Top-Druck-Rückgewinnungsturbine für Hochofengas – Energieeffizienz optimieren

Moderne Hochöfen in Stahlwerken arbeiten mit hohem Obergasdruck. Das Hochofengas (BF-Gas), das den BF oben verlässt, hält noch einen Druck von ca. 1,6 bis 3 kg/cm² (ü) und eine Temperatur von ca. 200 °C. Dieses BF-Gas, das am Hochofenkopf austritt, wird gereinigt, um Staub zu entfernen, und das gereinigte Gas wird im Stahlwerk als Brennstoff für Heizzwecke bei relativ niedrigem Druck verwendet. Dabei geht eine große Menge Druckenergie über das Ventil verloren. Die Hochofengas-Top-Druck-Rückgewinnungsturbine (TRT) ist ein Mechanismus, der die Wärme- und Druckenergie des BF-Obergases nutzt, um eine Turbine anzutreiben. Die von der Turbine erzeugte Arbeit wird auf einen Generator übertragen und in elektrische Energie umgewandelt. Die TRT erzeugt Strom, indem sie eine bekannte Eigenschaft aller Gase ausnutzt: die Ausdehnung des Gasvolumens bei Druckreduzierung. Das System besteht aus Staubsammelausrüstung, einer Gasturbine und einem Generator.

Die TRT ist im Grunde eine Energiesparmaßnahme am BF, die die Abdruckenergie des BF-Obergases zur Stromerzeugung nutzt. Eine TRT-Einheit kann ca. 15 bis 60 kWh/t Roheisen (HM) erzeugen. Ihre Leistung kann ca. 30 % des Strombedarfs aller Geräte (einschließlich des Gebläses) des BF decken. Das die TRT-Einheit verlassende BF-Gas kann weiterhin als Brennstoff im Stahlwerk verwendet werden.

Während des Roheisenprozesses wird im Hochofen BF-Gas mit hohem Druck und hoher Temperatur erzeugt. In konventioneller Praxis wird die Energie des BF-Gases durch Druckminderung am Absperrventil verschwendet. Die Ausstattung mit einer TRT-Einheit ist der beste Weg, um Druck- und thermische Energien des BF-Gases zurückzugewinnen. Die TRT-Einheit wird normalerweise nach der Gasreinigungsanlage für einen Hochofen installiert. Normalerweise ist es wirtschaftlich, Hochöfen mit Kapazitäten über 1.000 m³ mit TRT auszustatten.

Das TRT-System ist ein Stromerzeugungssystem, das die physikalische Energie des hochdruckigen BF-Obergases durch Verwendung einer Expansionsturbine in Elektrizität umwandelt. Obwohl der Druckunterschied gering ist, machen die großen Gasvolumen die Rückgewinnung wirtschaftlich machbar. Die Schlüsseltechnologie der TRT besteht darin, den stabilen und hocheffizienten Betrieb der Expansionsturbine in staubiger Hochofenumgebung zu sichern, ohne den BF-Betrieb zu beeinträchtigen.

Es gibt mehrere Schlüsselparameter für eine TRT-Einheit, die die Leistung der TRT und die Stromabgabe bestimmen. Diese Schlüsselparameter sind:

• Volumen des BF-Obergases
• Druck des BF-Gases am Hochofenkopf
• Druckabfall über die Gasreinigungsanlage (GCP)
• Temperatur des BF-Gases nach der GCP
• Druck des BF-Gases am TRT-Ausgang
• Qualität des BF-Gases am Hochofenkopf
• Wirkungsgrad der TRT
• Wirkungsgrad des mit der TRT gekoppelten Generators

Das Obergas vom Hochofen enthält typischerweise ca. 5 g/Nm³ Staub und muss durch eine Gasreinigungsanlage (GCP) geleitet werden, um den Staubgehalt auf unter 5 mg/Nm³ zu reduzieren. Die Reduzierung des Staubgehalts ist für den ordnungsgemäßen TRT-Betrieb notwendig.

BF-Obergassysteme mit TRT-Einheiten werden als Nass- und Trockensysteme der Gasreinigung kategorisiert, je nach der Methode, die sie zur Entfernung von Staubpartikeln verwenden. Trockensysteme verbrauchen weniger Wasser und Strom. Sie haben geringeren Druckverlust und die Gastemperatur ist um ca. 50 °C höher im Vergleich zum Nasstyp-System. Mit trockener Gasreinigung kann das TRT-System typischerweise 30 % mehr Leistung erzeugen, mit der Möglichkeit, bis zu 60 % mehr Leistung zu generieren. Trockensysteme gelten daher als wirtschaftlich günstiger.

Es gibt zwei Turbinentypen: Radial- und Axialturbinen. Derzeit werden Axialturbinen in TRT weit verbreitet eingesetzt, da sie besser für große Durchflussvolumen geeignet sind. Die TRT ist meist eine mehrstufige variable Expansionsturbine mit axialer Strömung und Reaktionsdesign und wird normalerweise mit horizontal geteiltem Gehäuse und einer Reglerdrehzahl von 3.000 U/min geliefert. Die TRT nutzt üblicherweise einen bürstenlosen Erregungssynchrongenerator. Der Generator ist meist so ausgelegt, dass er unter allen Lastbedingungen arbeitet, die von der Turbine auferlegt werden, mit der er verbunden ist. Der TRT-Generator erzeugt üblicherweise 6,6 kV und wird dann über einen 6,6 kV/33 kV Hochspannungstransformator auf 33 kV hochtransformiert.

