PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 17772
STEIGERUNG DER ENERGIE- UND WASSERRÜCKGEWINNUNG BEI DER PAPIERHERSTELLUNG DURCH NEUE KONZEPTE DER WÄRME-
» VERPACKUNG UND
KONFORMITÄT »DRUCK UND
FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN » MATERIALPRÜFUNG
UND ANALYTIK
» FASERN UND
COMPOSITE » PAPIER-
WIRTSCHAFT 4.0
S. Bierbaum:
Steigerung der Energie- und Wasserrückgewinnung bei der Papierherstellung durch neue Konzepte der Wärmeintegration und Kondensatnutzung aus feuchter Abluft
(Kondensat)
PTS-Forschungsbericht 22/15 Juni 2015
Papiertechnische Stiftung (PTS) Heßstraße 134
D - 80797 München www.ptspaper.de
Download-Information:
Diese Studie steht auf der Homepage der PTS zum Download bereit:
www.ptspaper.de/forschungsdatenbank
Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Svenja Bierbaum Tel. (089) 12146-144
Svenja.bierbaum@ptspaper.de Papiertechnische Stiftung PTS Papiertechnisches Institut PTI Heßstraße 134
80797 München
Das Forschungsvorhaben IGF 17772 N der AiF-Forschungs- vereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbe- reitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projekt- durchführung.
Steigerung der Energie- und Wasserrückgewinnung bei der Papierherstellung durch neue Konzepte der Wärmeintegration und Kondensatnutzung aus feuch- ter Abluft
S. Bierbaum
Inhalt
1 Zusammenfassung ... 2
2 Abstract ... 3
3 Einleitung... 4
4 Materialien und Methoden ... 6
5 Initiale Verfahrenshypothese und Lastenheft ... 8
6 Datenaufnahme Ist-Zustand ... 9
6.1 Vorgehen ... 9
6.2 Wärmebedarf und –eintrag ... 11
6.3 Qualitäten der verfügbaren Haubenkondensate ... 12
7 Risikoanalyse und Diskussion mit der Industrie ... 15
7.1 Workshop - Inhalte und Fragestellungen ... 15
7.2 Ergebnisse ... 16
7.3 Fazit... 18
8 Wasserreinigungsverfahren ... 19
8.1 Systematische Auswahl anhand der Zielparameter ... 19
8.2 Laboranlagen und durchgeführte Versuche ... 20
8.3 Reinigungserfolge und erzielbare Wasserqualitäten ... 23
8.4 Bewertung Wiedereinsetzbarkeit der Kondensate... 29
9 Bilanzierung und Entwicklung Verfahrenskonzepte... 31
9.1 Bilanzierung „Wasser-/Wärmekreislauf“ und Prozesssimulation ... 31
9.2 Entwicklung praxisnaher Verfahrenskonzepte ... 34
10 Wirtschaftliche Bewertung der Integrationskonzepte ... 37
10.1 Wärmeintegration ... 37
10.2 Nutzung des Haubenkondensats ... 37
10.2.1 Allgemeines ... 37
10.2.2 Nutzung im Wasserkreislauf ... 38
10.2.3 Nutzung als Zusatzwasser für Dampfkessel ... 41
11 Bewertung der Übertragbarkeit auf andere Branchen ... 44
12 Empfehlungen und Richtlinien für Papierindustrie und andere Branchen ... 46
13 Schlussfolgerungen ... 47
Glossar ... 48
Literatur ... 49
1 Zusammenfassung
Thema Steigerung der Energie- und Wasserrückgewinnung bei der Papierherstellung durch neue Konzepte der Wärmeintegration und Kondensatnutzung aus feuchter Abluft
Ziel des Projek-
tes Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines wirtschaftlich umsetz- baren Konzeptes, in dem erstmals eine kombinierte Wärme- und Wassernutzung aus der feuchten Abluft der Trockenpartie von Papiermaschinen erfolgen kann.
Wärme-
integration Die Erweiterung der Wärmerückgewinnungs(WRG)-Anlagen auf mehrstufige Systeme ermöglicht, den Grad der WRG zu erhöhen und dementsprechend den Wärmebedarf der Produktion zu senken. 30-35 % der Papierfabriken betreiben zweistufige WRG-Systeme, nur 5-10 % dreistufige. Die zusätzlich zurück gewon- nene Energiemenge der Abluft kann zur Vorwärmung der Hallenluft oder zur Wassererwärmung (z.B. Frischwasser Prozesswasser) genutzt werden.
Wasserreinigung
sverfahren Die stärkste Reduzierung der Salzbelastung (Leitfähigkeit) und der organischen Belastung (CSB) der untersuchten Haubenkondensate konnte mittels Umkeh- rosmose erzielt werden. Die erzielten Leitfähigkeiten erfüllen weitgehend die An- forderungen an Kesselspeisewasser bei salzarmer Fahrweise. Die Reduzierung der organischen Belastung ist die größte Herausforderung, insbesondere polare kurzkettige Bestandteile (organische Säuren) lassen sich schlechter abtrennen.
Nutzung des an- fallenden Kon- densats
Die anfallende Menge an Haubenkondensat deckt für die untersuchten Werke den Bedarf an Zusatzwasser im Dampfkessel. Zur Erfüllung der allgemeinen Anforderungen der DIN-Normen an Kesselspeisewasser ist der pH-Wert des Haubenkondensats zu erhöhen, Härte und organische Belastung zu reduzieren.
Die spezifischen Anforderungen an Zusatzwasser bzw. an Kesselspeisewasser richten sich nach Kesselbauweise, Betriebsweise und Betriebsdruck.
Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthe- mas für kleine und mittlere Unternehmen (kmU)
Basierend auf den Projektergebnissen lassen sich die folgenden Einsparpotenzi- ale abschätzen (Invest.- + Betriebskosten, Abschreibungszeitraum 10 a):
• Wärmeintegration: 110 bzw. 250 k€/a (ohne Investkosten)
• Nutzung des Haubenkondensats im Siebwasserkreislauf:
o energetischer Nutzen: vernachlässigbar
o moderate Reduzierung der organischen und anorganischen Belastung des Wasserkreislaufs
• Nutzung des Haubenkondensats als Frischwasserersatz: 2-20 k€/a je nach Herkunft des Frischwassers
• Nutzung des Haubenkondensats als Zusatzwasser für Dampfkessel (bezo- gen auf den bisherigen, alleinigen Einsatz eines Ionentauschers) :
o Bei Neubau oder Austausch von Altanlagen: 3-7,5 k€/a (entsprechend 20-50 % der bisherigen Kosten) je nach Art der Aufbereitung
o Bei Neubau RO, Nutzung exist. Ionentauscher: bis zu 6 k€/a (entspre- chend 30 % der bisherigen Kosten)
2 Abstract
Theme Increasing the efficiency of water recovery and energy use in papermaking by developing new concepts of thermal integration and condensate recycling from moist exhaust air from the drying section
Project objective The overriding objective of the research project is to develop integrated, econom- ically feasible concepts for the combined use of excess heat from the drying sections of paper machines and the condensates thereof. A new water treatment process has to be developed with the aim of increasing the quality of conden- sates to meet the requirements of boiler feed water. Methods like filtration, reverse osmosis and ion exchange, among others, will be considered.
Heat integration Multi-stage systems offer the opportunity to enhance the degree of thermal recovery, thus lowering the heat requirements in production. Depending on the heat sinks available, the additional amount of energy recovered from the exhaust air can be used to preheat the workshop air or to heat water (e.g. fresh water, process water).
Water treatment
processes In the tested condensates from the drying section, the greatest reduction in salt load (conductivity) and organic load (COD) was able to be achieved by reverse osmosis. The conductivities achieved largely meet the requirements on boiler feed water in low-salt operating mode. Reducing the organic load is the greatest challenge; especially polar short-chain constituents (organic acids) cannot be separated easily.
Utilisation of the arising conden- sates
The amount of condensate that accumulates in the drying section meets the demand for boiler make-up water in the investigated paper mills. To fulfil the over- all requirements of the DIN standard on boiler feed water, the pH of the conden- sates from the drying section has to be increased, hardness and organic load have to be reduced. The specific requirements on make-up water or boiler feed water, respectively, depend on boiler design, mode of operation and operating pressure.
Economic relevance of this research subject for small and medium enter- prises (SME)
Based on the project results, the following possible savings can be estimated (investment + operating costs, depreciation period 10 a):
• Thermal integration: 110 or 250 k€/a
• Utilising the condensate from the dryer section in the white water circuit:
o Energetic benefit: negligible
o Moderate reduction in the organic and inorganic water circuit load
• Utilising the condensate from dryer section to replace fresh water: 2-20 k€/a depending on the origin of the fresh water
• Utilising the condensate from dryer section as make-up water for boiler:
o When building new plants or by replacing old plants: 3-7.5 k€/a (20-50 % of the present costs) depending on the treatment processes
o When building new RO, using existing ion exchanger: up to 6 k€/a (30 % of the present costs)
o When using existing RO: ca. 5-10 k€/a
3 Einleitung
Einführung Die Papierindustrie zählt zu den wasser- und energieintensiven Branchen. Um 1 kg Papier zu produzieren, sind im deutschen Mittel etwa 10 l Wasser und 2,9 MWh Primärenergie nötig [1, 2]. Das bedeutet z. B. für eine deutsche kmU Papierfabrik mit einer Produktionskapazität von 50.000 t/a jährliche Kosten für Strom und Gas zwischen 5-6 Mio. €. Dabei ist seit 2000 innerhalb von 10 Jahren der prozentuale Anteil der Energie- an den gesamten Produktionskosten im Schnitt um 70 % von 6,8 auf 12 % gestiegen [3, 4].
