Energieanalysen von. Energieeinsparung

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1 DBI - Gastechnologisches Institut ggmbh Freiberg Aninstitut der TU Bergakademie Freiberg Dr.-Ing. Matthias Werschy Energieanalysen von Thermoprozessanlagenschlummernde Potenziale zur Energieeinsparung 59. Berg- und Hüttenmännischer Tag in Freiberg 11. bis 13. Juni 2008

2 Gliederung Motivation Methodik Optische Schlüssellochdiagnostik mit OPTISOS Grundlagen optischer, thermischer und chemischer Analysen mit OPTISOS Beispiele für Energieanalysen an Thermoprozessanlagen Ergebnisse und Effekte von Energieanalysen an Thermoprozessanlagen BHT 2008, Kolloquium 11 2

3 Motivation Eingebunden in einen straff organisierten Produktionsprozess werden viele Thermoprozessanlagen über lange Zeit nicht analysiert. Durch Änderungen im Produktionsprogramm, schwankende Durchsatzleistungen und eine fortschreitende Alterung entfernen sich die Anlagen von ihrem Auslegungszustand. Den Betreibern fehlen Zeit und Manpower, um gezielte Untersuchungen an den laufenden Anlagen durchzuführen. Auf diese Weise schleichen sich Fehler ein oder das Effizienzsteigerungspotential wird nicht ausgeschöpft BHT 2008, Kolloquium 11 3

4 Methodik Optische Schlüssellochdiagnostik durch Schaulöcher in einem breiten Spektralbereich mit OPTISOS : Visualisierung, Thermografie und Flammenanalyse im Ofenraum. Infrarotthermografie für die Thermoprozessanlage von außen, z. B. zum Aufdecken von Schwachstellen und Wärmebrücken in der Ausmauerung. Analyse der Brenngaszusammensetzung und des Gasverbrauches während der Messung für die Energieanalysen und Bewertung der Verbrennung. Abgasanalytik zur Analyse der Emissionswerte und des Einsparungspotentials im Feuerungssystem. Punktuelle Bestimmung der Abgaszusammensetzung (O 2, CO 2, CO, NO x ) durch die Messöffnungen im Ofenraum in der Umgebung der Brenner für Einzelbewertungen hinsichtlich der korrekten Brennereinstellung, der Flammenlageund -form. Energiestromanalyse in der Thermoprozessanlage, die eine Übersicht zu den größten Energieverbrauchern gibt und die Potenziale für Energieeinsparungen darlegt. Simulation der Produkterwärmung zur Steigerung der Qualität oder zur Ermittlung des Potenzials für Leistungssteigerungen BHT 2008, Kolloquium 11 4

5 Methodik Infrarotthermografie für die Thermoprozessanlage von außen Schleuderscheibe Thermische Bewertung Glasstrahl Drehherdofen Thermische Bewertung Gewölbedecke BHT 2008, Kolloquium 11 5

6 Methodik Punktuelle Bestimmung Abgaszusammensetzung: O 2, CO 2, CO, NO x BHT 2008, Kolloquium 11 6

7 Methodik Simulation von Erwärmungsvorgängen Thermische Modellierung Ergebnis: Temperaturfeld T-Verteilung über Block nach Wärmzeit 160 min BHT 2008, Kolloquium 11 7

8 Optische Schlüssellochdiagnostik mit OPTISOS Strategische Zielstellung Kostensenkung, Energieeffizienz, Verbesserung Verbrennungsprozess, Senkung Emissionen durch spektrale Flammenanalyse CO, NOx, SOx, CO 2, Produktionssteigerung. Operative Zielstellung Zustandsorientierte Planung von Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen, Vorbereitung Investitionsentscheidungen, Lösung verfahrenstechnischer Problemstellungen BHT 2008, Kolloquium 11 8

