Stand: September ERDGAS.praxis. Gasbeschaffenheit und Thermoprozessanlagen

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1 Stand: September 2015 ERDGAS.praxis Gasbeschaffenheit und Thermoprozessanlagen

2 Einführung Bei industriellen und gewerblichen Thermoprozessen weist Erdgas einen hohen Marktanteil in Industrie und Gewerbe auf. Dies lässt sich unter anderem durch verfahrenstechnische Vorteile und einem emissionsarmen Anlagenbetrieb beim Einsatz von Erdgas erklären. Erdgas ist ein Naturprodukt und unterliegt bestimmten Schwankungen in seinen gastechnischen Eigenschaften wie beispielsweise Dichte und Brennwert. Die folgende Abbildung zeigt die Schwankung des Brennwertes an den Netzpunkten Deutschneudorf und Steinitz. Das aus russischen Vorkommen stammende Erdgas am NP Deutschneudorf weist eine deutlich geringere Schwankungsbreite auf als das Nordseegas am Netzpunkt Steinitz. Weiter unten im Text wird gezeigt, dass diese Schwankung innerhalb der zulässigen Vorgaben des Regelwerkes des DVGW liegt. (Datenquelle: Transparenztool der ONTRAS Gastransport GmbH Das DVGW-Arbeitsblatt G260 beschreibt die Anforderungen an Brenngase der öffentlichen Gasversorgung und legt fest, in welchen Bereichen bestimmte Eigenschaften liegen müssen und welche örtlichen Schwankungen zulässig sind. Das DVGW-Arbeitsblatt G260 unterscheidet bei Gasfamilien in Erdgas der Gruppe L und H. Die folgenden Aussagen beziehen sich auf Erdgas H, lassen sich aber grundsätzlich auch auf Erdgas L anwenden. Im Allgemeinen haben die auftretenden Schwankungen der Kennwerte von Erdgas keinen Einfluss auf den Betrieb von Thermoprozessanlagen, da diese entweder von vorhandenen Regelsystemen der Thermoprozessanlage ausgeglichen werden oder in einer solchen Größenordnung auftreten, die für diese Anlagen unerheblich sind und weder den Prozess noch das Produkt spürbar beeinflussen. In seltenen Fällen kann jedoch bei Anlagen, die mit vergleichsweise hohen Anforderungen an den Thermoprozess betrieben werden (z. B. eine nahstöchiometrische Fahrweise), eine spürbare Veränderung der Prozessbedingungen beobachtet werden, wenn natürliche Schwankungen der gastechnischen Parameter auftreten. Für solche Thermoprozessanlagen sind Anpassungssysteme vorzusehen, die im Weiteren kurz beschrieben werden. 2 7

3 Wichtige Kennwerte für Erdgas Deutschlands Hauptbezugsquellen für Erdgas H sind Norwegen und Russland. Dementsprechend unterscheidet beispielsweise die VNG-Verbundnetz Gas Aktiengesellschaft in GUS-Gas und Verbundgas Nord. Die Jahresmittelwerte wichtiger Kennwerte des Jahres 2005 sind in Tabelle 1 aufgeführt. Verallgemeinernd kann gesagt werden, dass Erdgas aus russischen Bezugsquellen eine geringere Schwankungsbreite aufweist als Verbundgas Nord. Das DVGW-Arbeitsblatt G260 definiert eine Reihe von gastechnischen Kennwerten und legt die Rahmenbedingungen für Gaslieferungen der öffentlichen Gasversorgung fest. Im Folgenden wird nur auf die für Thermoprozessanlagen und deren Betrieb wesentlichen Kennwerte eingegangen. Tabelle 1: Typische Kennwerte (Mittelwerte) für Erdgas-H NP Deutschneudorf (russisches Erdgas) NP Steinitz (Nordseegas) Brennwert Hs,n kwh/m³ 11,10 11,50 Heizwert Hi,n kwh/m³ 10,00 10,39 Dichte ρn kg/m³ 0,73 0,81 relative Dichte d - 0,57 0,63 oberer Wobbe-Index Ws,n kwh/m³ 14,75 14,49 Mindestluftbedarf Lmin m³/m³ 9,55 9,89 Das folgende Bild vergleicht die gemäß G 260 zulässigen Bereiche für Wobbe-Index und Brennwert mit den Mittelwerten des von der ONTRAS Gastransport GmbH transportierten Erdgases. Für den Wobbe-Index gibt die G260 zusätzlich eine zulässige Schwankungsbreite von -1,4 kwh/m³ bis +0,7 kwh/m³ vor, die in örtlichen Verteilnetzen nicht überschritten werden darf. 3 7