Die Trockenpartie der Papiermaschine ist der Prozessschritt mit dem höchsten Energieverbrauch. Diese Wärmeenergie wird tatsächlich nur teilweise genutzt, da laufend über die feuchte Trockenhaubenabluft große Mengen an Niedertem- peraturabwärme und Wasser an die Umgebung abgegeben werden.
Zwar ist der Einsatz von einstufigen Wärmerückgewinnungsanlagen (WRG) zur Abwärmenutzung aus der Haubenabluft heute verbreiteter Stand der Technik, jedoch wird dabei gleichfalls nur ein Teil der Energie zurück gewonnen. Darüber hinaus erfolgt dabei auch keine gezielte Sammlung und Nutzung des Konden- sats (im folgenden HAUBENKONDENSAT genannt), da in einstufigen WRG die Taupunkttemperatur im Allgemeinen nicht unterschritten wird.
Wärmerückgewin nung (WRG):
Potential nutzen durch mehr- stufige Anlagen
Die Möglichkeit der Erweiterung der WRG-Anlagen auf mehrstufige Systeme ist prinzipiell bekannt, aber in der Praxis eher selten anzutreffen. Aus Daten von Prozessanalysen der Forschungsstelle (FS) liegt der Anteil an Papierfabriken mit zweistufigen WRG-Systemen derzeit bei etwa 30 – 35 %, der Anteil an dreistufi- gen Systemen erreicht nur 5 -10 %.
Dabei sind mehrstufige WRG-Systeme in der Lage, große Mengen an Energie durch unterschreiten der Taupunkttemperatur und der dadurch freiwerdenden Kondensationswärme an andere Prozessströme zu übertragen. Je weiter die Ablufttemperatur gesenkt wird, desto mehr Haubenkondensat kann zudem gewonnen werden. Für dessen Nutzung sollte eine wirtschaftlich wie auch technisch attraktive Methode entwickelt werden.
Frischwasser und Kessel-
speisewasser
Im Jahr 2013 hat die deutsche Papier- und Zellstoffindustrie etwa 230 Millionen Kubikmeter Frischwasser als Brauchwasser im Prozess eingesetzt [1], bezogen auf die Produktion von 22,4 Mio. t [5] ergibt sich ein spezifischer Frischwasser- bedarf von 10,3 l/kg Produkt. Die verdampfte Wassermenge beträgt 0,8 – 1,2 l/kg, das restliche Wasser verlässt die Papierfabrik entweder gebunden im Produkt oder als Abwasser.
Ein vergleichsweise geringer Frischwasserteilstrom von 0,1 - 0,15 l/kg Papier ist für die Aufbereitung zu Kesselspeisewasser nötig. Dieses wird für die Produktion von Heizdampf in fast allen Papierfabriken benötigt. Abschlämmung und Absal- zung sowie direkter Dampfeinsatz im Prozess (z.B. Dampfblaskasten) führen zu einem kontinuierlichen Bedarf an Ergänzungs(Kesselspeise)wasser.
Während das Frischwasser für den Einsatz an der Papiermaschine zumeist nur filtriert wird, ist die Aufbereitung von Kesselspeisewasser unweit aufwändiger.
Üblich ist die Nutzung von Brunnen- oder Stadtwasser, welches filtriert und vollentsalzt werden muss. Organische Substanzen müssen nach DIN 12952-12 [6] und DIN 12953-10 [7] in möglichst geringen Konzentrationen auftreten.
Ionenaustauscher, Aktivkohle und seltener Umkehrosmose-(RO)anlagen sind für die Aufbereitung Stand der Technik.
Anlass für das
Projekt Den Anlass für dieses Forschungsprojekt gaben 5 Aspekte:
1. Niedertemperaturabwärme und Kondensatwasser aus der Papiertrocknung werden heute bei weitem noch nicht vollständig genutzt. Aufgabe der For- schung sollte es sein, dahingehend wirtschaftliche zukunftsfähige Verfahren zu entwickeln.
2. Die Idee der Aufbereitung von Haubenkondensat zu Kesselspeisewasser, zeigte sich auch nach näherer Bewertung als wirtschaftlich sehr vielverspre- chend.
3. Eine verknüpfte Nutzung von Wasser und Niedertemperaturabwärme aus der feuchten Abluft würde die wirtschaftliche Attraktivität der WRG noch weiter erhöhen. Somit könnte der entscheidende Anstoß gegeben werden für die weitere Verbreitung der Technologie und einer erheblich besseren Ressour- cenausnutzung.
4. Der Nutzen des Forschungsvorhabens wäre für kmU eindeutig höher als für nicht-kmU.
5. Die Forschungsidee wurde im Vorfeld mit verschiedenen Partnern in der Papierindustrie und des Anlagenbaues diskutiert und traf auf hohes Interesse, mit der ausdrücklichen Bitte an die FST, diese erfolgversprechende Idee kurz- fristig zu bearbeiten.
4 Materialien und Methoden
Wasseranalytik Die unbehandelten und behandelten Kondensatproben wurden anhand der folgenden Messmethoden charakterisiert:
Tab. 1: Wasserparameter
Parameter Methode
AFS DIN 38 409 T.2
Ammonium DIN 38 406 E5-12)
Carbonat DIN 38 405 D82)
Chlorid LCK 3111)
CSB DIN ISO 15705
Eisen LCK 320, LCK 5201)
Gelöste Anionen EN ISO 10304 D19/D202) Gesamttrockenrückstand DIN 38 409 T.1
Härte, Ca2+, Mg2+ LCK 3271)
Kieselsäure LCW 0281)
Kupfer LCK 5291)
Leitfähigkeit EN 27 888 Metalle/Elemente ISO 118852)
Organische Säuren PTS-WA 002/96 und LCK 3651)
pH-Wert DIN 38 404 T. 5
Phosphat LCK 3491)
Säure- und Basenkapazi-
tät (m- und p-Wert) DIN 38 409 T.7
Sulfat LCK 1531)
Temperatur DIN 38 404 T. 4
TOC DIN EN 1484
1) Küvettentests Hach-Lange
2) externes Labor
LC-OCD Zur weiteren Charakterisierung der Kondensate vor und nach Aufbereitung, insbesondere der organischen Inhaltsstoffe, sowie von Membranablagerungen wurden an ausgewählten Proben LC-OCD-Analysen durchgeführt. Damit soll ein Einblick in die Molmassenverteilung und Art der in Kondensat und Membranab- lagerung enthaltenen Kohlenwasserstoffmoleküle ermöglicht werden. Liquid Chromatography-Organic Carbon Detection (LC-OCD) ist eine Stoffgruppenana- lyse, anhand der die Anteile folgender Fraktionen am hydrophilen DOC wurden ermittelt wurden:
• Biopolymere (Polysaccharide, Polyaminozucker, Polypeptide und Proteine)
• Huminstoffe (Humic substances, HS)
• Building Blocks (Huminstoff-Hydrolysate)
• Niedermolekulare Neutralstoffe (LMW neutrals, z.B. Mono-Oligosaccharide, Alkohole, Aldehyde, Ketone, Aminosäuren)
• niedermolekulare organische Säuren (LMW organic acids)
• Anorganische Kolloide.
[8, 9]
Luftsystem und
Wasserkreislauf Zur Ermittlung der Wärmeströme wurden im Luftsystem und im Wasserkreislauf Messungen durchgeführt. Dazu wurden folgende Messverfahren eingesetzt:
Tab. 2: Messungen in Luftsystem und Wasserkreislauf
Parameter Messverfahren
Volumenstrom Wasser Ultraschall-Laufzeitverfahren (Ultraflux) Volumenstrom Luft Flügelradsonden (Testo)
Temperatur Wasser Testo Temperaturlogger
Temperatur & relative Feuchte Luft Testo Hochtemperaturfeuchtefühler Die Volumenströme der anfallenden Kondensate wurden ausgelitert.
5 Initiale Verfahrenshypothese und Lastenheft
Hypothese Die Forschungsidee der Kondensataufbereitung zur Nutzung als Kesselspeise- wasser wurde zu einem Verfahrenskonzept ausgearbeitet, basierend auf der Analyse der Ist-Situation und des zusammen mit der Industrie ermittelten Be- darfs. Darauf aufbauend erfolgte die konkrete Zieldefinition der Verfahrensent- wicklung in Form eines Lastenheftes.
Alternativen und
Risiken In der theoretischen Konzeptentwicklung wurden auch alternative Verwertungs- wege für die Haubenkondensate aufgenommen. Diese werden für die Prozess- simulation und die wirtschaftliche Auswertung zum Vergleich mit aufgeführt.
