Einsatz von Vakuumverdampfern in der Galvanotechnik

Transkript

1 454 Einsatz von Vakuumverdampfern in der Galvanotechnik Von Patrick Fischer, Fellbach Vakuumverdampfer sind heute ein fester Bestandteil der Abwasservermeidung und -aufbereitung, auch im Bereich der Galvanotechnik. Neue Technologien und Materialien erweitern die Einsatzmöglichkeiten ständig und eröffnen den Unternehmen neue Wege sowie die Einsparung von Entsorgungs- und Behandlungskosten. 1 Voraussetzungen Um Abwässer mit dem Vakuumverdampfer wirtschaftlich zu behandeln, sind gewisse Voraussetzungen an diese zu beachten. Im Wesentlichen sind dies ein Wassergehalt von mindestens 85 %, eine maximale Viskosität von 100 cp, die Abwässer dürfen nicht brennbar oder radioaktiv sein und sie dürfen keine schädlichen Aerosole entwickeln. Außerdem sollte die Dichte nicht über 1,3 kg/dm 3 liegen, da in diesem Fall die Behandlung wohl unwirtschaftlich wird. Im Konzentrat kann, abhängig vom Medium, maximal eine Dichte von 1,4 kg/dm 3 erreicht werden. 2 Anwendungsgebiete Vakuumverdampfer kommen heute in fast allen Industriebranchen und unterschiedlichsten Prozessen zur Anwendung. In vielen Fällen geht es um die Verringerung der Entsorgungskosten und die Rückführung des Destillats in den Prozess. Teilweise wird aber neben dem Destillat auch das Konzentrat wieder in einen Produktionsprozess zurückgeführt. Im Folgenden sind einige der häufigsten Anwendungsgebiete im Bereich der Galvanotechnik und der Metall verarbeitenden Industrie aufgeführt: Aufkonzentrierung von Spülwässern mit anschließender Rückführung des Destillats sowie eventueller Wiederverwendung des Konzentrats (z. B. Chromsäure) und damit einer Rückgewinnung von Elektrolyten; Einsatz von Vakuumverdampfern in Kombination mit anderen Verfahren; Aufkonzentrierung von Abwässern, die in der bestehenden Abwasseranlage nicht zu behandeln sind und extern teuer entsorgt werden müssen; Alternative zu einer herkömmlichen Abwasseranlage mit kompletter Rückführung des Destillats sowie einem Restschlamm (TS Gehalt 70 bis 80 %) zur Entsorgung (Abb. 1); Abb. 1: Aufkonzentrierung bis zum Schlamm: möglich mit dem Typ RW; man erhält so ein festes Konzentrat nach der Verdampfung, z. B. aus einem galvanischen Betrieb Aufkonzentrierung von verbrauchten Emulsionen zur Reduzierung der Entsorgungskosten; Aufkonzentrierung von Gleitschleifabwässern mit anschließender Rückführung des Destillats. 3 Verfahren Die Standardvakuumverdampfer der Reihe E (Abb. 2 und 3) sind Niedertemperaturverdampfer und arbeiten nach dem Zwangsumlaufprinzip mit externem Rohrbündel-Wärmeaustauscher sowie dem Wärmepumpenprinzip (Abb. 4). Zwangsumlauf bedeutet, dass das Abwasser aus dem Verdampfungskessel herausgefördert wird, mit hoher Durchflussgeschwindigkeit durch den Rohrbündel-Wärmeaustauscher gepumpt wird, wodurch man eine selbstreinigende Wirkung erzielt und damit Ablagerungen an den Heizflächen vermeidet. Im Wärmeaustauscher erfolgt die Erwärmung des Abwassers und im Anschluss fließt das Medium wieder in den Kessel zurück. Früher wurde das Abwasser über eine Heizspirale direkt im Kessel erwärmt, was aber nach kurzer Zeit zu starken Verkrustungen führt. Durch die schlechte Zugänglichkeit der Heizspirale ist eine Reinigung

