Piec Hoffmanna

Szkic pieca pierścieniowego z wniosku patentowego Friedricha Eduarda Hoffmanna z 1858 roku.

Piec Hoffmanna (także: piec hoffmannowski, piec kręgowy, piec pierścieniowy systemu Hoffmanna) – typ przemysłowego pieca do ciągłego wypału wyrobów ceramicznych, przede wszystkim cegły i dachówki, wynaleziony w połowie XIX wieku przez niemieckiego inżyniera Friedricha Eduarda Hoffmanna. Piec ma postać zamkniętego pierścienia (elipsy lub prostokąta z zaokrąglonymi narożami), podzielonego na szereg komór roboczych, przez które w sposób ciągły „wędruje” strefa ognia, co umożliwia jednoczesne ładowanie, wypał i chłodzenie wsadu w różnych częściach urządzenia. Rozwiązanie to pozwoliło na znaczące zwiększenie wydajności cegielni oraz ograniczenie zużycia paliwa w porównaniu z wcześniejszymi piecami okresowymi.

Piec Hoffmanna w muzeum cegły w Zehdenick (Niemcy)

Historia

Projekt ciągłego pieca pierścieniowego opracował w latach 50. XIX wieku Friedrich Eduard Hoffmann, inżynier budowlany związany z Berlinem. W 1858 roku uzyskał w Prusach i Austrii patent na „okrągły piec do ciągłego wypału wszelkiego rodzaju cegieł, wyrobów ceramicznych, wapna, kredy i materiałów podobnych”. W 1858 roku uruchomiono pierwszy piec według jego systemu w Scholwinie (obecnie Skolwin, dzielnica Szczecina), wówczas na terenie Prus.

Nowy typ pieca stanowił istotną innowację względem stosowanych dotąd pieców komorowych i tzw. pieców butelkowych, które pracowały w cyklu okresowym: załadunek, wypał, wychłodzenie i rozładunek. W piecu Hoffmanna proces wypału stał się ciągły, a ciepło spalin i gorących wyrobów zaczęto systematycznie odzyskiwać do wstępnego podgrzewania wsadu i powietrza do spalania, co według późniejszych analiz pozwalało na znaczną poprawę sprawności energetycznej w stosunku do ówczesnych pieców komorowych.

Ze względu na rosnący popyt na cegłę podczas szybkiej urbanizacji i rozwoju kolei, piece Hoffmanna były intensywnie budowane w krajach europejskich już w latach 60.–70. XIX wieku. W samej Europie w ciągu kilkunastu lat od wprowadzenia systemu powstały setki pieców kręgowych tego typu, z czego duża część w Prusach. W kolejnych dekadach system rozpowszechnił się również poza Europą – m.in. w Ameryce Północnej, w koloniach europejskich oraz w Azji Południowej i Południowo-Wschodniej, gdzie do dziś stanowi jedną z najpopularniejszych technologii wypału cegły.

Pierwotnie piec Hoffmanna przeznaczony był do wypału ceramiki budowlanej, lecz od lat 60. XIX wieku opracowywano jego modyfikacje do wypału wapna i gipsu; mimo innego przeznaczenia potocznie nadal określano je mianem „Hoffmanów”. W drugiej połowie XIX wieku piece tego typu stały się standardowym wyposażeniem nowoczesnych cegielni i wapienników na ziemiach niemieckich, a następnie na ziemiach polskich.

Piec Hoffmanna w Großtreben (Niemcy)

Na ziemiach polskich (w zaborach i później w II Rzeczypospolitej) piece Hoffmanna pojawiały się w nowych zakładach klinkierniczych i cegielniach od lat 60.–80. XIX wieku, m.in. w fabryce klinkieru w Nowogrodźcu koło Bolesławca oraz w wapienniku w Płazie koło Chrzanowa. Jeszcze w drugiej połowie XX wieku w Polsce funkcjonowało wiele pieców kręgowych w starszych zakładach ceramicznych, stopniowo zastępowanych przez piece tunelowe.

Budowa

Piec Hoffmanna ma formę masywnej, murowanej budowli na planie zbliżonym do elipsy lub prostokąta z zaokrąglonymi narożnikami, otaczającej centralny komin lub zespół kominów. Wewnątrz obiektu znajduje się zamknięty w sobie kanał ogniowy o przekroju sklepionego korytarza, tworzący pierścień podzielony funkcjonalnie na szereg kolejnych komór (segmentów).