Damit stünde auch eine alternative „Notfalllösung“ zur Verfügung, wenn im Projektverlauf das ursprüngliche Ziel der Kesselzusatzwasseraufbereitung nicht erreicht worden wäre oder falls bei der späteren Umsetzung der Ergebnisse eine Nutzung als Zusatzwasser im Dampfkessel nicht möglich ist.
Anforderungen Aus technischer Machbarkeit, Risiken und Chancen des Konzepts wurde das Lastenheft der nötigen Entwicklungsarbeiten abgeleitet. Dieses umfasst Zielwer- te für das zu entwickelnde Verfahren:
• Wasserparameter: Anforderungen gemäß [6, 7], niedrigere Qualität tolerierbar, Fokus: organische Belastung, insbes. organische Säuren
• Temperaturen: Wassertemperatur beim Betrieb von Ionenaustauschern max.
50 °C
• Volumenströme: das aufbereitete Haubenkondensat soll den Bedarf an Zusatzwasser decken. Der Bedarf hängt ab von Verlusten im Dampfsystem, z.B. an installierten Verbrauchern wie Dampfblaskästen und Dampflanzen
• Kosten: niedriger als bei aktuellen Betriebsweisen und derzeit eingesetzten Verfahren zur Speise- und Zusatzwasseraufbereitung
• Betriebszeiten
Beim Produktionsstillstand fällt kein Haubenkondensat an, es wird aber auch kein Dampf verbraucht. Beim Anfahren der Papiermaschine nach einem Stillstand wird Dampf benötigt, ohne dass schon Haubenkondensat zur Ver- fügung steht. In einigen Papierfabriken wird auch Dampf benötigt, wenn die Papiermasche steht.
6 Datenaufnahme Ist-Zustand
6.1 VorgehenVorgehen Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde eine standardisierte in der For- schungsstelle entwickelte Methode zur Datenaufnahme des Ist-Zustands ange- wendet (siehe [10]). Das Vorgehen ist in nachfolgendem Ablaufplan schematisch dargestellt.
Abb. 1: Ablaufplan Datenaufnahme Ist-Zustand
Messverfahren Zur Ermittlung der Wärmeströme wurden gemäß Tab. 2 Messungen im Luftsys- tem und im Wasserkreislauf durchgeführt.
Untersuchte
Werke Im Rahmen des Projektes wurde in zwei kmU Papierfabriken eine umfangreiche Datenaufnahme vor Ort durchgeführt. Werk A produziert auf einer Maschine Karton. Als Rohstoff wird 100 % Altpapier eingesetzt. Auf der untersuchten Produktionslinie in Werk B werden Spezialpapiere aus einem breiten Mix an Faserrohstoffen (Altpapier und Zellstoff) hergestellt.
Wärmebedarf In der Papierindustrie wird Wärme in Form von Dampf, gasbeheizten Brennern oder elektrischen Heizungen/Strahlern eingesetzt. Während der Wärmeeinsatz zur Trocknung der Papierbahn allgegenwärtig ist, gibt es Wärmeverbraucher, die abhängig von der produzierten Sorte sowie den eingesetzten Rohstoffen sind.
Der weitaus größte Wärmebedarf besteht bei der thermischen Trocknung der Papierbahn, wie nachfolgende Abbildung anhand eines Beispiels illustriert.
Abb. 2: Beispielhafte Verteilung des Wärmebedarfs [11]
Verfügbare Hauben- kondensate
In beiden Werken wurden Proben der anfallenden Haubenkondensate zur Analytik entnommen. Dazu wurden je Werk bis zu 11 Probenahmerunden verteilt über mehrere Tage durchgeführt. Die Proben wurden an den Probenahmestellen gemäß Abb. 4 und Abb. 5 entnommen.
6.2 Wärmebedarf und –eintrag Wärmebedarf der
untersuchten Werke
Die untersuchten Werke setzten Wärme in der Produktion nur in Form von Dampf ein. Der spezifische Wärmebedarf ist jeweils niedrig im Vergleich zu typischen Werten aus dem jeweiligen Sortenbereich [12, 13].
Abb. 3: Wärmebedarf der untersuchten Werke im Vergleich zum typischen Wärmebedarf im jeweiligen Sortenbereich
Wärmeeintrag in
den Prozess Nachfolgende Tabelle zeigt einen Überblick der Einsatzstellen von Dampf in den untersuchten Werken.
Tab. 3: Einsatzstellen von Dampf in den untersuchten Werken
Dampfeinsatzstelle Werk A Werk B
Trockenzylinder X X
Zuluft Trockenpartie X X
Hallenheizung X X
Stärkeaufbereitung X
Prozesswasserheizung X
Weitere gezielte Wärmeeinträge in den Prozess erfolgen durch Wärmerück- gewinnung aus der Abluft der Trockenpartie und durch Kühlwässer. Darüber hinaus erfolgt ein indirekter Wärmeeintrag durch Dissipation an Aggregaten wie Refinern, Pumpen und Rührwerken in das Wasser- und Stoffsystem.
Haubenluft-
technik Werk A Werk A betreibt für die Vortrockenpartie eine zweistufige Wärmerückgewinnung (WRG) und in der Nachtrockenpartie eine einstufige WRG. Nachfolgende
Abbildung zeigt schematisch die Situation der Haubenlufttechnik in Werk A sowie die Probenahmestellen für die Beprobung der anfallenden Kondensate.
Abb. 4: Haubenlufttechnik Werk A
Haubenluft-
technik Werk B Werk B sammelt alle Abluftströme der Trockenpartie und führt sie gemeinsam einer zweistufigen WRG zu. Vor der zweiten Stufe wird der Abluft noch die Abluft von Wasserringvakuumpumpen zugegeben. Abb. 5 zeigt schematisch die Situation der Haubenlufttechnik in Werk B sowie die Probenahmestellen für die Beprobung der anfallenden Kondensate.
Abb. 5: Haubenlufttechnik Werk B
6.3 Qualitäten der verfügbaren Haubenkondensate Analysenwerte
der verfügbaren Haubenkonden- sate
In beiden Werken wurden die anfallenden Haubenkondensate gemäß Abb. 4 und Abb. 5 beprobt. Ausgewählte Mittelwerte sind in Tab. 4 dargestellt. Es zeigt sich, dass die organischen Säuren mit ca. 50 % einen großen Anteil am CSB haben.
Q in m³/h 41.899 Q in m³/h 17.539
ṁtr.L. in kg/h 41.026 ṁtr.L. in kg/h 18.993
Temperatur in °C 46 Temperatur in °C 34
①② 0,283 Q in m³/h Temperatur in °C 65
Feuchte in g/kg 78
③ ④
0,151 Q in m³/h 0,04 Q in m³/h
Temperatur in °C 76 Temperatur in °C 64
Feuchte in g/kg 82 Feuchte in g/kg 32
Verdampfung Verdampfung
Trockengehalt in % 50% Trockengehalt in % 88% 92% Trockengehalt in %
ṁW in kg/h 5.196 ṁW in kg/h 709 452 ṁW in kg/h
Wasser (Kondensat) Papier warme Luft ①②③④ Probenahmestellen
Vortrockenpartie
WT L/L WT L/W
Papier
WT L/L
Papier Nachtrockenpartie
Temperatur in °C 36
ṁtr.L. in kg/h 33.000
Q in m³/h 34.279
Temperatur in °C 55 ②
Feuchte in g/kg 75 0,879 Q in m³/h
Q in m³/h 3.635
ṁtr.L. in kg/h 3.723 ①
Temperatur in °C 43
Temperatur in °C 75 Feuchte in g/kg 64
Verdampfung Verdampfung
Trockengehalt in % 47% 94% Trockengehalt in %
ṁW in kg/h 2.941 157 ṁW in kg/h
Wasser (Kondensat) Papier warme Luft ①② Probenahmestellen
Vortrockenpartie
WT L/L
Papier
WT L/W
Papier Nachtrockenpartie
Glätt- Zylinder WRP
Mikroskopische Bilder der Hau- benkondensate
Die mikroskopischen Bilder der ausgewählten Kondensate beider Werke zeigen einzelne Fasern, Mikroorgansimen und anorganische Partikel.
Abb. 6: 10-fach Vergrößerung,
Phasen¬kontrast – Werk A Abb. 7: 40-fach Vergrößerung, Phasenkontrast – Werk A Anforderungen
an Kesselspei- sewasser - allgemein
Tab. 4 zeigt die Anforderungen an Kesselspeisewasser und die durchschnittli- chen Werte der als Zusatzwasser geeigneten Haubenkondensate beider Werke.
Tab. 4: Anforderungen an Kesselspeisewasser (Auszug) und verfügbare Haubenkondensate
Parameter Einheit DIN EN 12952-12:2003 DIN EN 12953-10:2003 Werk A Werk B Kesselart - Wasserrohrkessel Großwasser-
raumkessel
Groß- wasser-
raumk.
Groß- wasser-
raumk.
