FlexLadleHeat: Flexibler Einsatz von Wasserstoff und Ammoniak in Pfannenfeuern in der Stahlindustrie zur Reduktion der CO₂-Emissionen

Pfan­nen die­nen in der Elek­tro­stahl­rou­te dem Trans­port von geschmol­ze­nem Stahl zwi­schen dem Licht­bo­gen­ofen, der Sekun­där­me­tall­ur­gie und der Gieß­an­la­ge. Die Pfan­nen, bestehend aus einer tie­gel­för­mi­gen Stahl­kon­struk­ti­on, sind zur Wär­me­iso­lie­rung mit Feu­er­fest­ma­te­ria­li­en zuge­stellt. Das Feu­er­fest unter­liegt im Betrieb kon­ti­nu­ier­li­chen ther­mi­schen Belas­tun­gen und wird dabei abge­tra­gen und ver­schlis­sen. Aus die­sem Grund erfolgt regel­mä­ßig eine Neu­zu­stel­lung. Nach einer Zustel­lung muss das Feu­er­fest­ma­te­ri­al getrock­net und vor dem Ein­satz mit geschmol­ze­nem Stahl vor­ge­wärmt wer­den. Die­se Trock­nung und Vor­wär­mung fin­det in der Pfan­nen­wirt­schaft statt.

Trans­port­pfan­ne

In der Pfan­nen­wirt­schaft wer­den zur Vor­wär­mung hori­zon­ta­le Pfan­nen­feu­er betrie­ben. Ver­ti­ka­le Pfan­nen­feu­er, in denen die Trans­port­pfan­nen auf­recht ste­hen, wer­den zur Trock­nung des neu zuge­stell­ten Feu­er­fests ver­wen­det. In den hori­zon­ta­len Pfan­nen­feu­ern wird die Vor­wär­mung der Pfan­ne sowie klei­ne­re Arbei­ten lie­gend durch­ge­führt. Bei der Vor­wär­mung wird die Pfan­ne mit einem Deckel abge­schlos­sen, in dem der Gas­bren­ner inte­griert ist. Die Bren­ner arbei­ten im Leis­tungs­be­reich von 1 bis 5 MW und wer­den in der Regel mit Erd­gas-Luft-Gemi­schen betrie­ben. Um höhe­re Wir­kungs­gra­de und gerin­ge­re Abgas­ver­lus­te zu errei­chen, wer­den Oxy­fuel-Sys­te­me mit Sau­er­stoff als Oxi­da­tor ver­wen­det. Die Trans­port­pfan­nen wer­den auf über 1000 °C vor­ge­wärmt. Das Vor­wär­men der Pfan­ne redu­ziert die Wär­me­ver­lus­te der Schmel­ze in der Pfan­ne, senkt die not­wen­di­ge Über­hit­zung im Elek­tro­licht­bo­gen­ofen und redu­ziert so die Tap-to-Tap-Zeit. Die Pfan­nen­vor­wär­mung ist ein unver­zicht­ba­rer Bestand­teil der Stahl­her­stel­lung und somit die Umstel­lung der Behei­zung mit was­ser­stoff­ba­sier­ten Brenn­stof­fen ein wich­ti­ger Schritt hin zu einer CO₂-neu­tra­len Stahlproduktion.

Pfan­nen­feu­er im Freibrand

Im Ver­bund­pro­jekt Flex­L­ad­le­Heat ent­wi­ckelt das Insti­tut für Indus­trie­ofen­bau und Wär­me­tech­nik (IOB) gemein­sam mit dem Lehr­stuhl für Kera­mik des Insti­tuts für Geste­ins­hüt­ten­kun­de (GHI), der Badi­schen Stahl­wer­ke GmbH (BSW) und der Badi­sche Stahl-Engi­nee­ring GmbH (BSE) ein inno­va­ti­ven Pfan­nen­feu­er­sys­tem zum fle­xi­blen Ein­satz von Was­ser­stoff und Ammo­ni­ak zur Vor­wär­mung von Trans­port­pfan­nen in einem Elek­tro­stahl­werk.
Das Vor­ha­ben bie­tet das Poten­zi­al durch den fle­xi­blen Ein­satz von was­ser­stoff­ba­sier­ten Brenn­stof­fen die CO₂-Emis­sio­nen der Pfan­nen­feu­er-Sys­tem der Badi­schen Stahl­wer­ke dras­tisch zu sen­ken. Dabei sol­len Was­ser­stoff und Ammo­ni­ak in fle­xi­blen Antei­len je nach Ver­füg­bar­keit in den Berei­chen zwi­schen 0 und 100 Vol.-% ein­ge­setzt wer­den. Dazu gehört die Ent­wick­lung einer neu­en Bren­ner- und Sicher­heits­tech­nik, sowie Steu­er- und Rege­lungs­tech­nik. Durch die Imple­men­tie­rung eines digi­ta­len Pro­zess­mo­dells für die Pfan­nen­vor­wär­mung soll, neben der Ein­spa­rung durch den Oxy­fuel-Betrieb, eine zusätz­li­che Pri­mär­ener­gie­ein­spa­rung von bis zu 10% erreicht werden.

Auf­ga­be des IOBs in die­sem Pro­jekt ist die Ent­wick­lung digi­ta­ler Pro­zess­mo­del­le auf Basis von nume­ri­schen Strö­mungs­si­mu­la­tio­nen (CFD) und die Durch­füh­rung von expe­ri­men­tel­len Unter­su­chun­gen des Pfan­nen­feu­er-Sys­tems zur Vali­die­rung der auf­ge­bau­ten Pro­zess­mo­del­le. Nume­ri­sche Simu­la­tio­nen sind ein bewähr­tes Werk­zeug in der Aus­le­gung und Opti­mie­rung von ther­mo­pro­zess­tech­ni­schen Anla­gen und ermög­li­chen es Para­me­ter­stu­di­en zeit- und kos­ten­ef­fi­zi­ent durch­zu­füh­ren. Als sol­che kön­nen sie auch zur Opti­mie­rung von Pfan­nen­feu­er­sys­te­men und als Basis zur anschlie­ßen­den Erstel­lung eines redu­zier­ten Ofen­mo­dells ver­wen­det wer­den, das einen Bei­trag zur effi­zi­en­ten Betriebs­wei­se des Pfan­nen­feu­ers leis­tet. Der Umfang geeig­ne­ter Simu­la­ti­ons­mo­del­le erstreckt sich von der Abbil­dung eigent­li­chen Fluid­strö­mung über Model­le für Tur­bu­lenz, Wär­me­über­tra­gung durch Kon­vek­ti­on, Wär­me­strah­lung und che­mi­sche (Verbrennungs-)Reaktionen.