4 Es zeigt sich, dass Gasverbrauchseinrichtungen, die auf Erdgas H ausgelegt und eingestellt wurden, prinzipiell ohne Einschränkungen zu betreiben sind. Sowohl russisches Erdgas als auch Nordseegas erfüllen die Anforderungen der G 260 deutlich. Einer der wichtigsten Kennwerte für Erdgas überhaupt ist der Brennwert HS. Er beschreibt den Energiegehalt des Produktes Erdgas und wird im Allgemeinen für die Abrechnung herangezogen. Preisangaben bei Erdgas in Cent/kWh beziehen sich üblicherweise ebenfalls auf den Brennwert. Der Brennwert HS gibt die bei voiiständiger Verbrennung eines trockenen Gases in reinem Sauerstoff freiwerdende Wärmemenge an. Dabei wird vorausgesetzt, dass das Abgas lediglich aus den gasförmigen Bestandteilen Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Schwefeldioxid sowie Wasser (flüssig) besteht und diese Komponenten die gleiche Temperatur (25 C) wie die der Ausgangsprodukte Erdgas und Sauerstoff aufweisen. Die Verbrennung findet dabei unter einem konstanten Druck von 1.013,25 mbar statt. Der Brennwert gibt die im Erdgas enthaltene Energie an, Wirkungs- und Nutzungsgrade von Anlagen werden jedoch üblicherweise auf den Heizwert eines Gases bezogen. Der Heizwert Hi, wird unter den gleichen Bedingungen wie der Brennwert ermittelt, nur dass das im Abgas enthaltene Wasser gasförmig vorliegt. Die Dichte ist der Quotient aus Masse und Volumen des Gases im Normzustand nach ISO (p =1.013,25 mbar und T=25 C), wobei in der G260 die relative Dichte Verwendung findet. Diese ist das Verhältnis der Dichte eines Gases zur Dichte von Luft unter gleichen Bedingungen. Die relative Dichte wie auch Druck und Temperatur eines Gases haben wesentlichen Einfluss auf die Messergebnisse bei Stauranddurchflussmessgeräten (Messblenden, Schwebekörperdurchflussmessgeräte). Bei Veränderungen der Dichte des Gases kommt es zu Abweichungen, welche zu korrigieren sind. Der entscheidende Kennwert für den einer Thermoprozessanlage zugeführten Enthalpiestrom ist der Wobbe-Index W, mit dem Index s oder i. Der obere Wobbe-Index WS ist dabei der Quotient aus Brennwert und Wurzel der relativen Dichte eines Gases, der untere Wobbe-Index Wi der Quotient aus Heizwert und der Wurzel der relativen Dichte. Der Wobbe-Index ist ein Kennwert für die Austauschbarkeit von Gasen. Gase unterschiedlicher Beschaffenheit mit gleichem Wobbe-Index können unter gleichen Bedingungen miteinander ausgetauscht werden, ohne dass sich die thermische Belastung einer Thermoprozessanlage verändert. Eine Reihe von Systemen nutzt den Wobbe-Index zur Regelung der zugeführten Energie. Sinkt beispielsweise der Wobbe-Index des Brenngases, so kann dies durch Druckanhebung vor dem Brenner ausgeglichen werden. Dabei wird das Produkt aus Wobbe-Index und der Quadratwurzel des Brennervordruckes, der sogenannte erweiterte Wobbe-Index, auf einen zuvor festgelegten Wert konstant gehalten. Insbesondere Glasschmelzanlagen, bei denen eine Temperaturregelung über die Ofenraumtemperatur nicht ausreichend ist, können mit einer solchen Regelung den der Glaswanne zugeführten Energiestrom sehr genau einstellen. Der Mindestluftbedarf gibt die Luftmenge an, die für eine (theoretisch) vollständige Verbrennung mindestens erforderlich ist. Dieser ist bei Erdgasen der 2. Gasfamilie, Gruppe H, in erster Näherung proportional zum Brennwert. Der Mindestluftbedarf wird in der G260 nicht beschrieben, ist aber ein für die Güte der Verbrennung wichtiger Kennwert. Verändert sich der Mindestluftbedarf, ohne dass das Verhältnis aus zugeführtem Erdgas- und Luftvolumenstrom dieser Änderung angepasst wird, treten Veränderungen in der Abgaszusammensetzung auf, die sich unter Umständen ungünstig auf den Thermoprozess auswirken können. 4 7

