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Minderung des Energieeinsatzes in der Hochtemperaturverfahrenstechnik

Einleitung

Trotz eines Ausbaus regenerativer Energien werden bis heute ca. 80 % der gesamten Primärenergie der Bundesrepublik durch fossile Energieträger gedeckt (Abbildung 1). Die Reduktion der Primärenergie aus fossilen Brennstoffen um geringe 4 - 5 % innerhalb der letzten 10 Jahren wirkt sich entsprechend gering auf die CO2-Emissionen aus (Abbildung 2). Der Energieeinsatz kann insgesamt in vier Bereiche eingeteilt werden:

  • Umwandlung in „elektrische Energie“ (Kraftwerke: fossile und biogene Brennstoffe,
    Wind, Sonne, Brennstoffzellen, usw.)
  • Umwandlung in „Wärme“ (Wärmekraftmaschine, Kraft-Wärme-Kopplung, Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung)
  • Umwandlung in Kraftstoffe für Transport und Verkehr (fossile und biogene Kraftstoffe, Wind zu Wasserstoff, usw.)
  • Umwandlung und Stoffbehandlung in Produktionsprozessen

Die ersten drei Bereiche betreffen die Bereitstellung von Energie und beschäftigen sich ausschließlich mit der Umwandlung von einer Energie in eine andere und stehen derzeit im Brennpunkt des öffentlichen Interesses.

Wesentlich weniger Beachtung finden die Bereiche, bei denen sowohl die Gesichtspunkte der Energiewandlung als auch die der  Stoffbehandlung gleichermaßen zu beachten sind. Diese Nutzung von Energie ist im Zuge der sog. Energiekette mindestens genauso wichtig wie die Bereitstellung. Das Potential der Minderung des Energieeinsatzes bei Produktionsprozessen wird derzeit um ein Mehrfaches höher eingeschätzt als das der Summe der bereitgestellten erneuerbaren Energien.

 

 

Abb. 1: Primärenergieverbrauch seit 1998

 

Abb. 2: CO2-Emissionen seit 1998

 

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Prozessanalyse und -modellierung

Zunächst ist festzustellen, dass die Energiezufuhr ganz überwiegend über Verbrennungsvorgänge (fossile und inzwischen manchmal  regenerative Brennstoffe) direkt erfolgt. Auch die Zufuhr von elektrischer Energie erfolgt ganz überwiegend aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Kraftwerken. Am Anfang steht eine Prozessanalyse mit der Diskussion der Haupteinflussgrößen:

  • zur Umsetzung gasförmiger, flüssiger und fester Stoffe (Gut, Brennstoff, Rückstand usw.),
  • zu Wärme- und Stofftransportvorgängen in den zu behandelnden Materialien,
  • zur Aufteilung der Prozesse in Bausteine usw.

Danach folgen Überlegungen, welche der aus der Verfahrenstechnik bekannten Stoffbehandlungsapparate für den jeweiligen Prozess infrage kommen, wie

  • Brennkammern,
  • Schachtöfen,
  • Schmelzgefäße,
  • Drehrohre,
  • Wirbelschichtapparate,
  • Etagenöfen,
  • usw.

Diese Stoffbehandlungsapperate werden insgesamt mit dem Begriff „Industrieöfen“ zusammengefasst. Industrieöfen sind Anlagen, in denen bei hohen Temperaturen Stoffe behandelt werden.

Schließlich folgt die mathematische Modellierung des jeweiligen Gesamtprozesses, um Potenziale für Prozessverbesserungen bzw. auch -optimierungen zu erkennen. Die Abbildung 5 gibt einen Eindruck von zu beachtenden Einflussgrößen.

