01.03.2019, 00:00 Uhr

Preiswert wenig Lösemittelemissionen

Flüchtige organische Verbindungen – kurz VOC – gelten als Vorläufersubstanzen für bodennahes Ozon. Der Gesetzgeber will deren Emissionen begrenzen – wie in der Novelle der TA Luft. Unternehmen warnen aber vor Überregulierung. Doch etwa für Druckereien oder Beschichter kann es sich lohnen, ihre VOC-Reinigung zu modernisieren.

Teil der Kondensationskaskade der ausgeführten Anlage. Bild: Rafflenbeul Anlagenbau GmbH

Teil der Kondensationskaskade der ausgeführten Anlage. Bild: Rafflenbeul Anlagenbau GmbH

Keine Frage: Grenzwerte sind mit Augenmaß festzulegen. Manchmal lässt sich dies in Frage stellen So kann eine Verschärfung der VOC-Grenzwerte zu mehr CO2-Emssionen führen. Ein Beispiel: Die geplante Verschärfung des Grenzwertes für totalen organischen Kohlenstoff (TOC) von 20 auf unter 15 mg/m³ würde zu mehr CO2-Emissionen führen, da mehr als 500 Druckbetriebe die Gehalte in ihrer Abluft etwa von Ethanol und Ethylacetat durch Nachverbrennen senken müssten.

Unabhängig vom Ausgang der Debatte um diese Grenzwerte kann lohnend sein, die VOC-Abgasreinigung zu modernisieren. Denn es gibt kostensparende und klimaschonende Wege, die Abluft auf die eigentliche Abgasreinigung vorzubereiten – etwa durch:

  • das Auffangen von Emissionsspitzen bei schwankender Abgasmenge und folgender Glättung des Abluftvolumenstroms,
  • die Agglomeration und Kondensation zur Rückgewinnung von Weichmachern oder
  • den Ausgleich schwankender VOC-Konzentrationen und die zusätzliche Nutzung der Abgasabwärme als Prozesswärme, -kälte oder gar zur Verstromung.

Glätten des Volumenstroms

Bei spontanen Emissionen werden Schadstoffe kurzzeitig und wiederkehrend für wenige Sekunden bis zu zirka zehn Minuten frei. Dies geschieht etwa, wenn Behälter wie Fermenter, Waschmaschinen oder Scheibenrührer in der Farb- und Lackherstellung geöffnet werden, oder nach Vakuumpumpen zur Evakuierung und beim Befüllen von Tanks. Diese Emissionsspitzen vervielfachen den Energiebedarf der Abluftreinigungsanlagen. Etwa bei der Herstellung von Schaumprodukten entstehen stündlich nach Autoklaven und Vakuumpumpen alle zehn Minuten über etwa 30 Sekunden zirka 1.200 m³ Abluft. Diese enthält Blausäure, Wasserstoff und Treibhausgase. Bislang wurden solche Emissionsspitzen meist auf mehr als 5.000 m³ pro Stunde Abluft verdünnt, um diese ohne Explosionsgefahr in einer Regenerativen Nachverbrennung (RNA) bei mehr als 800 °C oxidieren zu können. Die Anlagenauslegung erfolgt daher nach einem nur seltenen Betriebszustand und wird im Regelfall weit unterhalb des Betriebsoptimums genutzt.

Zwei BHKW (hybrid) zur kombinierten Abluftreinigung, Stromerzeugung und Wärmebereitstellung. Bild: Rafflenbeul Anlagenbau GmbH

Zwei BHKW (hybrid) zur kombinierten Abluftreinigung, Stromerzeugung und Wärmebereitstellung. Bild: Rafflenbeul Anlagenbau GmbH

Neu ist, diese Spitzen durch Glätten des Volumenstroms abzufangen. Das Prinzip ist simpel: Ein gepulster Abluftstoß gelangt in einen flexiblen Gasspeicher und befüllt diesen. Aus ihm erfolgt bis zum nächsten Stoß eine kontinuierliche Entnahme mit einem Bruchteil des ursprünglichen Spitzenwerts. Eine Kondensation schließt sich der Volumenglättung an, wobei etwa sich Blausäure verflüssigt und abgetrennt wird. Dabei sinkt die stündliche Abluftmenge auf unter 100 m³. Diese kann dann unterhalb von 50 °C gesetzeskonform und wirtschaftlich gereinigt werden.

In der Praxis zeigt sich, dass die Investitionskosten unter den Rahmenbedingungen der oben dargestellten beiden Varianten mit etwa 700.000 Euro etwa vergleichbar sind. Die Betriebskosten sind beim Glätten mit 50.000 Euro jährlich aber nur halb so hoch wie bei einer konventionellen Behandlung der Abluft. Zudem werden dank dem flexiblen Gasspeicher etwa viermal weniger Treibhausgase erzeugt.

Agglomeration von VOC

Große Abluftströme mit geringen Mengen an Additiven wie Weichmacher oder Appreturölen kommen etwa in der Kunststoff-, Textil- und Tapetenherstellung vor. Meist werden diese Emissionen in Deutschland und Frankreich mit hohem Energieaufwand thermisch behandelt. Zur Verbesserung der Energiebilanz wird vielfach Abwärme genutzt, das Verfahren bleibt aber kostenexzessiv und klimabelastend.

