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Industrielle Wärmeprozesse
Mit präziser Messtechnik zur Unterstützung der Prozessführung lässt sich nicht nur die Energieeffizienz sondern zugleich auch Produktqualität und Produktionsvolumen steigern. Dies ergab eine Untersuchung des Fraunhofer-Instituts für Systemtechnik und Innovationsforschung.
Hier vorgestellt werden ein Verfahren zur dynamischen Messung feuerungstechnischer Brenngaseigenschaften, eine Technik zur genaueren Bestimmung der Nutzguttemperatur sowie ein Projekt der modellgestützten Prozessführung.
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Das Fraunhofer-Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) mit einer systematischen Untersuchung zur Energieeinsparung in industriellen Wärmeprozessen beauftragt. Im Rahmen dieser 1998 publizierten Studie wurden die bisherigen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten länder- und branchenübergreifend analysiert und in Kooperation mit Forschungseinrichtungen und Firmen die Potentiale neuer, aussichtsreicher Effizienz-Technologien skizziert.
Auch unter den rauen Betriebsbedingungen in Industrieöfen kann präzisere Messtechnik umfangreicher eingesetzt werden und die rechnergestützte Prozessführung unterstützen. Bedeutsam wird hierbei die modellgestützte Prozessführung, die bereits in einigen energieintensiven Branchen angewendet wird. Deren Konzept lässt sich relativ einfach auf viele Branchen und Ofentypen übertragen – in dem Zusammenhang werden auch adaptive und Expertensysteme diskutiert. Alle hier genannten Technologien haben den Charme, dass sich damit nicht allein die Energieeffizienz sondern zugleich auch Produktqualität und Produktionsvolumen steigern lässt.
Im Folgenden werden neben einem neuartigen Brenner mit Wärmerückgewinnung drei weitere aussichtsreiche Konzepte vorgestellt, die in verschiedenartigen industriellen Wärmeprozessen anwendbar sind.
Optimierte Brenner
Der Brennstoffverbrauch von Hochtemperatur-Prozessfeuerungen kann durch Wärmerückgewinnung mit thermischen Regeneratoren stark reduziert werden. Am Betriebsforschungsinstitut in Düsseldorf (BFI) wurde eine neuartige Vario-Regeneratoranlage entwickelt und gebaut. Die Anlage, die an einem Aluminium-Schmelzofen realisiert und im laufenden Betrieb erprobt wurde, besteht aus mehreren Modulen mit einer thermischen Speichermasse. Diese sind direkt mit einem oder mehreren Brennern einer Regelzone verbunden. Die Module werden individuell über eine zentrale Einheit gesteuert und geregelt. Die feste paarweise Zuordnung, wie sie sonst bei Regeneratorbrennern üblich ist, wird aufgegeben. Mit der Anlage konnte eine Brennstoffersparnis von 30 % erreicht werden.
Verbesserte Messtechnik
Beim Betrieb von Öfen gibt es branchenübergreifend einige Parameter, deren genaue Kenntnis wichtig ist für die Produktqualität und die Energieeffizienz. Dazu zählen die Nutzguttemperatur, die Zusammensetzung der Verbrennungsgasatmosphäre (z. B. CO und Sauerstoff) und ausgewählte Brenngaseigenschaften (etwa Dichte und Heizwert). Oft können diese Parameter jedoch nicht hinreichend genau oder kontinuierlich gemessen werden.
Thermoelement-Sonde
Bei dieser neuartigen Messmethode wird ein am BFI entwickeltes Thermoelement als Temperatursensor sehr nah oberhalb des Nutzgutes platziert, um dessen Oberflächentemperatur zu messen.
Unerwünschte Wärmeleitung aus dem Ofenraum und (reflektierte) Strahlung der Ofenwände werden durch die Sondengeometrie reduziert. Das Thermoelement wird derart in eine Sonde eingebracht, dass der Temperatursensor besser mit der heißen Nutzgutoberfläche im Strahlungsaustausch steht. Die Thermoelement-Sonde ist in unterschiedlichen Bauformen für verschiedene Wärmeprozesse einsetzbar. In Wärmebehandlungsanlagen zeigen sich ihre Vorteile gegenüber Pyrometern besonders deutlich, da hier der durch Fremdstrahlung bewirkte Fehler beträchtlich ist. In Wärmöfen ist der Gewinn an Messgenauigkeit zwar nicht ganz so groß, jedoch ist das Energieeinsparpotential aufgrund des hohen Durchsatzes größer.
