Embed Size (px)
Citation preview
“Energie-Effizienz Technologien in der Chemischen Industrie”
Dr. Michael Weber
Workshop
Nanjing, China
2016-01-19
Energiespezifische Charakteristika der chemischen Industrie
Energieverbrauch in der chemischen Industrie wird beeinflusst:
Produktionskette hochkomplex - Prozessstufen miteinander gekoppelt
Weltweit große Standorte
Eigene Produktion von Strom und Dampf üblich (KWK)
Fossile Brennstoffe sind Rohstoffe und Brennstoffe
Erdgas-Anteil 85 % der Brennstoffe
Nicht-energetisch ist Naphtha mit 57 % Hauptrohstoff
Wärme aus Abhitze und Abfallverbrennung.
Anteil des Stromverbrauchs > 50 %,
Prozesswärme > 400 °C über 50 %,
Teil-Energie durch Verbrennung von Nebenprodukten
Verringerung von Brennstoff und Dampf. Zunahme des Stromverbrauchs 4
Energieverbrauch in der Grundstoffchemie durch energierelevante Eigenschaften mitbestimmt:
Große Durchsätze: Absoluter Energieverbrauch hoch, spezifischer
Energiebedarf gering
Kontinuierliche und vollautomatische Anlagen
Hochdrucksynthesen: Hoher Energiebedarf für Aufheizung der
Stoffströme und Kompression der Gase.
Katalytische Prozesse: Ausbeute und Selektivität optimieren und
spezifischen Energiebedarf reduzieren.
Integrierte Standorte: Produktionsanlagen an großen Standorten,
bessere Wärmeintegration.
Auswahl Rohstoffe: Beispiele:
o Kohlebasierte Prozesse höherer Energieverbrauch als Naphtha- oder
erdgasbasierte Prozesse,
o Rohstoffe mit aufwändiger Aufbereitung durch Verunreinigungen,
o Unterschiedliche CO2-Emissionen je nach Rohstoff.
5
Durchschnittlicher Stromverbrauch in der chemischen Industrie
Statistik der deutschen chemischen Industrie
Energie-Effizienz von Antrieben ist wichtigster Beitrag
6
Prozessverbrauch Anteil (%)
Prozessverbrauch 92 %
Antriebe 77 % vom Prozessverbrauch
Gebläse 10 % der Antriebe
Pumpen 23 % der Antriebe
Kompressoren 25 % der Antriebe
Prozesskühlung 16 % der Antriebe
Andere 26 % der Antriebe
Elektrochemische Prozesse 22 % vom Prozessverbrauch
Prozessheizung 1 % vom Prozessverbrauch
Nicht-Prozessverbrauch 8 %
Messung, Erfassung und Diagnose von Anlagenwerten
Messwerterfassung und -verarbeitung
Messung
Speicherung
Visualisierung
Diagnose
Herausforderung:
Geeingete Systeme in die IT-Landschaft integrieren7
Messung, Erfassung und Diagnose von Anlagenwerten
Software-gestützte Diagnose
Optimale Betriebspunkte
Berechnung & Visualisierung
Lernmodelle für optimale Kennlinien
Einfache Integration in verteilte Steuerungssystemein alte SCADA-Systeme
8
Messung, Erfassung und Diagnose von Anlagenwerten
Erfolgreiche Projekte
9
Aufnahme von Periodengängen – Tage, Wochen, Monate, Jahr
Arbeitsbereiche
Übliche Verlustpunkte
10
Verbrauchsanalyse- Bewertung von Messdaten -
11
Verbrauchsanalyse- Ableitung von Maßmahmen -
Erfahrungen bei Druckluftanlagen
Arbeitsbereiche
Übliche Verlustpunkte
o Motorverluste
o Abwärme aus Kühlung
o Wärme der Druckluft
o Leckagen