9 Optische Schlüssellochdiagnostik mit OPTISOS Baugruppen: Hochtemperatursonde mit Optik (Endoskopie mit Stablinsensystemen, Glasfasern, Objektiven, Filtern) und Elektronik (Kameras), Medienaufbereitung und Medienüberwachung (Temperatur, Druck, Mengen) für Kühlwasser- und Spülgasversorgung, ggf. Sondenverfahreinheit mit SPS und Sicherheitsausrüstung, Systemkabel bis 100 m, Kamerafernbedienung und Industrie-PC mit Software für Darstellung, Speicherung, Thermografie, UV-Flammenanalyse und geometrische Analysen BHT 2008, Kolloquium 11 9

10 Optische Schlüssellochdiagnostik mit OPTISOS Prozessraumbedingungen: Temperaturen bis 2000 C Aggressive und staubbeladene Ofenatmosphären Drücke > 100 bar Technische Daten: Blickrichtungen: 0-90 Bildöffnungswinkel: Hohe Bildqualität in verschiedenen Spektralbereichen: Ultraviolett-Bereich ( nm, ohne Winkeloptik) Sichtbarer Bereich ( nm) Nahes Infrarot (bis ca nm) Schlüssellochdiagnostik, Sondendurchmesser ab 32 mm Mobile und fest eingebaute Systeme BHT 2008, Kolloquium 11 10

11 Optische Schlüssellochdiagnostik mit OPTISOS Mobiles System, Normaldruckvariante Glasschmelzwanne (Behälterglas) BHT 2008, Kolloquium 11 11

12 Optische Schlüssellochdiagnostik mit OPTISOS Fest eingebautes System, Normaldruckvariante Sensorik Pendelofen periphere Technik BHT 2008, Kolloquium 11 12

13 Optische Schlüssellochdiagnostik mit OPTISOS Fest eingebautes System, Hochdruckvariante Sonde im Versuchsstand SPS Schaltschrank (Überwachung, Notrückzug, Bewegung) OPTISOS-Drucksonde mit Flansch für Reaktoranschluss und Hydraulikzylindern mechanische und thermische Simulationen mit: FLOW WORKS, ANSYS, FLUENT BHT 2008, Kolloquium 11 13

14 Grundlagen optischer, thermischer und chemischer Analysen mit OPTISOS Strahlungsintensität Flammenanalyse 306,4 nm OH Wellenlänge optische Beobachtung Gesamtstrahlung OPTISOS Blaues Flammenleuchten Thermografie Ruß- und Wandstrahlung des Hintergrundes Strahlungsspektrum im Ofenraum Gasstrahlung UV Bereich Wellenlänge sichtbarer Bereich BHT 2008, Kolloquium 11 14

15 Grundlagen optischer, thermischer und chemischer Analysen mit OPTISOS Thermografie Anteil der Temperaturstrahlung der Messobjekte im sichtbaren Wellenlängenbereich, Bedingungen T> 800 C und schwarzer Strahler Temperaturkalibrierung mit Thermografie-Software: Berücksichtigung der konkreten Emissionsverhältnisse in den Feuerräumen Punktweises Kalibrieren nach bekannten Temperaturen Kalibrierung im Feuerraum Absolutwerte können fehlerbehaftet sein Temperaturunterschiede und Temperaturveränderungen sehr genau feststellbar BHT 2008, Kolloquium 11 15

16 Grundlagen optischer, thermischer und chemischer Analysen mit OPTISOS Erdgasflammen lassen sich im sichtbaren Wellenlängenbereich nur schwer bzw. überhaupt nicht visualisieren (geringe Eigenstrahlung, störende Hintergrundstrahlung). Nachweisbar sind Erdgasflammen im UV-Bereich, z. B. durch das Detektieren der OH-Radikale bei 306,4 nm. Hochtemperaturdissoziation: H 2 O H + + OH - Detektion von Hot Spots" Abbau und Aufoxidation von CO: CO + 2 OH CO H 2 O Flammenlänge, Flammenkontour BHT 2008, Kolloquium 11 16

17 Grundlagen optischer, thermischer und chemischer Analysen mit OPTISOS Kamera, Bildverstärker Filter UV-Endoskop im Kühlmodul UV- Sensorik für Flammenvisualisierung BHT 2008, Kolloquium 11 17

