Foto-Dokumentation. Bau eines Hygienisierungsofens

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1 Foto-Dokumentation Bau eines Hygienisierungsofens Im Projekt Carbonization and Sanitation CaSa Phase 2 Technik- und Konzepterprobung Ingenieure ohne Grenzen e.v. // Regionalgruppe Berlin In Zusammenarbeit: Ingenieure ohne Grenzen e.v. Technische Universität Berlin MAVUNO Project 1

2 Inhalt Kontext // Ziele & Ansatz des CaSa-Projektes Medizinische Grundlage // Aufgabe & Funktion des Ofens Technisches Prinzip // Grundofen Konstruktion der Rauchzüge Konstruktion des Druckbehälters Wärmebereitstellung Schritt-für-Schritt Foto-Dokumentation des Baus eines Lehmofens 2

3 Ziel: Schließen von Nährstoffkreisläufen 3

4 Ansatz Sammeln und Lagern Trenntrockentoilette Trennung und Vorkompostierung Hygienisierung von Fäzes Aufbereiten Energiebereitstellung mit Biogasanlage oder Mikrovergasern Thermische Behandlung der Fäzes im Lehmofen 3-4 Stunden bei 70 C Verwerten = Recycling Kompostierung hygienisierter Fäzes, Gärreste, Biokohle, Erntereste, Küchenabfälle, Urin... zur Herstellung von fruchtbarer Schwarzerde 4

5 Medizinische Grundlage Einfluss der Temperatur und Behandlungsdauer auf die erfolgreiche Hygienisierung, d.h. Inaktivierung möglicher Krankheitserreger* Temperatur Zeit (min.) 70 C ~10 Minuten 65 C ~ 45 Minuten 60 C 3 Stunden 50 C 1 Tag 42 C (=T min) 1 Jahr * inkl. Bakterien, Viren und andere Pathogene wie z.b: Darmwürmer und Wurmeier Aufgabe und Funktion des Lehmofens ist die thermische Behandlung von Fäzes zur Hygienisierung dieser Hygienisierung, d.h. Inaktivierung bzw. Abtöten von Krankheitserregern Quelle: Feachem et al. (1983): Sanitation and Disease - Health aspects of excreta and wastewater management. John Wiley and Sons, Chichester, UK. 5

6 Technisches Prinzip // Grundofen Im Inneren des Ofens sitzt ein Topf und darin befinden sich die zu behandelnden Fäzes. Ziel ist es, im Topfinneren eine Temperatur von min. 60 bis 70 C zu erreichen, die anschließend für maximal 5 Stunden bis mindestens 1 Stunde - ohne weitere Wärmezufuhr - durch die Konstruktion gehalten werden. Im unteren Teil des Ofens befindet sich ein ringförmiger Brenner, in dem Biogas verbrannt wird. Die heiße Verbrennungsluft steigt durch sog. Rauchzüge auf und gibt auf ihrem Weg durch den Ofen einen großen Teil der Wärme an die Ofensteine ab. Da die Steine in direktem Kontakt mit dem Topf stehen, wird auch dieser, samt Inhalt, erwärmt. Die Steine können außerdem die Wärme für lange Zeit speichern. So kann die Temperatur im Topf für mehrere Stunden gehalten werden. 6

7 Konstruktion der Rauchzüge Sog. Rauchzüge = Zwischenraum zwischen einer sog. inneren und äußeren Steinkonstruktion, durch die heiße Verbrennungsabluft geleitet wird wobei die Wärmeübertragung an die Ofensteine stattfindet. Biogas- Brenner Querschnitt der Rauchzüge über die ganze Fläche 600 cm². Die Rauchzüge müssen so gestaltet sein, dass ein guter Durchzug durch den Ofen bis zum Kamin erreicht wird. Werden die Abgase zu sehr gestaut, kommt es zu Rauchbildung; ziehen die Abgase jedoch mit einer zu hohe Geschwindigkeit durch den Ofen, geben sie auf ihrem Weg zu wenig Wärme an den Ofen ab und die Wärme geht über den Kamin verloren. 7

