Neuzeitliche Abwärmeverwertung. Von Dr.-Ing, H. Kalpers. KALPERS, Neuzeitliche Abwärmeverwertung. Die erschwerten Bedingungen, unter denen die Industrie zu arbeiten gezwungen ist, haben die Notwendigkeit zur Folge gehabt, daß alle Verbesserungs- und Ersparnismöglichkeiten, die sich auch immer durchführen lassen, für jeden Einzelfall untersucht werden müssen. Zu diesen Ersparnismöglichkeiten gehört auch die möglichst völlige Ausnutzung der Brennstoffe im allgemeinen und die Verwerthung ihrer Abgase im besonderen. Die Abgaseverwertung wird sich sowohl nach der Menge der anfallenden Wärmemengen als auch nach ihren Temperaturen zu richten haben, ebenso spielt die Frage eine Rolle, ob sich die Möglichkeit ihrer Verwerthung an Ort und Stelle bietet, während man noch vor einiger Zeit auf dem Standpunkt stand, daß eine Abwärmeverwertung nur bei sehr hohen anfallenden Temperaturen sich lehnte, hat man jetzt erkannt, daß auch die Abwärme von niedrigeren Temperaturen, wie u.a. im folgenden gezeigt werden soll, mit Erfolg ausgenutzt werden kann. Allgemein erstreckt sich die neuzeitliche Abwärmeverwertung auf eine große Zahl von Betriebsgattungen, wie auf Siemens- Martin- Oefen, Stoßöfen, Flammöfen, Schweißöfen, Tieföfen, Tiegelöfen, Temperöfen, wie überhaupt auf die meisten metallurgischen Oefen, dann auf Koksöfen, Gaserzeuger, Drehöfen der Zementfabriken, Oefen der Glas- und Porzellanindustrie, die verschiedenen Oefen der chemischen Großindustrie, Dieselmotoren u.a.m. Ein einzelnes Eingehen auf jede dieser Verwertungsart kann an dieser Stelle nicht erfolgen, vielmehr soll lediglich die Abwärmeverwertung an Siemens- Martin- Oefen, Dieselmotoren, Gasmaschinen und einigen Sonderfällen besprochen werden. Die Abwärme der Siemens- Martin- Oefen eignet sich besonders für die Dampferzeugung, Welche Dampfmengen dabei gewonnen werden können, erhellt aus folgender Betrachtung: Angenommen es handelt sich um einen Siemens-Martin-Ofen von 50 t Einsatz, der in 24 Stunden dreimal beschickt wird, so dürften die Gaserzeugerverluste durch Asche, Schlacke, unverbrannte Teile und Strahlung etwa 16% der gesamten Wärmemenge ausmachen, während im Siemens-Martin-Ofen selbst einschließlich der Strahlungsverluste im Oberbau und im Unterbau rund 55% der gesamten Wärmemenge verbraucht werden, so daß 29% abziehen würden, wenn man nicht versuchen würde, einen großen Teil davon auszunutzen. Von diesen 29% aber lassen sich 18% ausnutzen; der Verlust im Schornstein beträgt demnach nur 11 % einschließlich des Strahlungsverlustes der Kesselanlage. Der Abwärme-Gewinn von 18% der gesamten Wärme gestattet aber die Erzeugung von 3200 kg Dampf von 15 t abs. und 350 ° C in der Stunde oder von 22400 t Dampf im Jahre bei Berücksichtigung von 7000 Betriebsstunden. Abzuziehen hiervon ist der Kraftbedarf der Saugzuganlage (16 PS), der auf die Dampf menge bezogen je PS und Stunde einschließlich aller Verluste zu rund 10 kg berechnet: \frac{16\,\times\,10\,\times\,7000}{1000}=1120\ \mbox{t} ausmacht; die jährlich nutzbare Dampfmenge beträgt demnach 22400 – 1120 t = 21280 t. Dieser Dampfmenge entspricht ein Wert in Mark, der sich nach dem Preis für die Kohle richtet. Nimmt man einen Preis je t Dampf frei Kesselhaus bei einem Kohlenpreis von 24 RM./t und etwa achtfacher Verdampfung von 3 RM. an, so würde sich der Erlös aus der Abwärmeanlage auf 21280 × 3 = 64000 RM. beziffern. Unter Berücksichtigung der voraussichtlichen Kosten der betriebsfertigen Abwärmeverwertungsanlage in Höhe von rund 50000 Reichsmark, ergäbe sich demnach, daß die Anlage sich bereits nach 