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und empfohlen

von

Gebrüder Hammer GmbH Verfahrenstechnik für Gase

Ingenieurtechnik • Anlagenbau • Messtechnik

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2. überarbeitete Auflage

Der Endogasgenerator

Die Aufbereitung von Schutzgas

Dipl.-Ing. (FH)

Jürgen Klix

Erfahrungen aus der Praxis für

den Anwender

1

Inhaltsverzeichnis Seite

Vorwort 2

Einleitung 4

Der Endogaserzeuger 5

Funktion des Generators 6

Die Retorte 9

Der Katalysator 14

Die Beheizung 16

Die feuerfeste Auskleidung 24

Die Chemie der Endogasherstellung 24

Das Gas (Brennstoff)-Luftverhältnis 29

Ausgangsgas Erdgas 29

Ausgangsgas Propan (Chemische Formel C3H8) 34

Die Luft 36

Die Heizraumtemperatur 38

Die Gaskühlung 41

Die Abgasführung bei der Gasbeheizung 42

Messen und Regeln 44

Die Messmethoden zum Regeln 45

Die Mengenregelung 49

Ausbrennen und Regenerieren 52

Russfilter 54

Fehler und Störungen bei Betrieb, verfahrenstypisch 55

Die Arbeitssicherheit 57

Ähnliche Verfahren 58

Kosten 60

Anhang 64

1

2

VO RWORT

Aufgrund des großen Interesses der zahlreichen Leser sowie deren Anregungen wurde die

Veröffentlichung in einigen Kapiteln überarbeitet.

Viele Generatoren versorgen eine große Anzahl von Öfen mit Endogas. In zahlreichen

Vorträgen und Veröffentlichungen werden die Vor- und Nachteile aufgezeigt und auch mit

anderen Verfahren verglichen.

Der Autor, der sich seit mehr als 50 Jahren mit Endogasgeneratoren beschäftigt, hat

versucht, seine Erfahrungen in dieser Broschüre aufzuschreiben. Es gibt sicherlich noch

andere Aspekte und Werte, die er nicht kennt. Deshalb erhebt diese Broschüre auch keinen

Anspruch auf Vollständigkeit. Es kann auch sein, dass er nicht immer die Zustimmung

anderer Fachkollegen findet, weil das Thema komplexer ist als es hier vereinfacht

dargestellt wird. Der Autor übernimmt daher für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen,

Ratschlägen und Druckfehlern keine Haftung.

Diese Broschüre ist für Kollegen gedacht, die in die Materie einsteigen (müssen). Es möge

dazu beitragen sich leichter mit dem Thema vertraut zu machen und die Bedenken

gegenüber diesem Verfahren zu nehmen. Die Unterlagen, Tabellen, Zeichnungen, Grafiken,

Berechnungen hat der Autor jahrelang gesammelt. Sie stammen aus Firmenprospekten,

Vortragsunterlagen, Firmenangaben (z. B. Berechnungen) und zu einem großen Teil aus

einer Diplomarbeit von Herrn Aurel Liphardt, der im Auftrage des Autors Unzulänglichkeiten

an Gasgeneratoren untersucht hat.

Soweit die Quellen auf den Unterlagen vorhanden waren, wurden sie belassen. Für einige

Bilder war es nicht möglich die Herkunft festzustellen, weil sie in den letzten Jahrzehnten

gesammelt wurden. Dies ist auch der Grund, dass in einigen Darstellungen Einheiten

enthalten sind, die heute nicht mehr verwendet werden.

Weiterhin bedankt sich der Verfasser für die redaktionelle Überarbeitung bei Herrn Roland

Sauer und Herrn Josef Hammer.

Jürgen Klix

September 2010

3

4

E I NL EI TUNG

Bei diesem weit verbreitetem Verfahren wird Gas mit mittlerem Kohlungsvermögen unter

kontrollierten Bedingungen erzeugt. (Oft wird es Trägergas genannt, da es Kohlenstoff an

die Teile trägt). Es wird somit dem Ofen bereits ein aufbereitetes, ausreagiertes und

weitgehend dem theoretischen Gleichgewicht entsprechendes (Träger) Gas angeboten. Der

Ofen wird dadurch von der Spaltarbeit entlastet. Die C-Pegelregelung für den

Aufkohlungsprozess kann sich auf den Kohlungszusatz, den Reaktionsanteil, beschränken.

Vorteile, die ein derart aufbereitetes Gas auszeichnen sind:

- Optimale Annäherung an den Gleichgewichtszustand und damit die

beste Voraussetzung für die Regelfähigkeit, d. h. die Genauigkeit der

C-Pegelbestimmung, dadurch gleichmäßige Aufkohlungsqualität,

geringes Produktionsrisiko

- Keine Mindesttemperatur für eine Trägergasbildung im Ofen. Einsatz

deshalb unter Beachtung der Sicherheitsregeln auch in kalten

Ofenzonen und in Kühlphasen möglich.

- Unproblematischer Einsatz bei Vergütungsprozessen,

C-Pegelregelung nur in Sonderfällen notwendig (kein Russ, keine Ent-

bzw. Aufkohlungseffekte). Für diesen Einsatz auch Schutzgas

genannt.

- Zentrales Gasversorgungssystem z. B. über Ringleitungen zu

Verbrauchern.

- Kostengünstige Herstellung bei wirtschaftlicher Anlagenausnutzung

und günstigem Leistungsverhältnis, Herstellung aus Erdgas, Propan

oder Butan.

- Geringer Aufwand für Wartung

5

Als Nachteile sind zu nennen:

- Anlagen- und Investitionskosten

- Gaszusammensetzung ist nicht veränderbar im Gegensatz zu

Stickstoff-Methanol

- Anpassung der Erzeugermenge am Bedarf in Grenzen möglich. Eine

automatische Mengenregelung sorgt innerhalb des Regelbereiches

für die Anpassung der Herstellmenge an den Bedarf (50 – 100 %).

- Trägergas allein kann die zur Übertragung benötigte Menge an

Kohlenstoff bei einer Aufkohlung nicht bereitstellen, dies würde eine

unrealistisch hohe Gasmenge erfordern, dazu werden Kohlungsmittel

zugesetzt.

Viele Verbraucher haben sich nach eingehendem technischen und wirtschaftlichen

Vergleich für die Beschaffung neuer Generatoren entschieden, weil hier echte

Kostenvorteile bestehen.

DER ENDOG ASERZ EUGER

Der Endogaserzeuger, auch Endogasgenerator genannt, ist eine Anlage, in dem auf

katalytischem Wege ein Gemisch aus Gas und Luft unter der Zufuhr von Wärme zerlegt,

gespalten wird. Die Bezeichnung Endo kommt aus dem Griechischen und bedeutet soviel

wie ein Vorgang, der im Inneren unter Zufuhr von Wärme abläuft (im Gegensatz zum Exo-

Generator, der Wärme freisetzt).

Gas und Luft werden im genau dosierten Verhältnis durch eine Retorte gedrückt. Dieses

Gemisch ist so bemessen, dass eine Verbrennung mit Wärmebildung nicht stattfinden kann.

Man spricht unter Technikern auch von einer unterstöchiometrischen, luftarmen

„Verbrennung“, obwohl es keine Verbrennung ist.

6

Deshalb wird die Retorte von außen beheizt, auf ca. 1000°C bis 1050°C. In der Retorte

befindet sich ein Katalysator, an dessen Oberfläche die Zerlegung der o. g. Gase abläuft,

unter Anbindung an den Sauerstoff der Luft. Das so neu entstandene generierte (Endo)Gas

mit einer ganz anderen Zusammensetzung als das Eingangsgemisch, wird nach dem

Verlassen der Retorte schnell gekühlt um einen Gaszerfall nach bekannten Gasgesetzen zu

verhindern.

FUNKTIO N DES GENERATO RS

In Bild 1 ist das Funktionsschema eines Generators ersichtlich. Gas gelangt unter

Druck über den Handabsperrhahn (1), Filter (2), Sicherheitsmagnetventil (3),

Gleichdruckregler (4), Mengenmesser (5) und Mengeneinstellhahn (6) zur Mischstelle (7).

Bild 01: Funktionsschema A

7

Die Luft wird aus der Halle angesaugt. Über den Filter (8), Mengenmesser (9),

Gemischregel-Einrichtung (10) und Rückschlagventil (11) gelangt sie zur Mischstelle (7) und

dann gemeinsam mit Gas zum Verdichter (12).

Das Rückschlagventil (11) soll im Falle irgendeiner Störung das Ausströmen von Gas über

Filter (8) in die Halle verhindern. Der Verdichter drückt das Gas-Luftgemisch über die

Flammenlöscheinrichtung (13) durch die Retorte (14), die in einem beheizten Ofen (15)

eingebaut ist. Über Kühler (16), umschaltbare Filter (17) strömt das jetzt erzeugte

Schutzgas zum Verbraucher. Der Regler (18) hat die Funktion eines Sicherheits-

Abblasreglers. Hier ausströmendes Schutzgas entzündet sich am Zündbrenner (19).

Bei zwei oder mehr Retorten sollte vor jeder Retorte ein Mengenmesser oder eine andere

Messmethode vorgesehen werden, um eine gleiche Verteilung des Gas-/Luftgemisches

einstellen zu können.

Nicht immer kann oder soll der Generator seine volle Leistung bringen. In diesem Fall wird

ein Teil der angesaugten Gas-Luftmenge im Kreislauf über das Kühl- und

Mengenregelsystem gefördert (20) (siehe Kapitel Die Mengenregelung).

Ein anderes Funktionsschema zeigt Bild 2. An Stelle des saugenden Verdichters strömt

Gas unter Druck und Luft von einem Gebläse erzeugt zur Mischstelle – und von hier weiter

zur Retorte. Voraussetzung ist ein hoher konstanter Gasvordruck und ein gutes Regelventil.

Eine Mengenregelung lässt sich schwer realisieren, wenn ein konstanter Leitungsdruck

nach dem Generator erforderlich ist.

8

Bild 02: Funktionsschema B

In der Praxis wird der Aufbau durch verschiedene Armaturen ergänzt, die der erweiterten

Sicherheit, der automatischen Überwachung und der Wartung dienen. Sie alle aufzuführen

würde zu weit gehen, zumal sie nicht generatortypisch sind und von Hersteller zu Hersteller

variieren.

9

D IE RETO RTE

Das Herzstück eines Endogaserzeugers ist die von außen beheizte Retorte. Auf die

Beheizung wird in einem eigenen Kapitel näher eingegangen, da sie von besonderer

Bedeutung ist. Dem Werkstoff der Retorte muss besonders viel Aufmerksamkeit gewidmet

werden. Von ihm hängt die Standzeit ab, steht er doch bei mehr als 1000 °C unter einer

erheblichen thermischen Belastung. Das Gewicht des Katalysators ist dabei unbedeutend.

Zum Einsatz kommen Rohre aus hitzebeständigem Stahl: geschweißtes Blech oder aus

Schleuderguss. Für eine lange Standzeit haben sich Retortenrohre aus Schleuderguss

bewährt. Ein weiterer positiver Effekt wird erreicht, wenn die Rohre innen ausgedreht und

dadurch von der Schlacke befreit werden. Beim ersten Aufheizen unter Luft bildet sich auf

der blanken Oberfläche eine stabile Cr-Oxidhaut, die dem Angriff von Kohlenstoff einen

großen Widerstand bietet. Die Erfahrung in der Praxis hat gezeigt, dass Standzeiten bis zu

acht Jahren erreicht werden können, solange keine Zerstörung von außen durch die

Heizung erfolgt. Den Unterschied in der Festigkeit von Walzmaterial und Schleuderguss

zeigt Bild 3. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass Schleuderguss mit einer stärkeren

Wanddicke hergestellt werden kann. Retorten aus Keramik sind bisher noch nicht im

Einsatz.

Bild 03: Einfluss des Kohlenstoffgehaltes auf die Zeitstandfestigkeit HK bedeutet Firmenspezifische Produktbezeichnung

10

Die Bilder 4a bis 4d zeigen unterschiedliche Ausführungen, die sich auf die gesamte

Konstruktion des Generators auswirken. Bei der Retorte nach Bild 4a wird das Gas-

Luftgemisch von unten in die Retorte gedrückt und oben entnommen. Sie hängt im Deckel

an einem Flansch, am Boden ragt das andere Ende heraus und ist hier frei beweglich. Das

bedeutet, der Generator steht auf Füßen. Das wird notwendig, denn die Retorte wächst

durch die Erwärmung ca. 40 mm und muss über Schläuche/Kompensatoren von unten an

die Gemischleitung angeschlossen werden. Ein weiteres Konstruktionsmerkmal betrifft den

von unten gasdicht eingebauten Stopfen mit dem Auflagerost für den Katalysator. Die

Ausführung bedarf einiger Erfahrung, sonst lässt sich der Stopfen, verklemmt durch Russ,

Katalysatorabrieb und Deformationen, nur schwer ausbauen.

Bild 04a: Retorte ohne Verdrängerrohr

11

Das Bild 4b zeigt das gleiche Rohr, jedoch mit einem inneren Verdrängerrohr. Der

Katalysator bildet dadurch einen Ring. Es führt zu einem anderen Strömungs- und

Durchwärmungsprofil. Dazu später mehr.

Bild 04b: Ringspaltretorte I

12

Bei Bild 4c handelt es sich auch um eine Ringretorte, bei der das Gas-Luftgemisch von

oben in den mit dem Katalysator gefüllten Ringspalt gedrückt und am Boden über das

innere Rohr zum Kühler zurückgeführt wird. Dieser Generator benötigt keine Füße und baut

daher niedriger. Die Befestigung erfolgt auch am Deckel.

Bild 04c: Ringspaltretorte II

13

Auch bei der U-Retorte nach Bild 4d steht der Generator ohne Füße auf dem Boden. Beide

Schenkel sind am Deckel befestigt und können sich im beheizten Gehäuse nach unten frei

ausdehnen. Der Durchmesser ist gegenüber einem Retortenrohr geringer, da beide

Schenkel die gleiche Menge Katalysatormasse aufnehmen, für gleiche Leistung wie bei den

o. g. Retorten. Ein- und Auslass sind fest verrohrt und lassen sich konstruktiv gut gestalten.

