Abgas-Reinigungsanlagen
Anlagen für die katalytische Reinigung von Abgasen
Prozess-Beschreibung
Viele technische Prozesse leiden unter der Bildung von Abgasen, die mit Kohlenwasserstoffen (Gerüchen, Lösungsmitteln) verunreinigt sind. Die Reinigung solcher Abgase ist durch die Thermisch-katalytische Verbrennung der Kohlenwasserstoffe bei niedrigen Temperaturen von ca. 250 bis 400°C (abhängig von der jewiligen Anwendung) an geeigneten Katalysatoren möglich.
VOG verwendet speziell ausgewählte Katalysatoren, deren Hauptvorzüge sind:
- monolithischer Aufbau, deshalb geringer Druckverlust und niedrige Empfindlichkeit gegen Staub
- hohe thermische und chemische Beständigkeit, hohe Lebensdauer
- Umsatzraten um 99%
- einfache Reinigung und Regeneration
- einfaches Recycling am Ende der Lebensdauer
Für besondere Anwendungen sind auch andere Katalysatoren verfügbar.
Das mit Schadstoffen beladene Abgas wird zuerst, falls notwenig, in einem Filter von Partikeln befreit. Ein Gebläse wird, abhängig von der Anwendung, entweder am Anfang oder am Ende der Reinigungsanlage installiert.
Ein Wärmetauscher überträgt einen Teil der Energie des gereinigten Gases auf das kalte Eintrittsgas. Standardmäßig werden Rohrbündel-Wärmetauscher mit Kreuz-Gegenstrom-Prinzip eingesetzt, wobei die Wärmeübertragung bei 80 ± 10 % liegt. Der Autotherm-Punkt wird bei etwa 2,5 g/Nm³ an Kohlenwasserstoffen erreicht.
Die weitere Aufheizung auf die Katalysator-Betriebstemperatur von etwa 250 bis 400°C erfolgt durch einen Vorheizer. Erdgas-Flächenbrenner werden bevorzugt eingesetzt. Falls nur leichtes Heizöl zur Verfügung steht, werden andere Brennertypen gewählt. In diesem Falle, und besonders bei größeren Anlagen-Kapaziäten, werden 2 parallele Brenner eingebaut, um ein gleichmäßiges Aufheizprofil des Gasstromes zu erreichen.
Die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe erfolgt am Katalysator. Der Katalysator besteht aus einem dimensionsstabilen Keramik-Grundkörper, auf dem der aktive Katalysator aufgebracht ist, zumeist als sog. Wash-Coat. Einzelne Monolithen werden zu Modulen verschiedener Größen in Edelstahl-Rahmen zusammengestellt.
Die Module, normalerweise 5 bis 6 in Serie geschaltet, können leicht und einzeln aus dem Katalysator-Gehäuse entnommen werden. Auf diese Weise ist die Wartung des Katalysators sehr einfach und ohne technischen Aufwand durchführbar.
Falls ökononmisch sinnvoll, kann die Restwärme des gereinigten Abgases in einem zweiten Wärmetauscher genutzt werden. Das gereinigte Abgas kann mittels eines Kamins an die Umgebung abgegeben werden.
Um Übertemperaturen im Falle hoher Kohlenwasserstoff-Konzentrationen zu vermeiden, sind ein Kühlluft-Gebläse und ein Wärmetauscher-Bypass eingebaut. Dies ermöglicht ein sicheres Temperaturprofil über das gesamte System.
Der gesamte Prozess wird durch eine frei programmierbare Steuerung (SPS) kontrolliert, wodurch Aufwärmphase, Normalbetrieb und Störzustände überwacht werden.
