Entwicklung und Bewertung von Verfahrensansätzen zur Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie in regenerativen thermischen Abgasreinigungseinrichtungen

Meyer, Sven Walter Heinrich

Die Thermische Nachverbrennung stellt ein Abgasreinigungsverfahren dar, das in vielen Industriebranchen zum Standard gehört. Insbesondere die Regenerative Thermische Oxidation (RTO) ist dabei durch geringe Betriebsmittelkosten gekennzeichnet, da sich einerseits ein autothermer Betrieb schon bei geringen Beladungen an organischen Lösemitteln realisieren lässt und andererseits durch den heißen Bypass Prozesswärme ausgekoppelt werden kann. Untersuchungen und Berechnungen haben gezeigt, dass bei bestimmten verfahrenstechnischen Randbedingungen die Prozesswärmeerzeugung durch eine Heißgasauskopplung effizienter ist als die separate Erzeugung in einem direktbefeuerten Kessel. Diese Erkenntnis lässt Überlegungen lohnenswert erscheinen, verschiedene Verfahrensalternativen zur Integration eines Kreisprozesses mit der Erzeugung elektrischer Energie in den heißen Bypass einer RTO zu diskutieren und hinsichtlich ihrer Effizienz zu bewerten. Der Clausius‐Rankine‐Prozess stellt einen klassischen Dampfkraftprozess dar, bei dem ein System aus Economizer, Verdampfer und Überhitzer in den heißen Bypass integriert werden kann. Der Joule‐Prozess als offener Gasturbinenprozess kann als eine denkbare Alternative verstanden werden. Hier wird die Brennkammer der Gasturbine durch einen Wärmeübertragungsapparat im heißen Bypass ersetzt. Zusammenfassend ergeben sich auf der Basis von Parametervariationen durch Simulationsrechnungen folgende weiterführende Erkenntnisse:  Die erzeugte Menge an elektrischer Energie ist im Dampfkraftprozess erheblich größer als im Gasturbinenprozess. Dafür muss die benötigte Prozesswärme in einem direktbefeuerten Kessel separat bereitgestellt werden. Somit eignet sich diese Verfahrensalternative eher für Produktionen mit einem kleineren bis mittleren Wärmebedarf und hohen spezifischen Kosten für elektrische Energie.  Die Integration einer Gasturbine in den heißen Bypass einer RTO ermöglicht die parallele Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie. Hier sind jedoch technische Herausforderungen zur Integration des Wärmeübertragungsapparates zu beachten. Die Betrachtung der einzelnen Szenarien zeigt, dass die organischen Lösemittel einen Wertstoff darstellen, der – sofern es technisch und wirtschaftlich möglich ist – primär zurückgewonnen werden sollte, um im Produktionsprozess erneut eingesetzt zu werden. Durch die Lösemittelrückgewinnung wird der größte Nutzen für die CO2‐Bilanz erzielt. Die Stromerzeugung ist jedoch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine große Preisdifferenz zwischen den Bezugspreisen für elektrische Energie und Erdgas gegeben ist. Zugehörige Entwicklungen können sich kurzbis mittelfristig als Folge energiepolitischer Rahmenbedingungen mit Blick auf den Ausbau erneuerbarer Energien ergeben.

Thermal post‐combustion is an exhaust gas purification process that is standard in many industrial sectors. In particular, the regenerative thermal oxidation (RTO) is characterized by low operating costs because, on the one hand, autothermal operation is possible even at low loads of organic solvents, and process heat can be coupled out on the other hand by the hot bypass. Studies and calculations have shown that, with certain process engineering conditions, the process heat generation by hot gas decoupling is more efficient than the separate production in a direct‐fired boiler. This finding makes it worthwhile to discuss various process alternatives for the integration of a circular process with generation of electrical energy into the hot bypass of an RTO and to evaluate its efficiency. The Clausius‐Rankine process is a classical steam power process consisting of an economizer, an evaporator and a superheater in the hot bypass. The Joule process as an open gas turbine process is a feasible alternative. Here, the combustion chamber of the gas turbine is replaced by a heat exchanger in the hot bypass. In summary, the following findings are obtained on the basis simulation calculations: • The generated amount of electrical energy is considerably greater in the steam power process than in the gas turbine process. For this, the required process heat must be provided separately in a direct‐fired boiler. Thus, this process alternative is more suitable for productions with a smaller to medium heat requirement and high specific costs for electrical energy. • The integration of a gas turbine into the hot bypass of an RTO enables parallel generation of electrical and thermal energy. However, technical challenges for the integration of the heat transfer device have to be considered here. The analysis of the individual scenarios also shows that the organic solvents are a valuable material that, if technically and economically possible, should be primarily recovered in order to be reused in the production process. Solvent recovery means that the greatest benefit to the carbon footprint is achieved. Electricity generation, however, is advantageous from an economic point of view, in particular when a large price difference between the reference rates for electrical energy and natural gas exist. Associated developments can arise in the short to medium term as a result of the energy policy framework conditions with a view to the expansion of renewable energies.

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Meyer, Sven: Entwicklung und Bewertung von Verfahrensansätzen zur Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie in regenerativen thermischen Abgasreinigungseinrichtungen. 2017.

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