Die Stabilität des Obergasdrucks ist von entscheidender Bedeutung. Kleine Schwankungen des Obergasdrucks sind vorteilhaft für den BF-Betrieb. Der Obergasdruck wird durch Öffnen oder Schließen der 1. Statorflügel der Turbine in Abhängigkeit von der Erhöhung oder Verringerung des BF-Gasvolumens gesteuert. Bei einer konventionellen Turbine wurde auch ein Reglerkventil in Kombination zur Steuerung des Obergasdrucks verwendet. Ein Reglerkventil induziert jedoch einen größeren Druckverlust im Vergleich zu Statorflügeln und war daher in Bezug auf Leistungsrückgewinnung und Lärmvermeidung nachteilig. Daher wird in dem jetzt weit verbreiteten System das Reglerkventil eliminiert und der Obergasdruck wird nur durch die 1. Statorflügel der Turbine gesteuert.

Das typische schematische Fließdiagramm für Nass- und Trocken-TRT-Systeme ist in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1 Typisches schematisches Fließdiagramm für Nass- und Trocken-TRT-System

Nach der Staubsammlung durch die Gasreinigungsausrüstung wird sauberes BF-Gas über ein Einlass-Drosselklappenventil und ein Einlass-Schauglasventil zur Turbine geführt. Normalerweise geschlossene Bypassventile und offene Notabschaltventile werden für Notfälle verwendet.

In der TRT wird die von der Turbine erzeugte mechanische Arbeit auf einen Generator zur Stromerzeugung übertragen. BF-Gas mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur tritt über das Auslass-Schauglasventil in die Gasleitung ein.

Der TRT-Betrieb lässt sich in zwei Phasen unterteilen: (i) Anlaufphase und (ii) Normalbetriebsphase. In der Anlaufphase müssen alle Vorbereitungen wie das hydraulische Teilsystem überprüft werden. Dann wird ein Signal zum Starten der TRT an den BF-Bediener gesendet. Wenn der BF-Bediener der Anfrage zustimmt, werden das Einlass-Drosselklappenventil und das Notabschaltventil geöffnet. Die Turbinendrehzahl wird durch das Einlass-Drosselklappenventil und der Obergasdruck durch die Absperrventile gesteuert. Bis die Turbine die erforderliche Drehzahl erreicht hat, werden die Absperrventile langsam geschlossen. Dann geht die Anlaufphase in die Normalbetriebsphase über. In der Normalbetriebsphase wird der Obergasdruck vollständig durch die 1. Statorflügel der Turbine geregelt. Der Obergasdruck wird durch Öffnen oder Schließen der 1. Statorflügel der Turbine gesteuert.

Unter Umständen, in denen der gewünschte Obergasdruck und das Obergasvolumen nicht verfügbar sind, können die Gase die TRT umgehen. Ein geschlossenes Hochdruck-Schauglasventil im Kreislauf gewährleistet ununterbrochenen Hochofenbetrieb unter Umständen vollständiger Isolation der TRT (z. B. während der Wartungsphase).

Das TRT-System kann mit dem Stromverteilungssystem des Stahlwerks synchronisiert werden. Die TRT-Anlage hat üblicherweise die gleiche Verfügbarkeit wie der Hochofen, also 350 Betriebstage pro Jahr. Der Eigenverbrauch des TRT-Kraftwerks ist sehr gering.

TRT ist eine bewährte Technologie und es besteht sehr geringes Risiko bei Installation oder Betrieb. Wenn das TRT-System aus irgendeinem Grund ausfällt, wird das expandierende Gas im bestehenden Wascher aufgenommen. Dies ist normal in Hochöfen, die keine TRT-Systeme installiert haben.

Es gibt keinen Einfluss auf den Hochofenbetrieb und das BF-Gas wird nicht verbraucht. Da BF-Gas sehr brennbar ist, wird es normalerweise in anderen Teilen des Werks zur Wärmeerzeugung oder Energie für andere Prozesse genutzt. Mit installiertem TRT-System erzeugt das BF-Gas effektiv doppelt Energie – einmal in der Turbine und wieder bei der Verbrennung für seinen üblichen Zweck.

TRT ist eine saubere und energieeffiziente Technologie, da sie die Nutzung von Druckenergie im Prozessabgasstrom ermöglicht. TRT wird zur Energieeinsparung und zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen eingesetzt. Während die wirtschaftlichen Vorteile der TRT-Installation erheblich sind, sind die Umweltvorteile ebenfalls eine wichtige Überlegung. TRT ist sehr nachhaltig, da der Prozess der Stromerzeugung mit dieser Technologie null Emissionen aufweist. Der Prozess ist zu 100 % grün.

Kurz gesagt hat TRT folgende Merkmale:

• Es ist eine energiesparende Technologie, die in einem Hochofen eines Stahlwerks eingesetzt wird
• Es ist ein Stromerzeugungsgerät mit Funktion zur Steuerung des Obergasdrucks eines Hochofens
• Strom wird durch Antreiben einer Turbine mit im Hochofen erzeugtem Hochofengas erzeugt
• Kein Brennstoff wird für die Stromerzeugung benötigt
• Da kein Brennstoff verbrannt wird, entstehen keine CO2- oder anderen Treibhausgase
• TRT-System trägt zur CO2-Reduktion entsprechend dem Stromerzeugungsvolumen bei
• TRT-System erzeugt weniger Lärm im Vergleich zu einem konventionellen Absperrventil, was zur Verbesserung der Umgebung eines Hochofens beiträgt
• Keine hochentwickelte Technologie ist für Betrieb und Wartung des TRT-Systems nötig und kann leicht von BF-Betriebs- und Wartungspersonal durchgeführt werden
• Nur kleine Mengen Wasser, Stickstoff etc. werden für den Betrieb benötigt, die leicht durch vorhandene Ausrüstung für einen Hochofen abgedeckt werden können