Die Rolle der Chemie bei der Reinhaltung der Luft

Transkript

1 Die Rolle der Chemie bei der Reinhaltung der Luft Folien und Redenotizen eines Vortrages, gehalten auf dem Forum der Wissenschaft in Bremen, September 2011 Zur Reinhaltung der Luft kann die Chemie auf vielen Gebieten etwas beitragen: Bei der Messung und Untersuchung von Abluftströmen Bei der Verbesserung von Produktkompositionen, um von Haus aus die Emissionen zu verringern (z. B. die verbreitete Umstellung auf Wasserlacke ) In diesem Vortrag soll es hauptsächlich um die Behandlung bereits vorhandener Abluftströme gehen.

2 Wir werden uns die Planung, Genehmigung und Überwachung eines fiktiven Anlagenbeispiels anschauen, sowie die dort nötig gewordenen späteren Nachrüstungen.

3 Bei den Auswirkungen eines Abluftstromes unterscheiden wir Emission und Immission. Emission ist die direkt an der Quelle ausgestoßene Menge als Massenstrom (kg/h) oder Konzentration (g/nm³) Immission ist die an einem bestimmten Ort pro Zeiteinheit eingetragene Menge (mg/m²) Die Immission muss nach den in der TA Luft niedergelegten Regeln beurteilt werden Messungen des Luftmessnetzes werden vom Umweltbundesamt UBA monatlich veranlasst und gesammelt Entscheidend für die Genehmigung der Anlage ist die Emission, Immissionsminderung kann in einzelnen Fällen dazukommen. Die Abbildung zeigt eine alte Tabakfabrik. Die Immission ist in der Richtung im Bild nach links deutlich ausgeprägter als nach rechts. Dies liegt an der vorherrschenden Windrichtung. Daher wurde die Fabrik windabwärts der Ortschaft errichtet, um die Immission in das Wohngebiet möglichst niedrig zu halten.

4 Der fiktive Anlagenbau Maler Klecksel plante und errichtete in den 70er Jahren eine neue Halle mit Anlagen für GFKFormenbau. Die dort verwendeten Polyesterharze führten zu Styrol-Emissionen Heute (damals gab es andere Regelungen, wenn überhaupt): Genehmigungsplanung nach 4. BimSchV, genehmigungspflichtige Anlagen (siehe nächste Folie), ist nötig. Einzuhaltende Grenzwerte: Nach der TA Luft, wenn keine spezielle BimSchV gegeben ist. Dies wäre hier die 31. BimSchV ( Lösemittelverordnung, die Umsetzung der EU- VOC-Richtlinie in deutsches Recht.) Die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) ist die Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz der deutschen Bundesregierung. Sie enthält stoffbezogene Emissions- und Immissionswerte, des Weiteren werden entsprechende Messverfahren und Berechnungsverfahren vorgeschrieben, insbesondere das der Ausbreitungsrechnung. Die TA Luft richtet sich an die Genehmigungsbehörden für genehmigungspflichtige industrielle und gewerbliche Anlagen. Anhand der allgemeinen Anforderungen der TA Luft erstellen die jeweiligen Behörden angepasste Auflagen, die vom Anlagenbetreiber zu erfüllen sind. Auch bestehende, alte Anlagen müssen innerhalb gewisser Übergangsfristen den Stand der Technik erreichen und den Schadstoffausstoß reduzieren. Damals war die verwendete Menge zu gering bzw. kein Emissionsgrenzwert angegeben, keine Behandlung der Emissionen war nötig. Durch Ausweitung des Geschäfts wurden die verwendete Mengen ständig erhöht. Heute: Abluftmessungen werden im Dreijahresabstand von nach BimSchg 26 akkreditierter Messstelle durchgeführt und finden, dass die Grenzwerte überschritten werden. Zudem wurden die Grenzwerte zwischenzeitlich verschärft Maler Klecksel erhält eine Neuauflage: Emissionsminderung. Ihm wird eine Übergangsfrist wird gewährt. Ein Abluftreinigungskonzept oder ein Plan zur Emissionsminderung durch veränderten Umgang mit den lösemittelhaltigen Harzen muss dem Landratsamt vorgelegt werden. Das alles kostet Geld und Aufwand und bringt Klecksel keine neuen Umsätze.

