5 Material und Methoden
6.5 Konzepte zur Wärmeintegration in der Papierindustrie
Vorgehen Vor dem Einsatz von Wärmepumpen sollte ein System hinsichtlich Wärmein-tegration optimiert sein. D.h. mögliche direkte Wärmetauschmaßnahmen sollten durchgeführt sein. Aus diesem Grund wurden für die untersuchten Werke Optionen zur Optimierung des Wärmehaushaltes durch Wärmeintegration untersucht. Grundsätzliches Ziel der Maßnahmen war die Reduzierung des Wärmebedarfs, sei es durch direkte Einsparungen von Dampf bzw. Gas oder durch indirekte Einsparungen durch eine Erhöhung der Prozesstemperatur.
Optionen zur Wärme-integration
Im Rahmen dieses Projektes wurden Wär-metausch Luft – Wasser und Wärme-tausch Luft - Luft.
Abbildung 26 Schematische Darstellung von Optionen zur Wärmein-tegration
Einsparungen Dabei werden sowohl direkte als auch indirekte Einsparungen berücksichtigt:
• Direkte Einsparungen ergeben sich durch den Ersatz von Frischdampf bzw.
gasbefeuerten Aggregaten durch eine Wärmerückgewinnung, in der Ab-wärme als Heizmedium genutzt wird.
• Indirekte Einsparungen ergeben sich wenn bei einer Wärmeintegrations-maßnahme die Prozesstemperatur steigt und damit eine Reduzierung des Dampfbedarfs z. B. in der Trockenpartie erreicht werden kann.
Wirtschaftliche
Bewertung Für die Abschätzung der Investitionskosten wurden folgende Punkte berück-sichtigt:
• Maschinentechnik (Wärmetauscher, Kühltürme, Pumpen, Behälter)
• Rohrleitungen und Armaturen (pauschal)
• EMSR-Technik (pauschal) Nicht kalkuliert wurden:
• Engineering- und Bauleistungen
• Erweiterungen von Schalträumen und Anschluss an Prozessleitsysteme Zur Bewertung der Amortisation wurde die Payback-Methode verwendet. Diese Amortisationsrechnung ist eine statische Methode der Investitionsrechnung und gibt die Wiedergewinnungszeit einer Investitionsausgabe (Payback-Dauer) im Vergleich zu den erzielbaren Einsparungen an.
Nachfolgend werden anhand von Beispielen aus den untersuchten Werken typische, wirtschaftlich darstellbare Optionen zur Wärmeintegration dargestellt und bewertet.
Wärmerück-gewinnung Abluft
Wärmerückgewinnung aus der Abluft ist heute Stand der Technik in der Papier-industrie. Von Seiten des Anlagenbaus werden bereits 3- bzw. 4-stufige Wär-merückgewinnungsanlagen angeboten [28]. Dennoch sind immer noch in zahlreichen, vor allem älteren Anlagen Papiermaschinen ohne Wärmerückge-winnung zu finden. Oft sind Papiermaschinen nur mit 1-stufigen Anlagen zur Vorwärmung der Zuluft ausgerüstet. Weitere Wärmerückgewinnungsmöglich-keiten bestehen durch: Erwärmung von Frischwasser, Erwärmung von Pro-zesswasser oder für die Hallenheizung (Abbildung 27). Für diese Anwen-dungsfälle wird häufig Frischdampf eingesetzt.
Abbildung 27 Potenziale durch Erweiterung der Wärmerückgewinnung [28]
Weitere Potenziale ergeben sich durch Nutzung von Brüden bzw. Kondensat zur Vorheizung der Zuluft.
Heizwasser
Praxisbeispiel:
Optimierung Zulufterwärmung
In Papierfabrik A wird die Zuluft der Trockenpartie über eine Wärmerückgewin-nung auf 41°C vorgewärmt. Die Aufheizung bis zur Zieltemperatur von 94°C erfolgt mit Dampf. Das anfallende Kondensat wird mit 81°C ins Kraftwerk zu-rückgeführt.
Durch Nutzung der im Kondensat befindlichen Energie kann die Zulufttempera-tur auf 53°C angehoben werden und somit Frischdampf eingespart werden.
Weiterhin können aufgrund der niedrigeren Kondensattemperatur die Abgasver-luste am Kraftwerk gesenkt werden.
Die erzielbaren Einsparungen summieren sich auf 740 MWh/a bzw. etwa 25.000 € pro Jahr. Zur Umsetzung der Maßnahme werden ein Kondensatregis-ter sowie die notwendige Verrohrung benötigt. Es ergibt sich im vorliegenden Fall eine Paybackzeit von etwa einem Jahr.
Grafische
Darstellung Nachfolgende Abbildung zeigt schematisch, wie eine derartige Optimierung der Zulufterwärmung umgesetzt werden kann.
Abbildung 28 Optimierung Zulufterwärmung durch Nutzung von Kon-densat (links, nach [28]) und Darstellung des Wärmetau-schernetzwerks nach Optimierung (rechts)
Wärmeeintrag in das Prozess-wasser
Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten Abwärme in den Wasserkreislauf zu integrieren. Neben den oben beschriebenen Ansatzpunkten zur Nutzung der Abwärme aus der Abluft besteht auch die Möglichkeit, Abwärme aus Wasser-strömen sinnvoll im Prozess zu nutzen [29].
So hat beispielweise der Wärmetausch Abwasser gegen Frischwasser neben der Erhöhung der Prozesswassertemperatur den weiteren Vorteil einer Sen-kung der Abwassertemperatur und somit der sicheren Einhaltung des Abwas-sertemperaturgrenzwertes, was für viele Werke ein Problem darstellt [30].
