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Verdampferanlagen Verdampferanlagen energieoptimiert betreiben

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Wolfgang Hansen / Anke Geipel-Kern

Die Energiekosten sind mittlerweile zum Dauerbrenner in nahezu allen Industriezweigen avanciert und entwickeln sich zu einem wichtigen Wirtschaftlichkeitsfaktor. Doch häufig kommen Betreiber um energetisch aufwändige Verdampferanlagen nicht herum. Die Ingenieure von GEA Wiegand haben technische Möglichkeiten gefunden, den Energiebedarf zu begrenzen und damit Klimaschutz und Kosteneffizienz zu vereinen.

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(Bild: GEA Wiegand)

Ob in der Umwelttechnik, der chemisch/pharmazeutischen oder der Nahrungsmittelindustrie, immer wenn es um Eindampfen oder Reinigen von Abwässern, die Rückgewinnung von Lösemitteln oder beispielweise das Aufkonzentrieren von Produkten geht, sind Verdampferanlagen im Spiel, die dem Betreiber viele Vorteile bieten, aber wie alle thermischen Verfahren einen entscheidenden Nachteil aufweisen: Der Verdampfungsprozess verschlingt physikalisch bedingt große Mengen an Primärenergie und wirkt sich ungünstig auf die Energiebilanz eines Unternehmens aus. Energieeffizienz ist deshalb das wichtigste Ziel, das die Verfahrenstechniker von GEA Wiegand bei der Konzeption ihrer Verdampferanlagen vor Augen haben. Dazu haben die Ingenieure aus Ettlingen eine Reihe intelligenter Technologien entwickelt, dank deren Einsatz Betreiber fossile Ressourcen schonen und die CO2-Bilanz ihrer Unternehmen verbessern können.

Eine davon ist beispielsweise in einer Stärkefabrik in Süddeutschland verwirklicht. Auf dem Werksgelände wächst eine 45 Meter hohe Verdampferanlage in den Himmel, die mit einem sehr wirtschaftlichen Verfahren ausgestattet ist, der mechanischen Brüdenverdichtung. Bei der Stärkeherstellung aus Kartoffeln fallen große Mengen an Fruchtwasser an, die zu einem Brüdenkondensat reduziert werden, das schließlich als Abwasser entsorgt werden kann.

Entscheidend für den wirtschaftlichen Betrieb der Verdampfer ist die verfügbare Energie. Der Energiespartrick der mechanischen Brüdenverdichtung beruht darauf, dass der mechanisch arbeitende Kompressor die aus dem Produkt ausgedampften Brüden auf den höheren Druck des Heizraumes des Verdampfers verdichtet. Ein relativ kleiner Energiebetrag bessert die Prozesswärme energetisch auf, die dem Prozess wieder zur Verfügung steht. Die Arbeit, die der Kompressor zur Verdichtung der Brüden verrichten muss, ist nämlich weitaus geringer als die bei der thermischen Verdichtung benötigte Verdampfungsenthalpie. Darum ist diese Methode bei den täglich anfallenden Mengen energetisch günstiger als z.B. die thermische Brüdenverdichtung.

Welcher Kompressor bei der mechanischen Brüdenverdichtung verwendet wird – es gibt Turbokompressoren und Hochleistungsventilatoren – hängt von den Betriebsbedingungen ab, sprich der Temperaturdifferenz und dem damit verbundenen Kompressionsverhältnis.

Als Faustregel gilt: Je geringer die Temperaturerhöhung gewählt werden kann, desto weniger Verdichtungsarbeit ist aufzuwenden. Andererseits nimmt aber mit kleinerem Kompressionsverhältnis die benötigte Heizfläche zu, sodass auch hier, ähnlich wie bei mehrstufigen Anlagen, ein Kompromiss zwischen Invest- und Betriebskosten gefunden werden muss.

Zwischen Wirtschaftlichkeit und Energieeinsatz

Die mechanische Brüdenverdichtung gewinnt aufgrund der steigenden Energiekosten immer mehr Bedeutung, denn die Amortisationszeiten sind dadurch extrem gesunken.

