Wärmerückgewinnung in korrosiven Prozessen

Der Autor: Tobias Schnurpfeil Geschäftsführer, GAB Neumann

Materialauswahl und die Festlegung einer geeigneten Bauform sind die wesentlichen Hürden beim Einsatz von Wärmeübertragern in korrosiven Prozessen. Je undefinierter die Einsatzbedingungen dabei sind, desto schwieriger sind diese Hürden zu nehmen. Insbesondere in Mehrzweckanlagen sowie im Bereich der Nutzung von Abwärme aus Verbrennungsprozessen ergeben sich so eine Reihe von zusätzlichen Problemfeldern. Da die vorhandenen Komponenten in den jeweiligen Strömen stark variieren und in ihrer Zusammensetzung schwanken können, kommt der Materialauswahl eine hohe Bedeutung zu.

Imprägnierter Graphit eignet sich für solchermaßen undefinierte Prozesse besonders. Seine hohe Korrosionsbeständigkeit hinsichtlich nahezu aller Säuren und Säuregemischen macht ihn den meisten alternativen Werkstoffen überlegen. Imprägnierter Graphit spielt dabei in einer Liga mit Tantal, Stahl-Email und Siliziumcarbid. Darüber hinaus zeichnet sich der Werkstoff durch eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und ein wettbewerbsfähiges Preisniveau aus.

Die hohe Materialverfügbarkeit ermöglicht auch kurzfristige Investitionen, ein stabiles, nicht volatiles Preisgefüge bildet eine solide Kalkulationsbasis, auch bei längeren Projektlaufzeiten. Nicht zuletzt hat imprägnierter Graphit aufgrund seiner speziellen molekularen Oberflächenstruktur trotz einer vergleichsweise rauen Oberfläche stark antiadhäsive Eigenschaften. Er ist hinsichtlich seiner Anhaftungsneigung damit sogar Glas oder Edelstahl überlegen. Diese wirkt einer potenziellen Verschmutzung durch die vorhandenen Medien wirkungsvoll entgegen.

Neben der geringen Anhaftungsneigung spielt auch die Bauform des Wärmetauschers eine wichtige Rolle. Gerade bei stark zur Verschmutzung neigenden Prozessen lässt sich durch eine turbulente Strömungsführung die Verschmutzungsneigung deutlich verringern.

Ringnut-Wärmeübertrager erfüllen diese Anforderung vorbildlich. So laufen hier die Strömungskanäle spiralförmig über aufeinanderfolgende Ebenen durch den Apparat. Dadurch wird bei vergleichsweise geringem Druckverlust eine hochturbulente Zwangsströmung erzeugt. Toträume, die besonders zu Ablagerungen neigen, sind nicht vorhanden. Da bei dieser Bauform beide Medien ausschließlich mit imprägniertem Graphit in Berührung kommen, eignet sie sich auch hervorragend für beidseitig korrosive Prozesse, z. B. zur Feedvorwärmung.

Currenta betreibt als Standortdienstleister unter anderem mehrere Sonderabfallverbrennungsanlagen und thermische Abluftreinigungen in Leverkusen und Dormagen. Die bei der Abgasreinigung anfallenden Waschwässer sind aufgrund des sehr breiten Spektrums an verbrannten Stoffen mit stark unterschiedlichen, teilweise hochkorrosiven Komponenten belastet. Darüber hinaus befinden sich in den Waschwässern Polysilikate, Polyphosphate und weitere unterschiedlichste Feststoffe, die zu extremen Verschmutzungen der Anlage, insbesondere im Bereich der Wärmeübertrager neigen.

Dennoch hatte Currenta das Ziel, die durch die Aufheizung im Waschprozess in das Medium eingebrachte Energie zu nutzen. Im Rahmen eines Energieeffizienzprojektes sollte die Wärme zur Vorheizung von Kesselspeisewasser bei der Dampferzeugung genutzt werden. Zum Einsatz kamen Ringnut-Wärmetauscher aus Graphit. „Das Gesamtprojekt inklusive Umbau der Anlage hat sich bereits nach etwa 1,5 Jahren amortisiert“, so Uwe Listner, verantwortlicher Betriebsingenieur für die Verbrennungsanlagen von Currenta.

Auch die Abwärme aus korrosiven Gas- bzw. Dampfströmen lässt sich mit Ringnut-Wärmeübertragern aus Graphit nutzen. Dabei kommen, anders als im vorher genannten Beispiel, spezielle Kondensatoren zur Nutzung der Kühl- und Latentwärme zum Einsatz. So setzt die Rhein Chemie, ein Hersteller von Additiven und Spezialchemikalien für die Kautschuk-, Schmierstoff- und Kunststoffindustrie, u. a. auf den Einsatz von Ringnut-Kondensatoren. Unter Nutzung von Energie aus einem korrosiven und mit Feststoffen beladenen Rauchgas einer vorhandenen thermischen Abluftreinigungsanlage wird hier Frisch- und Kesselspeisewasser vorgewärmt.

Die Rückgewinnung besteht aus zwei Stufen, einem Gaskühler aus Stahl, der bis etwas über dem Taupunkt die dort noch nicht korrosiven Abgase kühlt, und einem speziellen Ringnut-Kondensator. Anders als im klassischen Flüssig-Flüssig-Wärmeübertrager sorgen hier auf der Rauchgasseite axiale Bohrungen für einen großen Strömungsquerschnitt. Der Apparat trägt mit seinem optimierten Flächenverhältnis zwischen Produkt- und Serviceseite auch der Tatsache Rechnung, dass auf Rauchgasseite wegen des sehr geringen Wärmeübergangs eine große Austauschfläche erforderlich ist.

Gleichzeitig genügt auf der Serviceseite eine vergleichsweise kleine Fläche. Damit lassen sich Baugröße und auch Preis reduzieren. „Mit der Nutzung der thermischen Rauchgasenergie sparen wir zwischen 120 000 und 150 000 Euro im Jahr. Und wir verringern unseren CO2-Ausstoß um etwa 440 Tonnen“, erläutert Gregor Hilleke, Betriebsbetreuer bei Rhein Chemie in Mannheim.

Ringnut-Wärmeübertrager lassen sich hinsichtlich Strömungsquerschnitten und Flächenverhältnissen nahezu beliebig dimensionieren. Die Wärmeübertragungsfläche kann zwischen 0,7 und 55 m2 schwanken. Größere Flächen sind auf Anfrage möglich. Der Wärmeübertrager eignet sich für Betriebstemperaturen von -60 bis +200 °C und für Betriebsdrücke von -1 bis +10 bar (g). Die Mittlere Wärmedurchgangszahl der Ringnut-Wärmeübertrager liegt aufgrund der optimierten Strömungsverhältnisse zwischen 50 und 150 % über der anderer Graphit-Wärmeübetrager. Damit reduzieren sich Austauschfläche und Investitionskosten.

Neben Flüssig-Flüssig-Kühlern, Gaskühlern und Kondensatoren kommen im Bereich der Wärmerückgewinnung auch Rauchgasquenchen aus imprägniertem Graphit zum Einsatz. Durch deren spezielle Konstruktion lassen sich Abgasströme bis zu einer Temperatur von +1300 °C unter sehr korrosiven Bedingungen bei vergleichsweise geringen Investitions- und Betriebskosten kühlen. Aufwendige konstruktive Maßnahmen, z. B. der Schutz der Materialien mithilfe großer Wassermengen und der Einsatz teurer, aber dennoch starkem Verschleiß unterliegender und hochwarmfester Materialien, lassen sich damit vermeiden.

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