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5
2009
GASWÄRME
International
http://www.gaswaerme-online.de
Schwerpunkt
Brenner und Feuerungen
Intelligente Abwärmenutzung durch
Dampferzeugung an Industrieöfen
Rational waste-heat utilization for steam generation in industrial furnaces
Dipl.-Ing. Ralf Granderath, Tenova Italimpianti Deutschland GmbH, Düsseldorf
erschienen in
GASWÄRME International 5/2009
Vulkan-Verlag GmbH, Essen
Ansprechpartner: Stephan Schalm, Telefon 0201/82002-12, E-Mail: s.schalm@vulkan-verlag.de

FACHBERICHTE
Intelligente Abwärmenutzung durch
Dampferzeugung an Industrieöfen
Rational waste-heat utilization for steam generation in industrial furnaces
Von Ralf Granderath
Es gibt zahlreiche sinnvolle Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz
von Thermoprozessanlagen. Neben den primären Optimierungsmaßnahmen
auf der Energieeintragseite, die die Energieausnutzung im eigentlichen Thermoprozess
verbessern sollen, kann darüber hinaus auch auf der Seite des Energieaustrages
der Energiebilanz Abwärme sinnvoll genutzt werden. Dampferzeugung
aus Abwärme ist eine sinnvolle Möglichkeit der Wärmerückgewinnung.
Dampf ist ein vielseitig verwendbarer Energieträger, mit dem man einfach Abwärme
anderen produktionsnahen Prozessen zuführen kann. Auch die Nutzung
von Abwärme zur Erzeugung elektrischer Energie ist so durchaus sinnvoll. Der
Beitrag beleuchtet die Abwärmepotenziale von Thermoprozessen sowie technische
Ansatzpunkte und arbeitet die Energieverwendung als Kernpunkt von
Wärmerückgewinnungskonzepten heraus. Ein Schwerpunkt liegt in der Verwendung
von ORC Turbinen zur Stromerzeugung. Abschließend wird die Abwärmenutzung
hinter einem Elektrolichtbogenofen als Fallbeispiel dargestellt.
There are numerous rational methods of improving the energy-efficiency of
thermal processing systems. In addition to the primary optimization provisions
on the energy-input side, which are aimed at improving energy efficiency in the
thermal process itself, waste-heat can also be rationally utilized on the energyoutput
side of the energy balance. The use of waste-heat for generation of
steam is one such rational potential for recovery of heat. Steam is a highly
versatile source of energy which enables one to feed otherwise wasted heat to
other production-associated processes in a simple manner. The use of wasteheat
for generation of electrical energy is therefore also entirely rational. This
article illustrates the waste-heat potential of thermal processes and technical
approaches, focusing on energy utilization as the vital core of heat-recovery
strategies. An important emphasis is also on the use of ORC turbines for generation
of electricity. The article concludes with an examination of a specific case,
the utilization of waste-heat downstream an electric arc furnace (EAF).
liegen, als die Kosten für die Rückgewinnung
der gleichen Energiemenge.
Im Rahmen einer ganzheitlichen Betrachtung
ist also bei Erreichung eines
guten technischen Standes für den Bereich
Brenner und Feuerung zu untersuchen,
ob das nunmehr größte Effizienzsteigerungspotenzial
in einer weiteren
Optimierung der Energieeinbringung
oder nicht vielmehr aus der Seite des
Energieaustrags, sprich Wärmerückgewinnung,
zu erreichen ist.
Potenziale zur Wärmerückgewinnung
Potenzial zur Wärmerückgewinnung
bietet sich primär an zwei Ansatzpunkten:
a) Bauteile, die zwingend gekühlt werden
müssen und im gegenwärtigen
Stand regelmäßig mit Kühlwasser
zwischen 30–100 °C gekühlt werden.
Beispiele sind Ofenkörper, Ofendeckel
und Tragrohrsysteme für verschiedenste
Industrieöfen, dazu Abgaskanäle,
die Temperaturen von > 600 °C
standhalten müssen.
Z
iel einer jeden Optimierung im Bereich
Feuerung und Brenner ist entweder
die Optimierung des Verbrennungsvorgangs
zur Steigerung der – wie
auch immer definierten – Produktqualität
oder die Senkung des Energieeinsatzes,
wobei in den aktuellen Diskussionen
der Aspekt der Energieeffizienz
deutlich im Vordergrund steht.
So groß die Fortschritte und Potenziale
durch unterschiedlichste Maßnahmen
auf der Seite der Energieeinbringung
auch sind, es bleiben trotzdem erhebliche
Mengen Energie in Abgas und ggf.
Kühlwasser des jeweiligen Prozesses zurück.
