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RADREC - Energieeffizienzsteigerung in der stahlverarbeitenden Industrie durch Rückgewinnung von Strahlungswärme an der Hakenbahn und an Kühlbetten

Ziel des Projektes RADREC ist es, Konzepte zur Rückgewinnung von Strahlungswärme während der Produktkühlung in drei österreichischen stahlverarbeitenden Unternehmen (Rohr-, Draht- und Baustahlwerk) zu erarbeiten, um den Primärenergieeinsatz deutlich zu reduzieren. In der österreichischen stahlverarbeitenden Industrie werden jährlich ca. 32.239.489 GJ Öl, 46.675.484 GJ Erdgas und 0,93 GJ Strom eingesetzt. Vorstudien haben gezeigt, dass in den betrachteten Unternehmen theoretisch alle Nebenprozesse (Hallenheizung, Beize, Ölvorwärmung usw.) aus der Abwärme, welche bei der Produktkühlung an Kühlbetten und Hakenbahn entsteht, beheizt werden können. Die Wärmeströme beinhalten 30 – 50 % der in den Öfen (Drehherd- und Hubbalkenofen) dieser Unternehmen eingesetzten Primärenergiemengen. Diese Energie wird derzeit in Form von Strahlungswärme und warmer Luft an die Umgebung ungenutzt abgegeben. Verfahren zur Nutzung der bei der Produktkühlung entstehenden Strahlungswärme werden derzeit in der österreichischen stahlverarbeitenden Industrie und auch international nicht eingesetzt. In der technischen Fachliteratur werden Ansätze zur Nutzung dieser Wärmeströme seit ca. 1980 nur selten beschrieben. Bestehende Patente zur Wärmerückgewinnung an Kühlbetten sind in den betrachteten Unternehmen aufgrund dessen, dass die vorgeschlagenen technischen Lösungen nicht den unternehmensspezifischen Rahmenbedingungen (Produktionsprogramm, Sicherheit, Wartungsfreundlichkeit) entsprechen, nicht praktikabel. Im Projekt RADREC wird das praktisch realisierbare Wärmerückgewinnungspotenzial in zwei stahl-verarbeitenden Unternehmen experimentell mit Hilfe einer Versuchsanlage ermittelt. Basierend auf diesen Versuchsergebnissen wird ein Rechenmodell ermittelt, um eine Übertragbarkeit auf andere Unternehmen gewährleisten zu können. Für die Wärmerückge-winnung wird ein Konzept entwickelt, welches die technische Lösung für die Rückgewinnung von Strahlungswärme und die Einbindung der rückgewonnen Energie in das unternehmens-spezifische Energieversorgungssystem beinhalten. Im Rahmen von RADREC werden das entwickelte Rechenmodell und die technische Lösung für die Rückgewinnung von Strahlungswärme am Kühlbett eines weiteren stahlverarbeiten-den Unternehmens erprobt und ggf. an die spezifischen Rahmenbedingungen angepasst. Abschließendes Ziel ist es, die entwickelten technischen Konzepte einer Wirtschaftlichkeits-berechnung, unter Berücksichtigung von Energiepreisentwicklungen und der Entwicklung des CO2-Emissionshandels zu unterziehen.

Ausgangssituation

In den betrachteten Unternehmen der stahlverarbeitenden Industrie (voestalpine Austria Draht GmbH, voestalpine Tubulars GmbH & Co KG) tritt im Verlauf des Produktionsprozesses Strahlungswärme auf. Diese Energie wird ungenutzt an die Umgebung (Produktionshalle) abgegeben und führt zu einer Verschlechterung der Arbeitsbedingungen für die in diesem Bereich beschäftigten Mitarbeiter, vor allem im Sommer. Eine Rückgewinnung dieser Energie würde den Primär­energieeinsatz der Unternehmen deutlich reduzieren und gleichzeitig die Arbeitsbedingungen verbessern.

