Projekt 19594/02

Entwicklung einer katalytischen Nachverbrennung zur prozessintegrierten Abluftreinigung mit elektrisch regeneriertem Aktivkohlegranulat (2. Phase)

Projektdurchführung

NANO-X GmbH
Theodor-Heuss-Str. 11 a
66130 Saarbrücken

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Forschungsvorhabens war, auf Basis der elektrisch regenerierten Granulataktivkohle-Adsorber (GAC-Adsorber) ein Verfahren zur Abscheidung von VOC (volatile organic compounds) geringer Konzentration aus großen Abluftmengen zu entwickeln, das im Vergleich z. B. zu Thermoreaktoren deutlich günstigere Investitionskosten und um mindestens den Faktor 2 niedrigere Energieverbräuche und damit auch die entsprechend niedrigeren Emissionen von CO2 hat. Die gereinigte Abluft wird über die Entfernung der VOC hinaus in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften nicht verändert, so dass sie ganz oder teilweise wieder in die Produktionshalle zurückgeführt werden kann. Außerdem ist das Verfahren unempfindlich gegenüber Änderungen der Abluftzusammensetzung und der Schadstoffkonzentration. Es ist auch für VOC mit einem Siedepunkt über 200°C geeignet. Mit dem Verfahren sind Anreicherungen bis zum 1000-fachen möglich, so dass die angereicherte Luft in katalytischen Nachverbrennungsanlagen mit Niedrigtemperaturkatalysatoren bei ca. 200°C autotherm verbrannt werden kann. Durch die niedrigen Katalysatortemperaturen wird auch bei der Verbrennung stickstoffhaltiger Verbindungen nur sehr geringe NOX-Bildung erwartet.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn die Bearbeitung folgender Hauptarbeitsabschnitte waren alle drei Partner stark vernetzt eingebunden.
1. Detail-Konstruktion des elektrisch regenerierten GAC-Adsorbermoduls mit Hilfe eines Labormodells
2. Planung und Bau der elektrisch regenerierten Adsorbermodule incl. Werkstofftests
3. Optimierung der Konfektionierungsmethoden des Niedrigtemperaturkatalysators
4. Herstellung des fertigen Katalysators mit Sintermetallspiralen als Träger
5. Test des Katalysatorreaktors im Technikum
6. Test des Adsorbermoduls auf Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung im Technikum
7. Pilot-/ Demonstrationsversuche in der Kernmacherei der Aluminiumgießerei im Dauerbetrieb
8. Modellierung des Gesamtsystems
9. Abschließende Optimierung des Katalysators aufgrund der Ergebnisse der Pilotversuche
10. Ökonomischer und ökologischer Vergleich des neuen Verfahrens mit herkömmlichen Verfahren.
Die Pilotversuche fanden mit Unterstützung der Fa. Hydro Aluminium Alucast GmbH, Dillingen statt. Fa. HJS Fahrzeugtechnik GmbH & Co KG, Menden, stellte SMF-Band und Riffelwalzen zur Verfügung.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen der zweiten Projektphase wurde in einer Aluminiumgießerei die Eignung eines Verfahrens zur Abscheidung von VOC aus der Hallenluft einer Kernmacherei auf der Basis eines Abluftreinigungsverfahrens mit elektrisch regenerierbaren Granulataktivkohle-Adsorbern in Kombination mit einer Verbrennung des angereicherten Desorbates über Niedrigtemperaturkatalysatoren getestet. Das Projekt umfasste die erfolgreiche Entwicklung und den Bau von elektrisch regenerierbaren GAC-Adsorbern, die Herstellung von Niedrigtemperaturkatalysatoren für eine Pilotanlage zur katalytischen Oxidation der VOC sowie den Test des Gesamtsystems im Dauerbetrieb in einer Gießerei.
Die entwickelten Granulataktivkohle-Adsorber zeigen als Voraussetzung für einen sicheren Anlagenbetrieb eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Filterfläche mit sehr guten Regeleigenschaften. Im Dauereinsatz in der Gießerei konnten die erwarteten Reingaswerte bezüglich Dimethylamin (DMEA) und Gesamt-Kohlenstoff eingehalten werden. Die gute Abreinigung des Rohgases widerspiegelt sich auch in der Geruchsstoffkonzentration im Reingas. Falschluftströme von ca. 5% sollen durch konstruktive Änderungen an den Modulen in Zukunft vermieden werden. Die Regeneration der Adsorber verlief so gut, dass die Standzeiten der Adsorber sogar besser waren, als nach den Laborversuchen aus der ersten Projektphase zu erwarten gewesen wäre. Die verwendeten Niedrigtemperaturkatalysatoren, die je zur Hälfte aus SMF-Spiralen, die mit Co20Mn80Ox bzw. mit Pt beschichtet waren, bestehen, erreichten im frischen Zustand bei Temperaturen unter 280°C Umsätze >99,9%, zeigten jedoch ein deutliches Alterungsverhalten, welches weiterführende Entwicklungsarbeiten zum Erreichen der Praxistauglichkeit er-fordert.
Es konnte gezeigt werden, dass das Verfahren der Anreicherung von Schadstoffen durch elektrisch regenerierte Granulataktivkohleadsorber und nachfolgende thermische Behandlung des mit Schadstoffen angereicherten Desorptionsgasstroms möglich und im Vergleich zu bekannten Verfahren wirtschaftlich ist. Die gereinigte Abluft kann in die Produktionshalle zurückgeführt werden, wodurch erhebliche Mengen Heiz- und Klimatisierungsenergie eingespart werden. Bei einem Vergleich mit dem prinzipiell gleichen alternativen Verfahren, bei dem als Adsorbens statt der Granulatkohle Aktivkohlefasergewebe eingesetzt wird, hat das neue Verfahren große wirtschaftliche Vorteile. Wegen des um fast zwei Größenordnungen niedrigeren Aktivkohlepreises kann dieses Verfahren auch dann noch wirtschaftlich eingesetzt werden, wenn auf längere Sicht (6 - 12 Monate) die Kohle durch nicht desorbierbare Reaktionsprodukte blockiert wird. Weiterhin ist von Vorteil, dass durch die im Vergleich zum Aktivkohlefasergewebe insgesamt höhe-ren Kohlemengen seltener regeneriert werden muss.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Präsentation auf der 13. Internationalen Sommerakademie 2007 der DBU in Marienthal, Sachsen.
Weitere Veröffentlichungen in Fachzeitschriften und auf Präsentationen auf Tagungen sind geplant.


