Allgemein Etwa 89 % der befragten Unternehmen betreiben eine Anlage zur Prozess-dampferzeugung, zwei Werke erhalten Fremddampf. Erdgas wird mit einem An-teil von 89 % als Hauptenergieträger zur Prozessdampferzeugung verwendet.
Alternativ zu Erdgas wird Leichtöl eingesetzt.
Werke mit Anlagen zur Eigenstromerzeugung waren unter den befragten Un-ternehmen nicht anzutreffen. Dabei liegt das Verhältnis zwischen dem Strom- und Wärmebedarf für die Wellpappenerzeugung in einem für
Kraft-Wärmekopplung idealen Bereich. Das Verhältnis von Strom- zum Gesamtener-giebedarf der befragten Unternehmen liegt zwischen 19 und 38 %, im Mittel bei 26 %. Dem Potenzial der Kraftwärmekopplung stehen bei der Wellpappener-zeugung die hohen Investitionskosten sowie die zum Teil sehr geringen Anla-genlaufzeiten gegenüber.
Kennwerte Dampferzeu-gungsanlage
Zur Bewertung der Energieeffizienz der Dampferzeugung können folgende Kennwerte herangezogen werden:
Feuerungstechnischer Wirkungsgrad / Kesselwirkungsgrad
Abgastemperatur
Kondensatrücklaufrate
Absalzmenge
Isolierungsgrad der Anlage / Dampf- und Kondensattemperatur
Dampf- und Kondensatdrücke
Fahrweise (salzarm)
Brenner und Brennerregelung (CO2-Gehalt, O2)
Feuerungstech-nischer Wir-kungsgrad
Der feuerungstechnische Wirkungsgrad (ηF) eines Kessels errechnet sich aus der Ausnutzung des Brennstoffes unter Berücksichtigung des Verlustes durch das Abgas. Strahlungsverluste des Kessels bleiben bei dieser Betrachtung un-berücksichtigt.
Im Rahmen des Fragebogens wurde der feuerungstechnische Wirkungsgrad abgefragt. Die Werte für den Wirkungsgrad liegen zwischen 88 bis 95 % und im Mittel bei etwa 91,5 %.
Abgastemperatur Nach [25] liegen typische Abgastemperaturen bei Großfeuerungen zwischen 120 und 160 °C. Zur Reduzierung der Abgastemperatur wird dem Dampferzeu-ger ein Economizer, kurz ECO, nachgeschaltet. Im ECO wird das Speisewas-ser durch das Abgas erwärmt und das Abgas dadurch abgekühlt.
Im Rahmen der Befragung gaben 67 % der Unternehmen an, das Speisewas-ser vorzuwärmen. Werden die Unternehmen aus der Bilanz herausgenommen, die keine Angaben gemacht haben, so steigt der Anteil der Unternehmen mit Speisewasservorwärmung auf 75 %.
k.A.
11% Nein 22%
Ja 67%
Abbildung 26: Anteil der Unternehmen mit und ohne Speisewasservorwärmung Wird das Abgas deutlich abgekühlt (Luftvorwärmung, Brennwertwärmetau-scher), besteht bei schwefelhaltigen Brennstoffen die Gefahr, dass der Säure-taupunkt unterschritten und dabei H2SO4 gebildet wird. Dies führt an Kessel und Schornstein zu Korrosions- und Materialschäden.
Kondensatrück-laufrate Die Zusatzwassermenge errechnet sich aus der Differenz zwischen der Spei-sewassermenge und dem Rücklauf aus dem Kondensatnetz. Eine hohe Kon-densatrücklaufquote ist anzustreben, um den Energieaufwand für das Aufhei-zen des Zusatzwassers zu reduzieren. Darüber hinaus können die Kosten zur Aufbereitung des Kesselspeisewassers erheblich reduziert werden.
Die über den Fragebogen erfassten Kondensatrücklaufraten liegen zwischen 75 und 100 %, wie nachfolgende Abbildung 27 zeigt.
0 1 2 3 4 5
66 - 70 71 - 75 76 - 80 81 - 85 86 - 90 91 - 95 96 - 100 Kondensatrücklaufrate [%]
Anzahl der Werke
Abbildung 27: Häufigkeitsverteilung der Kondensatrücklaufrate
Der direkte Dampfverbrauch im Produktionsprozess kann grob über die Rück-laufrate des Kondensats charakterisiert werden. Die beiden wesentlichen Ver-braucher sind Sprühdampfeinrichtungen zur Aufheizung und Befeuchtung der Papierbahnen sowie der Dampfeinsatz im Bereich der Leimküche. Unvermeid-bare Kondensatverluste ergeben sich im Bereich der Dampferzeugungsanlage durch Abschlämm- und Absalzungsprozesse sowie durch entweichenden Brü-dendampf (Entgaser). Undichte Kondensat- bzw. Dampfleitungen führen zu ei-ner weiteren Reduzierung der Rücklaufrate.