Betriebs-
druck bar 0,5-20 20-40 40-100 0,5-20 > 20 < 10 < 13 Leitfähigkeit
bei 25 °C µS/cm - - - 82 76
pH-Wert
bei 25 °C - > 9,2 4,4 5,8
Gesamthär-
te (Ca + Mg) mmol/l < 0,02 < 0,01 < 0,005 < 0,01 0,023 0,014 Eisen mg/l < 0,050 < 0,030 < 0,020 < 0,3 < 0,1 0,13 0,08 Kupfer mg/l < 0,020 < 0,010 < 0,003 < 0,05 < 0,03 0,03 0,02 Sauerstoff mg/l < 0,020 < 0,05 < 0,02 - - Öl/Fett mg/l < 1 < 0,5 < 0,5 < 1 - - Organische
Substanzen mg/l Auswirkungen so gering wie möglich halten 1581) 341) (Permanga-
nat-Index) mg/l 5 5 3 - - - -
1) TOC
Anforderungen an Kesselwasser und Speise- wasser - Leitfä- higkeit
Für Speisewasser sind in den Normen keine Leitfähigkeiten festgelegt. Lediglich für das Kesselwasser sind in Abhängigkeit des Betriebsdrucks maximal zulässi- ge Werte vorgegeben. Diese liegen
Für Wasserrohrkessel [6]
• bei ca. 1.300 bis 6.000 µS/cm (Speisewasser-Leitfähigkeit > 30 µS/cm),
• bei ca. 220 bis 1.500 µS/cm (Speisewasser-Leitfähigkeit ≤ 30 µS/cm) für Großwasserraumkessel [7]
• bei 3.000 bis 6.000 µS/cm (Speisewasser-Leitfähigkeit > 30 µS/cm)
• bei < 1.500 µS/cm (Speisewasser-Leitfähigkeit ≤ 30 µS/cm).
Für die verschiedenen Betriebsweisen existieren die Herstellervorgaben an die Speisewasser-Leitfähigkeit gemäß Tab. 5.
Tab. 5: Herstellervorgaben für Speisewasser-Leitfähigkeit
Betriebsweise Salzhaltig Salzarm Salzfrei Quelle Zul. Betriebs-
überdruck bar 0,5-44 < 44 < 44 Speisewasser-
Leitfähigkeit µS/cm < 300
> 30
1-50 0,2-30
< 0,2
< 0,2
[14], [15]
[16]
< 5 % vom Kesselwassergrenzwert2) [17]
2) bei Absalzrate 5 %
Die Chloridkonzentration im Zusatzwasser darf maximal 200 mg/l betragen [17].
7 Risikoanalyse und Diskussion mit der Industrie
7.1 Workshop - Inhalte und FragestellungenRisiken Wesentlicher Bestandteil der Forschungsidee ist die Verknüpfung von unter- schiedlichen Anlagenbereichen (Dampferzeugung ↔ Trockenhaube) zu einer gemeinsamen Einheit. Heizdampf ist für die Papiererzeugung eine elementare Komponente – fällt die Dampfproduktion aus, kann kein Papier mehr erzeugt werden. Die Idee der Aufbereitung von Kondensat zu Kesselspeisewasser greift damit in einen der empfindlichsten Teile der Produktion ein. Eine nahezu 100%-ige Verfügbarkeit der Dampferzeugung muss daher gewährleistet sein.
Risiken dafür bestehen z. B. bei Membranverblockung, Reinigungsstillständen oder Reduktion der Papierproduktions- respektive Haubenkondensatmenge, aber auch in der Wirtschaftlichkeit oder in der Betreibbarkeit der Verfahrenskon- zepte.
Workshop Es wurde ein Workshop mit Papiererzeugern und Anlagenbauern für Dampfkes- sel, Wasserreinigung, Wärmerückgewinnungssysteme abgehalten, in dem die Erkenntnisse und Erfahrungen der unterschiedlichen Parteien zusammengeführt, kritisch diskutiert und analysiert wurden. Es wurden ebenfalls Qualitätsanforde- rungen, Verfügbarkeiten sowie allgemein Hemmnisse und Chancen der groß- technischen Umsetzung diskutiert.
Ziel Ziel des Workshops war die Identifizierung und Bewertung von Risiken sowie die Ableitung von Lösungen zur Minimierung dieser Risiken. Es galt, komplexe Zusammenhänge transparent zu machen, Wissen auszutauschen und Wissens- lücken zu schließen.
Fragestellungen Die folgenden Fragestellungen wurden auf dem Workshop diskutiert:
• Herkunft der Kondensat-Inhaltsstoffe
• Was passiert im Kessel, welche Abweichungen sind akzeptabel?
• Anforderungen an die Wärmerückgewinnung
• Die weitere Nutzung des Kondensats
• Sind die Anforderungen für jeden einzelnen Strom einzuhalten oder reicht es, wenn die Anforderungen an das Kesselwasser eingehalten werden?
• Wie kann die Restbelastung des Haubenkondensats zum Einsatz als Kes- selspeisewasser reduziert werden? Ist dies überhaupt notwendig?
• Wie hoch ist das Foulingpotenzial beim Einsatz von Membranen zur Reini- gung des Haubenkondensats und wie kann es reduziert werden?
7.2 Ergebnisse Salze, Leitfähig-
keit Salze gelangen in das Haubenkondensat durch Tröpfchen, die bei der Trock- nung der Papierbahnen mitgerissen werden.
Bei salzhaltiger Fahrweise sind Leitfähigkeiten von 300 µS/cm völlig unbedenk- lich, auch 600 µS/cm sind OK, ggf. muss mehr abgesalzt werden. Weniger als 30 µS/cm (salzarme Fahrweise) lässt sich nur einhalten wenn ca. 90 % Kondensat aus dem Werk zurückgeführt wird. Einige Papierfabriken haben allerdings Dampfverluste bspw. an Dampfblaskästen zur Aufheizung der feuchten Papier- bahn oder an Dampflanzen zur Aufheizung des Siebwassers.
Organische
Belastung Die organische Belastung stammt vermutlich aus dem Siebwasser.
Mehr Organik im Speisewasser führt zu höherer CO2-Konzentration im Dampf und zu Trübung und Schaum im Kessel. Aus großen organischen Molekülen entsteht im Kessel CO2, das durch die Entgasung entweicht. Die hier gemesse- nen organischen Säuren (kleine Moleküle) sind dampfflüchtig und gehen daher eher in den Dampf über. Die Auswirkung erhöhter Konzentrationen an kleinen Molekülen ist vor einer Umsetzung zu klären.
Der Permanganat-Index sollte nicht größer als 100 mg/l sein, es sind aber auch Beispiele mit ca. 200 mg/l bekannt. Die zu akzeptierende Konzentration hängt ab vom Druck im Kessel. Das Verhältnis von CSB zu Permanganat-Index ist unter- schiedlich für verschiedene Wässer, für die einzelnen Wässer existieren Korrela- tionen. Die organische Belastung des Haubenkondensats ist tolerierbar, Säure- korrosion ist zu verhindern.
Die Reduzierung der Versäuerung des Siebwassers hätte zwei Vorteile: geringe- re Siebwasserbelastung und damit saubereres Produkt und geringere Belastung des Haubenkondensats.
pH-Wert Die untersuchten Haubenkondensate sind stark sauer. Der pH-Wert muss nicht separat im Haubenkondensat (= Zusatzwasser) eingestellt werden, da dies Bestandteil der vorhandenen Konditionierung ist. Bei der ohnehin praktizierten Entgasung des Speisewassers würde sich der pH-Wert bereits erhöhen.
Bei erhöhter Organik im Kesselwasser sinkt dessen pH-Wert, was zu Korrosion führt. Der pH-Wert im Kesselwasser ist zu überwachen
Härte Gemäß [6, 7] ist eigentlich eine Kondensatüberwachung nötig oder ein Enthär- tungsfilter für das gesamte Kondensat. Die in den Haubenkondensaten enthalte- ne Härte kann auch stabilisiert werden.
Eisen und Kupfer Im Kessel sollte die Eisenkonzentration überwacht werden, da Eisen korrosions- relevant ist und ein Korrosionsindikator ist. Die Überwachung der Kupferkonzent- ration ist nur von Interesse, wenn Kupfer im System verbaut ist.
Feststoffe Der Staub aus den Wärmetauschern findet sich als Feststoffbelastung im Hau- benkondensat wieder. Der Staub stammt aus der Zuluft und – vermutlich über- wiegend – aus dem Papier. Bei zu hoher Temperatur im Trockenzylinder entsteht durch einen Brenneffekt Staub.
Zur Reduzierung könnten Filter in der Haubenzuluft eingebaut werden. Der Einsatz von Zyklonen zur Staubabscheidung ist aufgrund der Feuchtigkeit der Luft (Dampf) nicht möglich. Es ist vorteilhaft, den Staub aus dem Haubenkon- densat zu entfernen statt aus der Haubenabluft, da hier der Volumenstrom geringer ist und sich die Reinigung außerhalb des Prozesses befindet. Eine Trübung des Kesselwassers ist zu verhindern. Ist wenig Staub zu entfernen, eignen sich Kerzenfilter.
