Fortgeschrittene Abwärmerückgewinnungstechnologien

Abwärmerückgewinnungstechnologien

Abwärme ist die Energie, die mit Abfallströmen von Luft, Abgasen und/oder Prozessprodukten verbunden ist, die einen Prozess verlassen und in die Atmosphäre eintreten. Es ist die Energie, die in verschiedenen Prozessen erzeugt wird und die nicht in praktische Nutzung umgesetzt wird und in die Atmosphäre verloren geht oder verschwendet wird. Es ist die Energie, die bei einer Temperatur abgegeben wird, die hoch genug ist, um die Rückgewinnung eines Teils der Energie für nützliche Zwecke auf wirtschaftliche Weise zu ermöglichen.

In der Definition von Abwärme ist impliziert, dass die die Wärme tragenden Abfallströme sich schließlich mit atmosphärischer Luft oder Grundwasser vermischen und die in diesen Strömen enthaltene Energie als nutzbare Energie nicht mehr verfügbar wird. Die Aufnahme von Abwärmeenergie durch die Umwelt wird oft als thermische Verschmutzung bezeichnet.

Die Rückgewinnung von Abwärme kann durch verschiedene Abwärmerückgewinnungs- (AWR-) Technologien durchgeführt werden, um wertvolle Energiequellen bereitzustellen und den Gesamtenergieverbrauch zu reduzieren. Es gibt mehrere AWR-Technologien, die verfügbar sind und zur Erfassung und Rückgewinnung der Abwärme eingesetzt werden können.

Ein beträchtlicher Teil der in industriellen Prozessen eingesetzten Energie wird als Wärme in Form von Abgasen, Luftströmen und Flüssigkeiten/Feststoffen, die den Prozess verlassen, verschwendet. Es ist technisch und wirtschaftlich nicht machbar, die gesamte Abwärme zurückzugewinnen. Ein verstärkter Einsatz von AWR-Technologien dient auch der Minderung von Treibhausgasemissionen (THG).

AWR-Technologien bestehen darin, die Abwärme von einem Prozess mit einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Feststoff zu erfassen und an das System als zusätzliche Energiequelle zurückzuführen. Die Energiequelle kann zur Erzeugung zusätzlicher Wärme oder zur Erzeugung von elektrischer und mechanischer Leistung genutzt werden. Abwärme kann bei jeder Temperatur abgegeben werden. In der Regel gilt: Je höher die Temperatur der Abwärme, desto höher die Qualität der Abwärme und desto einfacher die Optimierung des AWR-Prozesses. Daher ist es wichtig, die maximal rückgewinnbare Wärmemenge mit dem höchsten Potenzial aus einem Prozess zu ermitteln und die Erreichung der maximalen Effizienz aus einem AWR-System sicherzustellen.

Quellen von Abwärme umfassen normalerweise Wärmeverluste, die durch Leitung, Konvektion und Strahlung von Produkten, Anlagen und Prozessen übertragen werden, sowie Wärme, die aus Verbrennungsprozessen abgegeben wird. Wärmeverluste können eingeteilt werden in: (i) hochtemperaturige Wärme, (ii) mitteltemperaturige Wärme, und (iii) niedertemperaturige Wärme. AWR-Technologien sind für jeden Typ von Abwärme verfügbar, um die optimale AWR-Effizienz zu erreichen.

Hochtemperatur-AWR besteht in der Rückgewinnung von Abwärme bei Temperaturen über 400 °C, der mitteltemperaturige Abwärmebereich liegt bei 100 °C bis 400 °C und der niedertemperaturige Abwärmebereich bei Temperaturen unter 100 °C. Generell stammt der Großteil der Abwärme im Hochtemperaturbereich aus direkten Verbrennungsprozessen, im Mitteltemperaturbereich aus dem Abgas von Verbrennungsanlagen, und im Niedertemperaturbereich aus Bauteilen, Produkten und Anlagen der Prozesseinheiten.

Abhängig von der Art und Quelle der Abwärme und um zu rechtfertigen, welches Abwärmerückgewinnungssystem verwendet werden kann, ist es wesentlich, die Menge und Güte der vom Prozess rückgewinnbaren Wärme zu untersuchen. Es gibt drei wichtige Parameter, die in der Quantifizierung von Abwärme verwendet werden. Diese Parameter sind: (i) Quantität, (ii) Qualität, und (iii) zeitliche Verfügbarkeit.

Die Quantität oder die Menge der verfügbaren Abwärme kann mit der Gleichung Q = V × d × Cp × (T1 - T2) berechnet werden. Hierbei ist Q der Wärmeinhalt, V der Volumenstrom des die Wärme tragenden Stoffes, d die Dichte des Stoffes, Cp die spezifische Wärmekapazität des Stoffes, und (T1 - T2) der Temperaturunterschied des Stoffes zwischen der endgültigen höchsten Temperatur am Auslass (T2) und der Anfangstemperatur am Einlass (T1) des Systems. Die Menge der verfügbaren Abwärme kann auch in Form des Enthalpiestroms des Abfallstroms ausgedrückt werden und wird durch die Gleichung H = m × h gegeben, wobei H die gesamte Enthalpiestromrate des Abfallstroms ist, m der Massenstrom des Abfallstroms und h die spezifische Enthalpie des Abfallstroms.

Die Qualität kann grob in Form der Temperatur des Abfallstroms ausgedrückt werden. Je höher die Temperatur, desto mehr Abwärme steht für die Rückgewinnung zur Verfügung. AWR aus niedrigeren Temperaturquellen, wie Kühlwasser von Maschinen und Kondensatoren, ist generell etwas schwieriger und involviert typischerweise den Einsatz von Wärmepumpen, um die Temperatur auf einen für die Rückgewinnung geeigneten Wert zu erhöhen.

Die zeitliche Verfügbarkeit ist ein Maß für die Verfügbarkeit der Abwärme zu Zeiten, wenn sie benötigt wird. Die Anpassung der Verfügbarkeit der Abwärme an die letztendliche Last ist eine wichtige Überlegung für die Effektivität der AWR. Daher hängt die Nützlichkeit der Abwärme nicht nur von der verfügbaren Menge ab, sondern auch davon, ob ihre Qualität den Anforderungen der potenziellen Last entspricht und ob sie zu den Zeiten verfügbar ist, wenn sie benötigt wird (zeitliche Verfügbarkeit).

Kosteneffektive AWR und Wiederverwendung beinhalten die Identifizierung von Abwärmequellen mit ausreichender Qualität, Quantität und zeitlicher Verfügbarkeit sowie Heizlasten, die die zurückgewonnene Abwärme wiederverwenden können. Es gibt mehrere Prozesse im niedrigen bis mittleren Temperaturbereich, die Abwärme wiederverwenden können. Diese Prozesse werden in verschiedenen Industrien eingesetzt. Zum Beispiel sind bestimmte Destillationsoperationen ideal für Offenkreis-Wärmepumpensysteme, die den „Overhead“-Destillationsdampf mechanisch recomprimieren, der dann im Rebodenerhitzer kondensieren darf, wo er das „Bottoms“-Produkt in der Destillationskolonne verdampft. Diese Anwendungen beinhalten typischerweise kleine Temperaturdifferenzen und sind oft kosteneffektiver als die Verwendung von Brennstoffverbrennung zur Beheizung des Rebodenerhitzers und eines Kühlturms zur Ableitung der Wärme im Destillat.

Die Bewertung der Machbarkeit von AWR erfordert die Charakterisierung der Abwärmequelle und des Stroms, an den die Wärme übertragen werden soll. Wichtige Abwärmestromparameter, die bestimmt werden müssen, umfassen: (i) Wärmemenge, (ii) Wärmetemperatur/Qualität, (iii) Zusammensetzung, (iv) minimal zulässige Temperatur, und (v) Betriebspläne, Verfügbarkeit und andere Logistik. Diese Parameter ermöglichen die Analyse der Qualität und Quantität des Stroms und geben auch Einblick in mögliche Material-/Designbeschränkungen. Als Beispiel ist die Korrosion von Wärmeübertragungsmedien in der AWR von erheblicher Sorge, selbst wenn Qualität und Quantität des Stroms akzeptabel sind.

AWR-Optionen und Technologien

Ansätze für AWR umfassen: (i) Wärmeübertragung zwischen Gasen und/oder Flüssigkeiten, (ii) Wärmeübertragung auf die Beschickung, die in Öfen eintritt, (iii) Erzeugung von mechanischer und/oder elektrischer Leistung, oder (iv) Nutzung von Abwärme mit einer Wärmepumpe für Heiz- oder Kühlanlagen. Die Terminologie für AWR-Technologien variiert häufig zwischen verschiedenen Industrien. Die wichtigsten AWR-Technologien werden im Folgenden beschrieben.

Wärmeübertrager

Wärmeübertrager werden normalerweise 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. Gängige Technologien für die Luftvorwärmung umfassen Rekuperatoren, Ofenregeneratoren, Brennerregeneratoren, Drehregeneratoren und passive Luftvorwärmer.

Rekuperator

Rekuperatoren gewinnen Abwärme von Abgasen in mitteltemperaturigen bis hochtemperaturigen Anwendungen zurück. Rekuperatoren können auf Strahlung, Konvektion oder Kombinationen beider basieren.