Abschlammung
und Absalzung Abschlammung und Absalzung sind erforderlich, um einen dauerhaft zuverläs-sigen Betrieb des Dampfkessels sicherzustellen. Bei der Dampferzeugung blei-ben die im Wasser gelösten Salze zurück und erhöhen die Salzkonzentration des Kesselwassers. Eine zu hohe Salzkonzentration führt zur Bildung einer Feststoffkruste, verschlechtert damit den Wärmeübergang und sorgt für Kessel-korrosion sowie Schaumbildung. Die negativen Folgen sind feuchter Dampf, Wasserschläge, Korrosion, Salzablagerungen und undichte Armaturen im nachgeschalteten Dampf- und Kondensatnetz.
Die Absalzmenge ist abhängig von der Kesselbauart und liegt bezogen auf die Speisewassermenge bei Großraumwasserkesseln zwischen 2,5 bis 10% und bei Wasserrohrkesseln bei etwa 1 %. Der Einsatz einer automatisierten Absalz-regelung, die über die Leitfähigkeit des Kesselwassers gesteuert wird, ist zu empfehlen. Die Brennstoffeinsparung durch eine automatisierte und kontinuier-liche Wasseranalyse liegt bei etwa 0,5 % [26].
Fahrweise Im Gegensatz zu Wasserrohrkesseln können Großwasserraumkessel auch mit salzhaltiger Fahrweise (Leitfähigkeit kleiner gleich 6.000 µS/cm) betrieben wer-den. Wegen der wirksamen Absalzungsmöglichkeiten ist eine Beeinträchtigung der Heizflächen durch Versalzung nicht gegeben.
Ist der Einsatz einer höherwertigen Aufbereitungsanlage nicht rentabel, sollte durch Einsatz von Laugenkühler (Aufheizung Kesselzusatzwasser) und Absalz-entspanner (Einleitung des Entspannungsdampfes in die thermische Speise-wasserentgasungsanlage) die jeweils mit der Kesselabsalzung „ausgeschleus-te“ Wärmemenge wieder zurückgewonnen werden.
Dampf- und Kondensatdrü-cke
Entsprechend den Werten aus dem Fragebogen werden an den Wellpappenan-lagen der befragten Unternehmen Dampfdrücke zwischen 11 und 16 barabsolut
gefordert, im Mittel liegt der Dampfdruck an den Maschinen bei 13 barabsolut. Bei etwa 78% der Dampfkesselanlagen wird das Kondensat über ein Hoch-druckkondensatsystem zurückgeführt. Vorteile von Hochdruckkondensatsyste-men liegen darin, dass keine oder wesentlich geringe Verluste durch Nachver-dampfung entstehen. Gleichzeitig wird das Eindringen von Luftsauerstoff in das Kondensatsystem verhindert. Die Kondensatdrücke liegen im Mittel bei 6,5 ba-rabsolut. Dampf- und Kondensatdruck [barabsolut]
Dampfdruck Kondensatdruck kein Eco
kein Eco
kein Eco
kein Eco
Abbildung 28: Gegenüberstellung Dampf- und Kondensatdruck
Wichtig ist die Anpassung des Betriebsdruckes an die tatsächlichen betriebli-chen Anforderungen. Höhere Dampfdrücke und damit höhere Temperaturen als erforderlich verursachen entsprechend größere Verluste in den Dampfleitungen.
Spez. Energiege-halt von Dampf bei unterschied-lichen Konden-satdrücken
Bei Anfall von großen Mengen an Hochdruckkondensat sollte dies mittels eines Hochdruckkondensatsystems auf Druck und Temperatur gehalten werden. Da-durch treten keine Entspannungsdampfverluste auf. Weichwasser- und chemi-sche Dosiermengen bleiben sehr gering und decken lediglich Leckagen und Di-rektdampfverbrauchsmengen ohne Kondensatrückfluss ab. Mit diesem System können gegenüber offenen Kondensatsystemen hohe Einsparungen erzielt werden. Durch Umstellung auf ein Hochdruckkondensatsystem (Beispiel von 1 bar auf 6 bar) können Einsparungen von etwa 10% realisiert werden.
Isolierung der
Anlagen Leitungen, die heiße Medien transportieren, geben an die Umgebung Wärme ab. Dieser Wärmeverlust ist permanent vorhanden und lässt sich durch geeig-nete Isolierungsmaßnahmen stark vermindern, aber nicht vollständig beseiti-gen. Die wirtschaftliche Isolierdicke liegt je nach Leitungsgröße, Temperatur und örtlichen Verhältnissen (Wind, Umgebungstemperatur) bei 3 bis 10 cm [27].
