Einsatzmöglichkeiten thermischer und katalytischer Abgasreinigungsverfahren für ausgewählte Branchen Präsentation im Rahmen der Fortbildungsveranstaltung für die Gewerbeaufsichtsverwaltung am 20.09.2013 beim TÜV NORD in Hannover 1 109.2013 Dipl.-Ing. Olaf Neese, Dipl.-Ing. Karl-Heinz Dammeyer, Dipl.-Ing. Lukasz Piech (CVET Clausthaler Verfahrens- und Energietechnik GmbH) Prof. Dr.-Ing. Otto Carlowitz (Institut für Umweltwissenschaften der TU Clausthal)
der thermischen und katalytischen Abgasreinigung Möglichkeiten der Steigerung der durch mittels Absorption Steigerung der von vorhandenen systemen der Automobilindustrie 2 109.2013
Begriff Abgas Abgas Mit Schadstoff beladenes Gas aus einem vor Eintritt in das Abgasreinigungssystem. Dem Begriff Abgas werden u.a. nachfolgend zugeordnet: Magergas: Abgas, dessen Kohlenwasserstoff-konzentration unterhalb der unteren Zündgrenze liegt. Abluft: Magergas aus Umgebungsluft, beladen mit gasförmigen brennbaren Substanzen. Die Konzentration an Kohlenwasserstoffen bzw. gasförmigen brennbaren Stoffen überschreitet die untere Zündgrenze nicht. Explosives Abgas: Abgas, das neben Sauerstoff Kohlenwasserstoffe oder brennbare Substanzen enthält. Das Abgas ist zündfähig. Fettgas: Abgas, dessen Kohlenwasserstoffkonzentration oberhalb der oberen Zündgrenze liegt. 3 109.2013 3
Verfahren zur Behandlung von Abgasen mit organischen Inhaltstoffen 4 109.2013
Verfahren der Entsorgung 5 109.2013
Verfahren der Stoffrückgewinnung 6 109.2013
der thermischen und katalytischen Abgasreinigung Katalytischer Effekt: Beschleunigung einer chemischen Reaktion durch Senkung der Aktivierungsenergie infolge Verwendung von Katalysatoren. Durch die Katalyse wird die Reaktionsgeschwindigkeit, nicht aber das Reaktionsgleichgewicht verändert. 7 109.2013 7
der thermischen Abgasreinigung Verfahrensschritte 8 109.2013 8
der thermischen Abgasreinigung Einflussgrößen und Reaktionsverlauf Brennstoff Oxidationsmittel y a) Diffusion w Br w Ox w Br=wOx x c Br,Br(x)> c Br,Ox(x) c Br,Ox x (x) y. c Br(x) m Br,Ox(x) ~ y c Br,Br(x)-c Br,Ox(x) = y c: Konzentration w: Geschwindigkeit Kohlenstoffanteil 1,0 0,5 0 C (als Kohlenwasserstoff) Anfangsbeladung: 529 ppm Benzol Temperatur 1000 K Brennstoff Oxidationsmittel C (als CO) C (als CO ) 2 0 1 2 y b) Konvektion w Br w Ox w Br=wOx x x Turbulenzballen Oxidationsmittel Turbulenzballen Brennstoff Verweilzeit [s] 9 109.2013 Reaktionstemperatur 9 Ox Br Konzentration im Reingas y Der Konzentrationsausgleich zwischen Brennstoff und Oxidationsmittel hängt von der Intensität der Querbewegung von Turbulenzballen ab C ges CO NO X (NO+NO ) 2
der thermischen Abgasreinigung führung 10 109.2013 10
der katalytischen Abgasreinigung Verfahrensschritte Gasströmung 9 1 Grenzschicht 2 8 4-6 Katalysator Katalytisch beeinflussbare Reaktionen: Art der Reaktion 3 7 Reaktionsgleichung 1: Transport der Reaktionspartner durch die Gasströmung an die Grenzschicht 2: Diffusion der Reaktionspartner durch die Grenzschicht an die äußere Katalysatoroberfläche 3: Diffusion der Reaktionspartner durch die Poren an die innere Katalyatoroberfläche 4: Adsorption der Reaktionspartner auf der Katalyatoroberfläche 5: Chemische Reaktion 6: Desorption der Reaktionsprodukte von der Katalyatoroberfläche 7: Diffusion der Reaktionsprodukte durch die Poren an die äußere Katalysatoroberfläche 8: Diffusion der Reaktionsprodukte durch die Grenzschicht 9: Transport der Reaktionsprodukte in der Gasströmung Temperaturniveau [ C] thermisch katalytisch Oxidation C 7 H 8 + 9 O 2 7 CO 2 + 4 H 2 O 800 300 400 Reduktion 4 NO + 4 NH 3 + O 2 4 N 2 + 6 H 2 O 950 (SNCR) 250 400 Zersetzung 2 O 3 3 O 2 30 Synthese 1 CO + 3 H 2 CH 4 + 2 H 2 O 160 300 11 109.2013 11