Je nach Leistung des Generators können 1 bis 3 Retorten, gleich welcher Bauart, eingebaut

werden.

Bild 04d: U-Retorte eingebaut in einem Ofen

14

Bei allen Retorten ist es zwingend notwendig, das Gas-Luftgemisch so schnell wie möglich

in den heißen Katalysator zu fördern. Eine vorzeitige langsame Erwärmung kann zur

Russausscheidung führen, ebenso ein zu kalter Katalysator. Je länger die Retorte, je besser

ist die Gleichgewichtsbildung. Dazu mehr unter dem Kapitel Chemie.

DER KAT AL YS AT O R

Ein Katalysator ist ein Hilfsmittel, welches chemische Reaktionen beeinflusst oder

überhaupt erst ermöglicht, ohne sich selbst zu verbrauchen oder aufzulösen. Die

endotherme Spaltung von Gas-Luftgemischen geht nicht ohne Katalysator, in diesem Fall ist

es Nickeloxid. Am Anfang der Entwicklung dieser Generatoren waren Kugeln, Bleche,

Folien oder Wolle aus reinem Nickel eingebaut. Sie waren aber schwer und teuer und

bezogen auf die Wirksamkeit unwirtschaftlich. Denn nur an der Oberfläche läuft die

Spaltung ab. Je größer die Oberfläche, je wirkungsvoller ist die Katalyse.

Heute werden keramische Körper, Kugel, Zylinder, Würfel oder Tabletten an der Oberfläche

mit Nickeloxid angereichert. Nach Angaben der Hersteller liegt der Nickelanteil bei 6 bis

10 % (Bild 5). Neue Entwicklungen der Ni-Industrie zeigen zylindrische Katalysatoren aus

100 % Ni, mit einem Gewicht von nur 1000 g je Liter (Rein-Ni ca. 8000 g/l). Die Teile sind

porös mit einer großen Oberfläche.

Bild 05: Nickelkatalysator auf Keramikbasis, ca. 18 mm Durchmesser

15

Die Menge an Katalysatormasse hängt von der zu erzeugenden Schutzgasmenge ab.

Dabei ist die Oberfläche maßgebend. Da diese sich schwer errechnen lässt und für das

Handling sicherlich nicht praktikabel ist, wird die Masse heute nach Gewicht oder nach Liter

angegeben.

Beim keramischen Katalysator sind für 30 m3/Std. Schutzgas ca. 24 l oder 32 kg

erforderlich. Bei 50 m3/Std. sind es ca. 38 l oder ca. 51 kg. Kugeln mit einem Durchmesser

von 18 mm haben ein Schüttgewicht von ca. 1350 kg/1000 l. Für reine Ni-Katalysatoren

werden vom Hersteller 50 l = 52,5 kg für 100 m3/Std. angegeben. Einfluss auf die Menge

hat auch der Retortendurchmesser und davon abhängig das Strömungsprofil über den

Querschnitt und die Durchwärmung des Katalysators. Ein kleiner Retortendurchmesser hat

sicherlich Vorteile genauso wie eine Ringretorte. Siehe Bilder 4a bis 4d. Hierzu auch mehr

unter dem Kapitel Heizung.

Ein Katalysator verbraucht sich normalerweise nicht und löst sich auch nicht auf. Wenn es

trotzdem immer wieder zu Störungen kommt und ein Austausch notwendig wird, hat das

mehrere Ursachen.

Die Retorte und der keramische Katalysator haben unterschiedliche

Ausdehnungskoeffizienten. Deshalb soll die Retorte immer auf gleicher Temperatur bleiben,

z. B. bei Betriebsruhe oder an Wochenenden sollte die Temperatur nicht abgesenkt werden.

Denn wenn die Retorte abkühlt, wird der Durchmesser kleiner und presst die Keramikkörper

zusammen. Beim Aufheizen passiert der umgekehrte Vorgang, die Retorte dehnt sich aus

und die Keramikmasse rutscht nach. Dieser Wechselvorgang wiederholt sich so lange, bis

die Keramikkörper platzen, sich langsam in Staub auflösen und inaktiv werden. Bei einem

Retortenrohrdurchmesser von 200 mm ändert sich der Durchmesser um ca. 3,6 mm

zwischen Raumtemperatur und 1000°C. Ein Indikator für die Notwendigkeit zum Austausch

ist der (Rest)CH4- Gehalt im Endogas, der 0,5 % nicht überschreiten soll. Siehe auch

Kapitel Messen und Regeln.

16

Die Standzeit des Katalysators ist auch abhängig von dem Russanfall und dem richtigen

Ausbrennen und Regenerieren. Siehe Kapitel Ausbrennen und Regenieren.

Hinweis: Wenn eine Retorte neu gefüllt wird, sollte der beim Befüllen und Transport

entstehende Staub nach dem Füllen herausgeblasen werden.

Der Katalysator unterliegt der Gefahrstoffverordnung. Die Nickelstäube können zu

Gesundheitsschäden führen. Der Umgang ist im Sicherheitsdatenblatt vorgeschrieben

(siehe Anhang).

D IE BEHEI ZUNG

Für den Spaltprozess ist Energie erforderlich. Der Wärmebedarf liegt bei 1 MJ je erzeugten

m3 Endogas. Für 100 m3/Std. sind das 100 MJ oder 27,7 KWh. Rechnet man die

Abstrahlungsverluste hinzu, ergeben sich ca. 33 KWh. Bei der Gasheizung müssen die

Abgasverluste dazugerechnet werden, oft mehr als 50 %. Bei der Spaltung von Propan

verringert sich der Energiebedarf.

Die Retorten werden von außen beheizt und sind daher in einem Ofen eingebaut. Wenn

auch in der Literatur der Heizung wenig Raum zugeordnet wird, so darf sie nicht

vernachlässigt werden. Die richtige technische Ausführung hat großen Einfluss auf die

Gasqualität und auf die Standzeit der Retorten. Grundsätzlich ist die Beheizung mit Gas

oder elektrischer Energie möglich und auch üblich. Zwischen beiden Energieträgern sollte

man jedoch nicht alleine auf den Energiepreis schauen. Im Folgenden wird versucht, die

Unterschiede gegenüberzustellen.

17

Bild 06: Gasheizung - Ringbrenner

Beim Einsatz von Gas gibt es drei Ausführungen in der Art der Beheizung. Bild 6 zeigt

einen Ringbrenner am unteren Ende der Retorte, meistens als atmosphärischer Brenner,

d. h. ohne Gebläseluft. Die heißen Gase strömen zwischen Ausmauerung und Retorte,

parallel mit dem Gas-Luftgemisch in der Retorte, nach oben und verlassen hier den

Heizraum. Dabei haben die Abgase eine Temperatur von ca. 1000 °C, das bedeutet einen

Wirkungsgrad von nur ca. 50 %. Es ist verständlich, dass die meiste Energie beim Eintritt

der kalten Gas-Luft-Gemische benötigt wird. Deshalb ist der Einbauort des

Thermoelementes für die Temperaturregelung von großer Bedeutung. Wenn der Brenner zu

spät einschaltet kann es dort, wo das Gas-Luftgemisch in die Retorte einströmt, zu einer

Abkühlung kommen, mit der Gefahr von Russausfall. Schaltet die Heizung zu spät ab,

kommt es in dem unteren Bereich zu einer Überhitzung. Es besteht auch die Gefahr einer

ungleichmäßigen Temperaturverteilung auf der Retortenlänge. (siehe Kapitel Die Chemie

der Erzeugung). Bei dieser Brenneranordnung ist die Leistung des Generators begrenzt,

denn bei zu hoher Leistungsanforderung wird die Retorte sehr unterschiedlich erwärmt.

18

Eine andere Möglichkeit ist der Einbau mehrerer kleiner Brenner, Bild 7, die eine

gleichmäßigere Temperatur auf der Retortenlänge bringen. Die Abgase sollen dort

abgeleitet werden, wo im Gegenstrom die Wärme an die kalte Gemischeintrittsstelle

abgegeben werden kann. Eine Wärmerückgewinnung ist über einen zentralen

Wärmetauscher möglich, wenn die Geräte zur Verbrennung dafür ausgelegt sind, was mit

zusätzlichen Kosten verbunden ist. Dadurch lässt sich aber der Wirkungsgrad um ca.

10 - 15 % verbessern.

Bild 07: Gasheizung - Einzelbrenner

Im Einsatz sind auch offene Reku-Brenner, Bild 8. Hier werden die heißen

Verbrennungsgase über ein Injektorsystem aus dem Ofenraum abgesaugt. Dabei erwärmt

sich die Verbrennungsluft zur Verbesserung des Wirkungsgrades.

19

Die Brenner der beiden letztgenannten Ausführung bedürfen einer sehr guten Gas-Luft-

Einstellung, im Gemisch und in der Menge, einer richtigen technischen Anordnung und

ständiger Wartung, damit die heißen Verbrennungsgase nicht auf die Retorte prallen und

diese über die beheizte Länge eine konstante Temperatur hat. Beim Ausbau von Retorten

sind immer Überhitzungserscheinungen erkennbar, was auch ihre Standzeit verringert.

Bild 07: Gasheizung - Rekubrenner

Der Temperaturführung im Ofenraum kommt eine besondere Bedeutung zu. Denn das

System offener Brenner ist aufgrund der besonderen Bedingungen nur mit einer Regelung

EIN-AUS möglich. Je nach Größe und Anzahl der Einzelbrenner ist das richtige Gemisch je

Brenner nur mit erheblichem Aufwand einstellbar. Für eine regelmäßige Wartung muss gut

eingewiesenes Personal vorhanden sein. Veränderungen in der Gasmenge je Brenner, im

Gas-Luftgemisch und in der Verbrennungstemperatur können schwerwiegende Folgen

haben. Einige Probleme lassen sich vermindern, wenn der Heizraum in zwei Heizzonen

aufgeteilt wird, jede mit einem eigenen Temperaturregler.

20

Bei der erwähnten EIN-AUS-Regelung schaltet in der AUS-Stellung meistens nur das Gas

ab. Luft strömt weiter zum Schutz der Brennerdüsen. Es kommt zu lokalen

Temperaturschwankungen. Der Einsatz vollkeramischer Brenner erlaubt es auch, die Luft

abzuschalten.

Alle Gasheizsysteme müssen mit Gas versorgt werden. Das bedeutet ein der Norm

entsprechendes Leitungsnetz, Armaturen, Zündeinrichtungen, ein Luftgebläse,

Abgasleitungen und regelmäßige Wartung. Nicht zu vergessen ist eine gewisse, manchmal

störende Wärmeabstrahlung. Je nach Standort, besonders wenn mehrere Generatoren

zusammen stehen, können die Verbrennungsgeräusche als unangenehm empfunden

werden.

Die Alternative zur Gasheizung ist der elektrische Strom. Die Bilder 9a und 9b zeigen

einen Querschnitt von einem elektrisch beheizten Generator. Auffallend ist außen der glatte

Mantel ohne jegliche Rohrleitungen. Im Inneren hängen die Heizspiralen mäanderförmig,

Bild 9c, vor der feuerfesten Faserauskleidung und können dadurch die Wärme frei

abstrahlen. Diese Wärme beheizt die Retorte gleichmäßig von oben bis unten. Bei richtiger

Materialauslegung (z. B. CrAl) der Heizspiralen, d. h. nicht mehr als 4 Watt/cm2

Abstrahlung, Anschlussleistung ca. 70 % höher als die erforderliche Nennleistung und mit

elektronisch geregelter Stromzufuhr, haben die Spiralen eine fast unbegrenzte

Lebensdauer. Die Heizung sollte von einer erfahrenen Fachfirma eingebaut werden, damit

die Schweißstelle zwischen Heizdraht und Anschlussbolzen nicht zu Störungen führt. Hier

liegt eine Schwachstelle vor. Auch die Standzeit der Retorten verlängert sich erheblich, bei

elektrischer Beheizung.

21

Bild 09a: Elektrische Beheizung

Bild 09b: Wandaufbau eines elektrisch beheizten Retortenofen

22

Bild 09c: Mäander - Heizdraht

Die Wärmedurchgangsberechnung Bild 10 zeigt die geringen Wärmeverluste und die

niedrige Oberflächentemperatur. Das alles führt dazu, dass ein Generator in knapp zwei

Stunden seine Betriebstemperatur erreicht. Ein Stand-by-beheizter Generator ist nicht

erforderlich.

Bild 10: Wärmedurchgangsberechnung elektrische Beheizung

Wandaufbau: d1= 0 8 0 0 mm d2= 1 0 5 0 mm d3= 1 1 0 0 mm d4= 1 2 5 0 mm d5= 1 6 7 0 mm

tl = 1120 °C t1 = 1117 °C t2 = 909 °C t3 = 848 °C t4 = 697 °C t5 = 67 °C ta = 20 °C aa = 9,53 W/(m2K) q = 445 W/(m2)

23

Bild 11 zeigt die in der Praxis gemessenen Aufheizzeiten der verschiedenen

Beheizungsarten von zwei unterschiedlich beheizten Generatoren gleicher Leistung.

Welchen Einfluss die Beheizung auf das Verfahren hat, ist unter dem Kapitel Die

Heizraumtemperatur dargestellt.

Bild 11: Aufheizgeschwindigkeiten in der Praxis gemessen

Wer sich für Gas oder Strom entscheiden muss, sollte die Vor- und Nachteile

gegenüberstellen und darf nicht nur die Energiepreise sehen. Mehr unter dem Kapitel

Kosten.

24

D IE FEUERF ESTE AUSKL EI DUNG

Nach der Art der Beheizung muss die richtige feuerfeste Auskleidung gewählt werden. Bei

der Gasheizung kommen die heißen Gase mit der Auskleidung in Berührung. Bei den

neuen Brennern handelt es sich um Hochgeschwindigkeitsbrenner, die die Wärme gut

übertragen. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit kann Faserauskleidung z. B. lose Fasern

abtragen oder die Auskleidung auflösen, wie in der Literatur berichtet wird. Maßgebend für

den richtigen Aufbau sollte der Wärmeverlust und damit die Temperatur an der Oberfläche

außen sein. Bilder 9b und 10 zeigen, wie eine Auskleidung für die Elektroheizung aussieht,

die sich in der Praxis bewährt hat. Der Wärmedurchgang lässt sich leicht berechnen und

sollte jeder Anlage in der Dokumentation beiliegen.

