Minderung des Energieeinsatzes in der Grundstoffindustrie · 2010-01-06 · 2 Quelle: BWK 4/2009 E....

Folien Nr.:1/31

Minderung desEnergieeinsatzes in

der Grundstoffindustrie

Prof. Dr.-Ing. R. ScholzTag der Fakultät für Energie- und Wirtschaftswissenschaften

26. November 2009

Folien Nr.:2/31

Energieeinsatz

1. zur Umwandlung in „elektrischer Energie“ (Kraftwerke: fossile und biogene Brennstoffe , Wind, Sonne, Brennstoffzellen, usw.)

2. zur Umwandlung in „Wärme“ (W, KWK, KWKK)3. zur Umwandlung in Kraftstoffe für Transport und Verkehr

(fossile und biogene Kraftstoffe, Wind zu Wasserstoff, usw.) 4. zur Stoffbehandlung in Produktionsprozessen

zu 1., 2. und 3.: ausschließlich Energieumwandlung

zu 4.: Energieumwandlung und Stoffbehandlung(Verfahrenstechnik, Produktionsprozesse in sog.Industrieöfen, usw.)

Ziele: Energieeinsparung, Energiesubstitution

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1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

Braunkohle KernenergieErdgasSteinkohle Mineralöle Sonstige, Wasser- Windkraft

Jahr

2

0

4

6

8

10

12

14

16

[EJ/a]

Quelle: BWK 4/2009

E. Thöne, U. Fahl

1,3%

11,4%

14,9 14,5 14,3 14,3 14,3 14,3 14,8 14,7 14,6 14,4 14,5 14,7 14,5 14,4 14,3

11,0%11,9% 11,9% 11,9% 11,9%

12,2% 12,9% 12,3% 13,2% 13,1%

15,4% 16,6%16,8% 18,2% 18,2% 19,6% 20,9% 20,4% 20,5%

20,8% 20,7%

15,4%

21,5%

34,9%37,9%

39,2%39,9% 39,9% 39,2% 39,5% 39,7% 38,9% 37,9%

17,2%15,4%

13,3% 11,9% 11,4% 10,9% 10,3% 10,4% 11,0%

15,9% 15,4% 14,7% 14,7% 14,7% 14,2% 14,3% 14,4% 13,9% 13,8%

1,4% 1,4% 1,4% 2,1% 2,1%2,0% 2,0% 2,7% 2,8% 3,4% 3,4%

11,5%

3,4%

10,9% 11,7%

38,1% 37,2%

21,8% 22,1%

12,9% 12,4%

12,9% 13,1% 13,9% 13,3%

11,1% 11,2%

36,8% 36,4%

22,2% 23,1%

12,5% 12,6%

3,5% 3,5%

39,9%

14,0%

2005 2006

14,4 14,5

12,5% 13,1%

11,1% 11,0%

36,1% 35,9%

22,9% 22,8%

12,5% 12,4%

4,9% 4,8%7,0%

11,6%

7,4%

11,1%

22,6% 22,1%

33,4% 34,7%

11,1%11,6%

14,3% 13,1%

2007 2008

13,8 14,0

Folien Nr.:4/31

19900

200

400

600

800

1000

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

951919

877 873 852 843870

839 832808 807 828 813 818 813

Steinkohle Braunkohle Mineralöle Gase

Jahr

[Mio. t CO /a]2

Quelle: BWK 4/2009 E. Thöne, U. Fahl

187

334

315

115122

122 130135 145 162

156 158158 156 165 164 170 170

339

343

348337 333 343 336 334 321 312 318 305 296 291

267 233 214 200 185 181 171 162 158 166 175 178 175 179

191 178 181 180 179 184 176 178 171 174 170 167 176 173

2005 2006 2007 2008

787 796 770 764

169 172

283 285

173 169

162 171 179 165

173166

272

161

225

164

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0

50

100

150

200

250

Prozeßtemperatur in °C

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Gesamter Energiebedarf 1,65 10 PJ3

Ene

rgie

beda

rf in

PJ

Glas undKeramikZement, Kalk,Gips

Eisen und Stahl

chemisch

Nichteisenmetalle

Andere

Papier, Zellulose, etc.

Zucker

Textile

Niedrigtemperatur-prozesse

Hochtemperatur-prozesse

Energiebedarf der industriellen Stoffbehandlung

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Gas aus

Vergasung

Ersatzbrennstoff

Vergasungsluft

Asche

Klinker

Roh-material Abgas

Calcinator

Drehrohrofen

2

ZWS

3300 kJ/kg Klinker4500 t/d 172 MW

Vorwärmer

tertiär Brennstoff3

tertiär Luft

sekundär Brennstoff

primär Brennstoff1

Kühlluft, sowie Primär- und Sekundärluft

zirkulierende Wirbelschicht (ZWS)

Rost-Kühler

Klinkerbrennprozess mit Brennstoffsubstitution

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Minderung des Energieeinsatzes in der Grundstoffindustrie (Hochtemperatur-Verfahrenstechnik)

1. Prozessanalyse und -modellierung (Überblick über zu behandelnde Prozesse (Industrieofenprozesse), Haupteinflussgrößen, Umsetzung (Verbrennung, Vergasung, usw.)gasförmiger, flüssiger, fester (staubförmiger oder stückiger) Brennstoffe, Strömungsmechanik, Wärme- und Stofftransport, Bausteine, mathematische Modellierung des jeweiligen Gesamtprozesses, Umweltgesichtspunkte, usw.

