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Ressourceneffizienzsteigerung durch experimentelle Optimierung von Wärmebehandlungsprozessen der metallverarbeitenden Industrie

Die Optimierung des Energieeinsatzes bei der Herstellung von ölschlussvergütetem Draht soll durch experimentelle Untersuchungen der Möglichkeiten der Abwärmenutzung der Öfen und durch bessere Wärmedämmung an den Bädern sowie der Untersuchung von Möglichkeiten Blei aus dem Anthrazit auszuscheiden erfolgen.

Kurzbeschreibung

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Die Joh. Pengg AG mit Sitz in Thörl in der Steiermark hat sich auf die Herstellung von ölschlussvergüteten Drähten für die Automobil-, Elektro- und Maschinenbauindustrie spezialisiert. Die Herstellung dieser Drähte ist ein energieintensiver Prozess mit prozessbedingten Erwärmungs- und Abkühlungsvorgängen sowie Verformungsschritten. Eine effizientere Nutzung der eingesetzten Energie sowie eine kostengünstigere Entsorgung von Produktionsabfällen ist von erheblicher wirtschaftlicher und ökologischer Bedeutung. Wichtige Beispiele dafür sind die Abwärmenutzung der Öfen, die Wärmedämmung der Bleibäder und die betriebsinterne Verwertung bzw. Entsorgung von bleihältigem Anthrazit. Ziel dieses Projektes war es daher, die technischen Möglichkeiten und Potentiale der

  • Abwärmenutzung der Öfen, der
  • Wärmedämmung der Bleibäder und der
  • Verwertung des bleihältigen Anthrazits

experimentell und rechnerisch zu untersuchen. Diese Untersuchungen wurden, soweit produktionsbedingt möglich, and der Anlage Patentieren IV durchgeführt. Die Ergebnisse sind auch auf andere Anlagen der Fa. Joh. Pengg AG bzw. andere Betriebe übertragbar.

Abwärmenutzung der Öfen

Zur Berechnung von Abwärmepotentialen erdgasbefeuerter Verbrennungsanlagen wurde das Rechenmodell "RM_Abwärme.xls" erstellt. Eine beispielhafte Berechnung für die Anlage Patentieren IV ist in Abbildung I dargestellt.

Abbildung I: Rechenbeispiel für das Abwärmepotential des Ofens der Anlage Patentieren IV berechnet mit dem Rechenmodell "RM_Abwärme.xls"

EINGABEDATEN Eingabezellen
(1) Betriebsstunden pro Jahr (h/a) 8.000
(2) Erdgasverbrauch (mN³/h) 50,0
(3) Sauerstoffgehalt des trockenen Verbrennungsgases (v%) 17,0
(4) Verbrennungsgastemperatur t_vor_WT (°C) 193
(5) Verbrennungsgastemperatur t_nach_WT (°C) 100
RECHENERGEBNISSE
(6) nutzbare Abwärmeleistung (kW) bei Abkühlung von t_vor_WT auf t_nach_WT 88,9
(7) nutzbare Abwärmemenge pro Jahr (MWh/a) bei Abkühlung von t_vor_WT auf t_nach_WT 711,2
(8) Verbrennungsgas-Massenstrom (kg/s) 0,895
(9) Verbrennungsgas-Normdichte (kg/mN³) 1,28
Brennstoff: Erdgas
Messstelle 2 - Kamin

Damit werden die Abwärmeverluste sowie die zur Auslegung von Wärmetauschern wichtigen Parameter mittels weniger Eingabewerte berechnet. Zur Ermittlung des Abwärmepotentials der Anlage Patentieren IV wurden an zwei verschieden Stellen (Messstellen) entlang des Verbrennungsgasweges Messungen der Temperatur und des Sauerstoffgehaltes des Verbrennungsgases durchgeführt. Die Messstelle 1 lag unmittelbar nach dem Ofen im Verbrennungsgas-Sammelrohr, Messstelle 2 befand sich im vom Ofen druckentkoppelten Kamin. Das aufgrund dieser Messungen ermittelte Abwärmepotential ist in Diagramm I dargestellt.

