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Katalytische Abluftreinigung für flüchtige Kohlenwasserstoffe (VOC)

02.08.2010

Bietigheim-Bissingen, 02.08.2010 – Katalytische Verfahren sind in der Abluftbehandlung wieder im Kommen. In den vergangen 15 bis 20 Jahren wurden sie wegen der Anfälligkeit der Katalysatoren für Katalysatorgifte häufig durch thermische Verfahren ersetzt. Ihr jetziges Comeback verdanken die katalytischen Verfahren zur Oxidation von VOCs zwei überzeugenden Vorteilen: ihrem niedrigen Energiebedarf sowie deutlich geringeren NOx-Emissionen.

Der Abgasreinigungsspezialist Dürr Environmental and Energy Systems (EES), ein Geschäftsbereich des Maschinen- und Anlagenbaukonzerns Dürr, realisiert katalytische Verfahren bevorzugt in der chemischen Industrie. Klassische Anwendungsgebiete sind Abluftreinigungsanlagen für die Produktion von PTA, für Kalzinierungsprozesse (Katalysatorherstellung) sowie für die Herstellung von Maleinsäuredehydrid, Oelfine, Kautschuk und Acrylic.

Aus Kostengründen geht auch in weiteren Industriezweigen der Trend verstärkt zu kleineren Abluftströmen und geringeren VOC-Beladungen. Denn Lösemittel sind ein Kostenfaktor und sollen daher nur in geringstmöglichem Maße mit dem Abluftvolumenstrom ausgetragen werden. Modernere Produktionsverfahren tragen diesem Thema der Materialeffizienz immer mehr Rechnung.

Verfahrensauswahl: Vorteile ausschöpfen

Wichtige Punkte für die Verfahrensauswahl sind zum einen Verfahrensparameter wie Volumenstrom, Temperatur, das Vorhandensein von Partikeln in der Abluft und die Art der einzelnen VOCs. Für die Wahl des Katalysatortyps ist es von Bedeutung, ob aromatische, oxygenierte, halogenierte Kohlenwasserstoffe oder Alkane abgereinigt werden müssen. Bei dem kurzkettigen Alkan Methan kann heutzutage noch kein Katalysator effektiv eingesetzt werden. Es wird jedoch angestrebt, dass zukünftige Katalysatortypen auch diesen Stoff abreinigen können.

Um für die jeweilige Abluftzusammensetzung ein passendes Anlagen-Herzstück – den Katalysator – anbieten zu können, arbeitet Dürr EES eng mit namhaften Katalysator Herstellern wie z. B. Haldor Topsoe zusammen, um deren weitreichendes Produktportfolio optimal nutzen zu können.    

Katalysatorgifte können den Katalysator innerhalb einer kurzen Betriebszeit deaktivieren und machen einen Austausch des Katalysatormaterials erforderlich, um die geforderten Reingaswerte einhalten zu können. Sowohl die aktiven Stoffe der Katalysatoren als auch die Katalysatorengifte haben sich in den vergangenen Jahrzehnten nicht wesentlich geändert. Die wichtigsten Gifte sind nach wie vor Silizium, Phosphor und Schwefel, Halogenverbindungen sowie als letzte Gruppe Metalle, insbesondere Germanium, Arsen, Selen und Tellur. Niedrige Konzentrationen dieser Stoffe können zwar vorhanden sein, bestimmte Maximalwerte dürfen jedoch nicht überschritten werden.

Der letzte wichtige Punkt für die Verfahrensauswahl ist die VOC-Konzentration selbst. Katalytische Verfahren sind – anders als vergleichbare thermische Verfahren – bereits bei niedrigeren Konzentrationen autotherm. Das heißt, es muss keine zusätzliche Primärenergie zugeführt werden, um die entsprechende Vorwärmung der Abluft auf die notwendige Temperatur am Katalysator zu erreichen. Bei zu hohen VOC-Konzentrationen muss zum Schutz des Katalysators eine Verdünnung vor der Abluftreinigungsanlage durchgeführt werden – hier sind jedoch gewisse Grenzen gesetzt, da bei einer zu starken Verdünnung der zu reinigende Volumenstrom überproportional ansteigt, was sich in höheren Kosten für die einzelnen Aggregate und den Katalysator selbst niederschlägt.

Die Vorteile der katalytischen Verfahren liegen letztendlich in der Einsparung von Primärenergieträgern, da schon bei geringer Lösemittelkonzentration die Abreinigung ohne Zusatzenergie durchgeführt werden kann. Hierdurch verringern sich der Brennstoffverbrauch sowie die CO2-Produktion im Vergleich zu den thermischen Verfahren. Neben den CO2-Emissionen sinken bei einer Abreinigung mittels Katalysator auch die NOx-Konzentrationen im Reingas aufgrund des geringeren Temperaturniveaus.

