in de meeste gevallen rookgasreinigers in gebruik. TCKI is RvA geaccrediteerd om rookgasemissiemetingen uit te voeren.

3.15.    Strategie en verdere ontwikkeling

Een beletsel om energie te besparen in de keramische industrie is de beschikbaarheid en gedwongen gebruik van afvalwarmte van ovens. Deze lucht komt vrij met een temperatuur van 150 tot 300 ^°C. In de praktijk wordt stap voor stap getracht de temperatuur verder te verhogen, waardoor het specifiek luchtverbruik van de drogers daalt en daarmee ook het specifiek energieverbruik. In het kader van de Routekaart 2030 zijn voorstellen gedaan om over te gaan op andere typen ovens met minder afvalwarmte. Hierdoor kan ook op andere wijzen worden gedroogd. Met veel minder lucht, of met gebruikmaking van meer warmtewisselaars, warmtepompen of de inzet van WKK. Deze ontwikkeling kost tijd, omdat vervanging en vernieuwing van ovens maar sporadisch plaatsvindt en dat meerkosten terugverdiend moeten worden uit energiekostenverlaging.

Een systeem in ontwikkeling ter voorbereiding op de vervanging van ovens is het hybridedrogen, waarbij in bestaande droogkamers gestart wordt met aerotherm drogen in de seizoenen dat dit mogelijk is, gevolgd door semi stoomdrogen met droogprogramma’s met zo hoog mogelijke temperatuur en vochtigheid om het specifiek lucht- en energieverbruik te minimaliseren tot gemiddeld ongeveer 5 – 10 kg lucht/kg water en 3000 kJ/kg water. Op dit moment is de stand der techniek 20 kg lucht/kg water en 4000 kJ/kg water. Het specifiek elektriciteitverbruik is 30 – 60 Wh/kg water, afhankelijk van het type interne ventilatie. TCKI voert ook onderzoek naar uit naar de verdere beperking van het specifiek elektriciteitverbruik en de toepassing van hybridedrogen.

M.b.t. het specifiek energieverbruik van sproeidrogers is dit al goed met 2800 tot 3200 kJ/kg water. Dit komt door de hoge inlaattemperatuur van ca. 450 ^°C, hetgeen verdragen wordt door de keramische suspensies en toepasbaar is voor het benodigde granulaat. De uitlaattemperatuur is meestal 70 – 80 ^°C, met een hoge mate van verzadiging. Door condenserende warmtewisseling kan hier nog warmte worden teruggewonnen, echter de vrijkomende temperatuur is te laag om opnieuw in te zetten voor het ovenproces. Uit het ovenproces komt reeds schone lucht vrij voor het drogen van de vormgegeven halfproducten. Wel wordt reeds bestudeerd om deze warmte in te zetten voor procesluchtvoorverwarming of verbrandingsluchtvoorverwarming. 

 

4.    Drogeronderzoek

TCKI voert onderzoek uit aan droogprocessen met een RvA geaccrediteerde meetgroep en begeleidt bedrijven bij de verbetering en nieuwbouw ervan in de praktijk. Hiertoe staan naast de nodige kennis, kunde en ervaring een klimaatkast op laboratoriumschaal en een pilotdroger ter beschikking. In de klimaatkast kunnen een beperkt aantal vormgegeven producten getest worden op de droogparameters en kan de snelst mogelijke droogcurve worden bepaald door het uitvoeren van droogprogramma’s. In de mobiele pilotdroger kunnen een groot aantal producten worden gedroogd in een aan te passen lay-out en onder regelbare droog-omstandigheden. Hierdoor kan overtuigend en zonder risico’s voor de lopende productie worden gedroogd en procesaanpassingen of investeringsbeslissingen worden onderbouwd.

Figuur 20: Klimaatkast.

Figuur 21: Pilotdroger.

Leverancier van drogers in de keramische industrie

• Instalat BV, Bijsterhuizen NL-2502 LN, Wijchen
• Ceratec NV, Rue du Touquetstraat 228, B-7782, Ploegsteert
• Ceric SA, Technologies, 42 Rue de Paradis, F-75010 Paris
• Cleia SA, 2 Avenue Spuller, F-21340 Nolay
• Keller HCW GmbH, Carl-Keller Strasse 2-10, D-49479 Ibbenbüren Laggenbeck
• Lingl GmbH, Nordstrasse 2, D-86381, Krumbach
• Sacmi SC, Via Selice Provinciale 17/A, I-11340026 Imola

 

BIJLAGE I : factsheet droogtechnologie en –technieken in de keramische industrie

Bestaand uit 2 bladzijden.

Download pdf versie van de factsheet.