Ein einfacher Strahlungsrekuperator besteht aus zwei konzentrischen Rohrleitungsabschnitten. Heiße Abgase strömen durch das innere Rohr und die Wärmeübertragung erfolgt hauptsächlich durch Strahlung an die Wand und an die kalte einströmende Luft in der äußeren Hülse. Die vorgewärmte Hülsenluft strömt dann zu den Ofenbrennern. Der konvektive oder Rohrtyp-Rekuperator (Wärmeübertrager) leitet die heißen Gase durch relativ kleine Rohre, die in einem größeren Mantel enthalten sind. Die einströmende Verbrennungsluft tritt in den Mantel ein und wird um die Rohre herumgeführt, wobei sie Wärme vom Abgas aufnimmt. Eine weitere Alternative ist der kombinierte Strahlungs-/Konvektionsrekuperator. Das System umfasst einen Strahlungsabschnitt gefolgt von einem Konvektionsabschnitt, um die Wärmeübertragungseffektivität zu maximieren.

Rekuperatoren werden aus metallischen oder keramischen Materialien gefertigt. Metallische Rekuperatoren werden in Anwendungen mit Temperaturen unter 1100 °C eingesetzt, während Wärmerückgewinnung bei höheren Temperaturen besser für keramische Rohrrekuperatoren geeignet ist. Diese können mit Heißseiten-Temperaturen von bis zu 1550 °C und Kaltseitentemperaturen von ca. 1000 °C betrieben werden.

Regenerator

Regeneratoren sind von zwei Typen: (i) Ofenregeneratoren, und (ii) Drehregeneratoren oder Wärmeräder. Beim Ofenregenerator bestehen regenerative Öfen aus zwei Ziegelpackungskammern, durch die heiße und kalte Luftströme abwechselnd strömen. Wenn Verbrennungsabgase durch eine Kammer strömen, absorbieren die Ziegel Wärme aus dem Verbrennungsgas, und die Temperatur steigt. Der Luftstrom wird dann so eingestellt, dass die einströmende Verbrennungsluft durch den heißen Ziegelpackung strömt, was Wärme an die in den Ofen eintretende Verbrennungsluft überträgt. Zwei Kammern werden verwendet, damit während die eine Wärme aus den Abgasen absorbiert, die andere Wärme an die Verbrennungsluft überträgt. Die Strömungsrichtung der Luft wird nach einem Zeitintervall umgekehrt. Regeneratoren werden am häufigsten mit Koksöfen verwendet und wurden historisch mit Siemens-Martin-Öfen eingesetzt, die früher für die Stahlerzeugung genutzt wurden. Regeneratoren werden auch verwendet, um die Heißluft für Windheizer vorzuwärmen, die in der Roheisenerzeugung verwendet werden. Allerdings sind Regeneratoren in Windheizern keine Wärmerückgewinnungsanwendung, sondern einfach das Mittel, durch das die bei der Gasverbrennung freigesetzte Wärme auf die Heißluft übertragen wird. Regeneratorsysteme sind besonders für hochtemperaturige Anwendungen mit schmutzigen Abgasen geeignet. Ein Hauptnachteil von Ofenregeneratoren ist die große Baugröße und die hohen Investitionskosten.

Bei Drehregeneratoren funktionieren sie ähnlich wie feste Regeneratoren, da der Wärmeübergang durch Speicherung von Wärme in einem porösen Medium und durch abwechselndes Strömen von heißen und kalten Gasen durch den Regenerator ermöglicht wird. Drehregeneratoren werden auch manchmal als Luftvorwärmer und Wärmeräder bezeichnet. Sie verwenden eine rotierende poröse Scheibe, die quer über zwei parallele Rohre platziert ist, eines mit heißem Abgas, das andere mit kaltem Gas. Die Scheibe, bestehend aus einem Material mit hoher Wärmekapazität, rotiert zwischen den beiden Rohren und überträgt Wärme vom heißen Gasrohr zum kalten Gasrohr. Wärmeräder sind generell auf niedrige und mitteltemperaturige Anwendungen beschränkt, da die durch hohe Temperaturen erzeugten thermischen Spannungen die Integrität der Rad-Luftdichtungen beeinträchtigen können. Große Temperaturunterschiede zwischen den beiden Rohren können zu differentieller Ausdehnung und großen Verformungen führen, was die Integrität der Rad-Luftdichtungen kompromittiert. In einigen Fällen können keramische Räder für höher temperierte Anwendungen verwendet werden. Eine weitere Herausforderung bei Wärmerädern ist die Verhinderung von Kreuzkontamination zwischen den beiden Gasströmen, da Verunreinigungen im porösen Material des Rads transportiert werden können.

Ein Vorteil des Wärmerads ist, dass es so ausgelegt werden kann, dass es Feuchtigkeit sowie Wärme aus sauberen Gasströmen zurückgewinnt. Wenn es mit hygroskopischen Materialien ausgelegt ist, kann Feuchtigkeit von einem Rohr zum anderen übertragen werden. Dies macht Wärmeräder besonders nützlich in Klimaanwendungen, wo einströmende heiße feuchte Luft Wärme und Feuchtigkeit an abströmende kalte Luft überträgt. Neben seiner Hauptanwendung in Raumheizungs- und Klimaanlagensystemen werden Wärmeräder auch in begrenztem Umfang in mitteltemperaturigen Anwendungen eingesetzt.

Passive Luftvorwärmer

Passive Luftvorwärmer sind Gas-zu-Gas-Wärmerückgewinnungsgeräte für niedrige bis mitteltemperaturige Anwendungen, bei denen Kreuzkontamination zwischen zwei Gasströmen verhindert werden soll. Passive Vorwärmer können zwei Typen haben: (i) Platten-Typ, und (ii) Heat Pipe (Wärmerohr).

Der Platten-Typ-Wärmetauscher 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 große Flächen für den Wärmeübergang. Diese Systeme sind weniger anfällig für Kontamination im Vergleich zu Wärmerädern, aber sie sind oft sperriger, kostspieliger und anfälliger für Verschmutzungsprobleme.

Der Wärmerohr-Wärmetauscher besteht aus mehreren Rohren mit verschlossenen Enden. Jedes Rohr enthält eine Kapillardeifenstruktur, die die Bewegung des Arbeitsfluids zwischen dem heißen und kalten Ende des Rohrs erleichtert. In diesem Wärmetauscher strömen heiße Gase über ein Ende des Wärmerohrs, wodurch das Arbeitsfluid im Rohr verdampft. Druckgradienten entlang des Rohrs bewirken, dass der heiße Dampf zum anderen Ende des Rohrs strömt, wo der Dampf kondensiert und Wärme an das kalte Gas überträgt. Das Kondensat zirkuliert dann über Kapillarwirkung zurück zur heißen Seite des Rohrs.

Regenerative/rekuperative Brenner

Diese Brenner integrieren regenerative oder rekuperative Systeme. Sie sind im Design und in der Konstruktion einfacher und kompakter als eigenständige regenerative Öfen oder Rekuperatoren. Diese Systeme bieten eine erhöhte Energieeffizienz im Vergleich zu Brennern, die mit Umgebungsluft betrieben werden. Ein selbst-rekuperativer Brenner integriert Wärmeübertragungsflächen als Teil des Brennerkörperdesigns, um Energie aus dem abströmenden Rauchgas zu erfassen, das zurück durch den Körper strömt. Selbst-regenerative Brenner leiten Abgase durch den Brennerkörper in ein feuerfestes Mediengehäuse und arbeiten paarweise ähnlich wie ein regenerativer Ofen. Typischerweise haben rekuperative Brennersysteme weniger Wärmeübertragungsfläche 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 Option für die Energierückgewinnung.

Rippenrohr-Wärmeübertrager/Economizer

Rippenrohr-Wärmeübertrager werden verwendet, um Wärme von niedrigen bis mitteltemperaturigen Abgasen für die Erwärmung von Flüssigkeiten zurückzugewinnen. Das Rippenrohr besteht aus einem runden Rohr mit angebrachten Rippen, die die Oberfläche und die Wärmeübertragungsraten maximieren. Flüssigkeit strömt durch die Rohre und nimmt Wärme von heißen Gasen auf, die quer über die Rohre strömen. Ein Rippenrohr-Wärmetauscher, bei dem Kesselabgase zur Speisewasservorwärmung verwendet werden, wird allgemein als Kessel-„Economizer“ bezeichnet.

Abwärmekessel

Abwärmekessel (AWK) ist ein Wasserrohrkessel, der mittlere bis hochtemperaturige Abgase zur Dampferzeugung nutzt. AWKs sind in einer Vielzahl von Kapazitäten verfügbar, was Gaseinlässe von 1500 m³/h bis 1,5 Millionen m³/h ermöglicht. In Fällen, in denen die Abwärme nicht für die Erzeugung der gewünschten Dampfmengen ausreicht, werden normalerweise Hilfsbrenner oder ein Nachbrenner hinzugefügt, um höhere Dampfleistungen zu erreichen. Der Dampf kann für Prozessheizung oder für Stromerzeugung verwendet werden. Die Erzeugung von überhitztem Dampf erfordert generell die Hinzufügung eines externen Überhitzers zum System.

Beschickungsvorwärmung

Beschickungsvorwärmung bezeichnet alle Bemühungen, Abwärme, die ein System verlässt, zur Vorwärmung der in das System eintretenden Beschickung zu nutzen. Das häufigste Beispiel ist die Kesselspeisewasservorwärmung, 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 den Ofen eintreten.