Bei der richtigen Wahl der Faserstoffe und dem richtigen Einbau sind auch keine

gesundheitlichen Gefährdungen zu erwarten. Der Ofen ist als geschlossener Behälter zu

betrachten, aus dem keine Fasern entweichen und in die Umgebung gelangen können.

D IE CHEMI E DER ENDOG ASHERSTEL L UNG

Zur Herstellung von Endogas eignen sich im Prinzip alle Kohlenwasserstoffe. Die folgenden

Ausführungen beschränken sich auf Erdgas und Propan als Ausgangsgase. Die

chemischen Abläufe am Katalysator folgen genauen Gesetzen.

In diesem Kapitel wird der Ablauf der chemischen Reaktionen in der Retorte beschrieben.

Die Lage eines chemischen Gleichgewichtes kann man durch Anwendung des Prinzips des

kleinsten Zwanges (Prinzip von Le Chatelier und Braun) verändern. Ändert man eines der

das Gleichgewicht beeinflussenden Größen, so verschiebt es sich derart, dass dadurch die

Wirkung der Änderung verkleinert wird. Für die Zusammensetzung des Endogases ist die

Lage der folgenden Gleichgewichte maßgebend.

25

1. Das Methan-Gleichgewicht

C + 2H2 ⇔ CH4 ∆H° = -74,87 kJ/mol

2. Das Boudouardsche Gleichgewicht

CO2 + C ⇔ 2CO ∆H° = 172,5 kJ/mol

3. Das Wassergasgleichgewicht

CO + H2O ⇔ CO2 + H2 ∆H° = - 41,2 kJ/mol

Obwohl insgesamt gesehen, das Endogas durch eine „unterstöchiometrische Verbrennung“

erzeugt wird, beginnt der Reaktionsablauf mit einer kleinen stöchiometrischen Verbrennung

der höherwertigen Kohlenwasserstoffe (Ethan bis Hexan) zu Kohlendioxid und

Wasserdampf, weil deren Reaktionsenthalpien wie die Tabelle 1 zeigt, am niedrigsten sind.

Komponente ∆r H bei Luftmangel in kJ/mol

∆r H stoeichiometrisch in kJ/mol

CH4 -35,67 -802,3 C2H8 -136,39 -1424,8

C3H8 -227,78 -2044

C4H10 -316,02 -2657,1 C5H12 -406,27 -3272,1

C6H14 -496,05 -3886,68 Tabelle 1: Reaktionsprinzip ∆r H für die Verbrennung der einzelnen Komponenten

unter Luftmangel (λ = 0,25) und die stöchimetrische Verbrennung

26

Die Reaktionsenthalpie ∆H° ist ein Maß für die Stabilität einer chemischen Reaktion bei

einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck. Reaktionen, bei denen ∆H° > 0

ist, heißen endotherm, Reaktionen mit ∆H° < 0 heißen exotherm. Hält man die Temperatur

des Systems konstant, indem man es in guten thermischen Kontakt mit der Umgebung

bringt, so wird bei einer endothermen Reaktion Wärme in das System transportiert, während

bei einer exothermen Reaktion Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Bei konstantem

Druck und unter der Voraussetzung, dass keine andere Arbeit als Volumenarbeit beteiligt

ist, steht die gesamte Enthalpieänderung als Wärme zur Verfügung.

Die Reaktionsenthalpie ∆H° für Hexan (C6H14) ist mit -3886,68 kJ/mol am niedrigsten, d. h.

diese Komponente verbrennt als erstes stöchiometrisch mit Sauerstoff (O2) zu Kohlendioxid

(CO2) und Wasserdampf (H2O) und gibt die dabei erzeugte Wärme an die anderen

Komponenten ab. Es entsteht eine Kettenreaktion, bei der nun die niedrigerwertigen

Kohlenwasserstoffe solange stöchiometrisch verbrennen, bis kein freier Sauerstoff mehr

vorhanden ist. Diese Reaktionen finden gleich am Anfang mit dem Einströmen des Gas-

Luft-Gemisches in den Katalysator statt.

Der Katalysator hat die Aufgabe, 1. das in der ersten Phase der Verbrennung nicht oxidierte

Methan zu spalten, 2. die Spaltprodukte mit dem während der anfänglichen exothermen

Verbrennung erzeugten Wasserdampf zu verbinden und 3. das entstandene Nickeloxid

wieder zu reduzieren. Bild 12 zeigt die schematischen Reaktionen am Nickelkatalysator.

Bild 12: Schematische Darstellung der Reaktionen am Nickelkatalysator

27

Da es sich bei den nun ablaufenden Reaktionen um das schwach exotherme Methangas-

Gleichgewicht und das homogene Wassergasgleichgewicht bzw. beim Boudouardschen

Gleichgewicht sogar um eine endotherme Reaktion handelt, ist es notwenig, Wärme von

außen zuzuführen und diese über der Höhe der gesamten Reaktionsretorte konstant zu

halten.

Den oben beschriebenen Ablauf der chemischen Reaktion erklären die Bilder 13a und 13b.

Die Temperaturkennlinie über die Höhe des Katalysators zeigt, dass die exothermen

Reaktionen nur am Anfang des Spaltprozesses eine Rolle spielen. Davon zeugt der

schnelle Temperaturanstieg. Ist der freie Sauerstoff restlos verbrannt, so fällt die

Temperatur wieder. Das nun folgende langsame Ansteigen der Temperatur im Katalysator

gibt die fortschreitende Einstellung des homogenen Wassergasgleichgewichtes bei einer

Reaktionstemperatur von 1050°C wieder.

Bild 13a: Reaktion in der Retorte

28

Bild 13b: Reaktionsretorte (Längsschnitt)

Bild 13b lässt auch erkennen, dass mit der Länge der Retorte das Gas besser

ausreagieren kann. Einen großen Einfluss hat die Verweilzeit des Gas-Luftgemisches im

Katalysator. Diese hängt von der Raumgeschwindigkeit ab. Ist sie zu hoch erfolgt ein steiler

Anstieg vom Rest-CH4-Gehalt, wie Bild 14 für Propan zeigt. Solange die Generatoren in

ihrem Leistungsbereich betrieben werden, ist dieser Einfluss zu vernachlässigen. Die Werte

sind auch auf Erdgas übertragbar. Das Gas-Luft-Gemisch ist gut ausreagiert, wenn der

CH4-Gehalt kleiner 0,1 % beträgt.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass zum einen, bedingt durch die

Reaktionsenthalpien, die Zusammensetzung des Erdgases und zum anderen die

gleichmäßige Temperatur über die Höhe des Katalysators eine entscheidende Rolle bei der

Herstellung von Endogas spielen. In dem folgenden Kapitel wird noch näher darauf

eingegangen.

29

Bild 14

DAS GAS (BRENNSTOF F ) -LUF TVERH ÄL TNI S

Das Gas-Luftverhältnis oder die Luftzahl λ sind entscheidende Einflussgrößen bei der

Herstellung von Endogas. Die Luftzahl stellt das Verhältnis vom tatsächlichen Luftbedarf (L)

zum Mindestluftbedarf (Lmin) oder der zur stöchiometrischen Verbrennung benötigten

Luftmenge dar.

minL

___λ

L

=

In den Berechnungen und Grafiken wird λ durch n ersetzt. Mit der Regulierung dieses

Verhältnisses wird die Zusammensetzung des (Endo)Schutzgases bestimmt.

AUSG ANG SG AS ERDG AS

Wie sich das Verhältnis Gas-Luft berechnet, wird am Beispiel Methan, dem

Hauptbestandteil von Erdgas, in der nachfolgenden Formel aufgezeigt:

2CH4 + O2 + 3,8 N2 � 2CO + 4H2 + 3,8 N2

30

Fasst man die Komponenten der beiden Seiten der Gleichung zusammen, so erhält man

links 6,8 und rechts 9,8. Das ergibt einen Ausdehnungsfaktor von 9,8 : 6,8 = 1,42. Bei der

endothermen Spaltung tritt also eine Volumenvergrößerung von 1,42 ein. Das theoretische

Verhältnis Gas : Luft lässt sich ebenfalls aus der Reaktionsgleichung ablesen. Die linke

Seite sagt aus: 2 CH4 als Gasteil und O2 + 3,8 N2 als Luftteil, also 4,8 : 2 = 2,4. Daraus folgt:

Gas : Luft = 1 : 2,4. Bei diesem Verhältnis besteht das Endogas theoretisch aus

20,4 Vol.% CO + 40,8 Vol.% H2 + 38,8 Vol.% N2

Eines ist noch erkennbar: aus einem m3 Methan entstehen

(1 + 2,4) x 1,42 = 4,83, fast 5 m3 Endogas.

Weitere Werte in Bild 15. Diese Werte sind weitgehend auf Erdgas übertragbar, da die

Erdgasanalysen 88 Vol.% bis zu 98 Vol.% CH4 ausweisen, den Rest füllen andere

Kohlenwasserstoffe auf.

Hu-Methangas CH4 8550 kcal/Nm3

für 1 Nm3 Erdgas erforderlich Luft 2,4 Nm3

Ausdehnungsfaktor 1,44 -

Endogasmenge aus 1 Nm3 CH4

4,84 Nm3

Zusammensetzung CO das Endogas H2 N2

20,4 40,8 38,8

% % %

Volumenanteile CO H2 N2

0,985 1,970 1,885

Nm3 Nm3 Nm3

Heizwert der Anteile CO H2

2970 5075

kcal/Anteil kcal/Anteil

Heizwert des Endogases aus 1 Nm3 Methan

8045 kcal

Heizwert des Endogases pro Nm3

1650 kcal/Nm3

Dichte 0,78 kg/Nm3

Bild 15: Kennwerte für Endogas aus Methan

31

Wenn der theoretische Luftbedarf erwähnt wurde, dann ist das damit zu erklären, dass die

Praxis anders aussieht. Mit dem theoretischen Luftbedarf ist es technisch nicht möglich, alle

Sauerstoffatome mit den Gasmolekülen zu verbinden. Freie C-Moleküle lagern sich als

Russ auf dem Katalysator ab. Es kommt zu der bereits erwähnten Russbildung. Deshalb

wird in der Praxis die Luftmenge etwas erhöht mit gleichzeitiger Bildung von geringen

Mengen CO2 und Wasserdampf.

Nun besteht das Erdgas nicht aus reinem Methan. Neben dem Hauptbestandteil Methan

sind es noch andere brennbare Gase. Je nach Anteil dieser Komponenten gibt es L-Gas

und H-Gas (L = Low, H = High), die sich im Heizwert unterscheiden. Analysen und

Berechnungen im Anhang, Bild 16, das für beide Erdgasfamilien gilt, zeigen, dass der

Arbeitsbereich für die Endogasherstellung in einem schmalen Streifen liegt und sehr nahe

der Russgrenze. Das heißt, die Gefahr der Bildung von reinem Kohlenstoff (Russ) durch

Schwankungen in der Gaszusammensetzung ist umso größer, je näher man mit dem Gas-

Luftgemisch an der Russgrenze arbeitet.

Bild 16: Schutzgasherstellung aus Erdgas (CH4) bei 1030°C

32

Welchen Einfluss die Brennstoffzusammensetzung auf die Luftzahl hat (hier n), zeigt das

folgende Bild 17 für Erdgas L und Erdgas H. Bei Erdgas L bildet sich erst mit einer Luftzahl

≤ 0,25 freier Kohlenstoff in Form von Russ. Bei Erdgas H hätte man hier schon 2 g Russ pro

m3 Endogas. Wer einen Endogasgenerator sicher betreiben will, muss seine Gasfamilie und

die Gaszusammensetzung kennen. Diese Daten bekommt man bei seinem Gaslieferanten.

Mit einem Rechenprogramm lassen sich Luftzahlen und andere Werte errechnen, Beispiele

im Anhang.

Bild 17: Spaltung von Erdgas Fall a) Erdgas L und Fall b) Erdgas H bei 1050°C

Im Anhang sind beispielhaft Berechnungen zu finden, für H-Gas und für L-Gas,

einschließlich der Gasanalysen. Dazu die Erklärungen:

Analyse 1 (L) Analyse 2 (L) Analyse 3 (H) Analyse 4 (H)

Luftzahl, nmin 0,252 0,252 0,252 0,252

Luft tats. m3/m3 2,248 2,136 2,404 2,429

Schutzgasmenge 4,674 4,456 4,916 4,986

Aus diesen Berechnungen ist klar erkennbar, dass bei gleicher Luftzahl sich der

tatsächliche Luftbedarf und die Schutzgasmenge ändern. Setzt man die Luftmenge von

Analyse 2 bei den anderen ein, wird mit Sicherheit Russ ausfallen.

33

Selbst mit dieser Luftzahl nmin wird eine Menge Russ entstehen, abgesehen davon, dass

sich technisch diese Luftmengen so genau gar nicht einstellen lassen. Deshalb geht man

auf die sichere Seite und erhöht die Luftzahl und damit die Luftmenge je m3 Gas. Man hofft,

dass damit alle Russpartikel von den Sauerstoffatomen eingefangen werden. Bleiben noch

Sauerstoffatome übrig, gehen sie sofort eine Verbindung ein mit einem CO-Molekül und

bilden CO2 bzw. mit einem H2-Molekül und bilden H2O. Aufgrund der Reaktionstemperatur

stehen diese beiden immer in einem bestimmten Verhältnis. Man spricht von einem

Thermodynamischen Gleichgewicht. Wie sich diese Werte mit steigender Luftmenge

verändern, ist aus der Berechnung ersichtlich. Auf diese Werte wird unter dem Kapitel

Regelung noch näher eingegangen.

Auch die Werte CO und H2, die das Fundament des Schutzgases darstellen, verändern

sich, wenn auch in geringem Maße. Die Berechnungen basieren auf einer

Reaktionstemperatur von 1000°C in der Retorte. Die Ofentemperatur sollte daher bei ca.