Betriebsweise Auch bei konventioneller Betriebsweise der Kessel mit Frisch-/Oberflächen- wasser setzt sich Schlamm im Kessel ab. Im Dampf- und Kondensatsystem setzt sich kein Schlamm ab. Es ist eine wirtschaftliche Entscheidung, ob das Speise- wasser stärker aufbereitet wird oder ob häufiger abgeschlämmt wird. Es ist zu beachten, dass bei erhöhter Organik im Kesselwasser dessen pH-Wert sinkt, was zu Korrosion führt. Daher ist der pH-Wert zu überwachen
Dampfbedarf ↔ Anfall Hauben- kondensat
Beim Produktionsstillstand fällt kein Haubenkondensat an, es wird aber auch kein Dampf verbraucht. Beim Anfahren der Papiermaschine nach einem Still- stand wird Dampf benötigt, ohne dass schon Haubenkondensat zur Verfügung steht. In einigen Papierfabriken wird auch Dampf benötigt, wenn die Papierma- sche steht. Dies ist zu berücksichtigen, wenn Haubenkondensat als Kesselspei- sewasser genutzt werden soll.
Einsatz von Membranverfah- ren
Polare wasserdampfflüchtige organische Verbindungen sind schwierig mit RO- Membran zurückzuhalten. Im Haubenkondensat finden sich geringe Konzentrati- onen der Nährstoffe N und P. Daher ist Biofouling an der RO-Membran zu erwarten. Dies kann mit Bioziden verhindert werden. Stickstoff und Phosphor sind in geringen Mengen im Siebwasser enthalten und gelangen über Tröpfchen ins Kondensat.
Molkereien nutzen Kondensate aus der Produktion als Kesselspeisewasser. Die Nutzung wird täglich anhand der Kondensatqualität entschieden.
Betrieb von
Ionentauschern Die Wassertemperatur beim Betrieb von Ionenaustauschern soll max. 50 °C betragen. Wenn zu Zeiten Dampf benötigt wird, zu denen kein Haubenkondensat anfällt (z. B. Stillstände) können die bestehenden Aufbereitunganlagen einge- setzt werden. Es ist aber zu beachten, dass, auch wenn beim Einsatz von Haubenkondensaten die vorhandene Aufbereitungsanlage nicht benötigt wird, diese nicht über mehrere Tage stehen darf. Ionentauscher oder RO sollten im Idealfall durchgehend laufen bzw. müssen stabilisiert werden. So können Ionen- tauscher z.B. frisch regeneriert werden oder man lässt die Anlage einmal pro Tag laufen.
Weitere Reini-
gungsverfahren Aktivkohle war nur mäßig wirkungsvoll zur weiteren Reduzierung der organi- schen Belastung im Permeat, da die enthaltenen organischen Verbindungen polar und zu niedermolekular sind. Die CSB-Beladung der Aktivkohle in den an der FST durchgeführten Versuchen war für einen wirtschaftlichen Einsatz zu gering.
7.3 Fazit
Ergebnisse • Die Kondensat-Inhaltsstoffe stammen aus dem Siebwasser. Reinigung des Kondensats meist vorteilhafter als Maßnahmen zur Vermeidung der Sieb- wasserkontamination.
• Erforderliche Wasserqualität: Zusatzwasser muss nicht zwingend Kriterien für Speisewasser erfüllen. Der Betrieb des Kessels ist zu überwachen.
• „Problem“: organische Belastung, insbes. organische Säuren
Polare wasserdampfflüchtige organische Verbindungen schwierig mit RO- Membran zurückzuhalten
• Der pH-Wert des Kesselwassers ist zu überwachen
• Ggf. werden bestehende Anlagen zur Zusatzwasseraufbereitung noch für einzelne Situationen benötigt. Es ist zu beachten, dass diese nicht über meh- rere Tage stehen sollten.
• Der Einsatz von Haubenkondensat als Zusatzwasser erscheint allen Beteilig- ten prinzipiell möglich.
8 Wasserreinigungsverfahren
8.1 Systematische Auswahl anhand der Zielparameter Auswahl Kon-
densate Basierend auf den verfügbaren Mengen und den verfügbaren Qualitäten erwei- sen sich die folgenden Haubenkondensate für einen Wiedereinsatz geeignet und wurden für die Versuchsdurchführung ausgewählt:
• Werk A: Vortrockenpartie Luft/Luft-Wärmetauscher, entsprechend PN 1 in Abb. 4,
• Werk B: Luft/Wasser-Wärmetauscher Stufe 2, entsprechend PN 2 in Abb. 5.
Aufbereitungsauf
gaben Basierend auf den Ergebnissen der vorhergehenden Schritte, insbesondere durch den Abgleich der Analysenwerte des anfallenden Kondensats mit den Angaben der DIN EN 12952-12:2003 8 [6] und DIN EN 12953-10:2003 [7] sowie der Diskussion mit Industrievertretern wurden die folgenden Aufbereitungsaufga- ben identifiziert:
• Leitfähigkeit: OK bei salzhaltiger Betriebsweise, ↓ für salzarme Betriebsweise
• Organische Belastung: ↓
• pH-Wert: ↑
• Gesamthärte: ↓
Verfahren Anhand dieser wurden die folgenden zu untersuchenden Verfahren ausgewählt bzw. die vorausgewählten Verfahren und das Labor-Versuchsprogramm ange- passt:
• Umkehrosmose (RO),
• Aktivkohle,
• Flockung, Fällung,
• Ionentauscher.
8.2 Laboranlagen und durchgeführte Versuche Membran –
Versuchsanlagen Für die Versuche wurden zwei unterschiedliche Laboranlagen genutzt:
A) Bei einem der Unternehmen des Projektbegleitenden Ausschusses konnten Versuche mit einer Umkehrosmoseanlage durchgeführt werden. Dabei wurde ein Betriebsdruck von 20 bar realisiert und batchweise Tests mit einem Probenvolu- men von 2 L durchgeführt.
B) In der Forschungsstelle wurde eine Membrananlage eingesetzt mit der größere Wasservolumen (10-20 L) verarbeitet werden konnten. Der Betriebs- druck dieser Anlage war auf 10-15 bar bei 20 °C limitiert, so dass bei diesen Versuchen sog. Niederdruck-Umkehrosmosemembranen zum Einsatz kamen.
Tab. 6 zeigt die eingesetzten Membranen und die Versuchseinstellungen. Die Auswahl der Membranen erfolgte basierend auf einer Vorauswahl in Diskussion mit den Membranherstellern und dem Unternehmen des PA bei dem die Ver- suchsanlage genutzt werden konnte.
Tab. 6: Versuchseinstellungen Umkehrosmose Anlage Membran Rückhalt NaCl
% Temp.
°C Druck
bar
A Desal AD 99,5 40 20
A UTC 70 99,5 40 20
B DOW BW 30 FR 99,0 20 10
B DOW SW 30 HR 99,7 20 10
Membran - Versuchsdurch- führung
Mit den Membrananlagen wurden folgende Versuche durchgeführt:
• Kurzzeitversuche unter Permeatrückführung.
• Aufkonzentrierungsversuche unter variierten pH-Werteinstellungen zur Untersuchung der Rückhaltveränderung
• Langzeitversuch über mehrere Tage zur Untersuchung der Ausbildung von Biofouling.
Versuche zur Fouling- ausbildung im RO-Verfahren
Trotz der geringen Substratkonzentration und den sehr niedrigen Konzentratio- nen an Nährstoffen N+P ist bei einer großtechnischen Umsetzung einer Umkeh- rosmose für die Haubenkondensatbehandlung mit Biofouling zu rechnen, wenn auch erst nach längerer Betriebszeit. Um diesen Vorgang näher zu untersuchen, wurde ein Langzeitversuch durchgeführt, bei dem die Umkehrosmoseanlage im Labor über 4 Tage dauerhaft betrieben wurde und täglich frische Kondensatpro- be zugeführt wurde. Nach dem Versuch konnte keinerlei Biofouling auf der Membran festgestellt werden. Aus diesem Grund wurde eine Versuchsreihe durchgeführt, bei der in offenen Bechergläsern die Ausbildung von Biofouling auf Membranen über einen mit 33 Tagen noch längeren Zeitraum nachgestellt werden sollte. Neben Haubenkondensatproben mit dem ursprünglichen pH-Wert von 4 wurden auch Ansätze bei einem pH-Wert von 10 durchgeführt, da sich dieser in Nanofiltrationsversuchen (Kap. 8.3) als optimaler pH-Wert für die Reduzierung von CSB und Leitfähigkeit erwiesen hat.
Die folgenden Versuche wurden mit Haubenkondensat aus Werk A angesetzt:
• Nullansatz (dest. Wasser)
• Kondensat
• Kondensat + 1 mg Glukose/l
• Kondensat + Nährstoffe
• Kondensat (pH 10)
• Kondensat (pH 10) + 1 mg Glukose/l
• Kondensat (pH 10) + Nährstoffe
In großtechnischen Anlagen könnte eventuell auftretendes Biofouling durch Biozidreinigungen verhindert werden, so wie es standardmäßig für Umkeh- rosmoseanlagen zur Frischwasseraufbereitung üblich ist. Dafür wäre ein Intervall von mehreren Monaten voraussichtlich ausreichend.
Aktivkohle –
Charakteristika Zur Versuchsdurchführung wurden zwei verschiedene Aktivkohlen (AK) einge- setzt:
1. Pulveraktivkohle Norit SX PLUS mit folgenden Spezifikationen:
• Jodzahl: 1050
• Molassezahl (EUR): 215 mg
• Methylenblauadsorption 22 g/100 g
• Innere Oberfläche (B.E.T.) 1.100 m²/g
• Dichte 350 kg/m³
• Korngröße D10: 6 µm; Korngröße D50: 20 µm; Korngröße D90: 80 µm.