Während die Kesselspeisewasservorwärmung eine Standardpraxis ist, wird die Beschickungsvorwärmung von Material vor dem Schmelzen in direkt befeuerten Systemen nicht so weit verbreitet eingesetzt. Dies liegt an einer Vielzahl von Gründen, einschließlich Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Produktqualität, Problemen im Zusammenhang mit Umwelteinträgen und der erhöhten Komplexität und Kosten beim Bau fortschrittlicher Ofenbeschickungs-/Wärmerückgewinnungssysteme. Dennoch hat die Wärmerückgewinnung über Beschickungsvorwärmung in den letzten Jahren vermehrt Aufmerksamkeit erhalten. Die verfügbaren Technologien und Barrieren für verschiedene Beschickungsvorwärmöfen variieren erheblich abhängig von der Art des Ofens und der Beschickung.

Niedertemperatur-Energierückgewinnungsoptionen und Technologien

Während ökonomische Überlegungen oft die Machbarkeit der niedertemperaturigen AWR begrenzen, gibt es mehrere Anwendungen, bei denen niedriggradige Abwärme kosteneffektiv zurückgewonnen wurde. Große Mengen an Abwärme sind im Bereich von 40 °C bis 200 °C verfügbar, und die inhärenten Herausforderungen zu ihrer Rückgewinnung und Nutzung erfordern eine separate und eingehende Untersuchung der niedertemperaturigen AWR.

Der Großteil der industriellen Abwärme liegt im niedertemperaturigen Bereich. Zum Beispiel verwenden Verbrennungssysteme wie Kessel häufig Rückgewinnungstechnologien, die Abgase bei ca. 150 °C bis 180 °C ausstoßen. Auch große Mengen an Abwärme finden sich in industriellem Kühlwasser und Kühlluft. Zum Beispiel macht allein die Kühlung von Luftkompressoren einen erheblichen Teil der jährlichen Abwärme aus. Ein integriertes Hüttenwerk (IHW) in Japan hat erfolgreich ein Kraftwerk mit 3,5 MW Kapazität installiert, das nur Kühlwasser bei 98 °C nutzt.

Im Fall von Verbrennungsabgasen kann beträchtliche Wärme zurückgewonnen werden, wenn der in den Gasen enthaltene Wasserdampf auf niedrigere Temperaturen abgekühlt wird. Mindesttemperaturgrenzen von ca. 120 °C bis 150 °C werden oft eingesetzt, um zu verhindern, dass Wasser in den Abgasen kondensiert und korrosive Substanzen auf der Wärmeübertrageroberfläche ablagert. Allerdings kann das weitere Abkühlen des Rauchgases die Wärmerückgewinnung erheblich erhöhen, indem die latente Verdampfungswärme zurückgewonnen wird. Die 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 erhebliche Steigerungen der Energieeffizienz durch Rückgewinnung der latente Verdampfungswärme erzielen. Abb. 1 zeigt die Energierückgewinnung bei verschiedenen Schornstein-Austrittstemperaturen. Wenn Gase von 150 °C auf 60 °C abgekühlt werden, gibt es einen Effizienzzuwachs von 3 %. Eine weitere Abkühlung auf 38 °C erfasst einen Teil der latente Wärme und kann einen Effizienzzuwachs von 11 % bieten.

Abb. 1 Energierückgewinnung bei verschiedenen Schornstein-Austrittstemperaturen

Es gibt drei Herausforderungen, denen sich die niedertemperaturige Wärmerückgewinnung stellt. Diese sind wie folgt.

• Es gibt Korrosion der Wärmeübertrageroberfläche. Wenn der in den Abgasen enthaltene Wasserdampf abkühlt, kondensiert ein Teil davon und lagert korrosive Feststoffe und Flüssigkeiten auf der Wärmeübertrageroberfläche ab. Der Wärmeübertrager muss so ausgelegt sein, dass er der Einwirkung dieser korrosiven Ablagerungen standhält. Dies erfordert generell den Einsatz fortschrittlicher Materialien oder den häufigen Austausch der Wärmeübertragerkomponenten, was oft unwirtschaftlich ist.
• Große Wärmeübertragungsflächen sind für den Wärmeübergang nötig. Wärmeübertragungsraten sind eine Funktion der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübertragungsmaterials, des Temperaturunterschieds zwischen den beiden Fluidströmen und der Oberfläche des Wärmeübertragers. Da niedertemperaturige Abwärme einen kleineren Temperaturgradienten zwischen zwei Fluidströmen involviert, werden größere Flächen für den Wärmeübergang benötigt. Dies begrenzt die Wirtschaftlichkeit von Wärmeübertragern.
• Es besteht die Notwendigkeit eines Bedarfs für die niedertemperaturige Wärme. Die Rückgewinnung von Wärme im niedertemperaturigen Bereich ist nur sinnvoll, wenn es im Werk einen Bedarf für die niedertemperaturige Wärme gibt. Potenzielle Endverwendung ist niedertemperaturige Prozessheizung. Andere Optionen umfassen den Einsatz einer Wärmepumpe zur „Aufwertung“ der Wärme auf eine höhere Temperatur, um eine Last zu bedienen, die höhere Temperaturen erfordert. Auch niedertemperaturige Stromerzeugungstechnologien entstehen langsam.

Niedertemperatur-Wärmeaustauschtechnologien

Niedertemperatur-Wärmeaustauschtechnologien sind verfügbar, die Gase unter Taupunkttemperaturen abkühlen können, um niedertemperaturige Abwärme zurückzugewinnen. Technologieoptionen umfassen Tiefe Economizer, indirekte Kontaktkondensationsrückgewinnung, direkte Kontaktkondensationsrückgewinnung und kürzlich entwickelte Transportmembran-Kondensatoren. Die Kommerzialisierung dieser Technologien ist aufgrund hoher Kosten und weil Anlagen einen Endverwendungszweck für die zurückgewonnene Wärme fehlen, begrenzt. Wenn Anlagen einen Endverwendungszweck für Abwärme fehlen, werden andere Mittel für die Rückgewinnung verwendet, die Wärmepumpen und niedertemperaturige Stromerzeugung umfassen. Diese Technologien sind auch häufig durch wirtschaftliche Zwänge begrenzt.

Tiefe Economizer

Tiefe Economizer sind darauf ausgelegt, Abgase auf ca. 70 °C abzukühlen und den sauren Kondensat, der auf ihrer Oberfläche ablagert, zu widerstehen. Das Design der Economizer kann verschiedene Alternativen haben. Es kann die Installation eines „Wegwerf“-Abschnitts am kalten Ende des Economizers beinhalten. Die Rohre am kalten Ende verschlechtern sich im Laufe der Zeit und müssen sehr oft ersetzt werden. Die Austauschhäufigkeit hängt von der Rauchgaszusammensetzung und dem Baumaterial ab. Eine Alternative besteht darin, den Economizer mit Edelstahlrohren auszulegen. Edelstahl kann saure Gase besser widerstehen als der typischerweise im Bau verwendete Baustahl. In einem anderen Design wird Baustahl für den Großteil des Wärmeübertragers verwendet, aber Edelstahlrohre am kalten Ende, wo saure Ablagerungen auftreten. Der Einsatz von Glasrohr-Wärmeübertragern (hauptsächlich für Gas-Gas-Anwendungen wie Luftvorwärmer) oder fortschrittliche Materialien wie Teflon können weitere Alternativen sein.

Indirekte Kontaktkondensationsrückgewinnung

Indirekte Kontaktkondensationsrückgewinnungseinheiten kühlen Gase auf ca. 40 °C ab. In diesem Bereich kondensiert der Wasserdampf in den Gasen fast vollständig. Indirekte Kontaktwärmetauscher bestehen aus Rohrbündel-Wärmeübertragern. Sie können mit Edelstahl, Glas, Teflon oder anderen fortschrittlichen Materialien ausgelegt werden.

Direkte Kontaktkondensationsrückgewinnung

Direkte Kontaktkondensationsrückgewinnung involviert die direkte Vermischung des Prozessstroms und des Kühlfluids. Da diese Art der Rückgewinnung keine trennende Wand involviert, über die Wärme übertragen werden muss, vermeidet sie einige der Herausforderungen großer Wärmeübertragungsflächen, die für indirekte Kontakt-Rückgewinnungseinheiten erforderlich sind. Bei dieser Art der Rückgewinnung werden die Rauchgase beim Eintritt in den Wärmetauscher durch kaltes Wasser, das am oberen Teil der Einheit eingeblasen wird, abgekühlt. Der erwärmte Wasserstrom verlässt die Einheit durch den unteren Teil und liefert Wärme an ein externes System. Eine Herausforderung bei der direkten Kontaktkondensation ist, dass das Wasser durch Substanzen im Rauchgas kontaminiert werden kann.

