Effektive Abwärmenutzung für nachhaltige industrielle Prozesse

Rückgewinnung von Abwärme

Abwärme ist die Wärme, die in einem Prozess durch Verbrennung von Brennstoff oder durch eine chemische Reaktion entsteht und dann in die Umwelt abgegeben wird, ohne praktisch genutzt zu werden. Quellen für Abwärme sind heiße Verbrennungsgase, die in die Atmosphäre entweichen, Prozessabgase, leitende, konvektive und strahlende Verluste von Geräten und erhitzten Produkten, die verschiedene industrielle Prozesse verlassen (heißer Koks, Roheisen, Flüssigstahl, warmgewalztes Produkt etc.), sowie Wärmeübergang von heißen Geräteoberflächen (an Kühlwasser übertragene Wärme).

Die Abwärmerückgewinnung besteht in der Erfassung und Wiederverwendung der Abwärme industrieller Prozesse zum Heizen oder zur Erzeugung mechanischer oder elektrischer Arbeit. Typische Anwendungen umfassen Vorwärmung der Verbrennungsluft, Vorwärmung von Brenngas, Vorwärmung von Kesselspeisewasser, Vorwärmung von Rohstoffen, Erzeugung von Prozessdampf und Dampferzeugung zur Stromerzeugung etc. Die Grundidee hinter der Abwärmerückgewinnung besteht darin, maximale Wärmemengen im Werk zurückzugewinnen und so weit wie möglich wiederzuverwenden, anstatt sie einfach in die Umwelt (Luft oder einen nahegelegenen Fluss) abzugeben.

Potenzial und Wirtschaftlichkeit

Abwärme ist allen Fertigungsprozessen inhärent. Während industrieller Fertigungsprozesse gehen letztlich etwa 20 % bis 50 % der verbrauchten Energie über Abwärme verloren, die in Strömen heißer Abgase und Flüssigkeiten sowie durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung von der Oberfläche heißer Geräte und erhitzter Produkte enthalten ist. Die Abwärmerückgewinnung ist ein wertvoller alternativer Ansatz zur Verbesserung der Gesamteffizienz industrieller Öfen. Die durch Abwärmerückgewinnung erreichbare Energieeffizienz liegt normalerweise im Bereich von 10 % bis 50 %.

Das Wesentliche ist nicht die Wärmemenge, sondern ihr Wert. Der Mechanismus zur Rückgewinnung der ungenutzten Wärme hängt von der Temperatur der Abwärmeflüssigkeiten und der beteiligten Ökonomie ab. Abwärmerückgewinnungstechnologien reduzieren häufig die Betriebskosten von Anlagen, indem sie deren Energieproduktivität steigern. Erfasste und wiederverwendete Abwärme ist ein emissionsfreier Ersatz für teure zugekaufte Brennstoffe oder Elektrizität.

Abb. 1 zeigt den typischen Energiefluss ohne und mit Wärmerückgewinnung.

Abb. 1 Typischer Energiefluss ohne und mit Wärmerückgewinnung

Drei wesentliche Komponenten, die für die Abwärmerückgewinnung notwendig sind, sind: (i) eine zugängliche Abwärmequelle wie Verbrennungsabgase, Prozessabgase, heiße Gase aus Öfen, Kühlturmwasser etc., (ii) eine Rückgewinnungstechnologie wie Regenerator, Rekuperator, Economizer, Abwärmekessel, thermoelektrischer Generator etc., und (iii) eine Verwendung für die zurückgewonnene Energie wie Vorwärmung von Kesselspeisewasser, Rohstoffen und Verbrennungsluft, Erzeugung von Dampf und/oder elektrischer Energie sowie Vorwärmung von Brenngasen mit niedrigem Heizwert wie Hochofengas etc.

Abwärmerückgewinnungsanlagen

In einem Stahlwerk werden verschiedene Abwärmerückgewinnungsanlagen eingesetzt. Die wichtigsten sind unten aufgeführt. Wärmetauscher werden am häufigsten verwendet, um Wärme von Verbrennungsabgasen auf die in den Ofen eintretende Verbrennungsluft zu übertragen. Da vorgewärmte Verbrennungsluft bei höherer Temperatur in den Ofen eintritt, muss weniger Energie durch den Brennstoff zugeführt werden. Typische Technologien für die Luftvorwärmung sind:

• Rekuperatoren – Rekuperatoren gewinnen Abgaswärme in mittleren bis hohen Temperaturanwendungen zurück. Rekuperatoren können auf dem Prinzip des Wärmeübergangs durch Strahlung, Konvektion oder Kombinationen basieren. Rekuperatoren werden aus metallischen oder keramischen Materialien gefertigt. Metallische Rekuperatoren werden in Anwendungen mit Temperaturen unter 1050 °C eingesetzt, während Wärmerückgewinnung bei höheren Temperaturen besser für keramische Rohrrekuperatoren geeignet ist, die mit Heißseitentemperaturen von bis zu 1500 °C und Kaltseitentemperaturen von ca. 950 °C betrieben werden können.
• Regeneratoren – Regeneratoren bestehen aus zwei Ziegel-„Schachwerk“-Kammern, durch die heiße und kalte Luftströme abwechselnd strömen. Wenn die Verbrennungsabgase durch eine Kammer strömen, absorbieren die Ziegel Wärme aus dem Verbrennungsgas, und deren Temperatur steigt. Nachdem die Ziegel Wärme aufgenommen haben, wird der Strömungsverlauf geändert, sodass die eintretende Verbrennungsluft durch das heiße Schachwerk strömt, das Wärme an die in den Ofen eintretende Verbrennungsluft überträgt. Mindestens zwei Kammern werden verwendet, damit während eine Wärme aus den Abgasen aufnimmt, die andere Wärme an die Verbrennungsluft abgibt. Die Strömungsrichtung wird in einem festen Zeitintervall umgekehrt. Regeneratoren sind speziell für Hochtemperaturanwendungen mit schmutzigen Abgasen geeignet. Ein Hauptnachteil ist die große Größe und die Investitionskosten, die deutlich höher sind als die von Rekuperatoren.
• Passive Luftvorwärmer – Dies sind Gas-zu-Gas-Wärmerückgewinnungsgeräte für niedrige bis mittlere Temperaturanwendungen, bei denen eine Kreuzkontamination zwischen Gasströmen verhindert werden muss. Passive Vorwärmer sind meist von zwei Typen: (i) Plattenbauart und (ii) Heat-Pipe-Bauart. Der Plattenvorwärmer besteht aus mehreren parallelen Platten, die separate Kanäle für heiße und kalte Gasströme schaffen. Heiße und kalte Ströme wechseln sich zwischen den Platten ab und ermöglichen signifikante Flächen für Wärmeübergang. Der Heat-Pipe-Wärmetauscher besteht aus mehreren Rohren mit verschlossenen Enden. Jedes Rohr enthält eine Kapillardeckstruktur, die die Bewegung des Arbeitsmediums zwischen dem heißen und kalten Ende des Rohrs erleichtert. Heiße Gase strömen über ein Ende des Heat Pipes, wodurch das Arbeitsmedium im Rohr verdampft. Druckgradienten entlang des Rohrs bewirken, dass der heiße Dampf zum anderen Ende des Rohrs strömt, wo er kondensiert und Wärme an das kalte Gas abgibt. Das Kondensat zirkuliert dann über Kapillarwirkung zurück zur heißen Seite des Rohrs.
• Rekuperative oder regenerative Brenner – Brenner, die rekuperative oder regenerative Systeme integrieren, sind im Design und Aufbau einfacher und kompakter als eigenständige Rekuperatoren oder Regeneratoren. Diese Systeme bieten eine höhere Energieeffizienz im Vergleich zu Brennern, die mit Umgebungsluft betrieben werden. Ein selbstrekuperativer Brenner integriert Wärmeaustauschflächen als Teil des Brennerkörperdesigns, um Energie aus dem austretenden Abgas zurückzugewinnen, das zurück durch den Körper strömt. Selbstregenerative Brenner leiten Abgase durch den Brennerkörper in einen feuerfesten Medienkasten und arbeiten paarweise ähnlich wie ein Regenerator. Typischerweise haben rekuperative Brennersysteme weniger Wärmeaustauschfläche und regenerative Brennersysteme geringere Masse als eigenständige Einheiten. Daher ist ihre Energierückgewinnung geringer, aber ihre niedrigeren Kosten und die einfache Nachrüstung machen sie zu einer attraktiven Alternative für die Energierückgewinnung.
• Rohrbündelwärmetauscher – Wenn das Medium, das die Abwärme enthält, eine Flüssigkeit oder ein Dampf ist, das eine andere Flüssigkeit erhitzt, wird normalerweise der Rohrbündelwärmetauscher verwendet, da beide Wege abgedichtet sein müssen, um die Drücke ihrer jeweiligen Fluide zu enthalten. Der Mantel enthält das Rohrbündel und meist interne Leitbleche, um das Fluid im Mantel in mehreren Durchgängen über die Rohre zu lenken. Der Mantel ist inhärent schwächer als das Rohr, daher wird das höherdruckige Fluid in den Rohren zirkuliert, während das niedrigerdruckige Fluid durch den Mantel strömt. Wenn ein Dampf die Abwärme enthält, kondensiert er meist und gibt seine latente Wärme an die zu erwärmende Flüssigkeit ab. In dieser Anwendung ist der Dampf fast immer im Mantel enthalten. Wenn das Gegenteil versucht wird, verursacht die Kondensation von Dämpfen in kleinen parallelen Rohren Strömungsinstabilitäten. Rohrbündelwärmetauscher sind in einer breiten Palette von Standardgrößen mit vielen Materialkombinationen für Rohre und Mantel erhältlich.
• Gerippte Rohrwärmetauscher oder Economizer – Gerippte Rohrwärmetauscher werden verwendet, um Wärme von niedrigen bis mittleren Temperaturabgasen zur Erwärmung von Flüssigkeiten zurückzugewinnen. Anwendungen umfassen Vorwärmung von Kesselspeisewasser und heißen Prozessflüssigkeiten etc. Der gerippte Rohr besteht aus einem runden Rohr mit angebrachten Rippen, die die Oberfläche und Wärmeübergangsraten maximieren. Flüssigkeit strömt durch die Rohre und nimmt Wärme von heißen Gasen auf, die über die Rohre strömen. Ein gerippter Rohrwärmetauscher, bei dem Kesselabgase zur Speisewasservorwärmung verwendet werden, wird allgemein als Kessellüfter bezeichnet.
• Abwärmekessel – Ein Abwärmekessel ist ein Wasserrohrkessel, der mittlere bis hohe Temperaturabgase zur Dampferzeugung nutzt. Abwärmekessel sind in verschiedenen Kapazitäten erhältlich, die Gasaufnahmen von 30 bis 25.000 m³/min ermöglichen. In Fällen, in denen die Abwärme nicht ausreicht, um gewünschte Dampfmengen zu erzeugen, werden üblicherweise Hilfsbrenner oder ein Nachbrenner hinzugefügt, um höhere Dampfleistungen zu erzielen. Der Dampf kann für Prozesszwecke oder zur Stromerzeugung erzeugt werden. Die Erzeugung von überhitztem Dampf erfordert normalerweise die Hinzufügung eines externen Überhitzers zum Kessel.
• Aufladevorwärmung – Dies bezieht sich auf die Nutzung der eine Anlage verlassenden Abwärme zur Vorwärmung der eintretenden Last. Das häufigste Beispiel ist die Vorwärmung von Kesselspeisewasser, bei der ein Economizer Wärme von heißen Verbrennungsabgasen auf das in den Kessel eintretende Wasser überträgt. Andere Anwendungen nutzen direkten Wärmeübergang zwischen Verbrennungsabgasen und festen Materialien, die in verschiedene Öfen eintreten.
• Wärmepumpen – Abwärme ist manchmal bei einer Temperatur verfügbar, die niedriger ist als die potenzielle Lastanforderung. In einem solchen Fall ist eine Abwärmeaufwertung erforderlich. Abwärmeaufwertung bezeichnet die Erhöhung des Energieniveaus eines Abwärmestroms, damit er eine nützliche Funktion erfüllen kann, die sonst nicht erreicht werden könnte. Dies wird durch den Einsatz von Wärmepumpen oder durch direkte Dampfverdichtung erreicht, wenn die Abwärme in Form von Dampf vorliegt. Die meisten Wärmepumpen arbeiten nach dem Prinzip des Dampfverdichtungszyklus. In diesem Zyklus ist das zirkulierende Medium physisch von der Quelle (Abwärme, Temperatur T_in) und dem Nutzer (im Prozess zu nutzende Wärme, T_out) getrennt und wird zyklisch wiederverwendet, daher als geschlossener Kreislauf-Wärmepumpe bezeichnet.

