Off-gas heat recovery for steelmaking processes based on thermal energy storage

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die Wärmerückgewinnung aus dem Heißgas der Stahlerzeugung. Im Speziellen wurden Wärmerückgewinnungskonzepte für den Elektrolichtbogenofen erarbeitet. Grund hierfür ist die starke Schwankung der thermischen Emission sowie das nicht Vorhandensein von Dampfabnehmern im Elektrostahlwerk. Die entwickelten Wärmerückgewinnungskonzepte zielen somit auf eine Verstromung der Abwärme ab. Für den LD Konverter wurden Simulationen des bestehenden Wärmerückgewinnungssystems durchgeführt.\par Circa 30 % der bei der Stahlerzeugung eingesetzten Energie verlassen die Stahlerzeugungsöfen mit dem Abgas und bleiben in den derzeit als Stand der Technik zu bezeichnenden Abgassystemen ungenutzt. Die Wärmerückgewinnung versucht diese verlorene Abgasenergie sinnvoll nutzbar zu machen. Im ersten Kapitel dieser Arbeit wird der Stand der Technik bei der Stahlerzeugung hinsichtlich Abgassysteme beschrieben. Kapitel 2 behandelt die physikalischen Grundlagen im Bezug auf Wärmerückgewinnungskraftwerke, mit speziellem Fokus auf Wärmetauscher und Dampferzeuger, sowie die Grundlagen und Arten thermischer Energiespeicher. In Kapitel 3 werden die theoretischen Grundlagen betreffend die analytische Berechnung von Wärmeübergangsphänomenen als auch die theoretischen Grundlagen der numerischen Prozess- und Strömungssimulation, welche in dieser Arbeit verwendet wurden, beschrieben. Im Zuge dieser Arbeit wurden fünf Wärmerückgewinnungskonzepte basierend auf verschiedenen thermischen Energiespeichern entwickelt, ausgelegt und mittels transienter Prozesssimulation analysiert. Als Latentwärmespeicher wurden Dampfspeicher und Phasenwechselmaterialien in Betracht gezogen. Zur Speicherung der sensiblen Wärme wurden Konzepte mit flüssigen Salzen, Hochtemperaturbeton und Sand entwickelt. Die erarbeiteten Konzepte, als auch die Simulationsergebnisse, werden in Kapitel 4 präsentiert. Durch die speziellen Herausforderungen, wie hohe Staubbeladung und korrosives Abgas, für die Auslegung des Heißgas-Wärmetauschers wurden experimentelle Untersuchungen zur Evaluierung des Einflusses des Heißgases auf den Wärmetauscher notwendig. Zu diesem Zweck wurde eine Versuchsanlage mit flüssigem Salz als Wärmeträgermedium in das Abgassystem eines bestehenden Elektrolichtbogenofens implementiert. Die hier erzielten Ergebnisse betreffend Materialabtrag, Staubablagerung und Umgang mit flüssigem Salz sind in Kapitel 5 zusammengefasst. Um eine Beurteilung der erarbeiteten Konzepte möglich zu machen wurde eine grobe Abschätzung der Wirtschaftlichkeit der einzelnen Varianten vorgenommen. In Kapitel 6 wird diese Wirtschaftlichkeitsbetrachtung sowie eine technische, wirtschaftliche Beurteilung der Konzepte vorgestellt. Abschließend sind die Kernaussagen dieser Arbeit in Kapitel 7 kurz zusammengefasst.

This thesis deals with off-gas heat recovery for steelmaking processes. Reference steelmaking furnace for the off-gas heat recovery is the electric arc furnace. The reason is that this furnace type has the highest variations in off-gas temperature and mass flow during one batch. Further, no steam consumers are available in a mini mill. Thus, power generation is the most reasonable use of the off-gas heat. For the basic oxygen furnace basic simulations of the existing heat recovery solution, the cooling stack, have been performed. In state of the art steelmaking processes about 30 % of the input energy amount leave the system with the off-gas. Hence, heat recovery is in the focus of steelmaking research. The introduction of this thesis gives the state of the art off-gas technology and describes the process basics of steelmaking furances. Chapter 2 covers the theoretical fundamentals for heat recovery power plants and thermal energy storage systems. Focus of the explanations is on off-gas heat exchanger respectively waste heat boiler design and on different thermal energy storage systems as well as their design methodology. In chapter 3 the design equations for heat transfer and the theoretical background for process and computational fluid dynamics simulation are presented. This chapter covers the analytic and differential equations which have been employed in this work. Within chapter 4 the developed heat recovery concepts based on different thermal energy storage systems as well as process simulation results are presented. Five different heat recovery concepts based on thermal energy storage have been derived. As latent heat storage systems Ruths steam accumulators and phase change materials have been considered. For the storage of sensible heat molten salt, high temperature concrete and sand have been taken into account. Since off-gas heat exchangers in steelmaking processes face special issues like high dust loading and high-temperature corrosion, experimental tests have been necessary. Hence, a material test rig based on molten salt as heat transfer fluid has been implemented into the existing off-gas duct of an electric arc furnace. The investigation results regarding material loss rate, dust load and handling of the molten salt are summarized in chapter 5. To make a reasonable assessment of the developed concepts a rough economic evaluation of the concepts had to be done. The economic analysis as well as the techno-economic assessment of the developed concepts is covered within chapter 6. Finally, the conclusions of this thesis are briefly summarized in chapter 7.