2. Akdolit® Hydro-Anthrasit H mit folgenden Spezifikationen:
• Kornklasse: 1,4 – 2,5 mm
• Schüttdichte: ca. 480 kg/m³
• Kornrohdichte: ca. 0,95 g/cm³
• Kornporosität: ca. 50,0 %
Aktivkohle -
Vorbereitung Gemäß Vorschrift wurde die Hydro-Anthrasit-Kohle vor dem Einsatz mit destillier- tem Wasser benetzt. Die Benetzungszeit sollte gemäß Vorschrift 5 Tage betra- gen, wobei das Wasser mehrmals ausgetauscht werden sollte. Während des gesamten Zeitraums stiegen Leitfähigkeit und pH-Wert im Waschwasser stark an.
Der pH-Wert-Anstieg während der Benetzung war erwartungsgemäß und wird durch die Hydratisierung von alkalisch reagierenden Materialbestandteilen verur- sacht. Daher wurde in einem erneuten Waschprozess die gemahlene Kohle über einen Zeitraum von 10 Tagen bei täglichem Wasserwechsel gewaschen. Dabei wurde erneut über den gesamten Zeitraum hinweg ein starker Leitfähigkeitsan- stieg beobachtet. Der pH-Wert lag ab Tag 3 konstant bei pH 4. Der Leitfähigkeits- anstieg konnte im Rahmen des Projektes weder geklärt noch behoben werden.
Aktivkohle – Versuchsdurch- führung
Mit beiden Aktivkohlen und Haubenkondensaten beider Werke wurden Becher- glasversuche durchgeführt, mit jeweils 200 ml Haubenkondensat. Es wurden Isothermen aufgenommen bei variierter Verweilzeit und Aktivkohlekonzentration.
Dabei wurde die Schüttelzeit von 10-180 Minuten variiert, die Aktivkohlekonzent- ration von 0,5-17,5 g AK/l entsprechend 1-80 g AK/g CSB.
Bei der Verwendung von Hydro-Andrasit-Kohle wurde gemäß Vorschrift zuerst deren Wasserbindungsvermögen ermittelt und die entsprechende Menge an feuchter Kohle eingesetzt. Zur Abtrennung der Kohle nach Versuchsende wurden die Proben weißbandfiltriert.
Flockung – Materialien und Versuchsdurch- führung
Die Flockungsversuche wurden mit dem Flockungsmittel NICASAL der Sachtle- ben Wasserchemie GmbH in Jar-Tests mit Haubenkondensat aus Werk B durchgeführt. Die Versuche wurden mit jeweils 500 ml Probe durchgeführt, erwärmt auf Betriebstemperatur von 35°C. Die Rührerdrehzahl wurde nach folgendem Schema variiert:
Tab. 7: Schema zur Durchführung der Flockungsversuche
Vorgehen Drehzahl
min-1 Zeit
min
Zugabe Flockungsmittel 0 0
Zugabe Probe Maximal (~200) 0
Mischen ~70 1
Absetzen 0 4
Ende 0 30-60
Ionentauscher –
Durchführung Zur Abdeckung einer breiten Spanne an möglichen Ionentauscherharzen und Schaltungen der einzelnen Stufen wurde die Wirkung von Ionenaustauschern zur Reinigung des Haubenkondensats mit Hilfe der Software LewaPlus von Lanxess getestet. Als Input wurden die Analysenwerte des Haubenkondensats aus Werk A eingesetzt. Wenn nötig wurden Ionenkonzentrationen über Wasserstoff- oder Chloridionen ausgeglichen.
Analytik Die unbehandelten und behandelten Kondensate wurden mit den Methoden
8.3 Reinigungserfolge und erzielbare Wasserqualitäten
Umkehrosmose Tab. 8 zeigt die besten Ergebnisse der RO-Versuche, die mit beiden Versuchs- anlagen erzielt wurden. Es konnte eine deutliche Reduktion des CSB und der Leitfähigkeit erzielt werden. Die Härte wurde hingegen nicht verändert.
Tab. 8: Ergebnisse der RO-Versuche
So wurde der Gesamt-CSB in den RO-Versuchen mit Anlage A weitgehend um 83-87 % reduziert werden, in den Versuchen mit Anlage B um 78-98 %. Dabei bestanden Unterschiede je nach Membranmaterial. Die Leitfähigkeit wurde um 65-92 % mit Anlage A und um 39-87 % mit Anlage B reduziert.
roh gereinigt
Anlage A A CSB mg/l 890 113 87%
UTC70 Lf µS/cm 167 59 65%
Härte mmol/l 0,23 0,27 -
pH - 4,5 5,1 -
B CSB mg/l 53 8,9 83%
Lf µS/cm 149 12 92%
Härte mmol/l 0,19 0,22 -
pH - 6,3 7,2 -
Anlage B A CSB mg/l 490 17 97%
DOW BW 30 FR Lf µS/cm 74 18 76%
Härte mmol/l <0,18 <0,18 -
pH - - - -
B CSB mg/l 127 7,2 94%
Lf µS/cm 111 15 87%
Härte mmol/l <0,18 <0,18 -
pH - - - -
Kondensat
Parameter Reduktion
Werk Membran
CSB und organi-
sche Säuren Abb. 8 zeigt die CSB-Werte in den unbehandelten Proben und im Per-
meat/Retentat der RO-Versuche und gibt dabei den Anteil des CSB an, der von den organischen Säuren verursacht wird.
Abb. 8: Anteile der organischen Säuren am CSB
Der Rückhalt einer RO-Membran gegenüber organischen Stoffen ist v. A.
abhängig von der Ladung der jeweiligen Moleküle. Da die Membranoberfläche vollständig geschlossen ist, permeierende Moleküle durch diese Schicht diffun- dieren müssen, steigt der Rückhalt mit der Ladungsstärke der Moleküle. Aus den Analysen in Kap. 6.3 war bekannt, dass ein Großteil des CSB durch organische Säuren gebildet wird, nämlich ca. 50 %, bzw. 15-30 % in den Proben zur Ver- suchsdurchführung. Bei der RO-Behandlung nimmt der CSB-Anteil, der durch die organischen Säuren verursacht wird, nur um 75-80 % ab, während der restliche CSB um 85-90 % reduziert wird. Die organischen Säuren werden also durch die eingesetzten Membranen in geringerem Maße reduziert als die übrigen zum CSB beitragenden Inhaltsstoffe.
0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600
Feed Permeat Retentat UTC70
A
CSB in mg/l
CSB Rest
CSB der org. Säuren
Probe Membran Werk
0 10 20 30 40 50 60 70
Feed Permeat Permeat Retentat
DesalAD UTC70
B
CSB in mg/l
CSB Rest
CSB der org. Säuren
Probe Membran Werk
LC-OCD Abb. 9 zeigt beispielhaft die Ergebnisse der LC-OCD-Analysen für Werk A.
Abb. 9: LC-OCD Werk A
Für die einzelnen Fraktionen wurden die Eliminationen gemäß Tab. 9 erzielt.
Hier werden die organischen Säuren durch die RO-Behandlung zu 80 % bzw.
99 % und damit deutlich stärker reduziert als dies die Auswertung des CSB (Abb. 8) ergab. Zudem unterscheiden sich die Ergebnisse sowohl für die beiden untersuchten Werke als auch für die eingesetzten Membranen.
Tab. 9: DOC-Eliminationen
Werk Membran Ges. DOC Org. Säuren Neutral-
stoffe Building
Blocks Biopoly- mere
A UTC70 89 % 80 % 94 % 45 % 74 %
B Desal AD 90 % 99 % 81 % 99 % 1 %
0 50.000 100.000 150.000 200.000 250.000 300.000 350.000 400.000 450.000 500.000
Zusammensetzung in µg/l
LMW org. Säuren LMW Neutralstoffe Building Blocks Huminstoffe Biopolymere
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Zusammensetzung in %DOC
Einfluss pH-Wert
auf RO-Rückhalt Organische Säuren haben bei saurem bis neutralem pH-Wert des Wassers nur eine sehr geringe Ladung. Bei basischem pH-Wert der Probe wird dagegen mindestens ein Proton abgespalten und die Ladung des Moleküls führt zu einem verstärkten Rückhalt durch die Membran. Um diesen Effekt zu untersuchen, wurden Versuche mit variiertem pH-Wert durchgeführt.
Abb. 10 zeigt den CSB im Permeat während batchweise durchgeführten Versu- chen, bei denen das Permeat kontinuierlich abgezogen wurde, wodurch es in der Vorlage zu einer rund 2-fachen Aufkonzentrierung innerhalb von 5 h kommt.
Abb. 10: CSB im Permeat bei Vesuchsdurchführung bei verschiedenen pH- Werten
Der pH-Wert der Probe wurde eingestellt und anschließend der CSB gemessen (Null-Wert in Abb. 10), um eventuelle Ausfällungsreaktionen durch die Säu- re/Laugezugabe erfassen zu können. Ganz klar ist der Effekt des pH-Wertes auf den CSB-Rückhalt zu erkennen. Bei pH 10 wird ein CSB von rund 30 mg/l erreicht, wohingegen bei neutralem oder saurem pH nur ca. 100 mg/l CSB im Peremat erzielbar sind.
