Anwendungen

Anwendungen der neuen Fotooxidationstechnologie

Die Bestrahlung mit UV-Licht für die Desinfektion ist seit langem bekannt und erprobt. Der Einsatz zum oxidativen Abbau von VOC und Gerüchen in der Luft gelang jedoch erst in den letzten Jahren bis zur Anwendungsreife. Neben den Anforderungen des Temperaturmanagements und der potentiellen Empfindlichkeit von UV-Lampen gegenüber Belagsbildung wie Feuchtigkeit waren die geringen Leistungsausbeuten und die aufwendige Energieversorgung als maßgebliche technische Hürden zu überwinden. Hierbei spielt die Entwicklung von speziell adaptierten Niederdruck- sowie leistungsstarken Mitteldruckstrahlern zur anwendungsbezogenen Erzeugung von VUV- und UVC-Strahlung eine bedeutsame Rolle. Die hieraus neu hervorgegangene Technologie nach den Prinzipien der neuen Fotooxiation ist in der Lage auch komplexe Luftreinigungsaufgaben zur Senkung von Geruchs- und VOC-Emissionen zu übernehmen. Durch geschickte Kombination von Prozessschritten können weite Konzentrationsbereiche, konstant oder schwankend, mit Störstoffen oder nicht, zuverlässig behandelt werden.

Geruchselimination

Unangenehme Gerüche entstehen in vielen Prozessen der Industrie wie auch des öffentlichen Lebens. Die zu behandelten Stoffkonzentration liegen in der Rohluft meist zwischen 5 bis 100 mg/m³.
Die diffusen Emissionen sowie die gefassten Raumluftströme in Kompostwerken und Müllbehandlungsanlagen sind systembedingt Träger unangenehmer Gerüche und oft in der Nähe von Wohngebieten zu finden. Limonen, Buttersäure (beißend, Schweiß), Essigsäure (beißend, Essig) und sonst. Carbonsäuren müssen hier oxidiert werden.

In Kläranlagen entstehen durch offene Klärbecken oder Klärschlammbehandlungsanlagen geruchsintensive Emissionen, welche zu einer Geruchsbelästigung der Anwohner führen können(Bild 1). Meist sind hier Schwefelwasserstoff (faule Eier), Mercaptane, Sulfide und sonstige schwefelhaltige Kohlenwasserstoffe, Ammoniak (beißend, Urin) und Skatol (Kot) die Ursachen. Auch Deponien sind Verursacher dieser Art von Gerüchen.
In der Futtermittelproduktion und Tierhaltung und –verwertung kommen noch typische Geruchsstoffe wie Amine (Fisch), Cadaverin und Putrescin (Verwesung) und sonst. stickstoffhaltigen Kohlenwasserstoffe hinzu. Härtereien setzen Amine frei. In der Gummiindustrie sind Acrolein und Styrol (Brandgeruch) zu reduzieren.


Aber auch vermeintlich angenehme Gerüche führen bei Dauerexposition und hohen Konzentrationen zur Belästigung. In der Lebensmittelproduktion, Restaurants/Großküchen werden Röststoffe, Speiseöle, Gewürze verarbeitet, Terpene und Terpenoide (Parfüme) und sonst. Duftstoffe in der Lifescience-Industrie. In der Chemischen Industrie und vielen anderen Industriezweigen sind Aromatische Kohlenwasserstoffe (Benzol, Toluol, Xylol), Aliphatische Kohlenwasserstoffe (Hexan, Ethylen, Butadien) und sonst. sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe (Alkohole, Ether, Aldehyde, Ketone, Ester, Phenole) zu berücksichtigen (Bild 2).
Die Geruchselimination durch UV-Fotooxidation reduziert oder eliminiert sogar vollständig solche geruchsintensiven Stoffe zuverlässig. Die Stoffe werden dabei soweit oxidiert bis sie geruchsinaktiv werden bis hin zur vollständigen Oxidation. Das Ergebnis ist geruchlich unauffällige Abluft, die ohne weiteres in die Umwelt abgegeben werden kann. So wird diese Technik zunehmends in den vorgenannten Anwendungsfeldern bereits eingesetzt. Entscheidenden Einfluss auf die Auslegung und Dimensionierung können neben Volumenstrom, Schadstoffkonzentration und -zusammensetzung auch die Randbedingungen wie Emissionsverläufe, Explosionsschutz, Feuchtigkeit, Aerosole/Stäube, oxidierbare Störkomponenten und Energiekonzepte haben. Bei Kenntnis dieser Zusammenhänge können entsprechende Maßnahmen miteingeplant werden.