Durch Abkühlung des Verbrennungsgases mittels eines Wärmetauschers auf z.B. 100 °C können demnach zwischen ca. 90 und 125 kW Abwärme genutzt werden. Diese Abwärme könnte beispielsweise zur Erwärmung wässriger Bäder der Anlage Patentieren IV genutzt werden.

Wärmedämmung der Bleibäder

Zur Berechnung der Wärmeverluste der Bleibäder über die Oberfläche durch Konvektion und Strahlung wurde das Rechenmodell "RM_Wärmeverluste.xls" erstellt, welches auch die erforderlichen Dämmstärken zur Verminderung der Wärmeverluste berechnet. Ein Rechenbeispiel dazu ist in Abbildung II dargestellt.

Abbildung II: Rechenbeispiel zur Ermittlung der Wärmeverluste beim Ist-Zustand und für drei Varianten einer verbesserten Wärmedämmung der Bleibäder der Anlage Patentieren I berechnet mit dem Rechenmodell "RM_Wärmeverluste.xls"

EINGABEDATEN Eingabezellen
(1) Umgebungstemperatur (°C) 30
(2) Betriebsstunden pro Jahr (h/a) 8000
 
Ist-Zustand:
Dämmung mit Anthrazit (Dicke: 10 mm) Bleibad links Bleibad rechts
(3) Bleibadtemperatur (°C) 534 528
(4) Länge (m) 3,88 3,88
(5) Breite (m) 0,43 0,43
(6) Emissionsgrad der Oberfläche 0,9 0,9
(7) Oberflächentemperatur t_ist (°C) 220 293
   
Variante 1:
Zusätzliche Dämmung mit Anthrazit Bleibad links Bleibad rechts
(8) Emissionsgrad der Oberfläche 0,9 0,9
(9) Oberflächentemperatur t_soll (°C) 95 95
   
Variante 2:
Dämmung mit Steinwolle Bleibad links Bleibad rechts
(10) Emissionsgrad der Oberfläche 0,9 0,9
(11) Oberflächentemperatur t_soll (°C) 95 95
 
Variante 3:
Dämmung mit anderem Dämmmaterial Bleibad links Bleibad rechts
(12) Wärmeleitfähigkeit_Dämmmaterial (W/m*K) 0,15 0,15
(13) Emissionsgrad der Oberfläche 0,9 0,9
(14) Oberflächentemperatur t_soll (°C) 95 95

 

RECHENERGEBNISSE
 
Ist-Zustand
 
Bleibad li.
 
Bleibad re.
 
Gesamt

(15) Wärmeverluste (kW) 7,18 12,29 19,47
(16) Wärmeverluste (MWh/a) 57,4 98,35 155,75
 
Variante 1
Bleibad li. Bleibad re. Gesamt delta zu Ist
(17) Anthrazitdicke (mm) 90 85

(18) Wärmeverluste (kW) 1,58 1,58 3,15 -84,00%
(19) Wärmeverluste (MWh/a) 12,6 12,6 25,19 -84,00%
   
Variante 2
 
Bleibad li.
 
Bleibad re.
 
Gesamt
 
delta zu Ist
(20) Steinwolledicke (mm) 46 45

(21) Wärmeverluste (kW) 1,58 1,58 3,15 -84,00%
(22) Wärmeverluste (MWh/a) 12,6 12,6 25,19 -84,00%
 
Variante 3
 
Bleibad li.
 
Bleibad re.
 