Querschnitt-Technologien
12
Beispiele:
Druckluftanlagen
Pumpen, Ventilatoren
Motoren
Kompressoren
Eigenstromerzeugung
BHKW
Gasturbine
Gas-Entspannungsturbine
GuD-Anlagen (KWK & KWKK)
ORC-Anlagen
PV-Anlagen
Querschnitt-Technologien
13
Prinzip der Kraft- Wärme- Kälte- Kopplung (KWKK):
KWK- Anlage
Energieträger Strom
Wärme
Verlust
AKMWärme
Kälte
Energie-Effizienz in Chemieanlagen – Beispiel Ammoniak-Herstellung
14
Bedeutung von Ammoniak
15
Ammoniak: 1,1 % des Weltenergiebedarfs entfallen auf das Haber-Bosch Verfahren
16
Ammoniak-Herstellung mit Haber-Bosch-Verfahren
Verfahrensstufen
Synthesegas-Herstellung
o Steam-Reforming
o Reduced Primary Reforming (RPR)
o Heat Exchange Autothermal Reforming (HTR)
Ammoniak-Synthese
o Haber-Bosch
Herausforderung:
Bewertung der energie-Effizienz der Verfahrensalternativen 17
Energie- und Rohstoffverbrauch bei der Ammoniak-Herstellung
neue Anlagen verbrauchen weniger Energie
Rohstoff- und Energieverbrauch stark abhängig von Steam-Reforming
Herausforderung:
Energie- und Rohstoffverbrauch der eigenen Anlagen im Detail kennen
Stationäre oder dynamische Stoff- und Energiebilanzen
18
Prozess Rohstoff
(GJ/t NH3)
Brennstoff
(GJ/t NH3)
Summe
(GJ/t NH3)
Steam-Reforming,
bestehende Anlagen
22 – 25
(Durchschnitt = 23,5)
4 – 9
(Durchschnitt = 6,5)
26 – 34
(Durchschnitt = 30)
Steam-Reforming,
neue Anlagen
29,3
Partielle Oxidation,
bestehende Anlagen
29 – 34
(Durchschnitt = 31,5)
6 – 20
(Durchschnitt = 13)
35 – 54
(Durchschnitt = 44,5)
Partielle Oxidation,
neue Anlagen
36
Verbrauch Steam-Reforming
(GJ/t NH3)
Partielle Oxidation (POC)
(GJ/t NH3)
Nicht-energetischer Verbrauch
(Rohstoff)
ACP = 24,5
RPR = 26,0
HPR = 27,5
32,0
Energetischer Verbrauch
(Brennstoff)
ACP = 8 – 10
RPR = 6 – 8
HPR = 4 – 8
6 – 10
Energetischer und
nichtenergetischer Verbrauch
32 – 35 41 (39 – 42)
Benchmark-Zahlen zu Energie- und Rohstoffverbrauch bei der Ammoniak-Herstellung
Herausforderung:
Benchmark mit eigenen Anlagen herstellen
19
Parameter Wert/Beschreibung
Zielprodukt Ammoniak NH3 (WZ-Nummer, 2415 10 750)
Nebenprodukt: Kohlendioxid
Prozesse Integrierter Prozess: Synthesegasherstellung +
Haber-Bosch-Verfahren
Prozesse der Synthesegas-Herstellung: Steam-
Reforming und partielle Oxidation
Rohstoffe:
Erdgas, Steam-Reforming: 67 %,
Erdölbasierte Kohlenwasserstoffe, partielle
Oxidation: 33 %
Energieverbrauch 1, spezifisch
(Steam-Reforming, Erdgas)
Strom = 0,48 GJ/t,
Brennstoff und Dampf = 8,70 GJ/t,
TFEU = 9,18 GJ/t, TPEU = 9,79 GJ/t
Temperaturniveau des Wärmebedarfs,
Steam-Reforming
Primärreformer: 800 °C
Sekundärreformer: 1.200 °C
Energieverbrauch 2, spezifisch
(partielle Oxidation, erdölbasierte
Kohlenwasserstoffe)
Strom = 0,48 GJ/t,
Brennstoff und Dampf = 16,50 GJ/t,
TFEU = 16,95 GJ/t, TPEU = 17,780 GJ/t
Temperaturniveau des Wärmebedarfs,
partielle Oxidation Vergasungsreaktor:
1.200 – 1.500 °C
Spezifisches Prozess- CO2 Steam-Reforming: 1,15 – 1,40 t CO2/t NH3 .