Typowe wymiary kanału ogniowego podawane w literaturze to szerokość około 3–5 m i wysokość 2–2,8 m, przy długości całkowitej rzędu 60–200 m – w zależności od liczby komór i zakładanej wydajności pieca. Komory oddzielone są od siebie jedynie umownymi granicami wynikającymi z usytuowania furtek załadowczych i kanałów spalin, a nie stałymi ścianami, co umożliwia „przesuwanie się” strefy ognia.

W zewnętrznej ścianie pieca (tzw. murze oporowym) rozmieszczone są w równych odstępach wejścia do komór, zwane furtami, służące do załadunku i rozładunku pieca. Furty sklepione są półkoliście, a po załadunku komory są czasowo zamurowywane. W sklepieniu kanału ogniowego znajdują się otwory zasypowe, przez które w trakcie pracy pieca wsypuje się paliwo (węgiel lub koks). W ścianach wewnętrznych i zewnętrznych rozmieszczone są dymniki – pionowe kanały łączące komory z głównym kanałem spalinowym prowadzącym do komina; każdy dymnik może być odcinany lub otwierany za pomocą zaworów umieszczonych na stropie pieca.

Konstrukcja pieca uwzględnia zjawisko rozszerzalności cieplnej. Zewnętrzna ściana jest często lekko odchylona do wnętrza kanału ogniowego, a ściany zewnętrzna i wewnętrzna nie są ze sobą sztywno powiązane, tworząc szczeliny dylatacyjne, co umożliwia ich „pracę” podczas nagrzewania i studzenia pieca. Stropy i ściany kanału wykonywano z cegły szamotowej lub innych materiałów ogniotrwałych, zwłaszcza w piecach przeznaczonych do wysokotemperaturowego wypału klinkieru czy materiałów ogniotrwałych.

Zasada działania

Piec Hoffmanna to piec ciągły z wędrującą strefą ognia. Kanał ogniowy dzieli się umownie na kilka stref technologicznych odpowiadających kolejnym etapom procesu wypału: strefę chłodzenia, strefę wypału (ognia) oraz strefę wstępnego podgrzewania (suszenia) surowych wyrobów.

W praktyce eksploatacji poszczególne komory mają kolejno różne funkcje:

• w komorach chłodzących znajdują się świeżo wypalone wyroby, które oddają ciepło przepływającemu przez nie powietrzu,
• w komorach wypałowych utrzymuje się strefę ognia; przez otwory w sklepieniu okresowo dosypuje się paliwo, a intensywność spalania reguluje się dopływem powietrza przez otwory w dolnej części zamurowanych furtek,
• w komorach poprzedzających strefę ognia umieszczone są surowe, wysuszone cegły, które pod wpływem gorących spalin i powietrza są wstępnie nagrzewane do temperatury zbliżonej do temperatury wypału.

Po zakończeniu wypału w danej komorze dopływ paliwa do jej strefy stopniowo się ogranicza, a paliwo zaczyna być dozowane do kolejnej komory w kierunku ruchu ognia; odpowiednio przestawia się też układ otwartych dymników i zasuw powietrznych. W ten sposób strefa wysokiej temperatury stopniowo „przesuwa się” wokół pierścienia, a cały piec pracuje praktycznie bez wygaszania przez wiele miesięcy lub lat, z przerwami jedynie na remonty. Pełny obieg strefy ognia wokół kanału ogniowego trwa od około tygodnia do kilku tygodni, zależnie od wielkości i typu pieca.

Temperatura w strefie wypału cegieł ceramicznych sięga zazwyczaj 1000–1100 °C, a w przypadku wypału wapna i gipsu jest odpowiednio niższa. Dzięki przepływowi powietrza przez gorące wyroby i wykorzystaniu ciepła spalin do suszenia oraz wstępnego nagrzewania wsadu, znacząca część energii jest odzyskiwana, co odróżnia piece Hoffmanna od prostszych konstrukcji okresowych.

Piec Hoffmanna wymaga odpowiednich umiejętności operatora (mistrza piecowego). Zbyt wysoka temperatura prowadzi do deformacji cegieł, natomiast zbyt niska skutkuje powstawaniem wyrobów słabych i porowatych. Z kolei zbyt szybkie nagrzewanie lub chłodzenie powoduje powstawanie spękanych, wygiętych bądź skręconych cegieł. O zakończeniu wypału operator pieca decydował na podstawie prób, pomiarów skurczu oraz obserwacji stożków Segera. W dobrze prowadzonym piecu Hoffmanna średnio jedynie około 3% cegieł ulegało zniszczeniu, natomiast przy gorszym zarządzaniu odsetek ten mógł sięgać nawet 50%.

Schemat działania

Schemat działania pieca. Lewa część pokazuje piec z góry, prawa – przekrój A–B.

