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Mittwoch, 18.12.2002
Effiziente Prozessgasnutzung
Der Energiegehalt von Prozessgasen entspricht in etwa einem Sechstel des Erdgasverbrauchs in Deutschland – ein enormes Energiereservoir. Prozessgase entstehen als Nebenprodukte in vielen industriellen Produktionsverfahren und können thermisch genutzt werden. Am Betriebsforschungsinstitut (BFI) Düsseldorf wurde jetzt eine dynamische Brennerregelung entwickelt, die eine effizientere thermische Verwertung dieser brennbaren Gase ermöglicht. Das Projekt „Effiziente Prozessgasnutzung“ stellt die Forschungsentwicklung vor.
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Im Vergleich zum Erdgas haben Prozessgase meist einen geringeren Heizwert, niedrige Flammentemperaturen und eine schwankende Zusammensetzung. Häufig sind sie durch Begleitstoffe verunreinigt, die Schadstoffemissionen oder Betriebsstörungen verursachen können.
In der Praxis werden anfallende Prozessgase daher oft mit geringem Wirkungsgrad verwendet oder schlicht abgefackelt. Die verbesserte Nutzung von Prozessgasen war Ziel von Forschungsarbeiten, die in den letzten Jahren mit Förderung des Bundeswirtschaftsministeriums durchgeführt wurden.
Im Folgenden werden praxisnahe Arbeiten vorgestellt, die im Betriebsforschungsinstitut (BFI) VDEh-Institut für angewandte Forschung GmbH Düsseldorf durchgeführt wurden.
Schnelle Regelung von Prozessgasen
Brenngase mit schwankenden Heizwerten können für viele Feuerungsprozesse eingesetzt werden, wenn es gelingt, Gasmenge sowie das Gas-Luft-Verhältnis kontinuierlich und schnell zu regeln. Neuartige Regelungsverfahren mit kontinuierlicher und dynamischer Messung der zentralen Brenngaseigenschaften ermöglichen eine sehr schnelle Ausregelung dieser Schwankungen. Damit können regelbare Industriebrenner genauer als bisher an schwankende Gaszusammensetzungen angepasst werden.
Ein solches System wird aktuell bei einer Hochofen-Winderhitzeranlage zusammen mit optimierten Regeleinheiten und Sensoren eingesetzt. Durch das Maßnahmenpaket wird der Erdgasverbrauch der Anlage erheblich gesenkt. Weitere Anwendungen in der Erdölchemie, der Stahlindustrie und bei der eichamtlichen Abrechnung von Faulgasen belegen die Praxistauglichkeit.
Reinigung von Prozessgasen
Zu den problematischen Verunreinigungen von Prozessgasen gehören insbesondere höhersiedende Kohlenwasserstoffe, Schwefel- und Stickstoffverbindungen. Um solche Gase betriebssicher und mit geringem Instandhaltungsaufwand verwenden zu können, wurde ein primärseitiges Verfahren zur weitgehenden Entfernung solcher Begleitstoffe entwickelt.
Dabei strömt das Prozessgas durch einen oder mehrere mit Aktivkohle oder Aktivkoks gefüllte Reaktoren (Festbett- oder Wanderbettreaktoren) und wird durch Adsorption der Begleitstoffe an den porösen Feststoffen gereinigt.
Durch die niedrige Selektivität des Verfahrens hinsichtlich sehr unterschiedlicher Gaskomponenten wird ein Großteil der störenden Inhaltsstoffe vom Gasstrom getrennt.
Das dezentral einsetzbare Verfahren zeichnet sich durch lange Standzeiten bei niedrigen Betriebskosten aus. In einem Walzwerk ist eine Pilotanlage geplant, bei der polycyclische Kohlenwasserstoffe aus teilgereinigtem Koksofengas entfernt werden sollen.
NOx-Minderung an Feuerungsanlagen
Die in Prozessgasen enthaltenen Brennstoff-Stickstoffverbindungen können zu einer Erhöhung der Stickoxide im Abgas beitragen. Zur Reduzierung dieser Stickoxidemissionen stehen verschiedene Maßnahmen zur Verfügung.
Mit bekannten Entstickungsverfahren wie der selektiven katalytischen Reduktion (SNCR-Verfahren) lassen sich NOx-Minderungen von bis zu 95 % erzielen. Bei Großanlagen, wie z. B. Kraftwerken, können diese Verfahren trotz der hohen Investitions- und Betriebskosten wirtschaftlich eingesetzt werden. Für kleinere Betriebsanlagen ist dies nicht der Fall.
Das neue Verfahren der Hochtemperatur-Reduktion (HTR) baut auf der luftgestuften Verbrennung auf und nutzt die Mechanismen der Stickstoffreduktion durch Additive wie Ammoniakwasser oder Harnstoff. Vom SNCR-Verfahren unterscheidet es sich durch den Temperaturbereich und den Eindüsungsort im Bereich unterstöchiometrischer Verbrennung. Mit dem Verfahren lassen sich NOx-Minderungen von über 90 % bei niedrigen Betriebskosten und geringer Ammoniak-Emission erreichen. Das Verfahren ist mit geringem baulichen Aufwand nachrüstbar und kann mit anderen Entstickungsmaßnahmen kombiniert werden.
Brenneroptimierung an Durchlauföfen
Die Verbrennung von Prozessgasen mit schwankendem Heizwert erfordert den Einsatz spezieller Brenner. In Zusammenarbeit mit mittelständischen Brennerherstellern wurden Prototypen regelbarer Brenner entwickelt, die über einfache Regelmechanismen an Gaseigenschaften wie Heizwert und Luftbedarf angepasst werden können. Die bei diesen Arbeiten entwickelten Methoden und Komponenten eignen sich auch zur Optimierung von Öfen, die mit konventionellen Brennern ausgestattet sind.
Fazit
Trotz enormer Einsparungen, insbesondere bei der energieintensiven Industrie, kann auch heute noch ein wirtschaftliches Energiesparpotential umgesetzt werden. Bei zahlreichen wärmetechnischen Anlagen sind Energieeinsparungen von bis zu 10 % durch optimierte Steuerung möglich. Allein durch organisatorische Maßnahmen auf Betriebsebene lässt sich der Energiebedarf oft um 4 – 6 % reduzieren. Neben Maßnahmen wie verbesserter Prozessführung, effizienteren Brennern und Kesselanlagen, besserer Isolation an Dampfleitungen, Öfen und Trocknern, der Kondensatrückgewinnung sowie der Abwärmenutzung stellt auch die verstärkte Nutzung von Prozessgasen ein großes Einsparpotential dar.
Quelle: BINE Informationsdienst
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