5 4. BimSchV, Anhang Spalte 1 Spalte Anlagen zur Behandlung von Oberflächen von Stoffen, Gegenständen oder Erzeugnissen einschließlich der dazugehörigen Trocknungsanlagen unter Verwendung von organischen Lösungsmitteln, insbesondere zum Appretieren, Bedrucken, Beschichten, Entfetten, Imprägnieren, Kaschieren, Kleben, Lackieren, Reinigen oder Tränken mit einem Verbrauch an organischen Lösungsmitteln von 150 Kilogramm oder mehr je Stunde oder von 200 Tonnen oder mehr je Jahr ausgenommen Anlagen, soweit die Farben oder Lacke ausschließlich hochsiedende Öle (mit einem Dampfdruck von weniger als 0,01 kpa bei einer Temperatur von 293,15 K) als organische Lösemittel enthalten und die Lösemittel unter den jeweiligen Verwendungsbedingungen keine höhere Flüchtigkeit aufweisen. a) Anlagen zur Behandlung von Oberflächen von Stoffen, Gegenständen oder Erzeugnissen einschließlich der zugehörigen Trocknungsanlagen unter Verwendung von organischen Lösungsmitteln, insbesondere zum Appretieren, Beschichten, Entfetten, Imprägnieren, Kaschieren, Kleben, Lackieren, Reinigen oder Tränken mit einem Verbrauch an organischen Lösungsmitteln von 25 Kilogramm bis weniger als 150 Kilogramm je Stunde oder 15 Tonnen bis weniger als 200 Tonnen je Jahr, b) [ ] Zurück

6 Klecksel versucht alle Tricks. Zunächst schöpft er legitime Mittel aus: Er versucht andere Harzkompositionen (hier kann die Chemie am meisten zur Verringerung der Emissionen beitragen) mit geringerem Styrolgehalt. Er verfasst Betriebsanweisungen zum Umgang mit dem Harz, mit dem Ziel der Verringerung der eingesetzten Menge Er erzielt jedoch keinen ausreichenden Effekt, d. h. die Emissionsgrenzwerte werden immer noch überschritten. Dann versucht er zu tricksen: Am Tag der Messung produziert er mit Absicht weniger. Dann versucht er es mit politischer Einflussnahme unter Nutzung der Vollzugslücke : Er droht mit Schließung des Betriebs und Entlassung der 12 Mitarbeiter Er mobilisiert den Bürgermeister seiner Gemeinde. Sein Sohn übernimmt schließlich den Betrieb und beschließt, das Katz- und Maus-Spiel mit den Behörden aufzugeben. Er beschließt, die Auflagen der BimSchV zu erfüllen.

7 Klecksel jun. versucht es mit Primärmaßnahmen, die sein Vater aber schon ausgereizt hat. Die Abluft muss also behandelt werden. Der Schadstoff Styrol hat für die Abluftreinigung ungünsitge Charakteristiken: Geringe Wasserlöslichkeit Hoher Siedepunkt Neigung zu spontaner Polymerisation Nur mittlere biologische Abbaubarkeit. Der einzige Vorteil: Er lässt sich problemlos verbrennen.

8 Nicht alle Abluftreinigungsmaßnahmen eignen sich für Styrol: Alle auf guter Wasserlöslichkeit beruhenden Verfahren Biowäscher und -tricklingfilter, (Oxidations)wäscher - scheiden aus. Auf guter thermischer Stabilität beruhenden Verfahren Adsorption und Desorption an Zeolithen -scheiden ebenfalls aus. Aktivkohle, die nicht wiederverwendet wird, geht. Für Kondensation muss die Abluft bis ca C ge kühlt werden zu teuer Chemisorption ist ein Spezialfall, nur da sinnvoll, wo ein billiges Chemisorptionsmittel zur Verfügung steht, etwa die Wäsche von SO 2 mit Kalkmilch zu Gips. Bei Styrol ist Chemisorption möglich (Alox + Permanganat), aber das Mittel ist zu teuer. Photolyse Zerstören von Molekülen an einem Katalysator mit UV-Licht führt bei Styrol zu Polystyrolablagerungen. Es bleiben Biofilter Aktivkohle Wäsche mit Hochsiedern (diese Anlagen sind sehr teuer und für Klecksel junior nicht erschwinglich) Verbrennungen aller Couleur: Thermische, thermisch-regenerative, thermischrekuperative und katalytische Nachverbrennung. Allerdings hat Klecksel kaum Verwendung für die anfallende Abwärme. Verbrennung ist eine sehr vielseitige Abluftreinigungstechnik und bei Wärmebedarf im Betrieb oder autothermem Betrieb von der CO 2 -Bilanz nicht schlechter als andere Techniken. Über die Hälfte aller für VOC installierten Abluftreinigungsanlagen sind Verbrennungen. Adsorption an Kohle ist von der Investition zunächst sehr billig, ist auch beliebt. Teuer wird allerdings die ständige Nachbeschaffung und Entsorgung von Aktivkohle. Die Anteilszahlen in der obigen Grafik richten sich nach dem Umsatz mit der Umwelttechnik, d. h. billige Maßnahmen wie Biofilter sind gegenüber teuren wie der Oxidation unterrepräsentiert.

