Projekt 14292/01

Weiterentwicklung und Betriebseinführung von Verfahren zur Umweltentlastung am Beispiel Schmiedeöfen durch Einsatz neuartiger Beheizungs- und Prozesstechnologien bei Hochtemperatur

Projektdurchführung

Kind & Co.Edelstahlwerk KG
Bielsteiner Str. 128 - 130
51674 Wiehl

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Innovative Verfahren zur Umweltentlastung an industriellen Hochtemperatur-Prozessanlagen werden wei-terentwickelt und betrieblich erprobt. Die FuE-Arbeiten werden beispielhaft durchgeführt an Schmiedeöfen, die repräsentativ sind für zahlreiche Öfen im industriellen Einsatz. Ergebnisse und Wirkung dieser Verfahren sind Steigerung der Energieeffizienz, Senkung der Schadstofffreisetzung, Minimierung der Rohstoffeinsatzes sowie die Erprobung neuartiger, gering gesundheitsgefährdender keramischer Faser-dämmstoffe. Dieses soll erreicht werden durch:
· Senkung der Abgaswärmeverluste mittels neuartiger regenerativer Wärmetauscher
· Verbesserung und Vergleichmäßigung der Ofenatmosphäre durch schnelle Gas/Luft-Regelung
· Optimierung der Beheizungstechnik
· Senkung der Aufheiz- und Liegezeiten
· Verbesserung der Arbeitsplatzqualität


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt wurde in vier Phasen durchgeführt:
· Systematische Analyse der vorhandenen Daten über Industrieöfen und detaillierte Aufnahme des Ist-Zustandes an ausgewählten Öfen
· Entwicklung der Verfahren sowie theoretische Detailplanung und Ausarbeitung
· Experimentelle Untersuchungen und Optimierung der Verfahren
· Betriebliche Erprobung und Absicherung sowie Nutzbarmachung für weitere Industriebereiche
Die theoretischen Arbeiten wurden unterstützt durch Rechnungen mit Simulationsmodellen. Dieses wa-en sowohl eigene Modelle wie auch kommerzielle Tools. Diese Modelle betrafen Strömung, Verbrennung und Wärmeübertragung in den Öfen und am Nutzgut sowie an Brennern und Wärmetauschern. Weitere Modelle wurden genutzt, um metallurgische Vorgänge wie die Zunderbildung zu untersuchen. Die experimentellen Arbeiten wurden durchgeführt an Öfen und Feuerungsanlagen im Labor und im Technikum. An diesen Versuchsanlagen wurden die Feuerungs- und Beheizungsvorgänge unter betriebsnahen Bedingungen bei Temperaturwerten von bis zu 1300°C detailliert und systematisch untersucht. Die anschließende betriebliche Erprobung an den Ofenanlagen im Edelstahlwerk wurde begleitet mit aufwändiger messtechnischer Untersuchung, um auch hier sichere und umfangreiche Ergebnisse zu gewinnen. Diese sicheren Ergebnisse bilden die Basis für die Übertragung auf andere industrielle Prozessanlagen.


Ergebnisse und Diskussion

Basis für die Arbeiten war eine systematische Bestandsaufnahme mit Betriebsmessungen an ausgewählten Schmiedeöfen. Darauf aufbauend wurden verschiedene Verfahren für eine bessere Beheizungs- und Prozesstechnologie entwickelt und erprobt. Zur Minderung des Energiebedarfs und der CO2-Freisetzung wurden moderne Regenerativ-Brenner-Systeme für die Befeuerung von Schmiedeöfen entwickelt, experimentell untersucht und betrieblich erprobt. Damit ist eine wesentlich umfangreichere Abwärmenutzung als bisher möglich. Durch Einsatz thermischer Regeneratoren mit keramischen Wärmespeicherelementen zur Abgaswärme-Rückgewinnung lasen sich wesentlich höhere Vorwärmtemperaturen der Brennluft erreichen als mit den bisher an Schmiedeöfen eingesetzten Rekuperatoren. Umfangreiche Materialuntersuchungen wurden zuvor durchgeführt und ein schnelles Regelungssystem für diese Beheizung wurde entwickelt und eingesetzt. Bei hoher Wärmerückgewinnung und Brennlufttemperatur von bis zu 1000°C werden hier rund 27% Brennstoff im Vergleich zu anderen modernen Öfen eingespart. Die CO2-Freisetzung wird entsprechend vermindert.
Die Senkung des Rohmaterialeinsatzes wurde erreicht durch eine Verminderung der Hochtemperaturoxidation des Nutzgutes. Durch Senkung der Sauerstoffkonzentration bei der Nutzgutbeheizung wird die Hochtemperaturoxidation und Zunderbildung vermindert. Bei experimentellen Untersuchungen im Betrieb und begleitend im Labor wurden damit Einsparungen von rund 30% erreicht. Weitere Schwerpunkte waren der industrielle Einsatz und die betriebliche Erprobung von keramischen Faserdämmstoffen mit geringerer gesundheitsgefährdender Einstufung als die bisher eingesetzten Feuerfestzustellungen mit Fasermatten aus Aluminiumoxid und Siliziumoxid. Zur Senkung der Schadstofffreisetzung wurde durch moderne MSR-Technik die Ofenbeheizung energetisch und hinsichtlich des NOx-Ausstoßes optimiert. Zudem wurde ein Prozessmodell zur Liegezeitoptimierung von Nutzgut in Schmiedeöfen entwickelt, getestet und mit begleitender Messung der Nutzguterwärmung optimiert.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektergebnisse wurden u.a. mit Tagungsbeiträgen auf nachfolgend benannten Konferenzen veröf-fentlicht:
· R. Schmidt, W. Bender, S. W. Metz, Upgrading of forging furnaces, new technologies to reduce operating costs, material loss and environmental pollution, IFM-Conference 2000, Wiesbaden, Germany.
· R. Schmidt, G. Winning, O. Hatzfeld, W. Bender, H. Rinnhofer , E. Tschapowetz, Improved heating process and reduced energy consumption in a forging furnace, IFM-Conference 2003, Kobe, Japan.


Fazit

Die angestrebten Ziele des Forschungsvorhabens wurden erreicht. Die Arbeiten wurden mit guten Ergebnissen durchgeführt und abgeschlossen. Durch die Weiterentwicklung und die Betriebseinführung von innovativen Verfahren zur Beheizung und Prozessführung von Schmiedeöfen wurde eine deutliche Umweltentlastung erreicht. Einsparpotentiale von bis zu 30% bei Brennstoffbedarf, CO2-Freisetzung und Rohmaterialeinsatz wurden identifiziert, Verfahren zur Nutzung entwickelt, erprobt und sodann diese Ein-sparungen im Betrieb realisiert. Die Übertragung dieser Technologien auf Industrieöfen auch in anderen Bereichen wurde aufgezeigt.