Eine Erhöhung der Prozesstemperatur ermöglicht indirekte Dampfeinsparun-gen. Als Faustformel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 K ermöglicht eine Erhöhung des Trockengehaltes um etwa 1 % nach der Pressenpartie und damit einen um etwa 4 % reduzierten Energiebedarf in der Trockenpartie.
Auswirkungen auf Prozess
Die Auswirkungen von Wärmeintegrationsmaßnahmen hinsichtlich Temperatur-führung und Wärmehaushalt und Energiebedarf wurden mittels Simulations-rechnungen quantifiziert. Hierzu wurden für die untersuchten Papierfabriken
Kosa
Kondensat
Kosa
Dampf
T
Pinch temperature Global temperature difference used 67°C
Praxisbeispiel: gesteigert als auch die Abwassertempe-ratur gesenkt und somit der Einleite-grenzwert sicher
eingehalten werden. Nebeneffekt dieser Wärmeintegrationsmaßnahme ist eine Reduzierung des Energiebedarfs aufgrund der gestiegenen Prozesstemperatur.
Die erzielbaren Einsparungen belaufen sich auf ca. 60.000 €/a, so dass sich diese Maßnahme mit einer Payback-Dauer von weniger als 2 Jahren realisieren lässt.
Innovative Wär- metauschertech-nologie
Neben den in der Papierindustrie bereits erfolgreich eingesetzten Freistrom- oder Spiralwärmetauschern, die aufgrund ihrer Bauweise einen stabilen Betrieb auch bei faser- und feststoffhaltigen Medien ermöglichen [31, 32, 33], gibt es seit kurzem eine neue Technologie, die es ermöglicht, Abwasser im freien Gefälle abzuleiten und durch ein einfaches Reinigungssystem ständig sauber zu halten [34]. Diese Entwicklungen helfen, Potenziale wie oben beschrieben, in Zukunft verstärkt nutzen zu können.
Abbildung 30 Neue Wärmeüberträger für verschmutztes Wasser [34]
Optimierungs-ansätze Energie-erzeugung
In kleineren und mittelständischen Papierfabriken erfolgt die Dampferzeugung häufig in einfachen Dampfkesseln, während der Strom komplett vom Netz bezogen wird. Bei einer Optimierung des Wärmebedarfs sollte deshalb auch das Kesselhaus berücksichtigt werden. Insbesondere eine Reduzierung der Abgasverluste kann die Energieeffizienz erhöhen. Ansatzpunkte sind zum Beispiel:
• Einsatz einer O2/CO Regelung
• Abgaswärmerückgewinnungssysteme (Economizer)
• Luftvorwärmung
Die jeweiligen Einsparpotenziale sind anlagenabhängig, häufig aber mit relativ kurzen Amortisationszeiten umsetzbar.
0
Abbildung 31 Economizer zur Reduzierung der Abgasverluste am Bei-spiel der untersuchten Brauerei
Wärme-integration in Brauereien
Auch im Brauereisektor gibt es diverse Optionen zur Wärmerückgewinnung.
Stand der Technik, aber insbesondere in älteren, kleineren Brauereien noch nicht in jedem Fall umgesetzt, ist beispielsweise Wärmerückgewinnung beim Würzekühler oder der Würzekochung.
Abbildung 32 Möglichkeiten zur Wärmeintegration in Brauereien
Fazit Durch Wärmeintegrationsmaßnahmen lässt sich der spezifische Energiebedarf in der Regel wirtschaftlich sinnvoll reduzieren und damit die Produktivität stei-gern. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass ökonomisch attraktive Energie-einsparungen insbesondere dann möglich sind, wenn Frischdampf ersetzt werden kann. Eine hohe Wirtschaftlichkeit ist außerdem meist dann gegeben, wenn Wärmequellen und –senken möglichst lokal gekoppelt werden. Bedarf es eines großen Aufwandes an Rohrleitungen, Pumpen usw. zur Überwindung großer Distanzen leidet die Wirtschaftlichkeit einer Maßnahme. Die wirtschaftli-che Bewertung von Maßnahmen zur Wärmeintegration hängt somit stark von lokalen Gegebenheiten ab und ist von Fall zu Fall zu prüfen.
Bei einer Reduzierung des Dampfbedarfs, wie sie durch die im Rahmen des Projektes betrachteten Maßnahmen zur Wärmeintegration ermöglicht wird, sollten immer die Auswirkungen auf das Kraftwerk mit berücksichtigt werden. In der Regel sind Kraftwerke in der Papierindustrie wärmegeführt. Reduziert sich die Abnahme von Dampf, hat dies bei einer Kraft-Wärme-Kopplung u. U. Aus-wirkungen auf die Kapazität der Eigenstromerzeugung. Parallel sollte also auch versucht werden, den Bedarf an elektrischer Energie zu reduzieren, damit eine
„Verträglichkeit“ mit dem vorhandenen Kraftwerk sichergestellt werden kann.
Dampfkessel
Abgas Gas Eco
Speisewasser
Verbrennungsluft 225 ˚C Dampf
97 ˚C 120 ˚C
150 ˚C 179 m³/h
4,5 m³/h
4.800 m³/h
7 S toffauflös ung bei höheren Temperaturen in der Papierindus trie
7.1 Mis chung aus leicht zerfas erbarem Altpapier und s chwer zerfas erbarem