Fouling- ausbildung im RO-Verfahren
Nach der Versuchslaufzeit von 33 Tagen war kein Fouling zu erkennen. Die Schwankungen in der Zusammensetzung sind auf Messungenauigkeiten zu- rückzuführen. Die folgende Abbildung zeigt die Verteilung der Massen der Membran, des gebundenen Wassers und des gebildeten Belags.
Abb. 11: Verteilung der Massen der Membran (mtrocken), des gebundenen Wassers (mWasser) und des gebildeten Belags (mBelag)
Aktivkohle Tab. 10 zeigt die besten Ergebnisse der AK-Versuche, die mit den beiden verschiedenen Kohlen erzielt wurden. Die eingesetzten Kohlen lieferten nur mäßige Eliminationsraten von 26-69 % für den CSB und 3-14 % für die Leitfä- higkeit, wobei die Kohle SX PLUS insgesamt höhere Eliminationsleistungen zeigte als Hydro Antrasit.
Tab. 10: Ergebnisse der Aktivkohle-Versuche
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
- Glukose Nährstoffe - Glukose Nährstoffe
4 10
Membran H2O dest. Kondensat
Masse in mg
mWasser mBelag mtrocken
Zusätze pH Probe
roh gereinigt
SX Plus A CSB mg/l 475 148 69%
Lf µS/cm 76 74 3%
Härte mmol/l <0,18 <0,18 -
pH - 4,2 4,7 -
B CSB mg/l 123 61 50%
Lf µS/cm 111 96 14%
Härte mmol/l <0,18 <0,18 -
pH - 5,6 6,64 -
Hydro Antrasit A CSB mg/l 436 323 26%
Lf µS/cm 72 304 -
Härte mmol/l - - -
pH - 4,1 7,9 -
Kondensat Reduktion Aktivkohle Werk Parameter
Ionentauscher Die mit Ionentauschern zu erwartenden Reinigungserfolge wurden per Software ermittelt. Die in den Normen genannten Anforderungen an Kesselspeisewasser konnten mit keinem der getesteten Ionentauscher erreicht werden. Zudem sind die erzielten Eluat-Werte unplausibel, so liegen einige Eluat-Werte deutlichhöher als die Ausgangswerte. Dies ist auch dadurch verursacht, dass nicht alle von der Software geforderten Parameter vorlagen. Die hohen Werte für Natrium und Chlorid können dadurch erklärt werden, dass sie in den verwendeten Ionentau- schern als Austauscherionen fungieren und deshalb ausgespült werden. Aus diesem Grund werden hier zwar die Ergebnisse miteinander verglichen, aber nicht anhand der Anforderungen der Normen bewertet.
Für unterschiedliche Ionentauscherharze und unterschiedliche Kombinationen mehrerer Ionentauscher können stark unterschiedliche Ergebnisse erzielt
werden. Die Ergebnisse zeigen, dass für eine effiziente Aufreinigung mindestens zwei Ionentauscher in Kombination verwendet werden sollten. Dabei spielt der Kationentauscher die entscheidende Rolle.
Da in der Praxis Ionentauscher Stand der Technik zur Entsalzung und Enthär- tung sind und das Haubenkondensat schwächer belastet ist als standardmäßig verwendetes Speisewasser, ist davon auszugehen, dass Ionentauscher durch- aus zur Aufreinigung eingesetzt werden können. Bei Verwendung von Ionentau- scherharzen, welche als Austauscherionen H+- und OH--Ionen verwenden, bildet sich bei der Hintereinanderschaltung H2O, welches keinen Einfluss auf die Leitfähigkeit hat.
Flockung Tab. 11 zeigt die besten Ergebnisse der Versuche mit Flockungsmittel. Leitfähig- keit und CSB wurden lediglich zu 10 bzw. 12 % reduziert, wobei die Werte des unbehandelten Kondensats bereits vergleichsweise niedrig waren.
Tab. 11: Ergebnisse der Flockungsversuche
Fazit Reini-
gungsversuche Die stärkste Reduzierung der Salzbelastung (Leitfähigkeit) und der organischen Belastung (CSB) der untersuchten Haubenkondensate konnte mittels Umkeh- rosmose erzielt werden. Die erzielten Leitfähigkeiten erfüllen weitgehend die Anforderungen an Kesselspeisewasser bei salzarmer Fahrweise. Die Reduzie- rung der organischen Belastung ist die größte Herausforderung, insbesondere polare kurzkettige Bestandteile (organische Säuren) lassen sich schlechter abtrennen.
roh gereinigt
Nicasal B CSB mg/l 136 120 12%
Lf µS/cm 131 118 10%
pH - 7,0 6,7 -
Kondensat Reduktion Flockungsmittel Werk Parameter
8.4 Bewertung Wiedereinsetzbarkeit der Kondensate Wiedereinsatz
bewerten In Bezug zu den Qualitätsanforderungen und Zielparametern der vorherigen Arbeitsschritte wird die Qualität des behandelten Wassers abgeglichen mit den Sollwerten.
Leitfähigkeit Abb. 12 zeigt die erzielbaren Leitfähigkeiten für beide Werke im Vergleich zu den Anforderungen an Kesselspeisewasser bei salzhaltiger und salzarmer Fahrweise (s. Kap. 6.3). Bei der Darstellung ist zu berücksichtigen, dass die für die unbe- handelten Kondensatproben (Orig.) angegebenen Werte Mittelwerte der für die Versuche eingesetzten Proben sind. Der durch die jeweiligen Verfahren erzielte Eliminationsgrad gemäß Kap. 8.3 kann also abweichen.
Für eine salzhaltige Fahrweise sind alle Kondensate geeignet, auch die unbe- handelten. Für eine salzarme Fahrweise lässt sich mit den eingesetzten RO- Membranen aus dem eingesetzten Haubenkondensat Zusatzwasser erzeugen, dass die Anforderungen an Kesselspeisewasser erfüllt.
Abb. 12: erzielbare Leitfähigkeiten
CSB Abb. 13 zeigt die mit den jeweiligen Verfahren erzielbaren CSB-Werte. Hierzu ist auch für das Kesselspeisewasser keine Anforderung festgelegt, die Auswirkun- gen sollen so gering wie möglich sein. Wird demzufolge eine geringe organische Belastung des Zusatzwassers angestrebt, so lässt sich dies ebenfalls mittels Umkehrosmose erzielen sowie mit etwas geringerem Erfolg mit der Aktivkohle SX Plus.
0 50 100 150 200 250 300 350
Orig UTC70 DOW BW 30 FR SX Plus Hydro Antrasit Nicasal
Lf in µS/cm
Werk A Werk B
salzhaltige Fahrweise salzarme Fahrweise
Abb. 13: erzielbare CSB-Werte
pH Abb. 14 zeigt die erzielbaren pH-Werte. Die in den Normen für Kesselspeise- wasser geforderten pH-Werte von > 9,2 lässt sich mit keinem der untersuchten Verfahren erzielen.
Abb. 14: erzielbare pH-Werte
0 100 200 300 400 500 600 700
Orig UTC70 DOW BW 30 FR SX Plus Hydro Antrasit Nicasal
CSB in mg/l
Werk A Werk B
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Orig UTC70 DOW BW 30 FR SX Plus Hydro Antrasit Nicasal
pH
Werk A Werk B Anforderung
9 Bilanzierung und Entwicklung Verfahrenskonzepte
9.1 Bilanzierung „Wasser-/Wärmekreislauf“ und Prozesssimulation Prozess-
simulation Simulationsrechnungen werden eingesetzt, um die Auswirkungen von Wärmein- tegrationsmaßnahmen hinsichtlich Temperaturführung und Wärmehaushalt zu quantifizieren. Für die Simulationen wurde das Programm IDEAS der Firma Andritz Automation verwendet. IDEAS ist eine papierspezifische Weiterentwick- lung des objektorientierten Simulationsprogramms Extend. Weitere Informatio- nen zu den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von IDEAS können der Homepage von Andritz Automation entnommen werden [18].
Modellaufbau Für die betrachteten Produktionslinien wurden statische Simulationsmodelle aufgebaut, die den Wasser- und Wärmehaushalt der Papierproduktion abbilden.
Die Modelle bilden den gesamten Wasserkreislauf bis einschließlich Pressenpar- tie bzw. Ablauf in den Vorfluter ab. Der Bereich Trockenpartie bis Poperoller sowie Abluftströme werden als separate Quellen und Senken berücksichtigt.
Abgebildet wurde der stationäre Betriebszustand bei stabiler Produktion. Nach- folgende Abbildung zeigt schematisch das Modell für Werk B.
Abb. 15: Simulationsmodell Werk B
Die Struktur eines Simulationsmodells wird durch das Zusammenfügen von funktionalen Objekten aus verschiedenen Bibliotheken erstellt. Rechnerisches Grundprinzip jedes Elements ist die Massen- und Energiebilanz.
Die Modelle wurden mit den aufgenommenen Daten (Frischwassermenge, Produktionsmenge, Wärmeeinträge, Temperatur, …) parametriert und auf den Ist-Zustand während der Vor-Ort-Untersuchung hinsichtlich der Temperatur kalibriert.
