Vom Reststoff zum Wertstoff

Thermisches Verwerten organischer Reststoffe

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07.11.2013 One man´s trash is another man´s treasure –  Seit geraumer Zeit sieht sich die chemische Industrie erhöhten politischen, umwelttechnischen sowie genehmigungsrelevanten Rahmenbedingungen und Erschwernissen gegenüber. Die Anforderungen an das Entsorgen chemischer Abfälle  im Rahmen der Umweltverträglichkeit steigen kontinuierlich.

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Entscheider-Facts


Für Betreibe
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  • Der Einsatz von thermisch nutzbaren Rückständen aus Produktionsanlagen kann einen großen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten.
  • Betreiber können ihre Kohlenstoffdioxidbilanz deutlich verbessern, da die Reststoffe Primärbrennstoffe substituieren.
  • Zudem können sich in Zeiten immer teurer werdender Rohstoffe finanzielle Vorteile durch das Einsparungspotenzial für den Betreiber ergeben.

Auch wenn die Herstellungsprozesse in der Chemietechnik zunehmend die Möglichkeit eröffnen, Koppel- und Restprodukte wieder- beziehungsweise weiter zu verwerten und somit die Recyclingquote der Betreiber zu erhöhen, bleiben dennoch nicht selten große Mengen flüssiger und gasförmiger Reststoffe zurück. Diese können Betreiber in spezifisch auf die Reststoffe abgestimmten Anlagen thermisch für die Produktion nutzen, beispielsweise zur Prozessdampferzeugung oder Verstromung.

Planung mit Alternativszenarien
In den letzten 20 Jahren hat das Unternehmen Oschatz weltweit mehr als ein Dutzend solcher Anlagen gebaut, die beispielsweise in Produktionskomplexen zum Herstellen von Acrylsäure, Butandiol, Maleinsäureanhydrid (MAH) oder Tetrahydrofuran (THF) integriert sind. Sie ermöglichen das thermische Verwerten der Reststoffe sowie der Prozessspül- und -abgase (Off-Gase) dieser Verfahren und stellen eine ökonomische und ökologische Alternative zum Entsorgen der Reststoffe gegenüber einer Fackel dar. Die begrenzten Platzverhältnisse in Chemieparks können Ingenieure beim Planen solcher Anlagen schnell vor Probleme stellen. Anlagen in der chemischen Industrie sind häufig in Felder eingeteilt und machen eine kompakte Bauart der Reststoffverbrennungsanlagen notwendig. Aus diesem Grund werden die Hauptausrüstungs-Bauteile stehend ausgeführt.Neben der Kapazität für große Reststoffmengen und Off-Gasvolumen, langen Laufzeiten und ständiger Verfügbarkeit, verlangen Betreiber vor allem nach einer sicheren Entsorgungsmöglichkeit für anfallende Reststoffe und einer zuverlässigen Prozessdampfversorgung. Daher konzipiert der Dienstleister jede Anlage in enger Absprache mit den Betreibern, um die jeweiligen Anforderungen erfüllen zu können. Bereits ab der ersten Planungsphase ist zu berücksichtigen, dass die Anlagen für unterschiedliche Lastfälle ausgelegt und zu erweitern sein müssen, da das Aufkommen verwertbarer Rückstände von der Auslastung abhängt. Aufgrund umweltpolitischer Auflagen und individueller Anforderungsprofile rüstet der Hersteller die Anlagen mit folgenden Hauptkomponenten aus:
einer adiabaten Brennkammer für schwachkalorische Abgase beziehungsweise organisch verunreinigte Abgasverbindungen oder
einer  gekühlten Brennkammer für höherkalorische Reststoffe,
dem individuell für den Prozess entwickelten Mehrstoffbrennersystem,
einem prozessoptimierenden Luft- und Gasvorwärmer sowie Rauchgasrezirkulation, einem Abhitzesystem aus Überhitzer, Verdampfer, Economizer, gegebenenfalls Heizflächenreinigungs-Systemen sowie
der Prozesssteuerung für Anlagensicherheit und Verfügbarkeit.
Weiterhin variieren die Anforderungen an die Anlagen je nachdem, ob sie der Betreiber primär als Entsorgungs- beziehungsweise Verwertungsanlage oder zur Dampferzeugung und Gesamtprozessoptimierung der Produktion nutzen will.