9 Es gibt zunehmend Klagen aus der Nachbarschaft wegen Geruchsbelästigung, Styrol hat eine sehr niedrige Geruchsschwelle (0,03 mg/m³, weit unterhalb des Emissionsgrenzwertes) Imission in die umliegenden Wohngebiete muss berücksichtigt werden (dies schlägt sich hauptsächlich in der Höhe des Kamins nieder).

10 Die Wirtschaftlichkeit entscheidet sich hauptsächlich nach der Abluftmenge und -konzentration Mit seinen Werten (5.000 Nm³/h und 150 mg/nm³) ist eigentlich nur ein Biofilter möglich, da die Photooxidation bei Styrol ausscheidet Eine Verbrennung ist auch möglich, benötigt jedoch in diesem Falle Zusatzbrennstoff.

11 5.000 m³/h, 150 mg/m³ Styrol, 1-Schicht-Betrieb Methode Investiton Energiekosten Kosten/Arbeitsstunde Biofilter ,- 730,- /a 17,- bis 26,- /h Aktivkohle , ,- /a 26,- /h KNV mit Vorkonzentrator TNV mit Rekuperator TNV ohne Rekuperator , ,- /a 30,- /h , ,- /a 60,- /h , ,- /a 120,- /h Hier wurde eine Modellrechnung über die zu erwartenden Kosten, unter Mithilfe der Anbieter von Umwelttechnik, angestellt. Der Biofilter gewinnt um Längen, Verbrennungen sind mehrfach teurer. KNV mit Vorkonzentrator enthält einen zeolithgefüllten Adsorber als Vorkonzentrator, der sich wahrscheinlich schneller zusetzen würde als der Hersteller angibt. Die Geschwindigkeit dieses sogenannten Foulings ist hier einigermaßen zufallsabhängig und somit nicht gut vorherzusagen.

12 Rindenmulch-Biofilter Quelle: Dies ist ein kleiner Biofilter für höchstens m³/h. Für Klecksels Betrieb wären 3 4 solche Beete nötig, ggf. im Container gestapelt. Links zu sehen sind die Luftbefeuchtung (schwarzer Wäscher) und -verteilung

13 Das Landratsamt sieht Biofilter für andere Anwendungen als Geruchsbeseitigung nicht so gerne, weil ihre Leistung bekanntermaßen stark schwanken kann. Neue Biofilter arbeiten am Tag der Messung oft gut, während in den folgenden Jahren vor allem, wenn sie nicht professionell gewartet werden - ein Absinken der Abbauleistung auf beinahe Null eintreten kann. Klecksels Genehmigungsantrag für einen Biofilter wird mit der Forderung zur kontinuierlichen Emissionsüberwachung beantwortet. Dies erfordert eine im Container eingehauste Biofilteranlage, damit die Abluft gefasst ist. Für die kontinuierliche Emissionsüberwachung gibt es eine Liste von zugelassenen Messgeräten, die allesamt FIDs sind. Liste der Messobjekte: Einige Messobjekte: NH, HKW, CO, CO, Hg, SO, VOC als Gesamt-C, Im Bild: Ein FID Typ Fidamat 5E von Siemens, sans beheizter Leitungen und Flaschen mit Wasserstoff und künstlicher Luft, die noch dazukämen. Letztlich entschließt Klecksel sich dazu, lieber in die Produktion zu investieren. Er schafft einige Anlagen zur Vakuuminfusion von Harzen an, welche das Produktionsverfahren kapseln und die Emissionen ausreichend senken. Diese Primärmaßname, die seinem Vater noch nicht zu Verfügung gestanden hatte, bringt auch weitere Vorteile in der Produktion und ist, trotz sehr hoher Investitionskosten,die ökologisch sinnvollste und für alle Beteiligten die zufriedenstellendste Lösung.

14