DE19936965C2

DE19936965C2 - Verfahren zum Betreiben einer Abluftreinigungsanlage und Abluftreinigungsanlage

Info

Publication number: DE19936965C2
Application number: DE1999136965
Authority: DE
Inventors: E Schippert; Horst Chmiel
Original assignee: UMWELTKOMPATIBLE PROZESTECHNIK
Current assignee: GESELLSCHAFT FUER UMWELTKOMPATIBLE PROZESSTECHNIK
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2019-08-06
Also published as: DE19936965A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abluftreinigungsanlage zur Abscheidung organischer Abluftinhaltsstoffe. Sie betrifft weiterhin eine Abluftreinigungsanlage zur Abscheidung organischer Abluftinhaltsstoffe, bestehend aus einem Biowäscher mit vorgeschaltetem Ausgleichfilter.

In vielen Fällen fallen in der industriellen Praxis produktionsbedingt abluftseitige Emissionen nicht kontinuierlich, sondern in einem wiederkehrenden zeitlichen Rhythmus an. Typische Beispiele hierfür sind:

- Emissionen fallen nur in einer Schicht für 8 h/d und nur werktags an
- Emissionen fallen bei Chargenprozessen in einer Art Glockenkurve an, z. B. bei Trocknungs- oder Aushärtungsprozessen (siehe Fig. 1).

Abluftreinigungsanlagen für diese Emissionen, z. B. thermische Anlagen wie thermische, katalytische oder regenerative Nachverbrennungseinheiten oder biologische Abluftreinigungsanlagen, wie Biowäscher und Biofilter, müssen in diesen Fällen nach der maximalen Emissionsfracht und maximalen Luftmenge ausgelegt werden, obwohl für den größten Teil der Tageszeit nur weitaus geringere oder gar keine Emissionen anfallen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zu finden, das die Konzentration und/oder Fracht der in der Abluftreinigungsanlage zu behandelnden Schadstoffe über den Tagesverlauf weitgehend glättet.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 5 gelöst. Eine erfindungsgemäße Abluftreinigungsanlage wird in den Patentansprüchen 6 bis 8 beschrieben.

Dieses Verfahren soll im folgenden am Beispiel eines industriellen Prozesses, bei dem als Abluftreinigungsanlage ein Biowäscher vorgesehen ist, näher erläutert werden.

Biologische Abluftreinigungsanlagen, insbesondere Biowäscher werden industriell eingesetzt als kostengünstiges Verfahren zur Abscheidung organischer Abluftinhaltsstoffe. Besondere Vorteile im Vergleich zu anderen Verfahren bestehen dann, wenn die Abluftströme groß sind

(< 10000 m³/h) und die Abluftbelastung relativ klein ist (< 2 g/m³). Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz von Biowäschern ist eine ausreichende Wasserlöslichkeit der zu absorbierenden und biologisch abzubauenden Stoffe. Wenn der Luft-Wasser- Verteilungskoeffizient des auszuwaschenden Stoffs größer als ca. 5 (mg/m³)/(mg/l) ist, wird das erforderliche Waschwasser-Luft-Verhältnis so groß, daß Biowäscherverfahren nicht mehr sinnvoll eingesetzt werden können (Fig. 2).

Folgende Parameter sind ganz wesentlich für die Dimensionierung von Biowäschern und die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens:

- Luft-Wasser-Verteilungskoeffizient der zu absorbierenden Stoffe: Dieser bestimmt die benötigte Waschwassermenge, die im Kreislauf über den Wäscher und das Belebungsbecken geführt wird.
- Maximale Kurzzeitrohgaskonzentration: Diese bestimmt die Absorptionskolonnenhöhe.
- Maximale Fracht an Organik als 1-Stunden-Mittelwert, die absorbiert und biologisch abgebaut werden muß: Diese Fracht bestimmt die Größe des Belebungsbeckens und die zu installierende Belüftungsleistung.

Somit ist klar, daß es für den Betrieb von Biowäschern günstig ist, wenn die Lösemittelbelastung möglichst gleichmäßig über den Tag (= 24 h) und über die Woche erfolgt, was in der Praxis allerdings sehr häufig nicht der Fall ist, z. B. wenn nur 8 h/d und 5d/Woche produziert wird. Wenn es hier gelänge, durch Vorschaltung eines Ausgleichsfilters die während der eigentlichen Produktionszeit emittierte Fracht einigermaßen gleichmäßig auch auf die produktionsfreie Zeit und auf das Wochenende zu verteilen, könnte der sinnvolle (weil wirtschaftliche und umweltfreundliche) Einsatz von Biowäschern wesentlich erweitert werden.

Gleichzeitig könnten (wie weiter unten detailliert gezeigt wird) auch Stoffe wie Butylacetat mit hinreichend großem Wirkungsgrad abgeschieden werden, deren Luft-Wasser- Verteilungskoeffizient eigentlich zu groß ist für eine Abscheidung im Biowäscher, da in den produktionsfreien Zeiten die Luftmenge reduziert werden kann.

