Thermalölerhitzer mit Low-NOx-Feuerung

Dipl.-Ing. (FH) Silke Weisenstein

Im Februar dieses Jahres hat eine Kristallisationsanlage zur Produktion von Anthracen und Carbazol – dies sind Ausgangsstoffe für Farbpigmente – am Chemiestandort in Castrop-Rauxel den Betrieb aufgenommen. Die Beheizung des Prozesses erfolgt indirekt über Thermoölkreisläufe. Die primäre Thermoölerhitzung übernimmt ein vertikal angeordneter Kontaktomat-Thermalölerhitzer der Classen Apparatebau Wiesloch GmbH, der zur Verbesserung des Wirkungsgrades mit einem Verbrennungsluftvorwärmer ausgerüstet ist. Die Netto-Leistung des Erhitzers beträgt 10 MW, Brennstoff ist Erdgas sowie ein gasförmiger Nebenstoff aus der Produktion. Der Brenner ist unterhalb des Erhitzers angeordnet und feuert nach oben. Der Erhitzermantel ist dabei tragend bis auf den Boden herabgezogen und bildet so gleichzeitig einen überdachten Heizerstand.

Im Kontaktomat wird das Thermalöl, das durch zwei fünfgängige Rohrschlangen fließt, auf 345 °C erhitzt. Die Rohrschlangen sind hintereinander geschaltet. Mittels fünf Strömungsmessblenden erfolgt so eine vollkommene Strömungsüberwachung, die nach DIN 4754 gefordert ist, um Überhitzungen des Wärmeträgers in möglichen Totbereichen der Strömung vorzubeugen. Diese könnten zu isolierenden Ablagerungen führen und örtlich den Erhitzer als auch den Wärmeträger schädigen.

Der Abgasstrom wird über drei Rauchgaszüge durch den Erhitzer geführt. Diese Anordnung erlaubt eine sehr gute Anpassung an die veränderlichen Rauchgasdichten und Temperaturen und sichert so die optimale Ausnutzung der wärmeübertragenden Heizflächen innerhalb des Erhitzers.

Als Wärmeübertragungsmedium dient Therminol 66. Der Siedebeginn bei Atmosphärendruck liegt bei diesem Thermoöl bei etwa 340 °C. Bei der vorgesehenen Betriebstemperatur liegt der Dampfdruck bei nur 0,1 bar (Überdruckangabe), so dass eine geringe Überlagerung mit Stickstoff ausreicht, um die Anlage unterhalb des Siedepunktes zu betreiben.

Die Umwälzung des Thermalöles erfolgt ausschließlich mittels Spaltrohrmotorpumpen. Diese Pumpen weisen keine Wellendurchführungen durch das Öl führende Gehäuse auf und können so hermetisch dicht abgeschlossen werden. Spaltrohrmotorpumpen finden deshalb ihren Einsatz vor allem in Chemieanlagen, in denen Produkte mit hohem Gefährdungspotenzial, mit Neigung zur Kristallisation oder Polymerisation sowie mit hohen Temperaturen gefördert werden, aber auch in Bereichen, in denen Leckagen auch ungefährlicherer Substanzen, wie zum Beispiel Therminol 66, unbedingt zu vermeiden sind.

Die Thermoölkreise sind unterteilt in einen Primärkreis, der den Erhitzer durchströmt, und zwei Sekundärkreise, die über Wärmeaustauscher aufgeheizt werden, wobei eine vollkommene hydraulische Trennung vorliegt. Während der Primärkreis, der die Wärme vom Erhitzer zu den Wärmeaustauschern transportiert, nur etwa 20 m³ Thermoöl enthält, beträgt die Füllmenge der beiden Unterkreise etwa 80 m³. Die beiden Systeme arbeiten mit genau abgestimmten Vorlauftemperaturen unterhalb der Temperatur des Primärkreises und verwenden hierzu spezielle Übertragungsöle aus der Produktion des Anlagenbetreibers.

Da Thermoölerhitzer zwangsweise eine hohe Abgastemperatur und damit hohe Abgasverluste aufweisen, müssen sekundäre Maßnahmen ergriffen werden, den Wirkungsgrad anzuheben. In diesem Fall ist dem Thermalölerhitzer ein Verbrennungsluftvorwärmer nachgeschaltet. Das Rauchgas strömt von oben durch dicht eingeschweißte Glattrohre nach unten und erwärmt dabei die benötigte Verbrennungsluftmenge, die um die Rohre strömt, vor Eintritt in den Brenner auf etwa 230 °C. Entsprechend senkt sich die Abgastemperatur der Anlage vor Ableitung über den Schornstein. Als Ergebnis werden feuerungstechnische Wirkungsgrade von etwa 94,5 % erreicht, die durch den sehr hohen Regelbereich des Brenners ohne Regelabschaltungen über einen Leistungsbereich ab etwa 1,5 MW bis 10 MW gehalten werden können.

Ein Brennerbetrieb mit vorgewärmter Verbrennungsluft führt im Allgemeinen zu einer erhöhten NOx-Emission. Der hier verwendete Low-NOx-Brenner wartet jedoch mit modernster Technik auf. Durch Ausnutzung der kinetischen Energie des einströmenden Brenngases (bis zu 3 bar Überdruck) findet eine selbsttätige Rauchgaszirkulation im Brennraum statt. Das Gas strömt über einen Verteilerring in die Gaslanzen und wird zum Ausströmsystem geleitet. Rezirkulationsöffnungen im Bereich des sich im Brennraum befindlichen Düsenstocks bewirken eine Ansaugung der Rauchgase, die wiederum der Verbrennung zugeführt werden. Durch diese Einrichtungen erreicht die Feuerungsanlage einen hervorragenden, praktisch CO–freien Ausbrand bei geringem O2-Überschuss und einer NOx-Emission deutlich unter 100 mg/m³ – trotz der relativ hohen Verbrennungsluftvorwärmung.

Zur optimalen Regelung des Verhältnisses zwischen Brennstoff und Verbrennungsluft kommt eine elektronische Verbundsteuerung zum Einsatz. Diese regelt nach der augenblicklichen Feuerungsleistung. Periphere Einflüsse wie Brennstoffschwankungen und Lufttemperaturänderungen werden von der Steuerung jedoch nicht erkannt. Diese äußerlichen Einwirkungen werden daher von einer sich im Abgasstrom befindlichen Sauerstoffsonde ausgeglichen. Eine Messsonde ermittelt den O2-Gehalt im Abgas und erzeugt ein direkt proportionales Strom-Ausgangssignal. In der Brennerregelung wird dieses Signal mit dem eingegebenen, lastabhängigen Sollwert verglichen. Bei zu starker Abweichung des Ist- und Sollwertes wird ein Regelsignal an die Verbundsteuerung gegeben und das Brennstoff-Luft-Verhältnis korrigiert. Dies sichert den Betrieb mit geringstmöglichem Luftüberschuss, also höchstmöglichem Wirkungsgrad auch bei schwankenden Witterungsbedingungen.

cav 478