1030°C eingestellt sein. Höhere aber auch niedrigere Temperaturen können die Werte

verändern. Dazu ein Beispiel aus der o. g. Berechnung:

Erdgas H,

Luftzahl 0,266 930°C 1000°C 1030°C 1060°C

CO2 0,305 0,267 0,254 0,242

Taupunkt (Tp) + 6°C + 6,5°C + 7°C + 7°C

CO 20,02 20,07 20,09 20,10

H2 39,06 39,03 39,02 39,01

Die Veränderungen bei CO und H2 sind mit den üblichen Messgeräten kaum zu erfassen.

Auch CO2 und H2 verändern sich wenig, 930°C als Spalttemperatur ist wegen der Gefahr

der Russbildung nicht üblich.

Hinweis: Erdgas ist nicht gleich Erdgas, wie aufgezeigt wurde. Nun kann es selbst in einer

Gasfamilie, H und L, zu Unterschieden kommen, die auf das Gas-Luftverhältnis einen fast

störenden Einfluss haben. Der Gaslieferant muss seinen Kunden nur einen konstanten

Heizwert garantieren. Dabei kann sich die Zusammensetzung, die Analyse, so stark

verändern, dass die einmal gewählte Luftzahl nicht mehr ausreicht, besonders wenn der

Verschnitt mit schweren Kohlenwasserstoffen, Propan und Butan, erfolgt. Das Verhältnis

muss dann neu eingestellt werden. Erkennbar wird dies durch die Regelung.

34

AUSG ANG SG AS PROP AN (CHEMISCHE FO RMEL C 3H 8 )

Eine bedeutende Rolle unter den Ausgangsgasen nimmt Propan ein, wenn es auch durch

die Störfallverordnung Boden zu Gunsten von Erdgas verloren hat. Propan steht in

ausreichender Menge zur Verfügung. Es wird in flüssiger Form in Tanks gelagert.

Vorschriften sind zu beachten.

Es ist darauf zu achten, dass der wirkliche C3H8-Anteil bei mind. 95 % liegt (Härterei-

Propan) und olefinfrei ist. Das DIN-Propan kann für die Schutzgasherstellung keine

Anwendung finden, denn es lässt einen Propenanteil von mehr als 10 % zu. Propen jedoch

zerfällt schon bei ca. 350°C und führt zu frühzeitigem Russausfall und kann damit den

Katalysator zerstören (siehe Bild 13b). Der Propen-Anteil sollte 3 % nicht überschreiten.

Propan mit dieser Forderung ist im Handel erhältlich und kostet auch nicht mehr. In den

meisten Fällen wird die Reinheitsforderung bereits durch Hydrierpropan erfüllt. Crackpropan

ist ungeeignet.

Für alle Flüssiggase gilt, dass sie aus der Flüssigphase über einen Verdampfer entnommen

werden sollen. Das gibt die Gewähr, dass alle in der Flüssigkeit enthaltenen Komponenten

gleichzeitig entnommen werden und verdampfen. Bei der Entnahme aus der Gasphase

entweichen zuerst die leichteren Komponenten. Das führt zu Schwierigkeiten in der

Regelung.

Propan zerfällt endotherm nach der Formel

2 C3H8 + 3 O2 + 11,4 N2 � 6 CO + 8 H2 + 11,4 N2

Daraus ergibt sich eine 1,54-fache Ausdehnung und ein theoretisches Gas: Luftverhältnis

von 1 : 7,2. Aus 1 m3 Propan entstehen so ca. 13 m3 Endogas mit folgender theoretischen

Zusammensetzung: 23 Vol.% CO, 31,5 Vol.% H2, 44,9 Vol.% N2. Die Praxis sieht etwas

anders aus. Was zum theoretischen Gas-Luftverhältnis bei Erdgas gesagt wurde, gilt auch

hier. Deshalb sollte die Einstellung in der Praxis bei 1 : 7,5 bis 1 : 7,8 liegen. Eine

Berechnung ist im Anhang zu finden. Es sei noch erwähnt, dass der Energiebedarf für die

Spaltung geringer ist als für Erdgas. Sonst gilt das Gleiche, was in den Kapiteln vorher

gesagt wurde, Bilder 23, 24 und 25.

35

Hu-Propangas C3H8 22350 kcal/Nm3

für 1 Nm3 Erdgas erforderlich Luft

7,2 Nm3

Ausdehnungsfaktor 1,54 -

Endogasmenge aus 1 Nm3 CH4

12,65 Nm3

Zusammensetzung CO das Endogas H2 N2

23,6 31,5 44,9

% % %

Volumenanteile CO H2 N2

2,98 3,98 5,69

Nm3 Nm3 Nm3

Heizwert der Anteile CO H2

9000 10250

kcal/Anteil kcal/Anteil

Heizwert des Endogases aus 1 Nm3 Propan

19250 kcal

Heizwert des Endogases pro Nm3

1520 kcal/Nm3

Dichte 0,88 kg/Nm3

Bild 23: Kennwerte für Endogas aus Propan

Bild 24: Verbrennungsdiagramm Propan

36

Ausgangsgas Propan 100 % bei 1030°C

Gas-Luft m3/m3

1 : 7,4 1 : 7,5 1 : 7,5 1 : 7,7 1 : 7,8

CO 23,43 23,20 22,97 22,75 22,50 H2 31,14 30,74 30,34 29,95 29,50 CO2 0,09 0,18 0,27 0,36 0,45 TP -11,9 -4,1 +1,1 +5,1 +8,3 CP 0,66 0,36 0,24 0,18 0,15

1) Relative Luftfeuchtigkeit = konstant

Bild 25: Propan - Veränderungen der Analyse abgeleitet aus Bild 24

D IE LUF T

Unter dem Abschnitt Erdgas wurde aufgezeigt, dass Erdgas nicht gleich Erdgas ist. Mit der

Luft sieht es ähnlich aus. Die Regeln der chemischen Reaktionstechnik, die für die

Änderung der Erdgaszusammensetzung gelten, haben natürlich auch für die angesaugte

Luft ihre Gültigkeit. Dies wurde in einigen Veröffentlichungen nicht erwähnt.

Die für die Spaltung benötigte Luft wird meistens aus der Produktionshalle angesaugt. In

der Halle herrschen, je nach Jahreszeit, unterschiedliche Luftverhältnisse. Die Luft kann

kälter, wärmer, trockener oder feuchter werden. Die Außentemperaturen schwanken

zwischen -15°C und +35°C. Auch der Luftdruck steigt und fällt. Der Einfluss der Temperatur

auf die relative Feuchtigkeit ist bekannt. Angenommen, die relative Luftfeuchtigkeit und der

Umgebungsdruck bleiben konstant und die Lufttemperatur schwankt zwischen +10°C und

+70°C (was hinter Glas und auf der Südseite in der Praxis gemessen wurde), so bedeutet

dies Schwankungen der Wasserdampfanteile in der Luft von 0,9 Vol.% bis 24,7 Vol.%, wie

Tabelle 2 zeigt. Dadurch ändert sich auch der für das Verfahren so notwendige

Sauerstoffgehalt.

Bei ca. 8°C Temperaturerhöhung kann der Taupunkt bis 3,5°C höher ansteigen, als dies die

Berechnung im Anhang aufzeigen. Eine gut eingestellte Taupunktregelung kann das

ausgleichen. Dagegen hat die Veränderung des Wasserdampfanteils keinen Einfluss auf die

Volumenanteile von Kohlenmonoxid.

37

Temperatur in °C

Wassergehalt x

Volumen % H20

Volumen % O2

Volumen % N2

10 0,00608 0,964 20,53 78,50

20 0,01168 1,837 20,35 77,81

30 0,02153 3,332 20,04 76,62

40 0,03337 5,8 19,53 74,67

50 0,06709 9,702 18,72 71,58

60 0,11609 15,79 16,85 67,35

70 0,20301 24,67 15,07 60,23

Einfluss der Lufttemperatur auf den Volumenanteil des Wasserdampfes in der angesaugten Luft bei einem Druck p = 1.013 bar und einer relativen Luftfeuchte ρ = 0,8

Tabelle 2

Den Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit auf die Zusammensetzung der Verbrennungsluft

bei konstanter Temperatur 32°C zeigt Tabelle 3. Die Differenz zwischen dem minimalen

und maximalen Wert für den Wasseranteil in der Luft liegt hier bei 1,16 %. Der

Sauerstoffgehalt ändert sich kaum. Der Einfluss schwankender Luftdrücke ist

vernachlässigbar gering.

% relative Luftfeuchtigkeit

Wassergehalt X

Volumen % H20

Volumen % O2

Volumen % N2

20 0,005891 0,94 20,54 78,52

25 0,007381 1,17 20,49 78,34

30 0,008878 1,40 20,44 78,15

35 0,01038 1,63 20,39 77,97

40 0,01189 1,87 20,34 77,79

45 0,01341 2,10 20,30 77,60

Einfluss der Lufttemperatur auf den Volumenanteil des Wasserdampfes in der angesaugten Luft bei einem Druck p = 1.013 bar und einer relativen Lufttemperatur υ = 32°C Tabelle 3

38

Zusammenfassung: Es muss alles versucht werden, die Temperaturschwankungen am

Luftansaugstutzen so gering wie möglich zu halten. Mit diesen

Schwankungen verändert sich der Volumenanteil vom Wasser in der

Luft und es gibt Veränderungen im Gas-Luft-Gemisch. Zugluft,

Öffnen und Schließen von Türen, Erwärmung hinter Glasscheiben,

Abgase von Staplern und ähnliches sind Störgrößen und können

vermieden werden, wenn auf den richtigen Aufstellungsort der

Generatoren geachtet wird. Wenn mit großen Schwankungen zu

rechnen ist, kann der Luftansaugstutzen auf den Generator gelegt

werden, wo fast immer die gleiche Temperatur herrscht.

D IE HEIZ R AUM TEM PER ATUR

Es wurde bereits der Einfluss schwankender Temperaturen auf Endogaszusammensetzung

aufgezeigt. Diesen Einfluss, aus der Thermodynamik gesehen, lassen die Bilder 18 und 19

deutlich erkennen. Nach Bild 18 zerfällt mit fallender Temperatur Kohlenmonoxid (CO)

unter Kohlenstoffabgabe C zu Kohlendioxid (CO2). Mit steigender Temperatur verläuft der

umgekehrte Vorgang, wobei aus CO2 und C wieder CO entsteht. Die Kurve selbst gibt den

Gleichgewichtszustand an.

Bild 18: Die Boudouardsche Reaktion CO2 + C ⇔ 2 CO

39

Bei dem homogenen Wassergasgleichgewicht handelt es sich, wie bereits beschrieben, um

eine exotherme Reaktion. Es wird Wärme frei. Nach dem Prinzip von Le Chatelier werden

exotherme Reaktionen durch Temperaturerniedrigung gefördert, d. h. dem System wird

Wärme entzogen und damit Raum für neue Wärmebildung gegeben. Umgekehrt heißt dies,

dass sich mit steigender Temperatur der Reaktionsablauf des Gleichgewichts von rechts

nach links verschiebt, CO2 und H2 sinken, CO und H2O steigen.

Bild 19: Die Methangas Reaktion CH4 ⇔ 2 H2 + C

Das bestätigt auch Bild 20. Es ist zu erkennen, dass mit steigender Temperatur der

Umsetzungsgrad kleiner wird. Dies bedeutet, es reagiert weniger Wasser mit CO zu CO2.

Das Gemisch ist bei höheren Temperaturen feuchter als bei niedrigen. Bei Erhöhung der

Spalttemperatur muss der Taupunkt auch erhöht werden, um den gleichen CO2-Wert zu

behalten.

40

Bild 20

Fazit: Die Temperatur muss über die gesamte Retortenlänge möglichst konstant sein,

damit genügend Zeit zur Einstellung des Gleichgewichtes gegeben ist. Einen

negativen Effekt haben Temperaturschwankungen und niedrigere Temperaturen am

Anfang und Ende der Retorten. Es kommt zu einer Rückreaktion

2 CO � CO2 + C

C als freier Kohlenstoff, der in Form von Russ entsteht. So bekommt die Art der

Beheizung für die Qualität eine weitere Bedeutung.

41

D IE GASKÜHL UNG

Damit bei Raumtemperatur das Endogas die gleiche Zusammensetzung wie beim

Verlassen des Katalysator behält, muss es schneller abgekühlt werden als die Kinetik für

die Rückreaktion 2 CO � C + CO2 benötigt (Boudouard-Reaktion). Nach Bild 18 hört diese

Reaktion bei ca. 400°C auf (deshalb gibt es unter diese Temperatur auch keine Abkohlung).

Diese Temperatur muss so schnell wie möglich erreicht werden. In den meisten

Generatoren befindet sich nach der Retorte ein Wasserkühler. Der Übergang vom heißen

Katalysator zum Kühlbereich muss konstruktiv gut gelöst werden, sonst bildet sich hier

Russ, der sich dann in den nachfolgenden Rohrleitungen und Geräten ablagert und dabei

auch langsam die Kühlerleistung herabsetzen kann. Die Kühler werden frühzeitig zerstört.

Auf Einzelheiten der Kühlerkonstruktionen wird nicht näher eingegangen. Sie werden von

verschiedenen Parametern beeinflusst und sind in ihrer Art sehr unterschiedlich.

Je höher der Taupunkt /CO2 eingestellt ist je später beginnt die Russbildung.

Siehe Anhang A4.

Um die Temperatur von 400°C schnell zu erreichen, ist auch der Einsatz guter Luftkühler

möglich, Bild 21. Der Nachteil liegt nur darin, dass die nachfolgenden Rohrleitungen zu

warm werden und Verbrennungsgefahr für das Personal besteht, es sei denn, die Leitungen

liegen außerhalb des Gefahrenbereiches.

Bei Wasserkühlung ist darauf zu achten, dass die Temperatur des Kühlwassers nicht zu kalt

ist, nach Möglichkeit mind. 10 K über Taupunkttemperatur. Es besteht die Gefahr, dass der

Wasserdampf im Endogas sich als Wasser niederschlägt. Dieses Wasser wird vom

Endogas aufgenommen und die Taupunktmessung wird falsch. Wird Wasser festgestellt,

was nicht immer einfach ist, muss die automatische Taupunkt-Regelung abgeschaltet

werden bei gleichzeitiger Erhöhung der Kühlwassertemperatur. An der tiefsten Stelle im

Rohrsystem muss das Wasser abgelassen werden. Vorsichtig: Gleichzeitig kann Endogas

mit ausströmen. Nach diesen Maßnahmen trocknet das Rohrsystem von selbst. Mit einem

Spiegelmessgerät, welches den realen Taupunkt anzeigt, lässt sich das Ende des

Trocknungsprozess feststellen. Bei der Spiegelmessmethode handelt es sich um die einzige

direkte Messung. Anschließend ist die automatische Taupunkt-Reglung wieder

einzuschalten.

