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Abstract

Although energy price forecasts are highly uncertain, it seems to be quite certain that the energy price increases in the next years. This includes natural gas and electricity, which both are used to reheat steel by using furnaces. The EU is also putting up strong economic incentives for reduction on CO2 streams, because of the negative influence on the environment.

The present work discusses the main flows of heat energy in order to get a complete energy balance of the walking beam furnace used at the Hoesch Hohenlimburg GmbH, a hot strip mill, to reheat steel. By analysing the energy balance many possibilities are shown to safe energy and therefore decrease the impact on CO2 emissions. These possibilities are finally compared regarding financial aspects.

Stimmen zur Diplomarbeit

„Ihre Arbeit ist sowohl inhaltlich, als auch stilistisch hervorragend“
Adrian Langosch, Teamleiter Instandhaltung Hoesch Hohenlimburg GmbH

„Ich habe in all meinen Jahren noch nie erlebt, dass jemand so gelassen, effektiv, schnell und gründlich eine Diplomarbeit anfertigt“
Ralf Sternitzke, Korreferent / Betreuer, Leitung Instandhaltung Walzwerk Hoesch Hohenlimburg GmbH

„Ihre Arbeit ist so nachvollziehbar geschrieben, dass ich die einer Hausfrau auf der Straße geben könnte und sie würde die Inhalte verstehen“
Prof. Dr. Dieter Ihrig, Referent, Professor Hochschule Iserlohn

Bewertung der Arbeit
Diplomarbeit schriftlich: Note 1,0
Kolloquium mündlich: Note 1,0

Energiebilanz eines Hubbalkenofens – vollständig berechnet

Luftbedarf bei der Verbrennung [Auszug Diplomarbeit]

Ziel der Verbrennung ist es, die im Brennstoff chemisch gebundene Energie freizusetzen um sie für den Erwärmungsprozess nutzen zu können. Der Brennstoff besteht hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen, es können aber auch andere Bestandteile vorhanden sein wie z.B. Kohlenstoffdioxid und Stickstoff.

Die hier bearbeiteten Öfen werden mit Erdgas aus einem Verbundnetz beheizt. Im Folgenden wird der Luftbedarf für die Verbrennung dieses Erdgases berechnet. Dabei wird auf Erdgasanalysewerte des Unternehmens EON Ruhrgas aus dem Monat März zurückgegriffen. Die allgemeinen Formeln lassen sich natürlich auch auf andere Brennstoffe anwenden.

Bei der Verbrennung reagieren die Kohlenwasserstoffe des Brennstoffes mit Sauerstoff und es bildet sich Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf.

Die chemische Reaktion wird anhand der Verbrennung mit Methan (CH4) verdeutlicht

Zusammengefasst ergibt sich:

Der für den Verbrennungsprozess benötigte Sauerstoff wird mit der Brennluft zugeführt. Dabei ist es wichtig, die richtige Brennluftmenge zuzuführen um Verluste bei der Verbrennung zu minimieren.

Die Mengen werden im Folgenden auf die Masse bezogen, da die spezifischen Kennwerte für die Wärmeenergie von Stoffen ebenfalls auf die Masse bezogen sind.  Daher wird auch mit den Atommassen der Gase gerechnet. Diese sind in der Tabelle 2.1 aufgelistet. Für weitere Betrachtungen werden die gerundeten Werte herangezogen. Die Genauigkeit ist hierbei bei weitem ausreichend.

Tabelle 2.1:   Atommassen von Wasserstoff, Kohlenstoff Sauerstoff und Stickstoff aus [DTV‑Chemie; 1997, S. 8f]

Element Symbol Atommasse Atommasse

gerundet

Einheit
Wasserstoff H 1,0079 1 g/mol
Kohlenstoff C 12,011 12 g/mol
Sauerstoff O 15,9994 16 g/mol
Stickstoff N 14,0067 14 g/mol

 

Für die Verbrennung mit Methan ergibt sich die folgende Massenbilanz


Für die Verbrennung von 1 kg CH4 benötigt man also 4 kg O2. Zur Verbrennung wird dabei meist der Sauerstoff aus der Luft verwendet. Da in der Luft nur 23,3 % Sauerstoff[1] vorhanden ist, wird deutlich mehr Luft als Erdgas benötigt. Die benötigte Sauerstoffmenge kann anhand der chemischen Zusammensetzung des Brenngases bestimmt werden. Die allgemeine Formel für die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen lautet


Die Formel (2.6) wird nun im Einzelnen auf die Bestandteile des Erdgases angewendet (siehe Tabelle 2.2, Spalte O2 Grundbedarf). Ist der sich daraus ergebende O2 Grundbedarf für jeden Bestandteil berechnet, lässt sich der O2 Bedarf ermitteln, indem der O2 Grundbedarf mit dem Massenanteil multipliziert wird. Aus der Summe der Sauerstoffbedarfsmengen ergibt sich dann der erforderliche Anteil an Sauerstoff, der für eine stöchiometrische Verbrennung[2] notwendig ist.