9 bis 10 Monaten bezahlt macht, während an Brennstoff im Jahre etwa 2650 t erspart werden. Dieses Beispiel dürfte in überzeugender Weise den hohen wirtschaftlichen Wert der Abwärmeverwertungsanlagen darlegen. Bei der Untersuchung der Verwertungsmöglichkeit der Abwärme aus Siemens- Martin- Oefen werden folgende Faktoren eine Rolle spielen: die Anzahl der in Betrieb befindlichen Oefen, die stündliche Gasmenge jedes Ofens in m3 oder der stündliche Brennstoffverbrauch in kg Kohle, die Art und Herkunft des Brennstoffes (Heizwert, Zusammensetzung), die mittlere Abgastemperatur an der voraussichtlichen Einbaustelle, die Abgasanalyse, der Kohlensäuregehalt, der erforderliche größte Unterdruck in mm Wassersäule im Fuchs zwischen Ofen und Kamin, der Verwendungszweck der Abwärme (Niederdruckdampf, Hochdruckdampf, Warmwassererzeugung, Lufterhitzung) gewünschte Dampfmenge, deren Druck und Ueberhitzungstemperatur, Raum zwischen Kamin und Ofen mit Lage der Gaskanäle. Schließlich werden bei Vergleichsberechnungen der örtliche Dampfpreis, die Brennstoffkosten, der Kilowattstundenpreis und die Betriebsstundenzahl der Oefen in Betracht zu ziehen sein. Von im Betriebe erprobten Abwärmeverwertungsanlagen hinter Siemens- Martin- Oefen seien folgende genannt: bei der Oesterr. Alpinen Montangesellschaft, Donawitz 7 Abhitzekessel (Bauart Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg) mit einer Dampfleistung von 2200 kg/h, 12 at und 350° Ueberhitzung, bei Henschel & Sohn, Hattingen (Ruhr) 5 Abwärmeverwerter stehender Bauart mit Vorwärmer, Ueberhitzer und Saugzug, Dampfleistung 3000 kg/h je Kessel, 14 at und 300°, im Stahlwerk Mannheim Abwärmeverwerter stehender Bauart, Dampfleistung 1000 kg/h, 12 at, 250°, während sich der bisher größte Rauchröhrenabhitzeverwerter mit einer Gesamtheizfläche von 820 m2 (Bauart M. A. N.) auf einem rheinisch-westfälischen Hüttenwerk an einem Talbot- Martin-Ofen für 320 bis 400 t Stahlerzeugung in 24 Stunden befindet, der eine Dampfleistung von 8000 kg/h bei 14 atü und 350 ° besitzt. Die Dampfleistung kann vorübergehend sogar auf 10000 kg/h gesteigert werden. Betrachtet man die Wärmeverteilung eines Stoßofens, so erfordert der Ofen bei einem Eiseneinsatz von 10 bis 12 t/h etwa 4 Millionen Wärmeeinheiten in der Stunde, von denen 1,5 Millionen in die Esse entweichen würden, und zwar mit einer Temperatur von 600°. Von diesen 1,5 Millionen Wärmeeinheiten läßt sich aber 1 Million wieder gewinnen, so daß nur 0,5 Millionen entweichen. Aus den Abgasen lassen sich rund 1500 kg Dampf in der Stunde erzeugen. Hohen wirtschaftlichen Nutzen wirft ebenfalls die Abwärmeverwertung der Gasmaschinen ab. Diese Maschinen arbeiten zwar mit einem verhältnismäßig günstigen Wärmewirkungsgrad, setzen aber doch nur ⅓ der Brennstoffwärme in Arbeit um, während der größte Teil des Restes mit den Abgasen und dem Kühlwasser verloren gehen. Bei M. A. N. -Abwärmeverwertern gestaltet sich die Wärmeverteilung unter Zugrundelegung eines 6000 PS. Hochofenkraftwerkes folgendermaßen: von der gesamten in Gas zugeführten Wärme sind 5% als Verlust durch Reibung und Strahlung zu buchen, 30% als Kühlwasserverlust, 27% als nutzbare mechanische Arbeit, während von den Abgasen in Höhe von 38% der gesamten Wärme 29% für die Dampferzeugung gewonnen werden, so daß nur 9% durch Auspuff und Strahlung in der Abwärmeanlage als verloren zu gelten haben. Mit dieser Abwärme von 29% der gesamten Wärme kann man in der Stunde 6 t Dampf (12 at abs. und 325°) gewinnen oder im Rohr (bei 8600 Betriebsstunden) rund 51600 t. Wenn die Maschine mit Spülung