BINEI n f o r m a t i o n s d i e n s t

� Drehregeneratoren jetzt auch für Prozesseoberhalb 1.000°C verfügbar

� Kontinuierlicher Betrieb verbessert Prozess-anbindung

� Erdgasverbrauch kann nahezu halbiertwerden

� Verfahren ist für Hochtemperatur-Prozess-feuerung wirtschaftlich

kontinuierlich arbeitendes Drehregenerator-Brenner-System (DREBS)

bis zur Betriebsreife. Der DREBS wurde gemeinsam mit Krupp

Edelstahlprofile zum Betriebseinsatz gebracht. Das System basiert

auf dem Prinzip des Ljungström-Wärmetauschers. Dieser wurde

bisher nur für deutlich niedrigere Temperaturen z. B. in der Klima-

technik und in Kraftwerken verwendet. Der neu entwickelte Wärme-

tauscher eignet sich durch die Verknüpfung von bewährten Verfahren

mit moderner Technik und geeigneten Materialien für Vorwärm-

temperaturen bis zu ca. 1.200°C. Gegenüber konventionellen Feuer-

ungssystemen ohne Wärmetauscher erhöhte sich die Energieeffizienz

deutlich. Zudem konnten auch die feuerungstechnischen Eigen-

schaften optimiert werden. Damit ist die Verwendung in zahlreichen

industriellen Prozessen der Stahl- und NE-Metallindustrie, der Chemie

und Petrochemie sowie der Keramikindustrie möglich. Das Vorhaben

wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA)

gefördert.

I n den Prozessanlagen der Eisen- und Stahlindustrie wird die

Energie überwiegend zur Erzeugung hoher Temperaturen zwischen

1.200 und 1.600°C benötigt. Der hohe Energiebedarf kann

durch entsprechende Maßnahmen deutlich gesenkt werden. Eine

entsprechende Maßnahme ist z. B. die Nutzung der Wärme der

Abgase zur Vorwärmung der Brennluft. In vielen Prozessen werden

hierfür Rekuperatoren eingesetzt, die sich allerdings nur für eine

Luftvorwärmung bis 600°C eignen. Mit Regeneratoren werden

hingegen Brennlufttemperaturen über 1.000°C erreicht. Die bisher

verfügbaren Regenerator-Brenner-Systeme eignen sich jedoch wegen

der diskontinuierlichen Betriebsweise nicht für Prozesse, bei denen

eine hohe Gleichmäßigkeit der Temperatur gefordert wird. Auch

aufgrund des erhöhten Wartungs- und Reinigungsbedarfes konnten

sich solche Systeme in Deutschland noch nicht durchsetzen.

In einem Forschungsvorhaben entwickelte das Betriebsforschungs-

institut (BFI) gemeinsam mit der Rothemühle GmbH ein neuartiges

Pfannenfeuer mit Drehregenerator-Brenner-System in einem Stahlwerk.

Wärmerückgewinnung bei Hochtemperatur-Prozessen

Abb 1

DES

IGN

WO

RKS,

Bon

nProjekt 0304 07.06.2004 10:44 Uhr Seite 2

Drehregeneratoren werden bisher haupt-sächlich für den Wärmeaustausch in niedrigenund mittleren Temperaturbereichen einge-setzt. Schwerpunkte sind die Raumlufttechniksowie die Vorwärmung und Abkühlunggroßer Volumenströme im Kraftwerksbe-reich, aber auch die Brennmedienvorwär-mung in Winderhitzeranlagen.Das Prinzip eines Regenerators mit drehen-der Speichermasse zeigt Abb 5: Der Rotorwird auf der einen Seite vom heißen Abgasdurchströmt, auf der anderen Seite im Gegen-strom von der kalten Brennluft. Durch dieDrehung des Rotors geraten die vom Abgaserhitzten Speichermassen in den Strömungs-bereich der Brennluft und erwärmen diese.Die weitere Drehung – je nach Einsatzfallliegt die Drehzahl zwischen 0,75 bis 1,5 proMinute – führt die abgekühlte Speichermassezurück auf die Abgasseite. Trag- und Füh-rungslager liegen außerhalb des Gehäuses. Das Aufheizen der Brennluft und das Ab-kühlen des Abgases erfolgt also gleichzeitigund ohne Unterbrechung der Stoffströme.Das Speichermaterial durchläuft dabei kon-tinuierlich die Warm- und Kaltperioden.