Tabelle 2.2:   Kennwerte Erdgas Monat März 2009 [EON, 2009] und Sauerstoffbedarf

Gaskomponente Symbol Volumen-anteil Massen-anteil O2 Grundbedarf

kg O2 / kg Bestandteil

O2 Bedarf

kg O2 / kg Brennstoff

Kohlendioxid CO2 1,66 % 4,00 %
Stickstoff N2 9,51 % 14,58 %
Sauerstoff O2 0,00 % 0,00 %
Methan CH4 85,13 % 74,55 % 4,0000 2,9822
Ethan C2H6 3,00 % 4,93 % 3,7333 0,1839
Propan C3H8 0,48 % 1,16 % 3,6364 0,0420
2-Methylpropan i-C4H10 0,06 % 0,19 % 3,5862 0,0068
n-Butan n-C4H10 0,08 % 0,25 % 3,5862 0,0091
2- Methylbutan i-C5H12 0,02 % 0,08 % 3,5556 0,0028
n-Pentan n-C5H12 0,02 % 0,08 % 3,5556 0,0028
Hexan + höhere KW C6H14 + 0,04 % 0,19 % 3,5349 0,0067
Summe 100 % 100,00 % 3,2363

 

Um 1 kg Erdgas zu verbrennen, werden also 3,2363 kg Sauerstoff benötigt. Der Bedarf an trockener Luft bei stöchiometrischer Verbrennung mtr,st  berechnet sich zu

Trockene Luft bedeutet, dass sich kein Wasserdampf in der Luft befindet, die Luftfeuchtigkeit also 0 % beträgt. Befindet sich Wasserdampf in der Luft, wird mehr Luft für die Verbrennung benötigt, da insgesamt weniger Sauerstoff in der Luft vorhanden ist. Daher wird nun die benötigte Menge feuchter Luft berechnet.

[1] Hier ist der Massenanteil von Sauerstoff in Luft gemeint. Dieser beträgt im Gegensatz zum Volumenanteil 23,3 %.

[2] Eine stöchiometrische Verbrennung tritt dann ein, wenn genau so viel Sauerstoff vorhanden, wie für die Verbrennung notwendig ist. Wird mehr Sauerstoff zugeführt, spricht man von einer überstöchiometrischen Verbrennung. Ist nicht genug Sauerstoff vorhanden, handelt es sich um eine unterstöchiometrische Verbrennung.

Massenströme Übersicht

Wärmeenergie eines Stoffstromes [Auszug Diplomarbeit]

Die Energie, die notwendig ist um einen Stoff zu erwärmen, wird Wärmeenergie oder Wärme Q genannt. Die Änderung der Wärme ist abhängig von der Masse m, der spezifischen Wärmekapazität c und der absoluten Temperaturänderung T

Wärmeströme treten an vielen Stellen des Ofens auf. Wenn das heiße Abgas den Ofen verlässt, Brenngas in den Ofen strömt oder auch wenn Brammen in den Ofen eingetragen werden. So hat z.B. jede Bramme, die in den Ofen eingetragen wird abhängig vom Bezugspunkt und der Brammentemperatur eine positive oder negative Wärme Q.

Um die Wärme der Stoffe besser vergleichen zu können, wird ein einheitlicher Bezugspunkt festgelegt. Dieser soll 0 °C betragen, da hierbei leicht mit der Celsiustemperaturgerechnet werden kann.

So hat eine Bramme, die in den Ofen mit einer Temperatur von +10 °C eingetragen wird, eine positive Wärme und bei einer Temperatur von -5 °C eine negative Wärme, jeweils bezogen auf 0 °C.

Leitet man nun die Wärme Q nach der Zeit ab, erhält man den Wärmestrom mit dem zugehörigen Massenstrom m-Punkt.