Vorteile der Abwärmerückgewinnung

Die Vorteile der Abwärme lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: (i) direkte Vorteile, (ii) indirekte Vorteile.

• Direkte Vorteile spiegeln sich in der Reduzierung des Verbrauchs von Ressourcen und Versorgungsleistungen sowie der Betriebskosten wider, da die Rückgewinnung von Abwärme die Energieproduktivität des Prozesses verbessert und einen direkten Effekt auf die Prozesseffizienz hat. Im aktuellen Szenario des globalen Klimawandels ist der größte Vorteil der Abwärmerückgewinnung, dass sie eine treibhausgasfreie Energiequelle darstellt.
• Die indirekten Vorteile der Abwärmerückgewinnung sind die Reduzierung der Umweltverschmutzung, die Reduzierung des Energieverbrauchs für Hilfsanwendungen und die Reduzierung der Anlagendimensionen. Die Abwärmerückgewinnung verringert den Brennstoffverbrauch, was zu einer Reduzierung der produzierten Abgase führt. Dies resultiert in einer Reduzierung der Anlagendimensionen aller Abgashandhabungseinrichtungen wie Gebläse, Schornsteine, Kanäle, Brenner etc. Die Reduzierung der Anlagendimensionen bringt zusätzliche Vorteile in Form von reduzierten Hilfsenergieverbräuchen wie Strom für Gebläse, Pumpen etc.