Transportmembran-Kondensator

Transportmembran-Kondensator (TMK) ist eine sich entwickelnde Technologie zur Erfassung von Wasser (zusammen mit dessen latenter Wärme) aus dem Wasserdampf in Gasabgasströmen. Wasser wird aus dem Rauchgas bei Temperaturen über dem Taupunkt durch Kapillarkondensation extrahiert und in das Kesselspeisewasser recycelt. Wie bei der direkten Kontaktwärmerückgewinnung extrahiert TMK heißes Wasser direkt aus dem Rauchgas. Da TMK das Wasser jedoch durch Transport durch eine Membran zurückgewinnt, wird das zurückgewonnene Wasser nicht wie bei der direkten Kontakt-Rückgewinnung kontaminiert. Die Technologie wurde für saubere Abgasströme in einem erdgasbefeuerten Kessel demonstriert. Allerdings erfordert TMK weitere Entwicklung in fortschrittlichen Materialien, bevor eine breite Implementierung für schmutzigere Abfallströme möglich ist.

Wärmepumpe oder Aufwertung von niedertemperaturiger Abwärme

Die oben genannten Wärmeaustauschtechnologien involvieren den Energiefluss „bergab“ von einer hohen Temperatur zu einer niedertemperaturigen Endverwendung. Dies kann die Möglichkeiten für Wärmerückgewinnung beschränken, wenn die Abwärmetemperatur unter der für eine gegebene Heizlast benötigten Temperatur liegt. Als Beispiel kann Abwärme in Form von heißem Wasser bei ca. 35 °C verfügbar sein, während heißes Wasser bei ca. 85 °C benötigt wird. In einem solchen Fall kann eine Wärmepumpe Möglichkeiten zur „Aufwertung“ der Wärme auf die gewünschte Endverwendungstemperatur bieten. Wärmepumpen nutzen externe Energieeinträge, um einen Zyklus anzutreiben, der Energie von einer niedertemperaturigen Quelle aufnimmt und sie bei einer höheren Temperatur abgibt. Je nach Design können Wärmepumpen zwei Funktionen erfüllen. Sie können entweder Abwärme auf eine höhere Temperatur aufwerten oder Abwärme als Energieeintrag für den Antrieb eines Absorptionskühlsystems nutzen. Wärmepumpen sind am besten anwendbar auf niedertemperaturige Produktströme in Prozessindustrien.

Die Aufwertung von Wärme kann in einigen Fällen wirtschaftlich sein, abhängig vom erforderlichen Temperaturunterschied und den relativen Kosten von Brennstoff und Elektrizität. Wenn eine Anlage eine Wärmebelastung bei einer leicht höheren Temperatur als die Abwärmequelle hat, kann die Wärme manchmal effizienter durch eine Wärmepumpe bereitgestellt werden als durch Verbrennung zusätzlichen Brennstoffs. Der Leistungszahl (COP) ist ein Maß für die Wärmepumpenleistung, bestimmt aus dem Wärmeoutput und der Arbeitseingabe und gegeben durch die Gleichung COP = Q/W, wobei Q der nützliche Wärmeoutput der Wärmepumpe ist und W die Arbeitseingabe.

Eine wichtige Überlegung bei der Bestimmung der Machbarkeit von Wärmepumpen ist die Abwärmetemperatur und der gewünschte Temperaturhub. Der verwendete Zyklustyp und das gewählte Arbeitsfluid beeinflussen die Temperaturen, bei denen die Wärmepumpe Wärme aufnehmen oder abgeben kann, sowie den maximal erreichbaren Temperaturhub. Die Effizienz einer Wärmepumpe nimmt ab, je größer der gewünschte Temperaturhub ist.

Geschlossener Kompressionszyklus

Im geschlossenen Kompressionszyklus wird eine Wärmepumpe verwendet, um die Temperatur des Kühlwassers zu senken, während die extrahierte Wärme verwendet wird, um die Temperatur des an anderer Stelle im Werk verwendeten Prozesswassers zu erhöhen. Die Wärmepumpe besteht aus Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Expansionsventil. Im Verdampfer wird Energie von der Abwärmequelle auf das Kältemittel übertragen. Dann tritt das Kältemittel in den Kompressor ein, wo seine Temperatur steigt. Überhitztes Kältemittel tritt dann in den Kondensator ein und überträgt Wärme an die Wärmesenke. Schließlich wird das Kältemittel in einem Expansionsventil gedrosselt, bevor es zum Verdampfer zurückkehrt.

Offener Zyklus Dampfrekompression

Die offene Zyklus Dampfrekompression nutzt Kompression, um den Druck (und folglich die Temperatur) des Abfalldampfs zu erhöhen. Mechanische Dampfrekompression verwendet einen mechanischen Kompressor, während thermische Dampfrekompression einen Dampfejektor verwendet und daher wärmegetrieben statt mechanisch getrieben ist.

Absorptionswärmepumpen

Absorptionswärmepumpen sind dem geschlossenen Kompressionszyklus sehr ähnlich, außer dass der Kompressor durch einen komplexeren, wärmegetriebenen Absorptionsmechanismus ersetzt wird. Abhängig von den Anlagenbedürfnissen kann das System in mehreren Arten konfiguriert werden. In einem Typ kann die Wärmepumpe eine niedrigere und eine höhere Temperatureingabe verwenden, um Wärme auf einem intermediären Niveau abzugeben (z. B. Aufwertung der niedertemperaturigen Wärme). In einem anderen Typ kann die Wärmepumpe eine mittlere Temperatureingabe verwenden, um Wärme in einem niedertemperaturigen und einem hochtemperaturigen Strom abzugeben. Diese zweite Anwendung kann für Klimaanlagen und/oder Kühlung verwendet werden.

Stromerzeugung

Die Stromerzeugung aus Abwärme involviert typischerweise die Nutzung der Abwärme von Kesseln zur Erzeugung mechanischer Energie, die dann den elektrischen Generator antreibt. Diese Leistungskreisläufe sind gut entwickelt. Allerdings werden neue Technologien entwickelt, die Elektrizität direkt aus Wärme erzeugen können, wie thermoelektrische und piezoelektrische Erzeugung. Bei der Betrachtung von Stromerzeugungstechnologien für AWR ist ein wichtiger Faktor, den thermodynamischen Beschränkungen der Stromerzeugung bei verschiedenen Temperaturen Rechnung zu tragen. Die Effizienz der Stromerzeugung hängt stark von der Temperatur der Abwärmequelle ab. Generell war die Stromerzeugung aus Abwärme auf mittlere bis hochtemperaturige Abwärmequellen beschränkt. Allerdings können Fortschritte in alternativen Leistungskreisläufen die Machbarkeit der Erzeugung bei niedrigen Temperaturen erhöhen. Während die maximale Effizienz bei diesen Temperaturen niedriger ist, können diese Systeme dennoch wirtschaftlich sein, um große Energiemengen aus Abwärme zurückzugewinnen.

Die drei Methoden zur Stromerzeugung durch Nutzung mechanischer Energie werden im Folgenden beschrieben.

Dampf-Rankine-Zyklus

Das am häufigsten verwendete System zur Stromerzeugung aus Abwärme involviert die Nutzung der Wärme zur Dampferzeugung, der dann eine Dampfturbine antreibt. Der traditionelle Dampf-Rankine-Zyklus ist die effizienteste Option für Abwärmerückgewinnung aus Abgasströmen mit Temperaturen über 340 °C. Bei niedrigeren Abwärmetemperaturen werden Dampfzyklen weniger kosteneffektiv, da Niederdruckdampf größere Anlagen erfordert. Zudem kann niedertemperaturige Abwärme nicht genügend Energie liefern, um den Dampf zu überhitzen, was eine Voraussetzung zur Verhinderung von Dampfkondensation und Erosion der Turbinenschaufeln ist. Daher sind niedertemperaturige Wärmerückgewinnungsanwendungen besser für den Organischen Rankine-Zyklus (ORC) oder Kalina-Zyklus geeignet, die Fluide mit niedrigeren Siedetemperaturen im Vergleich zu Dampf verwenden.

Organischer Rankine-Zyklus

Der Organische Rankine-Zyklus (ORC) funktioniert ähnlich wie der Dampf-Rankine-Zyklus, verwendet aber ein organisches Arbeitsfluid statt Dampf. Alternativen umfassen Silikonöl, Propan, Halogenalkane (z. B. Fluorchlorkohlenwasserstoffe), Isopentan, Isobutan, p-Xylol und Toluol, die niedrigere Siedepunkte und höhere Dampfdrücke als Wasser haben. Dies ermöglicht dem ORC den Betrieb bei deutlich niedrigeren Abwärmetemperaturen. Der am besten geeignete Temperaturbereich hängt vom verwendeten Fluid ab, da die thermodynamischen Eigenschaften der Fluide die Effizienz des Zyklus bei verschiedenen Temperaturen beeinflussen. Im Vergleich zu Wasserdampf haben die Fluide eine höhere Molmasse, was kompakte Designs, höhere Massenströme und höhere Turbineneffizienzen ermöglicht. Da der ORC jedoch bei niedrigeren Temperaturen funktioniert, ist die Gesamteffizienz niedrig und hängt von der Temperatur des Kondensators und Verdampfers ab. Während die Effizienz niedriger ist als bei einem hochtemperaturigen Dampfkraftwerk, ist es wichtig zu bedenken, dass niedertemperaturige Zyklen inhärent weniger effizient sind als hochtemperaturige Zyklen. Effizienzgrenzen können gemäß der Carnot-Effizienz ausgedrückt werden, die die maximal mögliche Effizienz für eine Wärmekraftmaschine ist, die zwischen zwei Temperaturen arbeitet. Eine Carnot-Maschine, die mit einer Wärmequelle bei 150 °C arbeitet und bei 25 °C abgibt, ist nur etwa 30 % effizient. In diesem Licht ist eine niedrige Effizienz im Bereich von 10 % bis 20 % im Fall von ORC ein substanzieller Prozentsatz der theoretischen Effizienz, besonders im Vergleich zu anderen niedertemperaturigen Alternativen wie piezoelektrischer Erzeugung, die nur 1 % effizient sind.

