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T. Keplinger:
"Dynamic simulation of waste heat recovery concepts for the iron and steel industry";
Supervisor, Reviewer: M. Haider, A. Werner; Institut für Energietechnik und Thermodynamik, 2018.

Climate change is one of the most significant challenges mankind will have to pose within
the upcoming decades. The industrial sector, especially the iron and steel industry, contributes
a significant share of the anthropogenic greenhouse gas emissions. Therefore,
waste heat recovery has a high potential for increasing the efficiency and sustainability
of steel mills. In the present work heat recovery approaches for the electric arc furnace,
the blast furnace dry slag granulation process and the continuous casting process
are investigated by means of design calculations, transient process simulations and economic
feasibility calculations. The transient process simulations have been performed by
the commercial simulation software Advanced Process Simulation Software (APROS) in
order to optimize the control strategies of the investigated concepts. The highly fluctuating
off-gas parameters of the considered processes evoke the necessity of thermal energy
storage. The thermal energy storage balances the input and output to achieve smooth
operation conditions of the heat recovery plant. In addition, the obtained simulation results
of the electric arc furnace have been validated with measurements of the real plant
put into operation. The introduced heat recover approaches for the blast furnace dry
slag granulation process have been investigated with a techno-economic assessment. A
cost estimation and an economic efficiency calculation have been performed to compare
the economic performance of the presented approaches. For the heat recovery at the
continuous casting process a computational fluid dynamics model of a radiation shield
has been simulated and the simulation results have been validated by values found in
the literature. The validation of the presented model for the electric arc furnace heat
recovery plant shows a high level of accuracy. It can be claimed that the model describes
the dynamic behavior of the real heat recovery hot gas line with sufficient precision. The
economic evaluations show the economic feasibility of the presented approaches for the
blast furnace dry slag granulation process and the payback can be achieved within two
years.

Der Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen, die die Menschheit in den kommenden
Jahrzehnten beschäftigen wird. Der produzierende Sektor und im speziellen
die Eisen- und Stahlindustrie steuert dabei einen signifikanten Anteil, der durch den
Menschen verursachten Treibhausgase, bei. Die Wärmerückgewinnung ist daher ein
vielversprechender Ansatz, um die Effizienz und die Nachhaltigkeit von Hüttenwerken,
zu verbessern. In der vorliegenden Arbeit werden Wärmerückgewinnungskonzepte
für den Elektrolichtbogenofen, die Trocken-Schlacke-Granulation und den Strangguss-
Prozess, unter Heranziehung von Auslegungsrechnungen, dynamischen Prozesssimulationen
und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen untersucht. Die starken Temperatur- und
Volumenstromschwankungen der Abgase erfordern den Einsatz von Energiespeichern.
Die Fluktuationen der Abgase werden mit Hilfe thermischer Energiespeicher geglättet,
um gleichmäßige Betriebsbedingugnen der Wärmerückgewinnungsanlagen gewährleisten
zu können. Zusätzlich zu den Prozesssimulationen beim Elektrolichtbogenofen wird
das Modell mit Messwerten der in Betrieb genommenen Anlage validiert. Die eingeführten
Wärmerückgewinnungskonzepte für die Trocken-Schlacke-Granulation werden
mit einem technisch-wirtschaftlichen Vergleich analysiert. Die wirtschaftliche Performance
der Konzepte wird mit Hilfe einer Investitions- und einer Wirtschaflichkeitsrechnung
abgeschätzt. Das Potential des Wärmerückgewinnungskonzeptes im Bereich des
Stranggusses, ein Strahlungsschild über der Bramme im Auslaufbereich, wurde mit Hilfe
einer CFD-Simulation abgeschätzt und anschließend mitWerten der Literatur verglichen.
Die Validierung des präsentierten Modelles für den Elektrolichtbogenofen zeigt eine
ausgesprochen gute Übereinstimmung des Modelles mit den Messwerten. Das Modell
spiegelt somit die Anlage mit hoher Genauigkeit wider. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
der Wärmerückgewinnungskonzepte bei der Trocken-Schlacke-Granulation liefert
kurze Amortisationszeiten. Die Investitionskosten amortisieren sich bei allen Konzepten
innerhalb von zwei Jahren.

climate change, waste heat recovery