42

Das gleiche Problem tritt ein, wenn ein Wasserkühler undicht wird und Wasser in kleinen

Mengen in den Gasstrom eintritt. Nur ist dies schwer erkennbar. Es erhöht sich der

Taupunkt. Bei automatischer Reglung fährt die Luft zu und die Russgrenze ist schnell

erreicht. Feststellbar ist dies durch die Kontrollmessung von CO2. Es gibt eine Abweichung

zu den korrespondierenden Werten. Das zu erkennen setzt Erfahrung voraus. Regelmäßige

Kontrolle des Taupunktes vor und nach dem Kühler ist die beste Methode, denn die Werte

müssen gleich sein. Hohe Menge Wasserdampf im Gasraum reagiert mit dem Russ, der

sich als feste Masse oft im Kühler festsetzt.

Bild 21: Die Luftkühlung

D IE ABG ASF ÜHRUNG BEI DER GASBEHEI Z UNG

Wenn die heißen Abgase nach oben zum Schornstein geleitet werden, bedeutet dies, dass

während die Brenner abgeschaltet sind, heiße Luft nach oben entweicht. Es kommt keine

Wärme nach und besonders bei der Heizung nach Bild 6 und Bild 7 kühlt der untere

Bereich stark ab. Das heißt, selbst kleine Temperaturschwankungen bedeuten eine große

Änderung der übertragbaren Wärmestromdichte (Tabelle 4). Die Abgasführung soll zum

Boden gelegt werden.

43

Wandtemperatur der Retorte Ty

Brennraumtemperatur Tu

Wärmestromdichte q

1000°C = 1273 K 1010°C = 1283 K 4734 Watt / m²

1000°C = 1273 K 1020°C = 1293 K 9580 Watt / m²

1000°C = 1273 K 1030°C = 1303 K 14540 Watt / m²

1000°C = 1273 K 1040°C = 1313 K 19615 Watt / m² Einfluss von Temperaturschwankungen im Brennraum auf die übertragene Wärmestromdichte q [ψ=1 und σ=5,67E - 8 W / (m * K)

Tabelle 4

Bei dem offenen Brenner, Bilder 7 und 8, schaltet in der AUS-Stellung meistens nur das

Gas ab. Die Luft strömt weiter zum Schutz der Brennerdüsen. Es kommt zu

Temperaturschwankungen. Der Einsatz vollkeramischer Brenner erlaubt es, auch die Luft

abzuschalten.

Bei der elektrischen Beheizung ist der Ofen geschlossen. An der Decke im Eintrittsbereich

vom kalten Gas-Luftgemisch gibt es einen Hitzestau der heißen Luft. Die Luft sinkt aber

wieder langsam nach unten. Dadurch wird eine gleichmäßige und konstante

Temperaturverteilung über die gesamte Höhe der Retorte erreicht.

Fazit: Die wesentlichen Einflussgrößen auf die Qualität des Endogases sind:

1. die Zusammensetzung des Brennstoffes (Gas) für die Gaserzeugung

2. die Zusammensetzung der angesaugten Luft

3. eine konstante und gleichmäßige Temperatur über die Höhe der Retorte

4. eine richtig ausgelegte Gasabkühlung

5. eine optimierte Taupunktreglung

44

MESSEN UND REGEL N

Wie sich das Endogas zusammensetzt ist unter dem Kapitel Erdgas und Bild 15 aufgezeigt.

Um die Qualität des Gases zu sichern, ist Messen und Regeln erforderlich. Wenn die o. g.

Einflussgrößen sich nicht verändern, wird der Generator immer konstantes Gas erzeugen,

je nach Luftzahl mit mehr oder weniger Russbildung. Aber die Realität sieht anders aus. Es

wird immer zu Schwankungen bei den Einflussgrößen kommen. Diese müssen rechtzeitig

erkannt und durch eine Regelung ausgeglichen werden. Die Werte CO und H2, die das

Fundament des Schutzgases darstellen, werden sich nicht messbar verändern. CH4,

Restmethan, kann ansteigen, wenn der Katalysator in seiner Aktivität nachlässt. CO2 ändert

sich mit der Veränderung des Taupunkts. Für alle diese Gaskomponenten gibt es

Messgeräte auf dem Markt.

Bild 33: Spiegelmessgerät

Am Generator selbst wird der Taupunkt gemessen und geregelt.

45

Bevor mit dem messen begonnen wird gilt es zuerst festzulegen, mit welcher Luftzahl das

Gemisch eingestellt werden soll. Die theoretische Luftzahl kommt nicht in Frage. Aus den

Berechnungsbeispielen im Anhang ist erkennbar, dass mit steigender Luftzahl auch CO2

und der Wasseranteil, gemessen in Taupunkt (Tp), ansteigen. In der Praxis hat es sich

bewährt, Luftzahlen zwischen ca. 0,256 und 0,271 einzustellen (gilt für Erdgas). Das

entspricht ca. 2,54 m3 bis 2,60 m3 Luft pro m3 Erdgas. Daraus ergeben sich folgende

Verbrennungswerte: CO2 0,3 Vol.% bis 0,43 Vol.%, Taupunkt +4,4°C bis +9,4°C. Für

andere Rechenbeispiele ergeben sich geringfügig andere Luftzahlen für die gleichen CO2-

und Taupunktwerte.

Bei der ersten Inbetriebnahme des Generators werden diese Werte durch die Einstellung

von Gas und Luft an den Mengenmessern so genau es geht eingestellt. Das Regelventil in

der Bypassleitung für Luft (oder auch für Gas) muss in einer Mittelstellung stehen und die

Regelung auf „Hand“ (Schalter am Steuerschrank). Dabei darf man sich aber auf die

Mengenmesser nicht unbedingt verlassen. Mit einer Toleranz in der Anzeige muss immer

gerechnet werden. Die Abweichungen können bis 20 % betragen. Die erste Einstellung mit

etwas mehr Luft kann nicht schaden, da das zum anfangs erzeugte Schutzgas sicher

abfackelt. Am entsprechend vorgesehenen Messstutzen nach dem Kühler kann jetzt mit

tragbaren Messgeräten die Gaszusammensetzung gemessen werden. In Frage kommen

Geräte für CO2 mit kleinem Messbereich und/oder der Taupunkt. Diese Geräte gibt es auf

dem Markt und gehören zu jeder Inbetriebnahme und zur Wartung der Anlage. Für eine

eventuelle Fehlersuche ist es sinnvoll auch vor dem Kühler zu messen, bei mehreren

Retorten für jeden Gasstrang.

D IE MESSMETHODEN ZUM REG EL N

Aktiv kann nur gemessen werden, was auch im Gas vorhanden ist; das sind wie o. g. CO2

und das Wasser (Taupunkt). In den Berechnungsdiagrammen ist der wesentlich größere

Anstieg der Taupunkttemperatur gegenüber dem CO2-Gehalt deutlich erkennbar. 2°C

Veränderung im Taupunkt ergeben nur eine CO2-Verschiebung von 0,042 Vol.%. Damit

lässt sich eine Veränderung im Taupunkt besser ausregeln.

46

Alte Generatoren haben oft keine Messgeräte. Nachfolgende Generatoren werden kaum

noch über Lithium-Chlorid-Fühler geregelt. Ein beheizter Fühler wird mit der LiCl-

Salzlösung getränkt. Diese Lösung nimmt von dem vorbeiströmenden Messgas die

Feuchtigkeit auf. Je nach Wassergehalt ändert sich die Leitfähigkeit der Salzlösung, die

dann in einem Messgerät in Taupunkt umgeformt und an einen Regler mit Taupunkt-

Eichung weitergeleitet wird.

Einige Hersteller haben, oft auf Wunsch des Betreibers, die CO2-Messmethode angewandt.

Infrarot-Messgeräte können die Komponente direkt messen und das Signal über einen

Regler verarbeiten.

Ganz selten kommt die direkt messende Spiegelmethode für die Taupunktregelung zum

Einsatz. Die genannten drei Messarten haben ihre Vor- und Nachteile. Einen Nachteil

haben sie gemeinsam: Das Messgas muss nach den Kühlern über Schläuche zum

Messgerät strömen. Je nach Länge der Schläuche kann es Problemen mit Stör- und

Regelgrößen geben, denn lange Totzeiten führen zu einer sehr langsamen Veränderung

der Regelgröße. Dann kommt es zu Schwankungen in der Gaszusammensetzung. Auch

Wasser (Kondensat) in den Schläuchen und Rohrleitungen verfälschen das Messergebnis.

Der Wartungsaufwand darf nicht vergessen werden, verbunden mit einer regelmäßigen

Kontrollmessung.

Für Kontrollmessungen und Service sollte ein tragbares, direkt den Taupunkt anzeigendes

Messgerät vorhanden sein.

Neue Generatoren werden heute hauptsächlich mit der Lambda-Sonde nach einer ganz

anderen Art geregelt. Die beheizte Sonde kann nach den Kühlern in einer Messkammer

neben der Gasleitung installiert werden. Eine kleine Menge Endogas, ca. 50 l/Std.

durchströmt die Messkammer mit druckloser Abströmung ins Freie. Sinnvoll ist, wie auch

bei den anderen Messmethoden, einen Kleinstmengenmesser vor der Messzelle

vorzusehen. Die Messzelle kann überall mit ganz kurzen Gaswegen angebracht werden.

Das ergibt sehr kurze Reaktionszeiten. Aufbau und Funktion, siehe Bild 22. Das

Ausgangssignal dieser Sonde ist kein Taupunkt oder CO2 sondern mV. Die Spannung

ergibt sich aus der Gaszusammensetzung nach dem Generator und der Temperatur der

beheizten Sonde. Schon geringe Veränderungen des realen Taupunktes oder von CO2

verändern die Ausgangsspannung bei konstantem CO. Ein direkter Einbau in die

Hauptgasleitung ist möglich. Es kann aber zu Messfehlern führen, wenn sich die Gasmenge

47

ändert. Der Ausbau während des Betriebes (z. B. für eine Reinigung) erfordert zusätzliche

Maßnahmen.

Auf die genaue Beschreibung des Messsystems und die Regelparameter mit der Lambda-

Sonde wird nicht weiter eingegangen.

Bild 22: Schema Lambda-Sonde

Da der Praktiker wenig mit mV anfangen kann, haben alle Regler ein Programm hinterlegt,

das die Eingangsspannung nach Wunsch in Taupunkt oder CO2 umrechnet und zur

Regelung verwendet. Die Werte am Regler sind also keine Echtmessung, sondern nur

umgerechnete Werte. Die Eineichung am Regler erfordert unbedingt eine

Vergleichsmessung der echten Werte, wie bereits vorher genannt (siehe Berechnung im

Kapitel Anhang). Der Regler kann auch für C-Pegel ausgelegt sein. Das ist aber wenig

sinnvoll, da es hierfür keine direkte Vergleichsmessung gibt.

48

Das mV-Signal kann sich unabhängig von der Gaszusammensetzung nachteilig ändern,

wenn am Einbauort der Sonde die Temperaturen schwanken, z. B. jahreszeitlich bedingt,

durch Luftzug oder durch offene Tore und Fenster. Der Sondenheizung wird Wärme

entzogen. Auch die Messgasmenge muss konstant bleiben, damit sich die Temperatur an

der Sonde durch zu starke Strömung nicht verändert. Der Aufstellungsort des Generators

sollte danach ausgewählt werden oder die Messkammer ist vor den Einwirkungen zu

schützen.

Beim Einfahren des Generators muss neben dem Taupunkt als Regelwert gleichzeitig CO2

gemessen werden oder umgekehrt. Die Werte sollten mit den Berechnungen ungefähr

übereinstimmen. Man kann auch mit einem zweiten unabhängigen Messgerät eine

Kontrollmessung durchführen. Erst wenn alle Messungen übereinstimmen, kann man von

einer richtigen Messung ausgehen. Hat sich der Generator nach dem Einfahren durch

Korrekturen an den Stellorganen auf den gewünschten Regelwert stabilisiert, darf die

Regelung auf „Automatik“ (Schalter am Steuerschrank) gestellt werden. Kommt es zu einer

Abweichung vom Sollwert, so wird mit Hilfe des Regelventils in der Bypassleitung das Gas-

Luftverhältnis korrigiert. Ist der Taupunkt (oder CO2) zu hoch, ist das Gemisch zu mager,

das Regelventil für Luft fährt „ZU“ (bei Regelung in der Gasstrecke muss es auffahren). Bei

Abweichungen zu einem niedrigeren Taupunkt oder CO2 ist der Vorgang umgekehrt.

Die Luftmenge, die durch das Bypassventil das Gas-Luftverhältnis korrigiert, muss begrenzt

sein, damit das Verhältnis nicht zu stark ins Schwanken gerät. Dazu einige Zahlen: Für

100 m3/Std. Endogas sind ca. 50 m3/Std. Luft notwendig. Für die Veränderung des

Taupunktes von 5,2°C auf 10,3°C darf die Luftmenge nur um 1,2 m3 erhöht werden. Da

durch kurzfristige Veränderungen in der Gaszusammensetzung oder in der Luft größere

Korrekturwerte erforderlich werden, sollte die Luftmenge auf 4 m3 ± 2 m3 von der

Mittelstellung begrenzt sein.

Die Kennlinie des Regelventils muss für die jeweils vorgesehene Leistung berechnet sein.

Bewährt hat sich eine Stellzeit von 3 Sekunden und eine Ruhezeit von 1,5 bis 2 Minuten.

Diese Zeiten werden benötigt, damit sich die Veränderungen stabilisieren können. Wichtig

sind auch die Parameter der Regler und die Betriebsanweisung der Hersteller zu beachten.