der katalytischen Abgasreinigung Verfahrensparameter: Raumgeschwindigkeit Raumgeschwindigkeit: 12 109.2013 12
der katalytischen Abgasreinigung Verfahrensparameter: Stoff Umsatzgrad 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 3 2 5 7 6 4 8 9 10 1 Formaldehyd 2 Ethylen 3 Kohlenmonoxid 4 Ethanol 5 Xylol 6 Butylamin 7 Butylacetat 8 Dioxan 9 Octan 10 Propan Al2O3-Wabenrohre mit 0,1% Pt Raumgeschwindigkeit 10 10 h 100 200 300 400 Temperatur [ C] 3-1 13 109.2013 13
der katalytischen Abgasreinigung Katalysator Einteilungskriterien und Anforderungen Einteilungskriterien: Einteilung nach der Art der aktiven Komponente Edelmetallkatalysatoren (z. B. Pt. Pd) Metalloxidkatalysatoren (z. B. V, W, Cu, Mn, Fe) Oxidische Katalysatoren ( z. B. Zeolithe, AI 2 O 3 ) Einteilung nach der Bauform Trägerkontakte vorwiegend Wabenkörper (Monolithe) Vollkontakte Schüttkörper (hoher Druckverlust), Wabenkörper Anforderungen: Hohe Aktivität bei niedriger Arbeitstemperatur (Aktivität: Stoffumsatz je Zeit und Kontaktvolumen) Selektivität Thermische und mechanische Beständigkeit Hohe Standzeiten Geringer Druckverlust 14 109.2013 14
der katalytischen Abgasreinigung Deaktivierungsmechanismen Chemische Einflüsse Veränderung der chemischen Zusammensetzung Verminderung der zugänglichen Oberfläche Verlust an Aktivkomponenten Abdeckung aktiver Zentren durch Schwermetalle oder Halogene (Edelmetall) oder Silikone (Metalloxid) Thermische Einflüsse Sinterung der Oberfläche z. B. bei Metalloxidvollkontakten Verarmung von Aktivsubstanzen in Bereich der Oberfläche durch Diffusion ins Trägermaterial bei Trägerkatalysatoren Maximale Anwendungstemperaturen: Edelmetalle auf Aluminiumoxidträger ca. 750 C Metalloxid-Vollkontakte ca. 450 C Mechanische Einflüsse Abrieb durch z. B. Schwingungen, Druckstöße, Lockerung des Katalysatorbettes, Feststoffpartikel (Stäube) Bruch durch z. B. thermische Spannungen (Temperaturwechsel), mechanische Spannungen der Reaktorkonstruktion 15 109.2013 15
Abhitzesysteme Thermische und katalytische Abgasreinigung Kategorie A Einspeisung von Abgas anstelle von Verbrennungsluft in eine herkömmliche Kesselfeuerung Kategorie B Entsorgung von Abgas in einer separaten thermischen Abgasreinigungsanlage mit dem Ziel, wärme zu erzeugen (prozesswärmeorientierte ) Kategorie C Entsorgung von Abgas in einer separaten thermischen Abgasreinigungsanlage mit dem Ziel, möglichst wenig Brennstoff einzusetzen (Auslegung nach minimalem Brennstoffeinsatz) 16 109.2013 16
Kategorie A: Abluftreinigung in einer herkömmlichen Kesselfeuerung Voraussetzungen: Brennereignung für Abluft Luftverhältnis (max. Abluftmenge) O2-Kontrolle Q V Pr Ab extrem hoch Wirkungsgrad der wärmeerzeugung: Pr Q H Pr Rg, ges 17 109.2013 17
Kategorie B: ssystem mit einem Dampferzeuger (Grundlast) Q hoch Wirkungsgrad der wärmeerzeugung: Pr Pr Pr V H Rg, ges Ab 18 109.2013 18 Q
Kategorie B: ssystem mit Abluftvorwärmern und Abhitzekessel Q mittel bis Q H Pr Wirkungsgrad der Abgasvorwärmung Pr Ab V niedrig und wärmeerzeugung: Pr H 19 109.2013 Ab Rg, ges 19