 

Abb. 5: Haupteinflussgrößen bei thermischen Behandlungsverfahren

Ein Beispiel für eine vereinfachte Prozessanalyse ist in Abbildung 6 gezeigt. Es stelltdie wesentlichen Bausteine und deren Kopplung untereinander dar, die für den ersten Schritt zur Rückgewinnung von wenig verfügbaren Metallen aus flüssigen oder festen (staubförmigen) Rückständen durch Oxidation (Verbrennung) erforderlich sind. Betroffen sind z.B. Molybdänverbindungen in flüssigen Rückständen aus der Chemieindustrie (Katalysatorrückstände usw.) oder Vanadium in ascheartigen Rückständen der Petrolkoksverbrennung usw.. Als Hauptapparat dient eine Brennkammer – aufgeteilt nach Rührkessel (RK) und Kolbenströmer (KS) – mit anschließender Wärmeübertragung und Abgasreinigung. In der Schaltung können die Haupteinflussgrößen nach Bild 2.7.5 entsprechend eingestellt werden (Temperatur, Unter- oder Überstöchiometrie, Verweilzeit in den Zonen längs des Reaktionsweges usw.). Die Wärmeübertragung kann auch eine Quenche ein. Das Produkt (Recyclat) wird in der Abgasreinigung gewonnen. Abbildung 7 zeigt eine technische Ausführung.

 

 

Abb. 6: Schematische Darstellung der Prozessführung in einer Feuerung bei gasförmigen, flüssigen, staubförmigen Einsatzstoffen

 

 Abb. 7: Technische Feuerung im Pilotmaßstab

 

Mit dem ersten Schritt „Verbrennung“ in der Kette zur Metallrückgewinnung erhält man je nach Verbrennungsführung unterschiedliche Metalloxidkonfigurationen, die in die „übliche“ Metallgewinnung rückgeführt werden können. Dieser Weg wird mit zunehmender Erschöpfung von seltenen Ressourcen beschritten.

Das Vorgehen der Prozessanalyse und -modellierung ist ausführlicher am Beispiel der thermischen Abfallbehandlung beschrieben.

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Prozessverbesserung durch „klassische Methoden“ (Wärmerückgewinnung usw.)

Der Aufwand an Energie muss selbstverständlich möglichst gering gehalten werden. Zunächst sind natürlich die klassischen Methoden der Wärmerückgewinnung zu beachten, die bekannt sind und hier aus Platzgründen nicht näher erläutert werden. Hingewiesen sei jedoch explizit beispielhaft auf die folgenden drei Punkte:

  • Brennstoffvorwärmung (z.B. bei dem Einsatz von niederkalorigen Brennstoffen und
    Rückständen von Produktionsanlagen (Abbildung 8),
  • Sauerstoffanreicherung, um mit weniger Aufwand die erforderlichen Prozesstemperaturen
    zu erreichen (Beispiel in Abbildung 9),
  • Gutvorwärmung. Dieser Teilschritt wird im vorliegenden Zusammenhang je nach
    Einsatzgebiet z.B. als Schrottvorwärmung usw. bezeichnet. Auf seine Bedeutung
    wird im folgenden noch weiter im Zusammenhang mit Gesamtprozessen eingegangen.

Teilweise werden die klassischen Methoden gerade im Zuge der Effizienzdiskussion wieder „neu erfunden“. Beispielsweise wurde noch vor zehn Jahren im Bereich der klassischen thermischen Abfallbehandlung kaum auf den Energieaufwand geachtet, obwohl aus dem Gebiet der Verfahrenstechnik immer wieder darauf hingewiesen wurde. In der Zwischenzeit wurde daraus das Schlagwort „waste to energy - Prinzip“ kreiert, wobei lange bekannte Verfahrensbausteine häufig als neue Entwicklungsschritte dargestellt werden.

 

 

Abb. 8: Maximale Wirkungsgrade für die Wärmerückgewinnung durch Luft- und Brennstoffvorwärmung

 

 

Abb. 9: Brennstoffeinsparung durch Sauerstoffanreicherung

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Prozessverbesserung durch Energiesubstitution

Am Beispiel des klassischen Kupolofens sei eine Energiesubstitution, die in mehreren Schritten durchgeführt wird, erläutert. Er wird mit Koks betrieben und dient häufig zum Einschmelzen von metallhaltigen stückigen Stoffen, kann aber auch z.B. zur Schmelzvergasung von Klärschlammbriketts usw. verwendet werden.

