Projekt 19317/01

Plasmaregenerierbares Aerosolfilter

Projektdurchführung

Institut für Umwelttechnologien (IUT) GmbH
Volmerstr. 9 B
12489 Berlin

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Anlass des Vorhabens ist das ungelöste Problem der Abluftreinigung von Laserschneidanlagen für Kunststoffe. Durch die Entwicklung des Laserstrahls auf das zu bearbeitende organische Material werden sowohl Gase und Dämpfe als auch Aerosolpartikel erzeugt, die im Sinne der Gefahrstoffverordnung bedeutsam sind. Die Abluftbehandlung beim Trennschneiden von Kunststoffen kann teilweise durch eine kosten- und materialintensive Kombination bestehender Verfahren erreicht werden. Das steht dem Interesse nach kompakten, dezentralen, jederzeit einsatzbereiten und wirtschaftlichen Verfahren entgegen. Die Zielstellung des Vorhabens besteht in der Entwicklung eines diskontinuierlichen Reinigungsverfahrens auf der Basis eines nichtthermischen Plasmas bzw. von Ozon für komplexe organische, aerosolbeladene Abluftströme im Bereich bis 2.000 Nm3/h. Dabei soll die komplexe Schadstofffracht an einem porösen Material adsorbiert und aufkonzentriert werden. In technologisch bedingten Pausen wird das Filter kontinuierlich mittels Ozon oder mit Hilfe eines nichtthermischen Plasmas in einem kleinen, geschlosse-nen Gasstrom abgereinigt. Die Hardware für dieses Verfahren kann sehr kompakt ausgeführt werden. Das Schadstoffproblem wird durch die Vor-Ort-Regenerierung des Filters nicht verlagert. Existierende Laserschneidanlagen ohne ausreichende Abluftmaßnahmen können nachgerüstet werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAufbauend auf vorangegangene Arbeiten der Projektpartner sollten zwei unterschiedliche Verfahrenskonzepte bearbeitet und anlässlich eines Meilensteins einer kritischen Bewertung unterzogen werden. Beim Ansatz des IUT wird der beladene Schadstofffilter in einem geschlossenen Kreislauf einem plasmaaktivierten Luftstrom ausgesetzt. Die durch das nichtthermische Plasma (NTP) erzeugten aktiven Radikale sowie das in der Entladung produzierte Ozon oxidieren die auf dem Filter gebundenen Schadstoffe mit Unterstützung eines Katalysators zu Wasser und Kohlendioxid. Durch den Kreislauf wird eine mehrfache Verwendung überschüssigen Ozons möglich, gleichzeitig kann die Aufheizung des Gasstromes auf die Aktivierungstemperatur des Katalysator energieeffizient vorgenommen werden.