Schon seit langem werden Aktivkohlefilter mit relativ geringen Filterschichtdicken erfolgreich industriell eingesetzt (z. B. bei der Spritzkabinenabluft in der Automobilindustrie) um kurzzeitige Konzentrationsschwankungen zu glätten (Fig. 3). Die Periode der Konzentrationsschwankungen liegt dabei im Sekunden bis Minutenbereich (Fig. 4).

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, die auf einer Simulationsberechnung beruht, werden durch diese einfache Vorrichtung die kurzzeitigen Konzentrationsschwankungen der Lösemittel wirkungsvoll geglättet. Dies trifft sowohl auf das sehr gut adsorbierbare und schlecht desorbierbare Butylacetat, als auch auf das wesentlich schlechter adsorbierbare und dafür leichter desorbierbare Aceton zu.

Naheliegend wäre es nun, diese Art Ausgleichsfilter mit größeren Kohleschichtdicken auszurüsten, so daß diese eine höhere Aufnahmekapazität, z. B. für die während einer 5- stündigen Produktionszeit anfallende Lösemittelfracht hat (Fig. 5).

Daß diese Annahme nicht richtig ist, zeigen die folgenden Ergebnisse einer Simulationsrechnung (Fig. 6 und Fig. 7).

Die wesentlichen Ergebnisse sind:

- Die maximale Gesamtlösemittelfracht nach dem Ausgleichsfilter nach einigen Tagen Einschwingzeit wird nur um ca. 20% reduziert.
- Die zeitlichen Butylacetat-Fracht-Schwankungen können durch richtige Wahl der Luftmenge während der produktionsfreien Zeit (= 1/3 der Prozeßluftmenge) weitgehend ausgeglichen werden.
- Die Fracht des im Vergleich zum Butylacetat schlecht adsorbierbaren Aceton wird fast nicht abgepuffert.
- Da die Konzentration von Butylacetat auch während der Produktionszeit oberhalb der zulässigen Grenzkonzentration ist, muß die Waschwassermenge nach der vollen Prozeßluftmenge bemessen werden, d. h. mindestens ca. 200 m³/h betragen.

Aufbauend auf der Erarbeitung von Simulationsprogrammen für die Adsorption und Desorption von Lösemitteln und Lösemittelgemischen an Aktivkohle und der Verfügbarkeit von schnellen Rechnern war es möglich, ein einfaches Ausgleichsfilter zu entwickeln und die Auslegungsgrundlagen für dieses Filter zu erarbeiten, das einen wesentlichen Fortschritt gegenüber den herkömmlichen, oben beschriebenen Verfahren bietet.

Die wesentlichen Verfahrensmerkmale sind:

- In der produktionsfreien Zeit wird die Strömungsrichtung im Filter umgekehrt, so daß die in Fig. 8 rechte Hälfte der Aktivkohle immer weitgehend frei von höhersiedenden Lösemitteln (Butylacetat) bleibt und in der Produktionszeit leichtersiedende (Aceton) Lösemittel aufnehmen kann.
- Die Desorptionsluftmenge kann so gesteuert werden, daß der Biowäscher mit einer weitgehend konstanten Lösemittelfracht beaufschlagt wird; sie muß natürlich in der zeitlichen Summe mindestens so groß sein wie die während der Produktionszeit.
- Gegebenenfalls kann die Desorptionsgeschwindigkeit durch leichte Erwärmung der Desorptionsluft erhöht werden.

Die Ergebnisse einer Simulationsrechnung für ein derartiges Ausgleichsfilter mit Richtungsumkehr zeigen die Fig. 9, 10 und 11, wobei eine wirkliche Optimierung der Desorptionsluftmengen und Temperaturen noch nicht vorgenommen wurde, um eine Vergleichbarkeit mit dem Ausgleichsfilter ohne Richtungsumkehr (Fig. 6 und 7) zu ermöglichen.

Die wesentlichen Ergebnisse dieser Simulationsrechnung sind:

- Die maximal abzubauende Lösemittelfracht (1-Stunden-Mittelwert) wird auf weniger als ein Drittel reduziert.
- Butylacetat fällt im Biowäscher nur in der produktionsfreien Zeit (d. h. in der Desorptionsphase) an. Die Waschwassermenge kann deshalb auf die Luftmenge in der Desorptionsphase bezogen werden und beträgt deshalb nur ein Drittel der erforderlichen Menge ohne Ausgleichsfilter mit Richtungsumkehr.