Świeże powietrze jest zasysane do pieca przy już wypalonych cegłach (C) i chłodzi je, jednocześnie samo się ogrzewając. W rejonie wypalonych cegieł otwory pieca są wciąż zamurowane (D), tak by powietrze pobrane w (C) dotarło przez już wypalone cegły (E) do strefy spalania (F).

W strefie spalania (F) doprowadza się węgiel (P), który wraz ze strumieniem powietrza tworzy ogień. Spaliny ze spalania (H) ogrzewają i suszą cegły, które jeszcze nie zostały wypalone. W ten sposób spaliny się schładzają, po czym poprzez kanał spalinowy i otwartą przepustnicę (N) są prowadzone do komina (O). Pozostałe przepustnice są zamknięte.

Za otwartym kanałem spalinowym strumień powietrza jest blokowany przez lekkie ścianki (K), które wypalają się (I), gdy otwiera się najbliższy kanał. Dzięki temu spaliny uzyskują dostęp do niewypalonej cegły (M).

Do pieca wprowadza się surową, niewypaloną cegłę (R), którą ręcznie układa się w piecu, rozdzielając ją palnymi ściankami (J); w tym samym cyklu roboczym można jednocześnie wyjąć z pieca cegłę wypaloną (S).

Strefa wypału przesuwa się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara przez odpowiednie zamurowywanie (L) i otwieranie (C) otworów w bokach pieca. Pełny cykl może zająć 14 dni.

Zastosowania

Pierwotnym i najważniejszym zastosowaniem pieców Hoffmanna był wypał cegły ceramicznej pełnej, a następnie także cegły drążonej, kształtek, dachówek i innych wyrobów ceramiki budowlanej. W literaturze technicznej i materiałach producentów współczesnych instalacji podkreśla się, że w piecach tego typu wypalać można także grubą ceramikę techniczną oraz niektóre gliniane materiały ogniotrwałe.

Od lat 60. XIX wieku system Hoffmanna zaczęto przystosowywać również do wypału wapna i gipsu, co znalazło zastosowanie m.in. w wapienniku w Płazie i innych ośrodkach przemysłu wapienniczego. W niektórych zakładach budowano dwa lub więcej pieców pierścieniowych o różnym przeznaczeniu (osobne dla klinkieru, cegły budowlanej i wapna).

Typowa roczna wydajność klasycznego pieca Hoffmanna w XIX i na początku XX wieku liczona była w milionach sztuk cegły – w zależności od liczby komór i organizacji pracy; w dużych zakładach nowoczesne piece tego typu mogły wytwarzać do kilku milionów cegieł rocznie. Współczesne odmiany hybrydowe, stosowane m.in. w Azji Południowej, osiągają wydajność rzędu kilkunastu–kilkudziesięciu milionów cegieł rocznie.

Znaczenie i ocena

Wprowadzenie pieca Hoffmanna stanowiło istotny krok w rozwoju przemysłu ceramiki budowlanej. Dzięki ciągłemu charakterowi pracy, odzyskiwaniu ciepła oraz lepszej kontroli nad przebiegiem procesu piece te zapewniały wyroby o bardziej powtarzalnej jakości niż piece komorowe, w których każde wypalenie miało charakter odrębnego cyklu. Stała dostępność ciepła i możliwość prowadzenia wypału praktycznie przez całą dobę umożliwiły znaczące zwiększenie produkcji cegły i dachówki w okresie szybkiego rozwoju miast i kolejnictwa w XIX wieku.

Zastosowanie systemu Hoffmanna pozwalało na redukcję zużycia paliwa w porównaniu z ówczesnymi piecami okresowymi, co przekładało się zarówno na niższe koszty produkcji, jak i mniejsze obciążenie środowiska lokalnego. W wielu regionach (np. na Śląsku, w Saksonii czy w rejonie Bangladeszu) piece pierścieniowe stały się podstawą lokalnych układów osadniczych, skupiając wokół siebie osiedla robotnicze i infrastrukturę transportową.

Do wad pieców Hoffmanna zalicza się dużą pracochłonność tradycyjnej eksploatacji (ręczne układanie wsadu, ręczne dozowanie paliwa, konieczność stałego nadzoru pieca), znaczną emisję pyłów i gazów spalinowych w starszych obiektach oraz ograniczone możliwości pełnej automatyzacji w porównaniu z nowoczesnymi piecami tunelowymi. Z tych względów w krajach wysoko uprzemysłowionych od drugiej połowy XX wieku system Hoffmanna był stopniowo wypierany przez piece tunelowe i inne konstrukcje ciągłe o wyższej sprawności energetycznej oraz mniejszej pracochłonności.

