Elektrische Durchlauferhitzer: Alternative zu Gasöfen. Entschwefelungsprozess: Präzise und schnelle Regelung der Medientemperatur sprach für einen elektrischen Erhitzer. Die Raffinerie Rafineria Nafty Jedlicze hat im August 2007 eine Produktionslinie zur Herstellung organischer Verdünnungsmittel (Benzin) in Betrieb genommen. Einer der wichtigen Faktoren während der Projektbearbeitung war die Wahl der Energiequelle bzw. die Art der Beheizung der Reaktionsmedien: mit Gasöfen oder elektrischen Durchlauferhitzern. Neben Aspekten der Wirtschaftlichkeit und der Versorgungssicherheit mit den jeweiligen Energieträgern spielte die präzise und schnelle Regelung der Medientemperaturen durch die Rohrheizkörper sowie die technische Sicherheit eine wesentliche Rolle bei der Entscheidung für das eine oder andere Beheizungssystem. Denn die Temperaturregelung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Prozessqualität. Somit fiel die Entscheidung zugunsten der elektrischen Beheizung aus.

Bei dem Entschwefelungsprozess werden das schwefelhaltige Benzin und der Wasserstoff, der die Entschwefelung mittels eines Katalysators bewirkt, bei 340 °C miteinander vermischt. Dabei reagiert der Schwefel mit überschüssigem Wasserstoff zu Schwefelwasserstoff; die beiden Gase werden abgetrennt, übrig bleibt gereinigtes Benzin.

Gemäß der Prozessanforderungen sollte die gewählte Lösung eine Beheizung von verschiedenen Medien in fünf voneinander unabhängig arbeitenden Betriebsfällen gewährleisten. Die nachfolgend beschriebenen Betriebsfälle spiegeln die Prozessanforderungen ab:

• Betriebsfall I – normaler Betrieb: Beheizung des Rohstoffes: das schwefelhaltige Benzin wird auf 340°C beheizt; Betriebsdruck 35 barg;
• Betriebsfall II – periodischer Betrieb: Trocknung des Katalysators: Stickstoff wird auf 200 °C beheizt; Betriebsdruck 2 barg;
• Betriebsfall III – periodischer Betrieb: Anschwefelung des Katalysators: die Mischung des Wasserstoffgases und des mit Schwefel angereicherten Benzins wird auf 300 °C beheizt; Betriebsdruck 30 barg;
• Betriebsfall IV – periodischer Betrieb: Reduktion des Katalysators: der Wasserstoff wird auf 400°C beheizt; Betriebsdruck 30 barg;
• Betriebsfall V – periodischer Betrieb: Dreistufige Regenerierung des Katalysators (Stickstoff wird auf 250 °C beheizt, Betriebsdruck 3 barg; Wasserdampf wird bis zu 380°C erhitzt, Betriebsdruck 11 barg; Wasserdampf/Luft-Mischung wird bis zu 450°C beheizt, Betriebsdruck 3 barg).

Als zusätzliche Voraussetzung war die Ausführung des Erhitzers bzw. Gasofens, die eine Montage in einer explosionsgefährdeten Zone (Umgebung) zulassen.

Entscheidungskriterien zur Beheizungstechnik

Zwei Lösungen wurden wie schon erwähnt in Betracht genommen: Erdgasofen und elektrischer Durchlauferhitzer. Nach Vergleich aller Vor- und Nachteile entschied sich der Investor für die Systemanwendung des elektrischen Durchlauferhitzers mit einer dazugehörigen Thyristorsteuerung. Diese Entscheidung wurde vor allem von den folgenden Faktoren beeinflusst:

• Möglichkeit stetiger Temperaturenregelung im gesamten Prozessbereich;
• Möglichkeit präziser Steuerung des elektrischen Durchlauferhitzers, d.h. das Erreichen bestimmter Leistung in Abhängigkeit von den aktuellen Betriebsanforderungen des Prozesses;
• wartungsfreier, automatischer Betrieb des Erhitzers – das Steuerungssystem reagiert auf wechselnde Betriebsbedingungen des Prozesses (Mediumtemperatur, Mediumdurchfluss) und stellt die benötigte Leistung der Rohrheizkörper ein;
• hohes Sicherheitsniveau, das die Regelung und die Thyristorsteuerung gewährleisten – nach einer entsprechenden Konfiguration der Regelung reagiert der System sehr schnell auf eventuelle Verringerung der Durchflussgeschwindigkeit des beheizten Mediums und somit auf sie Überwachung der Oberflächentemperatur der eingesetzten Rohrheizkörper;
• geringe Größe des Erhitzers;
• keine Emission in die Atmosphäre;
• sehr einfache Inbetriebnahme des Systems, die nur vom bestimmten Betriebsfall abhängig ist und beliebig ausgewählt werden kann.

Natürlich waren auch die ökonomischen Aspekte für die Entscheidung sehr wichtig. Die Investitionskosten für einen elektrischen Durchlauferhitzer und dessen Steuerung fielen entscheidend niedriger aus, als diese für den Bau des Gasofens einschließlich gesamten Zubehörs, dass für eine sichere Funktionalität des Prozesses benötigt gewesen wäre.

Technische Auslegung des elektrischen Durchlauferhitzers

Nach der Wahl der Energiequelle und damit auch der Art der Beheizungstechnik kam der Zeitpunkt, alle technischen Daten mit dem Investor abzustimmen. Für die Beheizung der unterschiedlichen Medien unter variablen Bedingungen schlugen Schniewindt vor, unseren elektrischen Durchlauferhitzer CSN HFS14/2KCF-EEx e 260T./ 200/97/DF einschließlich einer Thyristorsteuerung zu bauen. Unter Beachtung der Prozessbedingungen wurde die Heizleistung auf 260 kW berechnet. Der vorgeschlagene Durchlauferhitzer bestand aus zwei Ex-Flanschheizkörpern 166 kW und 94 kW, die in das U-förmige Rohrgehäuse eingebaut wurden.