Aus technischer Sicht steht die Wärmerückgewinnung
stets hinter der Optimierung
der Feuerung eines Thermoprozesses
zurück. Selbstverständlich ist jedes
Kilowatt, das weniger verbraucht
wird, besser als ein Kilowatt, das zusätzlich
zurückgewonnen werden kann.
Aus ökonomischer Sicht ist ebenso
selbstverständlich zu fragen, ob die Kosten
für die Einsparung einer bestimmten
zusätzlichen Energiemenge nicht höher
b) Abgase, die mit einem Temperaturniveau
von > 180 – 200 °C ungenutzt
bleiben.
Es gibt eine Reihe weiterer Quellen von
Wärmeverlusten bei thermischen Prozessen:
Abstrahlungen von Gehäusen,
Wärmeverluste des erhitzten Gutes auf
dem Weg zum nächsten Bearbeitungsschritt,
Schlacke und andere Abfallprodukte
mit hohen Temperaturen, um nur
einige Beispiele zu nennen.
In der Praxis zeigt sich jedoch immer
wieder, dass die genannten Punkte
Kühlwasser und Abgase den weitaus
größten Teil der Abwärmeverluste auf
sich vereinen. Beispielhaft zeigt dies die
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FACHBERICHTE
Bild 1: Sankey Diagramm eines E-Ofens
Fig. 1: Sankey diagram of an EAF
Energiebilanz eines Elektro-Lichtbogenofens
in Bild 1.
Wärmerückgewinnung aus den kleineren
Quellen ist derzeit zumeist nicht wirtschaftlich;
wenngleich diese Aussage bei
weiter steigenden Energiepreisen infrage
gestellt werden muss und zudem sicherlich
Ideen existieren, wie man in Einzelfällen
auch kleinere Quellen in ein System
integrieren kann.
Temperaturniveau als zentrale
Frage der Nutzung
Die Frage der Nutzbarmachung der hier
nutzlos an die Atmosphäre abgegebenen
Energie ist eng verbunden mit der
Frage des Temperaturniveaus. Wenn
15 MW aus dem gekühlten Abgaskanal
eines Elektro-Lichtbogen-Ofens abgeführt
werden, so ist es im ersten Moment
gleichgültig, ob das Kühlwasser
von 20 °C auf 40 °C oder bei einer entsprechenden
Druckstufe von 180 °C auf
200 °C erhitzt wird. Nur: Welche Verwendung
besteht für Wasser von 40 °C?
Das Beispiel der Erwärmung von Fischzuchtteichen
zum schnelleren Wachstum
der Fische wird immer wieder gerne zitiert
und ist zweifelsohne ein Beweis für
das Potenzial kreativer Lösungen – allerdings
liegen die wenigsten Thermoprozess-Anlagen
in der Nähe eines Fischzuchtbetriebes.
In der Praxis wird sich in den meisten Fällen
zumeist keine Verwendung finden
lassen, das Kühlwasser über Wasser-Luft-
Wärmetauscher zurückgekühlt und die
Energie (aus Sicht der Anlage) vernichtet.
Regelmäßig zu finden sind Anlagen, bei
denen Wasser mit entsprechendem
Druck auf Temperaturen von deutlich
über 100 °C erhitzt wird.
Anwendungsfälle hier sind Heizung
(werksintern oder Einspeisung in öffentliche
Fernwärmenetze), Speisewasservorwärmung,
Heißwasserverbraucher
wie Duschen oder Werkskantinen.
Unter dem Aspekt der Energieeffizienz
betrachtet einwandfrei, sofern
a) die Mengenverhältnisse zueinander
passen
b) die Wärmeabnahme über das Jahr
und über den 24 h-Zyklus hinweg
konstant ist.
Es gibt Beispiele, in denen Heißwasser
aus einem Industrieofen vollständig zur
Vorwärmung des Speisewassers eines
nahegelegenen Kraftwerks verwendet
wird. Sehr viel häufiger finden sich aber
Verbrauchskurven wie in Bild 2.
Das zur Verfügung stehende Heißwasser
von 185 °C aus dem Abhitzekessel hinter
einem Hubbalkenofen wird von drei
Heizkreisläufen zur Hallenheizung in den
Wintermonaten sinnvoll ausgenutzt. Im
Sommer dagegen ist die Nachfrage
(trotz duschender Mitarbeiter) praktisch
Null und die Gesamteffizienz stark eingeschränkt.
Bild 2: Wärmenachfrage eines Stahlwerks für Heizenergie
Fig. 2: Heat consumption of a steel plant for heating purposes
Dampferzeugung als „best
practice“ der Wärmerückgewinnung
Die flexibelste Art, Wärme zurückzugewinnen,
ist Dampferzeugung.
Dampf als Energieträger bietet verschiedene
Vorteile:
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FACHBERICHTE
– Vielfältige Nutzungsmöglichkeiten.
– Sehr weiter Temperaturbereich.
