Für hohe Temperaturen

Doppel-Salzerhitzer 2 x 4,5 MW mit Luftvorwärmung

Abb. 1 Dampfdruckkurven verschiedener Wärmeträgermedien

Abb. 2 Temperatur-Einsatzbereiche für verschiedene Wärmeträgermedien

Abb. 3 Prinzipschaltbild einer Wärmeübertragungsanlage mit Salzschmelzen als Wärmeträger

Während Wärmeträgerölanlagen inzwischen weit verbreitet sind, blieben Wärmeübertragungsanlagen mit Salzschmelzen bisher auf einige wenige Anwendungsbereiche begrenzt. Die dafür eingesetzten Salzgemische bilden bei Betriebstemperaturen bis zu 550 °C ein flüssiges Medium mit geringer Viskosität, hoher Wärmekapazität und sehr guten Wärmeübertragungseigenschaften.

Traditionelle Wärmeträger wie Luft und Wasser oder Wasserdampf sind zwar preisgünstig und umweltneutral, haben jedoch ihre Anwendungsgrenzen beim Einsatz im höheren Temperaturbereich. Oberhalb 100 °C baut Wasser einen Dampfdruck auf, der mit zunehmender Temperatur rapide ansteigt (Abb. 1). Bei hohen Drücken müssen aber Wärmeübertragungsflächen sehr dickwandig ausgeführt werden, was nicht nur die Anlagen verteuert und feine Strukturen unmöglich macht, sondern auch die Wärmeübertragung am Verbraucher behindert und eine schnelle Regelung unmöglich macht. Die Heißluftbeheizung kann dagegen ohne Druckanstieg bis in höchste Temperaturbereiche angewendet werden, ermöglicht aber nur eine geringe Wärmestromdichte und ist daher auf wenige Anwendungsbereiche begrenzt.

Eine Alternative für höhere Temperaturen ist der Einsatz von Wärmeträgerölen. Mit diesen Ölen ? entweder mineralische Erd-öl-Destillate oder synthetisch hergestellt ? können Temperaturen bis an die 400 °C-Grenze drucklos oder mit nur geringem Überdruck gefahren werden. Dabei können Wärmeübertragungsanlagen mit organischen Wärmeträgern auch in der Dampfphase arbeiten. Dafür müssen aber synthetische Substanzen in reiner Form oder als eutektisches Gemisch zum Einsatz kommen. Mit diesen Anlagen kann dann eine sehr gleichmäßige Erwärmung auch sehr feiner Strukturen erfolgen.

Noch höhere Betriebstemperaturen charakterisieren das Einsatzgebiet von Wärmeübertragungsanlagen mit geschmolzenen Salzmischungen (Abb. 2). Den Wärmeträger bilden dabei meist eutektisch schmelzende Gemische von zwei oder mehreren Salzen, da diese Gemische einen niedrigeren Schmelzpunkt als reine Salze haben und auch bessere Wärmeübertragungsfähigkeiten aufweisen. Die Salze bilden bei Betriebstemperatur ein flüssiges Medium mit geringer Viskosität, hoher Wärmekapazität und sehr guten Wärmeübertragungseigenschaften bei drucklosem Betrieb und Einsatzmöglichkeiten bis zu 550 °C. Dabei sind sie preisgünstig und weisen eine hohe Dauerstandfestigkeit auf.

Geeignete Salze und Salzmischungen werden inzwischen von mehreren Herstellern angeboten. Übliche Gemische sind:

? ein ternäres eutektisch schmelzendes Gemisch aus NaNO2, NaNO3 und KNO3 mit einer Schmelztemperatur von 142 °C, einem Schüttgewicht von 1200 kg/m3 bei einem spezifischen Gewicht des erstarrten Salzes von 2100 kg/m3 und einer Wärmekapazität von 1,56 kJ/kgK im Bereich von 200 bis 500 °C und

? ein binäres Gemisch von 45% NaNO2 und 55% KNO3 mit einer Schmelztempe-ratur von 141 °C, einem Schüttgewicht von ebenfalls 1200 kg/m3, einem spezifischen Gewicht der erstarrten Substanz von 2050 kg/m3 und einer Wärmekapazität von 1,52 kJ/kgK im gleichen Bereich.

