Artikel Rundum ökonomisch

Bisher stand vor allem die Reinigung der Abgase im Mittelpunkt. In Anbetracht der steigenden Energie- und Rohstoffpreise und des Klimawandels bekommen das Reduzieren von Energieaufwand und damit verbundener CO2-Emissionen und das Rückgewinnen von Wertstoffen mehr Bedeutung. Energieeinsparung und die Weiterentwicklung von Katalysatoren sind bekannte Wege der Verfahrenstechnik hin zu einer nachhaltigeren Produktion. Weniger bekannt ist, dass auch technische Gase helfen können, die Energieeffizienz zu verbessern und Abgasemissionen bei der chemischen Produktion zu reduzieren.

Reduzierung von Gasmengen beiOxidationsreaktionen

Bei vielen Oxidationsprozessen wird Luft als Oxidationsgas angewendet. Durch Zugabe von Sauerstoff zum gleichzeitig gedrosselten Luftstrom kann der Volumenstrom des Oxidationsgases mit zunehmender Sauerstoffkonzentration reduziert werden. Reichert man etwa die Oxidationsluft von 21 auf 30% O2 an, so wird der nicht benötigte N2-Ballast um rund 38% verringert. Fazit: Wenn eine Kapazitätssteigerung angestrebt wird, der Luftdurchsatz aber aus anlagen- oder verfahrenstechnischen Gründen nicht erhöht werden kann, empfiehlt es sich, die Anwendbarkeit einer Sauerstoffanreicherung bei gleichzeitiger Verringerung der Oxidationsluft zu prüfen.

Rückgewinnen von Wertstoffen

Darüber hinaus verringert sich das Abgasvolumen aus Gas-Flüssig-Oxidationsreaktoren, wenn mit O2-reichem Oxidationsgas gearbeitet wird. Mit dem kleineren Abgasstrom werden weniger flüchtige Kohlenwasserstoffe ausgetragen. Enthaltene Wertstoffe können mit geringerem Energieaufwand und damit verbundener CO2-Emission separiert werden. Ein verminderter Abgasstrom erlaubt zusätzlich eine kleinere Dimensionierung der Abgasreinigungs- bzw. Wertstoffrückgewinnungsanlage mit entsprechend geringeren Investitionskosten.

Sauerstoffanreicherung beimClaus-Prozess

Weltweit werden etwa 2000 Claus-Anlagen betrieben, in denen Sauergase mit hohen Konzentrationen an H2S unter Erhalt von Elementarschwefel gereinigt werden. Aufgrund der Forderung nach schwefelarmen Produkten, sogenannten Clean Fuels, sind steigende H2S-Mengen zu verarbeiten. Diese können durch die vorhandenen Claus-Anlagen, in denen in der Regel Prozessluft zur partiellen H2S-Oxidation verwendet wird, häufig nicht mehr bewältigt werden. Diese Anlagen sind vor allem bezüglich der realisierbaren Gasdurchsatzmenge limitiert. Reduziert man die zugeführte Prozessluftmenge jedoch bei gleichzeitiger Zuführung von gasförmigem Sauerstoff (GOX), so kann erheblich mehr Sauergas bzw. H2S verarbeitet werden. Eine Steigerung des O2-Gehaltes in der Claus-Prozessluft von 21 auf 28Vol.-% beispielsweise kann eine Kapazitätserhöhung von mehr als 30% ermöglichen.

Darüber hinaus bringt diese bereits häufig angewandte Betriebsweise mit O2-Anreicherung weitere vorteilhafte Effekte mit sich, die vor allem mit der erniedrigten Prozessluftmenge zusammenhängen. Mit deren Absenkung verringert sich insbesondere die Menge an inertem Stickstoff, der durch die Claus-Anlage zu schleusen ist. Dies äußert sich in einer Temperaturerhöhung im Claus-Ofen, so dass unerwünschte Spurenstoffe, wie zum Beispiel Ammoniak, effektiver zersetzt werden und vermehrt Wasserstoff gebildet wird. Hierzu kommt, dass in der abschließenden Nachverbrennungsstufe weniger Inertgas mit aufzuheizen ist. So kann dort das notwendige erhöhte Temperaturniveau durch erheblich geringeren externen Energieaufwand erreicht werden als bei reinem Luftbetrieb des Claus-Ofens. Die entsprechend resultierende Einsparung an Brennstoff bzw. Senkung des CO2-Aufkommens kann über 20% hinausgehen; dies konnte auch im Rahmen von Feldversuchen bestätigt werden.

Experimente schaffen Klarheit

Eine ganze Reihe wichtiger Basischemikalien wird technisch durch Oxidationsreaktionen erhalten, die in Gas/Flüssig-Reaktoren durchgeführt werden. Hierzu zählen beispielsweise die Luftoxidationen von Cumol, Toluol sowie p-Xylol, die zu den Produkten Phenol/Aceton, Benzoesäure sowie Dimethylterephthalat (DMT) führen. Experimentelle Untersuchungen bezüglich dieser Stoffsysteme haben gezeigt, dass durch eine Sauerstoffanreicherung der Oxidationsluft mit nur geringem Investitionsaufwand Steigerungen der Ausbeuten bei gleichzeitig verringerter Abgasemission erzielt werden können.