8 Konstruktion des Reaktionsraums Druckbehälter (montiert) Deckel (ohne Amaturen) Alutopf = Reaktionsraum Flansch mit Schrauben Reaktionsraum Auf Märkten in Tansania erhältliche Töpfe. Durchmesser ca. 380 mm, Höhe ca. 180 mm; Volumen ca. 20 Liter Material: 99%-Aluminium-Legierung Druckbehälter Ausgelegt auf Innen-Überdruck von max. 0,45 bar. Alle Teile dimensioniert nach DIN EN bzw. AD-Regelwerk Muttern zum Verschließen Nicht im Bild: * Bodenplatte aus Stahl * Zugstäbe aus Stahl, durch die Flansch und Bodenplatte Fest verbunden sind Schweißverbindung. 8

9 Wärmebereitstellung Der Ofen und der Topf werden erwärmt, in dem im unteren Teil des Ofens, im Brennraum, nachwachsende Energieträger emissionsarm verbrannt werden. Durch den Versatz der Steine steht stets ausreichend Frischluft für eine saubere Verbrennung zur Verfügung. Dabei werden konkret zwei Möglichkeiten beachtet: 1) Biogas aus einer BiogaST*-Anlage wird in einem ringförmigen Brenner verbrannt oder 2) Pyrolysegas, wird aus trockener Biomasse in einem Mikrovergaser erzeugt und direkt verbrannt. Brennraum 2) Mikrovergaser nach dem TLUD-Prinzip (Top Lit Updraft) 1) Biogas-Brenner *Biogas Support for Tanzania BiogaST // Projekt von * Ingenieure ohne Grenzen e.v. // 9

10 Bauteile // Agenda Bau-Doku Schritt-für-Schritt-Foto-Dokumentation des Bau eines Hygienisierungsofens mit folgenden Bauteilen: Unterbau // sog. Brennraum = kreisförmige Mauer (mit Versatz) Aufbau // sog. Innere bzw. äußere Steinkonstruktion = Herstellung von Formsteinen Schweißen von Stahlkörben, in die Formsteine aus Lehm eingesetzt werden Vorbereiten und Anpassen der Steine Setzen der Steine und verfugen Verputzen Isolierschicht = Lehm-Stroh-Verputz Modellierung des Deckels Konstruktion des Reaktionsraum Montage der Sicherheitsarmaturen und Messanalytik Installation des Brenners Berlin // Landschaftspark Herzberge // Sommer 2011 Fotos von Catherina Clausnitzer 10

11 Brennraum mauern Der untere Brennraum wird aus herkömmlichen Backsteinen gemauert. Dabei werden die Steine auf Versatz gesetzt, so dass ausreichend Frischluft, die für die Verbrennung notwendig ist, zum Brenner gelangen kann. Der Steinkreis ist zur vorderen Seite hin offen, so dass der Biogasbrenner inkl. Anschlüsse für Betrieb und Wartung zugänglich ist. Um diese Öffnung zu überbrücken und die Last des oberen Ofenaufbaus gleichmäßig auf die unteren Mauern zu übertragen, wurde ein Sturz aus Beton gegossen und eingemauert. Obenauf wurde eine Rigipsplatte eben aufgesetzt, um die Auflagefläche für die äußere Steinkonstruktion und die Isolierschicht zu vergrößern. 11

12 Herstellung der Formsteine I Zur Herstellung der Ofensteine werden entsprechend der geometrischen Abmaße Formschalungen angefertigt. Für die Steine wird Lehm aus einer Baugrube nahe Berlin verwendet, der einige Tage vor Verwendung mit Wasser gemischt, d.h. eingesumpft, wird. Da der Lehm in Tanzania einen höheren Tongehalt hat, wird dem Lehm noch ein geringer Anteil Tonmehl beigement. 12

13 Herstellung der Formsteine II Bevor die Steine gebrannt werden, müssen sie erst noch trocknen, damit sie beim Brennen nicht platzen. Während der Trocknung kann es passieren, dass die Steine Risse bekommen (siehe rechte Seite, Bild 1). Diese Steine wurden nachträglich mit Lehmschlamm verputzt. Schließlich werden die trockenen Steine ins Auto verladen... und in einem Brennofen in einer Keramikfabrik in Velten über Nacht bei ca. 900 C gebrannt. 13