Die Unterschiede der beiden Gemische liegen im Wesentlichen in der Wärmeleitfähigkeit. Diese ist beim Dreistoffgemisch deutlich höher, wodurch sich eine bessere Wärmeübertragung ergibt.

Die Beständigkeit dieser Salzmischungen ist sehr hoch. Bis ca. 480 °C erfolgt keine relevante Zersetzung. Oberhalb dieser Temperatur zersetzt sich das Gemisch mit steigender Temperatur gemäß:

Der wirtschaftliche Einsatz begrenzt sich damit auf etwa 550 °C. Einen erheblichen Einfluss auf die Einsatzstabilität hat die Erhitzerkonstruktion. Ähnlich wie bei Thermoölerhitzern muss die Filmtemperatur genau berechnet und überwacht werden. Dadurch ergeben sich Erhitzerkonstruktionen, die denen für Wärmeträgerölerhitzung ähneln. Aufgrund des drucklosen Betriebes können die Erhitzer trotz der hohen Temperaturen aus üblichen Werkstoffen wie St 35.81 oder 15 Mo 3 gefertigt werden. Erst über ca. 500 °C kommen hitzebeständige Edelstähle zum Einsatz. Zu beachten ist, dass Salzschmelzen mit Leichtmetallen heftige Reaktionen zeigen. Diese sind unbedingt zu vermeiden.

Salzanlagen werden selbstentleerend (Schwerkraftrücklauf) aufgebaut und bilden Kreisläufe über einen Bodentank, in den nach dem Abschalten der Anlage das gesamte Salz fließt, um ein Erstarren in der Anlage zu vermeiden (Abb. 3). In den unten angeordneten Salztank münden alle Rücklaufleitungen der Verbraucher unter ständigem Gefälle. Der Erhitzeranschluss erfolgt ebenfalls mit Steigung, was auch hier einen selbstständigen Entleervorgang ermöglicht. In den Salztank erfolgt auch die Erstfüllung mit granuliertem Salz. Dieser besitzt zum Anfahren eine Beheizungseinrichtung (meist dampfbeheizte Rohrbündel) zum ersten Aufschmelzen des Salzes. Ferner müssen auch alle Leitungen und Armaturen mit einer Begleitheizung vor Einschalten der Anlage auf eine Temperatur über dem Erstarrungspunkt der Salze gebracht werden. Zu beachten ist, dass eine Anfahrbeheizung mit Thermoölen nicht durchgeführt werden darf. Beim späteren Betrieb würde das Thermoöl thermisch zersetzt. Ferner reagieren Salzschmelzen bei Kontakt mit organischen Medien sehr heftig.

Innerhalb des Salztankes befindet sich eine Tauchpumpe, die durch die Tankbeheizung sozusagen mit aufgeschmolzen wird und so nicht separat vorgeheizt werden muss. Diese fördert bei Betrieb das Salz durch den Erhitzer zum Verbraucher. Um Oxidationen zu verhindern, werden die Salztanks mit Stickstoff überlagert.

Der Erhitzer selbst besitzt als Heizflächen zumeist zwei parallel geschaltete Rohrschlangen und ist als Zwei- oder Dreizug-erhitzer ausgeführt. Dabei ist eine stehende Ausführung zwingend notwendig, da auch der Erhitzer selbstentleerend ausgeführt sein muss. Vor Inbetriebnahme der Salzpumpe muss dieser Erhitzer vorgewärmt werden, damit kein Salz in den Rohrschlangen erstarrt. Dies erfolgt zweckmäßigerweise durch ein getaktetes Anfahren der Feuerung bei noch leeren Schlangen unter Überwachung der Schlangentemperatur mit Anlegethermostaten.