Kategorie B: ssystem mit regenerativer Abluftvorwärmung (RTO) Q V Pr Ab Null bis sehr niedrig Wirkungsgrad der Abgasvorwärmung: Pr H H Ab H Rg, ges Ab 20 109.2013 20
Katalytische Abgasreinigung Schaltungsvarianten 21 109.2013 21
Steigerung der bei Lackierverfahren (Automobilindustrie) Rohkarosserien + Träger Zuluft Kabine WRG Linie Vorbehandlung VBH Tauchapplikationszone Abluft Kabine Vorbehandlung VBH (Entfetten, Phosphatieren) WRG Abluft Kabine Zuluft Kühlzone Zuluft Kabine Zuluft Kühlzone WRG 120 C Abluft Trockner Wasser-Trockner Kühlzone Applikationszone Kathodische Elektrotauchlackierung KTL KTL-Trockner Kühlzone Linie Kathodische Elektrotauchlackierung KTL 195 C Abluft Kabine Abluft Trockner TNV-System WRG Zuluft vorgewärmt Linie Nahtabdichten / Unterbodenschutz UBS WRG Abluft Kühlzone Zuluft Trockner Reingas Abluft Kühlzone 22 109.2013 Fragestellungen: Wie kann Spritzkabinenabluft mit geringer Beladung bei sehr hohem Volumenstrom effizient gereinigt werden? Welche Möglichkeiten bestehen, den Energiebedarf an bestehenden Trockneranlagen zu senken? Zuluft Kabine Zuluft Kühlzone Zuluft Kabine Zuluft Kühlzone Zuluft Kabine Zuluft Kühlzone Zuluft Kabine Zuluft Kühlzone WRG WRG WRG WRG Applikation Nahtabdichten Spritzapplikationszone Unterbodenschutz UBS UBS-Trockner Kühlzone Spritzapplikationszone Füllerlack (FÜ) Füller-Trockner Kühlzone Spritzapplikationszone Basislack (BC) Kühlzone Spritzapplikationszone Klarlack (CC) Kühlzone 105 C Lackierlinie Füller 160 C lackierte Karosserien + Träger Abluft Kabine Abluft Trockner Abluft Kabine Abluft Trockner Lackierlinie Decklack Abluft Kabine 80 C Abluft ZWT Zwischentrockner Abluft Kabine Abluft Trockner 140 C Decklacktrockner Auswaschung TNV-System Auswaschung TNV-System TNV-System WRG Zuluft vorgewärmt Zuluft vorgewärmt Auswaschung WRG Zuluft vorgewärmt WRG WRG WRG WRG WRG Frischluft/Abluft ohne Beladung Abluft mit geringer organischer Beladung Abluft mit hoher organischer Beladung (zur TNV) Reingas nach TNV-Anlage Abluft Kabine Zuluft Trockner Reingas Abluft Kühlzone Abluft Kabine Zuluft Trockner Reingas Abluft Kühlzone Abluft Kabine Abluft Kühlzone Zuluft Trockner Reingas Abluft Kühlzone
Verfahren der 23 109.2013
Hintereinanderschaltung von Absorptionsstufen 24 109.2013 Die Absorption der Lösemittel in dem Sorptionsfluid (Hochsieder) erfolgt nach dem AWS-System an Filterelementen mit porösen Schläuchen Quelle:
4/ Steigerung der bei Lackierverfahren (Bsp. Automobilindustrie) 25 109.2013 Energetische Lösemittelverwertung (sehr kleiner Luftstrom) besonders interessant, wenn vorhandene Feuerungsanlagen genutzt werden können (z.b. Kesselfeuerugnen; TNV-Anlagen an n etc.) Quelle:
Schema der absorptiven mit Kondensation 26 109.2013
Vergleich des Betriebsmitteleinsatzes (Bsp. Automobilindustrie) 27 109.2013 Hinweis: das erreichbare sverhältnis und damit die ist von den Abgasrandbedingungen (Temperatur, Stoffkombinantion, Beladung etc.). Die Eignung des Systems ist in neuen Anwendungsfällen zu prüfen. Quelle:
Verfahrensmerkmale (Vorteile) 28 109.2013 Sehr hohe sverhältnisse sind möglich (stoff-/beladungsabhängig bis zu 1:50); dadurch sehr gute Voraussetzungen für eine Kondensation (Rückgewinnung) bzw. eine effiziente thermische Nutzung Eine Speicherung bei wechselnden Lasten (zeitliche und räumliche Trennung von Absorption/Desorption) ist realisierbar. Zusammenschaltung mehrerer Absorptionsstufen auf eine zentrale Desorptionsstufe. Flexibilität bei veränderten Emissionscharakteristika (Art der Stoffe, Beladung, Abluftvolumenströme etc.). erhält durch schonende Absorption und niedrig temperierte Desorption die Ausgangsstoffe vollständig (keine Crackprodukte). Wesentlich kompakter als z. B. Biofiltersysteme und deckt eine deutlich breitere Schadstoffpalette ab. Kann mit klebrigen/kondensationsfähigen Substanzen besser umgehen als Adsorptionsverfahren. bietet durch die niedrige Arbeitstemperatur beste Voraussetzungen für eine Energierückgewinnung Wenngleich keine langjährigen Betriebserfahrungen mit dem neuen AWS- System vorliegen, stellt dieses eine wirkliche Alternative zum Adsorptionsrad dar und sollte in eine Verfahrensauswahl einbezogen werden.
Steigerung der von vorhandenen systemen Einer der größten Energieabnehmer in einer Automobilproduktion ist die Lacktrocknung Trockner + TNV Trockner + TNV Trockner + TNV Trockner + TNV Fragestellung: Welche Möglichkeiten bestehen, den Energiebedarf an bestehenden Trockneranlagen insgesamt zu senken? Zusätzlich Unterbodenschutz 4 Trockner + TNV Beispiel: mittlerer Brennstoffbedarf je Linie: 130 m 3 /h Erdgas = 1,3 MW Insgesamt 5,2 MW Mittlerer Durchsatz: 20 Karosserien/h Erdgasbedarf: 260 kw/karosserie 29 109.2013
Vereinfachtes Fließbild eines Decklack-Trocknersystems (Beispiel) 30 109.2013 aus dem Reingas der TNV-Anlage durch: Abluftvorwärmer des TNV-Systems Infrarotzonen mit Mischkammern Konvektionszonen mit Umgasrekuperatoren Frischluftvorwärmung mit Rekuperator
Energiefließbild eines Decklacktrockners im Auslegungszustand 31 109.2013 Erdgasbedarf nur geringfügig variabel, weil TNV-Temperatur konstant Abluftmenge / -Temperatur konstant organische Fracht Abgas / Abluft gering TNV-Temperatur: 750 C Abluftvolumenstrom 1000 m 3 /h Last: 42 Karossen/h
Unterscheidung: Zwei Arten der Störung des Wärmegleichgewichts A. Statische Störung Reingastemperatur dauerhaft am Kamin (zu) hoch Mögliche Ursachen: Transmissionswärmeverlust Gesamtanlage überschätzt Nachträgliche Isolierungsarbeiten durchgeführt Masse Karosserien grundsätzlich kleiner als ursprünglich angenommen Anzahl der Karosserien ständig kleiner als in der Projektierung Forderung kurzer Aufheizzeiten (Überdimensionierung) B. Dynamische Störung Reingastemperatur zeitweise am Kamin (zu) hoch Mögliche Ursachen: Betriebspausen Karosserien mit deutlich unterschiedlicher Masse Rüstzeiten Störungen des Betriebsablaufes 32 109.2013
Identifizierte Varianten der Wärmegleichgewichtseinstellung 33 109.2013 Energetische Entkopplung von Trocknerbeheizung und Abgasreinigung Voraussetzung: Das Abgasreinigungsverfahren hat einen extrem geringen Energieeigenbedarf (RNV, KRNV, Biolog. Verfahren ) Erhöhung der Abluftvorwärmung des TNV-Systems Absenkung des TNV-Temperaturniveaus und Ergänzung einer katalytischen oder In-Line-RNV-Stufe (Hinweis: nur bei hohem statischen Einsparpotenzial!) Absenkung des Abluftmengenstromes und Kompensation des Eingriffs in die Strömungsverhältnisse des Trockners (Nutzung von statischem und dynamischem Einsparpotenzial)
Energetische Entkopplung von Trocknerbeheizung und Abgasreinigung 34 109.2013 Als Nachrüstlösung mit sehr hohen Investitionen behaftet.