Wichtig für die Konstruktion eines Drehre-generators ist es, Leckageströme zwischenden beiden beteiligten Medien zu minimie-ren. Spaltleckageströme hängen von derGüte des Abdichtsystems sowie von derTemperatur und der Druckdifferenz derMedien ab. Hinzu kommen Schleuslecka-geströme, also Gasvolumina, die in denStrömungskanälen des drehenden Regene-rators mitgeführt werden. Diese werdenvon der Drehzahl und vom Bauvolumen be-einflusst. Beide Leckageströme könnendurch spezielle Sperr- und Spülgaseinrich-tungen stark vermindert werden.

Drehregenerator für Hochtem-peratur-ProzesseIn dem Forschungsvorhaben wurde ein neu-er Drehregenerator für Temperaturen bis1.200°C entwickelt und bis zur Anwen-dungsreife optimiert. Der Drehregeneratorwurde mit einem Brenner für hoch vorge-wärmte Brennluft zu einem Gesamtsystemverbunden. Das Gesamtsystem soll als be-triebstaugliche Anlage in den Markt einge-führt werden.

Die Betriebstemperaturen reichen auf deroberen, heißen Seite des Regenerators bis über 1.200°C . Deshalb dämmt einefeuerfeste Auskleidung die metallischenGehäuse- und Kanalteile. Mechanischbesonders beanspruchte Komponenten, wieLagerung und Antrieb müssen vor zu hoherthermischer Belastung geschützt werden.Aus diesem Grunde wurde der rotierendeSpeichermassenträger als ein fliegendgelagerter Drehteller ausgeführt, dessenZapfen unten an der kalten Seite außerhalbdes Wärmetauschergehäuses gelagert ist.Als Speichermasse werden keramischeWabenkörper verwendet, die in ihrerGeometrie eine verhältnismäßig große

� Drehregeneratoren

� Vorwärmung der Brennluft – Stand der Technik

Für die Vorwärmung von Brennluft mit Ab-gasen kommen im wesentlichen zwei Tech-nologien – Rekuperatoren und Regenerato-ren – zum Einsatz.2:

Der Einsatz eines Rekuperators an einerThermoprozessanlage ist schematisch inAbb 2 dargestellt. Das Abgas aus derProzessanlage strömt durch den separatangeordneten Rekuperator, dort wird imGegenstrom die Brennluft erwärmt. DieBrennluft kann mit Rekuperatoren auf rd.600°C vorgewärmt werden. Aus Sicher-heitsgründen wird die Temperatur aber oftauf 400°C begrenzt – häufig wird dem Ab-gas sogar zusätzliche Kühlluft beigemischt,um Schäden am Rekuperator zu vermeiden.Hierdurch wird ein Großteil der Abgas-wärme nicht genutzt. Mit Regeneratoren (Abb 3) kann die Brenn-luft hingegen auf über 1.000°C erwärmt wer-

den. Entsprechend geringer sind die Abgas-verluste (Abb 4). Regeneratorbrenner wurdenAnfang der 80er Jahre in Großbritannienentwickelt und auch vorwiegend dort undin den USA eingesetzt. Bei der regenerativenWärmerückgewinnung erfolgt die Wärme-übertragung auf die Brennluft durchZwischenspeicherung in einer Speichermasse.Bei den bisher üblichen Regeneratorbrennernwerden mehrere Speicher alternierend ther-misch be- und entladen. Die daraus resultie-renden Nachteile haben dazu geführt, dasssich Regeneratorbrenner in Deutschlandnoch nicht durchsetzen konnten:� Die zyklische Umschaltung der Regenera-

toren bewirkt Temperaturschwankungender Brennluft und der Flamme, die sichauf den Ofenraum und das Wärmgutübertragen können.

� Die Doppelfunktion des Regenerator-brenners als Brennerkopf und Abgaswegerschwert den Einsatz der neuestenEntwicklungen aus der Brennertechnikzur NOx-Minderung. Dies ist gerade beider durch die hohe Brennlufttemperaturverstärkten thermischen NOx-Bildungvon Nachteil.

