Modelle senken Betriebskosten

Bernhard Hug

Schlecht ausgelegte Gasführungen von Anlagen arbeiten ineffizient. So erzeugen Rohrbögen, Aufweitungen und Einbauten im Strömungsquerschnitt Turbulenzen. Diese können sich fortsetzen und verstärken, was zu Schieflagen oder Rückströmungen führen kann und den Druckverlust erhöht. Trotz hoher Reynolds-Zahlen ziehen sich auf diese Weise Additiv- oder Temperatursträhnen über lange Leerrohrstrecken unvermischt weiter.

Die Kombination von praktischer sowie theoretischer Fluid-Dynamik mit Erfahrungswerten vom Großanlagenbetrieb bietet gute Voraussetzungen, diese Probleme bei Gasprozessen zu optimieren. Sind die wichtigsten Rauchgasdaten wie Masseströme, Temperaturbereiche und statische Drücke bekannt, können erste Auslegungen bezüglich den Kanalabmessungen gemacht werden. Mit diesen theoretischen Durchschnittsgeschwindigkeiten lassen sich beispielsweise geeignete Leitbleche in Umlenkungen, Aufweitungen oder Eintrittshauben definieren. Deren exakte Gestaltung spielt dabei eine große Rolle. Leider ist es unumgänglich, bei jeder Anlage einzeln die kritischen Zonen zu simulieren. Grundsätzlich stehen hierfür folgende Werkzeuge zur Verfügung: CFD (computing fluid dynamics) und der maßstäbliche Modellbau.

Für Strömungsmodelle wird je nach Größe der Anlage oder des Anlagenbereiches ein Maßstab von 1 : 5 bis 1 : 12 gewählt. Alle strömungsrelevanten Einbauten werden im Miniatur-Maßstab exakt nachgebildet. Größere Druckverluste, wie sie Katalysatoren oder Wärmetauscher verursachen, simulieren eingebaute Lochbleche. Diese realen, physischen Strömungsmodelle werden bezüglich Geschwindigkeitsverteilungen, Druckverlusten, Tracergashomogenitäten, Temperaturverteilungen und Staubablagerungen ausgemessen. Indem starker Rauch in die Modelle eindosiert wird, kann die jeweils aktuelle Strömungssituation sichtbar gemacht werden. Videoaufnahmen zeigen Wirbelablösungen sowie deren Verlauf. Woll- oder Tapebänder zeigen die Richtungen der Vektoren an jedem beliebigen Ort an. Die Skalierbarkeit der Modelle ist grundsätzlich bis zu einem Maßstab von 1 :12 gegeben. Da die Luft bei Modellversuchen der Raumtemperatur entspricht, ergeben sich andere Reynolds-Zahlen als in Großanlagen. Dies muss in Bezug auf Homogenität und Druckverlust berücksichtigt werden. Die Impulse an den Leitblechen sind aber äquivalent.

Das wichtigste Kriterium bei allen Strömungsoptimierungen ist die Kenntnis der herrschenden Geschwindigkeitsverteilungen. Vor einer Ammoniak-Eindüsung oder einem Katalysator sind Abweichungen von ±10% üblich. Dies wird nur bei einer optimalen Strömungsführung mit Hilfe von Leitblechen erreicht. Zur Geschwindigkeitserfassung kommen verschiedene Messgeräte wie das Staudruck-Rohr oder das Aenometer zur Anwendung. Mit ihnen lassen sich die Beträge sowie die Richtungen der einzelnen Geschwindigkeits-Vektoren von 1 bis 30 m/s erfassen.

Bei Prozessen mit hohen Staubbeladungen, wie dies z. B. bei Rohgasschaltungen von Denox-Anlagen oder Anströmungen von Filtern der Fall ist, lohnt sich der Einsatz von geeigneten Leitblechen besonders. Dabei sollte in horizontalen Kanälen die Strömungsgeschwindigkeit auf dem Bodenbereich nie unter 10 m/s fallen. Staubverteilungen lassen sich im Modellmaßstab ausgezeichnet simulieren und empirische Lösungen finden.

Für diverse Teilprozesse in Rauchgasanlagen sind homogene Bedingungen eine Voraussetzung. Statische Mischer können hier für Abhilfe sorgen. Sie gewährleisten eine optimale Mischgüte und klar definierte Strömungsverhältnisse und erhöhen so die Produktivität und Effizienz von Gasprozessen.

Voraussetzung: der statische Mischer ist genau auf die jeweiligen Verhältnisse abgestimmt. Nur dann lassen sich die geforderten Mischaufgaben auf kürzester Kanalstrecke realisieren.

In vielen Anlagen werden noch heute statische Mischer eingesetzt, die den ganzen Querschnitt eines Rauchgaskanals ausfüllen. Dabei beeinflussen größere Oberflächen den Mischeffekt nicht. Sie erzeugen vielmehr einen unnötigen Druckverlust, der oft durch leistungsstärkere Gebläse kompensiert werden muss. Auf Basis umfangreicher Untersuchungen wurden deshalb Mischkonzepte standardisiert, die nur einen Bruchteil des offenen Kanalquerschnitts benötigen. Die Kanalarchitektur und Einbauten unterstützen dabei das Mischen. Ziel ist es, nur soviel Blech wie nötig einzubauen. Nach einer ersten Mischstufe und einem Leerrohrabschnitt folgt eine zweite Mischstufe, die von der Vorverteilung profitiert. Das Verhältnis der Druckverluste vom Modell zur realen Anlage ist von den Dichteverhältnissen abhängig und die Dichten wiederum von den jeweiligen Temperaturen, Drücken und Gravitationshöhen. Die Mischkonzepte streben das Limit des benötigten Druckverlusts mit Widerständen von kleiner 1 mbar an.

Die optimale Art der Eindüsung ist von der Mischaufgabe und der Kanalarchitektur abhängig. Erfahrungswerte zeigen, dass sich die Anzahl der Eindüspunkte nach der Leerrohrlänge und der verwendeten Mischgeometrie richten sollte. Zur Homogenitätserfassung wird ein Tracergas über simulierte Eindüsepunkte in kleinen Konzentrationen eindosiert. Ein Netz an Proben wird abgesogen und analysiert. Die jeweiligen Konzentrationen ergeben den Vermischungsgrad. Kleinste Abweichungen im Geschwindigkeitsprofil vor den Eindüsungen führen zu Schieflagen oder Löchern in der Homogenität. Optimierte Mischgeometrien erzeugen Variationskoeffizienten unter 0,025. Dies bedeutet, dass 95,5% aller Messwerte innerhalb einer maximal zulässigen Abweichung von ±5% vom Mittelwert liegen.