14 Fertigung der Stahlkörbe // Innerer Korb Um die Lehmsteine im Ofen an der vorgesehenen Stelle fest und stabil (d.h. dauerhaft ortsfest) zu platzieren, werden Körbe aus Stahl gefertigt, in die die Steine anschließend eingesetzt werden können. Die Stahlkörbe werden aus Flachstahl- und Winkelprofile-Stücken geschweißt. 14

15 Fertigung der Stahlkörbe // Äußerer Korb An dem Stahlkorb des unteren Steinkreises wird außerdem ein Hitzeschild befestigt, in dem der ringförmige Biogasbrenner platziert wird, so dass die Rauchgase direkt in den Ofen geleitet werden. 15

16 Vorbereiten der Formsteine Einige Steine, die beim Brennen bzw. beim Transport gebrochen sind, können mit einer dünnen Lehmschicht wieder geklebt werden (oben links). Mit einer Flex werden die Steine passend gemacht, bis jeder Stein einen passenden Platz im Stahlkorb gefunden hat. 16

17 Vorbereiten der Steinkonstruktionen Innere Steinkonstruktion Innerer Stahlkorb in der äußeren Steinkonstruktion Topf in der inneren Steinkonstruktion 17

18 Verbindung der Steinkonstruktionen Um die innere Steinkonstruktion im Ofen zu platzieren, muss diese auf bzw. in die äußere Steinkonstruktion gesetzt werden. Dazu werden vier Aussparungen in die Steine der Bodenfläche der äußeren Steinkonstruktion gesägt, um die Füße, die an der Unterseite des Stahlkorbes der inneren Steinkonstruktion fixiert sind, möglichst passgenau einsetzen zu können. 18

19 Aufbau // Innere Steinkonstruktion I Zum Setzen der Steine muss zunächst der Grubenlehm auf eine maximale Körnung von 7 mm gesiebt. Der feine Lehm wird mit Sand zu einem Lehmmörtel vermischt (Verhältnis Lehm / Sand = 1 / 1,5). Die Steine werden - an den vorbereiteten Stellen eingesetzt und mit dem Lehmmörtel werden die Fugen gefüllt. So wird gewährleistet, dass die Steine dauerhaft stabil und mit direktem Kontakt in den Stahlkörben sitzen und eine gute Wärmeübertragung und -verteilung stattfindet keine Luftisolierschicht zwischen den Steinen. 19

20 Aufbau // Innere Steinkonstruktion II Außerdem wird noch die Messanalytik eingesetzt, d.h. an insgesamt fünf Stellen im Ofen werden Temperaturfühler so platziert, dass die Temperatur der Wände der Steinkonstruktion während der Versuche erfasst werden kann. Aus der Auswertung der so generierten und aufgenommenen Daten kann das thermische Verhalten der Ofenkonstruktion rekonstruiert werden. Abschließend wird die innere Steinkonstruktion noch verputzt. 20

21 Aufbau // Äußere Steinkonstruktion I 21

22 Aufbau // Äußere Steinkonstruktion II 22

23 Isolierschicht I Kleine Stücke Miscanthus geschnitten, gesägt oder gehackt = innen hohl isolierendes Luftpolster + Lehm + Sand.. gut gemischt = Lehm-Stroh/Miscanthus-Verputz = Isolierschicht, zum Dämmen der Wärmeverluste über die Außenwand des Ofens 23

24 Isolierschicht II Die Lehm-Isolierschicht wird ca. 10 cm dick aufgetragen und anschließend mit Wasser glatt gestrichen. 24

25 Aufbau // Fertig Die innere Steinkonstruktion wird mit Tragegurten vorsichtig in die äußere Konstruktion gehoben. 25

26 Deckel // Modellierung I Um den Ofen oben zu schließen und die Abluft aus den Rauchzügen in den Kamin zu leiten, muss ein Deckel geplant und modelliert werden. Dazu werden aus feuerfester Gipsplatte auf die Lehmmauern passende Teile ausgemessen und zugeschnitten. Der innere Teil muss für die Messinstrumente eine Öffnung haben. 26

27 Deckel // Modellierung II Als Vorbereitung werden übrige und/oder kaputte Formsteine zu kleinen Bruchstücken zerschlagen, Lehm gesiebt und eine Schablone, des Rauchzuges im Deckel aus Styropor geschnitten. Die Schablone wird an die Gips-Stücke angepasst. 27