5 Einfluss bestimmter Kenngrößen auf Anwendungen in Thermoprozessanlagen RegeIungs- und Anpassungssysteme haben die Aufgabe, Gasbeschaffenheitsschwankungen von Erdgasen auszugleichen. Nachfolgend werden verschiedene Systeme beschrieben und in ihrer Wirksamkeit zur automatischen Anpassung an veränderte Gasbeschaffenheiten betrachtet. In den Beispielen wird von einer Gasversorgung mit russischem Erdgas ausgegangen und die Auswirkungen, die sich bei einem Wechsel auf Nordseegas einstellen, aufgezeigt. Die Berechnungen basieren auf den Werten der Tabelle 1. Weiterhin wird den Berechnungen ein Erdgasvolumenstrom von 100 m³/h, ein Brennervordruck von 18 mbar und eine Luftzahl von 1,05 unterstellt. Regelung der Erdgas- und Luftvolumenströme mit Messblenden in Kombination mit einer Temperaturregelung Die Regelung von Erdgas und Verbrennungsluft auf die gewünschten Sollwerte erfolgt durch Messung mittels Messblenden. Um zu gewährleisten, dass sich die eingestellte Luftzahl bei geänderten Volumenströmen nicht verändert, wird das Verhältnis beider Volumenströme konstant gehalten. Der Wechsel auf Nordseegas bewirkt aufgrund der höheren Dichte eine Verringerung des Erdgasvolumenstromes, da der Differenzdruck an der Messblende konstant gehalten wird (Tabelle 2). Auf Grund des gleichzeitig gestiegenen Heizwertes verringert sich aber die Wärmebelastung nur geringfügig (1,5 Prozent). Da die Messblende trotz verringertem Erdgasvolumenstrom den gleichen Differenzdruck misst, bleibt der Luftvolumenstrom unverändert. Der ebenfalls etwas höhere Mindestluftbedarf bei Verbundgas Nord bewirkt trotz gesunkenem Erdgasvolumenstrom eine nur leicht erhöhte Luftzahl λ. Tabelle 2: Blendendifferenzdruck konstant vor dem Wechsel (russisches Erdgas) nach dem Wechsel (Nordseegas) Relation Erdgasvolumenstrom V E m³/h 100,00 94,85 94,85 % Differenzdruck am Brenner mbar 18,00 18,00 100,00 % Luftzahl λ - 1,050 1, ,83 % Luftvolumenstrom (Ist) m³/h 1.003, ,01 100,00 % minimaler Luftbedarf bezogen auf V E m³/h 955,25 938,10 98,21 % Wärmebelastung Q, bezogen auf H i,n kw 1.000,48 985,20 98,47 % Die Verringerung der Wärmebelastung würde zu einem Sinken der Kessel- oder Ofenraumtemperatur führen. Die Temperaturregelung der Thermoprozessanlage kompensiert dies; es ergeben sich die in Tabelle 3 gezeigten Verhältnisse. Tabelle 3: Blendendifferenzdruckmessung und Temperaturregelung vor dem Wechsel (russisches Erdgas) nach dem Wechsel (Nordseegas) Relation Erdgasvolumenstrom V E m³/h 100,00 96,31 99,31 % Differenzdruck am Brenner mbar 18,00 18,56 103,13 % Luftzahl λ - 1,050 1, ,83 % Luftvolumenstrom (Ist) m³/h 1.003, ,56 101,55 % minimaler Luftbedarf bezogen auf V E m³/h 955,25 952,65 99,73 % Wärmebelastung Q, bezogen auf H i,n kw 1.000, ,00 % 5 7

