Porenreaktor on-demand

Autoren Hendrik Dörr Project Manager Business Development, SGL Group Process Technology Dr. Hans-Jürgen Lemke Head of Marketing, SGL Group Process Technology

Halogenierte Kohlenstoffverbindungen zersetzen sich bei hohen Temperaturen, wobei Halogenverbindungen wie Chlorwasserstoff und Fluorwasserstoff entstehen können. Wenn man zu ihrer Zersetzung Brennkammern aus Stahl mit keramischer Ausmauerung nutzt, sind damit wesentliche Nachteile verbunden. Solche Anlagen müssen über mehrere Tage angefahren werden, bis sie die richtige Betriebstemperatur erreichen. Während des Anfahrens reicht die Temperatur noch nicht zu einer vollständigen Verbrennung der Halogenverbindungen. Das Anfahren kostet den Betreiber also lediglich Zeit und Energie. Wird die Anlage abgekühlt, bilden sich je nach Stoffgemisch Säuren, die die Ausmauerung der Anlage angreifen können. Aus Gründen des Korrosionsschutzes wird die Brennkammer daher im Standby-Betrieb gehalten, auch wenn sie zeitweise nicht gebraucht wird. Erleidet die Anlage trotzdem einen Korrosionsschaden, ist der Anlagenbetreiber mit wochenlangen Ausfallzeiten konfrontiert.

Der Körper des Porenreaktors ist mit Diabon-Graphit ausgekleidet. Der Werkstoff setzt sich überwiegend aus polykristallinem Graphit zusammen, dessen Poren mit einem Phenolharz gefüllt werden. Damit werden die Strukturen aus Diabon gas- und flüssigkeitsdicht. Diabon zeichnet sich durch eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit bei Temperaturen von -60 bis +200 °C aus. Er wird daher nicht angegriffen, wenn sich beim Abkühlen der halogenhaltigen Gase Säuren bilden. Der Diabon-Porenreaktor kann also jederzeit abgeschaltet werden, ohne Schaden zu nehmen.

In Porenbrennern kommen poröse, keramische Werkstoffe zum Einsatz, in deren Hohlräumen die chemische Reaktion stattfindet. Der Diabon-Porenreaktor macht diese Hochtemperaturtechnologie nun auch für die thermische Nachbehandlung von korrosiven Industrieabgasen verfügbar. Zum Starten des Prozesses leitet man ein Gemisch aus Luft und Erdgas in den Reaktorraum und zündet es mit einem Brenner. Die Betriebstemperatur von 1000 bis 1500 °C wird dank der hohen Wärmeleitfähigkeit der Struktur innerhalb von etwa 15 Minuten erreicht. Langwieriges Aufheizen entfällt. Das zu behandelnde Abgas strömt zusammen mit Luft und Brennstoff als entflammbares Gemisch in die vorgeheizte Reaktionszone. Hier setzt es sich in den Hohlräumen der offenen Struktur chemisch in einer Synthese vollständig um – es verbrennt flammenlos im gesamten Reaktorvolumen. Das geschieht gleichzeitig, sehr schnell und effizient. Bei der Reaktion entstehende Restgase werden im nachgeschalteten Gaskühler innerhalb von Sekundenbruchteilen auf unter 200 °C abgekühlt. Die Entstehung von Schadstoffen wie Dioxinen und Furanen wird damit effektiv verhindert.

Am Lehrstuhl für Thermische und Umweltverfahrenstechnik der Bergakademie Freiberg wurde in Zusammenarbeit mit SGL Group die Eignung eines Diabon-Porenbrennersystems für die wirksame thermische Zerstörung von FCKW oder CKW im Zeitraum 2002 bis 2005 untersucht. Die Bewertung ergab als wichtigsten Unterschied eines Porenbrenners zu anderen Verbrennungsverfahren mit offener Flamme, dass hierbei ein sehr viel größerer Reaktionsraum zur Verfügung steht. Die Porenstruktur sorgt für guten Ausbrand trotz geringer Verweilzeit. Ein weiterer Vorteil des Porenreaktors ist, dass nach der ersten Vorheizung auf Betriebstemperatur kein Stützbrenner mehr erforderlich ist. Der Reaktor ist und bleibt dann so heiß, dass er die Aktivierungsenergie für die Reaktion bereitstellt.

Aufgrund der kompakten Bauweise des Diabon-Porenreaktors ergibt sich nicht nur eine Reduzierung der Grundfläche in der Anlage von bis zu 60 %. Die geringe thermische Masse und die Materialeigenschaften des Graphits verkürzen zudem die An- und Abfahrzeiten auf wenige Minuten. Sie liegen bei konventionellen Anlagen im Bereich von vielen Stunden. In Kombination mit der Korrosionsbeständigkeit von Diabon ist damit ein Start-Stopp-Betrieb des Porenreaktors möglich, mit dem die Abgasreinigung flexibel an den Bedarf angepasst werden kann. Hierdurch wird fallweise über die Hälfte der Energie eingespart. Für ein Recycling der im Abgas enthaltenen chlor- oder fluorhaltigen Komponenten lässt sich der Porenreaktor mit einer Rückgewinnung ausstatten. Der bei der Reaktion entstehende Chlorwasserstoff oder Fluorwasserstoff kann als Säure regeneriert und in den Prozess zurückgeführt werden.

Der Hauptvorteil beim Einsatz des Diabon-Porenreaktors in der Abgasbehandlung liegt in seiner Flexibilität. Das Verfahren steht nach sehr kurzer Anfahrzeit bei fallweisem Gasanfall zur Verfügung. Der kompakte Reaktor lässt sich dezentral einsetzen und nutzen. Dank der extrem kurzen Startzeit ist er auch als „Zweitsystem“ zur Überbrückung von Instandhaltungszeiten bei ausgemauerten Brennkammern einsetzbar. Ein anderer Anwendungsfall mit großem Potenzial ist die Entsorgung von Kühlmittel aus alten Kühlschränken. Das Umweltbundesamt (UBA) beziffert den Anteil der FCKW-Geräte hier derzeit noch mit 80 bis 85 %. Neben FCKW-Kühlschränken kommen auch Geräte mit R134a sowie immer mehr KW-Geräte in der Entsorgung an.

Diabon-Porenreaktoren werden in verschiedenen Größen für unterschiedliche Kapazitäten bis zu einem Gesamtgasvolumenstrom von 2450 Nm³/h angeboten. Die thermische Leistung reicht bis 2500 kW. Die damit erreichbare Prozesstemperatur lässt sich bis 1500 °C steuern. Alle Emissionsgrenzwerte nach TA-Luft werden eingehalten. Die Bildung von NOx und Dioxin wird zuverlässig vermieden.

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