arbeitet, so ist der Abhitzegewinn noch größer, und zwar werden dann je PS und Stunde etwa 1,1 kg Dampf gewonnen. Es ist ratsam, den wechselnden Belastungsverhältnissen in einem Hochofenwerk Rechnung zu tragen und die Dampferzeugung mit 20% geringer anzunehmen. Man rechnet also z.B. bei einem Hochofen-Kraftwerk von 10000 PS Gesamtleistung bei Vollast besser nicht mit einer stündlichen Dampferzeugung von 10 t (12 at und 325°), sondern mit einer solchen von 8 t, die einer Jahreserzeugung von etwa 68000 t (bei 8500 Betriebsstunden) entsprechen würde. Wenn man weiter bedenkt, daß diese Dampfmenge in unmittelbar gefeuerten Kesseln erzeugt auf über 200000 RM. (ein Kohlenpreis von 24 RM./t angenommen bei achtfacher Verdampfung) kommt, die gesamte Abwärmeverwertungsanlage für diesen Zweck etwa 136000 RM. kostet, so würde sich diese letztere nach 9 Monaten bezahlt gemacht haben. Von Interesse erscheint ferner die Abhitzeverwertung hinter Zementöfen. Bei den Bayerischen Portlandzement- und Traßwerken in Möttingen sind 2 M. A. N. -Abwärmedampfkessel von je 350 m2 Heizfläche für 16 at Ueberdruck aufgestellt und an 2 Zement- Oefen von 90 bis 100 t Klinkerleistung in24 Stunden angeschlossen worden. Die Oefen werden mit Kohlenstaub betrieben. Die Temperatur der Abgase beläuft sich je nach dem Ofenbetrieb auf 600 bis 700°, die in der Abwärmekesselanlage bis zu 180 bis 200° weiter ausgenützt werden. Die Kessel sind Wasserrohrkessel mit Ueberhitzern und Speisewasservorwärmern, während der in den Kesseln erzeugte Dampf in einer M. A. N. -Dampfturbine, die mit einem Drehstrommotor mittels Uebersetzungsgetriebe verbunden ist, zur Arbeitsleistung verwendet wird. Der so erzeugte Strom dient für Beleuchtungs- und Kraftzwecke im Werke selbst. Außerdem hat man eine besondere Kohlenstaub-Zusatzfeuerung vorgesehen, die in der Lage ist, die Kesselleistung bis zu 80% der durch die Abgase erzeugten Dampfmenge zu steigern. Aus der Abhitze eines Zementofens allein lassen sich rund 450 kWh elektrische Leistung gewinnen oder 12 kW je 100 kg Klinker. Dabei ist in diesem Falle noch besonders in Betracht zu ziehen, daß die Abgase je m3 20 bis 25 g Staub enthalten. Durch Anpassung der Abgasgeschwindigkeit an diesen hohen Staubgehalt und mit Hilfe von Reinigungseinrichtungen (Staubbläser) ist es jedoch möglich, die Heizfläche praktisch rein zu halten. Nachdem der Dieselmotor in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen hat, erscheint auch die Erhöhung seines Wirkungsgrades unter Zuhilfenahme der neuzeitlichen Abhitzeverwertungsmöglichkeiten von immer größerem Interesse. Der Dieselmotor arbeitet mit einem Wirkungsgrad von bis zu 38% an sich schon günstiger als die übrigen Kraftmaschinen. Durch die Ausnützung der im Kühlwasser und in den Auspuffgasen enthaltenen beträchtlichen Wärmemengen durch den Einbau von Abwärmeverwertern in die Dieselmotoranlage gelingt die beabsichtigte Erhöhung seines Wirkungsgrades. Bei einer M.A.N. -Dieselmotoranlage mit Abwärmeverwerter bezogen auf 1 Kilowattstunde gestaltet sich die Wärmeverteilung folgendermaßen: beträgt die zugeführte Wärmemenge 2750 kcal oder 100%, so sind als Verlust zu betrachten die Wärmestrahlung des Motors mit 158kcal oder 5,8%, die elektrischen Verluste mit 63 kcal oder 2,3% und die Verluste durch den Auspuff ins Freie mit 234 kcal oder 8,5%, so daß der gesamte Verlust 16,6% beträgt. Die nutzbare elektrische Arbeit je 1 kWh macht aus 859 kcal oder 31,2%, das Kühlwasser für gewerbliche Zwecke, Badeanlagen usw. 965 kcal oder 35,1% und aus den Auspuffgasen werden gewonnen 