Projekt 10645/01

Aminrückgewinnung in Gießereien aus der Abluft von Kernformmaschinen, die nach dem Cold-Box-Verfahren arbeiten

Projektdurchführung

HYDAC Process Technology GmbH
Industriegebiet Grube König, Am Wrangelflöz 1
66538 Neunkirchen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der Herstellung von Formkernen in Gießereien nach dem Cold Box Verfahren werden große Mengen an Aminen freigesetzt, speziell Dimethylethylamin, welches wegen seiner Eigenschaften wie extrem hoher Dampfdruck, extrem niedriger Siedepunkt und Toxizität eine erhebliche Umweltbelastung darstellt. Entsprechende Abluftströme werden mittels Säurewäscher gereinigt. Jedoch steigt dabei der Gewichtsanteil an zu entsorgender Waschlauge auf das 6fache der ursprünglichen Aminmenge an. Im vorliegenden Projekt sollte daher der Ansatz des produktionsintegrierten Umweltschutzes durch Rückgewinnung und Wiedereinsatz dieses Amins verfolgt werden. Eine Rückgewinnung und Wiedereinsatz des Amins in den Arbeitsprozess führt zu einer erheblichen Entlastung der Umwelt. Sie erspart große Mengen an Sonderabfall. Hinzu kommen erhebliche Einsparungen an Schwefelsäure für den Aminwäscher und beim Aminverbrauch. So sollte im vorliegenden Anwendungsfall bei einem Aminverbrauch von 40 t pro Jahr eine Sondermülleinsparung von 240 t Waschlösung pro Jahr erzielt werden. Eine Demonstrationsanlage wurde konzipiert und installiert.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZiel war die Planung, die Konstruktion, die Installation und Inbetriebnahme einer Aminrückgewinnungsanlage in einer Gießerei. Die Rückgewinnung erfolgt über das CAMP-Verfahren (Combined Adsorption Membrane Process) ein kombiniertes Adsorprions-Membranverfahren. Eine Kombination der Adsorpti-on/Desadsorption mit der Dampfpermeation durch Membrane ist hier besonders vorteilhaft, da sowohl der Adsorberteil als auch der Membranteil des kombinierten Verfahrens getrennt und unabhängig an die jeweiligen Bedingungen vor Ort angepasst werden können. Es handelt es sich um folgende Teilschritte:
* Absaugsystem für 14 Kernkästen an Kernformmaschinen, die unabhängig voneinander maschinentakt-spezifisch produzieren,
* Vorabscheidung/Aufbereitung der Kernkastenabluft
* Rückgewinnungsanlage (CAMP-Anlage)
* Kondensat-Rückführungssystem
Hierzu wurde der CAMP-Prozess an die spezifischen Anforderungen der Aminrückgewinnung angepasst. die entsprechenden Verfahrensparameter waren anhand der Vorarbeiten in die Anlagenkonzeption zu übertragen. Ebenso waren Planungs- und Konstruktionsunterlagen zu erstellen, die Anlagen zu montieren und anzuschließen sowie die Inbetriebnahme und die Praxiserprobung durchzuführen. In Zusammenarbeit mit Halberg Guss wurde das Gesamtsystem konzipiert. Halberg Guss übernahm die Planung und Installation der Kernkastenabsaugung (Maschinenzusammenführung) sowie Aminrückführung und Verteilung. Hydac übernahm die Planung und Ausführung der Vorabscheidung sowie der Aminrückgewinnungsanlage. Die Anlage wurde entsprechend der Konstruktionsunterlagen errichtet, montiert,aufgebaut und ohne Lösemittel getestet. Die dabei ermittelten Verfahrensparameter zeigten den erfolgreichen Scale-Up der Anlagentechnik. Alle Verfahrensparameter (Temperaturverhalten, Druckregelung etc. wurden entsprechend der Anlagenauslegung umgesetzt.