 

Abb. 10: Versuchsbetrieb an einem Schachtofen

Man bemüht sich in einem ersten Schritt, den benötigten Koks zum Einschmelzen (z.B. von Erzen) durch Erdgas zu ersetzen (Abbildung 11). In diesem Fall tritt das bei Betrieb mit Koks anfallende Gichtgas (Schwachgas) mit seinem Energieinhalt nicht mehr auf (Reduktion des Energieaufwandes ca. 30% bis 50%).

Man erhält allerdings ein etwas schwieriges Betriebsverhalten, da der Ofen bei Erhöhung der Energiezufuhr zum Einfrieren neigen kann (Abbildung 12).

 

 

Abb. 11: Schematische Darstellung eines erdgasbefeuerten, kokslosen Kupolofens (KLKO)

 

 

Abb. 12: Parameterkombination von thermischer Leistung und Sauerstoffanreicherung der Verbrennungsluft

 

Aus diesem Bild ist jedoch auch ersichtlich, dass eine gleichzeitig mit der erhöhten Brennstoffzufuhr erfolgende Sauerstoffanreicherung einen Ausweg darstellt. Die Prozesssimulation hat dieses Verhalten in der betrieblichen Praxis treffend wiedergeben. Man kann nun in einem zweiten weiteren Schritt versuchen, das Erdgas seinerseits wieder durch ein Schwachgas („Abfallgas“, Gichtgas usw.) zu substituieren wie in Abbildung 13 dargestellt.

 

 

Abb. 13: Schematische Darstellung eines Kupolofens mit Unterteilung in verschiedene Zonen

 

Ausgehend von Abbildung 11 wird in Abbildung 13 eine Abgasausschleusung und eine zusätzliche externe mit Schwachgas betriebene Sekundärfeuerung zur Luftund Brennstoffvorwärmung für die Primärfeuerung ergänzt bzw. installiert, wobei die Primärfeuerung auch mit Schwachgas betrieben wird. Durch zusätzliche Schaltungen zur Wärmerückgewinnung über ausgeschleuste Abgase ergibt sich ein Betriebsdiagramm nach Abbildung 14.

 

 

Abb. 14: Betriebsdiagramm des KLKO

Die Aussage von Abbildung 14 ist, dass man mit den vorgenannten Maßnahmen auch bei Einsatz eines Schwachgases nahe an den Betriebsbereich mit Erdgas heranreicht. Die Wertigkeit und damit das energetische Substitutionsverhältnis (auch Ergieaustauschverhältnis) hängen folglich nicht nur vom Heizwert sondern auch entscheidend von der Anlagenschaltung ab. In Abbildung 15 ist dies prinzipiell verdeutlich. Es zeigt weiter exemplarisch an einem Beispiel für eine Prozesstemperatur von 1500 °C, dass durch Luftvorwärmung ein Brennstoff mit kleinerem Heizwert (in Abbildung 15 im Beispiel 11 MJ/kg) „mehr wert“ sein kann als ein Brennstoff mit höherem Heizwert (in Abbildung 15 im Beispiel 15 MJ/kg), bei dem keine Luftvorwärmung vorhanden ist.

 

 

Abb. 15: Energieaustauschverhältnis in Abhängigkeit von der Gastemperatur für verschiedene Substitutionsfälle

Gelingt es somit, einen Kupolofen mit Schwachgas zu betreiben, so kann man in einem noch weiter gehenden dritten Schritt daran denken, mit dem an einem klassischen Kupolofen (Kokskupolofen) anfallenden Gichtgas (Schwachgas) nun einen zweiten, mit diesem Schwachgas befeuerten Kupolofen (kokslosen Kupolofen) zu betreiben, so dass man sich mit beiden Öfen zusammen – als ein Gesamtsystem betrachtet – dem gerade aktuellen Schlagwort „zero-waste-Prinzip“ nähert.

