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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
und das zugehörige
Verfahren zur Reinigung von Abgasen mit oxidierbaren Schadstoffen
unter Verwendung von 2 Reaktoren, bei dem durch die Kombination
von Adsorption und Katalyse mit geringem Energieaufwand auch kleine
Konzentrationen von Schadstoffen sicher abgebaut werden.
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Eine Vielzahl moderner Be- und Verarbeitungsverfahren
für polymere
Werkstoffe sowie Abbrände
von Ölen
und anderen Hilfsstoffen in der Metallverarbeitung erzeugen schadstoffbelastete
Abluft, die meist mit Hilfe betrieblicher Absauganlagen oder lokaler
Absaugungen aus der Arbeitsstätte
entfernt wird, um die arbeitshygienischen Erfordernisse einzuhalten. Ähnliche
Absauganlagen werden in Küchenbetrieben
zur Entfernung des Wrasens insbesondere bei der Zubereitung von
Nahrungsmitteln durch Braten in Ölen
und Fetten eingesetzt.
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Allen genannten Prozessen ist gemeinsam,
dass durch die Absaugung aus der Raumluft eine beträchtliche
Wärmemenge
entzogen wird. Aus diesem Grunde enthalten derartige Absauganlagen
häufig
aufwändige
Luft/Luft-Wärmetauscher
oder die Nachlieferung der Wärme
wird über
eine zusätzliche
Aufwärmung der
Zuluft aufgebracht. Die Einhaltung der notwendigen Emissionsgrenzwerte
zum Einleiten der Abgase in die Atmosphäre wird durch Filter- und Abscheideaggregate
in unterschiedlichen verfahrenstechnischen Kombinationen nach dem
Stand der Technik gewährleistet.
Die Filter- und Abscheiderückstände müssen zum
großen Teil
als Sonderabfälle
aufwändig
entsorgt werden.
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Eine Wieder-Einleitung der gefilterten
Abluft in die Arbeitsstätte
ist bei Abgasen mit toxischen Schadstoffen im allgemeinen nicht
möglich,
da kaum wirtschaftlich vertretbare Lösungen zu einer sicheren Schadstoffenffernung
mit einem ausreichenden Abreinigungseffekt existieren.
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Besonders schwierige Reinigungsanforderungen
bestehen, wenn der abgeschiedene Rückstand mehrphasig ist und
dessen feste Phase eine klebrig-pastöse Konsistenz aufweist. Aus
diesen Gründen
werden für
Lasermaterialbearbeitungsanlagen häufig Nasswäschen eingesetzt (siehe
DE 3 203 908 A1 und
DE 4 422 042 A1 ).
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Ansatzpunkte zur Lösung dieser
Problemstellung bestehen in der Verwendung katalytischer Abgasbehandlungsreaktoren.
Die größte Vielfalt
an technischen Lösungen
für die
Abgaskatalyse ist für
die Behandlung der Abgase von Otto- und Dieselmotoren bekanntgeworden.
Neben den bekannten edelmetallhaltigen Katalysatoren auf Keramikträgern werden
z.B. in
DE 3 940 758
C2 Katalysatoren dargestellt, deren aktive Komponente aus
Vanadium und Platinmetallen besteht, die auf feinteiligen Oxiden
oder Zeolithen aufgebracht sind. Eine weitere Ausgestaltung dieses
Prinzips ist aus
DE 4 213 018 ersichtlich,
indem auf einem monolithischen Katalysatorkörper mit Durchströmungskanälen durch
Beschichtung der eigentliche Katalysatorträger aufgebracht wird, der wiederum
mit den bereits bekannten aktiven Komponenten versehen wird. Ebenso
sind mit
DE 3 325 292
A1 edelmetallfreie Oxid-Träger-Katalysatoren
auf der Basis von Eisen, Nickel und Kobalt bekannt. Alternativ zu
diesen Oxid-Träger-Katalysatoren
sind technische Lösungen
für katalytisch
wirkende Systeme aus Drahtwolle, -gewebe oder -gestrick (
DE 4 243 500 A1 ,
DE 4 417 984 C1 )
beschrieben. Prinzipien zur Herstellung derartiger Katalysatoren
sind in
DE 4 416 469
C1 ,
DE 19
508 820 C1 ,
DE
19 503 865 C1 ,
DE
19 507179 C1 und
DE
19 539 827 C1 ausgeführt.
