„Erdgas und Wasserstoff – was gibt es neues?“
Ergebnisse aus Labor und Praxis (Teil 2 von 3)

4.3 Eigenschaften der gebrannten HMz

Nach dem Brennen mit Erdgas im Tunnelofen sowie mit Wasserstoff und Erdgas im Kammerofen hatten die Ziegel eine gleichmäßige ziegelrote Oberfläche. Die Ziegel aus dem Tunnelofen waren durchgehend homogen rot gefärbt, während die Ziegel aus dem Kammerofen graue Kerne aufwiesen. Zur Bestimmung der Zusammensetzung der oxidierten und reduzierten Bereiche wurden Proben entnommen. Die Bezeichnung (ox.) bezieht sich auf Bereiche mit Rotfärbung, die Bezeichnung (red.) auf grau gefärbte Bereiche. »9 links zeigt den Mineralbestand, »9 rechts die chemische Zusammensetzung der ungebrannten Mischung M2b sowie des gebrannten roten und grauen Materials nach dem Brennen mit Wasserstoff und Erdgas im Kammerofen und mit Erdgas im Tunnelofen.

Der Mineralbestand der ungebrannten und gebrannten Mischung M2b zeigt, dass während des Brandes in beiden Öfen die vollständige Zersetzung von Kaolinit, Smectit, Calcit, Pyrit sowie der organischen Bestandteile erfolgte und sich der Anteil amorpher Silikate erhöhte. Die Tonminerale Muskovit, Illit und Chlorit zersetzten sich lediglich unvollständig. Zudem bildeten sich Hämatit, Feldspat (Anorthit und Oligoklas) und Gehlenit

Der Brand im Kammerofen mit Wasserstoff und Erdgas führte zu einem höheren Anteil amorpher Silikate und Feldspat sowie weniger Muskovit, Illit und Gehlenit als im Tunnelofen. Bei Wasserstoff war der Anteil amorpher Silikate und von Hämatit etwas geringer als bei Erdgas.

Die oxidierten und reduzierten Proben aus dem Kammerofen unterscheiden sich geringfügig. Im rotgefärbten Material wurde etwas mehr Hämatit und etwas weniger Quarz als im graugefärbten Material festgestellt. Hier unterscheiden sich Wasserstoff und Erdgas unwesentlich. Die chemische Zusammensetzung der ungebrannten und gebrannten Mischung M2b belegt, dass - wie zu erwarten - chemisch keine Unterschiede zwischen den farblich unterschiedlichen Bereichen bestehen. Der Oxidgehalt erhöht sich im gebrannten Material um 12 bis 13 % und entspricht dem Glühverlust des Rohmaterials. Im reduzierten Material wurden mittels C/S-Analyse zudem Spuren von Restkohlenstoff festgestellt (bis 0,24 M.-% TOC).

Die Ergebnisse der magnetischen Suszeptibilität der Mischung M2a vor und nach dem Brennen im Gas- bzw. Tunnel-ofen zeigt »10. Dabei wurden die oxidierten und reduzierten Proben einzeln untersucht.

Die Balkenfarbe entspricht dabei annähernd der Materialfarbe. Das reduzierte graue Material hat eine geringere magnetische Suszeptibilität als das oxidierte rote Material. Die geringere magnetische Suszeptibilität des reduzierten Materials belegt, dass sich aus den primären Eisenmineralen Goethit, Hämatit und Pyrit offensichtlich kein Magnetit bildete. Das Ergebnis weist eher auf den vorhandenen Restkohlenstoff hin, der das Material ebenfalls grau färben kann.

Ergänzend wurden Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop am mit Wasserstoff und Erdgas gebrannten sowie vom grauen und roten Material angefertigt. Dabei fanden sich im Porengefüge keine Unterschiede zwischen den verschiedenen Ofenatmosphären und der Art der Öfen sowie zwischen den oxidierten und reduzierten Bereichen.

Die Druckfestigkeiten und Rohdichten der Ziegel aus Mischung M2b nach dem Brennen im Gas- und im Tunnelofen mit Wasserstoff und Erdgas zeigt »11. Sie wurden jeweils aus drei Einzelwerten, der Masseverlust und die Brennschwindung aus vier Einzelwerten gemittelt.