Gesamt
 
delta zu Ist
(23) Dämmdicke (mm) 69 68

(24) Wärmeverluste (kW) 1,58 1,58 3,15 -84,00%
(25) Wärmeverluste (MWh/a) 12,6 12,6 25,19 -84,00%

Dieses Rechenmodell wurde anhand experimenteller Untersuchungen, welche in Abbildung III dargestellt sind, verifiziert. Es wurden dabei auf beiden Bleibädern der Anlage Patentieren I verschiedene Dämmmaterialien aufgebracht. Am linken Bleibad wurden Steinwolle-Dämmplatten in verschiedenen Stärken, am rechten Bleibad Anthrazit in unterschiedlichen Schütthöhen verwendet. Beide Dämmmaterialien wurden stufenförmig aufgebracht und die Oberflächentemperaturen auf allen Stufen gemessen und mit den Rechenergebnissen verglichen. Dieser Vergleich ist in Diagramm II graphisch dargestellt.

Wie ersichtlich stimmen die berechneten Werte gut mit den gemessenen Werten überein.

Somit können mit dem Rechenmodell zuverlässige Berechnungen der Wärmeverluste und der Ressourceneffizienzsteigerung durch experimentelle Optimierung von Wärmebehandlungsprozessen der metallverarbeitenden Industrie erforderlichen Dämmstärken verschiedener Dämmmaterialien zur Dämmung von heißen Bädern durchgeführt werden. Wie das angeführte Beispiel zeigt (siehe Abbildung II) könnten durch Aufbringung einer Anthrazitschicht mit einer Dicke von ca. 90 mm die Wärmeverluste durch Konvektion und Strahlung um mehr als ca. 80% vermindert werden. Zu beachten ist dabei allerdings, dass eine Wärmedämmung nur soweit möglich ist, bis der Wärmeeintrag der ca. 950 °C heißen Drähte geringer als die gesamten Wärmeverluste der Bleibäder sind. Wäre dies nicht der Fall, würde die Temperatur des Bleibades ansteigen, was aus prozessbedingten Gründen aber nicht erlaubt ist.

Verwertung von bleihältigem Anthrazit

Das zur Abdeckung der Bleibäder verwendete Anthrazit wird im Laufe der Zeit "verbraucht" und mit Blei angereichert. Um es dennoch energetisch nutzen zu können und somit Energieund Entsorgungskosten zu sparen, müsste vor der Verbrennung das Blei aus dem Anthrazit entfernt werden. Es konnte jedoch kein praktisch einsetzbares Verfahren zur Abscheidung des Bleis aus dem Anthrazit gefunden werden. Es wurde aber eine Möglichkeit der Entsorgung des bleihältigen Anthrazits durch die Montanwerke Brixlegg AG gefunden, durch welche bis zu 70% der derzeitigen Entsorgungskosten eingespart werden könnten.

Publikationen

Ressourceneffizienzsteigerung in der metallverarbeitenden Industrie

Experimentelle Optimierung von Wärmebehandlungsprozessen
Schriftenreihe 09/2005 R. Stiglbrunner, Ch. Aschacher, P. Enzinger, R. Padinger, J. Spitzer
Deutsch, 85 Seiten, vergriffen

Downloads zur Publikation

Projektbeteiligte

Projektleiter (Kontaktadresse):

Dipl.-Ing. Dr. Rudolf Stiglbrunner
JOANNEUM RESEARCH
Institut für Energieforschung
Elisabethstraße 5, A-8010 Graz
Tel.: +43 (0)316 876-1366
Fax: +43 (0)316 876-1320
E-Mail: rudolf.stiglbrunner@joanneum.at
Internet: http://www.joanneum.at/ief/

Institut:

JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH
Institut für Energieforschung
Steyrergasse 17, A-8010 Graz
Tel.: +43 (0)316 876-1338
Fax: +43 (0)316 876-1320
Internet: http://www.joanneum.at/

Kooperationspartner:

Joh. Pengg AG
A-8621 Thörl
Tel.: +43 (0)3861 5090-0
Fax: +43 (0)3861 2318
Internet: http://www.wire-pengg.com/

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