Die spezifische Wärmekapazität c kann für Flüssigkeiten und Festkörper Tabellenwerken entnommen werden. Handelt es sich jedoch um Gase, gibt es spezifische Wärmekapazitäten für konstanten Druck cp und für konstantes Volumen cv. Die bei Thermoprozessen auftretenden Druckunterschiede können wie bei der Berechnung der Dichte auch vernachlässigt werden. In diesem Fall kann mit der spezifischen Wärmekapazität für konstanten Druck cp gerechnet werden, die aus Tabellenwerken entnommen wird.

Die spezifische Wärmekapazität cp ist weiterhin von der Temperatur abhängig. Dies muss man berücksichtigen, wenn man die Wärme eines Stoffes mit hoher Temperatur bestimmen will. Abbildung 2.13 zeigt beispielhaft den Verlauf der spezifischen Wärmekapazität von Methan.

Berechnung des Wärmeinhaltes mit Hilfe der spezifischen Wärmekapazität
Möchte man beispielsweise die Wärme von einer gewissen Menge Methan mit einer Temperatur von 1000 °C bestimmen, muss man über den gesamten Bereich der Wärmekapazität von 0 °C bis 1000 °C integrieren und den Mittelwert bilden. Die hierbei ermittelte mittlere spezifische Wärmekapazität cpm kann aber auch aus Tabellen entnommen werden. Die Werte sind dann für einen Temperaturbereich von 0 °C bis zu einer Zieltemperatur aufgetragen. Ein Beispiel hierfür zeigt Tabelle 2.10.

Tabelle 2.10: Mittlere spezifische Wärmekapazität cpm in kJ/kgK von Gasen zwischen 0 °C und t bei konstantem Druck p [Berties; 2003, S. 282]

t in °C H2 N2 O2 CO H2O CO2 SO2 CH4 Luft
0 14,21 1,040 0,915 1,040 1,859 0,818 0,607 2,158 1,005
100 14,29 1,041 0,924 1,042 1,873 0,872 0,636 2,310 1,007
200 14,39 1,045 0,937 1,046 1,893 0,914 0,664 2,467 1,012
300 14,41 1,049 0,951 1,054 1,919 0,953 0,688 2,642 1,019
400 14,45 1,058 0,966 1,064 1,947 0,986 0,707 2,822 1,029
500 14,50 1,067 0,980 1,075 1,977 1,017 0,725 2,996 1,039

Energie des Dampfes [Auszug Diplomarbeit]

Soll ein Stoff erwärmt werden, benötigt man Energie in Form von Wärme. Aber auch wenn der Phasenzustand eines Stoffes verändert wird, muss Energie aufgewendet werden. Die Wärme, die für die Änderung des Phasenzustandes notwendig ist, wird latente Wärme genannt. Bei einer Zustandsänderung von fest nach flüssig verwendet man den Begriff Schmelzwärme. Findet eine Zustandsänderung von flüssig nach gasförmig statt, benötigt man hierfür die Verdampfungswärme.

Bei Kühlprozessen mit heißem Wasser wird die hohe Verdampfungswärme des Wassers ausgenutzt, wodurch viel Wärme aufgenommen werden kann und nur ein kleiner Teil des Wassers verdampft. Anders herum ist Dampf ein hervorragender Energiespeicher, da viel Wärme abgegeben werden kann, bevor der Dampf vollständig kondensiert. Die Verdampfungswärme sinkt mit zunehmendem Druck.

Das Heißkühlsystem funktioniert mit einem Überdruck von 15 bar. Die Verdampfungswärme von Wasser beträgt hierbei 1935 kJ/kg [Berties; 2003, S. 287]. Um also 1 kg Wasser zu verdampfen werden 1935 kJ Wärme benötigt. Zum Vergleich soll an dieser Stelle erwähnt werden, dass 419 kJ Wärme nötig sind um 1 kg Wasser von 0 °C auf 100 °C zu erwärmen.

Der Dampf wird im Werksnetz genutzt um Anlagenteile aufzuwärmen. Das hierbei entstehende heiße Kondensat strömt dann zum Sammelbehälter zurück, wo es erneut verdampft werden kann. Somit ist ein Dampfstrom immer auch ein Wärmestrom! Dampfströme werden üblicherweise in t/h gemessen. Ein Dampfstrom von 1 t/h entspricht damit einem Wärmestrom von 1’935’000 kJ/h oder 537,5 kW bei einem Druck von 16 bar.

