Minderung des Energieeinsatzes in der Grundstoffindustrie

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1 Minderung des Energieeinsatzes in der Grundstoffindustrie Prof. Dr.-Ing. R. Scholz Tag der Fakultät für Energie- und Wirtschaftswissenschaften 26. November 2009 Folien Nr.:1/31

2 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 Folien Nr.:2/31

3 [EJ/a] 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 16 1,3% 1,4% 2,0% 2,0% 1,4% 1,4% 2,1% 2,1% 2,7% 2,8% 3,4% 3,4% 3,4% 3,5% 3,5% 14 11,4% 11,0% 12,2% 11,9% 11,9% 11,9% 11,9% 12,9% 12,3% 13,2% 13,1% 12,9% 12,4% 12,5% 12,6% 12 15,4% 16,6% 16,8% 18,2% 18,2% 19,6% 20,9% 20,4% 20,5% 20,8% 20,7% 21,8% 22,1% 22,2% 23,1% 10 14,4 14,5 4,9% 4,8% 12,5% 12,4% 22,9% 22,8% 13,8 14,0 7,0% 7,4% 11,1% 22,6% 11,6% 22,1% ,9% 37,9% 39,2% 39,9% 39,9% 39,9% 39,2% 39,5% 39,7% 38,9% 37,9% 38,1% 37,2% 36,8% 36,4% 36,1% 35,9% 33,4% 34,7% ,5% 17,2% 15,4% 14,0% 13,3% 11,9% 11,5% 11,4% 10,9% 10,3% 10,4% 11,0% 10,9% 11,7% 11,1% 11,2% 11,1% 11,0% 11,6% 11,1% 15,4% 15,9% 15,4% 14,7% 14,7% 14,7% 14,2% 14,3% 14,4% 13,9% 13,8% 12,9% 13,1% 13,9% 13,3% 12,5% 13,1% 14,3% 13,1% Jahr Steinkohle Braunkohle Mineralöle Erdgas Kernenergie Sonstige, Wasser- Windkraft Quelle: BWK 4/2009 E. Thöne, U. Fahl Folien Nr.:3/31

4 [Mio. t CO /a] Quelle: BWK 4/2009 E. Thöne, U. Fahl Jahr Steinkohle Braunkohle Mineralöle Gase Folien Nr.:4/31

5 3 Gesamter Energiebedarf 1,65 10 PJ Niedrigtemperaturprozesse Hochtemperaturprozesse Glas und Keramik Zement, Kalk, Gips Energiebedarf in PJ Eisen und Stahl chemisch Nichteisenmetalle Andere Papier, Zellulose, etc. Zucker Textile Prozeßtemperatur in C Energiebedarf der industriellen Stoffbehandlung Folien Nr.:5/31

6 Klinkerbrennprozess mit Brennstoffsubstitution zirkulierende Wirbelschicht (ZWS) Abgas Vorwärmer Calcinator Gas aus Vergasung ZWS 3 tertiär Brennstoff tertiär Luft 1 primär Brennstoff Ersatzbrennstoff Vergasungsluft 2 sekundär Brennstoff Drehrohrofen Rohmaterial Rost- Kühler Klinker Kühlluft, sowie Primär- und Sekundärluft Asche 3300 kj/kg Klinker 4500 t/d 172 MW Folien Nr.:6/31

7 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 Folien Nr.:7/31

8 Folien Nr.:8/31

9 Folien Nr.:9/31

10 4m Folien Nr.:10/31

11 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, Brennstoffvorwärmung, Abgaskühlung, Gutvorwärmung und -kühlung), Sauerstoffanreicherung 3. Prozessoptimierung 4. Brennstoffsubstitution 5. Prozesskopplung, -kombination 6. Prozesse mit verringerten Prozessschritten (z.b. durch Intensivierung von Heiz- und Kühlprozessen), 7. Zusammenfassung Folien Nr.:11/31

12 Folien Nr.:12/31

13 Folien Nr.:13/31

14 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, Brennstoffvorwärmung, Abgaskühlung, Gutvorwärmung und -kühlung), Sauerstoffanreicherung 3. Prozessoptimierung 4. Brennstoffsubstitution 5. Prozesskopplung, -kombination 6. Prozesse mit verringerten Prozessschritten (z.b. durch Intensivierung von Heiz- und Kühlprozessen), 7. Zusammenfassung Folien Nr.:14/31

15 Entwicklung des Verbrauches an Kohlenstoff im Hochofenprozess seit Verbrauch an Kohlenstoff [ kg C / t RE ] C aus Kohle C aus Öl C aus Koks Folien Nr.:15/31