Während die Rohdichten und Masseverluste sich weder unterscheiden noch streuen, unterscheiden sich die Druckfestigkeiten und Brennschwindungen und streuen stark. Beim Brennen mit Wasserstoff im Kammerofen wurde eine höhere Festigkeit sowie Brennschwindung als bei den Bränden mit Erdgas im Gas- und im Tunnelofen erreicht.

4.4 Gasbeheizter Kammerofen

4.4.1 Brenngas- und Verbrennungsluftvolumen

Die Ausgangsdaten zur Berechnung der Energie-, Verbrennungsluft- und Abgasmengen sowie die CO₂-Emissionen für die verwendeten Brenngase Wasserstoff und Erdgas zeigt »Tabelle 3.

In »12 sind die gemessenen Brenngasvolumen dargestellt: links summarisch während der Brennzeit und rechts als Volumenstrom abhängig von der gemessenen Ofentemperatur.

»12 links zeigt, dass − unabhängig von der Art des Brenngases − die Brände mit dem bereits gebrannten Material einen höheren Brenngasverbrauch haben als mit ungebranntem Material. Der Unterschied ist auf die im ungebrannten Material vorhandenen organischen Bestandteile zurückzuführen, die durch ihren Ausbrand ab einer Ofentemperatur von ca. 400 °C die Erwärmung unterstützen. An den angegebenen Gasverbräuchen wird deutlich, dass das eingesetzte Wasserstoffvolumen beim gebrannten Material das 3,26-fache und beim ungebrannten Material das 3,19-fache des Erdgasvolumens beträgt.

In »12 rechts sind sowohl die Gradienten der Ofentemperatur (rot) als auch die Volumenströme von Wasserstoff (blau) und Erdgas (braun) entlang der Ofentemperatur dargestellt. Mit zunehmender Temperatur bzw. mit Temperaturgradienten größer Null steigt der Verbrauch beider Brenngase. Der Volumenstrom des Brenngases folgt außerdem dem Temperaturgradienten. Steigt dieser, nimmt die Brenngasmenge zu und umgekehrt. Diese (differenzierte) Darstellung zeigt zudem folgende Energie verbrauchende und freisetzende Reaktionen des ungebrannten Materials für beide Brenngase abhängig der Ofentemperatur:

Zwischen 250 und 400 °C tritt ein geringfügiger Mehrverbrauch an Brenngas auf. In diesem Temperaturbereich kommt es zur endothermen Austreibung des physikalisch gebundenen Wassers.

Zwischen 400 und 670 °C verringert sich der Gasverbrauch im Vergleich zum gebrannten Material. Hier findet der exotherme Ausbrand der organischen Bestandteile statt. Bei Erdgas beginnt der Ausbrand erst ab ca. 430 °C.

Zwischen 670 und 820 °C ist der Gasverbrauch beim ungebrannten Material größer als beim gebrannten Material. Hier entwässern in endothermen Reaktionen die Tonminerale und entsäuern die Carbonate.

Zwischen 820 und 890 °C verringert sich der Gasverbrauch im Vergleich zum gebrannten Material. Hier ist mit dem restlichen Ausbrand der Organik zu rechnen.

Die Zahlen im rechten Bild geben die Temperaturen an, bei denen sich die Kurven schneiden. Die verringerten Gasverbräuche aufgrund der Materialreaktionen zeigten sich bei beiden Brenngasen in annähernd gleichen Temperaturbereichen. Hierbei sei angemerkt, dass die gemessenen Temperaturen im Material geringer als die Ofentemperaturen waren. Die Reaktionen vom ungebrannten Material abhängig von der Materialtemperatur werden in 4.4.3 und  »16 gezeigt und diskutiert.

In »13 sind die gemessenen Verbrennungsluftvolumen dargestellt: links wieder summarisch während der Brennzeit und rechts als Volumenstrom abhängig von der gemessenen Ofentemperatur. Die Verbrennungsluftmenge steigt erfahrungsgemäß mit zunehmender Temperatur und steigendem Gasverbrauch im Ofen. Nach dem Ende des Heizens diente die Verbrennungsluft der Kühlung und ist der Übersicht halber nicht dargestellt.

