Aktives Flammpunkt-Management in Wärmeträgeröl-Anlagen

Der Vorteil von Thermalöl gegenüber Wasser als Wärmeträger liegt vor allem in der geringeren Siedetemperatur. Diese erlaubt es, die Anlagen bei geringen Drücken – oft unter 10 bar – zu betreiben. Geringere Drücke bedeuten weniger Material etwa für Druckbehälter und Rohrleitungen sowie eine geringere Gefahr durch schnell austretende Flüssigkeit bei einer Undichtigkeit. Weitere Vorteile sind, dass sich weder Kesselstein in gefüllten Rohren oder Behältern bildet noch Korrosion auftritt.

Um für einen sicheren Betrieb zu sorgen, muss neben all diesen Vorzügen beim Betrieb von Wärmeträgeröl-Anlagen unbedingt auf den Zustand des Thermalöls geachtet werden. Einer der wichtigsten Indikatoren hierfür ist der Flammpunkt. Dieser gibt Auskunft über die Menge an Leichtsiedern, die sich im Thermalöl durch Zersetzung gebildet haben. Je niedriger der Flammpunkt, desto höher ist die Gefahr, dass sich ein zündfähiges Gemisch bildet, sollte an irgendeiner Stelle Öl aus der Anlage austreten.

Als Leichtsieder werden diejenigen Komponenten im Thermalöl bezeichnet, die bei deutlich geringerer Temperatur zu sieden beginnen als frisches Öl. Leichtsieder entstehen durch die Zersetzung der Kohlenwasserstoff-Ketten in kleinere Bruchstücke. Entscheidend dabei ist die thermische Belastung, der das Thermalöl ausgesetzt ist. Je nach Ölsorte und angegebenem Einsatzbereich entstehen mehr oder weniger Leichtsieder. Gemein ist allen Thermalölen, dass eine Erhöhung der Öltemperatur um 10 °C den Anteil der Leichtsieder-Bildung verdoppelt. Der Prozess folgt damit dem bekannten Arrhenius-Gesetz, wonach die Reaktionsgeschwindigkeit exponentiell mit der Temperatur steigt. Die Bildung von Leichtsieder erfolgt per se bei jeder Temperatur. Allerdings sind die Reaktionsraten bei niedrigen Temperaturen normalerweise vernachlässigbar gering. In dem Temperaturbereich in dem Thermalöle sinnvoll eingesetzt werden, spielt die Leichtsieder-Bildung aber in jedem Fall eine Rolle.

Das Problem mit Leichtsiedern in Ölsystemen ist, dass sie zum einen hoch entzündlich sind und dadurch ein erhöhtes Risiko für Explosionen und Feuer darstellen und dass sie zum anderen durch den niedrigen Siedepunkt in der Anlage kavitieren können. Bei der Kavitation entstehen spontan kleine Gasbläschen, die direkt wieder implodieren. Das passiert vor allem an Orten mit lokalen Dichteunterschieden wie an Laufrädern von Pumpen. Die Laufräder sind dadurch starken mechanischen Belastungen ausgesetzt und können sehr schnell verschleißen.

Um es gar nicht so weit kommen zu lassen, dass die Leichtsieder eine Gefahr für die Sicherheit oder die Lebensdauer von Anlagenkomponenten darstellen können, empfiehlt es sich, den Leichtsieder-Anteil sowie weitere Ölwerte regelmäßig zu analysieren und Gegenmaßnahmen zu ergreifen.

Um den Leichtsieder-Anteil eines Thermalöls zu bestimmen, muss im ersten Schritt eine repräsentative Probe aus der Anlage entnommen werden. Mit repräsentativ ist gemeint, dass die Probe tatsächlich aus dem Bereich der Anlage entnommen wird, in dem das Thermalöl zirkuliert und nicht aus einem Totbereich. Es ist ebenfalls sehr wichtig, dass das Öl bei der Entnahme gekühlt wird, sodass die Leichtsieder nicht direkt bei der Probenentnahme aus dem Probengefäß entweichen können. Dies würde zwar ein gutes Prüfergebnis liefern, wäre aber nicht repräsentativ für den Zustand des Thermalöls in der Anlage. Die Analyse der sauber gezogenen Probe erfolgt dann durch das Prüfverfahren nach DIN EN ISO 2719 mit einem geschlossenen Tiegel.

