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5<br />

2009<br />

GASWÄRME<br />

International<br />

http://www.gaswaerme-online.de<br />

Schwerpunkt<br />

Brenner und Feuerungen<br />

Intelligente Abwärmenutzung durch<br />

Dampferzeugung an Industrieöfen<br />

Rational waste-heat utilization for steam generation in industrial furnaces<br />

Dipl.-Ing. Ralf Granderath, <strong>Tenova</strong> Italimpianti Deutschland <strong>GmbH</strong>, Düsseldorf<br />

erschienen in<br />

GASWÄRME International 5/2009<br />

Vulkan-Verlag <strong>GmbH</strong>, Essen<br />

Ansprechpartner: Stephan Schalm, Telefon 0201/82002-12, E-Mail: s.schalm@vulkan-verlag.de


FACHBERICHTE<br />

Intelligente Abwärmenutzung durch<br />

Dampferzeugung an Industrieöfen<br />

Rational waste-heat utilization for steam generation in industrial furnaces<br />

Von Ralf Granderath<br />

Es gibt zahlreiche sinnvolle Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz<br />

von Thermoprozessanlagen. Neben den primären Optimierungsmaßnahmen<br />

auf der Energieeintragseite, die die Energieausnutzung im eigentlichen Thermoprozess<br />

verbessern sollen, kann darüber hinaus auch auf der Seite des Energieaustrages<br />

der Energiebilanz Abwärme sinnvoll genutzt werden. Dampferzeugung<br />

aus Abwärme ist eine sinnvolle Möglichkeit der Wärmerückgewinnung.<br />

Dampf ist ein vielseitig verwendbarer Energieträger, mit dem man einfach Abwärme<br />

anderen produktionsnahen Prozessen zuführen kann. Auch die Nutzung<br />

von Abwärme zur Erzeugung elektrischer Energie ist so durchaus sinnvoll. Der<br />

Beitrag beleuchtet die Abwärmepotenziale von Thermoprozessen sowie technische<br />

Ansatzpunkte und arbeitet die Energieverwendung als Kernpunkt von<br />

Wärmerückgewinnungskonzepten heraus. Ein Schwerpunkt liegt in der Verwendung<br />

von ORC Turbinen zur Stromerzeugung. Abschließend wird die Abwärmenutzung<br />

hinter einem Elektrolichtbogenofen als Fallbeispiel dargestellt.<br />

There are numerous rational methods of improving the energy-efficiency of<br />

thermal processing systems. In addition to the primary optimization provisions<br />

on the energy-input side, which are aimed at improving energy efficiency in the<br />

thermal process itself, waste-heat can also be rationally utilized on the energyoutput<br />

side of the energy balance. The use of waste-heat for generation of<br />

steam is one such rational potential for recovery of heat. Steam is a highly<br />

versatile source of energy which enables one to feed otherwise wasted heat to<br />

other production-associated processes in a simple manner. The use of wasteheat<br />

for generation of electrical energy is therefore also entirely rational. This<br />

article illustrates the waste-heat potential of thermal processes and technical<br />

approaches, focusing on energy utilization as the vital core of heat-recovery<br />

strategies. An important emphasis is also on the use of ORC turbines for generation<br />

of electricity. The article concludes with an examination of a specific case,<br />