Weitere Aspekte des Abwärmerückgewinnungssystems sind der Bedarf an zusätzlichem Platz, Kapital- und Betriebskosten, die durch die Vorteile der zurückgewonnenen Wärme gerechtfertigt werden müssen.

Herausforderungen und Chancen

Abwärmerückgewinnungstechnologien, obwohl derzeit in vielen Bereichen von Stahlwerken in unterschiedlichem Maße eingesetzt, stoßen auf technische und wirtschaftliche Barrieren, die ihre breitere Anwendung behindern. Obwohl viele der Technologien für die Abwärmerückgewinnung bereits gut entwickelt sind (z. B. Rekuperatoren und Regeneratoren), besteht doch die Herausforderung, dass diese Technologien nicht immer wirtschaftlich für eine gegebene Anwendung sind (z. B. Anwendung mit schmutzigen Abgasströmen).

Es gibt viele Barrieren, die die Wirtschaftlichkeit und Effektivität von Wärmerückgewinnungsanlagen beeinflussen und ihre breitere Installation behindern. Viele dieser Barrieren sind miteinander verknüpft, können aber allgemein als kostenbezogen, temperaturbeschränkt, chemische Zusammensetzung, anwendungsspezifisch und Unzugänglichkeit/Transportierbarkeit von Wärmequellen kategorisiert werden.

Die derzeitigen Praktiken der Abwärmerückgewinnung zeigen, dass Abwärme normalerweise aus sauberen, hochtemperaturigen Abwärmequellen in großen Kapazitätssystemen zurückgewonnen wird. Daher bestehen Chancen in der Optimierung bestehender Systeme, der Entwicklung von Technologien für chemisch korrosive Systeme, der Rückgewinnung von Wärme aus nicht-fluider Wärmequellen und der Rückgewinnung von Niedertemperaturabwärme.

Während die Ökonomie oft die Machbarkeit der Niedertemperaturabwärmerückgewinnung begrenzt, gibt es verschiedene Anwendungen, in denen niedriggradige Abwärme kosteneffektiv für den Einsatz in industriellen Anlagen zurückgewonnen wurde. Ein großer Teil der industriellen Abwärme ist nur im Niedertemperaturbereich verfügbar. Als Beispiel nutzen Verbrennungssysteme wie Kessel häufig Rückgewinnungstechnologien, die Abgase im Temperaturbereich von 120 °C bis 150 °C abführen. Auch große Mengen an Abwärme finden sich in industriellem Kühlwasser und Kühlluft. Ein integriertes Stahlwerk in Japan hat ein Kraftwerk mit 3,5 MW Kapazität installiert, das nur Kühlwasser bei 98 °C nutzt.

Im Fall von Verbrennungsabgasen kann erhebliche Wärme zurückgewonnen werden, wenn der in den Gasen enthaltene Wasserdampf auf niedrigere Temperaturen abgekühlt wird. Mindesttemperaturgrenzen von 120 °C bis 150 °C werden häufig eingesetzt, um zu verhindern, dass Wasser in den Abgasen kondensiert und korrosive Substanzen auf der Wärmetauscheroberfläche ablagert. Eine weitere Abkühlung des Abgases könnte die Wärmerückgewinnung jedoch erheblich steigern, indem die latente Verdampfungswärme zurückgewonnen wird. Diese latente Wärme macht einen erheblichen Teil der in Abgasen enthaltenen Energie aus. Technologien, die chemische Angriffe minimieren können, während sie Abgase unter den Taupunkt abkühlen, können signifikante Steigerungen der Energieeffizienz durch Rückgewinnung der latente Verdampfungswärme erreichen.

Derzeit steht die Niedertemperaturwärmerückgewinnung vor mindestens drei Herausforderungen: (i) Korrosion der Wärmetauscherfläche, (ii) große Wärmeaustauschflächen erforderlich für den Wärmeübergang, und (iii) eine Verwendung für Niedertemperaturwärme zu finden.

Technologien sind verfügbar, die Gase unter Taupunkttemperaturen abkühlen können, um Niedertemperaturabwärme zurückzugewinnen. Diese Technologien umfassen tiefe Economizer, indirekte Kontaktkondensationsrückgewinnung, direkte Kontaktkondensationsrückgewinnung und kürzlich entwickelte Transportmembrankondensatoren. Die Kommerzialisierung dieser Technologien war aufgrund hoher Kosten und weil Anlagen keine Endverwendung für die zurückgewonnene Wärme haben, begrenzt. Wenn Anlagen keine Endverwendung für Abwärme haben, haben einige andere Mittel für die Rückgewinnung gefunden, einschließlich Wärmepumpen und Niedertemperatur-Stromerzeugung. Der Einsatz dieser Technologien wird auch häufig durch wirtschaftliche Zwänge begrenzt.