Die Strahlungswärme tritt in folgenden Bereichen auf:

-         voestalpine Austria Draht GmbH: Drahtbundkühlung entlang der Hakenbahn

-         voestalpine Tubulars GmbH & Co KG: Kühlbett zur Abkühlung der Nahtlosrohre am Ende des Produktionsprozesses (Walzen) und im Anschluss an die Wärmebehandlung

voestalpine Austria Draht GmbH: Ein hoher Anteil der im Erwärmungsofen (Hubbalkenofen) eingebrachten Energie ist im Walzgut enthalten. Die gewalzten Drahtbunde verlassen die Bundbildekammer mit einer Temperatur von 600 bis 700 °C. In weiterer Folge werden die Drahtbunde nach Verlassen der Bundbildekammer an Bundtransporteinrichtungen übergeben. An der Hakenbahn werden die Drahtbunde ohne Wärmerückgewinnung an der Umgebungsluft ausgekühlt. Zur zumindest teilweisen Rückgewinnung der in den Drahtbunden gespeicherten Energie bietet sich eine Energierückgewinnung entlang der Hakenbahn an. Zur Wärmerückgewinnung sollen die Drahtbunde durch eine mit Wärmetauscherflächen ausgestattete Hakenbahn geführt werden, in der die Bundwärme durch Strahlung an die Wärmetauscherflächen übertragen wird.

voestalpine Tubulars GmbH & Co KG: Am Kühlbett wird dem Endprodukt jene Energie wieder entzogen, welche dem Vormaterial zunächst zugeführt wurde, um eine Umformung und Bearbeitung möglich zu machen. Für die Abkühlung des Endprodukts von ca. 1.000 bis 600 °C auf Umgebungstemperatur wird ein Luftstrom eingesetzt, der durch Gebläse erzeugt wird. Zu diesem Zweck befinden sich derzeit 10 Gebläse unter dem Kühlbett mit einem Luftdurchsatz von jeweils ca. 20.000 m³/h. Direkt über dem Kühlbett befinden sich zwei mal acht Dachventilatoren, wobei die Lufttemperatur in diesem Bereich ca. 50 bis 60 °C beträgt. Direkt am Kühlbett beträgt die Temperatur etwa 800 °C. So wird die Wärme nicht nur direkt an die Umgebung abgeführt, es werden zusätzlich noch große Energiemengen für Gebläse eingesetzt.

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt erfolgt in diesen Bereichen des Produktionsprozesses keine Wärmerückgewinnung, da die Temperaturen in Abhängigkeit vom Produktprogramm schwanken, unterschiedliche Wärmestromdichten auftreten und mögliche auftretende Risiken aufgrund der relativ hohen Produkttemperaturen und möglichen mechanischen Störungen bisher nicht untersucht wurden.

Projektverlauf

Zur Erreichung der Projektziele und Ermittlung des Wärmerückgewinnungspotenzials aus Walzdraht und Nahtlosrohren wurde eine experimentelle Vorgehensweise in Form eines Versuchsaufbaus im kleinen Maßstab gewählt, weil die Installation von zusätzlichen Baukörpern möglicherweise Störungen des Produktionsablaufes (bezüglich Wärmefluss, Rückwirkung auf das Produkt sowie sicherheitstechnischer Aspekte), die vom theoretischen Standpunkt zum derzeitigen Zeitpunkt nicht vorhersehbar sind, hervorrufen könnte.

Aufgrund der Kenntnis des Wärmerückgewinnungspotenzials sowie der im Rahmen der Versuche aufgetretenen Störfälle und Schwierigkeiten wurde im nächsten Schritt eine apparative Lösung für die großflächige Umsetzung der Wärmerückgewinnung am Hubrechenkühlbett und der Hakenbahn entwickelt und die Einbindung der rückgewonnenen Wärmemenge in das betriebliche Energieversorgungssystem geplant sowie eine Wirtschaftlichkeitsberechnung für die Gesamtinvestitionen durchgeführt.

 

Meilensteine
1 Planung, Konstruktion, Bau und Inbetriebnahme der Versuchsanlage
2 Versuchsdurchführung voestalpine Austria Draht GmbH
3 Versuchsdurchführung voestalpine Tubulars GmbH & Co KG
4 Auswertung der Versuchsergebnisse, Wärmerückgewinnungskonzept voestalpine Austria Draht GmbH, voestalpine Tubulars GmbH & Co KG
5 Wirschaftlichkeitsberechnung
6 Berichtlegung, Publikationen und Konferenzbeiträge
Ergebnisse

Mit der Durchführung der Versuche wurde deutlich, dass die theoretische Ermittlung des Wärmerückgewinnungspotenzials von Strahlung einen deutlichen Unterschied zu den tatsächlich ermittelten Werten aufweist.