Verfahrensbeschreibung
Bei einer Fülle technischer Prozesse entstehen mit Kohlenwasserstoffen Geruchsstoffe,
Lösemittel, chemische Edukte, Produkte oder Nebenprodukte belastete Abluft bzw. belastetes Abgas z. B.:
- in der Lebensmittelindustrie (Geruchsstoffe, Öle, Fette)
- bei Lackierverfahren (Lösemittel)
- in der chemischen und pharmazeutischen Industrie (Lösemittel, organische Verbindungen)
- bei technischen Prozessen (Lösemittel, Fette, Wachse)
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Die Reinigung dieser Abluft bzw. Abgase ist auf niedrigem Temperaturniveau möglich, durch den Einsatz der thermisch-katalytischen Nachverbrennung der Kohlenwasserstoff-Verbindungen.
Die katalytische Verbrennung kohlenwasserstoffhaltiger Abluft bzw. Abgase entspricht dem heutigen Stand der Technik.
Kohlenwasserstoffe werden am Katalysator durch Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser verbrannt. Der Katalysator - und dies ist das thermodynamische Grundprinzip der Katalyse - senkt, im Vergleich zur rein thermischen Verbrennung, lediglich die Temperatur ab, bei der ein gewünschter Umsatz-, d.h. Verbrennungsgrad, erreicht wird.
Die katalytische Nachverbrennung hat also den Vorteil niedriger Betriebstemperaturen. dies schlägt sich sowohl auf der technischen Seite nieder, indem einfachere (und damit preiswertere) Konstruktionsmaterialien verwendet werden können, vor allem aber auf der chemischen Seite, da die Bildung unerwünschter Reaktionsprodukte, wie CO (Kohlenmonoxid) und NOx (Stickstoffoxide), vermieden wird.
CO wird bei den Betriebstemperaturen von 300 - 400 °C völlig zu CO2 umgesetzt, NOx wird bei diesen Temperaturen nur in äußerst niedrigen, unkritischen Konzentrationen gebildet. Natürlich schlagen sich die niedrigen Arbeitstemperaturen auch in niedrigerem Energieverbrauch und damit niedrigen Betriebskosten nieder.
Katalysatoren werden, sowohl in ihrem strukturellen, als auch in ihrem chemisch-physikalischen Aufbau in einer Vielzahl von Typen auf dem Markt angeboten, und von uns je nach Anwendungsfall ausgesucht und eingesetzt, vor allem:
- Schüttgut-Katalysatoren mit Edelmetall-Imprägnierung (Platin, Palladium)
- Schüttgut-Katalysatoren aus Nicht-Edelmetallen und -Gemischen bzw. deren Oxiden (Kupfer, Chrom)
- Monolith-Katalysatoren mit Edelmetallbeschichtung (Platin, Palladium, Rhodium)
Der zumeist keramische (Pellets, Kugeln, Monolithe) oder metallische (Monolithe) Grundträger hat nur die Funktion, den eigentlich wirksamen Katalysator, der zumeist in Form einer dünnen Schicht aufgebracht ist, mechanisch stabil zu halten.
Wabenförmige Monolith-Katalysatoren haben den Vorteil, dem Gasstrom einen geringeren Widerstand entgegenzusetzen, als kugel- oder walzenförmige Schüttgut-Katalysatoren, also einen geringeren Druckverlust zu erzeugen, was wiederum über niedrigere Gebläseleistungen der Kostenbilanz zugute kommt. Durch die in der Abluft enthaltenen Stäube und damit verbundene Inaktivierung, sind sie wesentlich unempfindlicher gegen Verschmutzung.
Von besonderer Bedeutung für die Auslegung einer thermisch-katalytischen Abluft/Abgas-Reinigungsanlage sind:
Die Art und Menge (Volumen) des benötigten Katalysators
Um einen gewünschten Umsetzungsgrad der Kohlenwasserstoffe zu erreichen, wird, bei gegebenem Abluftvolumenstrom, eine bestimmet Katalysatormenge notwendig sein, die zum einen vom Katalysatortyp selbst, zum anderen aber auch von der Art der Kohlenwasserstoffe und der gewählten Betriebstemperatur abhängt.