In »13 links wird deutlich, dass die Brände mit dem bereits gebrannten Material durch den jeweils höheren Brenngasbedarf einen höheren Luftverbrauch haben als beim ungebrannten Material. Zudem wurde festgestellt, dass das Verbrennungsluftvolumen bei Wasserstoff für das gebrannte Material lediglich das 0,84-fache und für das ungebrannte Material das 0,83-fache vom Verbrennungsluftvolumen des Erdgases beträgt.

In »13 rechts sind sowohl die Gradienten der Ofentemperatur (rot) als auch die Volumenströme der Verbrennungsluft für Wasserstoff (blau) und Erdgas (braun) abhängig von der Ofentemperatur dargestellt. Mit zunehmender Temperatur bzw. bei Temperaturgradienten größer Null steigt zusammen mit dem Brenngasverbrauch die benötigte Luftmenge. Der Volumenstrom der Verbrennungsluft folgt ebenfalls dem Temperaturgradienten. Steigt dieser, nimmt die Luftmenge zu und umgekehrt. Diese differenzierte Darstellung zeigt die gleichen Energie verbrauchenden und freisetzenden Reaktionen des ungebrannten Materials wie bei den Temperaturgradienten in »15 zu sehen ist.

Zusammenfassend wird festgestellt, dass die Messwerte den in [5] berechneten Mehrverbrauch an Brenngasvolumen und das geringere Verbrennungsluftvolumen von Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas bzw. Methan bestätigen.

4.4.2 Energieverbrauch und Abgasvolumen

Aus den gemessenen Brenngasvolumen wurde mit den Heizwerten von  »Tabelle 3 der jeweilige Energieverbrauch gemäß Gleichung 1 berechnet.

H_Ofen = H_i,n * V_BG,n                                                           (1)

H_Ofen        Energieverbrauch Ofen [kWh]

H_i,n      Heizwert Brenngas, bezogen auf das Normvolumen [kWh/Nm³]

V_BG,n      Volumen Brenngas, gemessen, bezogen auf das Normvolumen [Nm³]

Das Abgasvolumen des Ofens wurde nicht bestimmt, da sich unmittelbar an den Ofenraum die TNV mit einem Erdgasbrenner sowie ein Zugunterbrecher anschließt. Da das Verbrennungsluftverhältnis bei allen Bränden gleich groß war (vgl. »2), wurde das Abgasvolumen aus den gemessenen Brenngas- und Verbrennungsluftvolumen abzüglich des theoretischen Verbrennungsluftvolumens für λ = 1 (Werte aus »Tabelle 3) gemäß Gleichung 2 berechnet.

V_AG,ber,n = V_BG,mess,n * R_VL/BG + V_VL,mess,n – V_VL,ber,n            (2)

V_AG,ber,n           Volumen Abgas feucht, berechnet, bezogen auf das Normvolumen [Nm³]

V_BG,mess,n       Volumen Brenngas, gemessen, bezogen auf das Normvolumen [Nm³]

R_VL/BG                 VolumenVerbrennungsluft je Brenngas für λ = 1 [Nm³/Nm³] (vgl. »Tabelle 3)

V_VL,mess,n          Volumen Verbrennungsluft, gemessen mit λ > 1, bezogen auf das Normvolumen [Nm³]

V_VL,ber,n            Volumen Verbrennungsluft, berechnet für λ = 1, bezogen auf das Normvolumen [Nm³]

Die berechneten Energieverbräuche und Abgasvolumen zeigt »14. Nach dem Heizen besteht das Abgas aus Kühl- und Falschluft sowie restlichen Zersetzungsprodukten vom Rohmaterial und ist hier der Übersicht halber nicht dargestellt.

Die Messergebnisse aus »12 bis »14 sind in »Tabelle 4 den in [5] und [6] berechneten Werten gegenübergestellt.

Das theoretisch zu erwartende Volumen an Brenngas, Verbrennungsluft, Abgas und Wasserdampf (rechte Spalte) wurde für Wasserstoff und Methan bei einer stöchiometrischen Verbrennung mit λ = 1 berechnet [5], die Energieeinsparung von 3 % in [6] hingegen für einen Tunnelofen mit realen Luftverhältnissen und der Software SimKilnT.