Obwohl die Wirtschaftlichkeit von ORC-Wärmerückgewinnung für jede gegebene Anwendung sorgfältig analysiert werden muss, ist es eine nützliche Alternative in jenen Industrien, die keine interne Nutzung für zusätzliche Prozesswärme haben oder keine benachbarten Anlagen, die die Wärme wirtschaftlich nutzen können.

Kalina-Zyklus

Der Kalina-Zyklus ist eine Variation des Rankine-Zyklus, der ein Gemisch aus Ammoniak und Wasser als Arbeitsfluid verwendet. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Einzelfluid-Zyklen und Zyklen, die binäre Fluide verwenden, ist das Temperaturprofil während des Siedens und der Kondensation. Bei Einzelfluid-Zyklen bleibt die Temperatur während des Siedens konstant. Wenn Wärme an das Arbeitsmedium (Wasser) übertragen wird, steigt die Wassertemperatur langsam bis zur Siedetemperatur, an der die Temperatur konstant bleibt, bis alles Wasser verdampft ist. Im Gegensatz dazu erhöht ein binäres Gemisch aus Wasser und Ammoniak (von denen jedes einen unterschiedlichen Siedepunkt hat) seine Temperatur während der Verdampfung. Dies ermöglicht eine bessere thermische Anpassung an die Abwärmequelle und an das Kühlmedium im Kondensator. Folglich erreichen diese Systeme eine erheblich größere Energieeffizienz. Der Zyklus wurde in den 1980er Jahren erfunden.

Direkte elektrische Umwandlungstechnologien

Während traditionelle Leistungskreisläufe Wärme nutzen, um mechanische Energie und letztlich elektrische Energie zu erzeugen, werden neue Technologien entwickelt, die Elektrizität direkt aus Wärme erzeugen können. Dazu gehören thermoelektrische, thermionische und piezoelektrische Technologien. Diese Technologien befinden sich jedoch noch in der Entwicklungsphase. Einige haben Prototypentests in Anwendungen wie Wärmerückgewinnung in Kraftfahrzeugen durchlaufen.

Thermoelektrische Erzeugung

Thermoelektrische (TE) Materialien sind Halbleiterfestkörper, die die direkte Erzeugung von Elektrizität ermöglichen, wenn sie einem Temperaturunterschied ausgesetzt sind. Diese Technologie basiert auf einem Phänomen, das als Seebeck-Effekt bekannt ist, der besagt, dass wenn zwei verschiedene Halbleitermaterialien einer Wärmequelle und einer Wärmesenke ausgesetzt sind, eine Spannung zwischen den beiden Halbleitern entsteht. Umgekehrt können TE-Materialien auch für Kühlung oder Heizung verwendet werden, indem Elektrizität an ungleiche Halbleiter angelegt wird. Die thermoelektrische Technologie existiert seit langem (der thermoelektrische Effekt wurde 1821 erstmals entdeckt), hat aber aufgrund niedriger Effizienzen und hoher Kosten nur begrenzte Anwendung gefunden. Die meisten im Einsatz befindlichen TE-Erzeugungssysteme haben Effizienzen im Bereich von 2 % bis 5 %. Diese wurden hauptsächlich zur Stromversorgung von Instrumenten auf Raumfahrzeugen oder in sehr abgelegenen Standorten verwendet. Allerdings haben jüngste Fortschritte in der Nanotechnologie fortschrittliche TE-Materialien ermöglicht, die Umwandlungseffizienzen von 15 % oder höher erreichen können.

In einer jüngsten Studie wurde festgestellt, dass fortschrittliche TE-Pakete in mitteltemperaturigen bis hochtemperaturigen, hochvolumigen Abgasströmen geeignet sind, wo Anlagen wenig Verwendung für zurückgewonnene Abwärme haben. Allerdings ist in diesem Bereich weitere Entwicklungsarbeit nötig. Niedrigkostige, hochvolumige Produktionsmethoden für TE-Materialien müssen entwickelt werden, um dieses Ziel zu erreichen. Auch die Aufrechterhaltung eines hohen Temperaturunterschieds über dünnen TE-Geräten stellt eine erhebliche ingenieurtechnische Herausforderung dar. Das Erreichen hoher Wärmeübertragungsraten erfordert Fortschritte in Wärmeübertragungsmaterialien und Wärmetauschsystemen mit hohen Wärmeübertragungskoeffizienten.

Piezoelektrische Stromerzeugung

Piezoelektrische Stromerzeugung (PEPG) ist eine Option zur Umwandlung von niedertemperaturiger Abwärme im Bereich von 100 °C bis 150 °C in elektrische Energie. Piezoelektrische Technologie wandelt mechanische Energie in Form von Umgebungsvibrationen in elektrische Energie um. Eine piezoelektrische Dünnschichtmembran kann von oszillierender Gasexpansion profitieren, um eine Spannungsausgabe zu erzeugen. Es gibt jedoch mehrere technische Herausforderungen, die mit PEPG-Technologien verbunden sind. Dazu gehören: (i) niedrige Effizienz (nur ca. 1 % effizient), (ii) Schwierigkeiten bleiben, hohe genug oszillierende Frequenzen zu erhalten (aktuelle Geräte arbeiten bei ca. 100 Hz, benötigte Frequenzen liegen nahe 1.000 Hz), (iii) hoher innerer Widerstand, (iv) komplexe oszillierende Fluiddynamik innerhalb der Flüssig/Dampf-Kammer, (v) Notwendigkeit langfristiger Zuverlässigkeit und Haltbarkeit, und (vi) hohe Kosten.

Während die Umwandlungseffizienz der PEPG-Technologie derzeit sehr niedrig ist (1 %), gibt es Aussichten für PEPG-Kaskadierung, wodurch Effizienzen von ca. 10 % erreicht werden können. Weitere Schlüsselfragen sind die Herstellungskosten piezoelektrischer Geräte sowie das Design von Wärmeübertragern, um ausreichende Wärmeübertragungsraten über einen relativ niedrigen Temperaturunterschied zu ermöglichen.

Thermionische Erzeugung

Thermionische Geräte funktionieren ähnlich wie thermoelektrische Geräte. Während thermoelektrische Geräte jedoch nach dem Seebeck-Effekt arbeiten, arbeiten thermionische Geräte über thermionische Emission. In diesen Systemen treibt ein Temperaturunterschied den Fluss von Elektronen durch ein Vakuum von einem Metall zu einer Metalloxid-Oberfläche. Ein wesentlicher Nachteil dieser Technologie ist, dass sie auf Anwendungen mit hohen Temperaturen über 1.000 °C beschränkt ist. Allerdings haben einige Entwicklungen ihren Einsatz im Bereich von ca. 100 °C bis 300 °C ermöglicht.

Thermophotovoltaischer Generator

Thermophotovoltaische Generatoren können verwendet werden, um Strahlungsenergie in Elektrizität umzuwandeln. Diese Technologie involviert eine Wärmequelle, einen Emitter, einen Strahlungsfilter und eine photovoltaische (PV) Zelle (wie sie in Solarpaneelen verwendet werden). Wenn der Emitter erhitzt wird, emittiert er elektromagnetische Strahlung. Die PV-Zelle wandelt diese Strahlung in elektrische Energie um. Der Filter wird verwendet, um Strahlung bei Wellenlängen durchzulassen, die zur PV-Zelle passen, während die verbleibende Energie zum Emitter zurückreflektiert wird. Diese Technologie kann potenziell neue Methoden für AWR ermöglichen. Eine kleine Anzahl von Prototypsystemen wurde für kleine Brenneranwendungen und in einem Hubschrauber-Gasturbinen gebaut.

AWR und Eisen- und Stahlindustrie

Die Eisen- und Stahlindustrie setzt mehrere Hochtemperaturöfen für Koks, Sinter, Roheisen und Stahlproduktion ein und verursacht hohen Energieverbrauch. Während die Rückgewinnung aus sauberen Gasströmen in der Industrie üblich ist, stellen stark verunreinigte Abgase aus Koksöfen, Hochofen (BF), Basissauerstoffofen (LD-Konverter) und Elektrolichtbogenofen (EAF) weiterhin eine Herausforderung für wirtschaftliche AWR dar. Wärmerückgewinnungstechniken aus diesen schmutzigen Gasströmen sind verfügbar, doch die Umsetzung wurde aufgrund hoher Investitionskosten begrenzt.

Die Stahlindustrie hat die größten Fortschritte bei der Reduzierung ihrer Energieintensität erzielt. Solche Fortschritte wurden durch kontinuierliches Gießen und Optimierung des Hochofenbetriebs sowie durch Stahlrecycling und Ersetzung fossiler Brennstoffe durch recycelte Nebenproduktgase (Koksofengas, Hochofengas und Konvertergas) erreicht. In-situ Abwärmerückgewinnung wurde überall dort umgesetzt, wo möglich, z. B. durch Rückführung heißer Rauchgase in den Ofen, in dem sie erzeugt wurden, um den externen Energiebedarf zu senken, oder durch Nutzung heißer Rauchgase zur Vorwärmung von Verbrennungsluft oder Brenngas. Solche Energieeffizienzverbesserungen lassen dennoch Rest-AWR-Möglichkeiten offen, z. B. zur Dampferzeugung für andere Prozessteile oder zur Stromerzeugung.

