Leuchtturmprojekt für CO2-Einsparung in der Industrie

ELANTAS Europe GmbH – Maximierung der Wärmerückgewinnung an thermischer Nachverbrennungsanlage

Am Produktionsstandort Hamburg hat die ELANTAS Europe GmbH die Energieeffizienz ihrer thermischen Nachverbrennungsanlage weiter verbessert. Hinter dem bestehenden Wärmerückgewinnungssystem zur Thermalöl- und Dampferzeugung wurde zusätzlich ein Luftwärmetauscher installiert, so dass nun auch noch die verbleibende Abwärme der Nachverbrennungsanlage genutzt wird. Die Temperatur des zu reinigenden Abgas wird von etwa 20 °C auf 120–150 °C angehoben. Dies spart über 15 Prozent des bisherigen Erdgaseinsatzes für die thermische Nachverbrennung bei gleichbleibender Prozesswärmeerzeugung.

Werk von ELANTAS Europe mit Wärmeerzeugungsanlagen hinter thermischer Nachverbrennung (© ELANTAS Europe GmbH)
Unternehmen ELANTAS Europe GmbH
Projektstandort Hamburg
Jahr der Inbetriebnahme 2022
Branche Chemische Industrie: Herstellung von Kunstharzen
und Lacken
Technologie Energieeffiziente Abgasreinigung, Abwärmenutzung
Energieeinsparung ca. 1.000 MWh/a (Erdgas)
CO2-Reduzierung ca. 200 t/a
Investitionsvolumen 275.000 €
Staatliche Förderung 82.500 € (≙ 30 %)
Amortisationszeit (mit Förderung) 5 Jahre

Hintergrund

Die ELANTAS Europe GmbH ist Teil der ALTANA Gruppe und spezialisiert auf Isolierstoffe für die Elektro- und Elektronikindustrie auf Basis von Kunstharzen. Das Produktspektrum umfasst Tränkharze und -lacke, Drahtlacke, Überzugslacke, Schutzlacke, Klebstoffe und Vergussmassen. Einsatz finden die Produkte von ELANTAS unter anderem in Elektromotoren, Haushaltsgeräten, Autos oder Windräder. Die Lacke erhöhen die Sicherheit und Lebensdauer dieser Geräte und helfen so, Ressourcen zu schonen.

Die ALTANA Gruppe verfolgt das Ziel, bereits bis 2025 Klimaneutralität in ihrem direkten Einflussbereich zu erreichen. Zur Reduzierung der eigenen CO2-Emissionen, setzt der Konzern an allen seinen Standorten auf die kontinuierliche Senkung des Energieverbrauchs und die Eigenerzeugung von Strom und Wärme. ELANTAS Europe hat im Rahmen seines seit 2014 zertifizierten Energiemanagementsystems bereits zahlreiche Verbesserungen angestoßen. Neben einer Vielzahl von Kleinprojekten wie die Umstellung auf LED-Leuchtmittel und die Nachrüstung von Frequenzumrichtern an Pumpen werden vor allem Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung umgesetzt. Am Standort sind ein Thermalöl- sowie Dampfnetz installiert, über welche die Produktion und Bürogebäude versorgt werden.

Mischer mit Probenahmehähnen und flexiblen Absaugarmen (© ELANTAS Europe GmbH)

Ausgangslage und Idee

Ein kürzlich realisiertes Projekt betrifft die thermische Nachverbrennungsanlage (TNV), die der Zersetzung der in der Prozessabluft enthaltenen flüchtigen organischen Substanzen (sog. „volatile organic compounds“ – VOC) dient. Darüber hinaus wird die Anlage auch zur Verbrennung energiereicher Flüssigabfälle aus der Produktion genutzt.

Die zu behandelnde Abluft entsteht sowohl in den Reaktoren (Rohgas 1) als auch an den Objektabsaugungen wie beispielsweise an den Zugabestationen und Probenahmehähnen der Mischer (Rohgas 2). Das Rohgas 1 weist einen relativ gleichbleibenden Volumenstrom von 400 Nm³/h sowie eine hohe VOC-Beladung oberhalb der oberen Zündgrenze von 30.000-50.000 mg/Nm³ auf. Den weitaus größeren Anteil der Abluft macht das Rohgas 2 mit einem Volumenstrom von 1.700-2.750 Nm³/h aus. Die VOC-Beladung des Rohgas 2 ist mit 30–50 mg/m³ deutlich geringer und liegt im entzündlichen Bereich.

Thermische Nachverbrennungsanlage mit nachgeschaltetem Thermalölerhitzer und Dampferzeuger (© ELANTAS Europe GmbH)

Beide Rohgasfraktionen werden mit Unterdruck zur TNV-Anlage gesaugt und dort durch einen erdgasbetriebenen Brenner auf eine Temperatur von ca. 860 °C aufgeheizt, so dass die schädlichen organischen Bestandteile verbrennen bzw. sich in Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf zersetzen. Der Erdgasbedarf der thermischen Nachverbrennung betrug vor der Umsetzung der hier beschriebenen Optimierungsmaßnahme rund 6.400 Megawattstunden pro Jahr.