Katalysatoranlagetechnik von Dürr

Hochdruck-Katalytik

Bei der Herstellung von gereinigtem Terephtalsäure-Anhydrid – kurz PTA –  und anderen Anwendungen, bei denen Abgase mit hohem Druck anfallen, setzt Dürr standardmäßig eine Anlage des Typs Ecopure HPX ein. Das unter hohem Druck stehende Abgas, welches Methylacetat, Methylbromid und Kohlenmonoxid enthält, kann direkt und ohne vorherige Entspannung abgereinigt werden.

Das aus dem Prozess kommende Abgas wird mittels eines Wärmetauschers, der mit Dampf oder vorgewärmter Luft betrieben wird, sowie eines reingasbeheizten Luft/Luft-Wärmetauschers auf die erforderliche Katalysator-Betriebstemperatur erwärmt. Nach Umsetzung der Schadstoffe am Katalysator wird das gereinigte Abgas über den Luft/Luft-Wärmetauscher gekühlt und die Wärme somit zurück gewonnen. Anschließend kann das gereinigte, noch unter Druck stehende Abgas über einen der Anlage nachgeschalteten Expander zur Energiegewinnung geleitet werden. Derzeit realisiert Dürr EES eine Anlage mit diesen Verfahren für einen Produktionsstandort in China. Dort soll eine Abreinigungskapazität von 400.000 kg/h erreicht werden.   

Niederdruck-Katalytik

Ecopure LPX-Anlagen eignen sich prinzipiell für alle katalytischen Anwendungsfälle. Bei einer LPX-Anlage wird die Umsetzung der VOCs bei Umgebungsdruck oder bei niedrigem Überdruck/Unterdruck durchgeführt. Dabei wird die Produktionsabluft zunächst über einen Luft/Luft-Wärmetauscher erwärmt. Anschließend findet eine Restaufheizung auf die notwendige Katalysator-Betriebstemperatur mittels Brenner, Thermalöl oder Dampf statt. Die durch die Umsetzung der VOCs entstehende Wärme wird über den Luft/Luft-Wärmetauscher der ungereinigten Produktionsabluft zugeführt. Ist die Konzentration an VOCs so hoch, dass mehr Wärme als benötigt entsteht, kann die Überschusswärme ohne Nutzung über einen Wärmetauscher-Bypass direkt in den Kamin abgeleitet werden. Die jüngste Ecopure LPX-Anlage von Dürr befindet sich zurzeit beim Kunden Sauer Continence in Deutschland in der Inbetriebnahmephase. Das sehr kompakte System ist für eine Kapazität von 3.000 Nm³/h ausgelegt. 

Regenerative Katalytik

Falls die Produktionsabluft eine sehr geringe VOC-Konzentration aufweist, muss ein effizienteres Wärmetauschermaterial zum Einsatz kommen als die bei der LPX Anlage verwendeten rekuperativen Wärmetauschersysteme. Hierfür steht die Dürr-Anlage Ecopure RCO zur Verfügung. Dabei wird die Luft regenerativ über einen keramischen Wärmetauscher erwärmt, bevor anschließend die Umsetzung der VOCs am Katalysator erfolgt. Nach der Abreinigung wird die im Reingas vorhandene Wärme wieder über einen keramischen Wärmetauscher zurück gewonnen. Die gespeicherte Wärme wird anschließend wieder der Abluft zugeführt. Damit dieses Prinzip zuverlässig funktioniert, arbeitet die Ecopure RCO mit mindestens zwei keramischen Wärmetauschern, die über eine Brennkammer verbunden sind und wechselnd die Energie abgeben bzw. aufnehmen.

Rauchgasreinigung

Ecopure SCR Anlagen zur selektiven katalytischen Reduktion von NOx wandeln katalytisch die im Rauchgas vorhandenen Stickoxide um. Da es sich hierbei also nicht um ein Verfahren zur Umsetzung von VOCs handelt, wird dieser Anlagentyp nicht weiter beschrieben und nur der Vollständigkeit halber kurz erwähnt.

Mit seinem breiten Verfahrensspektrum zur VOC-Abreinigung deckt Dürr die Vielfalt unterschiedlicher Produktionsprozesse bei seinen Kunden flexibel ab. Dabei sorgen die katalytischen Ecopure Systeme von Dürr nicht nur für die effektive Lösung von Abluftproblemen, sondern auch niedrige Betriebskosten durch niedrigen Energieverbrauch.


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