Energieeinsparung in oxy-fuel-befeuerten Thermoprozessanlagen durch thermochemische Rekuperation (Akronym: OXY-TCR)

Abstract

Erdgas ist aktuell noch in vielen Anwendungen der Thermoprozesstechnik die primäre Energiequelle für die Bereitstellung von Prozesswärme. Viele dieser Prozesse, insbesondere in den Grundstoffindustrien Metall, Glas oder Keramik, sind sehr energieintensiv und mit hohen Treibhausgasemissionen verbunden. Traditionell steht in vielen Branchen die Steigerung der Energieeffizienz und damit die Reduzierung des Brennstoffverbrauchs im Mittelpunkt von Optimierungsmaßnahmen. Dies hat zum einen wirtschaftliche Gründe, wird aber im Rahmen der Klimaschutzdiskussion zunehmend auch im Zusammenhang mit der Reduzierung von Treibhausgasemissionen gesehen. Eine weit verbreitete und erfolgreiche Maßnahme zur Effizienzsteigerung ist die Abgaswärmerückgewinnung zur Verbrennungsluftvorwärmung, mit der erhebliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt werden können. Eine alternative Maßnahme ist dagegen die sogenannte Oxyfuel-Verbrennung. In der Glasindustrie werden Oxyfuel-Brenner bereits in Kombination mit thermochemischer Rekuperation (TCR) erfolgreich verwendet. Im Rahmen dieses Projektes soll der Einsatzbereich für Anwendungen mit niedrigeren Prozesstemperaturen angepasst und weiterentwickelt werden. Zielprozess ist hier insbesondere das Einschmelzen von Aluminiumschrott (Sekundäraluminium). Ein wesentlicher Aspekt hierbei ist, dass aufgrund der niedrigeren Abgastemperaturen der Reformierungsprozess katalytisch unterstützt werden muss, um die gewünschten Wirkungsgradsteigerungen zu erreichen. Zudem sind die Abgase eines solchen Prozesses nicht nur mit Schadstoffen aus der eigentlichen Verbrennung belastet, sondern auch mit Spurenelementen, die durch den Schmelzprozess freigesetzt werden und den Katalysator schädigen können. Ziel des Forschungsvorhabens war es, den Energieverbrauch von Oxyfuel-Anlagen in der Thermoprozesstechnik (z.B. in der NE-Metallindustrie) durch den Einsatz einer innovativen Wärmerückgewinnungstechnologie, der thermochemischen Rekuperation (TCR), weiter zu reduzieren. Im Rahmen des Vorhabens wurde ein Prototyp eines Oxyfuel-Brenners mit vorgeschalteter rekuperativer TCR-Einheit entwickelt und im halbtechnischen Maßstab (Brennerleistung ca. 100 kW) erprobt sowie die Eignung dieser Technologie für Prozesse mit mittleren Temperaturniveaus, z.B. in der Aluminiumindustrie, getestet. Dazu wurden die Hauptkomponenten des Systems, die TCR-Einheit mit katalytischem Reformer und der Synthesegasbrenner, entwickelt, optimiert und aufeinander abgestimmt. Mit Hilfe von theoretischen Betrachtungen und Prozesssimulationen wurden optimale Betriebsparameter (z.B. Abgasrezirkulationsraten, Temperaturniveaus, etc.) und mögliche Einsparpotentiale ermittelt. Mit Hilfe simulationsgestützter reaktionskinetischer Analysen wurde die Zusammensetzung des zu erwartenden Synthesegases ermittelt. Auf Basis dieser Daten wurde ein bivalenter Oxyfuel-Brenner entwickelt, der sowohl mit Erdgas als auch Synthesegas betreiben werden kann. Der Brenner unterzog sich diversen Belastungstests und erwies sich auch unter den komplexen Anforderungen, die durch die Verwendung von Synthesegas entstehen, als effektiv und zuverlässig. Im Einzelversuchsbetrieb der TCR-Anlage konnten die erzielbaren Einsparungen grundsätzlich bestätigt werden. Auch wenn der Nennbetriebspunkt in den durchgeführten Versuchsreihen nicht erreicht werden konnte, zeigen die Ergebnisse deutliche Einsparpotenziale gegenüber der direkten Erdgasnutzung. Unter der Annahme, dass die Umsetzung des Reformats im Brenner mit vergleichbarem Wirkungsgrad erfolgt, können nach den Versuchsergebnissen ca. 10 % Energie durch die Reformierung eingespart werden. Damit wird der Zielwert aus den Berechnungen (13 %) zwar nicht erreicht, es besteht aber weiteres Potenzial durch höhere Abgastemperaturen. Datei-Upload durch TIB