Współczesne odmiany i stan zachowania

W wielu krajach rozwijających się klasyczne piece Hoffmanna nadal odgrywają ważną rolę w produkcji cegły, często w postaci zmodernizowanych wariantów, które wykorzystują lepsze systemy odzysku ciepła i inne rodzaje paliwa. Jednym z takich rozwiązań jest tzw. Hybrid Hoffmann Kiln (HHK), opracowany i rozpowszechniony w Chinach, w którym część paliwa miesza się z gliną już na etapie formowania cegieł, a ciepło spalin wykorzystuje się w sąsiednich suszarniach tunelowych do wstępnego suszenia wsadu. Według danych z raportów branżowych piece HHK wprowadzono m.in. w Indiach i Bangladeszu, gdzie stanowią one alternatywę dla mniej efektywnych technologii wypału cegły.

W Europie większość klasycznych pieców Hoffmanna zakończyła pracę w drugiej połowie XX wieku i na początku XXI wieku. Część z nich zachowała się jako nieczynne obiekty poprzemysłowe, często wpisane do rejestrów zabytków i adaptowane do funkcji muzealnych, ekspozycyjnych lub turystycznych.

Wybrane obiekty

Wśród zachowanych pieców Hoffmanna (kręgowych) wymienia się m.in.:

• Piec kręgowy Hoffmanna w Płazie – pierścieniowy wapiennik z 1892 roku, zlokalizowany na terenie dawnego zakładu wapienniczego w Płazie (województwo małopolskie), wpisany do rejestru zabytków województwa małopolskiego.
• Dawna cegielnia i klinkiernia w Nowogrodźcu – zespół zabudowań przemysłowych z drugiej połowy XIX wieku, wyposażony w nowoczesny jak na swój czas piec Hoffmanna; współcześnie obiekt stanowi przykład dziedzictwa przemysłowego z bogatą dekoracją ceramiczną elewacji.
• Cegielnia z piecem pierścieniowym systemu Hoffmanna w Nendeln (Liechtenstein) – zachowany piec kręgowy w dawnej cegielni w Nendeln, udostępniany jako zabytek techniki i element dziedzictwa przemysłowego kraju.
• inne zachowane piece kręgowe systemu Hoffmanna w Europie i poza nią, często wpisane do rejestrów zabytków jako przykłady XIX-wiecznej architektury przemysłowej.

Terminologia

W polskojęzycznej literaturze i dokumentacji zabytków stosuje się kilka równoważnych określeń: piec Hoffmanna, piec hoffmanowski, piec kręgowy lub piec pierścieniowy systemu Hoffmanna; poza Polską rozpowszechnione są odpowiedniki w innych językach, np. ang. Hoffmann kiln lub Hoffmann ring oven, niem. Hoffmannscher Ringofen.

Zobacz też

• Cegielnia

Bibliografia

• Kris De Decker, Rings of Fire: Hoffmann Kilns, „Low-tech Magazine”, 19 października 2009, [online].
• Energy & Resource Mapping of MSME Brick Sector, Bureau of Energy Efficiency, [online].
• Ewa Łukaszewicz-Jędrzejewska, „Funkcje dekoracji ceramicznej w przestrzeni industrialnej dawnej cegielni w Nowogrodźcu koło Bolesławca (1864–2012)”, „Szkło i Ceramika”, 2017, [online].
• Materiały Narodowego Instytutu Dziedzictwa i serwisu zabytek.pl dotyczące pieca wapienniczego typu Hoffmann w Płazie, [online].
• Piec kręgowy „Hoffman”, czyli rewolucyjny wynalazek, blog „Turystyka Niecodzienna”, wpis z 28 maja 2022, [online].
• Brick-factory and Hoffmann ring kiln in Nendeln, broszura informacyjna Amt für Kultur Liechtenstein, [online].
• Newsletter nr 17, marzec 2008, Beralmar Tecnologic, [online].

Linki zewnętrzne

• Artykuł „Rings of Fire: Hoffmann Kilns” w „Low-tech Magazine” (ang.)
• Newsletter Beralmar nr 17 (2008) – artykuł o 150-leciu pieca Hoffmanna
• Opis pieca kręgowego „Hoffman” na blogu „Turystyka Niecodzienna”
• Artykuł naukowy o cegielni w Nowogrodźcu w czasopiśmie „Szkło i Ceramika”
• Karta zabytku – piec wapienniczy typu Hoffmann w Płazie na zabytek.pl
• Informacja o piecu pierścieniowym systemu Hoffmanna w Nendeln (PDF) (ang.)
• Cegielnia Hoffmanowska w Kraśniku dysponująca czynnym piecem Hoffmanna