In der nachfolgenden Tabelle werden wesentliche Verfahrensparameter (die bei derartigen Anlagen üblichen Sicherheitszuschläge sind hierbei berücksichtigt) für eine Biowäscheranlage ohne und mit vorgeschaltetem Ausgleichsfilter mit Richtungsumkehr zusammengefaßt, insoweit sie sich wesentlich unterscheiden, wobei von folgenden Auslegungsdaten ausgegangen wird:
Prozeßluftmenge:
12000 m³/h für 5 h/d
Prozeßluftbelastung:
Butylacetat: 0.7 g/m³ für 5 h/d
Aceton: 0.9 g/m³ für 5 h/d
Rel. Feuchte: 40%
Temperatur: min 20°C, max 30°C
Reingaskonzentration:
< 100 mg/m³ Summe Lösemittel

Zusammenfassend ist festzuhalten, daß bei Produktionsverhältnissen, bei denen die produktionsfreien (= emissionsfreien) Zeiten mindestens 50% der Gesamtzeit betragen und ein Biowäscher prinzipiell sinnvoll zur Abgasreinigung eingesetzt werden kann, durch die Vorschaltung eines Aktivkohleausgleichsfilters mit Richtungsumkehr folgendes erreicht werden kann:

- Die emittierte Organikfracht kann vor dem Biowäscher über 24 h vergleichmäßigt werden.
- Der Anwendungsbereich für Biowäscher kann erweitert werden auf Substanzen mit einem Luft-Wasser-Verteilungsverhältnis von bis zu 15 (mg/m³)/(mg/l).
- Der Waschturmdurchmesser kann reduziert werden, wenn die produktionsfreien Zeiten mehr als 50% betragen.
- Das Belebungsbecken, die erforderliche Belüftungsleistung und Waschwasserkreis laufmenge können um jeweils mehr als 50% reduziert werden.

In jedem Fall erfordert die Auslegung eines Ausgleichsfilters Simulationsrechnungen mit einem leistungsfähigen und an der Praxis geprüften Rechnerprogramm.

Vorteilhafte Varianten des neuen Verfahrens bestehen in folgendem:

- Das im Ausgleichsfilter eingesetzte Adsorbens muß nicht Aktivkohle sein. Andere einsetzbare Adsorbentien sind z. B. Zeolithe, Adsorberharze oder Kieselgel.
- Zur Verkürzung der Desorptionsphase kann, wenn erforderlich die Temperatur der Desorptionsluft in einem Wärmetauscher erhöht werden. Pro 10°C Temperaturerhöhung verkürzt sich die Desorptionszeit etwa um den Faktor 2.
- Eine Möglichkeit der weiteren Optimierung der zeitlichen Glättung besteht darin, die Desorptionsluftmenge nach einem Zeitprogramm zu steuern, so daß die desorbierte Fracht auch über die gesamte Desorptionszeit annähernd konstant ist.
- Wie man aus der letzten obigen Abbildungen erkennen kann, ist (aus physikalischen Gründen) charakteristisch beim Einsatz des Ausgleichsfilter mit Richtungsumkehr, daß in der Produktionszeit etwas geringere zu behandelnde Schadstofffrachten anfallen als in der produktionsfreien Zeit. Die zeitliche Gleichmäßigkeit der zu behandelnden Schadstofffrachten kann noch weiter verbessert werden, indem während der Produktionszeit ein gewisser Anteil der Abluft am Ausgleichsfilter vorbeigeführt und direkt der Abluftbehandlungsanlage zugeführt wird.

Das Ergebnis zeigt die Fig. 12 für eine Bypassmenge von 15% bei ansonsten den gleichen Randbedingungen wie oben beschrieben.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Abluftreinigungsanlage zur Abscheidung organischer Abluftinhaltsstoffe, wobei der Abluftreinigungsanlage ein Ausgleichfilter vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitlichen Vergleichmäßigung der Konzentration und/oder Fracht der in der Abluftreinigungsanlage zu behandelnden Schadstoffe über den Tagesverlauf die Richtung, mit der die Luft den Ausgleichfilter durchströmt, zyklisch umgekehrt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehr der Strömungsrichtung der Luft jeweils während der produktionsfreien und somit emissionsfreien Zeit erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidmengenstrom in der produktionsfreien Zeit so eingestellt wird, daß die in der emissionsfreien Zeit desorbierte Fracht an organischen Inhaltsstoffen mindestens gleich derjenigen ist, die vorher in der Produktionszeit adsorbiert worden ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Desorptionsgeschwindigkeit die Desorptionsluft erwärmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren zeitlichen Vergleichmäßigung der Konzentration und/oder Fracht der in der Abluftreinigungsanlage zu behandelnden Schadstoffe während der Produktionszeit ein gewisser Anteil der Abluft am Ausgleichsfilter vorbeigeführt und direkt der Abluftreinigungsanlage zugeführt wird.

6. Abluftreinigungsanlage zur Abscheidung organischer Abluftinhaltsstoffe, wobei der Abluftreinigungsanlage ein Ausgleichfilter vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitlichen Vergleichmäßigung der Konzentration und/oder Fracht der in der Abluftreinigungsanlage zu behandelnden Schadstoffe über den Tagesverlauf Mittel zum zyklischen Umkehren der Richtung, mit der die Luft den Ausgleichfilter durchströmt, vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichfilter aus Aktivkohle besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abluftreinigungsanlage eine thermische, katalytische oder regenerative Nachverbrennungseinheit oder ein Biowäscher bzw. ein Biofilter ist.