2 455 sehr aufwändig. Zudem ist der Wärmeaustausch durch mangelnde Bewegung im Kessel sehr schlecht. Aus den genannten Gründen entspricht diese Technik nicht mehr dem heutigen Stand und wird zunehmend verdrängt. Die Vakuumverdampfer arbeiten mit einem Wärmepumpensystem mit geschlossenem Kreislauf. Kältemittel vom Typ R 134a wird in einem Kompressor komprimiert, wodurch die notwendige Wärmeenergie zur Abgabe an das Abwasser über den Rohrbündel-Wärmeaustauscher erzeugt wird. Anschließend wird das Kältemittel über einen Luftkühler abgekühlt und in einem Expansionsventil entspannt, wo die dann notwendige Kälteenergie zur Kondensation des Wasserdampfes erzeugt wird. Dann beginnt der Kreislauf von neuem. Das Vakuum im Kessel wird über einen Ejector im Destillatkreislauf erzeugt. Über diesen wird die Luft aus dem Kessel evakuiert, was zu einem Unterdruck von maximal -1 bar führt. Bei diesem Unterduck erfolgt die Verdampfung schon bei 40 bis 45 C. Diese niedrige Verdampfungstemperatur hat entscheidenden Einfluss auf die Destillatqualität sowie die Verschmutzungsgefahr der Maschine. Höhere Temperaturen führen dazu, dass mehr Stoffe bei der Destillation mitgerissen werden, was nicht erwünscht ist. Untersuchungen haben ergeben, dass beispielsweise bei einer Verdampfungstemperatur von 80 C der CSB-Wert um das fast 10fache höher liegt als bei einer Temperatur von 30 C. Zudem ist bei hohen Verdampfungstemperaturen die Gefahr von Verkrustungen im Bereich der Wärmeübertragung sehr hoch, was zu häufigen Reinigungsintervallen führt. Die Niedertemperaturverdampfer sorgen dagegen für einen langen, kontinuierlichen und störungsfreien Betrieb. Die Aufkonzentrierung erfolgt über Zeiteinstellungen in einer sehr umfangreichen Software. Der Vakuumverdampfer arbeitet kontinuierlich ohne Unterbrechung. Entsprechend der Menge an verdampftem Wasser wird frisches Abwasser angesaugt. Von Zeit zu Zeit werden geringe Mengen an Konzentrat aus dem Kessel abgegeben. So wird die gewünschte Destillationsrate bezogen auf 24 Stunden Betrieb erreicht. Neben der Überwachung der Ist-Zustände der Aggregate in der Anlage bietet die Software der Steuerung viele weitere Zusatzfunktionen und Optionen, wie beispielsweise eine Leitfähigkeitsmessung, eine ph-korrektur oder Bakteriziddosierung. Selbstverständlich ist auch eine Fernwartung per Modem erhältlich. Neben diesen Funktionen gewährleistet diese Software auch einen 24-Stunden-Betrieb ohne Aufsicht. Die Anlage kommuniziert mit den Niveausteuerungen in den verbundenen Behältern, und wechselt je nach Füllstand in Betrieb oder Stand-by. 4 Materialien Generell werden die Vakuumverdampfer in den Materialien und (chloridbeständig) sowie UNS N10276 (Hastelloy) hergestellt. Speziell für die Galvanotechnik wurden die Vakuumverdampfer der Reihe KT (Abb. 2) entwickelt. Diese sind mit einer speziellen Beschichtung (ECTFE) ausgekleidet und somit auch für Säuren geeignet. Diese Typen kommen zum Beispiel für die Aufkonzentrierung von chromhaltigen Spülwässern in Betracht. 