the utilization of waste-heat downstream an electric arc furnace (EAF).<br />

liegen, als die Kosten für die Rückgewinnung<br />

der gleichen Energiemenge.<br />

Im Rahmen einer ganzheitlichen Betrachtung<br />

ist also bei Erreichung eines<br />

guten technischen Standes für den Bereich<br />

Brenner und Feuerung zu untersuchen,<br />

ob das nunmehr größte Effizienzsteigerungspotenzial<br />

in einer weiteren<br />

Optimierung der Energieeinbringung<br />

oder nicht vielmehr aus der Seite des<br />

Energieaustrags, sprich Wärmerückgewinnung,<br />

zu erreichen ist.<br />

Potenziale zur Wärmerückgewinnung<br />

Potenzial zur Wärmerückgewinnung<br />

bietet sich primär an zwei Ansatzpunkten:<br />

a) Bauteile, die zwingend gekühlt werden<br />

müssen und im gegenwärtigen<br />

Stand regelmäßig mit Kühlwasser<br />

zwischen 30–100 °C gekühlt werden.<br />

Beispiele sind Ofenkörper, Ofendeckel<br />

und Tragrohrsysteme für verschiedenste<br />

Industrieöfen, dazu Abgaskanäle,<br />

die Temperaturen von > 600 °C<br />

standhalten müssen.<br />

Z<br />

iel einer jeden Optimierung im Bereich<br />

Feuerung und Brenner ist entweder<br />

die Optimierung des Verbrennungsvorgangs<br />

zur Steigerung der – wie<br />

auch immer definierten – Produktqualität<br />

oder die Senkung des Energieeinsatzes,<br />

wobei in den aktuellen Diskussionen<br />

der Aspekt der Energieeffizienz<br />

deutlich im Vordergrund steht.<br />

So groß die Fortschritte und Potenziale<br />

durch unterschiedlichste Maßnahmen<br />

auf der Seite der Energieeinbringung<br />

auch sind, es bleiben trotzdem erhebliche<br />

Mengen Energie in Abgas und ggf.<br />

Kühlwasser des jeweiligen Prozesses zurück.<br />

Aus technischer Sicht steht die Wärmerückgewinnung<br />

stets hinter der Optimierung<br />

der Feuerung eines Thermoprozesses<br />

zurück. Selbstverständlich ist jedes<br />

Kilowatt, das weniger verbraucht<br />

wird, besser als ein Kilowatt, das zusätzlich<br />

zurückgewonnen werden kann.<br />

Aus ökonomischer Sicht ist ebenso<br />

selbstverständlich zu fragen, ob die Kosten<br />

für die Einsparung einer bestimmten<br />

zusätzlichen Energiemenge nicht höher<br />

b) Abgase, die mit einem Temperaturniveau<br />

von > 180 – 200 °C ungenutzt<br />

bleiben.<br />

Es gibt eine <strong>Re</strong>ihe weiterer Quellen von<br />

Wärmeverlusten bei thermischen Prozessen:<br />

Abstrahlungen von Gehäusen,<br />

Wärmeverluste des erhitzten Gutes auf<br />

dem Weg zum nächsten Bearbeitungsschritt,<br />

Schlacke und andere Abfallprodukte<br />

mit hohen Temperaturen, um nur<br />

einige Beispiele zu nennen.<br />

In der Praxis zeigt sich jedoch immer<br />

wieder, dass die genannten Punkte<br />

Kühlwasser und Abgase den weitaus<br />

größten Teil der Abwärmeverluste auf<br />

sich vereinen. Beispielhaft zeigt dies die<br />

GASWÄRME International (58) Nr. 5/2009 333


FACHBERICHTE<br />

Bild 1: Sankey Diagramm eines E-Ofens<br />

Fig. 1: Sankey diagram of an EAF<br />

Energiebilanz eines Elektro-Lichtbogenofens<br />

in Bild 1.<br />

Wärmerückgewinnung aus den kleineren<br />

Quellen ist derzeit zumeist nicht wirtschaftlich;<br />

wenngleich diese Aussage bei<br />

weiter steigenden Energiepreisen infrage<br />

gestellt werden muss und zudem sicherlich<br />

Ideen existieren, wie man in Einzelfällen<br />

auch kleinere Quellen in ein System<br />

integrieren kann.<br />

Temperaturniveau als zentrale<br />

Frage der Nutzung<br />

Die Frage der Nutzbarmachung der hier<br />

nutzlos an die Atmosphäre abgegebenen<br />

Energie ist eng verbunden mit der<br />

Frage des Temperaturniveaus. Wenn<br />

15 MW aus dem gekühlten Abgaskanal<br />

eines Elektro-Lichtbogen-Ofens abgeführt<br />

werden, so ist es im ersten Moment<br />