Fazit

Aus Sicht der Projektpartner wird das Ergebnis der Arbeiten als Erfolg gewertet. Die gefundenen Wege zur Lösung der Aufgabenstellung unterscheiden sich zwar in einigen Punkten vom Ausgangspunkt gemäß dem ersten Projektantrag, aber die schließlich gefundenen Wege sind aus nachträglicher Sicht insgesamt in Hinsicht auf ökonomische Aspekte und den Modellcharakter der Untersuchungen vorteilhaft.
Das Ziel einen günstigen Nicht-Edelmetall-Niedrigtemperaturkatalysator für die katalytischen Oxidationsstufe des Verfahrens zu entwickeln, konnte während der Pilotierungsphase allerdings nur teilweise erreicht werden. Die entwickelten Katalysatoren und auch ein kostenintensiver kommerzieller Platinkatalysator zeigten unerwartet schnell auftretende Alterungserscheinungen.
Es konnte dennoch gezeigt werden, dass das Verfahren der Anreicherung von Schadstoffen durch elektrisch regenerierte Granulataktivkohle-Adsorber und nachfolgende thermische Behandlung des mit Schadstoffen angereicherten Desorptionsgasstroms möglich und im Vergleich zu bekannten Verfahren wirtschaftlich ist. Die gereinigte Abluft kann in die Produktionshalle zurückgeführt werden, wodurch erhebliche Mengen Heiz- und Klimatisierungsenergie eingespart werden.