Mit verbesserten Kondensations- und Agglomerationsverfahren sieht es anders aus. Wichtig ist zu unterscheiden, ob de VOC-Konzentration unter- oder oberhalb von 100 mg/m³ liegt und ob – wie bei der Textil- und Tapetenindustrie – durch getrennte Abluftführung die geteilte Behandlung der Emissionen zu bevorzugen ist. Liegen die VOC-Gehalte oberhalb von 100 mg/m³, können diese mit Wirkungsgraden bis etwa 98 Prozent und geringen Kosten über Abluft/Luft-Kühlkreisläufen konditioniert und über Nasselektro- oder Diffusionsfilter flüssig abgeschieden werden. Bei Konzentrationen bis etwa 120 mg/m³ genügt der Einsatz von Niedertemperatur-Plasmaverfahren, um die gebildeten Tröpfchen in handelsüblichen Demistern oder Verweilzeitstrecken abzuscheiden.

Diese Weiterentwicklung senkt Kosten und CO2-Emissionen. Ein Beispiel: In einer PVC-Folienproduktion beträgt das Abluftvolumen stündlich 120.000 m³, die VOC-Konzentration ist niedriger als 100 mg/m³. Das Plasmaverfahren mit folgender Agglomeration ist deutlich günstiger ist als eine regenerative Nachverbrennung: Das Investitionsvolumen ist etwa halb so groß, die jährlichen Betriebskosten sinken von 360.000 Euro auf 20.000 Euro. In dem neueren Verfahren wird kein Erdgas benötigt und der jährliche CO2-Fußabdruck liegt bei 45 statt bei 1.200 Tonnen.

Kostenvergleich zwischen einer alternativ projektierten Regenerativen Abluftreinigung und zwei Blockheizkraftwerken

Errichtung einer RTO-Anlage mit Aufkonzentrierung

Investition (inkl. Genehmigungen) Ca. 750.000 € Ca. 1.000.000 €
Betriebskosten
Energiebedarf Erdgas 15 m³/h 190 m³/h
Wärmerückgewinnung 50 kW 1.000 kW
Gaskosten 33.000 €/a 418.000 €/a
El. Energie 80 kW – 750 kW
Stromkosten 70.000 €/a –660.000 €/a
Einsparung durch Wärmenutzung –11.000 €/a –220.000 €/a
Energiekosten gesamt 92.000 €/a –462.000 €/a

VOC-haltige Abluft verstromen

VOC-Gehalte schwanken abhängig von Produktionsereignissen, so dass eine Abluftreinigung nicht immer im Betriebsoptimum arbeiten kann. Die Glättung der Schwankungen gelingt über Molekularsiebe, in denen VOC bei hoher Konzentration eingelagert und bei geringeren Konzentrationen wieder in die Abluft abgegeben werden.

Die VOC-Aufkonzentration ist auch ein Schlüssel für mehr Nachhaltigkeit und geringere Betriebskosten. Dabei erfolgt eine Zwischenadsorption der VOC und anschließende Freisetzung in einen kleineren Volumenstrom. Der Aufkonzentrationsfaktor muss so gewählt sein, dass auch bei kurzzeitigen VOC-Spitzen 25 Prozent der unteren Explosionsgrenze (UEG) nicht überschritten wird. Der Einsatz vorgeschalteter Molekularsiebglätter ermöglicht daher einen viel höhere Aufkonzentration.

Solche Molekularsiebe werden seit 1999 eingesetzt und weiterentwickelt. So verbessert eine bedarfsgerechte Energieentnahme deren Wirtschaftlichkeit. In Druckereien und Beschichtungsbetrieben gelingt so nicht nur die dauerhaft autotherme Abluftreinigung, vielmehr kann im Regelfall auch der Energieverbrauch von Produktionsanlagen mit Wärme aus der Oxidation dieser Emissionen gedeckt werden.

Ein Beispiel. Ein Betrieb beschichtet metallische Kleinteile. Stündlich entstehen rund 40.000 m³ Abluft. Seit 2015 nutzt er Molekularsiebe zur Glättung und Aufkonzentration. Das verbleibende Abluftvolumen von 2.500 m³ pro Stunde wird als Verbrennungsluft in zwei Blockheizkraftwerke (BHKW) geleitet und die Emissionen als Brennstoff in den Motoren umgesetzt. Die BHKW reinigen heute die gesamte Abluft und stellen dauerhaft eine Leistung von 800 Kilovolt-Ampere (kVA) bereit. Die Stromerzeugungskosten liegen mit 5,5 Cent pro kWhel deutlich unter denen des Energieversorgers mit zirka 16 Ct/kWhel.

Ausblick

Erfreulicherweise gelingt es heute, mit flexiblen Gasspeichern, Kondensationstechniken und Molekularsieben, VOC-haltige Abluft von Druckereien, Beschichtungsprozessen und der Automobilindustrie preiswerter und klimafreundlicher zu reinigen. Molekularsiebe etwa helfen in Deutschland bereits, jährlich mehrere Millionen m³ Erdgas einzusparen. Damit werden mehrere 100.000 t CO2 gar erst nicht gebildet. Durch neue Verfahrenskombinationen steigt zwar die Komplexität der Verfahrensauslegung, doch werden so signifikante Fortschritte für Wirtschaftlichkeit und Umweltschutz erreicht. Durch um eine Größenordnung verkleinerte Verbrennungsanlagen profitieren auch von vereinfachter Wartung und Instandhaltung.

Das wichtigste Fazit ist, dass das Einsparpotential bei bestehenden Anlagen über die Betriebskosten hinausgehen kann und eine Amortisation von Abluftreinigungsanlagen möglich ist.

Von Lutz Rafflenbeul & Rolf Rafflenbeul

Lutz Rafflenbeul & Rolf Rafflenbeul, Rafflenbeul Anlagenbau GmbH, lutz.rafflenbeul@envisolve.com

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