Drehregeneratoren weisen diese Nachteilenicht auf. Sie arbeiten kontinuierlich undhaben eine konstante Brennlufttemperatur.In dem Forschungsvorhaben wurde das

Prinzip der Drehregeneratoren erstmals fürdie Verwendung bei Hochtemperatur-Pro-zessen speziell in der Stahlindustrie genutzt.

Ofentür Abgas

Brennluft

BrennerRegenerator

Abb 3: Thermoprozessanlage mit Regenerator

00

20

40

60

80

100

400 800 1200 1600

Abgasv

erlu

st in

%

Abgastemperatur in °C

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,0

BrennluftvorwärmungWirkungsgrad

ohneWärmerückgewinnung

Wärmerückgewinnungmit Rekuperator

Wärmerückgewinnungmit Regenerator

Erdgas Hλ=1,1Tad= 1.854°C

Abb 4: Abgasverluste bei Hochtemperatur-Prozessfeuerungen

Brennluft

Abgas

Abgas-kühlung

Brenner

Ofentür

Abb 2: Thermoprozessanlage mit Rekuperator

Abgas heiß

Abgas kaltBrennluft kalt

Brennluft heiß

Rotor

wärme-speicherndesMaterial

Abb 5: Prinzip eines Drehregenerators

2 BINE projektinfo 03/04

Projekt 0304 07.06.2004 10:44 Uhr Seite 3

� Erprobung an einem Heizstand für Stahl-Pfannen

BINE projektinfo 03/04 3

spezifische Oberfläche besitzen. Diese sindhochtemperaturbeständig bis rd. 1.500°C.Zur Erhöhung des Wirkungsgrades wurdenim unteren Teil des Regenerators, in demmaximal 600°C erreicht werden, metalli-sche Speichermassen eingesetzt, die einenahezu doppelte spezifische Oberflächeerreichen. Die Gesamtbaugröße der DREBS-Speichermasse konnte so um ca. 20% redu-ziert werden.

Eigenschaften und StandfestigkeitDie wärme- und verbrennungstechnischenDaten eines DREBS-Prototypen wurden aneiner Brennerversuchsanlage des BFI ermittelt.Die Anlage kann mit Erdgas, Koksofengasund Hochofengichtgas sowie mit Mischun-gen dieser Gase befeuert werden. Die maxi-male Feuerungsleistung beträgt 5 MW. Während des mehrwöchigen Versuchsbe-triebes traten keine größeren Probleme auf,

obwohl der Drehregenerator mit täglichemAb- und Anfahren hohen Belastungen aus-gesetzt war. Auch die thermisch hochbe-lasteten Wabenkörper waren nach derTestphase in einem zufriedenstellendenZustand. Bei den Versuchen mit den ver-schiedenen hüttentechnischen Brenngasentraten keine Probleme auf. Der DREBSkann also an multivalenten Prozessfeuerun-gen eingesetzt werden.

Nach den Untersuchungen am Teststand folg-te die betriebliche Erprobung des Drehrege-nerator-Brenner-Systems in einem Elektro-Stahlwerk. Das DREBS dient als Ersatz fürein konventionelles Pfannenfeuer zur Vor-heizung von Gieß- und Transportpfannen.Es zeigt sich dem rauen Betrieb im Stahlwerkgewachsen. Die Bedienung des Systems wirdvon den Stahlwerksmitarbeitern gut bewertet.Ziel war die Senkung des Erdgasverbrauchsbei gleichzeitiger Verbesserung der Erwär-mungsqualität der Pfannen. Typische Erdgas-Anschlusswerte für Pfannen dieser Größeliegen bei 200 - 300 m 3 /h. Mit dem Dreh-regeneratorbrenner sank der Anschlusswertfür Volllast auf unter 140 m 3 /h.Ein wichtiges Kriterium bei der Pfannenbe-heizung ist die Temperaturgleichmäßigkeitder Pfanne, bevor sie mit flüssigem Stahl be-

füllt wird. Abb 6 zeigt thermografische Auf-nahmen von Pfannen, die an einem konven-tionellen Pfannenfeuer und am Pfannen-feuer mit DREBS aufgeheizt wurden. DieAufnahmen belegen nicht nur eine insge-samt höhere Temperatur der DREBS-be-heizten Pfanne, sondern auch eine gleich-mäßigere Temperaturverteilung als bei derkonventionell befeuerten Pfanne.Ein weiterer Vorteil des DREBS-Pfannen-feuers ist die höhere Aufheizgeschwindig-keit aufgrund der besseren Strömungsfüh-rung in der Pfanne und durch die höhereGeschwindigkeit der Flammengase.

