Breiter Industrieeinsatz möglich

Der Energieinhalt im Wasserdampf von Abgasen lässt sich mithilfe der Brennwerttechnik nutzbar machen. Korrosionsbeständige Werkstoffe in Wärmetauschern und feuchteunempfindliche Abgassysteme und Kamine ermöglichen dies langfristig ohne Schäden. Für die Brennwertnutzung ist es hierbei erforderlich, dem Abgas nicht nur die fühlbare Wärme, sondern teilweise auch die im Wasserdampf gebundene Kondensationswärme zu entziehen.

Vergleicht man die für die Brennwertnutzung relevanten Kenndaten gebräuchlicher Brennstoffe, so bietet Erdgas das höchste Nutzungspotenzial. Im Vergleich zu Heizöl EL steht mehr Kondensationswärme auf höherem Kondensationstemperaturniveau zur Verfügung, d. h. die Abgaskondensation setzt bereits bei höheren Abgastemperaturen ein. Durch die Verbrennung entstehende Abgase sind nahezu ruß- und schwefelfrei. Dadurch ist der Aufwand zur Reinigung verschmutzter Heizflächen zur Erhaltung der Effektivität und Vermeidung von Betriebsstörungen gering. Da auch der pH-Wert des Abgaskondensates im Vergleich zu Heizöl EL höher ist, ist der Aufwand für die Entsorgung des Abgaskondensates niedriger.

Die stärkere Marktdurchdringung von schwefelarmem Heizöl führt zu einer verstärkten Nachfrage von Brennwertsystemen auch für diesen Brennstoff. Der geringe Schwefelgehalt begünstigt eine rußfreie und rückstandslose Verbrennung, so dass die Abgaskondensation auch bei schwefelarmen Heizöl ausgenutzt werden kann.

Für den Brennstoff Heizöl EL kann die Brennwerttechnik nicht empfohlen werden, da zur Aufrechterhaltung eines störungsfreien, effektiven Kesselbetriebes ein sehr häufiges Reinigen verschmutzter Heizflächen mit anschließender Entsorgung anfallen würde.

Brennwertkessel und Gasthermen für vergleichsweise kleine Leistungsgrößen werden meist vollständig aus Edelstahl hergestellt. Die Fertigung von Heißwasserkesseln mit großer Leistung erfolgt aus technischen Gründen und wegen der hohen Kosten nicht aus Edelstahl. Sie werden für die Brennwertnutzung mit speziellen Edelstahl-Abgaswärmetauschern ausgestattet, die am Kessel integriert sind oder als separates Modul installiert werden.

Bei der Brennwertnutzung an Dampfkesselanlagen finden zweistufige Abgaswärmerückgewinnungssysteme Verwendung. Der erste, meist am Kesselkörper integrierte Economiser, kühlt die Abgase auf circa 130 °C. Im Abgasstrom nachgeschaltet kommt ein Edelstahl-Abgaswärmetauscher als separates Modul zum Einsatz.

Bis vor einigen Jahren lag der Anwendungsschwerpunkt der Brennwertnutzung im Bereich der kleinen Brennwertkessel und Gasheizthermen für die Zentralheizung und Brauchwassererzeugung kleiner Wohneinheiten. Mittlerweile hat sie sich auch im großen Leistungsbereich durchgesetzt.

Entscheidend für die Höhe der erzielbaren Brennwertnutzung sind das Heizungssystem und die tatsächlichen Betriebstemperaturen. Grundsätzliche Voraussetzung sind Heizungssysteme, bei denen das Heizungswasser im direkten Kreislauf durch Kessel und Heizkörper umgewälzt wird. Weiterhin sollte mit witterungsgeführter Kesselregelung für gleitende Kesselwasserregelung gefahren werden. Neu projektierte Fußbodenheizsysteme und großflächige Niedertemperaturheizkörper sind für Brennwertkessel und ganzjährigen Kondensationsbetrieb besonders geeignet. Hochdruck-Heißwassererzeuger für Prozess- oder Fernheizsysteme mit Primärheizkreisen zur Beheizung von Hausstati-onen und daran angeschlossene Sekundärheizkreise zur Beheizung von Gebäuden werden meist mit System-Rücklauftemperaturen über 100 °C, also weit über dem Abgastaupunkt, betrieben, so dass die Brennwerttechnik nicht anwendbar ist. Es werden allerdings Abgaswärmetauscher für „trockenen“ Betrieb eingesetzt und damit Kesselwirkungsgrade bis zu 98 % erzielt. Brennwertnutzung ist in diesen Fällen nur möglich, wenn ein Niedertemperatur-Sekundärkreislauf in der Anlage verfügbar ist.

Höchste Brennwertnutzung lässt sich mit möglichst niedrigen Rücklauftemperaturen erzielen. Der Netzrücklauf mit den niedrigsten Temperaturen (unter dem Abgastaupunkt des Brennstoffes) durchströmt den Kondensationswärmetauscher, wodurch an den Heizflächen des Wärmetauschers Kondensation einsetzt. Die Abgase werden abgekühlt, der Niedertemperaturheizkreis aufgeheizt und dem Heißwassernetz wieder zugeführt.