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Die Kombination von katalytischem
Reaktor mit vorgeschalteter Adsorption wird in
DE 4 142176 A1 zur Reinigung
von Abluft aus keramischen Brennöfen
beschrieben. Die Abluft wird hierbei nacheinander durch eine Adsorberwabe,
einen elektrisch betriebenen Gaserhitzer und einen Wabenkatalysator
geleitet. Eine komplexere Konzeption verfolgt
DE 19 527 490 A1 , indem
der Adsorber nach dem Katalysator angeordnet ist, betriebsmäßig vom
Reaktionsprodukt des Katalysators durchströmt wird und in Abständen einem
Desorptionsschritt unterworfen wird. Die dabei freigesetzten Schadstoffe
werden durch einen Rückführungskanal
dem Katalysator wieder zugeführt,
während
das Reaktionsprodukt des Katalysators ohne weitere Nachbehandlung freigesetzt
wird. Die Trennung verschiedener Schadstoffe in Abgasen durch partielle
Desorption eines Adsorbers mit dem Ziel der selektiven Beseitigung
dieser Schadstoffe ist in
EP
9101367 dargestellt. Diese Erfindung bezieht sich außerdem auf
das zugehörige
Prinzip zur Gasrückführung.
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Vorrichtungen mit dem Ziel, den Katalysator
durch vorgeschaltete Adsorption vor Ablagerungen und Katalysatorgiften
zu schützen,
sind ebenfalls aus dem Kfz.-Bereich bekannt. In
DE 4 326121 C2 ist eine
technische Lösung
dargestellt, die die vorgeschaltete Adsorption mit hochtemperaturbeständigen Zeolithen
vornimmt. Weiterhin ist in
DE
3 407172 C2 ein Prinzip zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren
beschrieben, bei dem sich Filterelemente für Ruß mit Katalysatorelementen
zur Nachverbrennung gasförmiger
Komponenten abwechseln. Dabei sind auch die Rußfilterelemente mit einem die
Zündtemperatur
des Rußes
senkenden und seinen Abbrand fördernden
Katalysator ausgerüstet.
Die Patentschrift
US 5 272 874 beruht
auf einer Kombination zwischen Katalysator, Wärmeaustauscher und Filter,
um durch Abkühlung
der Reaktionsprodukte des Katalysators einen guten Filterwirkungsgrad
des nachgeschalteten Filters zu erreichen.
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Die bekannten technischen Lösungen zur
oxidativen Abgasreinigung konzentrieren sich auf die Behandlung
relativ hoher Schadstoffkonzentrationen, um eine autotherme Betriebsweise
des Katalysators zu erreichen. Eine externe Aufheizung der Abluft,
um die Arbeitstemperatur des Katalysators zu erreichen und zu halten,
ist im Allgemeinen unwirtschaftlich. Im Falle der Beseitigung von
arbeitshygienisch bedenklichen Schadstoffkonzentrationen wird in
keinem Falle eine für
den autothermen Katalysatorbetrieb ausreichende Konzentration erreicht.
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Nachteilig ist bei den bekannten
Vorrichtungen und Verfahren weiterhin, dass nur mit aufwändigsten Verfahrenskombinationen
eine Reinigungsleistung erreicht wird, die eine Wieder-Einleitung
der Abluft in die Arbeitsstätte
gestattet. In diesen Fällen
werden Waschflüssigkeiten
oder Feststoff-Filterhilfsmittel benötigt, die die erzeugte Sonderabfall-Menge
noch weiter vergrößern.
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Es werden insbesondere unter Berücksichtigung
des Einsatzes neuer Werkstoffe Verfahren zur Abluftreinigung benötigt, die
eine hohe Reinigungsleistung aufweisen und den Wärme-Energiehaushalt der Arbeitsstätte nicht
belasten. Darüber
hinaus ist der Anfall von Sonderabfällen zu minimieren. Es ist
anzustreben, dass diese Verfahren ohne wesentliche Vorwärmung des
Hauptluftstromes auskommen.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb,
eine Vorrichtung und das zugehörige
Verfahren zu entwickeln, um auf oxidativem Wege die Schadstoffe
aus der Abluft von Arbeitsstätten
und Bearbeitungsmaschinen zu entfernen. Die Eigenschaften des Abgases
sollen dessen Wieder-Einleitung
in die Arbeitsstätte
zulassen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der zu reinigende Luftstrom durch eine Vorrichtung mit zwei
Reaktoren geleitet wird, die alternativ als Oxidator oder als Adsorber
wirken und aus zwei- oder mehrschichtigen beheizbaren Reaktionszonen,
jeweils zusammengesetzt aus Oxidationskatalysator und Adsorptionsmasse,
bestehen. Beide Reaktoren werden im Sinne eines Regenerativbetriebes
durch Steuerung der vorgeschalteten Ventile und der Heizung nach
einem Zeitprogramm oder in Abhängigkeit
von der mit einem Sensor ermittelten Durchbruchskonzentration betrieben.
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Die Heizer der zwei oder mehreren
Reaktionszonen werden separat so gesteuert, dass beim Betrieb des
Reaktors als Oxidator zuerst die dem Ausgang am nächsten liegende
Reaktionszone auf die Katalysatoranspringtemperatur gebracht wird
und die weiteren Reaktionszonen in ihrer Reihenfolge aktiviert werden, so
dass die Reaktionszone am Reaktoreingang als letzte die Katalysatoranspringtemperatur
erreicht.