AWR im Fall von Stahlwerken wird im Folgenden beschrieben.

Koksproduktion

Die Koksproduktion ist ein essenzielles Beschickungsmaterial für den Hochofenbetrieb. Koks wird in Koksöfen produziert, wo Kohle in einer sauerstoffbegrenzten Atmosphäre erhitzt wird. Es gibt zwei Verfahren zur Koksherstellung: (i) das Nebenproduktverfahren, und (ii) das Nicht-Rückgewinnungsverfahren. Beim Nebenproduktverfahren werden chemische Nebenprodukte (Rohteer, Ammoniak und Leichöle) im Koksofengas (KOG) zurückgewonnen, während das verbleibende KOG gereinigt und im Stahlwerk recycelt wird. Beim Nicht-Rückgewinnungsverfahren wird das gesamte KOG im Prozess verbrannt. Das gängigste Verfahren ist noch das Nebenproduktverfahren, das im Folgenden besprochen wird.

Das Nebenprodukt-Kokereiverfahren hat zwei Bereiche sinnlicher Wärmeverluste: (i) KOG, das im Gasreinigungsprozess abgekühlt wird, und (ii) Abgas, das den Kokshofen verlässt. Der Kokereiprozess setzt mehrere Koksöfenkammern ein, die durch Heizflammen getrennt sind. Recyceltes KOG und manchmal andere Gase wie Hochofengas werden als Brennstoffquelle in der Heizflamme verwendet und liefern Wärme für die Ofenkammer, in der die Kohleverkokung stattfindet. Wenn Kohle in der Ofenkammer verkokt wird, werden Gas und Feuchtigkeit (die ca. 8 % bis 11 % der beschickten Kohle ausmachen) ausgetrieben und verlassen die Kammer durch Rohre. Das KOG hat einen hohen Heizwert von ca. 4000 kcal/m³ bis 4400 kcal/m³ und kann daher nach einem Reinigungsprozess als Brennstoff im gesamten Stahlwerk recycelt werden.

Die Temperatur des rohen KOG am Ofenauslass liegt zwischen 650 °C und 1000 °C. An diesem Punkt ist das KOG-Gas eine Quelle sinnlicher Wärme. Allerdings wird die Wärme universell verschwendet, da die hohe Menge an Teer und anderen Materialien zu Ablagerungen auf Wärmeübertrageroberflächen führen kann. Beim Verlassen des Ofens wird das KOG durch Ammoniakwasserspray gefolgt von Primärkühlern abgekühlt. Verschiedene Technologien werden dann zur Entfernung von Teer, Schwefelverbindungen, Ammoniak und Leichölen eingesetzt. Nach der Reinigung wird das KOG als Brennstoff im gesamten Stahlwerk verwendet. In dieser Anordnung wird nur die chemische Energie des KOG bei der Rückführung zurückgewonnen, während die sinnliche Wärme verschwendet wird.

Während die meisten Stahlwerke keine Wärmerückgewinnung aus KOG betreiben, ist ein begrenztes Maß an Wärmerückgewinnung aus KOG möglich, wie der Erfolg dieser Praxis in Japan zeigt. Koksöfenanlagen in Japan haben erfolgreich Wärmerückgewinnung durch den Einsatz eines Niederdruck-Wärmeübertragungsmediums angewendet. Im Allgemeinen liegt die minimal zulässige Temperatur für das KOG im Wärmetauscher bei ca. 450 °C. Bei niedrigeren Temperaturen kondensiert Teer und führt zu Rußbildung auf der Wärmeübertrageroberfläche. Die Abkühlung auf 450 °C ermöglicht nur etwa ein Drittel der sinnlichen Wärme zurückzugewinnen. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass IHWs in anderen Ländern neue Technologien für Wärmerückgewinnung aus rohem Koksofengas verfolgen werden. Dies liegt daran, dass IHWs Kostenbarrieren bei der Wärmerückgewinnung aus schmutzigen Abgasströmen gegenüberstehen. Auch kann das Nebenprodukt-Kokereiverfahren in zukünftigen Jahren irrelevant werden. Es ist wahrscheinlich, dass IHWs sich vom Nebenproduktverfahren zum Nicht-Rückgewinnungsverfahren aufgrund umweltlicher Überlegungen bewegen werden. Beim Nicht-Rückgewinnungsverfahren wird das KOG-Gas im Prozess verbrannt, und ein AWK wird verwendet, um die sinnliche Wärme in den Abgasen zurückzugewinnen.

Eine weitere Quelle sinnlicher Wärmeverluste in Koksöfen sind die Abgase aus der Verbrennung der recycelten Brenngase. Die recycelten Brenngase werden in der Heizflamme verwendet, die an die Ofenkammer angrenzt. Die Verbrennung der Brenngase erzeugt heiße Abgase, die den Ofenflammen verlassen und durch einen Regenerator strömen, um Wärme an die einströmende Verbrennungsluft und/oder Brennstoff zu übertragen. Abgase verlassen den Regenerator bei Temperaturen von durchschnittlich ca. 200 °C. In einigen Anlagen wird der Wärmegehalt der Abgase weiter durch den Einsatz eines Wärmerohrs oder zur Vorwärmung der Kohlebeschickung und Reduzierung ihres Feuchtegehalts zurückgewonnen. In diesem Fall sinkt die Temperatur der Abgase auf ca. 60 °C.

Sinterproduktion

Die Sinteranlage besteht aus zwei Hauptabschnitten: Sinterabschnitt und Sinterkühlabschnitt. Wärmerückgewinnung aus beiden Teilen wurde entwickelt: (i) aus Sinterabschnitt-Abgas, und (ii) aus Kühlabschnitt-Kühlgas. Es gibt einen großen Temperaturunterschied abhängig von der Position des Abschnitts. Die durchschnittliche Gastemperatur in beiden Abschnitten liegt bei 100 °C bis 150 °C, zu niedrig für effektive Wärmerückgewinnung. Die Wärmerückgewinnung ist auf die Hochtemperatur-Gaszone beschränkt, den Endteil des Sinterabschnitts und den Anfangsteil des Kühlabschnitts, wo Gastemperaturen von 300 °C oder höher verfügbar sind. Obwohl die Wärmerückgewinnungszone begrenzt ist, ist das Gasvolumen des Sinterprozesses groß genug für praktische Wärmerückgewinnung.

Das Abgas-Energierückgewinnungssystem besteht aus Haube, Staubabscheider, Wärmerückgewinnungskessel, Umluftventilator und Entgaser. Sintermaschinen-Abgas ist korrosiv und enthält Staub. Die Wärmerückgewinnung ist generell auf die Hochtemperatur-Gaszone beschränkt, da die aggregierte Durchschnittstemperatur zu niedrig für Wärmerückgewinnung ist. Gleichzeitig muss die Gastemperatur nach der Wärmerückgewinnung aufgrund der Korrosivität über dem Säuretaupunkt des Gases gehalten werden. Kühlgas ist im Wesentlichen Umgebungsluft mit etwas Staub. Im Fall des Sinterkühlers ist es dasselbe wie bei der Sintermaschinen-Wärmerückgewinnung. Aufgrund der Gastemperaturverteilung entlang des Kühlers ist die Wärmerückgewinnung auf die Hochtemperatur-Gaszone beschränkt.

Sintermaschinen-Abgas-Wärmerückgewinnung kann in Umlauf- und Nicht-Umlauf-Typ unterteilt werden. Beim Umlauf-Typ wird das Gas nach der Wärmerückgewinnung zur Sintermaschine als Kühlgasersatz zirkuliert, während beim Nicht-Umlauf-Typ das Gas nach der Wärmerückgewinnung direkt zur Gasbehandlungsanlage geführt wird. Der Umlauf-Typ wird zur Verbesserung der Wärmerückgewinnungseffizienz eingesetzt.

Im Fall der Kühler-Wärmerückgewinnung ist das Kühlgas Luft. Das Kühler-Wärmerückgewinnungssystem kann als Umlauf- und Nicht-Umlauf-Typ kategorisiert werden. Beim Nicht-Umlauf-Typ wird nach der Wärmerückgewinnung aus der Heißgaszone das Kühlgas in die Atmosphäre freigesetzt. Beim Umlauf-Typ wird nach der Wärmerückgewinnung aus der Heißgaszone das Kühlgas zum Kühler geführt und für die Sinterkühlung wiederverwendet. Die Kühlgastemperatur steigt durch Rezirkulation und führt folglich zu höherer Wärmerückgewinnung. Andererseits kann die Kühlfähigkeit abnehmen, wenn die Kühlgastemperatur auf das Niveau von 180 °C steigt. Die Sinternentladetemperatur am Kühlerausgang ist im Umlauf-Typ um ca. 30 °C höher. Der Temperaturunterschied ist klein genug und beeinflusst den Sinteranlagenbetrieb nicht. Die zurückgewonnene Energie steigt im Umlauf-Typ um 50 % im Vergleich zum Nicht-Umlauf-Typ. Der Ventilatorstromverbrauch ist im Umlauf-Typ höher. Die zurückgewonnene Leistung ist jedoch weitaus größer.