Gängige Anlagenschaltungen bei Verdampfern waren in der Vergangenheit Mehrstufenschaltungen oder die thermische Brüdenkompression. Bei der ersten Variante beheizt der Frischdampf nicht nur eine Verdampferstufe sondern mehrere. Je mehr Stufen ein Verdampfer hat, desto geringer ist nämlich sein Primärenergiebedarf in Form von Dampf. Mit steigender Stufenzahl nimmt allerdings die Temperaturdifferenz zwischen Heizmedium und Produkt zwangsläufig ab, sodass die Heizflächengröße immer stärker wächst. Das bedeutet, dass mit steigender Stufenzahl die Investitionskosten in die Höhe gehen, und die Dampfeinsparung pro zusätzlicher Stufe sinkt. Die zweite gebräuchliche Methode ist die thermische Verdichtung der Brüden eines Siederaumes auf den höheren Druck eines Heizraumes nach dem Strahlpumpenprinzip. Treibdampf verdichtet die Brüden, und diese gelangen wieder als Heizmedium in den Prozess zurück.

Der Trick bei der Auslegung von Verdampferanlagen ist es also, die richtige Balance zwischen der Investitionssumme und dem zum Betrieb der Anlage benötigten Energieeinsatz zu finden.

Bioethanolherstellung mit mechanischer Brüdenverdichtung

Wie die Verfahrenstechniker durch geschicktes wärmetechnisches Verschalten einer Gesamtanlage den Energieinsatz reduzieren können, zeigt u.a. eine Neuentwicklung, für die die Ingenieure von GEA Wiegand sogar mit dem konzernweiten Innovations-Award prämiert wurden. Mit einem besonderen Energiespartrick kann beispielsweise der Energieaufwand bei der Whiskydestillation um gut die Hälfte gesenkt werden. Leitet man nämlich die Whiskybrüden nach der Destillation durch einen Fallstromverdampfer und nutzt den Wärmeinhalt zur Erzeugung von Niederdruckdampf, so kann man diesen problemlos mit mechanischen Brüdenverdichtern auf ein höheres Temperaturniveau bringen und dem Destillationsprozess wieder zuführen.

Das Verfahren ist in leicht modifizierter Form auch bei der Bioethanolherstellung einsetzbar. Die konventionelle Herstellung von Bioethanol ähnelt nämlich der Whisky-Destillation, da sie ebenfalls aus zwei energetisch gekoppelten Kolonnen besteht. Das angepasste Verfahren nutzt nun die doppelte Anzahl der Rektifikationskolonnen und kombiniert diese mit mehreren mechanischen Brüdenverdichtern. Damit wird der Durchsatz durch die Anlage verdoppelt, ohne dass sich der Dampfbedarf erhöht.

Bei der Herstellung von Bioethanol ist die Destillation der Schritt mit dem höchsten Energieverbrauch. Die konventionelle Destillation verbraucht mehr als zwei Kilogramm Dampf pro Liter reinem Alkohol. Mit der neuen Technologie halbiert sich dieser spezifi-sche Energieverbrauch. Außerdem wird auch die Kohlendioxyd-Emission beträchtlich reduziert, wodurch der Betreiber weniger Emissionszertifikate erwerben muss. Bei einer Bioethanolanlage mit einer Leistung von 100.000 Tonnen pro Jahr lassen sich durch den Einsatz der Technologie der Brüdenverdichtung somit mehrere Millionen Euro einsparen.

Potenzial schlummert auch im Trocknerabdampf

Die GEA Wiegand Verfahrenstechniker haben noch einen weiteren Hebel zur Senkung des Energieverbrauchs identifiziert: Die Schlempetrocknung. Auch hier kommt es vor allem auf die geschickte Verschaltung der Abdampfströme an, denn statt den Dampf aus der Schlempetrocknung ungenutzt in die Umwelt zu blasen, kann er in den Verdampfer zurückgeführt werden und damit den Primärenergieeinsatz senken. Potenzielle Einsatzgebiete für die Nutzung des Trocknerdampfes gibt es viele. Ob bei der Verarbeitung von Holz zu Cellulose, in der Stärke-, Fisch- und Fleischindustrie oder in der Alkoholindustrie – überall wo die Masse feuchter Reststoffe durch Trocknung reduziert werden muss, entstehen Schlempen.