– Vergleichsweise einfach zu transportieren.
– Wasser als ungiftiger und leicht verfügbarer
Grundstoff.
– Sehr bewährte Technik.
In vielen Betrieben wird Dampf bereits
genutzt, z. B. zur Stahlentgasung, Stahlbeize,
Kälteerzeugung, Drucklufterzeugung
(und Kompressorenantrieb allgemein),
Sauerstoffproduktion, Vulkanisation
und ebenfalls wieder zu Heizzwecken
(Bild 3).
Generell gilt: Am wirtschaftlichsten ist
Dampferzeugung aus Abwärme immer
dann, wenn per Kesselhaus/Erdgasverbrennung
erzeugter Dampf ersetzt
werden kann.
Die Produktionskosten einer Tonne
Dampf in einem industrietypischen Kesselhaus
liegen zwischen 22 – 27 €, wenn
die Erzeugung hier gegen Null reduziert
werden kann, ist das Einsparpotenzial
und somit die Amortisationszeit einer
Abwärmenutzung sehr leicht zu berechnen.
Allerdings zeigt sich gerade bei Stahloder
Walzwerken und Erzeugern in der
Nicht-Eisen-Metallurgie regelmäßig, dass
erheblich mehr Potenzial für Wärmerückgewinnung
besteht, als an Prozessdampf
im Werk nachgefragt wird.
Ein Patentrezept zur weitergehenden
Dampfnutzung gibt es nicht; die Dampfmengen
und Einsatzmöglichkeiten sind
für jeden Anwendungsfall zu analysieren.
Es lassen sich drei Aussagen festhalten:
a) Sehr oft wird eine Baukastenlösung
erforderlich, die Teilmengen erzeugten
Dampfes verschiedenen Verwendungen
zuführt.
b) Eine sinnvolle Lösung erfordert Kreativität
und einen nicht zu unterschätzenden
Planungs- und Analyseaufwand.
c) Was immer geht, ist Stromerzeugung,
allerdings ist eine gewisse Mindestgröße
für wirtschaftliche Nutzung erforderlich.
Beispielsweise kann sich ein Blick in die
Nachbarschaft lohnen: Die Wahrscheinlichkeit,
dass neben einer großen Thermoprozess-Anlage
z. B. Reifen oder Gasbetonsteine
hergestellt werden, ist si-
Bild 3:
Möglichkeiten der
Dampfverwendung
Fig. 3:
Possibilities for steam
usage
cherlich höher als die einer Fischzucht –
und für beide Produktionen werden große
Dampfmengen benötigt.
Stromerzeugung aus Abwärme
Bild 4: Wirkungsgrade im Teillastbetrieb einer ORC Turbine
Fig. 4: Partial load efficiency of an ORC turbine
Stromerzeugung aus Abwärme weist gewisse
prinzipielle Schwierigkeiten auf,
denen sich das klassische Kraftwerk
nicht ausgesetzt sieht:
– Das Energieangebot kann unregelmäßig
sein, z. B. bei Anlagen mit Batchoder
Chargenbetrieb.
– Die Stromerzeugung hat als Nachfrager
eine geringere Priorität als Prozessdampfverbraucher
(da die Prozessdampfverdrängung
wie gesagt immer
wirtschaftlicher ist). Der Prozessdampfverbrauch
stellt sich in vielen Fällen jedoch
ebenfalls als ein nicht kontinuierlicher
Verbrauch dar.
– Die Stromerzeugung ist nicht das primäre
Ziel, sondern nur „Abfallverwertung“.
In anderen Worten, es ist nicht
sinnvoll, einen Ofen in Betrieb zu halten,
um Strom zu produzieren.
– Überhitzter Dampf kann in Anlagen
mit einem Chargenbetrieb nicht (konstant)
zur Verfügung gestellt werden.
In der Summe ergeben sich oftmals
schwankende Dampfmengen mit Leerlaufphasen
(z. B. Anlagen mit Wochenendstillständen,
Wartungsstillstände)
und Sattdampf zwischen z. B. 15 – 30 bar
als Dampfqualität.
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FACHBERICHTE
Bild 5: E-Ofen: Abgaskanal mit Ofen
Fig. 5: EAF: Waste gas duct and furnace
Die klassische Dampfturbine arbeitet jedoch
bei Betrieb mit Auslegungsmenge
effizient, verliert aber stark im Teillastbetrieb
und ist nach einem Stillstand relativ
aufwändig mit verschiedenen manuellen
Schritten wieder anzufahren.
Vor allem jedoch: Effiziente Wirkungsgrade
von > = 25 % werden nur mit
überhitztem Dampf erzielt, Sattdampfturbinen
dagegen kommen kaum über
Wirkungsgrade von 10 % hinaus.