Roheisenproduktion im Hochofen

Der Hochofen (BF) ist eine der Haupteinheiten in integrierten Hüttenwerken. Er wandelt Eisenerz in Roheisen um. Rohmaterialien werden von oben beschickt, einschließlich eisenhaltiger Materialien (Stückeisen, Sinter oder Pellets), Zuschlagstoffe (Flussmittel) und Koks, während Heißluft und Zusatzbrennstoffe durch Düsen am Boden des Ofens eingeblasen werden. Die Beschickung bewegt sich nach unten durch den BF und trifft auf einen aufsteigenden Strom heißer Gase. Die in den BF eintretende Heißluft wird von mehreren Hilfs-Windheizern bereitgestellt. Im Windheizer wird ein Gemischgas bestehend aus Hochofengas (HOFG) und KOG verbrannt. Die Wärme aus den Verbrennungsabgasen wird an einen Ziegelpackungs-Regenerator übertragen. Wenn der Regenerator eine angemessene Temperatur erreicht hat, wird der Luftstrom umgekehrt und kalte Luft wird durch den Regenerator gezwungen, der Wärme an die kalte Luft überträgt. Die erhitzte Luft wird dann in den Ofen eingeblasen. Das System arbeitet nach denselben Prinzipien wie ein Regenerator zur Wärmerückgewinnung. In diesem Fall ist der Regenerator jedoch keine „Abwärme“-Rückgewinnungseinheit, sondern der Mechanismus zur Übertragung der Wärme vom Heizer auf die Heißluft. Quellen von Abgas-Abwärme im BF umfassen sowohl die Abgase der Windheizer als auch das HOFG, das den BF verlässt.

Es gibt sinnlichen Wärmeverlust aus HOFG. Neue BFs sind für effizienten Wärmeübergang ausgelegt, was zu heißen Gasen am BF-Kopf im niedertemperaturigen Bereich führt. Das HOFG wird zur Verwendung als Brennstoff in der Windheizung, Walzwerks-Wiedererhitzungsöfen, Koksöfenheizung, Stromproduktion und Dampferzeugung zurückgewonnen. Da HOFG einen niedrigen Heizwert hat, wird es oft mit KOG oder Konvertergas gemischt. HOFG muss gereinigt werden, bevor es als Brennstoff verwendet werden kann, und die im Gas enthaltene sinnliche Wärme wird selten zurückgewonnen. In einigen Fällen arbeitet der BF bei ausreichend hohem Druck (2,5 atm oder höher), um eine Druckentlastungsturbine (DET) zur Rückgewinnung der „Druckenergie“ des HOFG wirtschaftlich zu nutzen. Das Gas muss vor dem Eintritt in die DET gereinigt werden, was allgemein durch Nassreinigung erfolgt, wobei die sinnliche Wärme des Abgases verloren geht. Eine Alternative zur Nassreinigungstechnologie ist die Trockenreinigung, bei der die Temperatur des in die DET eintretenden Gases auf ca. 120 °C erhöht werden kann. Trockene DET-Technologie funktioniert bereits an mehreren Standorten. Sie ist jedoch teurer.

Eine weitere Möglichkeit für AWR ergibt sich aus den Verbrennungsabgasen, die die Windheizer verlassen. Die Gase liegen bei Temperaturen von ca. 250 °C vor. Das Windheizer-Abgas ist relativ sauber und verträglicher mit Wärmerückgewinnungsgeräten, was die Wärmerückgewinnung aus Windheizern zu einer häufigeren Praxis macht. Die Wärme kann zur Vorwärmung von Verbrennungsluft und/oder Brenngas verwendet werden. Verwendete Wärmetauscher umfassen Drehregeneratoren, feste Plattenwärmetauscher und zirkulierende Wärmeträgersysteme.

Flüssigstahlproduktion im LD-Konverter (BOF)

Der LD-Konverter (BOF) verwendet Sauerstoff zur Oxidation von Verunreinigungen im Roheisen. Der Betrieb ist halbkontinuierlich: Roheisen und Schrott werden in den Ofen geladen, Sauerstoff eingeblasen, Flussmittel zur Erosionskontrolle zugegeben, und dann wird das Metall probeweise entnommen und abgestochen. Die zum Schmelzen des Metalls erforderliche Temperatur wird durch die exotherme Oxidationsreaktion geliefert, weshalb keine externe Wärmequelle benötigt wird.

Die Abgase aus dem LD-Konverter liegen bei hoher Temperatur vor. Sie haben eine hohe Konzentration an CO (Kohlenmonoxid). Wie KOG und HOFG bieten LD-Konverter-Gase Möglichkeiten zur Rückgewinnung chemischer Energie und sinnlicher Wärme. Herausforderungen für AWR sind hohe Investitionskosten und die erheblichen Wartungsprobleme, die aus heißen schmutzigen Gasen resultieren. Verunreinigungen umfassen Eisenoxide, Schwermetalle, SOx, NOx und Fluoride.

Verschiedene kommerzielle Methoden für AWR sind verfügbar. Die zwei Hauptmethoden für Wärmerückgewinnung sind „offene Verbrennung“ und „unterdrückte Verbrennung“. Bei offenen Verbrennungssystemen wird Luft in den LD-Konverter-Gaszug eingeführt, um das CO zu verbrennen. Die erzeugte Wärme wird mit einem Abwärmekessel zurückgewonnen. Bei der „unterdrückten Verbrennung“-Methode wird ein Schirm am Konvertermund hinzugefügt, um Lufteintritt und Verbrennung des CO zu reduzieren. Das Gas wird dann gereinigt, gesammelt und als Brennstoff verwendet. Es ist auch möglich, sowohl das Gas als auch die sinnliche Wärme über ein kombiniertes Kessel/unterdrückte-Verbrennung-Gasrückgewinnungssystem zurückzugewinnen.

Flüssigstahlproduktion im Elektrolichtbogenofen (EAF)

Die Stahlindustrie hat ein signifikantes Wachstum in der Herstellung aus recyceltem Schrott durch elektrische Schmelzung erlebt. EAF und Induktionsofen sind die zwei Ofentypen, die zum Schmelzen von Eisenschrott für die elektrische Schmelzung verwendet werden. Von diesen beiden ist der EAF der vorherrschende Ofen. Der Ofen ist feuerfest ausgekleidet und typischerweise mit einem einziehbaren Dach bedeckt, durch das Graphitelektroden abgesenkt werden. Beschickungsmaterialien werden durch das Dach abgesenkt. Flussmittel und Legierungszusätze werden ebenfalls zugegeben, um die Materialqualität zu kontrollieren. Die Elektroden werden dann auf ca. einen Zoll über das Metall abgesenkt, und der Strom liefert die Wärme zum Schmelzen des Schrotts. Während des Ofenbetriebs werden mehrere Gase und Partikelemissionen freigesetzt, einschließlich CO, SOx, NOx, Metalloxide, flüchtige organische Verbindungen (VOC) und andere Schadstoffe. Abgastemperaturen bei Spitzenlast können zwischen 1.350 °C und 1.950 °C liegen. Abgase sind für Verluste von ca. 20 % der Leistungseingabe verantwortlich. Die Hälfte dieser Verluste ist auf die chemische Energie in den Gasen zurückzuführen, die andere Hälfte auf sinnliche Wärme. Zusätzlich gehen ca. 8 % bis 10 % der Energieeingabe an das EAF-Kühlwasser „Mantel“ verloren.

Die gängigste Methode für Wärmerückgewinnung ist die Schrottvorwärmung, die weit verbreitet eingesetzt wird. Die Nutzung von Abgasen zur Schrottvorwärmung kann 5 % bis 10 % des gesamten EAF-Energieverbrauchs einsparen. Ursprüngliche Designs für Schrottvorwärmung erforderten die Ableitung von Abgasen in den Beschickungskorb. Einige Herausforderungen dieser Systeme sind die Notwendigkeit, vorgewärmten Schrott mit halb verbrannten Nicht-Schrott-Materialien (z. B. Kunststoffe) zu transportieren, sowie die Verdampfung von Flüchtigen, die Geruchs- und Umweltkontrollprobleme verursachen. Alternativen zum Korbvorwärmesystem sind das Consteel-Verfahren, der Fuchs-Schaftofen und der Twin-Shell-Ofen. Diese Verfahren wurden an verschiedenen Standorten installiert.

Das Consteel-Verfahren involviert kontinuierliche Schrottbeschickung und verwendet einen Schrottförderer, ein Beschickungssystem und einen Vorwärmer. Der Vorwärmer ist ein feuerfest ausgekleideter Tunnel, in dem Abgase entgegen dem Fluss der Schrottbeschickung strömen. Luft wird in den Vorwärmer eingeblasen, um CO und CO₂ zu verbrennen, und somit werden sowohl die chemische als auch die sinnliche Wärme im Abgas genutzt. Ein Nachbrenner wird manchmal installiert, um verbleibendes CO und andere Verbindungen zu verbrennen. Der Fuchs-Schaftofen involviert einen Schacht unmittelbar über dem Lichtbogenofendach. Die Beschickung erfolgt über Körbe in drei Stufen. Die Körbe sind feuerfest ausgekleidet und mit einer Dichtung versehen, die das Entweichen von Rauch verhindert. Die Schrotterhitzung wird zusätzlich durch auxilliäre Sauerstoff-Brenner unterstützt. Zusätzlich werden Nachbrenner installiert, um alles CO vollständig zu verbrennen. Ein weiterer Vorteil des Systems ist, dass die Beschickung als Staubfilter wirkt, der ca. 40 % des Staubs auffängt und in den Ofen zurückführt, was leichte Ertragssteigerungen ermöglicht.