Die gemessenen Brenngasvolumen betrugen bei Wasserstoff das 3,26- bzw. 3,19-fache des Erdgasvolumens (Werte jeweils für gebranntes und ungebranntes Material). Zudem verringerte sich bei Wasserstoff das Verbrennungsluftvolumen um 16 bzw. 17 %, das feuchte Abgasvolumen um 9 bzw. 10 % und damit verbunden der Energieverbrauch um 7 bzw. 9 %. Diese Werte stimmen mit den berechneten Werten aus [5] und [6] nahezu überein.

Die aus den Messwerten ermittelten Verhältnisse sind beim gebrannten Material etwas größer als beim Ungebrannten. Eine Ursache dafür kann das thermisch reagierende Rohmaterial sein. Zudem betrug die Masse des gebrannten Brenngutes lediglich 81 % des ungebrannten Materials. Die geringere Masse entstand neben dem Masseverlust beim Brennen durch das Schleifen der Ziegel zur Bestimmung der Druckfestigkeit.

Die Differenz aus dem Energieverbrauch der Brände von gebranntem und ungebranntem Material beträgt bei Wasserstoff 13,9 kWh und bei Erdgas 11,0 kWh. Diese Differenz kann auf die Freisetzung der Energie aus dem ungebrannten Rohmaterial zurückgeführt werden. Die gesamte Energie, die ein Material beim Brennen benötigt, berechnet sich aus der Energie zur Materialerwärmung und der Rohstoffenthalpie wie folgt:

dH_M = dH_H + dH_R                                                        (3)

dH_M     Enthalpie des Materials gesamt [kWh]

dH_H    Enthalpie zur Materialerwärmung von der Umgebungs- auf die Maximaltemperatur [kWh]

dH_R      Rohstoffenthalpie des ungebrannten Materials [kWh]

Die Energie zur Materialerwärmung berechnet sich aus:

dH_H = c_p * m * dT                                                      (4)

c_p         spezif. Wärmekapazität des Materials: ungebrannt = 0,80 kJ/kgK, gebrannt = 0,90 kJ/kgK, [7]

m       Masse des Brenngutes: ungebrannt = 51,8 kg, gebrannt = 42,0 kg

dT       Temperaturdifferenz aus T_max - T_Umgeb. mit (896 °C – 15 °C) = 881 K

Die Rohstoffenthalpie ergibt sich aus den Anteilen von Adsorptionsfeuchte, organischem Kohlenstoff, Pyrit, Wasser aus den Tonmineralen und Carbonaten wie in »Tabelle 5 (vgl. [8]).

Die Adsorptionsfeuchte entspricht dem Masseverlust des Materials in der Thermogravimetrie bis 200 °C (vgl. »17). Die Gehalte an TOC und TIC wurden mittels Kohlenstoff-Analyse bestimmt, der Pyritgehalt mittels XRD. Der Wasseranteil aus den Tonmineralen entspricht dem Masseverlust zwischen 410 und 610 °C bzw. 10 % vom Tonmineralgehalt. Der Calcit-Gehalt wurde aus dem TIC-Gehalt berechnet bzw. mittels XRD bestimmt. Der Masseverlust aus dem organischen Kohlenstoff errechnet sich aus der doppelten Masse an Holz unter der Annahme, dass das Holz ohne Rückstand verbrennt. Der negative Masseverlust des Pyrits ergibt sich aus der Freisetzung des Schwefels mit einem Masseverlust und der Massezunahme durch die Oxidation des Eisens zu Fe₂O₃. Dieser wurde im gebrannten Material als Hämatit nachgewiesen (vgl. » 9 links).

Die Rohstoffenthalpie ist insgesamt negativ (exotherm), da die exothermen Reaktionen des organischen Kohlenstoffs und des Pyrits die endothermen von Wasser und Calcit überlagern. In der Summe liefert deshalb das ungebrannte Material eine Energie von 9,6 kWh und verringert dadurch den Brennstoffverbrauch im Vergleich zum gebrannten Material. Werden zudem die unterschiedlichen Massen des gebrannten und ungebrannten Materials berücksichtigt, ergibt sich folgendes Bild (vgl. »Tabelle 6).

