Abwärmenutzung eines Tunnelofens

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit ist die Ermittlung einer wirtschaftlichen Abwärmenutzung des Brennprozesses von Feuerleichtsteinen im Tunnelofen. Dafür wurde zuerst ein Simulationsmodell der Anlage erstellt, um die beiden auftretenden Abwärmeströme zu erfassen. Ein Teil dieser Abwärme wird bereits für den Trocknungsprozess der Feuerleichtsteine verwendet. Daher wurde der für die Trocknung benötigte Wärmebedarf einer Trockenkammer bestimmt. Damit wurde untersucht, ob die Trockenkammern mit der Abwärme allein ohne Zufeuerung betrieben werden können. Es zeigte sich, dass die Trockenkammern mit der Abwärme des Tunnelofens allein nicht betrieben werden können. In einem nächsten Schritt wurden passende Konzepte für die Nutzung der Abwärme festgelegt. Es kamen verschiedene stromerzeugende Prozesse, darunter der einfache und regenerative ORC-Prozess unter Verwendung verschiedener Arbeitsmedien und der Wasserdampfkraftprozess, in Frage. Außerdem wurde die externe Nutzung der Abwärme im Fernwärmenetz berücksichtigt. Die Abwärmenutzungskonzepte wurden für zwei Szenarien ausgearbeitet. Szenario 1 bildet den Ist-Zustand der Anlage ab, bei dem ein Teil der Abwärme des Tunnelofens für den Trocknungsprozess verwendet wird und Szenario 2 sieht vor, dass der Brenn- vom Trocknungsprozess entkoppelt wird. Es wurden thermodynamische Modelle der stromerzeugenden Prozesse erstellt, um die Prozessparameter für eine möglichst hohe Leistung bzw. hohen thermischen Wirkungsgrad zu ermitteln. Mit dieser Parameterstudie wurden auch die passenden Arbeitsmedien für die ORC-Prozesse bestimmt. Für Szenario 1 fiel die Wahl auf das ORC-Medium Cyclopentan und für Szenario 2 auf Toluol. Anschließend wurden Simulationsmodelle aller Konzepte erstellt. Es wurde eine ökonomische Modellierung der Abwärmenutzungskonzepte vorgenommen und die Wirtschaftlichkeit der Konzepte mit Hilfe der Amortisationszeit bewertet. Die wirtschaftlichsten Konzepte für die Abwärmenutzung des Tunnelofens sind in beiden Szenarien die Einspeisung ins Fernwärmenetz. In Szenario 1 können 210,5 kW Fernwärme erzeugt werden und die Amortisationszeit beträgt 0,8 Jahre. Für Szenario 2 resultiert ein Fernwärmestrom von 841,5 kW und eine Amortisationszeit von 0,7 Jahren. Diese Amortisationszeiten können jedoch nur erreicht werden, wenn bereits die gesamte Infrastruktur der Fernwärme vorhanden ist. Der wirtschaftlichste stromerzeugende Prozess für Szenario 1, der den nachgeschalteten Trocknungsprozess nicht beeinflusst, ist der einfache ORC-Prozess mit maximaler Druckdifferenz mit einer elektrischen Nettoleistung von 32,0 kW und einer Amortisationszeit von 10,9 Jahren. Für Szenario 2 erzielt der regenerative ORC-Prozess die geringste Amortisationszeit der stromerzeugenden Prozesse mit einem Wert von 5,0 Jahren. Die erzeugte elektrische Nettoleistung beträgt 143,7 kW.

The aim of this work is to determine the economical use of waste heat from the burning process of light refractory bricks in the tunnel kiln. For this purpose, a simulation model of the system was created in order to determine the two waste heat flows that occur. The heat required for the drying of the bricks in a drying chamber was calculated, because a part of this waste heat is already used for the drying process. This was done to investigate if the drying chambers could be operated using waste heat alone without additional firing. It turned out that the drying chambers cannot be operated with the waste heat from the tunnel kiln alone. In the next step, suitable concepts for using the waste heat were defined. Various processes for electricity generation were considered, including the simple and regenerative organic rankine cycle (ORC) using different working media and the steam power cycle. The external use of waste heat in the district heating network was also taken into account. The concepts for the waste heat utilization were developed for two scenarios. Scenario 1 represents the current state of the system, in which a part of the waste heat from the tunnel kiln is used for the drying process. For scenario 2 the decoupling of the firing process from the drying process is planed. Thermodynamic models of the electricity-generating processes were created in order to determine the process parameters for reaching the highest performance. This parameter study was also used to find out the appropriate working media for the ORC processes. The ORC medium cyclopentane was chosen for scenario 1 and toluene for scenario 2. For all concepts simulation models were created. An economic modelling was carried out to evaluate the economic viability of the waste heat utilization concepts based on the payback period. In both scenarios using the waste heat from the tunnel kiln to feed it into the district heating network has the shortest payback period. In scenario 1, 210,5 kW of district heat can be generated and the payback period is 0,8 years. For scenario 2, the use of 841,5 kW heat results in a payback period of 0,7 years. However, these payback periods can only be achieved if the entire district heating infrastructure is already in place. The most economical process for power generation for scenario 1, which does not affect the downstream drying process, is the simple ORC process with maximum pressure difference with a net electrical power of 32,0 kW and a payback period of 10,9 years. For scenario 2, the regenerative ORC achieves the lowest payback period of the electricity-generating processes with a value of 5,0 years. The generated net electrical power is 143,7 kW.