Anlagen zum Erzeugen von Prozessdampf
Die Oxidation mit Luftsauerstoff im Verbrennungsvorgang wandelt die organisch belasteten Reststoffe in Abgaskomponenten um, von denen keine direkte Gefährdung mehr ausgeht. Bereits in der Planungsphase ist es wichtig, ob es sich um eine Verwertungs- oder Entsorgungsanlage handelt. Unter Verwertung ist zu verstehen, dass Betreiber energiereiche Reststoffe anstelle der regulären Brennstoffe für die Erzeugung von Prozessdampf nutzen, was sich ressourcen- und kostensenkend für die Gesamtanlage auswirkt. Im Gegensatz dazu bedürfen heizwertarme Reststoffe der Entsorgung, da für das thermische Umwandeln in der Regel das Stützen durch Zusatzbrennstoff erfolgen muss. Dies ist immer noch kostengünstiger als das ausschließliche Verwenden von konventionellem Brennstoff, da der Energiegehalt der zu entsorgenden Reststoffe ebenfalls genutzt wird. Die sowohl beim Verwerten als auch Entsorgen entstehende Energie nutzen Anwender in der Regel zum Erzeugen von Heißdampf, wobei das Beseitigen beziehungsweise Entsorgen der Reststoffe aus Sicht der Betreiber im Vordergrund steht. Um mit dem Entsorgen beziehungsweise Verwerten der Reststoffe beginnen zu können, muss die Brennkammer auf Betriebstemperatur arbeiten. Erst dann erfolgt aus dem Leitsystem die Freigabe für den Betrieb der Anlage mit Reststoffen. Die Betriebsbereitschaft stellt das System in der Regel mit herkömmlichen Brennstoffen, beispielsweise Erdgas oder Heizöl, her; aber auch andere verfügbare Brenngase wie Wasserstoff oder Butan sind möglich. Diese dienen auch zum Stützen der Temperatur beim Entsorgen von Reststoffen oder -gasen mit geringem Heizwert. Die Temperatur und die Verweilzeit beim Verbrennen müssen dabei so hoch sein, dass die thermische Zerstörung der jeweiligen Bestandteile der flüssigen oder gasförmigen Rückstände prozesssicher erfolgt. Je nach Beschaffenheit und Zusammensetzung der Reststoffe kann die Temperatur dabei zwischen 850 und 1.100 °C variieren. Die Verweilzeit muss zwischen einer und drei Sekunden liegen.

Die Mischung macht´s
Die Ausführung der Brennkammer und die Anordnung der Brenner bestimmen die Planer für gewöhnlich in Abhängigkeit von den Off-Gasströmen. Bei geringen Volumenströmen errichten sie die Brennkammer vertikal. Der Brenner sitzt auf der Brennkammer und feuert von oben. Bei größeren Volumenströmen ist eine Kombination aus horizontaler und vertikaler Brennkammer von Vorteil, da dies die Anlagenplanung erleichtert und Investitionskosten reduziert. Brenner und Gaseintritte sind bei dieser Bauart im Horizontalteil der Brennkammer angeordnet. Die Zuführung der Off-Gase in die Brennkammer erfolgt in mehreren Stufen, damit der Verbrennungsprozess gleichmäßig verläuft. Prozessgase mit hohem Heizwert behandelt die Anlage wie Brenngase und führt sie direkt dem Brenner zu. In der Regel stehen von diesen Gasen nur kleine Volumenströme zur Verfügung. Das Entsorgen der flüssigen Reststoffe erfolgt mit Hilfe von Lanzen durch Eindüsen in die Brennkammer. Das hierzu erforderliche Zerstäubungsmedium hängt von den Eigenschaften der Reststoffe ab, ebenso die Auswahl der Düsen. Das Eindüsen erfolgt im Normalfall mit Niederdruckdampf. Alternativ funktioniert auch Druckluft. In bestimmten Fällen kann das Eindüsen jedoch nur mittels Druckzerstäubung erfolgen. Um die Qualität der Zerstäubung über lange Zeit zu erreichen, müssen die Ingenieure bei der Auswahl der Düsen und des Düsenmaterials sehr sorgfältig vorgehen. Grund hierfür ist, dass die Qualität der Zerstäubung mit möglichst großer Oberfläche entscheidend für die Güte der Verbrennung ist. Rückstände mit hohem Heizwert ab circa 10 MJ/kg fasst das System in Mischbrennern zusammen und kombiniert sie mit der Verbrennungsluftversorgung des Anfahr- und Stützbrenners. In der Regel kann der Betrieb mit hochkalorischen Rückständen ohne zusätzlichen Brennstoff erfolgen. Abhängig von der Stabilität der Versorgung des Mischbrenners mit Rückständen ist häufig ein mit Regelbrennstoff betriebener Pilotbrenner zur Sicherheit des Verbrennungsprozesses vorgesehen. Flüssige Rückstände mit geringem oder negativem Heizwert leitet die Anlage erst nach Abschluss der vollständigen Verbrennung der über den Mischbrenner eingebrachten Rückstände in entsprechendem Abstand in die Brennkammer ein. Den Bedarf an Sauerstoff für diese Rückstände deckt der Luftüberschuss des Mischbrenners beziehungsweise eine Sekundärlufteinrichtung. Aus der Verbrennung entstehende Emissionen, bestehend aus Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxiden (NOx), können Betreiber mit technischen Maßnahmen reduzieren. In Abhängigkeit der thermischen Leistung kann das Einstufen der Verbrennungsanlage durch die Behörde unterschiedliche Emissionswerte zulassen.