49

Wie bereits erwähnt, hat die Taupunktregelung den Vorteil, dass man mit ihr eine sehr

genaue Einstellung des Gas-Luftverhältnisses vornehmen kann, weil eine große Änderung

des Wasserdampfanteils nur eine geringe Veränderung des CO2-Gehaltes zur Folge hat.

Taupunkt (und/oder CO2) und die Heiztemperatur sollten auf einem Schreiber oder einem

anderen Erfassungssystem festgehalten werden. So sind Veränderungen rechtzeitig

erkennbar, eventuell sogar mit automatischer Grenzwertmeldung.

Hinweis für die Praxis

Jedes Regelsystem ist mit Fehler behaftet und altert. So können beim Regeln über

Taupunkt oder CO2, gleich nach welchem System, Veränderungen in den Messwertgebern

auftreten (siehe Kapitel Fehler und Ursachen), die oft zu spät bemerkt werden. Deshalb ist

es wichtig regelmäßig alle Gaskomponenten zu überprüfen.

D IE MENG ENREGEL UNG

Der Generator ist für eine normale Menge ausgelegt, die nicht überschritten werden sollte

(Gasqualität). Es kommt jedoch in vielen Anwendungen vor, dass die volle Menge nicht

benötigt wird. Es wäre aus Kostengründen schade, wenn das überschüssige Gas abfackelt

(wie man es oft sieht). Deshalb soll man die Möglichkeit nutzen und die Menge auf den

erforderlichen Bedarf einstellen. Kommt eine Mengenveränderung selten vor, reicht es aus,

die Leistung von Hand zu reduzieren, z. B. an Wochenenden oder wenn ein Verbraucher

abgestellt werden soll. Wie das geschieht und wie weit gedrosselt werden kann sagt die

Betriebsanleitung. Möglich sind 30 % bis 50 % der maximalen Menge je Retorte. Das

bedeutet zum Beispiel bei einer Leistung von 100 m3/Std. kann zuerst eine Retorte

abgestellt werden. Dann werden nur 50 m3 erzeugt und diese nochmals um 50 % reduziert,

bedeutet nur noch 25 m3/Std. Dafür ist der Eingriff von Hand sinnvoll. Meistens werden ein

bis zwei Festwerte für die Menge Gas und Luft vorher auf den Mengenmessern markiert.

Verdichter und das Rohrsystem müssen dafür ausgelegt sein. Sind Generatoren an eine

Versorgungsleitung angeschlossen, über die mehrere Verbraucher versorgt werden, so

kann es vorkommen, dass die Mengenveränderung häufiger notwendig wird. Dann lohnt

sich eine automatische Mengenregelung.

50

Das Bild 26 zeigt eine technische Lösung. Steigt der Druck in der Verteilerleitung über

einen Sollwert, dann gibt ein Druckgeber den Impuls, die Menge zu reduzieren, bis dieser

Sollwert wieder erreicht ist. Ist der Sollwert zu niedrig, weil ein Ofen mehr Gas braucht,

dann wird die Menge erhöht. Das Problem liegt darin, dass in jeder Mengeneinstellung das

Gas-Luftverhältnis sich nicht verändern darf. Zwei Möglichkeiten werden aufgezeigt

(Bild 27).

Bild 26: Schematische Darstellung einer automatischen Mengenregelung

Bild 27: Automatische Mengenregelung über 3-Wegeventil

51

Nach dem Verdichter muss immer ein konstanter Gegendruck vorhanden sein. Dieser

Gegendruck bewirkt auf der Saugseite die gleichen Saugdrücke, so dass in jeder Stellung

das gleiche Gas-Luftverhältnis vorhanden ist. Der konstante Gegendruck wird durch ein

Drei-Wegemotorventil erreicht, das z. B. bei der Mengenreduzierung den Weg zu den

Retorten schließt und den Umlaufweg öffnet. Dabei handelt es sich um keine

Standardventile. Es sind Sonderanfertigungen nach anlagenspezifischen Vorgaben.

Eine andere Lösung zeigt Bild 28. Nach dem Verdichter wird über ein Motorventil ein Teil

des Gas-Luftgemisches über Kühlrohre zurück auf die Ansaugseite gefördert. Soll die

Menge reduziert werden, öffnet das Ventil, zur Mengenerhöhung fährt es zu. In die

Gasleitung wird ein Verhältnisregler eingebaut, der von einem Differenzdruck in der

Luftleitung angesteuert, die Gasmenge der Luftmenge anpasst. Die Einstellung ist diffizil,

das gilt besonders für die Blendenberechnung auf der Luftseite. Unruhige Schwebekörper-

Durchflussmesser und schwankender Vordruck beeinflussen die Taupunkt- und CO2-Werte

durch schwankende Druckdifferenzen am Verhältnisregler. Zu beachten ist, dass es sich

hier um Unterdrücke handelt.

Bild 28: Automatische Mengenregelung über Stellmotor

52

Für beide Lösungen gilt, dass die Mengenverstellung in kleinen Schritten erfolgen soll.

Bewährt hat sich ca. 5 m3 Luft je Schritt. Die Pause zwischen den Schritten richtet sich

danach, wie schnell die Taupunktregelung eventuelle Abweichungen ausregeln kann.

Über den Einsatz drehzahlgeregelter Verdichter liegen noch keine Erfahrungen vor. Sollten

mehrere Generatoren an einer Versorgungsleitung angeschlossen sein, wird nach jedem

Generator ein Regler zur Druckkonstanthaltung notwendig.

AUSBRENNEN UND REG ENERIEREN

Beide Vorgänge sind unterschiedlich zu sehen, und trotzdem stehen sie in einem engen

Zusammenhang und laufen fast gleichzeitig ab. Das eine bedeutet Beseitigung von Russ

auf den Katalysatoren bei gleichzeitiger Aktivierung der Ni-Oberfläche durch Luft.

Die Bildung von Russ lässt sich nicht vermeiden. In Bild 16 wird erkennbar, dass der

Arbeitsbereich für die Endogaserzeugung in einem schmalen Streifen liegt und sehr nahe

an der Russgrenze ist. Selbst bei optimaler Einstellung, Taupunkt +8°C, CO2 0,42 Vol.%,

fallen ca. 0,01 g Russ pro m³ an. Dies ist eine Beobachtung aus der Praxis.

Zu verstärktem Russanfall kommt es bei einer ungünstigen Gemischeinstellung, schlechter

Regelung oder ungleichmäßiger und schwankender Temperatur über die Länge der

Retorte. Der Russ lagert sich an der Oberfläche der Katalysatoren ab, die dadurch inaktiv

werden. Eine Verrußung macht sich zuerst in der Gasqualität bemerkbar, siehe auch Kapitel

Messen und Regeln. Der Taupunkt lässt sich nicht mehr regeln. Auch der Druckanstieg vor

der Retorte kann dafür ein Indiz sein. Nach der Retorte darf sich der Druck nicht verändern.

Sollte er auch hier ansteigen, hat sich im nachfolgenden Rohrsystem ein Widerstand

aufgebaut.

Der Russ am Katalysator lässt sich durch vorsichtiges Ausbrennen wieder beseitigen.

Vorsichtig deshalb, weil der Russ mit Luft hohe Temperaturen erzeugt, die den Katalysator

und die Retorte zerstören können. Um solche Beschädigungen durch Überhitzungen zu

vermeiden, wird die Temperatur auf ca. 850°C abgesenkt. Dann kann eine geringe Menge

Luft in die Retorte eingeleitet werden, je nach Größe der Retorten ca. 0,5 bis 2 m3/h. Die

Luft verbrennt den Russ zu CO und dann zu CO2. Dabei ist zu kontrollieren, ob die

Temperatur im Heizraum ansteigt (Regenerationsdauer ca. 1 bis 2 Stunden). Anweisung

53

des Herstellers sind zu beachten. Der Russ nach der Retorte lässt sich durch Ausbrennen

nicht beseitigen.

Bei diesem geschilderten Verfahren wird die erforderliche geringe Luftmenge meistens

durch den Verdichter erzeugt. Das bedeutet, es wird in die Gemischeinstellung eingegriffen,

mit anschließender Neueinstellung. Das Abkühlen auf 800°C, das Aufheizen und das

Neuanfahren bedeutet einen gewissen Zeitaufwand. Bei neuen Anlagen ist es automatisiert.

Auch hier gilt die Hinweise des Herstellers zu beachten.

Eine andere Lösung ist der Einsatz externer Luft, z. B. druckreduzierte Steuerluft. Über

Magnetventile und Mengenmesser wird diese Luft bei abgeschalteter Gaserzeugung in die

Retorten eingespeist. Bei einer Luftmenge von ca. 200 l/Std. bis 400 l/Std. ist das Absenken

der Temperatur nicht erforderlich. Auch dieses Verfahren lässt sich gut automatisieren. Es

kann angewandt werden, wenn über das Wochenende die Gaserzeugung abgestellt und die

Generatoren so wie so auf Temperatur bleiben.

Eine weitere Möglichkeit der schonenden Ausbrennung und Regenerierung besteht darin,

dass Gas-Luftverhältnis zu verändern, hin zu einer höheren Luftmenge. Dieser Vorgang

dauert länger und bedarf einer genauen Regelung, denn zuviel Luft erhöht den Taupunkt

und CO2 und es besteht die Gefahr, dass Wasser in den Rohrleitungen ausfällt (siehe

Kapitel Gaskühlung). Sinnvoll ist diese Methode wenn hierfür das Wochenende genutzt

werden kann und die Generatoren weiter Gas erzeugen.

Außerdem besteht die Möglichkeit die Öfen mit diesem Gas über das Wochenende zu

versorgen, wobei auch im Ofen vorhandener Russ verringert werden kann. Es kann

manchmal das Ausbrennen der Öfen überflüssig machen, da der erhöhte Taupunkt und

CO2 den Russ im Ofen „aufzehrt“. Die Luftmengenerhöhung lässt sich auch mit der oben

geschilderten Drucklufteinspeisung gut kombinieren. Das Ausbrennen mit Luft hat noch

einen weiteren Effekt: an der Oberfläche des Katalysators bildet sich neues aktives

Nickeloxid, wie bereits geschildert.

Eine häufig gestellte Frage ist: Wie oft muss ausgebrannt werden?

54

Die Häufigkeit des Ausbrennens und Regenerierens richtet sich nach den oben genannten

Betriebswerten, wie die Einstellung des Gas-Luftgemisches (Taupunkt), der

Regelgenauigkeit und dem Temperaturprofil innerhalb des beheizten Ofens. Sie kann

zwischen einer Woche und einem halben Jahr liegen. Je schonender der Vorgang abläuft je

länger ist die Standzeit der Retorten und des Katalysators. Es wird von 3 bis 4 Jahren und

mehr berichtet.

Bringt das Ausbrennen keinen Erfolg, was eine Gasmessung bestätigt, muss der

Katalysator ausgetauscht werden. Bei einer neuen Füllung soll generell mit einem mageren

Gemisch, d. h. mit etwas mehr Luft, angefahren werden. Das dient dazu, zu Beginn den

Katalysator zu aktivieren, um eine frühzeitige Russbildung zu vermeiden und um eventuelle

Feuchtigkeit herauszuspülen.

RUSSFI L TER

Es lässt sich nicht vermeiden, dass bei der Endogasherstellung Russ ausfällt. Soweit er

nicht im Katalysator hängen bleibt, wird er bei kurzen Rohrleitungen zwischen Generator

und Ofen mit der Gasströmung in den Ofen gespült. Kritisch sieht es aus bei geringen

Strömungsgeschwindigkeiten, langen Rohrleitungen und vielen Stell- und Regelorganen im

Rohrsystem. Hier werden dringend Russfilter empfohlen. Sie sollen unmittelbar nach den

Kühlern angeordnet sein. Welche Ausführung in Frage kommt, richtet sich nach dem Preis

und der vorhandenen Fläche zur Aufstellung. Es können umschaltbare Doppelfilter sein

oder mit Umgehungsleitungen, damit ohne Betriebsunterbrechung eine Reinigung möglich

ist. Auf alle Fälle sollten die Filter nach dem Sicherheitsabblasregler installiert werden, damit

im Falle einer nicht rechtzeitig bemerkten Verstopfung kein Überdruck im Generator

auftreten kann. Eine Verstopfung lässt sich erkennen, wenn vor und nach den Filtern der

Druck durch Manometer abgelesen werden kann. Eine automatische Überwachung ist

möglich.

55

FEHLER UND STÖRUNG EN BEI BETRIEB , VERF AHRENSTYPI SCH

Wasser im Endogas

- undichte Kühler

- Taupunkt höher als die Temperatur des Kühlwassers (Gemisch zu mager)

- Kühlwasser zu kalt, besonders im Winter

- Siehe Kapitel Gaskühlung

Taupunktregelung arbeitet nicht

Meistens erkennbar, wenn der Ist-Wert am Regler oder Schreiber sich nicht verändert

- Messgasleitung verstopft

- Messgasfühler arbeitet nicht, verrußt

- Wasser im Meßsystem

- Katalysator verrußt oder inaktiv

- genaue Ursache durch Parallelmessungen feststellen

- Grundeinstellung (Gas/Luft) überprüfen

Leistung geht zurück

- Russfilter oder Siebe vor Magnetventilen verstopft, erkennbar, wenn der Druck

nach den Kühlern steigt

- Russ im Katalysator, erkennbar, wenn der Druck vor den Retorten steigt, aber

nicht nach den Kühler, siehe auch Fehler in der Taupunkt-Regelung

56

Gas brennt aus der Abfackelung

- reduzierte Gasabnahme aus dem System oder Verstopfung der Rohrleitung/Filter

Schnelle Verrußung

- zu wenig Luft, Gemischregelung arbeitet nicht einwandfrei

- Luftfilter verschmutzt

- Taupunktregelung nicht in Ordnung, siehe oben

- Erdgaszusammensetzung hat sich verändert bei konstantem Heizwert

- Rückbildung durch zu langsame Abkühlung, Kühler verschmutzt

- frühzeitiger Gaszerfall am Gaseintritt, ungünstige Strömungsverhältnisse

- Spalttemperatur zu niedrig, Temperaturregelung überprüfen

- Wenn bei voller Leistung das Gas-Luftgemisch den Katalysator am Eintritt abkühlt

verringert sich die exotherme Reaktion, CH4 spaltet Russ ab. Da dieser Russ

nicht so schnell wieder zu CO durch O2 abgebunden werden kann, wird der

Sauerstoff mehr H2O bilden, der Taupunkt steigt, die Luft wird reduziert und es

herrscht Luftmangel, der die Verrußung fördert. Deshalb kommt der Beheizung,

wie bereits erwähnt, eine besondere Rolle zu. Spalttemperatur erhöhen oder

Leistung reduzieren.