Der zentrale Schritt bei der Produktion von Dimethylterephthalat – einem wichtigen Monomer für die Produktion von Polyestern wie etwa PET – ist die Herstellung des Zwischenproduktes Monomethylterephthalat durch die katalytisch unterstützte Luftoxidation eines Gemisches aus p-Xylol und p-Toluylsäuremethylester. Experimentelle Untersuchungen haben auch in diesem Fall gezeigt, dass eine Sauerstoffanreicherung der Oxidationsluft nicht nur eine Umsatzsteigerung, sondern auch eine Erhöhung der Selektivität mit sich bringen kann. Die berechneten Selektivitäten und Selektivitätsveränderungen als Funktion der Sauerstoffkonzentration der Oxidationsluft auf der Basis von Messergebnissen wurden an einer Technikumsanlage erhalten. Im Vergleich zur herkömmlichen Luftoxidation kann die Selektivität durch eine Sauerstoffanreicherung von 21 auf 27Vol.-% um annähernd 15% ansteigen. Selektivitätsverbesserungen führen normalerweise zu einer Verringerung der spezifischen Abgasemission bezogen auf die Produktionsmenge. Dies führt zu einer Entlastung der Abgasaufarbeitung und zur Verbesserung des Umweltschutzes.

Beispiel Abwasserverbrennung

Bei Abwasserverbrennungsanlagen kann es bei Produktionssteigerungen zu Engpässen kommen. Solche Verbrennungsanlagen werden beispielsweise dann eingesetzt, wenn die Abwasserinhaltsstoffe biologisch schwer abbaubare Verbindungen enthalten. Die Verbrennung der Abwässer findet bei hohen Temperaturen von mehr als 1000°C mit Mehrstoffbrennern statt. Da in der Regel der organische Anteil im Abwasser zu gering ist, um die Verdampfung des Wassers und die Überhitzung des Wasserdampfes zu gewährleisten, benötigt man zusätzliche Energie, die durch Verbrennen von Erdgas oder flüssiger Lösemittelabfälle erzeugt wird.

Durch eine Sauerstoffanreicherung der Verbrennungsluft sind Durchsatzsteigerungen um bis zu 30% ohne größere Umbauten möglich. Gleichzeitig wird der Erdgasverbrauch pro Kubikmeter verbranntes Abwasser deutlich gesenkt, da weniger Energie zum Aufheizen des Stickstoffanteils im Oxidationsgas benötigt wird. Hierdurch reduziert sich auch die CO2-Emission gegenüber der konventionellen Fahrweise.

Beispiel Kryokondensation

Bei der Kryokondensation werden Abgasströme in Wärmeübertragern mit flüssigem Stickstoff soweit abgekühlt, dass die darin enthaltenen Wert- oder Schadstoffe kondensieren. Die zur Einhaltung der gesetzlichen Abgasnormen erforderliche Taupunktunterschreitung kann durch die Verwendung von flüssigem Stickstoff (-196°C bei 1 bar) als Kälteträger auch bei sehr niedrigen Temperaturen leicht eingestellt und geregelt werden. Die Kryokondensation lässt sich wirtschaftlich für die Behandlung von Abluftströmen einsetzen, die mit Kohlenwasserstoffen beladen sind. Typischerweise werden Abgasströme von einigen 100m³/h mit einer Kohlenwasserstoffbeladung ab etwa 40g/m³ behandelt. Die Kryokondensation hat im Vergleich zu anderen Abgasreinigungsverfahren eine Reihe von Vorteilen:

• Rückgewinnen kondensierter Stoffe;
• Nutzung des verdampften Stickstoffs zur Inertisierung;
• keine zu entsorgenden Hilfsstoffe, wie beispielsweise bei der Absorption oder Adsorption;
• niedrige Investitionskosten und geringer Wartungsaufwand;
  hohe Flexibilität bezüglich Menge und Art der Abgasinhaltsstoffe.

Die Armortisationszeit der Investitionskosten für Kryokondensationsanlagen beträgt oft nur ein bis zwei Jahre, insbesondere dann, wenn der verdampfte Stickstoff zusätzlich zur Inertisierung genutzt werden kann. Steigende Kosten für Erdöl und daraus gewonnene Basischemikalien werden die Attraktivität der Wertstoffrückgewinnung durch Kryokondensation in Zukunft noch vergrößern. Eine Nachhaltigkeitsbetrachtung zeigt, dass die Kryokondensation auch im Hinblick auf die CO2-Emission einer Verbrennung vorzuziehen ist.

Entscheider-Facts
Für Anwender

• Die beschriebenen Anwendungen belegen, dass durch den Einsatz technischer Gase bei thermischen und katalytischen Oxidationen die Kapazität von Produktions- und Entsorgungsanlagen gesteigert werden kann, ohne dass Abgassystem und Umwelt stärker belastet werden.
• Bei vielen Anwendungen führen geringere Gasvolumenströme zu geringerem Energieaufwand und damit zu verminderten umweltschädlichen Emissionen.
• Neben Sauerstoff kann auch Stickstoff einen wesentlichen Beitrag zur Energieeffizienz leisten, wenn dessen Kälteenergie für kryogene Prozesse verwendet wird.

Autor: Johann Kaltenegger
Ausgabe:11/2010 November