gleichgültig, ob das Kühlwasser<br />

von 20 °C auf 40 °C oder bei einer entsprechenden<br />

Druckstufe von 180 °C auf<br />

200 °C erhitzt wird. Nur: Welche Verwendung<br />

besteht für Wasser von 40 °C?<br />

Das Beispiel der Erwärmung von Fischzuchtteichen<br />

zum schnelleren Wachstum<br />

der Fische wird immer wieder gerne zitiert<br />

und ist zweifelsohne ein Beweis für<br />

das Potenzial kreativer Lösungen – allerdings<br />

liegen die wenigsten Thermoprozess-Anlagen<br />

in der Nähe eines Fischzuchtbetriebes.<br />

In der Praxis wird sich in den meisten Fällen<br />

zumeist keine Verwendung finden<br />

lassen, das Kühlwasser über Wasser-Luft-<br />

Wärmetauscher zurückgekühlt und die<br />

Energie (aus Sicht der Anlage) vernichtet.<br />

<strong>Re</strong>gelmäßig zu finden sind Anlagen, bei<br />

denen Wasser mit entsprechendem<br />

Druck auf Temperaturen von deutlich<br />

über 100 °C erhitzt wird.<br />

Anwendungsfälle hier sind Heizung<br />

(werksintern oder Einspeisung in öffentliche<br />

Fernwärmenetze), Speisewasservorwärmung,<br />

Heißwasserverbraucher<br />

wie Duschen oder Werkskantinen.<br />

Unter dem Aspekt der Energieeffizienz<br />

betrachtet einwandfrei, sofern<br />

a) die Mengenverhältnisse zueinander<br />

passen<br />

b) die Wärmeabnahme über das Jahr<br />

und über den 24 h-Zyklus hinweg<br />

konstant ist.<br />

Es gibt Beispiele, in denen Heißwasser<br />

aus einem Industrieofen vollständig zur<br />

Vorwärmung des Speisewassers eines<br />

nahegelegenen Kraftwerks verwendet<br />

wird. Sehr viel häufiger finden sich aber<br />

Verbrauchskurven wie in Bild 2.<br />

Das zur Verfügung stehende Heißwasser<br />

von 185 °C aus dem Abhitzekessel hinter<br />

einem Hubbalkenofen wird von drei<br />

Heizkreisläufen zur Hallenheizung in den<br />

Wintermonaten sinnvoll ausgenutzt. Im<br />

Sommer dagegen ist die Nachfrage<br />

(trotz duschender Mitarbeiter) praktisch<br />

Null und die Gesamteffizienz stark eingeschränkt.<br />

Bild 2: Wärmenachfrage eines Stahlwerks für Heizenergie<br />

Fig. 2: Heat consumption of a steel plant for heating purposes<br />

Dampferzeugung als „best<br />

practice“ der Wärmerückgewinnung<br />

Die flexibelste Art, Wärme zurückzugewinnen,<br />

ist Dampferzeugung.<br />

Dampf als Energieträger bietet verschiedene<br />

Vorteile:<br />

334<br />

GASWÄRME International (58) Nr. 5/2009


FACHBERICHTE<br />

– Vielfältige Nutzungsmöglichkeiten.<br />

– Sehr weiter Temperaturbereich.<br />

– Vergleichsweise einfach zu transportieren.<br />

– Wasser als ungiftiger und leicht verfügbarer<br />

Grundstoff.<br />

– Sehr bewährte Technik.<br />

In vielen Betrieben wird Dampf bereits<br />

genutzt, z. B. zur Stahlentgasung, Stahlbeize,<br />

Kälteerzeugung, Drucklufterzeugung<br />

(und Kompressorenantrieb allgemein),<br />

Sauerstoffproduktion, Vulkanisation<br />

und ebenfalls wieder zu Heizzwecken<br />

(Bild 3).<br />

Generell gilt: Am wirtschaftlichsten ist<br />

Dampferzeugung aus Abwärme immer<br />

dann, wenn per Kesselhaus/Erdgasverbrennung<br />

erzeugter Dampf ersetzt<br />

werden kann.<br />

Die Produktionskosten einer Tonne<br />

Dampf in einem industrietypischen Kesselhaus<br />

liegen zwischen 22 – 27 €, wenn<br />

die Erzeugung hier gegen Null reduziert<br />

werden kann, ist das Einsparpotenzial<br />

und somit die Amortisationszeit einer<br />

Abwärmenutzung sehr leicht zu berechnen.<br />

Allerdings zeigt sich gerade bei Stahloder<br />

Walzwerken und Erzeugern in der<br />

Nicht-Eisen-Metallurgie regelmäßig, dass<br />

erheblich mehr Potenzial für Wärmerückgewinnung<br />

besteht, als an Prozessdampf<br />

im Werk nachgefragt wird.<br />

Ein Patentrezept zur weitergehenden<br />