Die Messungen zeigten eine ungleichmäßige Erwärmung des Nutzgutes. Zur Steigerung der Produktqualität wurde deshalb der Ofen unter Einbeziehung von Simulationsrechnungen umgebaut mit dem Ziel einer gleichmäßigeren und schnelleren Erwärmung des Nutzguts. Der Erfolg der Umbaumaßnahme konnte mit den Thermoelement-Sonden wiederum dokumentiert werden. Dieses Einsatzbeispiel zeigt auch, dass mit den neuen Temperatursonden manche aufwändige Spezialmessung zwecks Ofenoptimierung entfallen könnte.
Kombisonde
In weiteren Entwicklungsarbeiten wurde die Sonde zur kombinierten Analyse von Nutzguttemperatur und Ofenraumatmosphäre erweitert. Jetzt stehen kontinuierliche, nutzgutnahe Messwerte für z. B. den CO- und Sauerstoff-Gehalt zur Verfügung. Die Wärmeprozesse können hiermit hinsichtlich Energieeffizienz (Regelung des Luftüberschusses) und Produktqualität (z. B. Zunderbildung bei Stahl) laufend optimiert werden.
Variierende Brenngaseigenschaften
Brenngase sind nicht absolut homogen. Ihre Zusammensetzung - und resultierend ihr Heizwert – schwankt laufend im Bereich von einigen Prozenten (Erdgas) bis zu 20 Prozent und mehr (z. B. Prozessgas). Dies führt im Allgemeinen zu einer geringeren Energieausnutzung sowie zu höheren Emissionen und teilweise aufgrund der ungleichmäßigen Erwärmung zu einer verringerten Produktqualität. Mit einem am BFI neu entwickelten Verfahren können jetzt die verbrennungstechnischen Eigenschaften von Brenngasen kontinuierlich und zuverlässig ermittelt und für die Verbrennungsregelung genutzt werden: Das zu analysierende Brenngas wird zunächst durch einen akustischen Dichtesensor geleitet. Danach gelangt es in eine Referenzbrennkammer, wo es teilvorgemischt bei konstanter Luftzufuhr vollständig verbrennt. Aus dem Restsauerstoffgehalt im Referenzabgas und der gemessenen Normdichte des Brenngases können weitere Parameter abgeleitet werden.
Besondere Vorteile hat das neue System für die kontinuierliche Analyse von Prozessgasen. Sie können jetzt besser energetisch genutzt werden. Das entwickelte Messsystem befindet sich bereits in 40 verschiedenen Anlagen im betrieblichen Einsatz.
Modellgestützte Ofenführung
Ein sehr breites Anwendungsspektrum hat die modellgestützte Ofenführung. Sie ist praktisch für alle Ofentypen einsetzbar, insbesondere auch für die häufig vorkommenden kleinen Wärmöfen. Die kleinen Anlagen können mit diesem Konzept vom Know-how profitieren, das in großen Anlagen gewonnen wurde. Die modellgestützte Prozessführung profitiert wesentlich von der verbesserten Messtechnik und kann in Richtung Expertensystem, das ggf. über adaptive Fähigkeiten verfügt, weiterentwickelt werden. Auf diese Weise vermindern sich die mit einer Umstellung der Ofenbetriebsführung verbundenen betrieblichen Risiken, da die Ofensteuerung quasi über Expertenwissen, Erfahrung und Anpassungs- oder Lernfähigkeit verfügt.
Der oftmals noch vorherrschenden „Fahrweise per Hand“ bei vielen (kleineren) Öfen sind die modellgestützten Verfahren allemal weit überlegen: Es können spezielle Ziele für die Ofenführung definiert werden: Z. B. kann der Energieaufwand für Produkte minimiert, der Durchsatz maximiert und dafür die optimale Bestückung kalkuliert werden. Die Wärmtemperaturen können exakter eingestellt, Wartezeiten vermieden oder verkürzt und Lastspitzen begrenzt werden (zwecks Einhaltung von eventuellen Strombezugskonditionen). Mit diesen Strategien – das haben Berechnungen und erste Tests ergeben – werden Energieeinspareffekte zwischen 8 und 15 % erreicht.
Quelle: BINE Informationsdienst
Veröffentlicht am 14.12.2002
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