Wirtschaftlichkeit und CO2-BilanzIn Abb 6 ist der Erdgasverbrauch für einkonventionelles Pfannenfeuer und eines mitDREBS dargestellt. Folgende Annahmen

liegen zugrunde:� 150 t-Pfanne� 340 Betriebstage pro Jahr� 80% Auslastung� gleiche Anzahl Pfannenumläufe

Durch den Einsatz des DREBS kann derErdgasverbrauch um. ca. 650.000 m3 proJahr gesenkt werden, die Verminderung derCO2-Emission liegt bei ca. 1.200 t/a. Bei einer angenommenen Laufzeit von 6 Jah-ren werden durch einen DREBS ca. 7.200 tCO2 vermieden. Die Investitionskosten be-tragen für das Pfannenfeuer rund 150.000 €.Die spezifischen CO2-Minderungskostenliegen für den Einsatzfall Pfannenfeuer somitbei rund 21 €/t CO2. Bei einer längerenNutzungsdauer für den DREBS werden dieseKosten entsprechend geringer ausfallen.

Pfanne

Erdgas

Brennluft, kalt

Abgas, heiß

Brenn-luft,heiß

Pfanne

DREBS

Brennluft, kalt Abgas, kalt0500000

500000

966

m3 N

1.7

50 m

3 N

Erdgasverbrauch je Aufheizvogang

Für Temperaturen bis etwa 1.000°C stellenandere Wärmetauscher wie z. B. Rekupe-ratoren meist die kostengünstigere Lösungdar. Bei höheren Prozesstemperaturen istder Einsatz von Drehregenerator-Brenner-Systemen wirtschaftlich. Damit eröffnensich u. a. folgende Einsatzgebiete: Wärme-und Behandlungsöfen für Eisen und Stahl,Schmelzöfen für Aluminium oder Glas undBrennöfen für Keramik (Abb 7). Auch andiesen Anlagen ist mit einer Energieeinspa-rung von bis zu 45% zu rechnen.

� Weitere Einsatzmöglichkeiten

1600140012001000800600400200

0

Proz

esste

mpe

ratu

r in

°C

DiffusionsglühenNormalglühen

WeichglühenHochglühen

Erwärmenzum Härten

Brennen

Schmelzen

Warmumformen

Rekristallisations-glühen

Warmumformen

Stahl Kupfer

Mes

sing

Alu

min

ium

Kera

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Abb 7: Einsatzgebiete für DREBS

N

N

Abb 6: links: konv. Pfannenfeuer, rechts: Pfannenfeuer mit DREBS, Temperaturverteilung und Erdgasverbrauch

Projekt 0304 07.06.2004 10:45 Uhr Seite 4

PROJEKTADRESSEN�

• Betriebsforschungsinstitut VDEh-Institut für Angewandte ForschungGmbHDipl.-Ing. Wolfgang BenderSohnstr. 65 40237 Düsseldorf

• Balcke-Dürr Rothemühle GmbHWildenburger Str. 157482 Wenden-Rothemühle

� ERGÄNZENDE INFORMATIONEN

Literatur

• Bender, W.; Sucker, D.; Niggeschmidt, W.:Neuartiges thermisches Drehregenerator-Brenner-System zur besseren Energieaus-nutzung in Hochtemperatur-Prozeßfeuer-ungen. VDI-Berichte 1629, 20. DeutscherFlammentag 2001.

• Bender, W.; Metz, S.; Rossenbach, A.; Nig-geschmidt, W.: Verbesserung der Energieaus-nutzung in Hochtemperatur-Prozeßfeuerun-gen durch Industrieeinsatz eines neuartigenNOx-armen Drehregenerator-Brenner-Systemsmit Salzkeramikspeichermassen.

• Schlußbericht zum Forschungsvorhaben0326970, 2000. Hrsg.: Betriebsforschungs-institut VDEh-Institut für angewandte For-schung GmbH, Düsseldorf. Erhältlich beiTIB Hannover (5.45.046)

Internet

• Informationen zum BFI sowie weiterePublikationen unter www.bfi.de

Service

• Ergänzende Informationen wie Literatur,Adressen und Internet-Links sind bei BINEerhältlich oder im Internet unterwww.bine.info „Service/Infoplus“ abrufbar.

