RADREC – Energieeffizienzsteigerung in der stahlverarbeitenden Industrie durch Rückgewinnung von Strahlungswärme an der Hakenbahn und an Kühlbetten

Ziel des Projektes RADREC ist es, Konzepte zur Rückgewinnung von Strahlungswärme während der Produktkühlung in drei österreichischen stahlverarbeitenden Unternehmen (Rohr-, Draht- und Baustahlwerk) zu erarbeiten, um den Primärenergieeinsatz deutlich zu reduzieren. In der österreichischen stahlverarbeitenden Industrie werden jährlich ca. 32.239.489 GJ Öl, 46.675.484 GJ Erdgas und 0,93 GJ Strom eingesetzt. Vorstudien haben gezeigt, dass in den betrachteten Unternehmen theoretisch alle Nebenprozesse (Hallenheizung, Beize, Ölvorwärmung usw.) aus der Abwärme, welche bei der Produktkühlung an Kühlbetten und Hakenbahn entsteht, beheizt werden können. Die Wärmeströme beinhalten 30 – 50 % der in den Öfen (Drehherd- und Hubbalkenofen) dieser Unternehmen eingesetzten Primärenergiemengen. Diese Energie wird derzeit in Form von Strahlungswärme und warmer Luft an die Umgebung ungenutzt abgegeben. Verfahren zur Nutzung der bei der Produktkühlung entstehenden Strahlungswärme werden derzeit in der österreichischen stahlverarbeitenden Industrie und auch international nicht eingesetzt. In der technischen Fachliteratur werden Ansätze zur Nutzung dieser Wärmeströme seit ca. 1980 nur selten beschrieben. Bestehende Patente zur Wärmerückgewinnung an Kühlbetten sind in den betrachteten Unternehmen aufgrund dessen, dass die vorgeschlagenen technischen Lösungen nicht den unternehmensspezifischen Rahmenbedingungen (Produktionsprogramm, Sicherheit, Wartungsfreundlichkeit) entsprechen, nicht praktikabel. Im Projekt RADREC wird das praktisch realisierbare Wärmerückgewinnungspotenzial in zwei stahl-verarbeitenden Unternehmen experimentell mit Hilfe einer Versuchsanlage ermittelt. Basierend auf diesen Versuchsergebnissen wird ein Rechenmodell ermittelt, um eine Übertragbarkeit auf andere Unternehmen gewährleisten zu können. Für die Wärmerückge-winnung wird ein Konzept entwickelt, welches die technische Lösung für die Rückgewinnung von Strahlungswärme und die Einbindung der rückgewonnen Energie in das unternehmens-spezifische Energieversorgungssystem beinhalten. Im Rahmen von RADREC werden das entwickelte Rechenmodell und die technische Lösung für die Rückgewinnung von Strahlungswärme am Kühlbett eines weiteren stahlverarbeiten-den Unternehmens erprobt und ggf. an die spezifischen Rahmenbedingungen angepasst. Abschließendes Ziel ist es, die entwickelten technischen Konzepte einer Wirtschaftlichkeits-berechnung, unter Berücksichtigung von Energiepreisentwicklungen und der Entwicklung des CO2-Emissionshandels zu unterziehen.

Ausgangssituation

In den betrachteten Unternehmen der stahlverarbeitenden Industrie (voestalpine Austria Draht GmbH, voestalpine Tubulars GmbH & Co KG) tritt im Verlauf des Produktionsprozesses Strahlungswärme auf. Diese Energie wird ungenutzt an die Umgebung (Produktionshalle) abgegeben und führt zu einer Verschlechterung der Arbeitsbedingungen für die in diesem Bereich beschäftigten Mitarbeiter, vor allem im Sommer. Eine Rückgewinnung dieser Energie würde den Primär­energieeinsatz der Unternehmen deutlich reduzieren und gleichzeitig die Arbeitsbedingungen verbessern.

Die Strahlungswärme tritt in folgenden Bereichen auf:

–         voestalpine Austria Draht GmbH: Drahtbundkühlung entlang der Hakenbahn

–         voestalpine Tubulars GmbH & Co KG: Kühlbett zur Abkühlung der Nahtlosrohre am Ende des Produktionsprozesses (Walzen) und im Anschluss an die Wärmebehandlung

voestalpine Austria Draht GmbH: Ein hoher Anteil der im Erwärmungsofen (Hubbalkenofen) eingebrachten Energie ist im Walzgut enthalten. Die gewalzten Drahtbunde verlassen die Bundbildekammer mit einer Temperatur von 600 bis 700 °C. In weiterer Folge werden die Drahtbunde nach Verlassen der Bundbildekammer an Bundtransporteinrichtungen übergeben. An der Hakenbahn werden die Drahtbunde ohne Wärmerückgewinnung an der Umgebungsluft ausgekühlt. Zur zumindest teilweisen Rückgewinnung der in den Drahtbunden gespeicherten Energie bietet sich eine Energierückgewinnung entlang der Hakenbahn an. Zur Wärmerückgewinnung sollen die Drahtbunde durch eine mit Wärmetauscherflächen ausgestattete Hakenbahn geführt werden, in der die Bundwärme durch Strahlung an die Wärmetauscherflächen übertragen wird.

voestalpine Tubulars GmbH & Co KG: Am Kühlbett wird dem Endprodukt jene Energie wieder entzogen, welche dem Vormaterial zunächst zugeführt wurde, um eine Umformung und Bearbeitung möglich zu machen. Für die Abkühlung des Endprodukts von ca. 1.000 bis 600 °C auf Umgebungstemperatur wird ein Luftstrom eingesetzt, der durch Gebläse erzeugt wird. Zu diesem Zweck befinden sich derzeit 10 Gebläse unter dem Kühlbett mit einem Luftdurchsatz von jeweils ca. 20.000 m³/h. Direkt über dem Kühlbett befinden sich zwei mal acht Dachventilatoren, wobei die Lufttemperatur in diesem Bereich ca. 50 bis 60 °C beträgt. Direkt am Kühlbett beträgt die Temperatur etwa 800 °C. So wird die Wärme nicht nur direkt an die Umgebung abgeführt, es werden zusätzlich noch große Energiemengen für Gebläse eingesetzt.

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt erfolgt in diesen Bereichen des Produktionsprozesses keine Wärmerückgewinnung, da die Temperaturen in Abhängigkeit vom Produktprogramm schwanken, unterschiedliche Wärmestromdichten auftreten und mögliche auftretende Risiken aufgrund der relativ hohen Produkttemperaturen und möglichen mechanischen Störungen bisher nicht untersucht wurden.