Ökologische und ökonomische Optimierung des Kupolofen-Schmelz-Prozesses durch den Einsatz von Erdgas/Sauerstoff-Brennern bei gleichzeitig möglicher Feststoffinjektion

In Deutschland wurden 1999 ungefähr 4,5 Mio. t Gusseisen erzeugt (2,7 Mio. t Gusseisen mit Lamellengraphit und 1,7 Mio. t Gusseisen mit Kugelgraphit). Davon wurden ca. 44 % in Heißwindkupolöfen und ca. 22 % in Kaltwindkupolöfen erschmolzen (Abbildung 1). In dem hier beschriebenen Projekt werden Heißwindkupolöfen berücksichtigt. Beim Betrieb eines Kupolofens wird die zum Schmelzen notwendige Energie durch die Verbrennung von Koks bereitgestellt. Hierdurch entstehen, wie bei jeder Verbrennung fossiler Energieträger, vor allem CO2-Emissionen, die als Mitverursacher des Treibhauseffektes gelten und im Zuge einer nachhaltigen Entwicklung sowie der Selbstverpflichtung der Bundesrepublik reduziert werden müssen. Durch eine partielle Substitution des umweltbelastenden Kokses durch Erdgas können die CO2-Emissionen auf bis zu 30 % reduziert werden (Abbildung 2). Darüber hinaus fallen beim Betrieb eines Kupolofens und der nachfolgenden Gießereibereiche Stäube an. Nach Auskunft der Gießerei-Industrie fallen bis zu 100 kg Stäube je t Flüssigeisen an. So entstanden 1999 insgesamt ca. 450.000 t Stäube. Diese Stäube bestehen zum großen Teil aus Eisen- oder Siliziumverbindungen sowie aus Koksabrieb. 1999 wurde ein Großteil der Stäube deponiert. Ein kleiner Teil wurde bereits in den Kupolofen zurückgeführt und in der flüssigen Schlacke eingebunden. Mit herkömmlichen Verfahren werden jedoch nur Einblasraten von ca. 5 bis 10 kg pro t Flüssigeisen erreicht, da durch das Einblasen von staubförmigen Feststoffen Energie gebunden wird und die Temperatur an den Einblasstellen absinkt. Dieser Effekt wird auch als »Kaltblasen« bezeichnet. Aus der zuvor beschriebenen Problemstellung ergeben sich für die Durchführung des hier beantragten Projektes die folgenden Ziele: - Emissionsminderung (CO2, SO2, NOx, ...) und Wirkungsgraderhöhung des Kupolofenprozesses durch Substitution von Koksenergie durch Erdgasenergie - Schließung von Stoffkreisläufen - Erhöhung der Einblasraten und damit Verwertung größerer Mengen in der Gießerei anfallenden staubförmigen Abfälle durch Rückführung in den Kupolofen Diese Ziele decken sich mit den Zielen des Förderprogramms »Integrierter Umweltschutz in der Gießereitechnik«. Am 22. Dezember 1999 erscheint die Bekanntmachung über die Förderung von Forschungs- und Entwicklungsvorhaben im Rahmen des Förderprogramms »Forschung für die Umwelt« im Bereich »Integrierter Umweltschutz in der Gießereitechnik« vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Als Projektträger wurde das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Bonn, benannt. Im Rahmen dieses Programms werden Arbeiten zu folgenden Themen gefördert: 1. Maßnahmen zum produktionsintegrierten Umweltschutz bei der Form- und Kernherstellung, beim Schmelzen, Gießen und der Gussnachbehandlung. 2. Maßnahmen zum produktionsintegrierten Umweltschutz. 3. Maßnahmen zum betrieblichen und überbetrieblichen Umweltmanagement. Daraufhin reichte ein Firmenkonsortium zusammen mit zwei Forschungsdienstleistern (s. Kapitel 2.1) eine Projektskizze für das Verbundvorhaben »Ökologische und ökonomische Optimierung des Kupolofen-Schmelz-Prozesses durch den Einsatz von Erdgas/Sauerstoff-Brennern bei gleichzeitig möglicher Feststoffinjektion« ein. Die Projektskizze wurde positiv beurteilt und das Konsortium zur Einreichung eines formellen Antrags aufgefordert. Dieser wurde im August 2000 eingereicht und ebenfalls befürwortet. Bei einem geplanten Gesamtprojektvolumen von ungefähr 2,77 Mio. e (seinerzeit 5.420.797,- DM) betrug der geplante Eigenanteil ca. 1,11 Mio. e (seinerzeit 2.166.762,- DM), so dass eine Förderung von 1,66 Mio. e (seinerzeit 3.254.035,- DM) notwendig gewesen wäre. Als Projektlaufzeit war 01.09.2001 bis 31.07.2004 vorgesehen. Aufgrund von Verzögerungen wurde die Laufzeit des Projekts kostenneutral bis zum 31.03.2005 verlängert.