18 Beispiele für Energieanalysen an Thermoprozessanlagen Drehherdofen C Aufnahme T-Verlauf der Ofenmessstellen E D Einbau der optischen Schlüssellochsensorik über die Messstellen A-F und Realisierung aller Messungen an einem Tag B F A BHT 2008, Kolloquium 11 18

19 Beispiele für Energieanalysen an Thermoprozessanlagen Drehherdofen Thermografische Ermittlung der Ofenraumtemperaturen Keine Rußbildung bei Brennern Keine Risse oder Beschädigungen der Ofenausmauerung unterhalb des Brenners 31 (Außenwand) Kaltlufteinbruch BHT 2008, Kolloquium 11 19

20 Beispiele für Energieanalysen an Thermoprozessanlagen Drehherdofen: Temperaturprofil des Ofeninnenraumes 1400 Liegeplatz Ofenraumtemperatur in C Innentemp. innere Wand Innentemp. äußere Wand 60 Innentemp. Decke Oberflächentemp. Blöckchen 40 Oferaumtemp. 20 Außentemp. äußere Wand Ofenwinkel [ ] Außentemperatur in C erstellt auf Grundlage der optischen Messungen BHT 2008, Kolloquium 11 20

21 Beispiele für Energieanalysen an Thermoprozessanlagen Drehherdofen: Analyse Beheizungssystem, Thermografie außen 12 Liegeplatz Sauerstoffgehalt [%] O2 NOx [mg/m³] (5% O2) NOx- Grenzwert laut TA Luft Keine CO und SO 2 Emissionen NOx [mg/m³] bezogen auf 5% O Ofenwinkel [ ] O 2 -Gehalt im Abgaskanal: 5,9 % (Verzunderung, Abgasverluste ) Ziel 2,1-3,8% Lambda: 1,36 Ziel λ 1,1 bis 1,2; NOx-Gehalt im Ofenraum: ppm Fazit: hohe Abgasverluste, hohe Emissionen BHT 2008, Kolloquium 11 21

22 Beispiele für Energieanalysen an Thermoprozessanlagen Drehherdofen: Energiebilanz DHO muss optimiert werden Energieeinsparung bis 13 % möglich (Prognose) Energieeinsparung wurde erreicht BHT 2008, Kolloquium 11 22

23 Beispiele für Energieanalysen an Thermoprozessanlagen Glasschmelzwanne Brennereinstellung für optimalen Wärmeübergang - Flammenlage zum Glasbad - Flammengeometrie Temperaturverteilung Gewölbe, Seitenwand zur Vermeidung von Überhitzungen BHT 2008, Kolloquium 11 23

24 Beispiele für Energieanalysen an Thermoprozessanlagen Industriekraftwerk: Bewertung Flammenbilder Brenner Dampfkessel Sichtbarer Bereich Analyse: Flammenausbrand und Berührung der Flammenspitzen mit den Brennkammerseitenwänden NIR BHT 2008, Kolloquium UV

25 Beispiele für Energieanalysen an Thermoprozessanlagen Hochtemperatur-Vergasungsreaktor (> 100 bar, > 1400 C) Visualisierung, Vermessung, Thermografie Optimierung der Verbrennung BHT 2008, Kolloquium 11 25

26 Ergebnisse und Effekte von Energieanalysen an Thermoprozessanlagen Bewertung der Thermoprozessanlage aus energetischer und technologischer Sicht. Empfehlungen für Steigerung der Energieeffizienz, Senkung von Schadstoffemissionen, Verbesserung der Produktqualität. Vergleich mit ähnlichen Thermoprozessanlagen, der es dem Betreiber erlaubt, seine spezifischen Kosten zu bewerten. Bei Bedarf können Wirtschaftlichkeitsanalysen für bestimmte Maßnahmen durchgeführt werden. Effekte: - Senkung Energieverbrauch der Anlage, - Einsparung von Energie- und Wartungskosten, - Qualitätsverbesserung am Produkt, - Senkung Schadstoffemissionen, Verlängerung Laufzeiten BHT 2008, Kolloquium 11 26