470 kcal oder 17,1%. Den Verlusten von 455 kcal oder von 16,6% steht demnach ein Gewinn von 2294 kcal oder 83,4% gegenüber, d.h. der effektive Wirkungsgrad der Anlage beträgt rund 83%. Die Abwärme von Dieselmotoren läßt sich für verschiedene Zwecke verwerten, wie für die Erzeugung von Warmwasser, für die Erhitzung von Luft, für die Erzeugung von Dampf, von destilliertem Wasser. Ohne besondere Einrichtung läßt sich das zur Motorkühlung gebrauchte, nicht verunreinigte Wasser mit einer Temperatur von 40 bis 60 ° für Wäschereien, Färbereien, Reinigungszwecke, Bäder und sonstige gewerbliche Zwecke. aller Art verwenden. Dann kann man das Kühlwasser durch Auspuffgaswärme weiter erwärmen und dann ebenfalls für die oben genannten Zwecke verwenden, ferner auch zur Kesselspeisung oder zur Vorwärmung von Kesselspeisewasser oder von Gebrauchswasser in bestimmten Industrien; auch kann man Frischwasser durch die Wärme der Auspuffgase erwärmen, während schließlich das Umlaufwasser von Warmwasserheizungen in den Kühlräumen des Dieselmotors und durch einen in die Auspuffleitung eingebauten Wasseranwärmer wieder erwärmt werden kann. Die Erhitzung von Luft nimmt man durch Einbau eines Lufterhitzers in die Auspuffleitung vor oder unter Ausnützung der Kühlwasserwärme eines mit diesem Warmwasser betriebenen Lufterwärmers für Luftheizungen und Trockenanlagen. Die Dampferzeugung kann erfolgen, indem man mit der Abwärme von Dieselmotoren Niederdruckdampf bis zu 0,5 atü erzeugt – in diesem Falle ist eine amtliche Genehmigung und Ueberwachung nicht erforderlich – oder Dampf von 0,5 bis 6 atü. Dieser letztere Fall ist aber nur bei Dieselmotoren von etwa 500 PS ab zweckmäßig und wirtschaftlich. Die Kesselanlagen müssen dann in besonderen Häusern nach den Bestimmungen des Dampfkesselgesetzes aufgestellt sein. Der so erzeugte Dampf ist verwendbar für Heiz-, Trocken-, Kochzwecke, in der chemischen Industrie, während es sich bei der Erzeugung von destilliertem Wasser mit Hilfe der Abwärme von Dieselmotoren vornehmlich um die Auffüllung von Akkumulatoren-Batterien und für chemische Zwecke handeln wird. Der Gewinn, der sich aus der Abwärme von Dieselmotoren ergibt, richtet sich hauptsächlich nach der Verwendungsmöglichkeit der verfügbaren Abwärme und den bestehenden örtlichen Verhältnissen, wie nach der Leistung der Anlage, dem Wärmepreis, der Benutzungsdauer, Belastung usw. Die Erfahrungen lehren, daß man im allgemeinen bei vollständiger Abwärmeverwertung für Dieselmotoren mit einem Gewinn von bis zu 25% der Betriebskosten rechnen kann. Nimmt man z.B. einen Dieselmotor von 500 PS an, so beträgt die nutzbare Abwärme bei Vollast für 1 Betriebsstunde im Kühlwasser 360000 kcal/h, wobei 9000 Liter von 10 ° auf 50° erwärmt werden, in den Auspuffgasen 150000 kcal/h oder zusammen 510000 kcal/h. Der Wert dieser Wärmemenge ist je nach dem Kohlenpreis verschieden und wird z.B. für süddeutsche Verhältnisse größer sein als für norddeutsche infolge der höheren Frachtausgaben. Legt man den Wirtschaftsberechnungen einen Heizwert der Steinkohle von 7000 kcal zugrunde, ferner einen mittleren Kesselwirkungsgrad von 65% und nimmt man weiter einen Kohlenpreis einschließlich Fracht von 35 RM./t für Süddeutschland an, so würde sich der Wert der genannten Wärmemenge belaufen auf \frac{35\,\times\,510000}{1000\,\times\,7000\,\times\,0,65}=3,90\mbox{ RM}., für Norddeutschland bei einem Kohlenpreis von z.B. 25 RM./t \frac{25\,\times\,510000}{1000\,\times\,7000\,\times\,0,65}=2,80 Reichsmark. In dem Maße, wie sich die genannten Kohlenpreise unter Berücksichtigung