Leistung steigern, Betriebskosten senken

Dr. Eugen Maria Hofstetter

Klassische Anwendungsgebiete regenerativer Nachverbrennungsanlagen sind Lackieranlagen, Druckereien, Lebensmittel verarbeitende Betriebe u. ä. Das Verfahren zeichnet sich durch einen wartungsarmen Betrieb und einen hohen thermischen Wirkungsgrad aus. Bild 1 gibt das Funktionsprinzip einer solchen Anlage wieder. Das zu behandelnde Rohgas wird durch einen regenerativen Wärmespeicher zur Vorwärmung geleitet, bevor es in der darüber liegenden Brennkammer durch einen Brenner auf Betriebstemperatur aufgeheizt wird. Diese liegt je nach den zu entsorgenden Inhaltsstoffen in der Regel zwischen 800 und 900 °C, so dass die Kohlenwasserstoffe zu CO2 und H2O reagieren. Im Weiteren wird das heiße Reingas durch einen zweiten regenerativen Wärmespeicher geleitet, an den die Verbrennungswärme zum überwiegenden Teil abgegeben wird. Durch regelmäßiges Umschalten der Durchflussrichtung werden die beiden Wärmespeicher wechselweise aufgeheizt und abgekühlt.

Um zu verhindern, dass nach dem Umschalten die gaseintrittseitige Rohgasmenge direkt in die Atmosphäre entlastet wird bevor sie in die Brennkammer gelangt, werden auch Anlagen mit drei oder mehr Wärmespeichern gebaut. Dadurch besteht die Möglichkeit der Spülung mit Reingas. Als Wärmespeichermedien stehen in der Regel keramische Produkte wie Kugeln, Sattelkörper und Wabenkörper zur Verfügung (Bild 2).

Gerade ältere Anlagen sind überwiegend noch mit Sattelkörpern ausgerüstet, die zwar kostengünstig sind, im Vergleich zur Wabenkeramik jedoch einen höheren Druckverlust bei gleichzeitig geringerem thermischen Wirkungsgrad aufweisen. Als typische Werte für Sattelkörperanlagen können für den Druckverlust über das aufheizende und abkühlende Bett ca. 30 bis 40 mbar und für den thermischen Wirkungsgrad ca. 90 bis 92% angegeben werden. Während ein hoher Druckverlust die Betriebskosten für den elektrischen Gebläseantrieb erhöht, beeinflusst der thermische Wirkungsgrad den Hilfsbrennstoffbedarf. Diese beiden Faktoren sind bei einer Anlagenauslegung in ein optimales Verhältnis zueinander zu bringen. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen Speichermedien hinsichtlich Wärmespeicherkapazität und Druckverlust erhebliche Unterschiede aufweisen. In Tabelle 1 sind die wesentlichen technischen Daten verschiedener Wärmespeichermedien zusammengestellt.

Da Wabenkörper gegenüber Sattelkörpern einen geringeren Druckverlust aufweisen, besteht die Möglichkeit, ältere Anlagen mit Wabenkörpern nachzurüsten. Diese Maßnahme bietet sich an, wenn die Durchsatzleistung der Anlage erhöht oder die Betriebskosten verringert werden sollen.

Eine Sattelkörperanlage ist für eine Durchsatzleistung von 20 000 Nm³/h ausgelegt. Die Kohlenwasserstoffbeladung des Abgases beträgt 0,5 g/Nm³, so dass der Hilfsenergiebedarf mit 353 kW relativ hoch ist. Der Betreiber ist daran interessiert, bei unveränderter Durchsatzleistung die laufenden Betriebskosten für Strom und Erdgas zu reduzieren. In Tabelle 2 sind die technischen und wirtschaftlichen Parameter vor und nach Anlagenumrüstung auf Wabenkörper aufgeführt.

Diesen Einsparungen sind die Investitionskosten gegenüberzustellen. Diese ergeben sich aus den Kosten für die Wabenkörper, die Demontage und Entsorgung der Sattelkörper und die Montage der Wabenkörper. Handelt es sich um eine Zweikammeranlage, so beträgt der Wabenkörperbedarf 4,41 m² Querschnittfläche x 1,5 m Betthöhe x 2 Kammern = 13,23 m³, bei einer Dreikammeranlage 4,41 x 1,5 x 3 = 19,85 m³. Die Menge der Sattelkörper beträgt sinngemäß für eine Anlage mit zwei Kammern 14,11 m³ bzw. 21,17 m³ für drei Kammern.

Unterstellt man für die Demontage und Entsorgung der Sattelkörper eine Pauschalsumme von 300 !/m³ und für die Beschaffung und Montage der Wabenkörper 3000 !/m³, so betragen die Investitionskosten für die Zweikammeranlage 43 923 ! und für die Dreikammeranlage 65 901 !. Dies zeigt, dass in diesem Fall die Umrüstung innerhalb eines Jahres amortisiert ist.

Auch in diesem Fall beträgt die Durchsatzleistung der Anlage zunächst 20 000 Nm³/h. Allerdings steht hier nicht die Reduzierung der Betriebskosten, sondern eine Erhöhung der Durchsatzleistung um 50% auf 30 000 Nm³/h im Vordergrund des Interesses. Hierbei sind nicht die Betriebskosten zu vergleichen, sondern die Investitionskosten für die Umrüstung im Vergleich zu einer weiteren neuen Anlage mit einer zusätzlichen Durchsatzleistung von 10 000 Nm3/h. Es liegt auf der Hand, dass die Umrüstung in jedem Fall wirtschaftlicher ist als eine komplette neue Anlage. Dies gilt zumindest so lange, als die gesteigerte Leistung von den übrigen Anlagenteilen wie Gebläse, Rohrleitungen, Klappen, Brennkammer usw. verkraftet werden kann und ist daher im Einzelfall zu prüfen.

Neben den den Wärmeübergang und den Druckverlust bestimmenden Faktoren wie spezifische Oberfläche, freier Querschnitt und spezifische Wärmekapazität sind bei der Werkstoffauswahl noch weitere Wabeneigenschaften hinsichtlich der vorliegenden Prozessbedingungen auszuwählen. Hierbei sind die Temperaturwechselbeständigkeit, die maximale Anwendungstemperatur und ggfs. die Säurebeständigkeit zu berücksichtigen. Um ein möglichst breites Anwendungsspektrum abdecken zu können, sind keramische Wabenkörper in den Werkstoffen säurefestes Tonerdeporzellan, dichter Cordierit, poröser Cordierit und poröser Mullit verfügbar.

Keramische Wabenkörper stellen eine wirtschaftliche Variante zu keramischen Sattelkörpern dar, wenn es darum geht, entweder an einer bestehenden RNV-Anlage die Durchsatzleistung zu erhöhen oder die Betriebskosten zu senken. Bei der Auswahl der Wabenkörper sind neben der unterschiedlichen Geometrie (spez. Oberfläche, Lückengrad usw.) auch die für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneten Werkstoffe auszuwählen. Rauschert Verfahrenstechnik bietet neben der Lieferung von Waben- und Sattelkörpern die Beratung bei der Werkstoffauswahl und die Auslegungsberechnung für regenerative Wärmespeicher an.

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