Erhöhung Abluftvorwärmtemperatur der TNV-Anlage Wärmeübertragerfläche A WÜ V 1 V 35 109.2013 Flächenverhältnis Wärmeübertrager Abluftvorwärmgrad V Steigerung von V um 15 % von 60 % auf 75 %: Verdopplung der Wärmeübertragerfläche Senkung Brennstoffbedarf um ca. 40 % relativer Brennstoffbedarf
Absenkung der TNV-Temperatur und Ergänzung einer katalytischen Stufe 36 109.2013 Eignet sich vorwiegend für statisches Einsparpotenzial (therm. Trägheit Kein Eingriff in den Trocknungsprozess erforderlich Aber: Deaktivierung des katalysators beachten (Wartungskosten)
Lastabhängige Volumenstromanpassung (LaVA) gleichzeitige Verringerung Abluft- und Frischluftvolumenstrom dadurch kleinerer Reingasenthalpiestrom aus TNV sowie kleinerer Brennstoffmengenstrom Achtung: Eingriff in den Trockner; Wärmeangebot am Eintritt kleiner! Aufheizkurve muss realisiert werden! Lösung wurde im Rahmen eines Forschungsvorhabens detailliert untersucht 37 109.2013 Kooperation:
Gemessene Reingastemperaturen Abhitzestrecke eines Decklack-Trockners 500 400 Ausgangszustand im FU-Betrieb T311_RG_W31ein T321_RG_W32ein T331_RG_W33ein T341_RG_W34ein T351_RG_W35ein T361_RG_W36ein T365_RG_W36aus T201_AbL_TNVein Mittlere Last (Produktionstag) 38 109.2013 Temperatur [ C] 300 200 100 0 Aufheizbetrieb Leerlauf Volllast 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 Messzeit 38
Screenshot der Visualisierung (Messdatenerfassung und Prototyp der Steuerung) 39 109.2013 Kooperation:
Energiefließbild Decklack-Trockner im Volumenstromregelbetrieb (mittlere Last) 40 109.2013 TNV-Temperatur: 715 C; Abluftvolumenstrom 7.650 m 3 /h; Last: 27,8 Karossen/h (Tagesmittel 19.2012) Kooperation:
Erreichte Einsparungen im LaVA-Betrieb 41 109.2013 Erdgasbedarf [m 3 N/h]; Einsparung [%] Erdgasbedarf 125 100 75 50 25 0 Auslegung Ist-Zustand FU-Betrieb Festwert Volllast Regelung Volllast Erdgasbedarf Einsparung Regelung Mittel Regelung Leerlauf Die LaVA wurde in einem durch die AiF geförderten Forschungsvorhaben entwickelt. Für die Implementation kooperiert die Crone Wärmetechnik GmbH mit der CVET-GmbH (CUTEC-Ausgründung) Kooperation: Volumenstrom Volumenstrom [m 3 N/h] 1500 10.000 7.500 000 500 0 Auslegung Ist-Zustand FU-Betrieb Festwert Volllast Elektrische Energie 1) Elektrische Leistung [kw]; Einsparung [%] 100 80 60 40 20 0 Auslegung Ist-Zustand FU-Betrieb Festwert Volllast Regelung Volllast Regelung Volllast Abluftvolumenstrom Frischluftvolumenstrom Regelung Mittel Regelung Mittel Regelung Leerlauf 1) Bezogen auf Abluft und Frischluftventilat Elektrischer Energiebedarf Einsparung Regelung Leerlauf