sowohl des Preises der Kohle an sich als auch der Frachtlage verändern, kann sich auch der Wert der Wärmemenge dementsprechend verändern. Die aufgeführten Werte sind nur als Beispiel aufzufassen und haben nicht Allgemeingültigkeit. Unter weiterer Verfolgung dieses Beispiels würde sich bei Annahme von 2400 Betriebsstunden im Jahre durch die Abwärmeverwertung eine Ersparnis an Brennstoffkosten in dem ersten Falle von 9360 RM. im zweiten Falle von 6720 RM, ergeben. Die Betriebskosten für den Dieselmotor selbst betragen, wenn man für süddeutsche Verhältnisse einen Treibölpreis von 12,50 RM, für 100 kg und einen Treibölverbrauch von 185 g für 1 PSeh, ferner einen Schmierölpreis von 50 RM, für 100 kg annimmt: für Treiböl \frac{500\,\times\,0,185\,\times\,2400\,\times\,12,5}{100} = 27750 RM. für Schmieröl       1250 RM. –––––––––––––––––––– zusammen     29000 RM. jährlich. Bei einem Treibölpreis in Norddeutschland von 11,50 RM. würden die Betriebskosten jährlich 26750 RM. betragen. Durch die restlose Abwärmeverwertung ergibt sich also eine Ersparnis von 32% bzw. 25% der Betriebsstoff kosten. Die Abwärmeverwertungsanlage würde demnach, wenn ihr Anschaffungswert 5000 RM. ausmacht, sich schon nach 7 bis 9 Monaten bezahlt gemacht haben. Die Erfahrungen auf dem Elektrizitätswerk Schwerin, wo verschiedene Dieselmotoren mit Abwärmeverwertern für eine Fernheizanlage betrieben werden, haben ergeben, daß man mit einer Gesamtwärmeausnützung von etwa 64% rechnen kann, und zwar werden von der gesamten in den Dieselmotor eingeführten Wärme etwa 31% in Nutzarbeit umgesetzt und 33% in nutzbare Abwärme aus der im Kühlwasser und in den Auspuffgasen enthaltenen Wärme; als verlorene Abwärme sind hier etwa 36% zu betrachten. Eine Warmwasserheizanlage mit Ausnutzung der Kühlwasser- und Auspuffgaswärme hinter Dieselmotoren kann man sich so vorstellen, daß das heiße Kühlwasser mit einer Temperatur von etwa 75° aus dem Kühlwasserraum des Dieselmotors kommt, den Wasseranwärmer durchströmt, in dem es durch die Auspuffgase eine Temperatur von 84° erhält. Von hier aus wird es zu den Heizkörpern zugeleitet, gibt hier seine Wärme ab und wird durch eine Umwälzpumpe wieder in den Motor zurückgefordert, Günstige Erfolge erzielte man ebenfalls durch die Ausnutzung der Abwärme für die Lufterhitzung. So verwendet eine württembergische Uhrenfabrik die so erzeugte Lufterhitzung für die Trocknung von Holz in Holztrockenkammern. In diesem Falle wurde festgestellt, daß die Gesamtwärmeausnützung der Dieselmotoren in Prozenten des Heizwertes des von den Motoren verbrauchten Brennstoffes bei Vollast 54,5%, bei Dreiviertellast 55,4% und bei Halblast 49,7% zur Erzeugung mechanischer Arbeit und Lufterhitzung für den Betrieb der Holztrockenkammern, aber ohne Ausnützung der Kühlwasserwärme von rund 39% beträgt. Bei der Warmlufterzeugung mit Ausnützung der Kühlwasser- und Auspuffgaswärme wird die Anlage so betrieben, daß das Kühlwasser vom Motor dem Lufterhitzer zugeführt wird, wo es seinen Wärmeinhalt an Frischluft abgibt. Die Frischluft selbst wird von einem Ventilator durch den Erhitzer hindurchgedrückt. Im Lufterhitzer wird die Luft auf 60° erwärmt und in einem hinter dem ersten Lufterhitzer geschalteten zweiten Lufterhitzer, den die Auspuffgase des Motors durchströmen, auf 85° weiter erhitzt. Die Abwärmeverwertung hinter Dieselmotoren ist nicht allein bei Anlagen auf dem Lande mit Vorteilen verbunden, sondern auch auf Schiffen. Auch hier trägt die Abwärmeverwertungsanlage wesentlich bei, daß man mit ihrer Hilfe Warmwasser oder Dampf erzeugen kann.