2. Klassische Methoden (Verminderung des Abgasverlustes; Wärmerückgewinnung (Luftvorwärmung und -kühlung, Gutvorwärmung und -kühlung), Brennstoffvorwärmung, Sauerstoffanreicherung

3. Prozessoptimierung

4. Brennstoffsubstitution

5. Prozesskopplung, -modellierung

6. Prozesse mit verringerten Prozessschritten (z.B. durch Intensivierung von Heiz- und Kühlprozessen),

7. Zusammenfassung

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Folien Nr.:10/31

4m

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2. Klassische Methoden (Verminderung des Abgasverlustes; Wärmerückgewinnung (Luftvorwärmung, Brennstoffvorwärmung, Abgaskühlung, Gutvorwärmung und -kühlung), Sauerstoffanreicherung



5. Prozesskopplung, -kombination


7. Zusammenfassung

Folien Nr.:12/31

Folien Nr.:13/31

Folien Nr.:14/31








7. Zusammenfassung

Folien Nr.:15/31

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1.000

1948

1953

1958

1963

1968

1973

1978

1983

1988

1993

1998

Verb

rauch a

n K

ohle

nsto

ff [

kg C

/ t R

E ]

C aus Kohle

C aus Öl

C aus Koks

Entwicklung des Verbrauches an Kohlenstoff im Hochofenprozess seit 1948

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7. Zusammenfassung

Folien Nr.:17/31

Wärmeübertragung in Industrieöfen;Modellvorstellung: ideal durchmischter Rührkessel

RK

adiabate Wand

Kal

Kal

Kal

KalKal

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Folien Nr.:19/31

Beschickungsöffnung

wassergekühlter Rost

Schematische Darstellung eines erdgasbefeuerten,kokslosen Kupolofens (KLKO)

Windleitung

Einsatzmaterial

Mantelkühlung

Brenner

keramischesBettmaterial

Siphon mitSchlackenablauf

Einlass

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Prozessmodellierung: Koksloser erdgasbefeuerter Kupolofen (KLKO)

Folien Nr.:21/31

SchachtofenSchmelzvergasung von Klärschlamm und industriellen Reststoffen

„Zero-waste-Prinzip“

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Schachtofen

Schmelzvergasung von Klärschlamm und industriellen Reststoffen

GetrockneteKlärschlammpellets

Versuchsbetrieb am Schachtofen

KoksZusatzbrennstoff

Luft bzw. Sauerstoff

Vergasungsmittel

2500 mmSchachthöhe

bis 500°CLuftvorwärmung

250 -400 mm

Innendurchmesser

100 kg/hDurchsatz

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7. Zusammenfassung

Folien Nr.:24/31

Koppelprozesse: Substitution von Primärenergie durch Restabfall im Klinkerprozess

Folien Nr.:25/31

Koppelprozesse: Substitution von Primärenergie durch Restabfall im Klinkerprozess

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Kraftwerk

Lichtbogenofen

Nachbrenn-kammer

Vorwärm-schacht

BilanzgrenzeEinheiten in kWh / tSt

Kohle

Erdgas,Kohle

Verlust

Verlust

Erdgas

Schrott

Abgas

StahlSchlacke

12601020

80

70

150

400

180 60

80

80

150

840680

420

340

hNutz = = 58,8 %

hNutz = = 66,7 %

400 kWh / t680 kWh / t

St

St

400 kWh / t600 kWh / t

St

St

hges = = = 26,3 %400 kWh / t

(1260+180+80) kWh / tSt

St

400 kWh / t1520 kWh / t

St

Sthges = = = 29,4 %

400 kWh / t(1020+180+80+80) kWh / t

St

St

400 kWh / t1360 kWh / t

St

St

Elektrolichtbogenofen mit Schrottvorwärmung und Kraftwerk

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7. Zusammenfassung

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Schachtofen:Primär-Energie-Einschmelzen von Stahlschrott (PEM)

Folien Nr.:29/31

x

KoksKoks

KoksKoks

KohleKohle

qquu

qqoo

OO

BB

UU

Koksproduktion: „Heat- Recovery-Technik“

LuftTTww

TTOO

TTUU

TTkk

Gas Gas

VerbrennungVerbrennung

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Downcomer

Secundary Air Channel

Sole Flue

Gas Collecting Main

Hot Gas

PrimaryAir Inlets

Koksproduktion: Heat-Recovery-Technik

Beheizungssystem

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7. Zusammenfassung

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