PROJEKTORGANISATION

� FörderungBundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA)11019 Berlin

Projektträger Jülich (PTJ) des BMWA Forschungszentrum Jülich GmbHDr. Claus Börner54425 Jülich

� Förderkennzeichen0326970A, B

IMPRESSUM

� ISSN0937 – 8367

� HerausgeberFachinformationszentrum Karlsruhe, Gesellschaft für wissenschaftlich-technische Information mbH 76344 Eggenstein-Leopoldshafen

� NachdruckNachdruck des Textes nur zulässig bei vollständiger Quellenangabe und gegen Zusendung eines Belegexemplares; Nachdruck der Abbildungen nur mit Zustimmung der jeweils Berechtigten.

� AutorDr. Franz Meyer

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BINEI n f o r m a t i o n s d i e n s tFachinformationszentrum KarlsruheBüro BonnMechenstraße 57, 53129 Bonn

Fon: 0228 / 9 23 79-0Fax: 0228 / 9 23 79-29

E-Mail: bine@fiz-karlsruhe.deInternet: www.bine.info

BINE informiert zu Energieeffizienz-technologien und erneuerbaren Energien:

In kostenfreien Broschüren, unterwww.bine.info und per Newsletter zeigtBINE, wie sich gute Forschungsideen inder Praxis bewähren.

BINE ist ein vom Bundesministerium fürWirtschaft und Arbeit geförderter Infor-mationsdienst.

Kontakt:Fragen zu diesem projektinfo?Wir helfen Ihnen weiter – wählen Siedie BINE Experten-Hotline:

Tel. 0228 / 9 23 79 - 44

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BINE InformationsdienstKompetenz in Energie

� Fazit

In industriellen Prozessanlagen sind der störungsfreie Betrieb, eine hohe Standfestig-keit, die Produktqualität und ein möglichst großer Durchsatz von zentraler Bedeutungfür den Betreiber. In der bisherigen Praxis musste die Energieeffizienz oft hinter dieseZiele zurücktreten. Seit einigen Jahren rücken in Unternehmen die Energiekostenwieder stärker in den Blickpunkt. Bei Umbaumaßnahmen und Neuinvestitionen werdenMaßnahmen zur Energieeinsparung nur dann berücksichtigt werden, wenn die Produkt-qualität und die Produktionsbedingungen darunter nicht leiden.Das in dem Forschungsvorhaben entwickelte Drehregenerator-Brenner-System(DREBS) für Hochtemperaturanwendungen vereinigt die Ziele Energieeinsparungund Prozessoptimierung. Durch die Rückführung der Abgasenergie in den Produk-tionsprozess werden sowohl der Energieeinsatz als auch die freigesetzten CO2-Mengengesenkt. Besonders bei sehr hohen Prozesstemperaturen über 1.000°C können bis zu50% des Brennstoffes eingespart werden. Bei der Erprobung des Drehregenerator-Brenner-Systems an dem neuen Pfannenfeuerwurde eine Senkung des Erdgasverbrauchs um 45% erreicht. Gleichzeitig werden dieAufheizzeiten gegenüber einem konventionellen Brenner verkürzt und die Temperatur-verteilung in der Pfanne ist gleichmäßiger. Energieeinsparung und feuerungstechnische Vorteile machen das Drehregenerator-Brenner-System auch für andere Hochtemperatur-Prozessfeuerungen attraktiv. Dazuzählen Wärme- und Wärmebehandlungsöfen für Eisen und Stahl, Schmelz- undSekundärmaterialöfen für Aluminium, Brennöfen für Keramik und Schmelzöfen fürGlas. Auch an diesen Anlagen ist mit einer Einsparung für Brennstoff von bis zu 45%und mehr zu rechnen.Die wärmetechnische Auslegung und Dimensionierung der Regeneratoren ist weitge-hend abgesichert. Die strömungs- und regelungstechnischen Veränderungen an denProzessfeuerungen durch regenerative Wärmerückgewinnung und Brennluftvorwär-mung sind jedoch, besonders bei komplexen Anlagen, individuell zu planen und zubewerten.

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