Loop-Ansatz Jedes Modell wurde dazu in Bilanzelemente unterteilt, die die Loops (Teilkreis- läufe) der Stoffaufbereitungen und die Papiermaschinen repräsentieren. Es sind somit keine einzelnen Apparate abgebildet.
Abb. 16: Loop-Ansatz
PTS Mass
Balance Block Der PTS Mass Balance Block stellt ein an der PTS entwickeltes Objekt für die statische Massenbilanzierung dar. Gleichzeitig führt der Block eine Energiebilanz durch, d.h. dass Temperaturen der Stoffströme mit berücksichtigt werden. PTS Mass Balance Blöcke bilden im Simulationsmodell die Loops der untersuchten Anlagen ab.
Abb. 17: PTS Mass Balance Block
Simulation Wärmerück- gewinnung
Darüber hinaus wurde mithilfe einer modellhaften Abbildung der Wärmerück- gewinnung das Potenzial einer weitergehenden Wärmerückgewinnung ermittelt.
Hierfür wurde die Abluftanlage in separaten IDEAS-Modellen abgebildet.
Abb. 18: Darstellung Wärmerückgewinnung im IDEAS-Modell
9.2 Entwicklung praxisnaher Verfahrenskonzepte Wärmerück-
gewinnung – Stand der Tech- nik
Eine einstufige Wärmerückgewinnung zur Vorwärmung der Haubenzuluft ist eine naheliegende Abwärmenutzung und heutzutage Stand der Technik, auch wenn es immer noch Altanlagen gibt, in denen dies nicht umgesetzt ist.
Mehrstufige Anlagen bieten die Chance, den Grad der Wärmerückgewinnung zu erhöhen und dementsprechend den Wärmebedarf der Produktion zu senken. Je nach verfügbaren Wärmesenken kann die zusätzlich zurück gewonnene Ener- giemenge der Abluft zur Vorwärmung der Hallenluft oder zur Wassererwärmung (z.B. Frischwasser Prozesswasser) genutzt werden.
Abb. 19: Sankeydarstellung einer einstufigen Wärmerückgewinnung in der Papierindustrie [19]
Kondensation der
Abluft Um das volle Wärmerückgewinnungspotenzial in der Abluft ausschöpfen zu können ist es erforderlich den in der Abluft befindlichen Wasserdampf zu kon- densieren. Dadurch ist es möglich auch die Kondensationswärme der Abluft auszunutzen.
Simulations-
ergebnisse Die Simulationsergebnisse zeigen das Wärmerückgewinnungspotenzial (rück- gewinnbare Leistung im Vergleich zum Dampfbedarf) für die zwei untersuchten Werke für eine weitergehende Wärmerückgewinnung, die über eine einstufige WRG hinausgeht. Die dabei anfallende Kondensatmenge (Prozentsatz des sich in der Abluft befindlichen Wassers) steigt ebenso wie das Wärmerückgewin- nungspotenzial mit sinkender Endtemperatur nach Wärmerückgewinnung.
Abb. 20: Simulationsergebnisse Wärmerückgewinnung aus der Abluft
Potenzial Wesentliche Voraussetzung für eine Reduzierung des Energiebedarfs durch Wärmerückgewinnung ist die Passfähigkeit des Temperaturniveaus der Abwär- mequelle zu den Wärmesenken. In der Realität ist das oben angedeutete potenzial aus eben diesem Grund nicht voll ausschöpfbar, da der wesentliche Dampfeinsatz auf höherem Temperaturniveau stattfindet als sich die Abluft der Trockenpartie befindet. Nachfolgende Abbildung zeigt mehrstufige Wärmerück- gewinnungsanlagen in der Papierindustrie.
Abb. 21: Sankeydarstellungen mehrstufiger Wärmerückgewinnungsanlagen in der Papierindustrie [19, 20]
Einsatz von
Wärmepumpen Weitergehende Optionen können sich durch den Einsatz von Wärmepumpen ergeben. Diese wurden im Rahmen dieses Projektes nicht näher betrachtet. Die Ergebnisse anderer Forschungsarbeiten [21] zeigen jedoch, dass sich in einigen Fällen wirtschaftlich interessante Einsatzmöglichkeiten ergeben, es aber auch weitere Entwicklungen im Bereich Wärmepumpentechnologie notwendig sind.
Die Nutzung von Wärmepumpen zur Erzeugung von Dampf auf Basis der Abluft der Trockenpartie stellt dabei sicherlich eine der Erfolg versprechendsten Varianten dar.
Abb. 22: Erzeugung von ND-Dampf aus Abluft der Trockenpartie [22, 23]
10 Wirtschaftliche Bewertung der Integrationskonzepte
10.1 WärmeintegrationEinsparungen Die über eine Erweiterung der Wärmerückgewinnung über eine 1. Stufe hinaus erzielbaren Einsparungen sind abhängig von der jeweiligen Situation und Anla- genkonfiguration. In der Literatur werden Einsparungen von mehreren hundert- tausend Euro pro Jahr bis zu ein paar Millionen Euro pro Jahr bei ganzheitlicher Betrachtung des gesamten Standortes angegeben (siehe z. B. [19]). Unter der Annahme von 8.000 Betriebsstunden pro Jahr und einem Dampfpreis von 32
€/MWh ergeben sich für die untersuchten Werke durch die 2. Stufe der Wärme- rückgewinnung die in nachfolgender Abbildung dargestellten Einsparpotenziale.
Abb. 23: Einsparungen durch 2. Stufe Wärmerückgewinnung
10.2 Nutzung des Haubenkondensats 10.2.1 Allgemeines
Kondensat-
nutzung Neben dem Wärmeinhalt bestehen Chancen für die Nutzung der in der Wärme- rückgewinnung anfallenden Haubenkondensate. Im Rahmen dieses Projektes wurden hierfür folgende Optionen betrachtet:
• Verwendung der Haubenkondensate im Siebwasserkreislauf
• Verwendung der Haubenkondensate als Frischwassersatz im Prozess
• Einsatz der Haubenkondensate als Zusatzwasser für den Dampfkessel (Kesselspeisewasser)
Stand der Technik ist, dass diese Ströme meist einfach unkontrolliert in den Bodenkanal laufen, der entweder zum Gesamtabwasserstrom vermischt wird oder dem Siebwasserkreislauf zugeführt wird.
10.2.2 Nutzung im Wasserkreislauf Nutzung im
Wasserkreislauf Im Rahmen der Simulationsstudien wurden folgende Optionen für den Einsatz des Kondensats im Wasserkreislauf betrachtet und deren Auswirkungen auf Systembelastung und Temperaturregime untersucht. Bei der Verwendung der Haubenkondensate im Siebwasserkreislauf wird das anfallende kondensat bei gleichbleibendem Frischwassereinsatz im Prozess genutzt. Es dient somit einer Verdünnung des Wasserkreislaufs. Dabei kommt es zu einem Anstieg der Abwassermenge. Bei der Verwendung der Haubenkondensate als Frischwass- ersatz im Prozess wird hingegen die Abwassermenge konstant gehalten.
Simulations- ergebnisse – Nutzung im SW- Kreislauf
Abb. 24: Auswirkungen auf Temperatur und CSB im Siebwasser bei Einsatz des Haubenkondensats im Siebwasserkreislauf
Simulations- ergebnisse – Nutzung als FW- Ersatz
Abb. 25: Auswirkungen auf Temperatur und CSB im Siebwasser bei Einsatz des Haubenkondensats als Frischwasserersatz
Bewertung – energetischer Nutzen
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass aufgrund der im Vergleich zum gesam- ten Systemvolumen geringen Menge des zurück geführten Kondensats nur ein geringer Anstieg der Temperatur im Prozess zu erwarten ist. Selbst wenn 100 % des verdampften Wassers wieder zurück gewonnen werden können ist in den zwei untersuchten Fällen nur ein Temperaturanstieg von weniger als 2 K zu beobachten. Dieser Temperaturanstieg wird umso niedriger je höher die spezifi- sche Abwassermenge ist. Unter bestimmten Bedingungen ist sogar ein Abfall der Temperatur möglich. Berücksichtigt man die Faustformel „Temperaturerhö- hung um 10 K bewirkt eine Erhöhung des Trockengehaltes nach der Pressen- partie um etwa 1 % und reduziert damit den Energiebedarf zur Trocknung um etwa 4 %“[24], so kann der Einfluss einer Rückführung des Haubenkondensats auf den Energiebedarf im Vergleich zum durch die Wärmerückgewinnung erzielbaren Nutzen vernachlässigt werden.
Bewertung –
Systembelastung Hinsichtlich der Systembelastung kann bei Einsatz des Kondensates im Sieb- wasserkreislauf aufgrund der im Vergleich zum Prozesswasser niedrigen Kon- zentrationen an organischen und anorganischen Störstoffen eine moderate Entlastung des Wasserkreislaufs erzielt werden. Bei Nutzung als Frischwasser- ersatz ist hingegen mit einem leichten Anstieg der Konzentration zu rechnen.
Der Effekt ist dabei jeweils stark abhängig von der Kondensatmenge und-qualität sowie der Ausgangskonzentration im Wasserkreislauf.