ORC-Turbinen als Alternative
Auf der Suche nach Lösungen für diese
Probleme springt ein alternatives Turbinenkonzept
ins Auge: Die ORC-Turbine
(Organic Rankine Cycle) arbeitet aufgrund
einer niedrigeren Energiedichte im
Arbeitsmedium mit relativ großen Massenströmen
und einer daraus resultierenden
niedrigen Turbinendrehzahl. Dadurch
ergibt sich eine einfache Bauweise
der Turbine bei einem guten inneren
Wirkungsgrad der Turbine. Darüber hinaus
weist das Arbeitsmedium der ORC
Turbine einen günstigeren Verlauf der TS
Kurve auf, sodass auf der Abdampfseite
zu keinem Zeitpunkt ein zu großer Flüssigphasenanteil
auftreten kann. Bei
Dampfturbinen würde ein zu großer
Wasseranteil im Nassdampf zu einer
Schädigung der Turbine führen, dies ist
bei der ORC Turbine nicht der Fall. Dies
alles führt zu einem deutlich besseren
Teillastverhalten der ORC Turbine gegenüber
einer Dampfturbine. Moderne Ausführungen
verfügen über ein vollautomatisches
Start-Stop-System und erreichen
Wirkungsgrade von ca. 20 %. Die
Wirkungsgrade im Teillastbetrieb sind in
Bild 4 dargestellt.
Dieser Wirkungsgrad ist zwar deutlich
niedriger als bei einer im Optimum arbeitenden
Dampfturbine, allerdings höher
als das, was sich mit einer Dampfturbine
unter den dargestellten Einsatzbedingungen
effektiv erzielen lässt.
ORC-Turbinen sind faktischer Standard
für die Einsatzgebiete Biomasse- und
Blockheizkraftwerke und daher sehr bewährt.
Hier kommt durchgängig Thermoöl
als Energieträger zum Einsatz, weshalb
oft die Annahme zu hören ist, dass
ORC-Turbinen an Thermoöl gebunden
sind. Dies ist aber nicht richtig; im Gegenteil
sind ORC-Turbinen fast beliebig
mit heißem Wasser, Sattdampf, überhitztem
Dampf oder eben Thermoöl zu betreiben.
Zusammenfassend sollte diese Technologie
von jedem Betreiber mit 5 – 30 MW
thermischer Energie in der Abwärme
und den genannten Einsatzbedingungen
zumindest sorgfältig geprüft werden.
Fallbeispiel Elektrolichtbogenofen
Ein Fallbeispiel für die dargestellten Probleme
einer Abwärmenutzung ist das im
Jahr 2009 in Betrieb gegangene Abgaskühlsystem
eines Elektrolichtbogenofens.
Der Ofen produziert Abgastemperaturen
bis zu 1 800 °C, zusätzlich enthält
das Abgas brennbare Anteile, die
noch im Abgaskanal verbrennen, und
flüssige Schlacke- und Stahlanteile.
Die bisherige Kühlung geschah über ein
Mischsystem aus Kaltwasserkühlung für
das am stärksten belastete erste Element
des Abgaskanals und einer älteren Heißkühlung
für die weitere Strecke. Dieses
System wies nach ca. 25 Betriebsjahren
deutliche Verschleißspuren auf, zudem
war es wenig wartungsfreundlich. Die
aufgenommene Wärme konnte aufgrund
der diskontinuierlichen Fahrweise
des E-Ofens nicht genutzt werden.
Die neu errichtete Heißkühlung des Abgaskanals
produziert aus einer durchschnittlichen
Abgaswärme von 29 MW
eine durchschnittliche Dampfmenge von
22 t/h. In der Spitze wird eine Dampfmenge
von bis zu 80 t/h erzeugt. Dabei
werden die Abgase auf eine Temperatur
von ca. 600 °C abgekühlt. Der erzeugte
Dampf wird verschiedenen Verbrauchern
zur Verfügung gestellt, von denen die
Vakuum-Stahlentgasung der größte ist.
Die Dampfnachfrage dieses Verbrauchers
fällt jedoch zeitlich und mengenmäßig
mit der Dampfproduktion des
Ofens auseinander: Dieses Problem wurde
durch den Einsatz von Ruth-Dampfspeichern
gelöst, die das Entgasen von
zwei vollen Chargen selbst dann noch
ermöglichen, wenn der E-Ofen die Produktion
gestoppt hat (Bild 5). Der Erdgasverbrauch
im Kesselhaus für die im
Werk vorhandenen Dampferzeuger
konnte seit der Inbetriebnahme der Anlage
extrem gesenkt werden.
y
Dipl.-Ing. Ralf Granderath
Tenova Italimpianti Deutschland
GmbH, Düsseldorf
Tel. 0211/54097645
E-Mail:
ralf.granderath@
loi-italimpianti.de
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