6 Bei der häufig an Thermoprozessanlagen zu findenden Kombination aus Gleichdruck- und Temperaturregelung sind die Auswirkungen des oben dargestellten Wechsels ähnlich. Die Ergebnisse in Tabelle 2 und 3 verdeutlichen, dass trotz Änderungen der Kennwerte im Rahmen der G 260 keine wesentlichen Auswirkungen auftreten und der Betrieb einer industriellen oder gewerblichen Gasverbrauchseinrichtung ohne Einschränkungen möglich ist. Regelsystem für einen gleichbleibenden, erweiterten Wobbe-Index Bei Anlagen mit sensiblen Thermoprozessen oder bei denen die Regelung anhand der Ofenraumtemperatur auf Grund der Prozessbedingungen nicht möglich ist, kann beispielsweise ein Regelsystem für einen gleichbleibenden erweiterten Wobbe-Index zum Einsatz kommen. Ein solches System beruht auf der Regelung des Gasfließdruckes vor dem Brenner in Abhängigkeit vom Wobbe-Index des anstehenden Erdgases. Hierbei wird der erweiterte Wobbe-Index, das Produkt aus Wobbe-Index und Quadratwurzel des Brennervordruckes, konstant gehalten. Dazu ist es erforderlich, dass Wobbe-Index und Brennervordruck durch Messgeräte erfasst und die Messwerte in einer Regelung verarbeitet werden. Bei einem derartigen System bleibt die Wärmebelastung der Anlage wie gewünscht konstant. Der gestiegene Mindestluftbedarf bei Verbundgas Nord und der etwas geringere Erdgasvolumenstrom ergeben bei gleichem LuftvoIumenstrom eine nahezu konstante Luftzahl λ. Damit erreicht man durch dieses System annähernd konstante Bedingungen im Ofenraum auch bei schwankenden Kennwerten (Tabelle 4). Tabelle 4: Gleichbleibender erweiterter Wobbe-Index vor dem Wechsel (russisches Erdgas) nach dem Wechsel (Nordseegas) Relation Erdgasvolumenstrom V E m³/h 100,00 96,31 99,31 % Differenzdruck am Brenner mbar 18,00 18,56 103,13 % erweiterter Wobbe-Index - 56,42 56,42 100,00 % Luftzahl λ - 1,050 1, ,27 % Luftvolumenstrom (Ist) m³/h 1.003, ,56 100,00 % minimaler Luftbedarf bezogen auf V E m³/h 955,25 952,65 99,73 % Wärmebelastung Q, bezogen auf H i,n kw 1.000, ,00 % Es ist allerdings zu beachten, dass bei diesen Regelsystemen GIeichdruck- und Nulldruckventile sowie nachgelagerte Druckregelungen nicht eingesetzt werden dürfen, da diese die gewollte Druckveränderung am jeweiligen Brenner wieder ausregeln würden. CO2-/O2-Sonden Sind beispielsweise in einem Betrieb empfindliche Thermoprozessanlagen bereits mit einer Sondenmesseinrichtung im Abgasweg ausgestattet, werden die Schwankungen der Beschaffenheit des Erdgases durch die zugehörige Regeltechnik automatisch mit ausgeglichen. Im Normalfall (bei Feuerungsanlagen) wird mit trägheitsarmen O2-Sonden gearbeitet. Bei Industrieöfen, die im unterstöchiometrischen Bereich arbeiten, kann eine Regelungseinrichtung auf CO2- oder Taupunkt-Basis installiert werden. Bei Anlagen mit prozessbedingten Emissionen im Verbrennungsgas sind diese Einrichtungen nicht vorzusehen. Bei einer größeren Anzahl von 6 7

7 Ofenanlagen ergeben sich relativ hohe finanzielle Aufwendungen. Sie sind nur dann gerechtfertigt, wenn auch aus technologischer Sicht eine Sondenregelung Vorteile erwarten lässt. Zusammenfassung Änderungen der Gasbeschaffenheit haben in der Regel keinen spürbaren Einfluss auf den Betrieb von Thermoprozessanlagen. Die bei diesen Anlagen ohnehin vorhandenen Regelsysteme gleichen die im Rahmen der G260 auftretenden Schwankungen nahezu vollständig aus. Bei Anlagen mit sensiblen Thermoprozessen sind gegebenenfalls geeignete Regelsysteme (z. B. Konstanthaltung des erweiterten Wobbe-Index) vorzusehen. Bei Fragen zur Gasbeschaffenheit, besonders im Vorfeld einer Anlagenplanung, ist es empfehlenswert, sich mit dem Erdgaslieferanten sowie dem Betreiber des Erdgastransportnetzes in Verbindung zu setzen. Bei der Auslegung von Anlagen ist zu beachten, dass Erdgas ein Naturprodukt ist und keine konstante Beschaffenheit aufweist. Eine Auslegung auf momentane brenntechnische Kennwerte ist deshalb nicht zu empfehlen. Kontakt Ute Scholz Hauptreferentin Technische Dienstleistungen Telefon: Telefax: VNG Verbundnetz Gas Aktiengesellschaft Braunstraße Leipzig 7 7