Dampfnutzung gibt es nicht; die Dampfmengen<br />

und Einsatzmöglichkeiten sind<br />

für jeden Anwendungsfall zu analysieren.<br />

Es lassen sich drei Aussagen festhalten:<br />

a) Sehr oft wird eine Baukastenlösung<br />

erforderlich, die Teilmengen erzeugten<br />

Dampfes verschiedenen Verwendungen<br />

zuführt.<br />

b) Eine sinnvolle Lösung erfordert Kreativität<br />

und einen nicht zu unterschätzenden<br />

Planungs- und Analyseaufwand.<br />

c) Was immer geht, ist Stromerzeugung,<br />

allerdings ist eine gewisse Mindestgröße<br />

für wirtschaftliche Nutzung erforderlich.<br />

Beispielsweise kann sich ein Blick in die<br />

Nachbarschaft lohnen: Die Wahrscheinlichkeit,<br />

dass neben einer großen Thermoprozess-Anlage<br />

z. B. <strong>Re</strong>ifen oder Gasbetonsteine<br />

hergestellt werden, ist si-<br />

Bild 3:<br />

Möglichkeiten der<br />

Dampfverwendung<br />

Fig. 3:<br />

Possibilities for steam<br />

usage<br />

cherlich höher als die einer Fischzucht –<br />

und für beide Produktionen werden große<br />

Dampfmengen benötigt.<br />

Stromerzeugung aus Abwärme<br />

Bild 4: Wirkungsgrade im Teillastbetrieb einer ORC Turbine<br />

Fig. 4: Partial load efficiency of an ORC turbine<br />

Stromerzeugung aus Abwärme weist gewisse<br />

prinzipielle Schwierigkeiten auf,<br />

denen sich das klassische Kraftwerk<br />

nicht ausgesetzt sieht:<br />

– Das Energieangebot kann unregelmäßig<br />

sein, z. B. bei Anlagen mit Batchoder<br />

Chargenbetrieb.<br />

– Die Stromerzeugung hat als Nachfrager<br />

eine geringere Priorität als Prozessdampfverbraucher<br />

(da die Prozessdampfverdrängung<br />

wie gesagt immer<br />

wirtschaftlicher ist). Der Prozessdampfverbrauch<br />

stellt sich in vielen Fällen jedoch<br />

ebenfalls als ein nicht kontinuierlicher<br />

Verbrauch dar.<br />

– Die Stromerzeugung ist nicht das primäre<br />

Ziel, sondern nur „Abfallverwertung“.<br />

In anderen Worten, es ist nicht<br />

sinnvoll, einen Ofen in Betrieb zu halten,<br />

um Strom zu produzieren.<br />

– Überhitzter Dampf kann in Anlagen<br />

mit einem Chargenbetrieb nicht (konstant)<br />

zur Verfügung gestellt werden.<br />

In der Summe ergeben sich oftmals<br />

schwankende Dampfmengen mit Leerlaufphasen<br />

(z. B. Anlagen mit Wochenendstillständen,<br />

Wartungsstillstände)<br />

und Sattdampf zwischen z. B. 15 – 30 bar<br />

als Dampfqualität.<br />

GASWÄRME International (58) Nr. 5/2009 335


FACHBERICHTE<br />

Bild 5: E-Ofen: Abgaskanal mit Ofen<br />

Fig. 5: EAF: Waste gas duct and furnace<br />

Die klassische Dampfturbine arbeitet jedoch<br />

bei Betrieb mit Auslegungsmenge<br />

effizient, verliert aber stark im Teillastbetrieb<br />

und ist nach einem Stillstand relativ<br />

aufwändig mit verschiedenen manuellen<br />

Schritten wieder anzufahren.<br />

Vor allem jedoch: Effiziente Wirkungsgrade<br />

von > = 25 % werden nur mit<br />

überhitztem Dampf erzielt, Sattdampfturbinen<br />

dagegen kommen kaum über<br />

Wirkungsgrade von 10 % hinaus.<br />

ORC-Turbinen als Alternative<br />

Auf der Suche nach Lösungen für diese<br />

Probleme springt ein alternatives Turbinenkonzept<br />

ins Auge: Die ORC-Turbine<br />

(Organic Rankine Cycle) arbeitet aufgrund<br />

einer niedrigeren Energiedichte im<br />

Arbeitsmedium mit relativ großen Massenströmen<br />

und einer daraus resultierenden<br />

niedrigen Turbinendrehzahl. Dadurch<br />

ergibt sich eine einfache Bauweise<br />

der Turbine bei einem guten inneren<br />

Wirkungsgrad der Turbine. Darüber hinaus<br />

weist das Arbeitsmedium der ORC<br />

Turbine einen günstigeren Verlauf der TS<br />

Kurve auf, sodass auf der Abdampfseite<br />

zu keinem Zeitpunkt ein zu großer Flüssigphasenanteil<br />

auftreten kann. Bei<br />