Ergebnisse und Diskussion

Die Prüfung der technischen Realisierbarkeit wurde erfolgreich abgeschlossen. Hierzu wurde die transportable Pilotanlage auf die für die Aminrückgewinnung notwendige Prozessführung umgerüstet und an die Abluft einer unter Produktionsbedingungen arbeitenden Loramendi-Kernformmaschine, die nach dem Cold-Box-Verfahren arbeitet, fest angeschlossen. Anhand dieser realen Betriebsbedingungen wurden die für das Amin notwendigen Verfahrensparameter für die Rückgewinnung verifiziert. Um irreversible Ablagerungen auf der Adsorberkohle zu vermeiden, mußte eine Vorreinigungsstufe in Form einer Staubabscheidung bzw. eines Opfer-Adsorberbettes vorgeschaltet werden.
Ein großer Teil der Vorversuche bezog sich vor allem auf Fragen der Vorbehandlung der Abluftströme wie Staubabscheidung zum Langzeitschutz der Adsorber vor Verklebung und Vergiftung. Auch das Verhalten der Aminqualität bei mehrfachem Recycling über einen längeren Zeitraum und die Einflüsse eventueller Anreicherungen von Fremdstoffen wie Lösemittel oder Wasser, usw. waren Gegenstand der Vorversuche. Weiter wurden das Standzeitverhalten von Komponenten und das der eingesetzten Membrane, die Optimierung der Absaugung und die Langzeiterfassung der durch eine reine Kernkastenabsaugung anfallenden Aminmengen untersucht. Die Vorversuche haben ergeben, dass mit dem CAMP-Verfahren eine Aminrückgewinnung prinzipiell möglich ist und dass das zurückgewonnene Amin zur Kernherstellung erneut eingesetzt werden kann. Die probeweise mit dem zurückgewonnenen Amin geformten Kerne hatten die gleiche Qualität und Festigkeit wie Kerne mit frischem Amin als Katalysator für den Härteprozess. Die direkte Absaugung an den Kernkästen der Maschine führte zusätzlich zu einer er-heblichen Reduzierung der Aminbelastung am Arbeitsplatz.
Leider musste aus produktionstechnischen Gründen ca. ½ Jahr vor Inbetriebnahme der Rückgewinnungsanlage das Gasharz-Bindersystem umgestellt werden. Dabei wurde das Lösemittel für das Gasharz geändert und mit einem ca. 10 %igen Trioxan-Anteil versehen. Aufgrund seiner physikalisch-chemischen Eigenschaft verflüchtigt sich das an sich feste Trioxan und wird gasförmig zusammen mit dem Katalysator abgesaugt. Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Lösemitteln für das Gasharz wird dieses Trioxan nicht durch die Vorabscheidestufe zurückgehalten, sondern adsorbiert wie das Amin auf der Aktivkohle. Zusammen mit dem Amin wird das Trioxan in der nachfolgenden Regenerierung desorbiert. Es passiert ebenfalls zusammen mit dem Katalysator die Membranstufe, fällt im Permeatkreis aus. Allerdings nicht wie Fraktionen des bisherigen Lösemittels für das Gasharz in flüssiger Form, in der es in der ersten Kondensatstufe abgeschieden wird, sondern es fällt als Feststoff aus und bildet einen Nadelfilz ähnlichen Belag in Kondensatoren und Ventilen, der zum Verstopfen des gesamten Permeatkreises führt. Diverse Versuche, das Trioxan in Vorabscheidestufen abzufangen, sind erfolglos geblieben. Auch eine selektive Adsorption auf der Aktivkohle durch eine Verdrängungsadsorption über den Katalysator kann nicht realisiert werden. Umfangreiche Versuche, das Verfahren auch mit dieser Komponente zu betreiben, sind leider bisher gescheitert. Ziel der abschließenden Arbeiten war es daher, eine erneute Umstellung des Lösemittels für das Gasharz zu erreichen. Hier laufen auch weitere Untersuchungen zusammen mit dem Gasharzhersteller.


Fazit

Das Beispiel der in dem Projekt gewonnenen Erfahrung zeigt einmal mehr, wie schwierig eine Interessenabwägung zwischen Produktionsanforderungen und Umweltschutz häufig ist. Die Projektpartner arbeiten zur Zeit am Einsatz einer neuen Gasharz-Generation, die den Betrieb der Aminrückgewinnung erlaubt. Das ökologische und wirtschaftliche Potential zum Einsatz dieser Technik ist vorhanden. Nach un-serer Einschätzung kann das Konzept in ähnlicher Größenordnung im Falle des Erfolgs in ca. 80 von et-wa 300 im Verband der deutschen Eisengießereien zusammengeschlossenen Betrieben prinzipiell eingeführt werden. Unter diesem Gesichtspunkt kam der Erstellung einer Referenzanlage bei Halberg Guss für die Praxiseinführung des Verfahrens eine besondere Bedeutung zu.
Es ist ein klassisches Beispiel, wie mit produktionsintegriertem Umweltschutz auch eine echte Kostenreduzierung erreicht werden kann. Gleichzeitig zeigt dieses Beispiel auch, dass hierzu ein Umdenken in der Produktion erforderlich ist, denn Prozessänderungen müssen nicht nur im Hinblick auf Produkterfordernisse, sondern auch auf die integrierten Prozesse berücksichtigt werden. Da jedoch zum Zeitpunkt der Umstellung des Gasharzes die Aminrückgewinnung noch nicht integriert war, ist eine Anforderung an das neue Gasharz - geeignet für Aminrückgewinnung nicht berücksichtigt.
Wäre eine Aminrückgewinnung bereits Bestandteil der Produktion gewesen, so ist sicher anzunehmen, dass eine Gasharzumstellung die Funktionsfähigkeit der Rückgewinnung von Amin vorausgesetzt hätte.
Zur Zeit wird an der Entwicklung einer neuen Gasharz-Generation gearbeitet, die bei gleichen Produkteigenschaften auch eine Aminrückgewinnung erlaubt.