Abluft effizient reinigen

Dreckig rein, Sauber raus

12.10.2007 Nicht nur in der Volkswirtschaft, sondern auch in der Umwelttechnik gibt es eine Variante der Pareto- oder 80/20-Regel. Sie besagt, dass man mit 20% des technischen und finanziellen Aufwandes 80% der Schadstoffe beseitigen kann.Die letzten 20% der Schadstoffe beanspruchen aber 80% des Aufwandes. Im Fall der Abluftreinigung wird die 80/20-Regel manchmal gar zu einer 95/5-Regel: Grund genug, genau hinzuschauen, wenn man die letzten Milligramm im Abluftstrom in Angriff nimmt.

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Je nach Abluftsituation kommen für einen Betrieb meist nur zwei, höchstens drei Abluftreinigungsverfahren in Frage. Zuerst steht die Vorauswahl anhand von Kriterien, wie Betriebszeit, Volumenstrom, Stoffliste und Vorhandensein von Aerosolen, an. Dann gilt es, die gewählten Verfahren einer Lebenszyklusbetrachtung über mindestens drei Jahre zu unterwerfen, um die am besten geeignete Methode herauszufinden. In der Chemie- und Pharmaproduktion liegen in kleinen und mittleren Abluftströmen von maximal 6000m³/h meistens flüchtige organische Verbindungen (VOC, nach volatile organic compound) vor. Diese Abluftströme haben oft eine schwankende Zusammensetzung mit wechselnden Schadstoffen und Konzentrationen. Die Abluftreinigungsverfahren, die in die engere Wahl kommen, sind meistens

  • die thermische Nachverbrennung (mit rund 41% in Deutschland das häufigste Abluftreinigungsverfahren);
  • die Adsorption, meist an Aktivkohle (24%);
  • die katalytische Nachverbrennung (19%).

Biofilter, Kondensation und (Oxidations-)Wäsche haben deutlich geringere Marktanteile.

Die Stärken und Schwächen

Die thermische Nachverbrennung wird vor allem deshalb so oft gewählt, weil sie, solange bestimmte Schadstoffe wie halogenierte Kohlenwasserstoffe nicht auftreten, ein sehr robustes Verfahren ist, das eine breite Palette von Schadstoffen abbaut. Sie ist aber, was Investitions- und Energiekosten anbetrifft, meistens die kostspieligste Methode und gerade für kleine bis mittlere Abluftströme im Verhältnis zu teuer.

Die Adsorption an Aktivkohle hat zunächst niedrige Investitionskosten: Im einfachsten Fall ist die Anlage nur ein durchströmter, mit Aktivkohle gefüllter Behälter. Das bittere Erwachen kommt, wenn die Aktivkohle gewechselt werden muss. Und das ist bei flüchtigen Verbindungen oder hohen Beladungen sehr oft der Fall: Entsorgungskosten und ein neues Adsorptionsmittel bzw. Regenerationskosten fallen an. Das Adsorptionsmittel kostet jedes Jahr ein Vielfaches mehr als die Anlage an sich. Das Verfahren kann sich trotzdem dann eignen, wenn nur sporadische oder gering beladene Abluftströme anfallen.
Die katalytische Nachverbrennung hat den wichtigsten Vorteil mit der thermischen Nachverbrennung gemeinsam – nämlich den sicheren Abbau der Schadstoffe auf niedrige Reingaswerte – und zeichnet sich daneben durch einen niedrigeren Energieverbrauch aus – da die Verbrennung läuft bei 350°C anstatt bei über 800°C ab. Der Nachteil besteht darin, dass der Katalysator nicht mit Katalysatorgiften in Kontakt kommen darf, deren Vorhandensein schon während der Planungsphase ausgeschlossen werden sollte. Jeder Katalysator hat seine eigene, spezifische „Giftliste“, so dass man einen geeigneten Katalysator auswählen kann: Es muss nicht für jeden Anwendungszweck Platin sein.
Ein weiterer Nachteil jedes Verbrennungsverfahrens ist, dass es nur bei ausreichend hohen VOC-Konzentrationen wirtschaftlich läuft, da ansonsten Zusatzbrennstoff zugeführt werden muss, wie etwa Erdgas. Dieser Nachteil lässt sich durch die Kombination von katalytischer Nachverbrennung mit adsorptiver Voranreicherung beseitigen. Bei diesem Abluftreinigungsverfahren ist der katalytische Nachbrenner mit zwei zeolithgefüllten Adsorbern kombiniert, die im Wechsel betrieben werden.
Um Aerosole abzufangen, die sich dauerhaft in den Adsorbern festsetzen könnten, ist die Anlage mit einem mechanischen Vorfilter ausgerüstet. Dieser verhindert nicht nur ein Fouling der Adsorber, sondern auch jene Emissionen, die dadurch entstehen, dass ein Großteil der Aerosole unverändert die Abluftreinigungsanlage passiert. Der Vorfilter dient also nicht nur dem Schutz der Anlage, sondern ist ein entscheidender Faktor bei der Einhaltung der Reingaswerte. In der nächsten Stufe tritt das beladene Rohgas in einen von zwei Adsorbern ein und verlässt danach gereinigt die Anlage. In der Zwischenzeit durchläuft der zweite Adsorber einen Desorptions- und einen anschließenden Abkühlzyklus. Ein kleiner erhitzter Luftstrom wird durch die beladene Adsorberschüttung und anschließend über den katalytischen Nachbrenner geleitet, wo die desorbierten Schadstoffe zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert werden. Abfälle entstehen bei dem Verfahren nicht.