Der Wärmeverlust von Rohrleitungen kann anhand folgender Formel nähe-rungsweise berechnet werden:
) (
2
Rohr Rohr Dampf UmgebungV
k r l T T
Q
(Gl. 2)Der k-Wert ist der Wärmedurchgangskoeffizient in W/m²K. Er ist von den Be-dingungen in- und außerhalb der Leitungen und den Rohr- und Isolierungsma-terialien abhängig. Je höher der k-Wert, desto schlechter ist die Wärmedäm-meigenschaft eines Stoffs.
Wärmeverlust in Abhängigkeit vom k-Wert
In nachfolgender Abbildung sind die Wärmeverluste einer Rohrleitung (DN100) in Abhängigkeit von verschiedenen Dampfdrücken und k-Werten dargestellt.
0 Wärmeverlust in W/mRohr
20 W/m² K
15 W/m² K
10 W/m² K
5 W/m² K
1 W/m² K
Abbildung 29: Wärmeverluste in Rohrleitung (DN100) in Abhängigkeit vom k-Wert und Dampfdruck
Der Wärmeverlust durch ein Rohr (DN100) mit einer Innentemperatur von 192 °C (13 barabs) und einer Länge von etwa 15m beträgt bei einer Umge-bungstemperatur von 20 °C etwa 8,2 kW (k = 9,8 W m² K). Eine Isolierung der Dampfleitung mit einer Dicke von 50 mm reduziert den Wärmeverlust auf etwa 1,0 kW. Bei 5.000 Betriebsstunden im Jahr und einen Dampfpreis von 30 €/t können durch die Isolierung 1.920 €/a eingespart werden.
Brenner & Bren-nerregelung
Bei einer idealen stöchiometrischen Verbrennung ( = 1) wird der Anlage genau so viel (Luft) Sauerstoff zugeführt, wie für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes benötigt wird. D. h. im Abgas befindet sich kein Restsauerstoff mehr und die Anlage arbeitet mit maximalem Wirkungsgrad. Weniger Sauer-stoff führt zu Wirkungsgradverlusten durch eine unvollständige Verbrennung bei gleichzeitig hohen Emissionen. Ein Luftüberschuss führt zu Abgaswärmeverlus-ten, da die nicht an der Verbrennung beteiligte Luft als „Ballast“ mitgeführt wird.
Abbildung 30: Verbrennungscharakteristik [28]
Ziel ist die Verringerung des Abgaswärmeverlustes durch die Absenkung der Luftzahl möglichst nah zur Emissionskante. Dies ist mithilfe eines CO-Sensors möglich. Zusätzlich wird der O2-Anteil erfasst. Erreichbar sind mit die-ser Anordnung Restsauerstoffgehalte von unter 1%. Die Reduzierung des Sau-erstoffwertes einer Gasfeuerung von 3,5% auf 1% bringt bei einer Abgastempe-ratur von etwa 150 °C eine Verbesserung des Wirkungsgrades von etwa 0,8%.
Bei einer Abgastemperatur von 240°C liegt die Wirkungsgradverbesserung be-reits bei 1,25%.
Zusammenfas-sung Handlungs-optionen
Energiesparmaßnahme Einsparpotenzial
Economizer Bis zu 7% Brennstoffeinsparung Brennwertwärmetauscher Bis zu 5% Brennstoffeinsparung Luftvorwärmung Bis zu 5% Brennstoffeinsparung Laugenentspanner und
Wärme-rückgewinnung
Bis zu 2% Brennstoffeinsparung, Frisch-wassereinsparung, Abwasserreduzierung Sauerstoff- und/oder
CO-Brennerregelung
Bis zu 2% Brennstoffeinsparung
Drehzahlsteuerung Gebläse Bis zu 75% Stromkosteneinsparung Brüdenwärmetauscher Bis zu 0,5% Brennstoffeinsparung Hochdruckkondensatsystem Bis zu 12% Brennstoffeinsparung Automatisierte und
kontinuierli-che Wasseranalyse
Bis zu 0,5% Brennstoffeinsparung, Che-mikalieneinsparung
Fallbeispiel
Eco-nomizer Zur Erhöhung des Kesselwirkungsgrades wurde empfohlen dem Dampferzeu-ger ein Economizer nachzuschalten. Im Economizer wird das Speisewasser durch das Abgas erwärmt und das Abgas dadurch abgekühlt.
Die wirtschaftliche Bewertung dieser Maßnahme ist im Rahmen des Projektes für zwei unterschiedliche Werke durchgeführt worden, siehe nachfolgende Ta-belle:
Tabelle 9: Wirtschaftliche Bewertung Economizer Werk 1 Werk 2 Betriebsstunden > 6.500 h/a < 4.500 h/a Gaskosten > 50 €/MWh < 35 €/MWh
Gaseinsparung* 4,5 % 2,7 %
Investition 60 T€ 40 T€
Payback 1 - 2a 3,9 a
*bezogen auf Gesamtgasbedarf des Werkes
Wesentlich für die Verkürzung der Paybackzeiten sind hohe Jahresproduktions-stunden.
6.3 Klebstoffaufbereitung und Leimsysteme