Partielle Oxidation: 2 – 2,6 t CO2/t NH3
Ammoniak-Herstellung – Verfahrensverbesserungen zur Energie-Effizienz
Für Steam-Reforming:
Tieftemperatur-Entschweflung
Vorerhitzen von Rohstoff/Dampf-Gemisch und Luft
Verringerung des Dampf/Kohlenstoff-Verhältnisses,
moderne Gasturbine für die Luftkompression
Optimierung Ofenbrenner
katalytischer adiabatischer Pre-Reformers
isotherme CO-Konvertierung
Optimierung der CO2-Abscheidung
Membran-Trennung des Methans
Flüssig-Stickstoff-Wäsche für Feinreinigung,
Speziell partielle Oxidation:
o schwefelresistente Katalysatoren für CO-Konvertierung
o Flüssig-Stickstoff-Wäsche für Feinreinigung
20
Ammoniak-Herstellung – Verfahrensverbesserungen zur Energie-Effizienz
Für die Ammoniak-Synthese:
indirekte Kühlung des Ammoniaksynthesereaktors,
Rückgewinnung von Wasserstoff aus dem Purge-Gasstrom
kleinkörnige Katalysatoren im Ammoniak-Reaktor,
Niederdruck- oder Mitteldruck-Ammoniak-Synthese,
modernes Prozessleitsystem für optimale Betriebspunkte,
Rückgewinnung des NH3 aus dem Prozesskondensat
Turboverdichter
21
Ammoniak-Herstellung – Entwicklungen zur Energie-Effizienz
Verfahren sind ausgereift, keine Substitution, nur Modifikationen
Synthesegas-Herstellung:
o autotherme, katalytische partielle Oxidation
o Rohstoffsubstitution bei neuen Anlagen – Erdgas, Biomasse
Beste verfügbare Technik – ACP, RPR
Ständige Modernisierung der Anlagen
Wärmeintegration in den Standort – Industrielle Symbiose
Herausforderung:
Nutzung von Abwärme / Wärmeintegration22
Oxyfuel incineration
process
Visualisierung von Wärmeströmen – Sankey Diagramm
Kreislaufwirtschaft in Unternehmen und in Industrieparks- Nutzung von Abwärme -
Modelle zur Evaluierung der Abwärmenutzung
Systematische Ermittlung der „heißen“ und „kalten“ Wärmeströme
Zusammengesetzte Darstellung der Strömeüber den Achsen „Enthalpie“ – „Temperatur“
„Ganzheitliche Standortanalyse“
Ergebnisse:o Optimierungsmöglichkeiten:
o Max. Wärmerückgewinnung
o Min. Heizmittelverbrauch
Erfahrungen:
Alle Industrieparks von BAYER wurden so optimiert
Chemiepark Stenungssund / S 24
Kreislaufwirtschaft in Unternehmen und in Industrieparks- weitere Anwendungen -
Industrielle Symbiosen durch ganzheitliche Wärmestromanalyse evaluieren
Weitere erfolgreiche Anwendungsgebiete: Wasser
Abwasser
Stoffströme in chemischen Umwandlungen (Reaktionen, Destillationen, …)
Vorschlag:
Erarbeitung einer ganzheitlichen Standortanalyse z. B. Wärme in Kooperation mit lokalem Ingenieurbüro
25
Möglichkeiten zur Abwärme Nutzung
Unvermeidbare Abwärme kann genutzt werden:
Direkte Integration der Abwärme in Prozesse und Anlagen
Integration der Abwärme in andere Betriebsprozesse
Weitergabe der Abwärme an Dritte
Umwandlung der Abwärme in andere Energieformen
Herausforderung:
Erfassung und Bewertung der technologischen Alternativen
Anwendung praktikabler Auswahlkriterien26
Technologien zur Abwärme Nutzung
Etablierte Technologien in Chemieanlagen:
Wärmetauschero Plattenwärmetauscher
o Rohrbündelwärmetauscher
o Verbrennungsluftvorwärmer
27
Übersicht über die häufigsten Typen Wärmetauscher
Art des Wärmetauschers Leistungsbereich Temperaturbereich Medien
Rohrbündel-
Wärmetauscher
2 kW bis 20 MW bis 300 °C flüssig/flüssig
Plattenwärmetauscher 2 kW bis 400 MW bis 150 °C (geschweißt
bis 900 °C)
flüssig/flüssig
Doppelrohr-Wärmetauscher 1 kW bis 3,5 MW bis 200 °C flüssig/flüssig
Lamellen-Wärmetauscher 1 kW bis 900 kW bis 900 °C gasförmig/flüssig
Rippenrohr-Wärmetauscher 5 kW bis 1 MW bis 400 °C gasförmig/flüssig
Wärmerohr-
Wärmetauscher
3 W bis 3 kW bis 700 °C gasförmig/gasför
mig
Spiral-Wärmetauscher 20 bis 800 kW -100 bis 450 °C fl./fl.; gasf./gasf.