- Wasser, welches nicht prozessbedingt entstanden ist (undichte Wärmetauscher)

in den Gasleitungen

Mechanische und elektrische Störungen werden hier nicht erwähnt.

57

D IE ARBEI TSSI CHERHEI T

Die Herstellung und der Betrieb der Endogasgeneratoren sind in der

EN 746 – Teil 3

vorgegeben. Sie finden ihren Niederschlag in den Betriebsanleitungen der Hersteller und

werden deshalb hier nicht aufgezeigt. Diese EN sollte in jedem Betrieb vorhanden sein,

denn sie gilt auch für den Betrieb von Ofenanlagen mit Schutzgas.

Das Endogas selber ist wegen der Komponente CO sehr giftig. CO und H2 bilden mit Luft

ein hochexplosives Gemisch. Die Bedienung, Überwachung und Wartung darf nur

geschultem Personal übertragen werden. Das Gas-Luftgemisch für die Spaltung liegt weit

außerhalb der Explosionsgrenze. Es muss daher alles konstruktiv so gestaltet sein, dass

sich kein explosives Gemisch bilden kann. Sollte es trotzdem einmal vorkommen, müssen

Rückstromeinrichtung und Flammenlöscheinrichtungen Schäden verhindern. Es ist darauf

zu achten, dass die Eintrittsgeschwindigkeit in die Retorte größer ist als die

Zündgeschwindigkeit. Bei Gasmangel muss der Generator sofort abschalten, damit keine

Luft in das Rohrsystem gelangen kann.

Den Umgang mit dem Katalysator regelt das Sicherheitsdatenblatt (siehe Anhang).

58

ÄHNLICHE VERF AHREN

Es gibt Öfen, die nur wenig Endogas benötigen und wo sich daher die Anschaffung eines

Generators nicht lohnt. Das sind z. B. Kammer- oder Förderbandöfen zum Glühen oder

Aufkohlen, Bild 29. Auf diesen Öfen wird eine kleine, elektrisch beheizte Retorte angebaut.

Das Verfahren ist das gleiche. Nur strömt das fertige Gas direkt mit 1000 °C in den Ofen,

wo es sofort auf Ofentemperatur abkühlt. Das Wiederaufheizen des Schutzgases wird

gespart. Eine Regelung ist schwer möglich und wenn, dann nur mit großem Aufwand. Über

Gasqualität, die Standzeit der Retorten und des Katalysators gibt es in der Praxis

unterschiedliche Aussagen und Erfahrungen.

Bild 29: Ofen mit aufgesetzter Retorte

Eine andere Anwendung erfolgt bei Ofen mit einer Ofenraumtemperatur über 1000°C, z. B.

bei Hartlöt- und Sinteröfen. Hier sind die Retorten direkt im Ofen eingebaut, (Bild 30 und

31). Je nach Ofenbauart ist ein waagrechter oder senkrechter Einbau der Retorten möglich.

Der senkrechte Einbau beschränkt die Einbaulänge durch die Ofenhöhe. Deshalb findet

man meistens vier Retorten eingebaut. Es empfiehlt sich hier, jede Retorte über einen

eigenen Mengenmesser zu versorgen, damit das Gas gleichmäßig verteilt wird. Sonst

kommt es zu frühzeitigen Zerstörungen einzelner Retorten und Katalysatoren.

59

Bild 30: Ofen mit eingebauten Retorten (senkrecht)

Bild 31: Ofen mit eingebauten Retorten (waagerecht)

Auch auf die Belastung der Retorten ist zu achten, sonst kann es passieren, dass das

Schutzgas nicht ausreagiert, im Ungleichgewicht in den Ofen strömt und es hier zu

ungewünschten metallurgischen Reaktionen kommt.

60

KOSTEN

Den Betreiber interessiert es, was kostet 1 m3 Endogas. Eine genaue Aussage zu treffen

erscheint fast unmöglich. Solange der Autor sich mit Generatoren befasst, hat er Aussagen

gefunden, die über 100 % differierten. Der Grund liegt darin, wer die Rechnung macht und

welches Ziel er verfolgt. Denn die meisten Kosten, die herangezogen werden, sind mehr

oder weniger Annahmen. Es ist immer wieder erstaunlich, wie mit spitzem Bleistift die

Energiekosten gerechnet werden, und davon werden meistens die

Investitionsentscheidungen abhängig gemacht. Das sind zwar Zahlen, die einigermaßen

nachvollziehbar sind, wenn es auch hier Unterschiede gibt und die echten, realen Zahlen

oft gar nicht bekannt sind. Es gibt Arbeits- und Leistungspreise, Grundpreise und

Bereitstellungskosten, Tag- und Nachttarife, Rabatte u. v. m. Meistens wird der

Wirkungsgrad bei der Gasheizung (oft nur < 50 %) vergessen. Und was jetzt noch dazu und

dagegen gerechnet wird, ist oft nicht nachzuvollziehen. Wartungs- und Reparaturstunden

werden angenommen, weil niemand genaue Zahlen hat, ebenso die Differenzen in den

Stundensätzen. So geht es weiter mit Kühlwasser, Raumkosten, Ersatzteile,

Zusatzenergien, Platzbedarf usw.. Qualitative Aspekte finden selten Beachtung, weil sie

kostenmäßig nicht bewertbar sind.

Um dem Leser eine Vorstellung zu geben, was ungefähr die Erzeugung von Endogas

kostet, ist im Anhang beispielhaft eine Rechnung aufgestellt. Sie kann auch als Muster für

eigene Berechungen dienen.

61

62

ANHANG

63

64

ANH ANG

Im Anhang sind berechnete Endogaszusammensetzungen tabellarisch zusammengestellt.

Die Ausgangsanalysen von Erdgas entsprechen der L- und der H-Qualität. Der C-Pegel ist

ein fiktiver Wert, an dem die Veränderung als Folge der Änderung des Gas-

Luftverhältnisses demonstriert werden soll. Bei den in der Regel niedrigeren

Ofentemperaturen kommt es bekanntlich zu einer Änderung als Folge der neuen

Gleichgewichtseinstellung (Bild A 1).

Es ist zu beachten, dass alle Berechnungsmodelle Formeln benutzen, die aus empirischen

Daten abgeleitet wurden. Beim Vergleich von Ergebnissen aus unterschiedlichen Quellen

können sich deshalb Unterschiede ergeben, zu denen noch Rundungsabweichungen

hinzukommen. Auch unterschiedliche Spalttemperaturen können die Ergebnisse geringfügig

beeinflussen. Eine Diskussion, welche Ergebnisse gewissermaßen „richtiger“ sind als

andere, ist müßig. Wichtiger als die Absolutwerte sind die Veränderungen innerhalb des

definierten Einstellbereiches, z. B. auf den Bereich von -5°C bis +20°C Taupunkt.

Die angegebenen EMK in mV errechnen sich aus der Temperatur der Messzelle. Die

Signalhöhe der Lambda-Sonde liegt über der einer „normalen“ Messzelle. Das ist aber ohne

Bedeutung, solange zum Eineichen und zur Kontrolle echte Taupunkt-Messgeräte (oder

CO2-Messgeräte) verwendet werden.

Endo(Träger)gas kann alleine die Übertragung benötigter Menge an Kohlenstoff nicht

bereitstellen oder es würde unrealistisch hohe Gasmengen erfordern. Das hängt mit der

primären und sekundären Kohlenstoffverfügbarkeit zusammen. Nach Wyss ist die

sekundäre Verfügbarkeit der Endogase so gering, dass es zum Aufkohlen nicht reicht.

Deshalb werden dem Endogas Kohlungsmittel wie Propan, Erdgas oder höhere Alkohole

zugegeben, durch deren Zerfall eine hohe primäre Verfügbarkeit entsteht. Zum Vergüten,

ohne Veränderungen an der Oberfläche, ist der Einsatz von Endogas ohne Kohlungsmittel

möglich (abhängig von der Vergütungstemperatur), wenn Luft- oder Gaseinbruch (z. B. vom

Gasschleier) strikt vermieden wird.

65

Tabellen und Bilder des Anhangs

A1 Endogas-Zusammensetzung

A2 Zusammenhang zwischen Taupunkt °C, EMV der Lambda-Sonde und CO2

A3 Endogas Kennwerte

A4 Kenndaten für Endogas aus Methan

A5 Kenndaten für Endogas aus Erdgas Russland

A6 Kenndaten für Endogas aus Erdgas Niederlande

A7 Kenndaten für Endogas aus Propan

A8 Berechnung Endogas aus L-Gas

A9 Berechnung Endogas aus H-Gas

A10 Berechnung Endogas aus Propan

A11 Wirkung von Endogas nach LOI

A12 Wasserdampfgehalt von Gasen nach LOI

A13 Einstellwerte für die Gemischeinstellung in Abhängigkeit der verschiedenen Luftzahlen und der Endogasmenge

A14 Kostenrechnung

A15 Sicherheitsdatenblatt

66

A1 Endogas-Zusammensetzung

67

A2 Zusammenhang zwischen Taupunkt °C, EMV der Lambda Sonde und CO2

Taupunkt (°C) EMV (mV) 1)

(Erdgas) CO2 (%) (Erdgas)

EMV (mV) 1) (Propan)

CO2 (%) (Propan)

-10 1196,2 0,077 1186,2 0,117

-9 1192,9 0,084 1182,8 0,127

-8 1189,6 0,092 1179,5 0,139

-7 1186,4 0,100 1176,3 0,152

-6 1183,1 0,109 1173,0 0,165

-5 1179,9 0,119 1169,8 0,180

-4 1176,7 0,129 1166,6 0,196

-3 1173,6 0,141 1163,5 0,213

-2 1170,6 0,153 1160,3 0,232

-1 1167,3 0,166 1157,2 0,252

0 1164,2 0,181 1154,1 0,273

1 1161,6 0,194 1151,5 0,293

2 1158,9 0,208 1148,8 0,315

3 1156,2 0,223 1146,1 0,338

4 1153,6 0,239 1143,5 0,362

5 1151,0 0,256 1140,9 0,388

6 1148,4 0,275 1138,3 0,416

7 1145,8 0,294 1135,7 0,446

8 1143,3 0,315 1133,2 0,477

9 1140,7 0,337 1130,6 0,510

10 1138,2 0,360 1128,1 0,546

11 1135,5 0,400

12 130,9 0,431

13 1128,2 0,461

14 1125,5 0,493

15 1122,9 0,526

1) mV für Lambda-Sonde

68

A3 Endogas Kennwerte

Erdgasanalyse: CH4 = 89,50 Vol% C2H6 = 5,20 Vol % C3H8 = 1,16 Vol % C4H10 = 0,33 Vol % C5H12 = 0,05 Vol % C6H14 = 0,04 Vol % CO2 = 0,86 Vol % N2 = 2,86 Vol %

Reaktionstemperatur = 1000°C

λ

l 1

Vol%CO

Vol%CO2

Vol%H2

Vol%H2O

EMK

Cp

Taup.

0,270 0,271 0,272 0,273 0,274 0,275 0,276 0,277 0,278 0,279 0,280 0,281 0,282

2,66 2,67 2,68 2,69 2,70 2,71 2,72 2,73 2,74 2,75 2,76 2,77 2,78

20,07 20,02 19,97 19,92 19,87 19,83 19,78 19,73 19,68 19,63 19,58 19,54 19,49

0,31 0,33 0,34 0,36 0,38 0,40 0,42 0,44 0,46 0,47 0,49 0,51 0,53

37,74 37,62 37,51 37,39 37,28 37,16 37,05 36,93 36,82 36,71 36,59 36,48 36,37

0,97 1,03 1,09 1,15 1,21 1,26 1,32 1,38 1,44 1,49 1,55 1,61 1,66

1077 1074 1071 1068 1065 1062 1060 1057 1055 1052 1050 1048 1046

0,220 0,210 0,200 0,190 0,180 0,170 0,160 0,150 0,145 0,140 0,135 0,130 0,120

+ 6,8 + 7,6 + 8,4 + 9,2 + 9,9 + 10,7 + 11,3 + 12,0 + 12,6 + 13,2 + 13,8 + 14,3 + 14,9

λ - Luftzahl, λ = 1 entspricht stöchiometr. Verbrennung. l 1 - Luft/Gas-Verhältnis ( m3/Std. Luft je m3/Std. Erdgas ) EMK - Sauerstoffmesszellenspannung eines normalen Sensors ( nicht λ – Sonde )

