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A. Zweimüller:
"Systemvergleich von Hochtemperatur Wärmeauskopplungs-Konzepten im Zementwerk Gmunden";
Supervisor: M. Haider; Institut für Energietechnik und Thermodynamik, 2018.

In the objective to increase energy efficiency and to reduce emissions, secondary energy use
becomes more and more important. Through secondary use, total efficiency of industrial plants
is getting better. The aim of this master thesis is, to create a concept, for the secondary use of
flue gas coming from a cyclone tower of a cement plant. The furnace is part of the cement plant
Hatschek GmbH in Gmunden (Upper Austria). With the hot flue gas, the steam production of a
near dairy should be covered. The distance between the cement plant and dairy is 1 500 metres,
so a heat exchange medium has to transport the energy.
The main plant parts, which should be designed in this paper, are tube heat exchanger, pipe
network, steam generator and economizer. To cover peak loads of the steam production and
standstills of the cement plant, a regenerator energy storage unit should be planned.
The plant for the secondary energy use consists of three cycles. In the finned tube heat
exchanger the hot flue gas heats up the first cycle. The heat transfer medium of this cycle
consists either of molten salt or water under pressure or of supercritical carbon dioxide. In the
second cycle a regenerator energy storage unit is implemented. In another heat exchanger the
hot fluid heats up the gas of the second cycle. The gas, in this case air, flows through the storage
and stores the energy. If there is a standstill, it is possible to discharge the storage unit and heat
up the third heat-cycle. In consequence the dairy can continuously be supplied with energy. The
third cycle is a water or a sCO2 cycle, depending on the concept. In this loop the water of the
dairy should be vaporised. This happens in two stages, in the first stage the energy of the hot
water or sCO2 is used to heat up the feed water of the dairy. Afterwards the hot feed water gets
into the steam generator. The hot heat transfer medium is used for both heat exchangers.
Through this plant, the hot flue gas from the cement plant can be exploited for the steam
production of the dairy.
For the calculation of the energy balances both standard and specific calculation programs are
used. The boundary conditions for the total output of the plant are on the one side the flue gas
massflow and the temperature and composition of the gas and on the other side the needed
steam massflow of the dairy.

Sekundärnutzung von Industrieabgasen wird in Zeiten von steigenden Energieverbräuchen und
Emissionen immer wichtiger. Es können so Gesamtwirkungsgrade und Energieverbräuche von
Industrieanlagen verbessert werden. Im Zuge dieser Diplomarbeit werden an einem konkreten
Beispiel Konzepte erstellt, welche das Ziel haben, das Abgas eines Zementwerkes so effizient wie
möglich zu nutzen. Grundlage für dieses Projekt ist der Umstand, dass der Drehrohrofen des
Zementwerkes der Firma Hatschek GmbH in Gmunden Abgas ausstößt. Mit diesem heißen
Rauchgas ist es möglich, Energie zu erzeugen. In einer 1500 m entfernten Molkerei werden
Milchprodukte hergestellt, für deren Produktion die erforderliche Energie von dem Zementwerk
zur Verfügung gestellt werden soll. In dieser Arbeit sollen die wichtigsten Anlagen zur
Realisierung des Projektes ausgelegt werden.
Die wichtigsten Bestandteile der Anlage, mit denen sich die vorliegende Arbeit beschäftigt, sind
ein Rippenrohrwärmetauscher, ein Rohrnetzwerk, sowie ein Verdampfer und ein Economizer.
Zur Abdeckung von Spitzenlasten beim Verbraucher, sowie zur Überbrückung von Stillständen
im Zementwerk werden zudem Regenerator-Wärmespeicher konzipiert.
Im Rippenrohrwärmetauscher gibt das heiße Abgas die Wärme ab und erhitzt dabei ein in den
Rippenrohren geführtes Wärmeträgerfluid. Je nach Konzept wird überkritisches
Kohlenstoffdioxid, Wasser unter hohen Druck oder Flüssigsalz mit der Handelsbezeichnung
Durferrit ASD erwärmt. Dieses Fluid wiederum gibt die Energie an einen Gas-Zwischenkreislauf
ab, die Wärme des Gaskreislaufes wird in einem Regenerator gespeichert. Im Falle eines
Stillstandes des Zementwerkes wird der Regenerator entladen. Ein Ventilator lässt das Gas
durch den Regenerator strömen, wodurch sich der Luftstrom erwärmt. In einem weiteren
Wärmetauscher wird der Luftstrom abgekühlt und ein weiterer Kreislauf wird geheizt. In
diesem zirkuliert, je nach Konzept, entweder Druckwasser oder überkritisches
Kohlenstoffdioxid. In einem Economizer und einem Verdampfer wird das Speisewasser der
Molkerei durch das Druckwasser bzw. sCO2 zuerst erhitzt und danach im Verdampfer auf
Sattdampftemperatur gebracht. Somit kann die Abwärme des Drehrohrofens für die
Dampfproduktion der Molkerei genutzt werden. Es wurden auch Versionen erstellt, bei denen
eine Speicherung der Wärme nicht vorgesehen ist. Somit wird das Wärmeträgerfluid direkt vom
Rippenrohrwärmetauscher zum Verdampfer geleitet und der Gas-Kreislauf entfällt.
Für die Auslegung werden neben klassischer Berechnungsprogramme wie Mathcad 15 auch die
Simulationssoftware IPSEpro und KED PPSD verwendet. Die Randbedingungen für die
Gesamtleistung der Anlage ergeben sich zum einen aus dem Abgasmassenstrom, wie auch deren
Stoffeigenschaften, und zum anderen aus der benötigten Energie beim Abnehmer.

Industrieabgasen, Regenerator-Wärmespeicher, Energieffizienz