28 Deckel // Modellierung III An die innere Gipsplatte werden flache Stahlstücke befestigt (geschraubt), die später als Haltegriffe dienen sollen. Die Schraubverbindung wird verstärkt, in dem außerdem eine Schicht Hasendraht über die Griffe und die Gipsplatten gespannt befestigt wird. Die einzelnen Gipsteile werden mit Stücken aus Hasendraht miteinander verbunden. Außerdem werden an den Gipsteilen Schrauben befestigt, die später zum Halt des modellierten Teil des Deckels beitragen sollen. 28

29 Deckel // Modellierung IV Dann kann mit dem eigentlichen Modellieren des Deckels begonnen werden. Ziel ist es, einen festen Deckel zu gestalten, der im Inneren die Rauchzüge bis zum Kamin fortsetzt. Dazu wird um die Schablone des Rauchkanals Hasendraht gelegt, auf den dann eine Mischung aus den Bruch-Steinen und Lehm aufgebracht und eingepackt wird. 29

30 Deckel // Modellierung V Und dann: trocknen! Dauert ca. eine Woche. 30

31 Deckel // Nacharbeiten Nach dem Trocknen muss die Styropor-Schablone wieder entfernt werden. Außerdem wird die Unterseite des Deckels mit Gips eben und glatt verputzt. 31

32 Reaktionsraum // Stahlteile + Topf Die Stahlteile der Konstruktion des Reaktionsraums (siehe auch Folie 8) werden einzeln in Auftrag gegeben und anschließend zusammen geschweißt. Zum Schutz vor Korrossion werden die Stahlteile verzinkt. Dann wird die Konstruktion in der inneren Steinkonstruktion gesetzt und mit Lehm verputzt, so dass der Topf passgenau, mit möglichst wenig Luftschicht zwischen Topf und Ofensteinen, eingesetzt werden kann. 32

33 Deckel // Feinarbeiten Damit der Lehm- und der Stahldeckel in montiertem Zustand formschlüssig passen, müssen in die Gipsschicht des Lehmdeckels noch Aussparungen für die Muttern eingesenkt werden. Kontrolle: Aufbau und Deckel passen zusammen! 33

34 Montage der Armaturen und Messanalytik ) Temperatursensor (im Topf) 2) Druckmesser 3) Überdruckventil (0,5 bar) 4) Ablassventil (Kugelhahn) An Leitungskabel der Temperatursensoren werden Stecker gelötet so dass diese an den USB-Datenlogger mit interner Vorschaltplatine angeschlossen werden können. 34

35 Installation des Brenners Als Brenner wird ein selbstgebauter, ringförmiger Biogasbrenner aus dem BiogaST-Projekt* verwendet. Um diesen im unteren Teil des Ofens, dem Brennraum sicher zu platzieren, wird noch eine Halterung angefertigt, die fest mit der Bodenplatte, auf der der Ofen steht verbunden ist. Der Brenner kann in der Höhe verschoben und abgenommen werden. *Der Brenner wurde im Rahmen einer Studienarbeit an der TU konstruiert, gefertigt und getestet. 35

36 Der fertige CaSa-Hygienisierungs-Lehmofen. 36

37 Nachträgliche Umbauten Für die letzten vier Testläufe wird aus der Bodenflächen der inneren Steinkonstruktion ein Stück mit ca. 20 cm Durchmesser entfernt, um zu untersuchen, in wie weit sich dadurch die Dauer der Aufheizung des Topfinneren auf die gewünschte Temperatur verkürzen lässt bzw. in welchem Maße diese Konstruktionsänderung Auswirkungen auf die Temperaturspeicherfähigkeit der Konstruktion zeigt. 37

38 Ingenieure ohne Grenzen e.v. Geschäftsstelle Greifswalder Straße Berlin Telefon: 0049.(0) Telefax: 0049.(0) Regionalgruppe Berlin // Projekt Carbonization and Sanitation // CaSa Projektverantwortliche // Ariane Krause // ariane.krause@ingenieure-ohne-grenzen.org Infos zum Projekt unter // Fotographische Dokumentation // Catherina Clausnitzer Das CaSa-Projekt wird gefördert durch die Heidehof Stiftung, Stuttgart. THE WORK IS PROVIDED UNDER THE TERMS OF CREATIVE COMMONS PUBLIC LICENSE 38