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Dabei werden typischerweise die Reaktionszonen
aus einer unten liegenden Adsorber- und einer oben liegenden Oxidationskatalysator-Schicht
gebildet. Abweichend davon kann die dem Reaktorausgang am nächsten liegende
Reaktionszone aus einer unten liegenden Oxidationskatalysator- und
einer oben liegenden Adsorber-Schicht gebildet werden.
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Eine vorteilhafte Ausführung der
Erfindung ergibt sich, wenn Adsorber und Oxidationskatalysator in
einer gemeinsamen Schüttung
verwendet werden oder der Oxidationskatalysator selbst als Adsorber
wirkt.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand
der schematischen Zeichnung näher
erläutert
werden. 1 zeigt den
grundsätzlichen
Aufbau ohne Berücksichtigung
der zur Sensorik und Steuerung notwendigen Zusatzeinheiten.
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Die Vorrichtung besteht aus den Ventilen 6 und 7 in
der Zuführung
zu den Reaktoren 1 und 2, deren gemeinsamer Ausgang
mit der Saugseite eines Lüfters 11 verbunden
ist. Jeder Reaktor besteht aus zwei oder mehreren Reaktionszonen 8, 9, 10 (Zeichnung:
3 Reaktionszonen, die zwei- oder mehrschichtig (Zeichnung: zwei
Schichten) aus Oxidationskatalysator 3 und Adsorptionsmasse 4 und
einem Heizer 5 bestehen. Die Oberschicht besteht aus dem
Katalysator, die Unterschicht aus der Adsorptionsmasse. Aus verfahrenstechnischen Gründen kann
diese Schichtung in der Reaktionszone, die sich unmittelbar am Ausgang
des Reaktors befindet, umgekehrt werden. Ebenso werden bei geeigneten
Systemen aus Katalysator und Adsorptionsmasse gemischte Reaktionszonen
ohne Trennung von Katalysator und Adsorptionsmasse hergestellt bzw.
der Katalysator übernimmt
selbst die Funktion der Adsorptionsmasse.
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Katalysator und Adsorptionsmasse
werden hinsichtlich ihres Temperaturverhaltens durch Auswahl geeigneter
Stoffe aufeinander abgestimmt: Bei Katalysatoranspringtemperatur
sind mindestens 5 % und höchstens
35 % des auf der Adsorptionsmasse gesammelten Schadstoffs desorbiert;
die maximale Arbeitstemperatur des Katalysators überschreitet die zulässige maximale
Arbeitstemperatur der Adsorptionsmasse nicht.
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Es wird davon ausgegangen, dass Reaktor 1 mit
Schadstoffen durch einen vorhergehenden Adsorptionsschritt beladen
ist, wohingegen Reaktor 2 durch eine vorhergehende Oxidation
eine freie Adsorptionskapazität
aufweist.
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Die mit Schadstoffen beladene Zuluft 12 wird überwiegend
durch das geöffnete
Ventil 7 auf den inzwischen erkalteten Reaktor 2 geleitet.
Dieser Reaktor wirkt für
die Schadstoff als Adsorber.
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Ein kleiner Teil der Zuluft tritt
durch Ventil 6 in den Reaktor 1 ein, der nachfolgend
in den Zustand als Oxidator versetzt wird. Die am Ausgang des Reaktors
befindliche Reaktionszone 10 wird mit Hilfe ihres Heizers auf
die Katalysatoranspringtemperatur gebracht. Wenn diese erreicht
ist, werden in der Reihenfolge die vorhergehenden Reaktionszonen
durch ihre zugeordneten Heizer aktiviert. Durch Abstimmung von Katalysator und
Adsorptionsmasse wird erst in der Nähe der Katalysatoranspringtemperatur
eine nennenswerte Menge der Schadstoffe desorbiert und an der jeweils
nächsten
Katalysatorschicht oxidativ abgebaut. Durch die entwickelte Reaktionswärme ist
bis zur Verbrennung des gesamten Schadstoffinventars ein autothermer
Betrieb des Katalysators gesichert. Die Heizer werden daher nach
Erreichen der Katalysatoranspringtemperatur abgeschaltet. Nach dem
Abbau der gesamten desorbierbaren Schadstoffe fällt die Temperatur des Reaktors 1 allmählich auf
Umgebungstemperatur ab.
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Nach einem ausreichenden Erkalten
wird programmgesteuert die Stellung der Ventile 6 und 7 gewechselt.
Jetzt wird der beladene Reaktor 2 in den Zustand als Oxidator
versetzt, wohingegen der Reaktor 1 als Adsorber wirkt.
