Verfahren zur Energie- und Wärmerückgewinnung in der Eisen- und Stahlindustrie

Abstract

Climate change is without much doubt among the biggest challenges mankind will have to face within the next decades. The industrial sector contributes a significant share of the annual worldwide greenhouse gas emissions, where the iron and steel industry is one of the biggest polluters due to high energy demand. Usually fossil fuels serve as primary energy source and copious amounts of the total energy content are lost in the form of waste heat. This work investigates the recovery and further use of the thermal energy contained in the exhaust flows. The first part of this paper examines the whole metallurgical supply chain with all its sub processes covering the pretreatment of charging materials, the different routes to reduce ore to iron, reducing carbon to get steel from pig iron, secondary metallurgy, continuous casting and hot rolling. The following chapter discusses the conversion from thermal into electrical energy, including Clausius-Rankine, ORC (organic Rankine cycle) and supercritical CO2 processes. Special focus is placed on the Clausius-Rankine process, which coincides with the industrial requirements of Siemens VAI, the industrial partner for this research project. This work culminates in the last chapter, where specific sources of waste heat are used to power a simulated steam cycle with parameters as listed below. The developed model yields the electric power provided by a generator, where the results are discussed with respect to suitability for heat recovery. This piece of research aims to contribute new insights on how to reduce resource consumption and simultaneously reduce greenhouse gas emission in the iron and steel manufacturing process. It is hoped that the results of this work can help to reduce the environmental impact of the industrial sector.

Die Begriffe Energieeinsparung und Effizienzsteigerung nehmen auf Grund der stetig steigenden Energiepreise und der allgegenwärtigen Klimaproblematik eine immer wichtigere Rolle in der Industrie ein. Auslöser für den Klimawandel ist der Temperaturanstieg an der Erdoberfläche. Begründet kann der dieser mit der Blockierung der ultravioletten Strahlung der Sonne in der Atmosphäre werden, welche durch zusätzliche Treibhausgase verstärkt wird. Treibhausgase werden vor allem in der Form von Kohlendioxid durch Abgase des industriellen Sektors, speziell der Eisen- und Stahlindustrie, ausgestoßen. Mit den Abgasströmen verlässt auch eine große Menge an thermischer Energie die Prozesse. Das ist auch die Verbindung des Klimawandels zu dieser Arbeit. Ziel dieser Arbeit ist es, aufzuzeigen, wie die thermische Energie der Abgase genutzt werden kann um einerseits die Energiekosten niedrig zu halten und andererseits Abgase zu reduzieren. Der erste Teil befasst sich mit der gesamten metallurgischen Wertschöpfungskette. Die verschiedenen Routen zur Stahlproduktion, angefangen von der Rohstoffvorbereitung, über die Reduktion zu Roheisen und der Stahlerzeugung im Konverter oder Lichtbogenofen, werden genau beschrieben. Beendet wird die Stahlstraße in dieser Arbeit mit dem Warmwalzwerk, da die weiterführenden Prozesse nur mehr ein geringes Abwärmepotential besitzen. Der nächste Abschnitt behandelt die Umwandlung der thermischen in elektrische Energie. Dazu werden einige Möglichkeiten zur Stromerzeugung wie Clausius-Rankine oder der supercritical-CO2 Prozess vorgestellt und diskutiert. Der Fokus der Arbeit liegt aber auf dem Clausius-Rankine Prozess, da dies die vom Auftraggeber Siemens VAI bevorzugte Form zur Stromerzeugung aus Abwärme ist. Das letzte Kapitel ist mehr oder weniger das Ziel der Arbeit. Es beinhaltet die Modellierung und Berechnung eines Dampfkraftprozesses mit den Parametern der einzelnen Subprozesse mit Hilfe der Pyrolysis and Gasification Process Library des Programmes IPSEpro®. Als Endergebnis wird die am Generator gelieferte elektrische Leistung angegeben. Damit soll das Rückgewinnungspotential aufgezeigt werden. Die Eignung der Subprozesse zur Dampferzeugung, hinsichtlich Kontinuität, Temperatur und Volumenstrom des Abgases, wird anschließend diskutiert. Hoffentlich trägt diese Arbeit einen kleinen Teil zur Ressourceneinsparung in der Eisen- und Stahlindustrie bei. Gleichzeitig bedeutet eine Verringerung der Ressourcen auch eine Verringerung des Ausstoßes an Treibhausgasen und so einen möglichen Beitrag zur heiklen Klimaproblematik.