Efficient operation of a packed bed thermal energy storage for waste heat recovery in the iron and steel industry

Abstract

Das Abwärmepotenzial in der Industrie ist enorm und dessen Nutzung kann zu erheblichen Emissionseinsparungen führen. Festbettwärmespeicher können durch Entkopplung der Abwärmeverfügbarkeit und des Prozesswärmebedarfs die Abwärmenutzung in der Eisen- und Stahlindustrie deutlich verbessern. Die hohe Staubbeladung von industriellem Abgas stellt jedoch eine große Herausforderungen dar. Das Ziel dieser Arbeit ist, den Wirkungsgrad und Dauerbetrieb eines Festbettwärmespeichers, der mit staubbeladenem Abgas betrieben wird, zu untersuchen. Dazu wurden Experimente zur Akkumulation von Staubpartikeln und zur Evaluierung des thermischen Wirkungsgrades durchgeführt und analysiert. Die höchsten Wirkungsgrade von 90% (Energie) und 86% (Exergie) werden erreicht, wenn der Speicher von oben beladen wird. Die Ergebnisse zeigen jedoch auch, dass sich Staub im Speicher absetzen kann und es für die Abreinigung dieses Staubes erforderlich ist, den Speicher von unten zu beladen. Aufgrund einer beschleunigten Degradation der Thermokline in dieser Konfiguration sind die Wirkungsgrade zwar etwas niedriger, aber immer noch höher als 85% (Energie) bzw. 80% (Exergie). Diese Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial von Festbettwärmespeichern für den Betrieb mit staubbeladenem Abgas, auch wenn Betriebsstrategien erforderlich sind, die den thermischen Wirkungsgrad des Speichers negativ beeinflussen.

The waste heat potential in the industry sector is huge and its exploitation can translate into significant emission savings. Packed bed thermal energy storage systems can improve the waste heat utilization rate in the iron and steel industry by decoupling the availability of excess heat and the demand for process heat. Besides the intermittent availability of waste heat, the composition of industrial exhaust gases (gas-powder two phase flow) is one of the major challenges in this field of application. The objective of this thesis is to study the thermal efficiency and long-term operation of a packed bed thermal energy storage that is operated with high-temperature gas-powder two phase flow. Experimental investigations considering the powder hold-up and pressure drop as well as the thermal efficiency for these challenging operating conditions are analyzed and discussed. During long-term partial cycle experiments, the maximum energy (90%) and exergy (86%) efficiencies are reached when the storage is charged from the top and discharged from the bottom. However, the results also indicate that powder particles accumulate inside the storage, and charging the storage from the bottom and discharging it from the top facilitates the removal of powder hold-up. Due to an accelerated thermocline degradation in this configuration, the partial cycle energy and exergy efficiencies are slightly lower, but still greater than 85% and 80% respectively. This signifies the potential of packed bed thermal energy storage systems to store high-temperature heat from gas-powder two phase flow, even if operating strategies that decrease the thermal efficiency are applied.