Alle Vorgänge
wiederholen sich sinngemäß.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand
folgender Beispiele näher
erläutert
werden.
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1. Ausführungsbeispiel
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Zur Behandlung der Abgase aus einer
Anlage zur Lasermaterialbearbeitung von PUR-Schaumstoff-Verbunden wurde eine erfindungsgemäße oxidative
Abgasreinigung für
einen Luftdurchsatz von 5.000 m3/h aufgebaut.
Die ankommende Abluft wird auf zwei schaltbare Drosselklappen verteilt
und den Reaktoren zugeführt.
Die Drosselklappen sind so durchbohrt, dass bei geschlossener Klappe
ca. 50 m3/h durch den Reaktor fließen. Es
stellte sich ein Druckverlust von 4650 Pa durch den Reaktor in der
Betriebsart als Adsorber ein.
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Die Reaktoren bestehen aus jeweils
67 l eines kommerziellen Drahtgestrick-Katalysators mit einer Anspringtemperatur
von 330 °C
und 9 l dealuminierten Y-Zeoliths, verteilt auf 3 Reaktionszonen.
Die mechanische Abtrennung des Y-Zeoliths erfolgt mit Hilfe eines
Drahtgewebe-Filterbeutels. Die vom Luftstrom durchflossene freie
Querschnittsfläche
beträgt
0,09 m
2. Die Beheizung ist für Katalysatoranspringtemperaturen
bis max. 490 °C
geeignet. Die Abgaszusammensetzung wird mit einem Halbleiterverbrennungssensor
on-line überwacht.
Die Steuerung wird mit einem Zeitprogramm vorgenommen, das vom Signal
des Halbleiterverbrennungssensors überlagert wird. Als Zykluszeit
wurde 3 h festgelegt. Die Reaktionszonen wurden, beginnend mit der
in der Nähe
des Reaktorausgangs mit einer Zeitdifferenz von 10 min zugeschaltet.
Es ergeben sich folgende Messwerte:
Tab.
1 Reinigungswirkung der Vorrichtung im Ausführungsbeispiel 1
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Die Heizung schaltete sich jeweils
nach etwa 23 bis 28 min ab. Es ergab sich in der mittleren Reaktionszone
der Temperaturverlauf gemäß 2.
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2. Ausführungsbeispiel
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Eine Versuchsanlage mit einem Durchsatz
von 1.500 m3/h wurde für den Einsatz zur Behandlung
von Ölnebeln
in Werkstatt-Räumen
konzipiert. Zur Behandlung dieser Luft wurde eine oxidative Abgasreinigung
in Kompaktbauform realisiert. Die ankommende Raumluft wird mit Hilfe
eines motorbetätigten
Drehschiebers im oberen Teil des Reaktors auf die Reaktoren verteilt.
Der Drehschieber ist so konstruiert, dass in beiden Endstellungen
jeweils 20 m3/h Luft durch den als Oxidator
betriebenen Reaktor fließen.
Der Druckverlust des Reaktors in der Betriebsart als Adsorber betrug
4380 Pa.
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Die Reaktoren bestehen aus einem
Gemisch jeweils 21 l eines kommerziellen Draht-Katalysators und 5
l HZSM-Katalysator, verteilt auf 2 Reaktionszonen. Die vom Luftstrom
durchflossene freie Querschnittsfläche beträgt 0,04 m
2.
Die Beheizung ist für
Katalysatoranspringtemperaturen bis max. 450 °C geeignet. Der eingestellte
Zeitversatz zwischen dem Beginn der Aktivierung der beiden Reaktionszonen
betrug 8 min. Die Abgaszusammensetzung wird mit einem Papier-Kontroll-Filter visuell
dauerüberwacht.
Die Steuerung wird mit einem Zeitprogramm vorgenommen. Als Zykluszeit
wurde 6 h festgelegt. Es ergeben sich folgende Messwerte: Tab.
2 Reinigungswirkung der Vorrichtung im Ausführungsbeispiel 2
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Als Katalysatoranspringtemperatur
wurde etwa 315 °C
beobachtet. Die Heizung schaltete sich jeweils nach etwa 32 bis
35 min ab.
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- 1
- Reaktor
1
- 2
- Reaktor
2
- 3
- Schicht
Oxidationskatalysator
- 4
- Schicht
Adsorptionsmasse
- 5
- Heizeinrichtung
(gesteuert)
- 6
- Ventil
für Reaktor
1
- 7
- Ventil
für Reaktor
2
- 8
- Reaktionszone
(am Eingang des Reaktors)
- 9
- Reaktionszone
- 10
- Reaktionszone
(am Ausgang des Reaktors)
- 11
- Lüfter
- 12
- Zuluft
(Schadstoff beladen)
- 13
- Fortluft
(gereinigt)
