minderung des energieeinsatzes in der grundstoffindustrie · 2010-01-06 · 2 quelle: bwk 4/2009 e....
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Minderung desEnergieeinsatzes in
der Grundstoffindustrie
Prof. Dr.-Ing. R. ScholzTag der Fakultät für Energie- und Wirtschaftswissenschaften
26. November 2009
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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
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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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Folien Nr.:5/31
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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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
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Folien Nr.:14/31
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
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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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Folien Nr.:16/31
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
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Folien Nr.:17/31
Wärmeübertragung in Industrieöfen;Modellvorstellung: ideal durchmischter Rührkessel
RK
adiabate Wand
Kal
Kal
Kal
KalKal
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Folien Nr.:18/31
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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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Folien Nr.:20/31
Prozessmodellierung: Koksloser erdgasbefeuerter Kupolofen (KLKO)
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Folien Nr.:21/31
SchachtofenSchmelzvergasung von Klärschlamm und industriellen Reststoffen
„Zero-waste-Prinzip“
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Folien Nr.:22/31
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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Folien Nr.:23/31
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
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Koppelprozesse: Substitution von Primärenergie durch Restabfall im Klinkerprozess
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Koppelprozesse: Substitution von Primärenergie durch Restabfall im Klinkerprozess
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Folien Nr.:26/31
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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Folien Nr.:27/31
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
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Schachtofen:Primär-Energie-Einschmelzen von Stahlschrott (PEM)
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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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Folien Nr.:30/31
Downcomer
Secundary Air Channel
Sole Flue
Gas Collecting Main
Hot Gas
PrimaryAir Inlets
Koksproduktion: Heat-Recovery-Technik
Beheizungssystem
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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, 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