Rotations-Wärmetauscher bis 1,6 MW bis 300 °C HT-
Ausführungen bis 650
°C
gasförmig/gasför
mig
Regenerative
Wärmetauscher
bis 140 MW bis 1300 °C gasförmig/gasför
mig
Technologien zur Abwärme Nutzung
Etablierte Technologien in Chemieanlagen:
Temperaturerhöhung durch Wärmepumpeno Kompressionswärmepumpeno Sorptionswärmepumpeno Absorptionswärmepumpeno Adsorptionswärmepumpen
Kälteerzeugung
o Absorptionskältemaschineno Adsorptionskältemaschinen
Stromerzeugung
o Dampfturbineo Organic Rankine Prozess – ORCo Kalina-Prozesso Stirling Prozess
Wärmespeicher
Pufferspeicher Langzeitspeicher Latentwärmespeicher Thermo-chemische Speicher
28
Technologien zur Abwärme Nutzung
Wärmenutzung in Querschnitt-Technologien:
Verbrennungsanlagen
Trocknungsanlagen
Raumlufttechnische Anlagen
Druckluftkompressoren
Kälteanlagen
Abwasser
29
Energie-effiziente Antriebe – IE3 und IE4 Motoren
30
Energie-effiziente Antriebe – Beispiel Lösungen von SEW
31
Effiziente Druckluftversorgung durch Weiterentwicklung der Aggregate – Beispiel KAESER
Schraubenkompressoren: hohe Leistung und Zuverlässigkeit bei niedrigem Energiebedarf o mit integriertem Kältetrockner, drehzahlgeregelt. o Sechs Prozent bessere spezifische Leistung o Schraubenrotoren mit strömungstechnisch optimiertem Profil, Verringerung der
internen Druckverluste,o neue Super Premium Efficiency IE4 Motoren eines namhaften deutschen
Motorenherstellers
Verluste der Peripherie bei der Drucklufterzeugung reduziert.
Kühlsystem ermöglicht extrem niedrige Druckluft-Austrittstemperaturen.
Hoch wirksame Kondensatabscheider mit energiesparenden und überwachten Ableiter. o > 95 Prozent des Kondensats vom Luftstrom getrennt. o außen liegende Kühlerflächen tragen zur Energieersparnis bei.
Energiesparende und umweltschonende Fluidfilter
Kein kompletter Filterwechsel, Gehäuse des Fluidfilters weiterverwertbar,
Sigma Control 2 für optimale Koordination standardmäßig o RFID-Usertechniko Ethernet–Anschluss: Variable Schnittstellen und steckbare Kommunikationsmodule für
maschinenübergreifende Druckluft-Managementsysteme, Computernetzwerke bzw. Ferndiagnose- und Fernüberwachungssysteme wie Teleservice.