5 Sonderverfahren Neben diesem am häufigsten verwendeten Verfahren gibt es weitere Vakuumverdampfertypen, mit denen eine Aufkonzentrierung bis in den Trockenzustand möglich ist. Die Vakuumverdampfer der R-Reihe erreichen einen Feststoffgehalt von 400 bis 500 g/l, mit der RW- Reihe (Abb. 3) sind sogar Konzentrationen von 700 bis 800 g/l möglich. Im Gegensatz zu den E-Typen wird bei diesen Anlagen das Medium über einen Heizmantel im Kessel erwärmt. Die beheizten Flächen werden ständig von einem Schabersystem frei gehalten. Dieses sorgt dafür, dass Verkrustungen umgehend gelöst werden und ein guter Wärmeaustausch erzielt wird. Die Entleerung erfolgt über eine Druckluftmembranpumpe oder wie beim RW-Typ direkt mit der integrierten Förderschnecke. Die Vakuumverdampfer dieser Reihen arbeiten im Chargenbetrieb. Für größere Anwendungen ab einer Leistung von 625 L/h gibt es als Alternative noch die so genannten Brüdenverdichter der Reihe TC mit Zwangsumlaufprinzip. Bei diesem Verfahren erfolgt die Verdampfung des Wassers in einem Temperaturbereich von 90 C. Diese Standardgeräte werden in Containerbauweise geliefert, und sind somit auch als mobile

3 456 Abb. 2: Vakuumverdampfer Typ E in Einheiten einzusetzen. Häufige Einsatzgebiete für diese Anlagen sind sehr dünne Lösungen. 6 Leistungen Ergebnisse der Verdampfung sind in der Regel ein sehr reines Destillat mit einem Anteil von 85 bis 95 % sowie der Rest in Form von Konzentrat. Die Wiederverwendung des Destillats, sei es in Form von einer Rückführung in den Prozess als Spülwasser, oder aber als Kühl- und Waschwasser in anderen Verfahren, sollte auf jeden Fall geprüft werden. Das Konzentrat wird wie im Fall der Chromsäure wieder verwendet, in der Regel aber zur Entsorgung gegeben, wo es weiter behandelt, verbrannt oder im ehemaligen Salzstock eingelagert wird. Je nachdem, welcher Entsorgungsweg gewählt wird und in welchem Zustand die Entsorgungsfirma das Konzentrat am besten weiterverarbeiten kann, sollte die Aufkonzentrierung, und somit auch der Anlagentyp gewählt werden. Abb. 3: Vakuumverdampfer Typ KT mit spezieller Beschichtung für Säuren und Elektrolyte 7 Anwendungsbeispiel aus dem Bereich Verchromen Um die im Spülwasser enthaltene Chromsäure wieder verwenden zu können, muss das Abwasser aufkonzentriert werden; dies kann durch ein Verdampfungsverfahren erreicht werden. Das chromsäurehaltige Abwasser wird einem Verdampfer zugeführt aus dem zwei verschiedene Ströme entstehen, das Destillat und das Konzentrat. Vakuumverdampfer wurden in einem Betrieb, der ABS-Teile mit Chrom beschichtet, installiert und dienen zur Aufbereitung von zwei verschiedenen chromsäurehaltigen Abwässern, eines stammt vom Chrombeschichtungsverfahren und das andere von einer Chrom-Schwefelsäure-Beize. Die Resultate des Aufbereitungsverfahrens sind in Tabelle 1 und 2 zusammengefasst. Das Abwasser nach dem Verchromungsschritt (Tab. 1) wird ungefähr achtmal aufkonzentriert, die mg/l Cr 6+ im Konzentrat entsprechen 420 g/l CrO 3. Das Abwasser aus der Spülstufe nach dem Beizen (Tab. 2) wird ungefähr dreimal aufkonzentriert. Bemerkungen zu den Resultaten: Durch die Destillation ist der Gehalt an Verunreinigungen radikal abgebaut worden. Die Qualität der Destillate ermöglicht eine Wiederverwendung als Spülwasser; Der Gehalt an Chromsäure bzw. Schwefelsäure in den Konzentraten ist ausreichend für eine Wiederverwendung in den Aktivbädern. Mit diesem Aufbereitungsverfahren wird kein Abwasser mehr eingeleitet und kein Abfall muss entsorgt werden. Weitere Einsparungen werden durch die Rückgewinnung der Chromsäure erlangt, die