Inhaltsverzeichnis

1             Von der Bramme zum Coil…………………………………………. 1

1.1      Stahlherstellung und die Bedeutung des Walzens……………… 1

1.2      Hoesch Hohenlimburg, die Mittelbandstraße……………………. 3

1.2.1     Struktur der Mittelbandstraße……………………………………………………. 4

1.2.2     Bedeutung des Ofens innerhalb des Walzprozesses………………………. 5

1.3      Systembetrachtung des Ofens 3……………………………………. 5

1.3.1     Transport der Brammen in einem Hubbalkenofen………………………….. 7

1.3.2     Beheizung des Ofens………………………………………………………………. 8

1.3.3     Heißkühlsystem……………………………………………………………………. 11

2             Energiebilanz des Ofens………………………………………….. 13

2.1      Messwerte………………………………………………………………. 14

2.1.1     Aufzeichnung der Messwerte…………………………………………………… 16

2.2      Grundlagen zur Berechnung von Energieströmen……………. 17

2.2.1     Luftbedarf bei der Verbrennung……………………………………………….. 17

2.2.2     Zusammensetzung der Abgase……………………………………………….. 23

2.2.3     Dichte der Abgase………………………………………………………………… 32

2.2.4     Wärmeenergie eines Stoffstromes……………………………………………. 35

2.2.5     Energie des Dampfes…………………………………………………………….. 37

2.2.6     Türen und Öffnungen…………………………………………………………….. 38

2.3      Zugeführte Energie…………………………………………………… 42

2.3.1     Erdgas……………………………………………………………………………….. 43

2.3.2     Vorwärmung der Brennluft………………………………………………………. 45

2.3.3     Wärme der Brammen…………………………………………………………….. 46

2.4      Abgeführte Energie…………………………………………………… 47

2.4.1     Energie der Brammen……………………………………………………………. 47

2.4.2     Abgabe von Dampf……………………………………………………………….. 49

2.4.3     Energie der Abgase………………………………………………………………. 50

2.5      Energieströme und Wärmeverluste………………………………. 55

2.5.1     Rekuperator………………………………………………………………………… 58

2.5.2     Wärmetauscher Kamin…………………………………………………………… 60

2.5.3     Verbrennungsprozess……………………………………………………………. 61

2.5.4     Kühlung der Abgase………………………………………………………………. 63

2.5.5     Gasaustritt an Öffnungen………………………………………………………… 65

2.5.6     Strahlung an Öffnungen…………………………………………………………. 68

2.5.7     Wasserdampfkondensator………………………………………………………. 69

2.5.8     Tragrohr Kühlsystem……………………………………………………………… 71

2.5.9     Rollenkühlung………………………………………………………………………. 72

2.5.10   Isolierung……………………………………………………………………………. 74

2.5.11   Zusammenfassung der Ergebnisse…………………………………………… 78

2.6      Ofenspezifische Kennwerte………………………………………… 80

2.6.1     Wärmetechnischer Wirkungsgrad……………………………………………… 81

2.6.2     Spezifischer Energieeinsatz…………………………………………………….. 82

2.6.3     Vergleich der Kennwerte………………………………………………………… 82

3             Potentiale zur Energieeinsparung und Emissionsminderung………………………………………………………….. 86

3.1      Verbrennungsprozess……………………………………………….. 86

3.1.1     Möglichkeiten der Lambda Regelung…………………………………………. 87

3.1.2     Herabsenken des Ofendrucks………………………………………………….. 88

3.1.3     Verbrennung mit Sauerstoffbrennern…………………………………………. 89

3.1.4     Erdgasvorwärmung……………………………………………………………….. 91

3.2      Abgaswärme…………………………………………………………… 92

3.2.1     Möglichkeiten der Abwärmenutzung………………………………………….. 93

3.2.2     Reparatur des Rekuperators……………………………………………………. 96

3.2.3     Optimierung des Eintragevorganges…………………………………………. 97

3.2.4     Optimierung des Austragevorganges……………………………………….. 100

3.2.5     Kühlung der Abgase mit Wasser…………………………………………….. 102

3.3      Dampf………………………………………………………………….. 104

3.4      Kühlung des Austragerollgangs…………………………………. 105

3.5      Einschränkung der Wandverluste……………………………….. 108

4             Wirtschaftliche Betrachtung der Verbesserungsmaßnahmen……………………………………………….. 109

4.1      Ausblick Energiekosten……………………………………………. 109

4.2      Emissionshandel mit Kohlendioxid……………………………… 110

4.3      Bewertung der Maßnahmen zur Energieeinsparung und Emissionsminderung……………………………………………….. 111

4.4      Förderprogramme…………………………………………………… 115

5             Zusammenfassung und Schlusswort……………………….. 116

6             Anhang……………………………………………………………….. 117