Von der Lasergravur zur Pharma

Das Verfahren wurde ursprünglich für die Abluftreinigung von Laserdirektgravuranlagen entwickelt. Viele der beim Lasergravieren von Flexodruckplatten entstehenden Schadstoffe, etwa Acrylnitril und Butadien, sind krebserzeugende Stoffe nach der TA-Luft. Acrylnitril ist ein krebserzeugender Stoff der Klasse II mit einem Emissionsgrenzwert von 0,5mg/m³, Butadien als krebserzeugender Stoff der Klasse III darf eine Massenkonzentration von 1mg/m³ haben. Diese Reingaswerte werden mit dem Verfahren regelmäßig eingehalten.

Für zahlreiche andere Lösemittel, die weniger flüchtig sind als 1,3-Butadien, ist der übliche Grenzwert von 20mg vergleichsweise problemlos einzuhalten. Das Reinigungsverfahren kann in diesen Fällen besonders ökonomisch arbeiten. Die Anlagen haben sich auch außerhalb ihres spezifischen Einsatzgebietes, der Laserdirektgravur von Flexodruckplatten, bewährt, so zum Beispiel in der pharmazeutischen Produktion oder in der Metallverarbeitung für das Absaugen von Entfettungsbädern. Grundsätzlich ist die Kombination von adsorptiver Anreicherung und katalytischer Nachverbrennung für beinahe alle flüchtigen organischen Verbindungen geeignet, die katalytisch oxidierbar sind und deren Flüchtigkeit ein gewisses Mindestmaß nicht unterschreitet. Phosphor- und schwefelhaltige Verbindungen etwa sind für das Verfahren nicht geeignet, aber die Mehrzahl der gängigen Lösemittel – von den polaren Lösemitteln wie Ethanol, Aceton und DMF (Dimethylformamid) bis hin zu den apolaren wie Petrolether und Toluol – lassen sich kostengünstig und sicher behandeln. Dies gilt ebenso für Schadstoffe aus der Verwendung von chemischen Zubereitungen wie Kühlschmierstoffen und für Stoffmischungen.

Verfahren im Vergleich

Das Verfahren zeigt seine Stärken vor allem im Grenzbereich der Massenkonzentration, die für Aktivkohleadsorption bereits zu konzentriert, für eine Verbrennung ohne Anreicherung aber noch zu verdünnt ist, also im Bereich von etwa 100 bis 2500 mg/m³. Die genauen Werte sind stoffabhängig.

Die Grafik zeigt den Kostenvergleich zwischen einer Aktivkohleanlage ohne Regenerationsperipherie und dem kombinierten Verfahren, also einer Voranreicherung an Zeolith und anschließender katalytischer Nachverbrennung, für den folgenden Musterfall: 300mg/Nm³ 2-Butanon, 5000Nm³/h, 25°C, 1-Schicht-Betrieb, Abschreibungsdauer drei Jahre.

Berücksichtigt wurden nur die Kosten von Abschreibung, Energie, Adsorbens und Entsorgung. Die kostenmäßig schwerer zu fassenden Faktoren, zum Beispiel modulare Bauweise der Anlage, Aufstellung, Umbau und Erweiterung sowie Wartungsumfang, sind betriebsabhängig und wurden nicht mit eingerechnet. Darüber hinaus wurden für die Rechnung die Anlagen in drei Jahren abgeschrieben, während die tatsächliche Standzeit zehn Jahre oder mehr beträgt. Die anfangs höhere Investition in eine Anlage, die im späteren Verlauf keine Entsorgungskosten und nur geringe Kosten für Energie und Verbrauchsmaterial verursacht, zahlt sich spätestens nach zwei Jahren aus.

Heftausgabe: Oktober 2007

Über den Autor

Ronald Krippendorf, Werksleiter Jenoptik Katasorb
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