32
Moderne modellgestützte Regelungen
Prozess-Steuerung entlang Trajektorien bei Batch-Prozessen
Gelbildung während der Reaktion
Änderung von Viskositätund Wärmedurchgangskoeffizient
Modellhinterlegung der Trajektoriezu Optimierung der Betriebspunkte
Moderne Regler mit„Störgrößenaufschaltung“
33
Recycling von Chemikalien durch Aufarbeitung – Beispiel Toluol
Einsatzgebiete
Toluol aromatische Verbindung aus Fraktionierung von Erdölprodukten
Grundchemikalie für chemische Synthese und als Lösungsmittel
in Klebern und Lacken´, Möbelpflegemitteln und Druckfarben verwendet
Xylol gehört zu den wichtigsten industriellen Lösungsmitteln
Toluol ist Bestandteil von Benzin.
Zwischenprodukt bei Synthese von Farbstoffen, Sprengstoffen (TNT),
Pharmazeutika, Ausgangsstoff für Schaumstoffe (Polyurethane TDI) und
Kunstfasern (Viskosefasern).
Abfalltoluol
gefärbt mit Fremdlösemitteln, mit Lack- oder Harzresten verunreinigt
Kann ohne Aufarbeitung nicht wiederverwendet werden.
34
Recycling von Chemikalien durch Aufarbeitung – Beispiel Toluol
Aufarbeitung
Standard-Anlagen vom Labormaßstab bis zu industriellen Größenordnungen.
Vor Aufarbeitung werden Farbe, Geruch, Dichte, Siedeverhalten und
Zusammensetzung analysiert.
Erste Aufarbeitungsstufe grobe Verunreinigungen durch Destillation abgetrennt.
Verunreinigungen werden thermisch verwertet.
Nachgeschaltete Rektifikation oder mehrstufige Destillation - andere Lösemittel
wie Hexan abgetrennt.
35
Recycling von Chemikalien durch Aufarbeitung – Beispiel Toluol
Spezifikation aufgearbeiteter Toluol-Abfälle
Vorteil:
Regenerate mit dieser Reinheit können als Lösemittel oder Zusatz zu
Verdünnern industriell genutzt werden.
36
Eigenschaft Spezifikation
Frischware
(Fa. Merck)
Spezifikation hochwertiger
Redestillate
Reinheit reinst > 99,7 %
Aussehen Klar, farblos Klar, farblos
Wassergehalt < 0,05 % < 0,04 %
Siedepunkt 110,6 °C 110 – 111 °C
Dichte 0,87 g/cm³ (bei NTP) 0,865 – 0,871 g/cm³ (bei NTP)
Farbzahl (Hazen) farblos < 10
Lösemittelaufarbeitung – Beispiel Anlage von OFRU
37
Lösemittelaufarbeitung – Beispiel Kleinanlage von MEDITE
38
Analysen zur Energie-Effizienz in Chemieanlagen
Vorgehen
Gesamtverfahren verstehen
Energie- und Stoffbilanzen erstellen
Zielgrößen definieren
Querschnitt-Technologien analysieren
Diagnosesysteme einsetzen
Herausforderung:
Umfassende Kenntnis des Gesamtverfahrens 39
Unterlagen für Optimierung:
o Betriebsbeschreibung
o Blockfließbilder
o Prozessfließbilder
o Bilanzdiagramme
o Rohrleitungs- und Instrumentierungsschemata (P&ID)
o Massen- und Energiebilanz
o Stoffdaten
o Eventuell: Betriebsaufzeichnungen (Prozessleitsystem)
Ziel: Verstehen, was in den einzelnen Anlagenabschnitten vor sich geht
Organisation:
interdisziplinäres Team,
Teilnehmer aus Betrieb, Forschung, Instandhaltung, MSR Technik, Technologie
Systematische Analysen zur Energie-Effizienz in Chemieanlagen
40
68
Weber Sites Consulting GmbH
Unternehmensberatung
Weber韦伯企业管理咨询有限公司
Dr. 米夏尔 • 韦伯（工程博士）
董事总经理
比格大街 17号 50931 科隆
电话+49-157-7319-5746
电话+86-185-8339-7993
E-mail：[email protected]
69