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Prozessverbesserung durch Prozesskopplung

Stahlschrott wird heute üblicherweise mit Elektrolichtbogenöfen vorgewärmt, geschmolzen und für den Gießprozess und die metallurgische Behandlung überhitzt. Entsprechend der Größe der Öfen (z.B. 50 MWel) benötigt man zugehörige klassische Groß-Kraftwerke, bei denen diese Leistung abgerufen werden kann. Gelänge es, diese Kombination von Kraftwerk und Ofen durch ein einziges Aggregat zusammenzulegen, d.h. indem letzteresals direkt befeuerter Ofen ausgeführt wird, könnte man entsprechend die bei der elektrischen Energieerzeugung zwangsweise an die Umgebung abzugebenden Abwärmeverluste (Kondensation, Kühlturm) vermeiden. Abbildung 16 zeigt eine Versuchsanordnung.

 

 

Abb. 16: Direkt befeuerter Ofen zum Einschmelzen von Stahlschrott (Pilotmaßstab)

 

Zur Vermeidung von Abbrandverlusten (Oxidation durch die Abgase der Direktbefeuerung) müssen jedoch unmittelbar nach Entstehen der Schmelze diese den Ofen verlassen und anschließend außerhalb des Ofens in einem gesonderten Gefäß überhitzt werden. Hierzu kann ein Lichtbogenofen mit vergleichsweise sehr kleiner Leistung benutzt werden, so dass der energetische Aufwand insgesamt immer noch ganz erheblich gegenüber der herkömmlichen Variante herabgesetzt würde.


Die eben genannte „Zusammenlegung von Kraftwerk und Elektrolichtbogenofen“ durch den direkt befeuerten Schachtofen befindet sich im Versuchsstadium. Seit einiger Zeit wird in der industriellen Praxis häufiger versucht, bei der herkömmlichen Variante (Ofengefäß mit Elektroden) mit einer zusätzlichen Prozesskopplung den Aufwand zu verringern. Dabei wird das Elektrolichtbogenofengefäß mit einem Schacht zur Schrottvorwärmung kombiniert (Abbildung 17).


Dann wärmen die aus dem Ofen austretenden Abgase den Schrott vor, bevor er in das Schmelzbad fällt (fließt). Die auf diese Weise vorgenommene Wärmerückgewinnung thermischer Energie substituiert dann elektrische Energie im Verhältnis „eins zu eins“ (!) zum Ofen, was entsprechend im zugehörigen Kraftwerk eine Reduktion des Energieeinsatzes der fossilien Energie im Verhältnis des Kehrwertes des Wirkungsgrades des Kraftwerkes (bei 38 % Wirkungsgrad das 2,6 fache) zur Folge hat. Leider führt die Maßnahme zur Schrottvorwärmung durch Abgase gleichzeitig zu deren Abkühlung in einem Maße, dass wegen der Verunreinigungen im Schrott als weitere Kopplung eine extern befeuerte Nachverbrennung erforderlich ist. Damit muss ein Teil der im Kraftwerk eingesparten Energie wieder aufgewendet werden. Bild 18 zeigt die Kopplung der drei Bausteine „Ofengefäß“, „Schacht“ und „Nachbrennkammer“.

 

 Abb. 17: Einzelschachtofen mit separater Brennkammer zur Abgasnachverbrennung

Allerdings ist darauf hinzuweisen, dass je nach technischen Randbedingungen eine Kopplung mit einer externen Nachverbrennung dazu führt, dass das Gesamtverfahren u. U.nicht mehr lohnend erscheint. Man versucht derzeit, durch weiter entwickelte Methoden der Schrottaufbereitung (Schrottreinigung) die vorgenannte Nachverbrennung zu vermeiden, d.h. den Energieaufwand soweit wie möglich im Prozess selbst zu belassen.

Das Abbildung 19 zeigt ein Flussdiagramm mit Angaben von Wirkungsgraden.

