Thermische Reinigung von schadstoffbeladener Ex-Abluft

Individuell ausgelegt

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In den Herstellungsprozessen der chemischen und pharmazeutischen Industrie fallen häufig Abluftströme an, die stark mit umwelt- und gesundheitsschädigenden sowie explosionsgefährdeten Stoffen beladen sind. Zur sicheren und wirtschaftlichen Behandlung dieser Gase bietet Eisenmann individuelle Lösungen mit Brennkammer oder Regenerativer Nachverbrennung an.

Die Autoren: Dr. Peter Börgardts Vertriebsleiter Umwelttechnik, Eisenmann Anlagenbau Simon Benda Vertriebsingenieur Umwelttechnik, Eisenmann Anlagenbau

Entsprechend der individuellen Situation jedes Unternehmens kommen unterschiedliche thermische Abluftreinigungsverfahren in Betracht. Eine Möglichkeit ist es, die Schadstoffe in einer Brennkammer direkt zu verbrennen. Diese Variante wurde beispielsweise bei dem mittelständischen Unternehmen Zschimmer & Schwarz Mohsdorf GmbH & Co. KG in Burgstädt gewählt. Hier entstehen bei der Produktion von Phosphonaten und Textilhilfsmitteln pro Stunde bis zu 2000 Nm3 Ex-Abluft, die mit bis zu 300 kg Methylchlorid und geringen Mengen an Kohlenwasserstoffen belastet ist. Insbesondere die Vernichtung des stark gesundheits- und umweltschädlichen, aber hochstabilen Methylchlorids, das als Nebenprodukt bei Reaktionen von Formaldehyd in wässrigen, salzsauren Medien entsteht, stellt eine technische Herausforderung dar.
Der Böblinger Anlagenbauspezialist Eisenmann konzipierte für das Unternehmen eine Hochturbulenz-Brennkammer mit nachge-schaltetem Dampfkessel. Ein erdgasbetriebener Brenner erzeugt das zur Verbrennung erforderliche Heißgas, das durch die Geometrie der Brennkammer in eine turbulente, spiralförmige Strömungsbewegung versetzt wird. Dadurch vermischt es sich besonders gut mit dem eingedüsten Abgas und die Schadstoffe können bei einer Temperatur von ca. 950 °C vollständig oxidieren.
Um möglichst viel Energie aus dem Verbrennungsprozess zurückzugewinnen, haben die Eisenmann-Spezialisten die Brennkammer mit einem Dampfkessel kombiniert. Diese Kombination ist äußerst effizient, da die Abgasbehandlungsanlage direkt neben dem Dampfkessel steht und für den Dampftransport nur kurze Leitungswege nötig sind.
Bei der Verbrennung des Methylchlorids entsteht Salzsäure. Um diese sicher aus der Abluft zu entfernen, sind dem Dampfkessel ein Sprühwäscher und ein alkalischer Füllkörperwäscher nachgeschaltet. Hier erfolgt die Absorption der Salzsäure in Natronlauge, sodass die entsprechenden Grenzwerte sicher eingehalten werden.
Regenerative Nachverbrennung
Als Alternative zur direkten Verbrennung in einer Brennkammer kann explosionsgefährdete Abluft auch in einer Regenerativen Nachverbrennungsanlage (RNV-Anlage) behandelt werden. Bei hohen Schadstoffkonzentrationen ist es hierzu allerdings nötig, den Abluftstrom zu verdünnen. Beispielsweise fällt bei der Produkttrocknung eines großen Pharmaunternehmens bis zu 7000 Nm³/h Abluft an, die mit bis zu 380 kg Isopropanol und Ethanol beladen ist. Bevor die Abluft in den Reaktor der RNV-Anlage eintritt, wird sie mit Frischluft in einem speziellen Verfahren auf maximal 25 % der unteren Explosionsgrenze verdünnt.
Ein großer Vorteil dieses Konzepts ist, dass die Anlage in diesem Betriebspunkt aufgrund ihres hohen thermischen Wirkungsgrads ohne zusätzliche Energie in Form von Erdgas betrieben werden kann.