Bei der Bioethanolherstellung aus Weizen z.B. fällt nach der Destillation eine nährstoffreiche zunächst dünnflüssige Getreidemasse an, die erst zur Eindickung über den Verdampfer läuft und danach getrocknet wird. Was dann noch an Feststoff übrig bleibt, wird zu Tierfutter verarbeitet. Der aus den Trocknern strömende Dampf, die Trocknerbrüden, wurde jahrelang einfach in die Atmosphäre entlassen, obwohl es technisch schon lange möglich ist die Trocknerbrüden wieder in den Verdampfer einzuschleusen und so den Energiebedarf der Verdampfer zu senken.

Es gibt mehrere Gründe warum die Betreiber in der Vergangenheit diese Möglichkeit bisher selten genutzt haben:

  • Der Gesetzgeber erlaubte bislang das Abblasen in die Atmosphäre.
  • Anlagen mit Trocknerbrüden sind teurer.
  • Das technische Konzept und die Überwachung sind komplex.
  • Energie war lange Zeit preiswert.

Doch mittlerweile hat sich die Situation grundlegend geändert, da mehrere Kostenfaktoren dazu gekommen sind. Zum einen hat der Gesetzgeber die Auflagen im Hinblick auf die Geruchsemmissionen verschärft. Das zwingt Betreiber ihre Anlagen teuer nachzurüsten. Zum anderen sind die Energiepreise so rapide angestiegen, dass sich die Zusatz-investition in eine Anlage mit Trocknerbrüden schnell bezahlt macht. So kostete z.B. in Russland die Tonne Dampf im Jahr 1997 ein bis zwei Euro, im Jahr 2010 musste man für die gleiche Menge Dampf bereits sechs bis zehn Euro bezahlen und in Deutschland müssen Betreiber sogar noch tiefer in die Tasche greifen.

Hier schlägt der Dampfpreis pro Tonne mit 21 bis 24 Euro zu Buche. Wer eine Eindampfanlage mit Trocknerbrüden beheizt und auf diese Weise den Einsatz von Primär-energie reduzieren bzw. ganz darauf verzichten kann, verbindet ökonomische und ökologische Vorteile gleichermaßen, indem er Betriebskosten senkt und die CO2-Bilanz verbessert. Ideal geeignet ist diese Form der Abwärmenutzung daher, wenn Energie knapp ist, da der Dampferzeuger überflüssig wird oder wenn eine Kapazitätserweiterung nötig ist. In diesem Fall gelingt in der Regel eine Verschaltung in der die Trocknerbrüden den zusätzlichen Verdampfer allein speist.

Wann lohnt sich der Einsatz der Trocknerbrüden?

Ob sich der Aufwand für die Nutzung der Trocknerbrüden rechnet, zeigt der Blick auf die Zusammensetzung des Wasserdampf-Luftgemisches. Je höher der Taupunkt des Gemisches desto höher ist auch der Wasserdampfanteil und damit der nutzbare Energieinhalt. Verwendung finden überwiegend Brüden aus Ring- oder Trommeltrocknern, die vor dem Einspeisen in den Verdampfer verschiedene Prozessschritte durchlaufen müssen: Waschen, Sättigen/Kühlen, Druckerhöhung und Trocknen. Prädestiniert dafür sind Strahlwäscher, die als selbstansaugende Flüs-sigkeitsstrahlventilatoren, überdimensionalen Wasserstrahlpumpen ähneln. Sie arbeiten nach dem Injektorprinzip und verdüsen die Waschlösung als feine Tropfen direkt in den Gasstrom. Der Clou: Die Tropfen übertragen ihren Impuls an den Gasstrom, der durch den entstehenden Sog verdichtet wird. Der so erzielte Druckgewinn reicht aus, dass beim Einsatz eines Strahlwäschers im Allgemeinen kein mechanischer Ventilator zum Absaugen und Fördern der Gase erforderlich ist.

Fazit: In nahezu allen Industriebereichen von der Nahrungsmittelindustrie über die chemisch/pharmazeutische Industrie bis in den Bereich der Umwelttechnik werden zur Aufkonzentrierung der unterschiedlichsten Lösungen Eindampfanlagen von GEA Wiegand eingesetzt. Die mechanische Brüdenverdichtung ermöglicht vor allem in Kombination mit der Nutzung von Trocknerbrüden, intelligente wärmetechnische Verschaltungen, die den Primärenergiebedarf senken und so Umwelt und Geldbeutel des Betreibers gleichermaßen schonen.

* Der Autor ist Leiter Marketing und Vertrieb bei GEA Wiegand GmbH.

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