Die Analyse umfasst auch weitere Werte, die Rückschlüsse auf den Zustand des Thermalöls zulassen, wie den Feststoffanteil, der durch Vercrackung entstehen kann oder die Säurezahl. Je nach Zustand des Thermalöls ergibt sich dann ein entsprechender Handlungsbedarf.

Um nun den Flammpunkt möglichst hoch zu halten, ist es wichtig, bestehende und entstehende Leichtsieder zu entfernen. Hierzu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine dieser Möglichkeiten, die Leichtsieder zu entfernen und dadurch den Flammpunkt zu erhöhen, ist das sogenannte Auskochen. Dieser Prozess findet auch schon vor der Inbetriebnahme einer Anlage statt, dient zu diesem Zeitpunkt aber dazu, das im Wärmeträgeröl enthaltene Wasser zum Sieden zu bringen und als Wasserdampf über das Ausdehnungsgefäß entweichen zu lassen. Zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme befinden sich natürlich noch keine Leichtsieder im System, da das Thermalöl noch neu ist und sich noch keine Leichtsieder gebildet haben. Prinzipiell ist es aber möglich über ein analoges Vorgehen auch entstandene Leichtsieder auszukochen.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Thermalöl der Anlage teilweise oder vollständig zu ersetzen. Ein vollständiger Austausch ist aus diversen Gründen nicht sinnvoll. Weder ist es notwendig, noch ist es wirtschaftlich sinnvoll, auf diese Weise den Flammpunkt wieder auf ein sicheres Niveau zu bringen. Ein Teilwechsel des Öls kann zu einer deutlichen Verbesserung der Ölwerte inklusive des Flammpunktes führen, allerdings ist das weitere Verhalten nicht genau vorhersagbar. Die Erfahrung zeigt, dass sich der Flammpunkt nach kurzzeitiger Verbesserung oft schnell wieder auf das Niveau vor dem Ölaustausch einpendelt. Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass sich zum Teil lokale Leichtsieder-Akkumulationen – etwa an den höchsten Stellen der Rohrleitung – befinden, die bei einem Teilaustausch des Öles nicht entfernt werden und somit im System verbleiben. Ein weiterer Erklärungsansatz ist, dass das bereits gealterte Öl die Alterung des neu hinzugefügten Öls beschleunigt.

Am zuverlässigsten ist daher die Einführung eines aktiven Flammpunkt-Managements. Mithilfe eines Leichtsieder-Entfernungssystems zum Beispiel von Ness Wärmetechnik in einem Nebenstrom der Anlage werden damit kontinuierlich die sich bildenden Leichtsieder entfernt. Dies sorgt dafür, dass der Flammpunkt nicht nur konstant gehalten, sondern auf ein hohes Niveau gebracht wird, ohne dabei andere Prozesse und Anlagenparameter zu beeinflussen. Lediglich die abgeschiedenen Leichtsieder müssen entsorgt und entsprechend regelmäßig neues Thermalöl nachgefüllt werden, wenn der Füllstand einen gewissen Level unterschreitet.

Ein aktives Flammpunkt-Management dient nicht nur dazu, dem Abbau der Ölqualität entgegenzuwirken und dadurch Risiken dauerhaft zu senken, sondern schützt das gesamte System und die Mitarbeiter nachhaltig. Die Mitarbeiter müssen bei einem Stillstand nicht weitere Tätigkeiten, wie das Auskochen durchführen, die sie selten ausüben und die gerade dadurch nicht ganz ungefährlich sind. Vielmehr können sich die Mitarbeiter auf ihre Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen konzentrieren. Ein konstant hoher Flammpunkt bedeutet nicht nur generell weniger Stillstand, sondern dabei auch ein konstant hohes Sicherheitsniveau.