Als regenerative Wärmetauschermasse im Reaktor wird eine statische Schüttung oder Aufschichtung aus Keramikformteilen verwendet. Die Wärmetauscherschüttung ist in einzelne Segmente unterteilt, wobei wechselweise der eine Teil als Kühl-, der andere als Heizstufe dient. Die Abluft durchströmt die Wärmetauschermasse von unten nach oben und heizt sich dabei auf. Die Oxidation der Schadstoffe findet in der darüber angeordneten Brennkammer bei ca. 820 °C statt. Die heißen Reingase gelangen nach der Oxidation durch den anderen Teil der Wärmetauschermasse nach unten und kühlen dabei ab.
Für die kontinuierliche, wechselweise Durchströmung der einzelnen Wärmespeichersegmente hat Eisenmann einen patentgeschützten Drehschieber entwickelt. Das Luftverteilsystem sorgt für einen konstanten Luftstrom ohne umschaltbedingte Volumen- und Druckschwankungen.
RNV-Anlagen haben einen hohen thermischen Wirkungsgrad von über 95 % und erlauben die Reinigung der Abgase bei minimalem Verbrauch an Zusatzenergie. Das heißt, dass ab Schadstoffkonzentrationen von etwa 2 g/Nm³ ein autothermer Betrieb der RNV-Anlage möglich ist. Dabei schaltet sich der Gasbrenner automatisch ab, da die notwendige Energie zum Halten der Verbrennungstemperatur durch die Schadstoffe selbst in den Prozess eingebracht wird. Übersteigt die Schadstoffkonzentration den autothermen Punkt, so wird die überschüssige Wärme automatisch über einen Heißgas-Bypass aus dem Reaktionsraum geleitet.
Brennkammer: Die Lösung fürs „Grobe“
Die beiden Beispiele zeigen einige der Faktoren auf, die für die Entscheidung zwischen Brennkammer und RNV herangezogen werden können. Bei stark halogenierten, silikon- oder staubhaltigen, aggressiven und korrosiven Abluftinhaltsstoffen ist überwiegend eine Brennkammer-Lösung zu empfehlen. Sie bietet unter diesen Bedingungen eine höhere Betriebssicherheit, da zum Beispiel Stäube die Wärmetauschermasse einer RNV-Anlage verblocken können. Außerdem würde die an sich preiswerte RNV-Technik durch die bei korrosiven Schadstoffen einzusetzenden, höherwertigen Edelstähle stark verteuert.
Die RNV empfiehlt sich demgegenüber eher für „saubere„ Anwendungen, bei denen lediglich hohe Konzentrationen von nicht halogenierten Kohlenwasserstoffen vorkommen. Durch den hohen internen thermischen Wirkungsgrad hat sie deutlich geringere Betriebskosten als eine Brennkammer.
Wärme auskoppeln oder nicht?
Ausschlaggebend für die Auswahl der einzusetzenden Technik ist auch der Faktor Wärmerückgewinnung. Die hohe Austrittstemperatur der Reingase bei der Brennkammer-Variante macht eine effiziente Wärmerückgewinnung unverzichtbar und zwar nicht nur die übliche, integrierte Abluftvorwärmung, sondern eine nachfolgende Energienutzung, wie die erwähnte Prozessdampferzeugung bei Zschimmer & Schwarz.
Bei dem oben beschriebenen Pharmaunternehmen hingegen wäre eine Wärmeauskopplung aus verschiedenen Gründen nicht wirtschaftlich. So wird zum Beispiel am Standort der Abluftbehandlungsanlage kein Dampf benötigt. Der Dampf hätte stattdessen durch ein langes Rohrsystem zu einer geeigneten Verbrauchsstelle geleitet werden müssen – eine unökonomische Maßnahme.
Um diese und weitere anlagenspezifische Gesichtspunkte zu berücksichtigen, wird zu Beginn jedes Projekts die Ausgangssituation durch die Eisenmann-Spezialisten systematisch und ganzheitlich betrachtet. Nur so können nachträgliche, meist kostspielige und zeitaufwändige Anlagenoptimierungen vermieden werden.
prozesstechnik-online.de/cav0912456
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