Emissionskontrolle im Prozess
Um den Gehalt von Kohlenstoffmonoxid im Rauchgas auf unter 80 mg/Nm³ mindern zu können, ist es bei entsprechendem Sauerstoffüberschuss ausreichend, Temperaturen über 850 °C und eine Verweilzeit von drei Sekunden zu realisieren. Der Bildung von thermischem NOx wirkt eine gestufte Luftzugabe im Mischbrenner entgegen, womit Betreiber die Grenzwerte für die Stickoxide in der Regel einhalten können. Bei einem hohen Anteil an Brennstoffstickstoff sind weitere technische Maßnahmen erforderlich. So kann der Planer den Verbrennungsvorgang beispielsweise speziell stufen, damit eine geminderte Stickoxidbildung eintritt. Dies geschieht durch das Einteilen der Brennkammer in Sektionen sowie durch gezieltes Beimischen von Rauchgasen und Sekundärluft. Häufig ist der Anteil an Brennstoffstickstoff so hoch, dass die Bildung von Stickoxiden zwar zu reduzieren, aber nicht zu vermeiden ist. Hier sind verschiedene Maßnahmen hilfreich: Der Anwender kann beispielsweise mit dem nichtkatalytischen Entsticken (SNCR)  im richtigen Temperaturfeld der Verbrennung häufig eine wesentliche Senkung erreichen. Je nach gefordertem Grenzwert der Stickoxide ist das Einrichten einer katalytischen Entstickung (SCR) notwendig, um den Emissionsgrenzwert einzuhalten. Nach einer definierten Mindestverweilzeit der Verbrennungsgase in der Brennkammer treten diese in den nachgeschalteten Dampferzeuger ein. Die Parameter des Dampferzeugers in Druck und Temperatur sind in der Regel den Standortanforderungen angepasst. Der Betreiber kann den Dampf somit direkt in das Betriebsnetz einspeisen. Eine ökonomisch interessante Alternative stellt das Nutzen des Dampfes zum Betrieb von Arbeitsmaschinen, beispielsweise Dampfturbinen zum Antrieb von Verdichtern oder Stromgeneratoren, dar. Hierzu müssen Planer zuvor die Parameter entsprechend festlegen, um den effizienten Einsatz des aus Rückständen beziehungsweise Reststoffen erzeugten Dampfes zu ermöglichen. Im Besonderen bietet sich dies an, wenn aus der Chemieproduktion Sattdampf von Kühlprozessen aus Reaktoren oder anderen Geräten anfällt. Diesen Sattdampf kann das System zusätzlich mit der im Abhitzekessel der Brennkammer erzeugten Dampfmenge auf einen gemeinsamen Überhitzer leiten. Dort erhitzt die Anlage die Gesamtdampfmenge auf die von den Arbeitsmaschinen geforderte Temperatur. Der der Brennkammer nachgeschaltete Abhitzekessel ist meistens einzügig ausgeführt. Die Rauchgase durchströmen nach einem kurzen Strahlraum aus Rohrwänden einen Schutzverdampfer und treten dann in den mehrstufigen Überhitzer ein. Dieser ermöglicht es, die Heißdampftemperatur über das Einspritzen von Speisewasser mit bestimmten Qualitätsvoraussetzungen zu regeln.

Gefahr durch Chlorkorrosionen
Weiterhin müssen Betreiber besonders auf die Druck- und Heißdampfparameter achten, wenn aus der Zusammensetzung der zu verbrennenden Reststoffe Chloremissionen zu erwarten sind. Diese sollten sie so wählen, dass sich die Hochtemperaturkorrosion durch Chlor minimiert. Es ist in jedem Fall zu empfehlen, für die Heizflächen des Dampfkessels ein Chlorkorrosionsdiagramm zu erstellen, welches die Wandtemperaturen der Kesselheizflächen abbildet und chlorkorrosionsgefährdete Stellen aufzeigt. Ferner kann der Anwender, abhängig von den standortspezifischen Lastanforderungen,  dem Überhitzer einen weiteren Verdampfer nachschalten. Um die Energieausnutzung der Anlage so effizient wie möglich zu gestalten, werden nach dem Überhitzer beziehungsweise dem zweiten Verdampfer Luft- und/oder Gasvorwärmer sowie ein Economizer zum Vorwärmen von Speisewasser installiert. Diese Anlagenkomponenten bestimmen die endgültige, für den Wirkungsgrad der Anlage entscheidende, Kaminaustrittstemperatur. Hier gilt es jedoch zu beachten, dass Rauchgasanteile unter Umständen in den Wassertaupunktsbereich absinken und Korrosion zur Folge haben. Dieser Umstand begrenzt sowohl das Abkühlen als auch den Wirkungsgrad. Mit Sondermaterialien, beispielsweise GFK und Edelstählen, können Anlagenbauer dem zwar entgegenwirken, das Kosten/Nutzen-Verhältnis gilt es hier jedoch genau abzuwägen.

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Heftausgabe: November 2013

Über den Autor

Fabian Kubitza, Vertriebsingenieur, Klaus-Dieter Saueracker, Leiter Feuerungstechnik bei Oschatz
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