Die Betriebstemperatur
Um einen gewünschten Umsatzgrad zu erhalten, muss man die geeignete, möglichst niedrigste Betriebstemperatur einhalten. Sie ist vom Typ des Katalysators, aber auch von der Art der umzusetzenden Kohlenwasserstoffe abhängig. Die Aufheizung des Katalysators auf die Betriebstemperatur erfolgt über die Zufuhr von Stützenergie, z.B. durch den Einsatz von Elektroerhitzern, Erdgas-, Heizöl- oder Flüssiggasbrennern, sowie der Ausnutzung des Energieinhaltes der gereinigten Abluft mittels Wärmetauschers.
Die katalytische Verbrennung ist, wie jeder Verbrennungsprozess, ein exothermer Vorgang, d.h. es wird Energie freigesetzt, wobei die Exothermie in erster Näherung durch die Konzentration und chemische Zusammensetzung der brennbaren Substanzen bestimmt ist.
In der Betriebsanlage wird man immer versuchen, die Gesamtwärmeverluste durch Ausnutzung des Wärmeinhaltes der Abluft zu kompensieren, z.B. durch Vorwärmung der kalten Rohabluft mit der heißen Reinabluft in einem Wärmetauscher. Auf diese Weise können 70- 90 % der Wärmemenge zurück gewonnen werden. Bei einem Kohlenwasserstoffgehalt von etwa 3g/(Nm³ Rohabluft), und einer damit verbundenen Exothermie von ca. 90 °C, können alle Wärmeverluste durch den Einsatz preiswerter Wärmetauscher kompensiert werden. Die Anlage wird also energetisch autark betrieben. Man wird in jedem Fall bestrebt sein, ein Verfahrensgesamtkonzept so aufzubauen, dass diese "autotherme" Betriebsweise ermöglicht wird, doch ist dieses Vorhaben häufig durch die vorgeschalteten, verfahrenstechnischen Randbedingungen begrenzt.
Der Druckverlust
Der Druckverlust einer katalytischen Nachreinigungsanlage und damit der Leistungsbedarf des erforderlichen Abluftgebläses wird durch zwei wesentliche Anlagenkomponenten bestimmt: Wärmetausche und Katalysatorbett. der spezifische Druckverlust eines Katalysators ist, wie bereits angedeutet, von seiner Form abhängig.
Die zu reinigende Abluft wird durch ein Gebläse von der Quelle abgesaugt. Während der Anfahrphase der Anlage ist die Prozessgasklappe geschlossen und die Frischluftklappe geöffnet. Nach Beendigung der Spülphase öffnet sich die Prozessgasklappe und die Frischluftklappe schließt sich.
In der nachfolgenden Brennkammer wird die Abluft mit Gebläsebrennern auf die erforderliche Eintrittstemperatur des Katalysators aufgeheizt. Als Brennmedium dient vorzugsweise Erdgas oder Flüssiggas, doch ist auch der Einsatz von leichtem Heizöl möglich. Kleine Anlagen können auch elektrisch beheizt werden.
Der Katalysator ist in Einschüben untergebracht. Diese Einschubtechnik ermöglicht eine bequeme Kontrolle des Katalysators und ggf. eine schnellen Austausch. Bei Einsatz von Monolith-Katalysatoren muss die Verpackung der Katalysatorwaben zu Blöcken sorgfältigst geschehen, um eine Zerstörung der Katalysatoren während des Betriebes, vor allem durch thermische Beanspruchung, zu vermeiden sowie Leckströme zu verhindern.
Zwischen den Einschüben sind mehrere Thermoelemente zur Regelung der Eintrittstemperatur und zur Prozesskontrolle angebracht.
Die im Katalysatorbett gereinigte Abluft tritt nun wieder in den Wärmetauscher ein. Falls die Abluft noch genügend Energie für eine Sekundärnutzung enthält, kann in einem zweiten Rohrbündelwärmetauscher z.B. Heißwasser erzeugt werden.
Die Steuerung der gesamten Anlage ist in einem Schaltschrank untergebracht. Die Programmablaufsteuerung erfolgt durch einen Mikroprozessor (SPS-Steuerung).
Die gereinigte Abluft wird über einen Kamin an die Atmosphäre abgegeben.