Dampfturbinen würde ein zu großer<br />

Wasseranteil im Nassdampf zu einer<br />

Schädigung der Turbine führen, dies ist<br />

bei der ORC Turbine nicht der Fall. Dies<br />

alles führt zu einem deutlich besseren<br />

Teillastverhalten der ORC Turbine gegenüber<br />

einer Dampfturbine. Moderne Ausführungen<br />

verfügen über ein vollautomatisches<br />

Start-Stop-System und erreichen<br />

Wirkungsgrade von ca. 20 %. Die<br />

Wirkungsgrade im Teillastbetrieb sind in<br />

Bild 4 dargestellt.<br />

Dieser Wirkungsgrad ist zwar deutlich<br />

niedriger als bei einer im Optimum arbeitenden<br />

Dampfturbine, allerdings höher<br />

als das, was sich mit einer Dampfturbine<br />

unter den dargestellten Einsatzbedingungen<br />

effektiv erzielen lässt.<br />

ORC-Turbinen sind faktischer Standard<br />

für die Einsatzgebiete Biomasse- und<br />

Blockheizkraftwerke und daher sehr bewährt.<br />

Hier kommt durchgängig Thermoöl<br />

als Energieträger zum Einsatz, weshalb<br />

oft die Annahme zu hören ist, dass<br />

ORC-Turbinen an Thermoöl gebunden<br />

sind. Dies ist aber nicht richtig; im Gegenteil<br />

sind ORC-Turbinen fast beliebig<br />

mit heißem Wasser, Sattdampf, überhitztem<br />

Dampf oder eben Thermoöl zu betreiben.<br />

Zusammenfassend sollte diese Technologie<br />

von jedem Betreiber mit 5 – 30 MW<br />

thermischer Energie in der Abwärme<br />

und den genannten Einsatzbedingungen<br />

zumindest sorgfältig geprüft werden.<br />

Fallbeispiel Elektrolichtbogenofen<br />

Ein Fallbeispiel für die dargestellten Probleme<br />

einer Abwärmenutzung ist das im<br />

Jahr 2009 in Betrieb gegangene Abgaskühlsystem<br />

eines Elektrolichtbogenofens.<br />

Der Ofen produziert Abgastemperaturen<br />

bis zu 1 800 °C, zusätzlich enthält<br />

das Abgas brennbare Anteile, die<br />

noch im Abgaskanal verbrennen, und<br />

flüssige Schlacke- und Stahlanteile.<br />

Die bisherige Kühlung geschah über ein<br />

Mischsystem aus Kaltwasserkühlung für<br />

das am stärksten belastete erste Element<br />

des Abgaskanals und einer älteren Heißkühlung<br />

für die weitere Strecke. Dieses<br />

System wies nach ca. 25 Betriebsjahren<br />

deutliche Verschleißspuren auf, zudem<br />

war es wenig wartungsfreundlich. Die<br />

aufgenommene Wärme konnte aufgrund<br />

der diskontinuierlichen Fahrweise<br />

des E-Ofens nicht genutzt werden.<br />

Die neu errichtete Heißkühlung des Abgaskanals<br />

produziert aus einer durchschnittlichen<br />

Abgaswärme von 29 MW<br />

eine durchschnittliche Dampfmenge von<br />

22 t/h. In der Spitze wird eine Dampfmenge<br />

von bis zu 80 t/h erzeugt. Dabei<br />

werden die Abgase auf eine Temperatur<br />

von ca. 600 °C abgekühlt. Der erzeugte<br />

Dampf wird verschiedenen Verbrauchern<br />

zur Verfügung gestellt, von denen die<br />

Vakuum-Stahlentgasung der größte ist.<br />

Die Dampfnachfrage dieses Verbrauchers<br />

fällt jedoch zeitlich und mengenmäßig<br />

mit der Dampfproduktion des<br />

Ofens auseinander: Dieses Problem wurde<br />

durch den Einsatz von Ruth-Dampfspeichern<br />

gelöst, die das Entgasen von<br />

zwei vollen Chargen selbst dann noch<br />

ermöglichen, wenn der E-Ofen die Produktion<br />

gestoppt hat (Bild 5). Der Erdgasverbrauch<br />

im Kesselhaus für die im<br />

Werk vorhandenen Dampferzeuger<br />

konnte seit der Inbetriebnahme der Anlage<br />

extrem gesenkt werden.<br />

y<br />

Dipl.-Ing. Ralf Granderath<br />

<strong>Tenova</strong> Italimpianti Deutschland<br />

<strong>GmbH</strong>, Düsseldorf<br />

Tel. 0211/54097645<br />

E-Mail:<br />

ralf.granderath@<br />

loi-italimpianti.de<br />

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GASWÄRME International (58) Nr. 5/2009

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