VOC-Reduktion

Hier gelten ähnliche Voraussetzungen wie für die Geruchselimination. Die wesentlichen Unterschiede bestehen darin, dass anstatt eines Teilabbaus immer die vollständige Oxidation zu CO2 und H2O die Reinigungsaufgabe darstellt. Auch liegen die Konzentrationsbereiche hier meist höher bei 50 – 10.000 mg/m³. Produktionsbetriebe, die Lösungsmittel bei der Herstellung in Beschichtungsanlagen, Trocknungsanlagen, Coatingmaschinen, etc. einsetzen und lufttechnische Anlagen betreiben, emittieren VOC. Je nach Art und Anfall der Emissionen kommen hier verschiedene Verfahrenskombinationen (DF, RF) zum Einsatz.
Das Verfahren nach den Prinzipien der neuen Fotooxiation wird vielfach erfolgreich eingesetzt in Industrien zur Produktion und Verarbeitung von Lebensmitteln und Kosmetik, Farben und Lacken, Chemikalien, Pharmaka, Metall und Automobile, Holz und Papier (Bild 2), Altlasten, Industrieabwasser, Kompost, Wertstoff und Müll.

Ein japanisches Unternehmen der Papierindustrie betreibt eine Anlage zur Verwertung von Papier- und Kunststoffabfällen (Bild 2). Während dem Verdichtungs- und Pelletierprozess, der Überführung des formlosen Mülls in Pellets, entstehen beträchtliche Temperaturerhöhungen, infolge dessen große Mengen an Wasserdampf und Schadstoffen aus dem Material in den Kühlluftstrom von 6.000 m³/h übergehen. Die VOC sind hier Formaldehyd (40-50 ppm), Ammonia (100 ppm), Amine (50-80 ppm) und Styrene (50 ppm). Zur Schadstoff- und Geruchselimination des entstehenden Luftstroms wurde eine Abluftreinigungsanlage nach dem DF-Prinzip installiert, die neben einer effektiven Aerosol-/ Kondensat- und Staubabscheidung eine Fotooxidationsstufe beinhaltete. Die Anforderung an die Reinigung begrenzte sich nicht nur auf die Schadstoffreduktion, sondern umfasste ebenso die Eliminierung von Gerüchen. Durch die verfahrenstechnische Einbindung in die vorhandene Anlagentechnik, sowie einem geringen Aufwand an Personal- und Betriebsmittelkosten konnte mit einer Leistung von 4,5 kW die Schadstoffreduktion bis auf kleiner 50 ppm reduziert und die entstehenden Gerüche eliminiert werden.

Ein Hersteller von Chemierohstoffen aus Steinkohlenteer, Petroteer und anderen Rohmaterialien betreibt eine biologische Kläranlage, aus welcher belastete Luftströme abgeleitet werden. Im Rahmen der Minderung der Emissionen gemäß VOC-Richtlinie ist die Firma verpflichtet, eine Abluftreinigungsanlage zu betreiben. Die bereits genehmigte und installierte Biofilteranlage war der Reinigungsaufgabe nicht gewachsen und musste ersetzt werden. Besonders die schwankenden Gehalte an BTEX-Aromaten und Alkylbenzolen (50-700 mgC/m³) wurden nicht zuverlässig zurückgehalten und abgebaut. Nach Rückbau wurde eine Fotooxidationsanlage nach dem RF-AF-Prinzip errichtet. Der feuchte Abluftstrom von ca. 14.000 m³/h wird zunächst mittels Tropfenabscheider und Aerosol/Staubfilter von mitgerissenen Partikeln befreit. Eine Vorfilterstufe mit jodimprägnierter Luftaktivkohle scheidet nicht auszuschließende geringe Konzentrationen an H2S mittels Chemiesorption ab. Die organischen Schadstoffkonzentrationsverläufe sind schwankend und auf niedrigem Niveau. Der vorbehandelte VOC-belastete Hauptstrom von 14.000 m³/h wird wechselweise über zwei von drei parallelen Adsorptionsstufen geführt. Hierbei werden die schwankenden NMVOC-Frachten (non methane volatile organic compounds) komplett auf unter 50 mgC/m³ (ohne Methan) durch Adsorption mittels geeignetem Adsorptionsmittel abgeschieden. Die austretende Abluft erfüllt dauerhaft die geforderten Reinluftgrenzwerte.