Insgesamt ist zu betonen, dass bei Prozesskopplungen sowohl im Hinblick auf Stoff- und Energiebilanzen die gewählten Teilsystem- wie auch Gesamtsystemgrenzen sorgfältig zu beachten sind, da nur aufgrund „aufgehender Bilanzen“ eine tragfähige Bewertung möglich ist. Gerade im Bereich des Recyclings wird häufig auf die Definition von Systemgrenzen verzichtet, was sehr schnell zu Trugschlüssen (irreführenden Effizienzbetrachtungen)führen kann.

Abb. 18: Einteilung des Schachtofens in Einzelmodule

Abb. 19: Flussdiagramm eines Lichtbogenofens

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Prozessverbesserung durch „Prozessintensivierung“

Als Beispiel einer Prozessintensivierung sei das Beispiel der Koksherstellung durch Direktbefeuerung mit eigenerzeugten Gasen („Heatrecovery-Verfahren“) erwähnt (Abbildungen 20 und 21).

Abb. 20: Schematische Darstellung des Heatrecovery-Verfahrens

Abb. 21: Aufbau des Heatrecovery-Verfahrens

Der Ofen selbst wird zunächst mit seinen Feuerfestwänden im leeren Zustand einmalig aufgeheizt (z.B. auf 1100 °C). Nachdem die Kohle, aus der der Koks entstehen soll, als Paket in den heißen Ofen geschoben ist, startet durch Wärmeübertragung infolge Strahlung von den heißen Ofenwänden auf das Kohlebett der Verkoksungsvorgang. Die entstehenden Gase werden mit gezielt zugeführter Luft (Abbildung 20)  unterstöchiometrisch verbrannt. Die entstehenden Abgase heizen ihrerseits nun die sie umgebenden Oberflächen auf, so dass der Prozess sich ohne Zufuhr von Fremdenergie selbst trägt. Die aus der Teilverbrennung entstandenen Abgase werden aus dem oberen Ofenteil (Oberofen) abgezogen, über Kanäle in den Unterofen geleitet und hier durch weitere Luftzufuhr nachverbrannt. Im Unterofen liegt über dem mittleren Ofenboden das Kohle/Koksbett, das auf diese Weise auch von unten beheizt wird, was den Prozess wesentlich beschleunigt und vergleichmäßigt. Der Verkokungsvorgang ist beendet, wenn die Reaktionsfronten von unten und oben zusammentreffen, d.h. die letzte Kohleschicht verkokt ist. Den Prozess verlassen neben dem Produkt nur heiße, ausgebrannte Gase, die in einem Abhitzekessel zur Erzeugung von elektrischen Strom (Dampfturbine) oder anderweitig verwendet werden können.

Das Verfahren ist zwar sehr alt. Bis heute gibt es jedoch nur experimentelle Erfahrungen, jedoch keine Prozessanalysen sowie auch keine Ansätze zu Optimierungen. Es ist gerade heute wieder aktuell, weil es die bei der üblichen Verkokungstechnik anfallenden Nebenprodukte (Teere usw.) mit ihrer nachfolgenden aufwendigen Weiterverarbeitung umgeht und auch aus Umweltschutzgründen propagiert wird. Es entstehen „nur“ heiße ausgebrannte Abgase, die natürlich nach der Wärmeauskoppelung zu Nutzzwecken noch eine übliche Abgasreinigung durchlaufen müssen.

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Zusammenfassung

Anhand der wenigen gezeigten Beispielen ist ersichtlich,

  • dass die Gesichtspunkte

                    -   der Prozessanalyse und -modellierung,

  -   der Prozessverbesserung durch klassische Methoden,

  -   durch Energiesubstitution,

  -   durch Prozesskopplung und durch Prozessintensivierung

mit ihren zugehörigen Methoden wie bisher auch künftig wichtige Teildisziplinen zur
besseren Nutzung der Energieressourcen sind und

dass diese als Effizienzsteigerung bei der Energienutzung gleichgewichtig in Forschung und Entwicklung neben die heute überwiegend in der Öffentlichkeit diskutierte Energiebereitstellung gestellt werden sollten.

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Ansprechpartner:
Dr.-Ing. M. Mancini
 

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