Das gebrannte Material benötigt gemäß Gleichung (4) zum Erwärmen 9,2 kWh, das ungebrannte Material durch seine größere Masse hingegen 10,0 kWh. Die negative Rohstoffenthalpie von -9,6 kWh verringert letztere auf 0,4 kWh, welches das ungebrannte Material insgesamt beim Brennen zusätzlich benötigt. Die Differenz aus dem Energieverbrauch vom gebrannten und ungebrannten Material ergibt 8,7 kWh. Dieser Wert hat die gleiche Größenordnung wie die gemessenen Verbräuche. Dennoch ist er etwas kleiner als bei Wasserstoff mit 13,9 kWh und bei Erdgas mit 11,0 kWh festgestellt wurde. Eine Ursache kann im Einfluss der Umgebungstemperatur und des Luftdrucks während der Brände zu finden sein.

Der zu erwartende Masseverlust durch die Zersetzungsreaktionen gemäß »Tabelle 5 beträgt 14,7 M.-%. Mit der Thermoanalyse wurde ein Masseverlust von 13,9 M.-% und am Kammerofen von 14,0 M.-% bestimmt. Die Unterschiede lassen sich durch die geringen Materialmengen bei den XRD- und STA-Messungen im Vergleich zu der Masse von vier großformatigen HMz sowie durch unterschiedliche Restfeuchten erklären.

Zusammenfassend wird festgestellt, dass die Messwerte den in [5] und [6] berechneten geringeren Gas- und damit Energieverbrauch sowie das geringere Verbrennungsluft- und Abgasvolumen bei Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas bzw. Methan bestätigen. Die Unterschiede zwischen den gemessenen und berechneten Werten werden u. a. darauf zurückgeführt, dass die tatsächlichen Eigenschaften der eingesetzten Brenngase von denen aus »Tabelle 3 abweichen können.

4.4.3 Temperaturverlauf und Materialreaktionen

Die im Ofen und im Material gemessenen Temperaturen der vier Brände sind in »15 links abhängig von der Brennzeit dargestellt. Das rechte Bild zeigt jeweils die aus den Temperaturen und der Zeit berechneten Gradienten (dT/dt) abhängig von der Ofentemperatur.

»15 links zeigt, dass die Materialtemperaturen der Ofentemperatur zeitlich folgen, wobei die Temperaturen im bereits gebrannten Material schneller als im ungebrannten Material steigen. Beim gebrannten Material tritt zunächst eine Verzögerung im Temperaturanstieg auf. Dieser Abstand von ca. zwei Stunden verringert sich mit zunehmender Temperatur im Ofen auf eine Stunde bei 750 °C Ofentemperatur und ist durch die Zunahme von Konvektion und Wärmestrahlung beim Wärmeübergang zu erklären.

Die Verzögerungen beim ungebrannten Material werden durch die größere Besatzmasse hervorgerufen, die Unstetigkeiten im Verlauf hingegen durch die endo- und exothermen Materialreaktionen. Um 100 °C Materialtemperatur trocknet zunächst die Restfeuchte im Material. Zwischen 150 und 500 °C nähern sich die Materialtemperaturen der Ofentemperatur wieder etwas an. Hier erfolgt der Ausbrand organischer Bestandteile. Zwischen 450 und 650 °C Materialtemperatur erscheint eine weitere Temperatursenke, die mit der Entwässerung der Tonminerale erklärt werden kann. Ab 800 °C Ofentemperatur verringert sich die Heizrate. Das ungebrannte Material hingegen verändert seinen linearen Temperaturanstieg nicht und nähert sich an die Ofentemperatur an. Daran wird deutlich, dass sich das Material zusätzlich durch seine innere Energie aufheizt.

»15 rechts zeigt die aus den Temperaturen und der Brennzeit berechneten Temperaturgradienten im Ofen und Material abhängig von der Ofentemperatur. Daran ist nochmals zu sehen, dass die Gradienten im gebrannten Material dem Gradienten der Ofentemperatur folgen. Ab 450 °C Ofentemperatur überschreiten die Materialgradienten die des Ofens - hier wird ein größerer Wärmeübergang durch Konvektion und Strahlung erwartet.