Bereits vor Erschöpfung des Adsorptionsmittels wird auf die dritte parallele frische Adsorptionsstufe umgeschaltet. Sichergestellt wird dies durch eine Onlinemessung am Anlagenausgang, welcher bei Erreichen eines bestimmten Messwertes ein Signal ausgibt. Die erste Stufe geht in eine UV-Betriebsphase im Regenerationskreislauf. Dieser Kreislauf wird im Gegenstrom mittels Ventilator betrieben. Die Kreislaufluft wird hierbei über eine UV-Stufe und anschließend über eine Katalysatorstufe geführt, bevor sie zurück in die Adsorptionsstufe gelangt. Durch den Energieeintrag der UV-Strahlung erwärmt sich die Kreislaufluft bis auf Betriebstemperaturen, die für die Desorption und Regeneration des Adsorptionsmittels sowie für den Betrieb der Katalysatorstufe erforderlich sind. Bei bestimmten Mediumtemperaturen werden die zuvor adsorbierten organischen Schadstoffe wieder aus der Adsorptionsstufe unter definierten Bedingungen schnell und gleichmäßig ausgetrieben und mit dem Kreislaufabluftstrom der UV-Fotooxidation mit nachgeschalteter Katalyse zugeführt. Hier werden diese dann abgebaut bis zur vollständigen Mineralisierung (CO2, H2O). Die Adsorptionsstufe wird heruntergekühlt und steht dann regeneriert erneut für den Adsorptionsbetrieb bereit.

Gegenüber der direkten Fotooxidation lassen sich durch die vorgeschlagene Verfahrensweise enorme Einsparungen an Betriebsmitteln wie elektrischer Strom, Lampen und Katalysator erzielen. Neben der erhöhten Effektivität werden die wertintensiven Komponenten wie UV-Lampen und das eingesetzte Katalysatormaterial weitgehend vor Belagsbildung, Vergiftung und Verblockung durch Aerosole, Stäube und sonstige aggressive Inhaltsstoffe im Hauptstrom geschützt. Die zuverlässige Regelung der Lufteingangstemperatur am Adsorber wird mittels Luft-Luft-Wärmetauscher und Lampenregelung sichergestellt. Die hierbei zurück gewonnene Energie steht in Form von Warmluft während der Regeneration zur Verfügung.

Ein Unternehmen der Pharmaindustrie in der Schweiz stellt Fertigarzneimittel her und ist spezialisiert in der Entwicklung und Herstellung von festen Darreichungsformen bis hin zur Primär- und Sekundärverpackung, einschliesslich der Herstellung und der Verpackung von klinischen Prüfmustern. Bei der pharmazeutischen Granulierung/Wirbelschichttrocknung werden Lösemittel aufgesprüht und gelangen so mit der Abluft in die Umgebung. Hierbei werden Emissionen an VOC (volatile organic compounds) in erheblichem Maße erzeugt. Hauptbestandteile sind aktuell Ethanol, zukünftig auch durch eine Produktionserweiterung Aceton und Isopropanol mit einer Schadstoffkonzentration bis zu 7.000 mgC/Nm³ und einem Volumenstrom von bis zu 18.000 Nm³/h. Es wurde eine Anlage nach dem DF-Prinzip mit nachgeschalteter Katalyse gemäß den behördlichen Auflagen in Dachaufstellung errichtet, optimiert und abgenommen.

Ein Unternehmen der Rüstungsindustrie stellt u.a. Granathülsen her. Bei den Prozessen der Lackierung und Imprägnierung geraten überwiegend Xylole, Acetate und Alkohole in die Abluft. Eine 20 Jahre alte TNV wurde rückbebaut und durch eine Fotooxidationsanlage mit einer Kombination aus DF und RF-AR mit höherer Förderleistung ersetzt (Bild 3). Hierbei wurde die Anlage komplett in die bestehende Anlagenhalle eingebunden. Nun können bis zu 6.000 m³/h Abluft mit unterschiedlichsten Konzentrationen (0 bis 11.000 mg/m³) aus verschiedenen Emissionsstellen gleichzeitig gereinigt werden.

Ein Unternehmen der Druckfarbenherstellung in der Schweiz sammelt die Raumluft aus verschiedenen Bereichen des Werkes und führt sie zusammen mit Abluftströmen aus der Gebindereinigung (ca. 20.000 m³/h) einer Fotooxidationsanlage nach dem RF-AR-Prinzip zu (Bild 4). Die VOCs setzen sich aus Alkoholen, Acetaten und Ketonen zusammen und schwanken zwischen 150 und 500mg/m³. Die hohen Emissionsspitzen aus der Gebindereinigung werden zuvor über eine Glättungsstufe geführt. Die Anlage wurde komplett in Dachaufstellung realisiert.







Fazit

Die verschiedenen Anwendungsbeispiele zeigen Leistungs- und Anpassungsfähigkeit der neuen Fotooxidation. Die Technik der Fotooxidation ist platzsparend, flexibel und einfach steuerbar, modular erweiterbar und betriebskostensparend. Die Behandlung ist CO2-emissionsneutral. Die Fotooxidation zählt zu den Niedertemperaturplasmaverfahren und wird in der neuen VDI-Richtlinie 2441 als Leitfaden für Planer und Anwender beschrieben.