Eine stetige Regelung ermöglicht ein PID-Regler, der über zwei unabhängig voneinander arbeitende Tyristorsteuerungen den Erhitzer einspeist. Regelung der Medientemperatur und Ermittlung der Führungsgröße werden über drei auf der Armatur installierte Temperaturfühler, sowie einen Volumenstromgeber gewährleistet. Zusätzlich ist der Erhitzer in sechs Temperaturbegrenzer in Ex -i Ausführung (mit eigensicheren Stromkreisen) ausgestattet. Diese sichern die Anlage vor dem Überhitzen sowie vor dem Überschreiten der zulässigen Temperaturklasse ab.

Während der technischen Klärungsphase wurde viel Acht auf den Einbau des Erhitzers in einer explosionsgefährdeten Umgebung gegeben. Diese wurde als Zone 2 IIC T3 ausgewiesen. Der Erhitzer sollte aber das schwefelhaltige Benzin bis zu 350°C beheizen. Da die Betriebstemperatur höher als die höchst zulässige Temperatur der Temperaturklasse T3 ist, wurde der Durchlauferhitzer gem. des ATEX-Zertifikates PTB 01 ATEX 1003X durch die benannte Stelle klassifiziert und für den Betrieb zugelassen.

Inbetriebnahme

Nach der Lieferung und Montage des Erhitzers auf der Installation wurde er mit der Mineralwolle isoliert und einem Aluminiummantel umhüllt. Gemäß Anforderungen des Investors wurde der Erhitzer vor direktem Berühren heißer Oberflächen abgesichert.

Da vor der Inbetriebnahme der Gesamtinstallation noch einige prozessbedingten Abläufe, verbunden mit Trocknung und Formierung des Katalysators im Reaktor notwendig waren, verlief die Inbetriebnahme in mehreren Phasen. Die grundlegende technologische Beschränkung des Prozesses war der maximal zulässige Temperaturanstieg des beheizten Mediums. Er betrug 24°C/h (0,4 °C/min). Bei der Inbetriebnahme wurden Parameter für alle fünf Betriebsfälle ermittelt und in der SPS-Anlage bzw. an den Thyristor-Leistungsstellern eingestellt. Unter anderem wurden Parameter des PID-Reglers sowie des Faktors des Temperaturanstiegs berücksichtigt. All das ermöglichte, dass die Bedienung der Anlage sich nur zur Wahl des bestimmten Betriebsfalles beschränkt. Alle Parameter der Regelung können fern (DCS/Leitwarte) oder lokal (am Touchpanel) überwacht bzw. modifiziert werden.

Der langjährigen Erfahrungen mit Gasöfen nach schätzte der Betreiber die einfache Art der Inbetriebnahme sowie die sofortige Bereitschaft des Systems zum Betrieb. Gemäß Vereinbarung bei der Inbetriebnahme führte der Sachverständige der benannten Stelle eine Temperaturstückprüfung unter den Prozessbedingungen durch. Aufgrund der durchgeführten Prüfung bescheinigte er eine Zulassung für den Betreib des Durchlauferhitzers im explosionsgefährdeten Bereich.

Fazit

In den letzten Jahren gewinnt die elektrische Beheizungstechnik in der Prozesstechnik immer mehr an Bedeutung. Einer der Gründe, warum elektrische Durchlauferhitzer sehr oft vor den Gasöfen für die Investoren die erste Wahl sind, ist die Möglichkeit präziser Steuerung und Regelung der Führungsgröße (die Austrittstemperatur wird in der Anlage mit einer Genauigkeit bis zur 0,5°C eingehalten). Mit zunehmender Entwicklung der Automatisierungstechnik, insbesondere der MSR-Technik ist es heutzutage möglich, Anlagen zu bauen, die viel Flexibilität und schnelle Reaktion auf kleinste Änderungen der Prozessbedingungen bedürfen. Die schnelle Reaktion der Steuerung ist eines der Garanten für den ordnungsgemäßen Betrieb der Gesamtanlage.

Ein sehr wichtiger Faktor ist ebenfalls die Garantie der sicheren Bauweise und der Ausführung. Das ist besonders wichtig für die Anwendungen, die für die explosionsgefährdete Bereiche vorgesehen sind. Durch die einwandfreie Ausführung, die richtig definierten Gefahren, das präzise Benennen der Anforderungen und die Auswahl der Werkstoffe und Konstruktions-Materialien für die bestimmte Applikation und unter Berücksichtigung der atmosphärischen und ökologischen Aspekten ist es möglich, Anlagen zu bauen, deren Betriebsdauer gleich oder länger derer Gesamtinstallation (Produktionslinie) ist.

Beim Vergleich der beiden Beheizungstechniken waren weitere, sehr wichtige Aspekte die unaufhaltsame Erhöhung der Gaspreise im Vergleich zum Strompreis in Europa und die unzureichende Versorgungssicherheit seitens der Gaslieferanten (Polen ist davon besonders betroffen).

Die Beheizung des Mediums und das präzise Einhalten dessen Temperatur ist eins der wichtigsten Faktoren, die über den Ablauf und die Qualität der technologischen Prozesse bestimmt. Beim Überlegen, welche Art der Beheizungstechnik für Erwärmung der Medien angewandt wird, ist es ratsam zu überprüfen, ob der Einsatz des elektrisch betriebenen Durchlauferhitzers technisch und ökonomisch bessere Lösung für den Anwender wäre.

Dipl. Ing. Peter Deja, Technischer Vertrieb, Schniewindt

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