Die Gradienten im ungebrannten Material zeigen hingegen deutliche Abweichungen vom Ofengradienten. Die Temperaturen des ungebrannten Materials eilen bei Wasserstoff den Temperaturen bei Erdgas sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen etwas voraus. Dieses Phänomen kann auf eine unterschiedliche Position der Thermoelemente im Material bei beiden Bränden zurückgeführt werden. So ist es möglich, dass das Thermoelement beim Wasserstoffbrand einen geringeren Kontakt zum Material hatte und stärker von der Ofentemperatur beeinflusst wurde.

Zur Darstellung der Materialreaktionen wurden in »16 dieselben Temperaturgradienten über der Temperatur des jeweiligen Thermoelements aufgetragen, d. h. die Ofengradienten über der Ofentemperatur, die Materialgradienten über den Materialtemperaturen.

In »16 links sind die Temperaturgradienten im Ofen (rot) und im gebrannten Material für beide Brenngase (blau – Wasserstoff, braun – Erdgas) dargestellt.

Die Materialgradienten sind unterhalb von 200 °C kleiner als die Ofengradienten, da die Wärmeleitung in das Material Zeit in Anspruch nimmt.

Beim Heizen sind die Materialgradienten bis ca. 450 °C bei Wasserstoff etwas größer als bei Erdgas. Hier heizt das Material schneller auf als beim Erdgasbrand. Dieses Phänomen kann auf die unterschiedliche Position der Thermoelemente im Material zurückgeführt werden. Zudem beeinflusst in diesem Temperaturbereich die TNV die Ofentemperatur. Beim Wasserstoffbrand wurde die TNV erst oberhalb von 250 °C zugeschaltet, damit das in der TNV entstehende CO₂ das CO₂-Signal der Abgasmessung nicht verfälscht.

Ab 450 °C unterscheiden sich die Gradienten von Wasserstoff- und Erdgasbrand unwesentlich.

Ab 650 °C folgen die Materialgradienten dem Ofengradienten. Die Gradienten liegen bei Wasserstoff und Erdgas ab 600 °C bis hin zur Kühlung eng beieinander und sind größer als der Ofengradient. Dies ist auf einen größeren Wärmeübergang durch Konvektion (Brennerabgas) und Strahlung zurückzuführen, welche mit steigender Temperatur zunehmen.

Die Kühlung zwischen 900 und 750 °C erfolgt vergleichsweise schnell, das Material folgt deshalb den Ofengradienten wesentlich langsamer.

In »16 rechts sind die Temperaturgradienten im Ofen und im ungebrannten Material dargestellt.

Das ungebrannte Material zeigt beim Heizen zwischen 70 und 110 °C eine Senke durch die restliche Materialtrocknung. Hierbei wird Energie verbraucht, die Materialtemperatur sinkt und der Gradient verringert sich.

Zwischen 150 und 350 °C übersteigen die Gradienten die des gebrannten Materials und des Ofens. Dies wird durch die wärmefreisetzende Reaktion beim Ausbrand der organischen Bestandteile hervorgerufen.

Zwischen 450 bis 550 °C sind die Gradienten des ungebrannten Materials deutlich geringer als im gebrannten Material und im Ofen. Hier findet die Entwässerung der Tonminerale statt und verhindert ein schnelleres Aufheizen des Materials.

Zwischen 550 und 670 °C heizt sich das ungebrannte Material schneller als das gebrannte und der Ofen auf. Hier findet die exotherme Oxidation des Restkohlenstoffs statt.

Ab 670 °C ist eine Unstetigkeit beim ungebrannten Material zu erkennen, die beim gebrannten Material nicht auftritt. Das ungebrannte Material zeigt durch den Restkohlenstoff noch etwas größere Gradienten als das gebrannte Material. Die Unstetigkeit um 760 °C deutet die endotherme Entsäuerung der Carbonate an.

Beim Kühlen folgen die Gradienten des ungebrannten Materials denen des gebrannten Materials und des Ofens. Bei ca. 810 °C steigt sowohl bei Wasserstoff als auch bei Erdgas der Materialgradient sprunghaft an. Durch die Zufuhr der sauerstoffreichen Kühlluft verbrennt hier nochmals Restkohlenstoff aus dem Material. Diese Annahme wird durch die plötzliche Zunahme des CO₂-Anteils im Abgas bei 810 °C bestätigt (vgl. 4.4.4).