Ergebnisse und Diskussion

Der Lösungsansatz des Partners FHM ging von positiven Erfahrungen beim Einsatz eines Ozonreaktors im Krematorium Halle aus. Das Konzept sieht die Behandlung des beladenen Filters durch einen Luft-strom vor, dem Ozon aus einem industriellen Ozongenerator in hoher Konzentration bei verhältnismäßig geringem Gasstrom zugesetzt wurde. In der ersten Projektphase erfolgten Laboruntersuchungen zur Beladbarkeit von Schüttungsmaterialien mit gasförmigen organischen Komponenten und Aerosolen und anschließender Regenation mit Ozon. Es wurden eine Reihe von Adsorbenzien auf ihre Eignung als Fil-termaterial untersucht. Die besten Resultate ließen sich mit Hilfe hydrophober dealuminierter Zeolithe erzielen. Alle untersuchten kostengünstigeren Schüttungsmaterialien erwiesen sich aufgrund der nur un-zureichenden Adsorptionskapazität für die Anwendung als ungeeignet. Das Zeolith ZEOCAT PZ 2/400 wurde als Schüttungsmaterial in einer Technikumsanlage verwendet und das Langzeitverhalten wurde untersucht. Im Wechsel wurden wiederholte Beladungs- und Regenerierungszyklen gefahren.Die Regenerierung erfolgte mit Ozon bei einer Konzentration von 1- 2 g/m3 und einer Leerrohrge-schwindigkeit von etwa 3 cm/s. Die Prozesstemperatur betrug 25 bzw. 100° C, die Regenerationszeit 25 - 96 h.
Bewertung der Ergebnisse:
· Bestimmte Zeolithe weisen gute Eigenschaften bzgl. Adsorption organischer Substanzen sowie bzgl. Regeneration mit Ozon auf.
· Unter Umgebungstemperatur findet der Abbau von Aerosolen und adsorbierten Substanzen nur unvollständig statt. Temperaturerhöhung auf 100° C ermöglicht die Regeneration des Filtermaterials.
· Im Langzeitverhalten des ZEOCAT PZ2/400 konnte keine dauerhafte Verschlechterung der Adsorptionskapazität mit steigender Anzahl der Adsorptions-/Regenerationszyklen festgestellt werden.
Die Reaktionen von Ozon mit abgeschiedenen Aerosolen bzw. adsorbierten Komponenten führen nicht ausschließlich zur Bildung von CO und CO2. Vielmehr entsteht eine Reihe organischer Zwischenprodukte, die während der Anfangsphase der Regeneration den Reaktor als Emissionspeak verlassen. Noch intensiver tritt dieser Prozess in Erscheinung, wenn eine Regeneration des Filters bei höheren Temperaturen erfolgt. Dann überlagert sich dem durch organische Nebenprodukte verursachten Peak ein zweiter Emissionspeak, der aus der Desorption adsorbierter Komponenten (Temperaturerhöhung) in der Schüttung resultiert.


Fazit

Obwohl die Untersuchungen gezeigt haben, dass das Konzept des regenerierbaren Aerosolfilters grundsätzlich realisierbar ist, kann ein Übergang in den technischen Maßstab derzeit nicht empfohlen werden. Aufgrund der hohen Investitionskosten für die Adsorbensschüttung sind die Chancen für eine anschließende Vermarktung gering. Derzeit existiert keine erprobte Maßnahme zur Verringerung der während der Regeneration auftretenden Sekundäremissionpeaks. Bei der technischen Umsetzung des Plasma-Konzeptes ergaben sich Schwierigkeiten, die im Vorfeld nicht einschätzbar waren.
Die Ergebnisse bieten Ansatzpunkte für eine modifizierte Technologie, welche jedoch partiell noch Untersuchungen erfordert. Im Labormaßstab sollten folgende Lösungsansätze weiter untersucht werden:
· Verkürzung der Regenerationszeit durch definierte Temperaturregime und hohe Ozonkonzentrationen während der Regeneration.
· Verminderung der Sekundäremissionen durch einen nachgeschalteten Hochleistungs-Mini-Kat.
· Minimierung der für die Regeneration benötigte Ozonmenge durch Zwischeneinspeisung.
Die IUT-Variante sah eine Regenerierung des Filters im Kreislaufbetrieb mit Plasmamodul und Katalysatorschüttung bei verminderten Volumenflüssen und Betriebstemperaturen um 100° C vor. Wenngleich der diskontinuierliche Regenerationsbetrieb eine anwenderfreundliche Verfahrensweise darstellt, führt er zu Problemen. Bedingt durch die hohe Adsorptionskapazität des Schüttungsmaterials reichert sich in der Beladungsphase eine beträchtliche Menge an Organik im Aerosolfilter an. So beträgt in einem Aerosolfilter der für einen Volumenstrom von 2000 Nm3/h eine Standzeit von 90 h ausgelegt ist allein die Masse adsorbierter organischer Substanzen etwa 50 kg. Hinzu kommen abgeschiedene Aerosole. Die Beseitigung dieser großen Menge an Organik bedarf einer entsprechenden hohen Menge an Oxidationsmittel. Wird dieses durch einen leistungsfähigen Ozongenerator bereitgestellt, ergeben sich hohe Investitionskosten der Anlage. Wird ein preiswerter kleinerer Ozongenerator verwendet, so werden längere Regenerationszeiten notwendig.