Die hohe Betriebstemperatur des Wärmeträgerkreislaufes bewirkt unvermeidbar eine hohe Abgastemperatur und damit einen begrenzten Wirkungsgrad des Erhitzers selbst. Dieser Wirkungsgrad kann aber durch Einsatz von Verbrennungsluftvorwärmern erhöht werden, wobei allerdings die hohen Vorwärmtemperaturen, die bei ca. 450 °C liegen, den Einsatz von Spezialbrennern notwendig machen. Abgasrezirkulationseinrichtungen und gestufte Verbrennungsluftzufuhr sind zum Senken der NOx-Emission üblich.

Nach Vorwärmen wird die Tauchpumpe eingeschaltet und Salz durch den Erhitzer gepumpt, der dann gleichzeitig in Betrieb gehen muss. Ein Anfahrbypass ermöglicht das schnelle Aufheizen des Primärkreislaufes bis zu einer Temperatur, bei der die Viskosität der Schmelze so weit abgesunken ist, dass ein Betrieb mit Brennervollast gefahren werden kann. Dann erst werden die Verbraucher zugeschaltet.

Eine alternative Anfahrmöglichkeit ist es, das Salz zunächst in Wasser gelöst zuzugeben. Bei steigender Temperatur verdampft es, bis schließlich die reine Salzschmelze zirkuliert. Diese Anlagen sind jedoch sehr aufwendig und daher nur selten ausgeführt.

Um die Selbstentleerung der Anlage zu gewährleisten, muss der Salztank unterhalb der Verbraucher und des Erhitzers platziert werden. Verteilnetze sind nur selten aufzubauen, da Rücklaufleitungen ausgeschalteter Verbraucher leer laufen müssen und dann durch Begleitheizung warmgehalten werden müssten. Dies kann aber nur auf eine vergleichsweise geringe Temperatur geschehen. Beim Anfahren derartiger Teilstränge treten dann Regelschwierigkeiten auf. Daher werden meist für jeden Verbraucher, oder zumindest für alle zusammengehörige Gruppen separate Erhitzer und Kreisläufe installiert.

Bei der Melaminherstellung werden Baugruppen zur Ammoniakerwärmung und Harnstoffzersetzung mit Salzschmelzen beheizt. Die besondere Eignung der Salzschmelzen ergibt sich aus den Forderungen einer kompakten Heizfläche und präziser Temperaturausregelung.

Ein anderes Anwendungsgebiet ist die Laugenkonzentration (NaOH und KOH). Ätznatron weist eine sehr hohe Siedetemperatur auf. Ferner müssen die Heizflächen aus Reinnickel hergestellt werden. Der Einsatz von Salzschmelzen zur Wärmeübertragung ermöglicht kleine Heizflächen bei sehr hohen Wärmestromdichten bis über 300 kW/m2. Diese Anwendung stellt den wohl verbreitetsten Anwendungsfall für Wärmeübertragungsanlagen mit Salzschmelzen dar. Weltweit sind etwa 150 derartige Anlagen in Betrieb.

Beim Aufschluss von Bauxit werden mit Salzschmelzen hohe Wärmestromdichten erzielt, die dabei genau ausregelbar sind. Die hohen möglichen Betriebstemperaturen erlauben auch den Betrieb mit den typischen unterschiedlichen Verschmutzungsschichten auf den Heizflächen. Diese Anwendungsfälle benötigen sehr große Einheiten mit Leistungen im 50 MW-Bereich, wobei sich dann mehrere Erhitzer im Parallelbetrieb befinden. Weitere Einsatzmöglichkeiten bieten Wärmespeicheranlagen (Solar), die indirekte Beheizung von Pyrolyseanlagen und sonstige Hochtemperaturanwendungen. Anlagengrößen sind in einem weiten Bereich zwischen einigen 100 kW bis über 150 MW möglich.

E cav 234

Dipl.-Ing. Claus Albrecht