42 109.2013 Es wurden vier Varianten der Wärmegleichgewichtseinstellung an vorhandenen systemen diskutiert Energetische Entkopplung zwischen Trocknerbeheizung und Abgasreinigung Vergrößerung des Abluftvorwärmers der TNV Temperaturabsenkung der TNV und Katalysator (oder In-Line-RNV) Abluftmengenregelung (wärmebedarfsabhängig) Energetische Entkopplung und Vergrößerung des Abluftvorwärmers sind bei bestehenden Systemen sehr aufwändig zu implementieren Temperaturabsenkung TNV ist nur zur Realisierung eines statischen Einsparpotenzials geeignet (thermische Trägheit des Systems) Temperaturabsenkung muss den Vollastfall abdecken Abluftmengenabsenkung TNV (und Frischluftmengenreduktion) kann das dynamische Einsparpotenzial nutzen, weil Temperaturen weitgehend erhalten bleiben (geringer Einfluss thermischer Trägheit) höheres Einsparpotenzial als bei der Temperaturabsenkung Kombination beider Varianten möglich, verbunden mit höheren Einsparpotenzialen. Kooperation:
/ Wettbewerbliche Wertung Nr. Verfahren Einsatzbereich Bemerkungen 1 Membranen Zur sauberer Gase; (Ziel: hohe Endkonzentrationen, Stoffrückgewinnung) Verschmutzungsempfindlich, teuer, liefern keine TA-Luft -Qualität; nur für spezielle Einsatzfälle; sehr stoffspezifisch 43 109.2013 2 Adsorption 3 Absorption 4 Biofilter 5 Biowäscher 6 Katalyse 7 NTP 8 TNV / RNV Zur relativ sauberer Gase; Zurückhaltung oder Stoffrückgewinnung Zur bei org. Abgasinhaltsstoffen; Hochsieder als Sorbentien Zur Kohlenwasserstoffoxidation; niedrige Eingangskonzentrationen; Geruchsstoffe Zur Kohlenwasserstoffoxidation; höhere Konzentrationen möglich Zur Kohlenwasserstoffoxidation; höhere Konzentrationen möglich Zur Kohlenwasserstoffoxidation; i.d.r. für niedrigere Konzentrationen; Geruchsstoffe Zur Kohlenwasserstoffoxidation; für niedrige und hohe Konzentrationen, Geruchsstoffe Verträglichkeit Abgasinhaltsstoffe/Sorbens liefert bei richtiger Auslegung TA-Luft - Qualität Vielstoffgemische schwer überschaubar Dampfdruck des Hochsieders beachten, stoffspezifisch; hohe sraten möglich; geringere Betriebskosten, als Adsorption; bisher selten eingesetzt Löslichkeit der Kohlenwasserstoffe beachten, stoffspezifisch, Adaptionszeit erheblich auch bei Wechsel der Einsatzstoffe, preisgünstig, Abscheidegrad beschränkt Löslichkeit des Kohlenwasserstoffs beachten, stoffspezifisch, Adaptionszeit erheblich auch bei Wechsel der Einsatzstoffe, Wettbewerber zur RNV, bei hohen KW- Frachten kostenintensiv Katalysatorgifte bzw. Desaktivierung, stoffspezifisch, Wettbewerber zur RNV, weniger eingesetzt Stoffspezifisch, Wettbewerber zum Biofilter, katalytisches Verfahren: Katalysatorgifte/ Desaktivierung, derzeit viel diskutiert Wenig stoffspezifisch, robust, häufig eingesetzt, hoher Umsetzungsgrad, zuverlässig, Brennstoffbedarf beachten; wirtschaftlicher Einsatz erfordert effiziente