Die Nachverbrennungsanlage ist seit ihrer Errichtung in den 90er Jahren in die Wärmeerzeugungsanlagen des Werkes integriert und verfügte bereits über ein zweistufiges Wärmerückgewinnungssystem zur Thermalöl- und Dampf-erzeugung. Das aus der TNV austretende Rauchgas durchströmt zunächst einen Thermalöl-Wärmetauscher und kühlt sich dabei auf 400–450 °C ab. Zur weiteren Energieoptimierung wurde 2015 ein Abhitzekessel nachgerüstet, um die Restenergie des Rauchgases für die Erzeugung von Niedrigdruck-Dampf zu nutzen. Auf diese Weise wird eine zusätzliche Wärmeleistung von 260 kW in Form von Dampf bei 6 bar und bis zu 400 °C zurückgewonnen.

Nach der Dampferzeugung weist das Rauchgas mit einer Temperatur von 180–250 °C immer noch eine nutzbare Restwärme auf. Die Idee war daher, auch noch die verbleibende Abwärme zurückzugewinnen und sie zur Vorwärmung des zu reinigenden Hauptrohgasstroms (Rohgas 2) zu nutzen. Bisher wurden beide Rohgasströme ohne Vorwärmung auf Umgebungstemperatur in die Brennkammer der TNV-Anlage geleitet.

Detailbeschreibung der Maßnahmen

Um die verbleibende Abwärme aus dem Rauchgas zur Vorwärmung des Rohgases 2 zu nutzen, wurde hinter dem Dampfkessel ein Luft-Wärmetauscher installiert. Dieser koppelt die verbleibende nutzbare Abwärme im Rauchgas auf ein Temperaturniveau von 180–250 °C aus und überträgt sie direkt auf den zu reinigenden Rohgasstrom von den Objektabsaugungen (Rohgas 2).
 

Vereinfachtes Fließbild des dreistufigen Wärmerückgewinnungssystems

Über diese prozessinterne Wärmerückgewinnung kann die Temperatur des zu reinigenden Abgases von etwa 20 °C auf 120–150 °C angehoben werden, wodurch der Erdgasverbrauch der TNV deutlich reduziert wird. Durch die Errichtung des Luft-Wärmetauschers werden pro Jahr ca. 1.000 MWh eingespart, was etwa 15 Prozent des bisherigen Erdgasbedarfs für die thermische Nachverbrennung entspricht. Auf diese Weise reduziert sich der CO2-Ausstoß am Produktionsstandort um ca. 200 Tonnen pro Jahr.

Der Luft-Wärmetauscher ist hinter dem Dampfkessel im Bypass der Rauchgasleitung installiert. Dies sichert zum einen den Weiterbetrieb der TNV-Anlage, wenn der Dampferzeuger oder der Luft-Wärmetauscher gewartet werden muss. Vor allem aber dient dies dem Explosionsschutz: Sollte sich das Rohgas zu stark vorwärmen, so dass akute Explosionsgefahr besteht, schaltet sich der Bypass-Betrieb ein und das Rauchgas wird direkt nach der Themalölerhitzung mit 450 °C über den Schornstein abgeführt. Dabei reagiert der Sicherheitstemperaturschalter am Luft-Wärmetauscher bei Temperaturen von mehr als 180 °C.

Einblicke in die Projektentwicklung und -umsetzung

Die Idee zur Vorwärmung der zu verbrennenden Abluft kam bereits vor 20 Jahren bei ELANTAS Europe auf. Sie geht zurück auf einen betrieblichen Verbesserungsvorschlag des Instandhaltungsleiters. Nachdem die Idee aufgrund der fehlenden Wirtschaftlichkeit zunächst verworfen wurde, griff sie das Unternehmen im Jahr 2019 wieder auf und gab eine Analyse dazu in Auftrag. Im Rahmen dieser Analyse zeigte sich sowohl die technische Machbarkeit als auch eine geringe Amortisationszeit, wenn die verfügbaren staatlichen Fördermittel in Anspruch genommen werden.


David Wolff, Leiter Engineering & Site Services:

Die Rahmenbedingungen für Energieeffizienzprojekte haben sich massiv geändert. Vor allem jetzt angesichts der Energiekrise, kann es sich lohnen, Ideen und Vorschläge, die früher verworfen wurden, wieder aufzugreifen.