69

A4 Kenndaten für Endogas aus Methan

70

A5 Kenndaten für Endogas aus Erdgas Russland

71

A6 Kenndaten für Endogas aus Erdgas Niederlande

72

A7 Kenndaten für Endogas aus Propan

73

A8 Berechnung Endogas aus L-Gas

ERDGAS L

nach: Dipl.-Ing. K.-H. Weissohn, PE Essen

Eingabedaten

CH4 Methan: 87.619

C2H6 Ethan: 0.695

C3H8 Propan: 0.49

C4H10 n-Butan: 0.019

CO2 Kohlendioxid: 1.663

N2 Stickstoff: 9.955

ENDOGASZUSAMMENSETZUNG

REAKTIONSTEMPERATUR [ °C ] : 1000

n l1 CO CO2 H2 H2O N2 VZ EMK PO2 CP TP 0,246 2,10 20,46 0,00 39,98 0,00 29,56 4,44 0 0,0E + 00 9,99 - 48,8 0,248 2,11 20,36 0,04 39,73 0,13 39,74 4,46 1192 2,8E - 20 1,26 - 17,9 0,250 2,13 20,26 0,08 39,49 0,25 39,92 4,47 1155 1,1E - 19 0,76 - 10,6 0,252 2,15 20,16 0,11 39,25 0,37 40,10 4,48 1133 2,4E - 19 0,54 - 6,1 0,254 2,16 20,07 0,15 39,01 0,49 40,28 4,50 1117 4,3E - 19 0,42 - 2,8 0,256 2,18 19,97 0,19 38,78 0,61 40,46 4,51 1104 6,8E - 19 0,34 + 0,0 0,258 2,20 19,87 0,22 38,54 0,73 40,64 4,52 1094 9,8E - 19 0,29 + 2,5 0,260 2,21 19,78 0,26 38,31 0,85 40,81 4,54 1086 1,3E - 18 0,25 + 4,7 0,262 2,23 19,68 0,30 38,07 0,96 40,99 4,55 1078 1,8E - 18 0,22 + 6,6 0,264 2,25 19,59 0,33 37,84 1,08 41,16 4,56 1072 2,2E - 18 0,20 + 8,3 0,266 2,27 19,49 0,37 37,61 1,19 41,34 4,58 1066 2,8E - 18 0,18 + 9,8 0,268 2,28 19,40 0,40 37,38 1,31 41,51 4,59 1061 3,4E - 18 0,16 + 11,2 0,270 2,30 19,30 0,44 37,16 1,42 41,68 4,60 1056 4,0E - 18 0,15 + 12,5 0,272 2,32 19,21 0,47 36,93 1,54 41,85 4,62 1051 4,7E - 18 0,13 + 13,6 0,274 2,33 19,12 0,51 36,71 1,65 42,02 4,63 1047 5,5E - 18 0,12 + 14,7 0,276 2,35 19,03 0,55 36,48 1,76 42,19 4,64 1043 6,4E - 18 0,12 + 15,8 0,278 2,37 18,93 0,58 36,26 1,87 42,35 4,66 1039 7,3E - 18 0,11 + 16,7 0,280 2,39 18,84 0,62 36,04 1,98 42,52 4,67 1036 8,3E - 18 0,10 + 17,6 0,282 2,40 18,75 0,65 35,82 2,09 42,69 4,86 1032 9,4E - 18 0,09 + 18,5 0,284 2,42 18,66 0,68 35,60 2,20 42,85 4,70 1029 1,0E - 17 0,09 + 19,3 0,286 2,44 18,57 0,72 35,39 2,31 43,01 4,71 1026 1,2E - 17 0,08 + 20,1 0,288 2,45 18,84 0,75 35,17 2,42 43,18 4,73 1024 1,3E - 17 0,08 + 20,8

74

A9 Berechnung Endogas aus H-Gas

ERDGAS H

nach: Dipl.-Ing. K.-H. Weissohn, PE Essen

Eingabedaten

CH4 Methan: 86.55

C2H6 Ethan: 5.3

C3H8 Propan: 1.31

C4H10 n-Butan: 0.33

CO2 Kohlendioxid: 1.36

N2 Stickstoff: 5.15

ENDOGASZUSAMMENSETZUNG

REAKTIONSTEMPERATUR [ °C ] : 1000

n l1 CO CO2 H2 H2O N2 VZ EMK PO2 CP TP 0,252 2,42 20,92 0,00 39,49 0,00 39,59 4,96 0 0,0E + 00 9,99 - 54,7 0,254 2,44 20,82 0,04 39,25 0,12 39,77 4,98 1192 2,8E - 20 1,28 - 18,1 0,256 2,46 20,71 0,08 39,01 0,25 39,96 4,99 1154 1,1E - 19 0,77 - 10,7 0,258 2,48 20,61 0,12 38,77 0,37 40,14 5,01 1132 2,5E - 19 0,55 - 6,2 0,260 2,49 20,51 0,15 30,53 0,49 40,32 5,02 1116 4,3E - 19 0,43 - 2,9 0,262 2,51 20,41 0,19 38,29 0,61 40,50 5,04 1104 6,9E - 19 0,35 - 0,0 0,264 2,53 20,31 0,23 38,06 0,72 40,68 5,05 1094 1,0E - 18 0,29 + 2,5 0,266 2,55 20,21 0,27 37,82 0,84 40,86 5,07 1085 1,4E - 18 0,25 + 4,7 0,268 2,57 20,11 0,30 37,59 0,96 41,03 5,08 1078 1,8E - 18 0,22 + 6,6 0,270 2,59 20,02 0,34 37,36 1,08 41,21 5,10 1071 2,3E - 18 0,20 + 8,2 0,272 2,61 19,92 0,38 37,13 1,19 41,38 5,11 1065 2,8E - 18 0,18 + 9,8 0,274 2,63 19,82 0,42 36,90 1,31 41,56 5,13 1060 3,4E - 18 0,16 + 11,2 0,276 2.65 19,72 0,45 36,67 1,42 41,73 5,14 1055 4,1E - 18 0,15 + 12,4 0,278 2,67 19,63 0,49 36,45 1,53 41,90 5,16 1050 4,9E - 18 0,14 + 13,6 0,280 2,69 19,53 0,53 36,23 1,60 42,07 5,17 1046 5,7E - 18 0,13 + 14,7 0,282 2,71 19,44 0,56 36,00 1,76 42,24 5,19 1042 6,5E - 18 0,12 + 15,7 0,284 2,72 19,34 0,60 35,78 1,87 42,41 5,20 1039 7,5E - 18 0,11 + 16,7 0,286 2,74 19,25 0,64 35,56 1,98 42,52 5,22 1035 8,5E - 18 0,10 + 17,6 0,288 2,76 19,16 0,67 35,34 2,09 42,74 5,23 1032 9,6E - 18 0,10 + 18,5 0,290 2,78 19,06 0,71 35,13 2,20 42,91 5,25 1029 1,1E - 17 0,09 + 19,3

75

A10 Berechnung Endogas aus Propan

PROPAN

nach: Dipl.-Ing. K.-H. Weissohn, PE Essen

Eingabedaten

C3H8 Propan: 100

ENDOGASZUSAMMENSETZUNG

REAKTIONSTEMPERATUR [ °C ] : 1000

n l1 CO2 CO H2 H2O VZ TP 0,308 7,37 0,19 23,20 30,77 0,42 12,82 - 5.00 0,308 7,38 0,20 23,17 30,70 0,46 12,84 - 4,00 0,309 7,40 0,22 23,13 30,64 0,49 12,85 - 3,00 0,310 7,41 0,23 23,09 30,57 0,53 12,86 - 2,00 0,311 7,43 0,25 23,04 30,49 0,57 12,88 - 1,00 0,311 7,45 0,27 23,00 30,41 0,61 12,89 + 0,0 0,312 7,47 0,29 22,95 30,34 0,65 12,91 + 1,00 0,313 7,50 0,32 22,89 30,24 0,70 12,93 + 2,00 0,314 7,52 0,34 22,83 30,14 0,76 12,95 + 3,00 0,315 7,54 0,36 22,78 30,04 0,81 12,96 + 4,00 0,316 7,57 0,39 22,71 29,93 0,87 12,99 + 5,00 0,318 7,60 0,42 22,64 29,81 0,93 13,01 + 6,00 0,319 7,63 0,45 22,57 29,69 1,00 13,03 + 7,00 0,320 7,67 0,48 22,49 29,55 1,07 13,06 + 8,00 0,322 7,70 0,51 22,41 29,42 1,14 13,09 + 9,00 0,323 7,72 0,55 22,32 29,27 1,22 13,12 + 10,00 0,325 7,78 0,59 22,22 29,11 1,31 13,15 + 11,00 0,327 7,82 0,63 22,12 28,94 1,40 13,18 + 12,00 0,329 7,87 0,68 22,02 28,76 1,49 13,22 + 13,00 0,332 7,94 0,73 21,90 28,57 1,60 13,26 + 14,00 0,333 7,97 0,77 21,78 28,37 1,71 13,30 + 15,00

76

A11 Wirkung von Endogas nach LOI

Endogas aus Erdgas, obere Hälfte: Änderung des Gases ex Erzeugungsanlage im Ofen; untere Hälfte: Änderung des Gases im Ofen durch Zugabe von Erdgas

Kennzeichen ⇒

CO2

CO

H2O

TP/DP °C

H2

CH4

N2

C g/m3

CO2 CO2

Endo-Generator n = 0.26 1050 °C

0.16

19.82

0.59

- 0.3

38.02

0.01

41.41

0

24

Ofenraumtemperatur 750 °C 800 850 900 950

1.03 0.49 0.32 0.24 0.20

17.60 19.12 19.49 19.67 19.75

1.03 0.49 0.32 0.24 0.20

14.9 5.6 2.2 0.4 - 0.3

36.06 36.93 37.56 37.85 37.96

1.03 0.49 0.32 0.24 0.20

42.63 42.93 41.65 41.50 41.45

4.27 0 0 0 0

3 7 12 16 19

Ofenraumtemp. Erdgaszugabe ⇓ 900 °C 0 %

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.13 0.11 0.10 0.10

19.67 19.72 19.76 19.81 19.85 19.88 19.92 19.95 19.95 19.91

0.62 0.56 0.51 0.46 0.41 0.36 0.32 0.28 0.26 0.26

0.4 - 0.9 - 2.3 - 3.7 - 5.7 - 6.7 - 8.3 - 9.9 - 10.9 - 10.9

37.85 37.95 38.05 38.15 38.24 38.32 38.39 38.45 38.52 38.62

0.12 0.13 0.15 0.16 0.18 0.21 0.24 0.27 0.29 0.30

41.50 41.42 41.33 41.24 41.16 41.09 41.00 41.94 41.88 41.81

0 0 0 0 0 0 0 0 0.18 0.64

16 17 19 21 24 28 30 36 39 39

77

A12 Wasserdampfgehalt von Gasen nach LOI

78

A 13 Einstellwerte für die Gemischeinstellung in Abhängigkeit der verschiedenen Luftzahlen und der Endogasmenge

Endogas

Nm3/h Luft 2,4

Erdgas 1

Luft 2,5

Erdgas 1

Luft 2,6

Erdgas 1

16 7,68 3,2 8,00 3,2 8,32 3,2

20 9,60 4,0 10,00 4,0 10,40 4,0

30 14,40 6,0 15,00 6,0 15,60 6,0

40 19,20 8,0 20,00 8,0 20,80 8,0

50 24,00 10,0 25,00 10,0 26,00 10,0

60 28,80 12,0 30,00 12,0 31,20 12,0

70 33,60 14,0 35,00 14,0 36,40 14,0

80 38,40 16,0 40,00 16,0 41,60 16,0

90 43,20 18,0 45,00 18,0 46,80 18,0

100 48,00 20,0 50,00 20,0 52,00 20,0

120 57,60 24,0 60,00 24,0 62,40 24,0

Endogas

Nm3/h Luft 7,5

Propan 1

Luft 7,7

Propan 1

Luft 7,8

Propan 1

16 9,60 1,28 9,90 1,28 10,00 1,28

20 12,00 1,60 12,30 1,60 12,50 1,60

30 18,00 2,40 18,50 2,40 18,70 2,40

40 24,00 3,20 24,60 3,20 25,00 3,20

50 30,00 4,00 30,80 4,00 31,20 4,00

60 36,00 4,80 37,00 4,80 37,40 4,80

70 42,00 5,60 43,00 5,60 43,70 5,60

80 48,00 6,40 49,30 6,40 50,00 6,40

90 54,00 7,20 55,40 7,20 56,00 7,20

100 60,00 8,00 61,60 8,00 62,40 8,00

120 72,00 9,60 74,00 9,60 75,00 9,60

ACHTUNG: Es handelt sich um Anhaltswerte.

Die Mengenmesser haben eine gewisse Toleranz.

79

A14 Kostenrechnung Als Basis der Berechnung waren Angaben für Stoff- und Energiebedarf, die der Erfahrung aus Praxis entsprechen, sind aber auf jeden Fall den Kosten im Einzelfall anzupassen, hierzu dient die rechte Spalte. Die eingesetzten Kosten, der Einsatz einer elektrischen Beheizung sowie die Anlagenleistung sollen als Beispiel dienen. Folgende Zahlenwerte wurden zugrunde gelegt: Leistung: 50 Nm³/h Erdgaspreis: 0,18 €/Nm³ Strompreis: 0,035 €/KWh Kühlwasser: 0,2 €/m³ Erdgas zur Erzeugung von Endogas 10 Nm³/h x 0,18 €/Nm³ = 1,8 €/h 10 Nm³/h x ....... €/Nm³ = ....... Elektrische Beheizung inklusive Abstrahlung 16 KWh x 0,035 €/KWh = 0,56 €/h 16 KWh x ........€/KWh = ....... Energie für Verdichter usw. 3,2 KWh x 0,035 €/KWh = 0,11 €/h 3,2 KWh x ........€/KWh = ....... Kühlwasser 1,5 m³/h x 0,2 €/m³ = 0,3 €/h 1,5 m³/h x .......€/m³ = ....... ∑ € 2,77/50 Nm³ 0,05 €/Nm³

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Die Stoff- und Energiekosten betragen für eine Leistung von 50 Nm³/h gemäß obiger Berechnung € 2,77. Dies entspricht einem Preis von 0,055 €/Nm³ Endogas. Berücksichtigt sind in der obigen Berechnung nicht der Kapital-, Instandhaltung- und Bedienaufwand. Der Kapitalaufwand ist abhängig von der Anlagenleistung, dem Hersteller bzw. dem Lieferant der Anlage und der Dauer der vom Betreiber vorgesehenen Abschreibung. Für die jährliche Wartung bzw. Instandhaltung an Verdichter, Filter und Instrumenten können pro Jahr ca. 5 bis 8 Stunden angesetzt werden. Einige Hersteller bieten eigene Wartungsverträge an. Hier ist die Wirtschaftlichkeit eines Wartungsvertrages zu prüfen. Der Wechsel von Retorten und Katalysatoren, so zeigen die Erfahrungen, ist ca. alle drei Jahre zu empfehlen oder notwendig. Die Kosten sind vom Hersteller abhängig und dort zu erfragen. Der Bedienaufwand, d.h. die tägliche Kontrolle aller Betriebsdaten und das Ein- und Ausschalten des Generators lässt sich nur sehr schwer in Stunden bzw. in Euro ausdrücken, jedoch gehört dieser Aufwand zu den allgemeinen Aufgaben in einer Härterei.

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A15 Sicherheitsdatenblatt

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