Nimmt man eine Bundtemperatur von beispielsweise 450 °C an, so müsste lt. Rechnung eine Leistung von ca. 9,7 kW/m² zur Verfügung stehen. Real konnte eine mittlere Leistung von ca. 2 kW/m² zurück gewonnen werden. Diese Differenz kann vor allem auf die produktionsspezifischen Rahmenbedingungen, wie z.B. Mindestabstand zwischen Wärmerückgewinnungsanlage und Drahtbund, diskontinuierlicher Betrieb (nicht immer kommen Bunde vor der Wärmerückgewinnungsanlage zum Stillstand) und die Kühlung durch die sich ausbildende Konvektionsströmung in der Halle zurückgeführt werden.

Diese Problematik ist auch für die Wärmerückgewinnung am Hubrechenkühlbett relevant, weil auch hier aufgrund vorhandener konstruktiver Restriktionen die Wärmerückgewinnungsfläche deutlich reduziert wurde.

Aus diesem Grund wird deutlich, dass der zukünftige Fokus darauf liegen soll, Anlagen wie die Hakenbahn oder das Hubrechenkühlbett bereits mit einer inkludierten Wärmerückgewinnung zu entwickeln.

Mögliche Zielbereiche für die Rückgewinnung von Strahlungswärme (an Hakenbahn und Kühlbetten) sind in erster Linie in Unternehmen der stahlverarbeitenden Industrie und in der Zementindustrie (Entstehung von Strahlungswärme bei den Klinkerkühlern) aber auch in anderen Branchen zu sehen. Beispielsweise gab es bereits im Projektverlauf eine konkrete Anfrage aus der Glasindustrie. Aus derzeitiger Sicht kann davon ausgegangen werden, dass die Erkenntnisse aus RADREC für weitere Unternehmen der stahlverarbeitenden Industrie, sowohl in Österreich als auch international interessant sein könnten. Für andere wärmeintensive Unternehmen kann ein solches Projekt ein Anstoß für einen Umdenkprozess sein, um bisher ungenutzte Abwärmeströme nutzbar zu machen und dem Prozess zurück zu führen oder einer anderen Nutzung, beispielsweise in Form von Fernwärme, zuzuführen. Am Beispiel der voestalpine Tubulars GmbH & Co KG würde eine ganzjährige Nutzungsmöglichkeit der Abwärme die Amortisationszeit deutlich reduzieren und interessanter für die Umsetzung machen.

Mit den Ergebnissen von RADREC wird die Notwendigkeit deutlich, in Zukunft bei der Planung neuer Anlagen eine Wärmerückgewinnung einzubeziehen.

Weiters wäre es wichtig, die vorgeschlagenen Konstruktionen deutlich zu vereinfachen, besonders bezüglich der Regeltechnik und der Armaturen, dabei einen hohen sicherheitstechnischen Standard zu erhalten und die Anlagen einfacher und kostengünstiger zu machen, da bei den beschriebenen Wärmerückgewinnungsanlagen ein wesentlicher Teil der Kosten auf die Regeltechnik entfallen.

Im Rahmen der Wirtschaftlichkeitsberechnung wurden die Amortisationszeiten für die Wärmerückgewinnungsanlagen berechnet. Die deutlich längeren Amortisationszeiten bei der voestalpine Tubulars GmbH & Co KG im Vergleich zu den Amortisationszeiten bei der voestalpine Austria Draht GmbH lassen sich folgendermaßen begründen:

-         voestalpine Tubulars GmbH & Co KG: Die Wärme wird mehrheitlich zur Hallenheizung verwendet, wodurch sich geringe Betriebstunden für die Wärmerückgewinnungsanlage ergeben.

-         voestalpine Austria Draht GmbH: Die rückgewonnene Wärme kann direkt in ein bestehendes Wärmewassernetz eingespeist und die rückgewonnene Wärme kann ganzjährig genutzt werden.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die unternehmensspezifischen Rahmenbedingungen einen wesentlichen Einfluss auf die Amortisationszeit haben. Denn könnte die rückgewonnene Wärme bei der voestalpine Tubulars GmbH & Co KG ganzjährig genutzt und damit eine Erdgaseinsparung erzielt werden, würde sich die Anlage in eine aus wirtschaftlicher Sicht interessante Amortisationszeit bewegen. 

Steckbrief

Projektnummer
818843
Koordinator
STENUM Unternehmensberatung und Forschungsgesellschaft für Umweltfragen mbH
Projektleitung
Christina Krenn, christina.krenn@stenum.at
Partner
Technische Universität Wien
voestalpine Austria Draht GmbH
voestalpine Tubulars GmbH & Co KG
Schlagwörter
Rückgewinnung von Strahlungswärme Energieeffizienzsteigerung
Förderprogramm
Neue Energien 2020
Dauer
10.2008 - 09.2010
Budget
191.931 €