Der Netzrücklauf zum Kessel wird vor Eintritt in den Kessel mithilfe des Moduls Rücklauftemperaturhochhaltung auf die erforderliche Mindestwassereintrittstemperatur im Kessel von 50 °C mit Vorlaufwasser gemischt. Im Kessel erfolgt durch einen Spezialinjektor im Kesselscheitel eine wirksame Durchströmung und Durchmischung. Der Regelbereich zugeordneter, auch modulierender Brenner, kann voll ausgeschöpft werden. Auch im Schwach- und Kleinlastbereich des Brenners ergeben sich lange Brennerlaufzeiten mit geringen Abgastemperaturen und optimaler Brennwertnutzung. Durch die Rücklauftemperaturhochhaltung lassen sich Kesselwassertemperaturen unterhalb vom Abgastaupunkt des Brennstoffes vermeiden, die zu Korrosionen im Kessel führen würden.

Dampferzeuger mit Mediumstemperaturen meist zwischen 150 und 200 °C werden mit entgastem Speisewasser und Temperaturen zwischen 85 und 105 °C gespeist. Die Abgastemperaturen dieser Dampfkessel liegen physikalisch bedingt zwischen 230 und 280 °C. Zur Reduzierung der Abgasverluste sind Abgaswärmetauscher für die Speisewasseraufheizung im Einsatz. Die Abgase werden dabei bis auf rund 130 °C, noch deutlich im „trockenen“ Bereich über dem Taupunkt liegend, abgekühlt. Eine Brennwertnutzung ist mit diesen Energiekonzepten nicht möglich. Durch den Einsatz einer zweiten Wärmetauscherstufe mit Niedertemperaturverbrauchern lässt sich jedoch auch bei Hochdruckdampferzeugern eine Brennwertnutzung erreichen.

Im Gegensatz zu Gebäudeheizsystemen mit klar definierbaren System- und Rücklauftemperaturen finden sich in der Industrie die unterschiedlichsten Dampfanwendungs- und Beheizungssysteme. Dadurch konkurrieren die verschiedensten Energiespar- und Wärmerückgewinnungssysteme miteinander. Eine gründliche Analyse aller Abwärmeströme und Wärmeverbraucher ist erforderlich, um die wirtschaftlichste Lösung zu finden.

Bei Dampfversorgungsanlagen wird möglichst viel Kondensat zurückgewonnen, um dieses der Speisewasserversorgung des Kessels wieder zuzuführen. Allerdings gibt es auch Systeme, bei denen durch direkte Dampfheizung kein Kondensat zurückgewonnen wird, oder es fällt mit Fremdstoffen belastetes, nicht wiederverwendungsfähiges Kondensat an. Zusätzlich gibt es Verluste durch Absalzung, Abschlammung, Nachverdampfung und Leckage. Diese Verlustmengen sind sehr unterschiedlich. Sie können weit über der Hälfte der erzeugten Dampfmenge liegen und müssen durch Zusatzwasser ersetzt werden, das nach der Wasseraufbereitung meist mit maximal 15 °C zur Verfügung steht und sich sehr gut für die Vorwärmung im Abgaskondensator eignet. In vielen Industriebetrieben besteht großer Brauchwassermengenbedarf. In diesen Fällen kann das härtefreie Brauchwasser mit einem Abgaskondensator vorgewärmt werden. Die erreichten Wassertemperaturen liegen bei ca. 50 bis 70 °C. Eine weitere Erwärmung des Brauchwassers auf höhere Entnahmetemperaturen kann mit einem nachgeschalteten dampfbeheizten Wärmetauscher erfolgen.

Die korrosionsgefährdeten Gehäuseteile für den Abgaskondensator sowie Abgasleitungen und Kamine werden meist aus Edelstahl gefertigt. Durch die Brennwertnutzung ergeben sich äußerst geringe Abgastemperaturen bis herunter auf ca. 50 °C. Der natürliche Kaminzug reicht nicht aus, um die Abgase, wie sonst üblich, mit Unterdruck in den Abgaswegen wirtschaftlich abzuleiten. Die Abgasanlage (einschließlich Kamin) sollte deshalb abgasdicht, für abgasseitigen Überdruckbetrieb ausgelegt sein, um verringerte Querschnitte zu ermöglichen. Der Brenner bzw. das Verbrennungsluftgebläse der Kesselfeuerung ist zur Überwindung aller rauchgasseitigen Widerstände entsprechend auszulegen.

Die tatsächlich anfallenden Kondensatmengen sind abhängig vom Kondensationsgrad und liegen meist zwischen 40 und 60 % der theoretischen Kondensationsmenge. Gemessen mit dem pH-Wert als Säuregrad für Flüssigkeiten hat Abgaskondensat aus der Verbrennung von Erdgas einen pH-Wert zwischen 2,8 und 4,9 bzw. aus der Verbrennung von schwefelarmem Heizöl zwischen 1,8 und 3,7. Die Kondensattemperaturen liegen im Temperaturbereich von 25 bis 55 °C. Für die Einleitung in das öffentliche Abwassernetz sind die kommunalen Abwasservorschriften zu beachten. Von der Abwassertechnischen Vereinigung (ATV) wurde ein Merkblatt herausgegeben, das für Feuerungen mit Brennwertnutzung ab 200 kW Heizleistung eine Neutralisationseinrichtung und die Einhaltung eines pH-Wertes > 6 empfiehlt. Für die Neutralisation lassen sich für Kleinanlagen Filter mit erneuerbarer Dolomitfüllung und für Großanlagen Behälter mit Dosiereinrichtungen für Natronlauge (Flüssig-Neutralisationseinrichtungen) einsetzen, die den pH-Wert anheben.

Online-Info www.dei.de/1109448