Die Vor- und Nachteile von Schrottvorwärmesystemen hängen vom spezifischen Betrieb ab. In einigen Fällen ermöglichen sie reduzierten Stromverbrauch und erhöhte Produktivität. In anderen Fällen sind Schrottvorwärmesysteme schwierig zu warten. Da EAFs zunehmend effizienter werden und die Tap-to-Tap-Zeiten reduziert werden, kann die Schrotthandhabung die Produktivität verringern und möglicherweise belastende Wartungsanforderungen schaffen. In einem Fall werden die durch Schrottvorwärmung ermöglichten Energieeinsparungen um etwa die Hälfte reduziert, wenn die Tap-to-Tap-Zeiten um ein Drittel reduziert werden.

Kraftwerkskessel

Kessel in integrierten Hüttenwerken verwenden normalerweise HOFG und KOG als Brennstoff. Die Abgastemperatur für die Kessel variiert mit dem Alter des Kessels und den verwendeten Steuerungen. Temperaturen können ziemlich hoch sein (340 °C bis 450 °C), mit O₂-Gehalt von 3 % bis 7,5 %. Die Abwärme liegt in Form von sauberen, kontaminationsfreien Gasen vor und erfordert keine weitere Aufbereitung. Die Bereiche der Abwärme und Rückgewinnung aus Kesseln und Dampfsystemen umfassen: (i) Nutzung von Abgasen zur Vorwärmung von HOFG und KOG, (ii) Nutzung von niedertemperaturiger Stromerzeugung, wenn wirtschaftlich gerechtfertigt, (iii) Vorwärmung von Betriebswasser oder Flusswasser für den Werksgebrauch, falls möglich und erforderlich, und Niederdruckdampf kann kondensiert und für das Kesselspeisewassersystem wiederverwendet werden, anstatt abgelassen zu werden.

Wiedererhitzungsofen

Der Wiedererhitzungsofen ist eine Schlüsselausrüstung der Warmwalzwerke. Seine Funktion ist es, Bramme, Blöcke oder Brammen verschiedener Größen und Güten kontinuierlich auf bis zu 1.250 °C zu erhitzen. Die meisten neuen Wiedererhitzungsöfen sind „Schubbalkenöfen“ (SBO). Beim SBO erfolgt die Beheizung über und unter den Produkten, die von der Beschickungs- zur Entladeseite durch isolierte und gekühlte Balken (Schlitten) bewegt werden. Ein wichtiges Leistungsmerkmal für Wiedererhitzungsöfen ist die Heizhomogenität. 20 % bis 30 % der Energieeingabe wird typischerweise verschwendet, aufgeteilt auf mehrere thermische Verluste: (i) die Temperatur des Abgases zwischen dem Verbrennungsluftrekuperator und dem Schornstein liegt bei 250 °C bis 300 °C bei Erdgasbefeuerung und höher bei niedrigerem Heizwertbrennstoff, (ii) die Produktfördersysteme im Ofen mit Schlitten und Nachkühlsystem, und (iii) Wand- und Türverluste, die kaum rückgewinnbar sind.

Wasser wird verwendet, um das Schlittensystem, das mit einer sehr heißen Atmosphäre im Ofen in Kontakt steht, ständig zu kühlen. Dieser Wasserkreislauf tritt typischerweise bei 40 °C ein und wird um 15 °C erwärmt, bevor er einem dedizierten Kühlsystem zugeführt wird.

An mehreren Standorten wird AWR am Schlittenkühlsystem durchgeführt, indem Dampf erzeugt wird, wenn er im Werk für andere Zwecke benötigt wird. Allein diese Installation reduziert Verluste durch das Schlittensystem wegen der Verwendung von wassergekühlten Rohren, die bei höherer Temperatur betrieben werden. Wenn Dampf nicht vom Werk benötigt wird, kann ein ORC (angepasst für solche Temperaturen um 200 °C) auf dem Dampfkreis installiert werden, um Strom zu erzeugen. Diese Installation hat den Vorteil, einfach und sicher bedienbar zu sein, besonders bei hoher Variabilität der Verluste wegen der konstanten Temperatur durch den Wasserphasenwechsel. Meistens wird diese Technologie jedoch nicht installiert, wegen langer Amortisationszeit, und die in Abgasen enthaltene Energie wird verschwendet.

Ein Stromerzeugungssystem ist möglich, um Energie aus Abgasen zurückzugewinnen. Abhängig von der Wärmequellentemperatur sind entweder ein „Wasser-Dampf-Kreislauf“ (bei niedriger Effizienz des Ofens) oder ein ORC (bei besserer Effizienz) verfügbar. Meistens werden diese Technologien jedoch nicht installiert, wegen ihrer langen Amortisationszeit. Diese Situation kann eine andere Lösung haben. Diese Lösung kombiniert Wärme aus dem Schlittenkühlkreislauf, der bei höherem Druck und Temperatur betrieben wird, um ein Gemisch aus Dampf und Wasser bei ca. 215 °C in einem geschlossenen Kreislauf zu erzeugen, und Wärme aus Abgasen. Die beiden Wärmequellen werden separat dank organischer Wärmeträgerkreisläufe zurückgewonnen und dann zu einer gemeinsamen Wärmequelle kombiniert.

Die Wärmeschwankungen aus den Abgasen (Temperatur und Volumen werden modifiziert) im Fall von Ofenleistungsvariationen (Produktions- oder Produktvariationen) werden durch die konstante Temperatur der aus dem Schlittenkühlsystem kommenden Wärme ausgeglichen. Damit wird der Betrieb des Systems einfach und macht die globale Wärmequelle stabiler, besonders bei hohen Schwankungen.

Es ist möglich, dass die Wiedererhitzungsofenproduktion in wenigen Minuten schwanken kann, was den Wärmeinhalt der in das AWR-System eintretenden Abgase beeinflusst. Der ORC ist ein recht flexibles System, das solche Variationen bis zu einem gewissen Punkt aufnehmen kann. Ein ORC kann typischerweise bis zu 30 % seiner Nennkapazität betrieben werden und schaltet automatisch ab, wenn die Wärmezufuhr unter diesen Schwellenwert fällt. Der wirtschaftliche Aspekt ist jedoch betroffen, da die Stromproduktion ebenfalls abnimmt.

Wärmespeicherlösungen, die an tägliche Variationen angepasst werden können, werden für industrielle Anwendungen verfügbar und können in Kombination mit einem ORC verwendet werden, um dessen Produktion zu glätten. Öl ist beispielsweise ein geeignetes Wärmespeichermedium auf diesem Temperaturniveau. Wirtschaftliche Vorteile müssen fallweise bewertet werden.

Abwärme aus Feststoffströmen

Zusätzlich zu Abwärmeverlusten aus Abgasen sind Feststoffströme und Kühlwasser Quellen zusätzlicher sinnlicher Wärmeverluste. Feste Produkte und Nebenprodukte mit signifikanten Abwärmeverlusten umfassen heißen Koks, heißes Sinter, Hochofenschlacke, LD-Konverterschlacke, Gussstahl und warmgewalzten Stahl. Obwohl die Wärme aus Feststoffströmen oft schwieriger zurückzugewinnen ist, sind die Wärmeverluste hoch. Der sinnliche Wärmeverlust aus Koks wird in einigen Anlagen durch Koks-Trockenabschrecken (KTA) als Alternative zum Nassabschrecken zurückgewonnen. KTA involviert das Auffangen von glühendem Koks in einem speziell konstruierten Kübel, der in das KTA-Gefäß entleert wird. Ein Inertgas wie Stickstoff strömt über den Koks und gewinnt seine sinnliche Wärme zurück. Das heiße Gas wird dann durch einen Abwärmekessel geleitet. Die Energieeinsparung liegt im Bereich von 0,2 bis 0,25 Millionen kcal pro Tonne Koks. Es gab auch Versuche, Wärme aus anderen Feststoffströmen über Strahlungskessel zurückzugewinnen. Dies war für Hochofen- und LD-Konverterschlacke erfolglos, wurde aber für die Rückgewinnung von Wärme aus Gussstahl an einigen Standorten in Japan und Deutschland kommerzialisiert.

Eine weitere Option zur Reduzierung von Wärmeverlusten aus Gussstahl ist das Heißbeschicken, bei dem Gussprodukte noch heiß in den Wiedererhitzungsofen geladen werden. Heißbeschicken kann ca. 0,12 Millionen kcal pro Tonne einsparen. Sinnliche Wärmeverluste aus warmgewalztem Stahl können auch teilweise durch Wasserkühlung zurückgewonnen werden. Da die Endtemperatur des Kühlwassers generell niedrig ist (ca. 80 °C), kann es für andere Heizanwendungen mit einer Wärmepumpe aufgewertet werden.