16 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, Brennstoffvorwärmung, Abgaskühlung, Gutvorwärmung und -kühlung), Sauerstoffanreicherung 3. Prozessoptimierung 4. Brennstoffsubstitution 5. Prozesskopplung, -kombination 6. Prozesse mit verringerten Prozessschritten (z.b. durch Intensivierung von Heiz- und Kühlprozessen), 7. Zusammenfassung Folien Nr.:16/31

17 adiabate Wand Kal Kal Kal RK Kal Kal Wärmeübertragung in Industrieöfen; Modellvorstellung: ideal durchmischter Rührkessel Folien Nr.:17/31

18 Folien Nr.:18/31

19 Beschickungsöffnung Windleitung Einsatzmaterial Mantelkühlung Siphon mit Schlackenablauf keramisches Bettmaterial wassergekühlter Rost Brenner Einlass Schematische Darstellung eines erdgasbefeuerten, kokslosen Kupolofens (KLKO) Folien Nr.:19/31

20 Prozessmodellierung: Koksloser erdgasbefeuerter Kupolofen (KLKO) Folien Nr.:20/31

21 Schachtofen Schmelzvergasung von Klärschlamm und industriellen Reststoffen Zero-waste-Prinzip Folien Nr.:21/31

22 Schachtofen Schmelzvergasung von Klärschlamm und industriellen Reststoffen Getrocknete Klärschlammpellets Durchsatz Schachthöhe Innendurchmesser Zusatzbrennstoff Vergasungsmittel Luftvorwärmung 100 kg/h 2500 mm mm Koks Luft bzw. Sauerstoff bis 500 C Versuchsbetrieb am Schachtofen Folien Nr.:22/31

23 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, Brennstoffvorwärmung, Abgaskühlung, Gutvorwärmung und -kühlung), Sauerstoffanreicherung 3. Prozessoptimierung 4. Brennstoffsubstitution 5. Prozesskopplung, -kombination 6. Prozesse mit verringerten Prozessschritten (z.b. durch Intensivierung von Heiz- und Kühlprozessen), 7. Zusammenfassung Folien Nr.:23/31

24 Koppelprozesse: Substitution von Primärenergie durch Restabfall im Klinkerprozess Folien Nr.:24/31

25 Koppelprozesse: Substitution von Primärenergie durch Restabfall im Klinkerprozess Folien Nr.:25/31

26 Elektrolichtbogenofen mit Schrottvorwärmung und Kraftwerk Einheiten in kwh / t St Bilanzgrenze Erdgas Schrott Nachbrennkammer Abgas Vorwärmschacht 80 Erdgas, Kohle Kraftwerk Lichtbogenofen 400 kwh / tst h Nutz = = 58,8 % 680 kwh / t 400 kwh / tst h Nutz = = 66,7 % 600 kwh / t St St Schlacke Stahl Verlust Kohle Verlust 400 kwh / tst 400 kwh / tst h ges = = = 26,3 % ( ) kwh / t 1520 kwh / t St St 400 kwh / tst 400 kwh / tst h ges = = = 29,4 % ( ) kwh / tst 1360 kwh / tst Folien Nr.:26/31

27 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, Brennstoffvorwärmung, Abgaskühlung, Gutvorwärmung und -kühlung), Sauerstoffanreicherung 3. Prozessoptimierung 4. Brennstoffsubstitution 5. Prozesskopplung, -kombination 6. Prozesse mit verringerten Prozessschritten (z.b. durch Intensivierung von Heiz- und Kühlprozessen), 7. Zusammenfassung Folien Nr.:27/31

28 Schachtofen: Primär-Energie-Einschmelzen von Stahlschrott (PEM) Folien Nr.:28/31

29 Koksproduktion: Heat- Recovery-Technik Luft T w Gas Verbrennung T O O Gas Koks q o x Kohle B Koks T U T k q u U Folien Nr.:29/31

30 Koksproduktion: Heat-Recovery-Technik Beheizungssystem PrimaryAir Inlets Downcomer Gas Collecting Main Sole Flue Hot Gas Secundary Air Channel Folien Nr.:30/31

31 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, Brennstoffvorwärmung, Abgaskühlung, Gutvorwärmung und -kühlung), Sauerstoffanreicherung 3. Prozessoptimierung 4. Brennstoffsubstitution 5. Prozesskopplung, -kombination 6. Prozesse mit verringerten Prozessschritten (z.b. durch Intensivierung von Heiz- und Kühlprozessen), 7. Zusammenfassung Folien Nr.:31/31

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