»17 zeigt die Materialreaktionen der Thermoanalyse zum Vergleich mit den Materialreaktionen im Kammerofen.

Die DSC-Kurve weist zunächst eine endotherme Reaktion zwischen 50 und 140 °C verbunden mit einem Masseverlust in der TG-Kurve auf, welche die Resttrocknung beschreibt. Ab 200 °C überlagern sich zwei Reaktion mit jeweiligen Masseverlusten. Die erste Reaktion ist stark exotherm und erfolgt durch die Oxidation der leichtflüchtigen organischen Bestandteile. Um 500 °C ist eine endotherme Reaktion mit einem weiteren Masseverlust überlagert, die durch die Entwässerung der Tonminerale hervorgerufen wird. Zwischen 650 und 730 °C findet eine weitere endotherme Reaktion mit Masseverlust statt, die durch die Entsäuerung der Carbonate entsteht.

Die Reaktionen aus der Thermoanalyse finden sich in den Gradienten des ungebrannten Materials im Kammerofen wieder. Unabhängig von der Art des Brenngases findet hier jedoch die Tonmineralentwässerung bei um 20 K und die Carbonatentsäuerung bei um 40 K höheren Temperaturen als in der Thermoanalyse statt. Bei diesem Vergleich ist zu berücksichtigen, dass die Heizrate der Thermoanalyse mit konstant 600 K/h wesentlich größer als im Kammerofen ist und hier zudem die Heizrate während der Brennzeit variierte. Bei der Thermoanalyse ist die Materialmasse mit 40 mg wesentlich kleiner als im Kammerofen. All dies verschiebt erfahrungsgemäß die Materialreaktionen zu höheren bzw. tieferen Temperaturen. Außerdem führt eine große kompakte Materialmasse zu einer unvollständigen Oxidation der organischen Bestandteile und zu unverbranntem Restkohlenstoff.

Im Kammerofen unterscheiden sich die Materialgradienten der Carbonatentsäuerung bei Wasserstoff (Peak bei 758 °C) und bei Erdgas (Peak bei 768 °C) geringfügig. Der materialbedingte CO₂-Anteil im Ofen ist bei dieser Temperatur beim Erdgasbrand mit ca. 13,7 V.-% um das 3,3-fache größer als bei Wasserstoff mit ca. 4,1 V.-% (vgl. »21 und »19). Daraus ist ersichtlich, dass sich der unterschiedlich hohe CO₂-Anteil bei Wasserstoff und Erdgas unwesentlich auf die Temperatur der Carbonatentsäuerung auswirkt.

Die leichtflüchtigen organischen Bestandteile im ungebrannten Material führen im Kammerofen bereits ab einer Materialtemperatur von 200 °C zu einem überproportionalen Anstieg der Materialgradienten. Hierzu sei bemerkt, dass im Ofen zum selben Zeitpunkt bereits ca. 400 °C herrschten und die Temperatur in einem gelochten HMz stets eine Mischtemperatur zwischen Ofen und Material darstellt. Aufgrund der großen Materialmasse im Kammerofen fand der vollständige Ausbrand des organischen Kohlenstoffs erst bei höheren Temperaturen statt. Das zeigen die erhöhten Materialgradienten um 608 °C beim Heizen sowie beim Kühlen um 810 °C durch die Kühlluftzufuhr.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich die durchgeführten Kammerofenbrände mit den gemessenen Ofen- und Material-Temperaturen vergleichen lassen. Es zeigte sich, dass die Temperaturen des gebrannten Materials den Ofentemperaturen folgen und beide Brenngase keinen wesentlichen Einfluss auf den Brennprozess und das Brenngut haben. Im ungebrannten Material traten zusätzlich zur Heizrate des Ofens Reaktionen auf, die bei ihren charakteristischen Temperaturen die Erwärmung des Materials verringern bzw. beschleunigen. Diese endo- und exothermen Reaktionen lagen in ähnlichen Temperaturbereichen wie bei der Thermoanalyse. Die Materialreaktionen waren unabhängig von der Art des Brenngases.