Neben den mit der Covid-19-Pandemie verbundenen Einschränkungen war eine größere Herausforderung für das Projekt, dass der Dienstleister, der die Machbarkeitsstudie durchgeführt hatte und auch die technische Lösung umsetzen sollte, zwischenzeitlich insolvent gegangen war. Dementsprechend musste ELANTAS Europe einen neuen Umsetzungspartner finden. Mit dem neuen Ingenieurbüro stellte sich heraus, dass die Abluftvorwärmung durch den vorhergehenden Dienstleister nur überschlägig projektiert wurde. So wurde unter anderem die Sicherheitsabschaltung nicht berücksichtigt. Als Folge fiel das Investitionsvolumen mit 275.000 Euro letztlich etwa doppelt so hoch aus wie ursprünglich geplant und das Projekt musste erneut den konzerninternen Genehmigungsprozess durchlaufen. Da inzwischen fundierte Zahlen zum Investitionsvolumen, den zu erwartenden Fördermitteln sowie den Kosteneinsparungen vorlagen, wurde die Investition schnell freigegeben.

Für die Umsetzung des Projekts erhielt ELANTAS Europe einen Zuschuss in Höhe von 30 Prozent aus dem Bundesförderprogramm für Energie- und Ressourceneffizienz in der Wirtschaft (Modul 4). Da es sich um eine Nachrüstung allein aus Energieeffizienzgründen handelte, war die gesamte Investition förderfähig. Durch einen Antrag auf vorzeitigen Maßnahmenbeginn konnte zügig mit der Herstellung des Wärmetauschers begonnen und entsprechend Zeit eingespart werden.

Nach der Installation und Inbetriebnahme des Luft-Wärmetauschers ergaben sich zunächst größere Abweichungen gegenüber den vorliegenden Berechnungen.

Neu installierter Luft-Wärmetauscher (© ELANTAS Europe GmbH)

Anfangs griff der Luft-Wärmetauscher noch zu viel Wärme ab, so dass der Sicherheitstemperaturschalter reagierte und sich ein dauerhafter Bypass-Betrieb einstellte. Ein zu hoher Wärmeabgriff des Luft-Wärmetauschers barg darüber hinaus die Gefahr, dass die Austrittstemperatur des Rauchgases am Schornstein unterhalb des Taupunkts sinkt. Daher fanden mehrere Testphasen mit umfangreichen Messungen statt. Es wurde festgestellt, dass die Wärmeabnahme des Thermalölerhitzers in der Praxis geringer war als angenommen und die Temperatur vor dem Dampferzeuger damit höher als
450 °C lag. Durch eine gründliche Reinigung des Thermalölerhitzers und anderen organisatorischen Maßnahmen konnte das Problem letztlich gelöst werden.

Eine zusätzliche Herausforderung bestand darin, dass höhere Rohgastemperaturen stets Einfluss auf den Brennerbetrieb nehmen und damit die Stickoxid-Emissionen steigen. Da die TNV-Anlage jedoch auch als Verbrennungsanlage für Abfallprodukte zugelassen ist, konnte dem Problem durch die Zugabe von wasserhaltigeren Abfällen entgegnet werden. Auf diese Weise können die gesetzlichen Grenzwerte auch in Zukunft erfüllt werden ohne weitere Maßnahmen ergreifen zu müssen.

Auswahl als Leuchtturm für CO2-Einsparung in der Industrie

Bei dem Projekt von ELANTAS Europe handelt es sich um eine vorbildliche Optimierung einer älteren TNV-Anlage, deren Abwärme zur Erzeugung von Prozesswärme genutzt wird. Derartige Systeme finden sich vielfach in der chemischen Industrie. Mit der Nachrüstung des Abluftrekuperators schöpft ELANTAS Europe nun auch das letzte Optimierungspotenzial an der Anlage aus und nutzt diese unmittelbar im Prozess zur Vorwärmung des Verbrennungsgases. Durch vergleichsweise geringe Investitionen und Umbauten, die bei laufenden Betrieb stattfanden, kann nun die gleiche Menge an Prozesswärme mit nur 85 Prozent des bisherigen Erdgasbedarfs erzeugt werden. Durch die Kopplung von nicht vermeidbarer Abwärme mit einer Wärmesenke auf niedrigem Temperaturniveau wird die Abwärmekaskade auf energieeffiziente Weise komplettiert – mit deutlichem Effekt. Durch die Installation des Wärmerückgewinnungssystems im Bypass der Rauchgasleitung bleibt die TNV-Anlage auch bei Störungsfällen betriebsfähig. Damit zeigt das Beispiel, dass Luftreinhaltung nicht im Widerspruch zu Energieeffizienz und Klimaschutz stehen muss.

Sie möchten mehr über das Projekt erfahren?

Ihr Ansprechpartner bei der ELANTAS Europe GmbH:
David Wolff, Leiter Engineering & Site Services
E-Mail: David.Wolff@altana.com
Tel.: 040 78946-298