4 457 Abb. 4: Verfahrensprinzip Vakuumverdampfer Typ E Tab. 1: Aufbereitung vom Spülwasser nach dem Verchromen Parameter Abwasser Konzentrat Destillat ph-wert 0,38 0 4,0 Dichte (g/ml) 1,037 1,30 1,0 el. Leitfähigkeit > > (µs/cm) Cr 6+ (mg/l) Tab. 2: Aufbereitung vom Spülwasser nach der Chrom-Schwefelsäure-Beize Parameter Abwasser Konzentrat Destillat ph-wert 0,0 0 3,5 Dichte (g/ml) 1,134 1,40 1,0 el. Leitfähigkeit > > (µs/cm) 2 SO 4 (mg/l) < 6 Cr 6+ (mg/l) ,7 Kreislaufführung des Destillats ermöglicht es, an Frischwasser zu sparen. Im Fließschema (Abb. 5) ist auch eine optionale Behandlung des Abwassers mit Ionenaustauscher dargestellt. Diese dient dazu, Verunreinigungen wie Eisen oder dreiwertiges Chrom zu entfernen. 8 Wirtschaftlichkeit Häufig fällt die Wahl auf einen Vakuumverdampfer, wenn andere Verfahren zu aufwändig werden oder auch nicht mehr in der Lage sind, die Abwässer auf Grund der Komplexität zu behandeln. In diesen Fällen stellt der Verdampfer eine sinnvolle Alternative dar. Dadurch, dass die Anlagen vollkommen automatisch arbeiten, und die verwendeten Verfahren sehr geringen Wartungs- und Bedienungsaufwand erfordern, ist der Anteil der Arbeitskosten äußerst gering. Durch den Einsatz neuer Techniken konnte der Energieverbrauch von Vakuumverdampfern in den vergangenen Jahren deutlich gesenkt werden. Der Durchschnittsverbrauch liegt je nach Anlagentyp zwischen 0,05 und 0,17 kwh pro produziertem Liter Destillat.

5 458 Abb. 5: Ablaufschema zur Aufbereitung von Spülwässern beim Verchromen Der wesentliche Vorteil neben dem geringen Wartungsaufwand und dem kontinuierlichen Betrieb liegt in der robusten Bauweise der Aggregate, was eine lange Lebensdauer und wenig Ersatzteil-, und damit auch verbunden, Servicekosten verursacht. 9 Zusammenfassung Zusammengefasst noch einmal die Vorteile des Vakuumverdampfers: gute Destillatqualität zur Wiederverwendung oder Einleitung; hohe Energieausbeute; hohe Konzentrationsfähigkeit von bis zu > 75 % Trockensubstanz (abhängig vom Anlagentyp); hohe Prozessverfügbarkeit, bei niedriger Verkrustung; hervorragende Korrosionsbeständigkeit aufgrund der verwendeten Konstruktionsmaterialien und der niedrigen Prozesstemperatur bei der Destillation; rasche Amortisationszeit; einfache Installation; kontinuierlicher und vollkommen automatischer Prozess ohne Bedienpersonal; einfache Einbindung in bestehende Prozesse, da nur Strom und Druckluft zum Betrieb benötigt werden; ideale Ergänzung zur weiteren Aufkonzentrierung von Konzentraten aus Membranverfahren; geringere Abhängigkeit von Entsorgungsbetrieben sowie der Preisentwicklung auf dem Entsorgungsmarkt; bei Wiederverwendung des Destillats keine behördlichen Kontrollen sowie Gebühren zur Einleitung. Kontakt Gütling Wassertechnologie GmbH, Merowingerstraße 7, D Fellbach; Internet: