Abluft and Abgas, Reinigung Und Überwachung

Abluft und Abgas: Reinigung und Überwachung

Norbert Ebeling

WILEY-VCH

Norbert Ebeling

Abluft und Abgas Reinigung und Ubenvachung

@ W ILEY-VCH Weinheim . New York . Chichestcr Brisbane . Singapore . Toronto

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Norbert Ebeling

Abluft und Abgas Reinigung und Uberwachung

@ WILEYVCH

Praxis des technischen Umweltschutzes Herausgegeben von Josef Kwiatkowski und Claus Bliefert

V. Neitzel, I/. Iske A bwasscr

M . Niitlie Abfall N. Ehelirig Abluft und Abgas Weitcrc gcplante Titel: Technisches Umwcltmanagement Produktionsintegrierter Umweltschutz Anlagenbezogener Umweltschutz

Norbert Ebeling

Abluft und Abgas Reinigung und Ubenvachung

@ W ILEY-VCH Weinheim . New York . Chichestcr Brisbane . Singapore . Toronto

Professor Dr.-Ing. Norbert Ebeling Zum Esch 74 D-48612 Horstmar

Das vorliegende Werk wurde sorgfaltig erarbeitet. Dennoch ubernehmen Autor, Herausgeber und Verlag fur die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlagen sowie fur eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Die Deutsche Bibliothek - CIP-Binheitsaufnahme Ebeling, Norbert: Abluft und Abgas : Reinigung und Uberwachung / Norbert Ebeling. Hrsg. von Josef Kwiatkowski und Claus Bliefert. - Weinheim ; New York ; Chichester ; Brisbane ; Singapore ; Toronto : Wiley-VCH, 1999 (Praxis des technischen Umweltschutzes) ISBN 3-527-29621-2

0 WILEY-VCH Verlag GmbH, D-69469 Weinheim (Federal Republic of Germany), 1999

Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Alle Rechte, insbesondere die der Ubersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form - durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren - reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache ubertragen oder ubersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, daR diese von jedermann frei benutzt werden durfen. Vielmehr kann es sich auch dann urn eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschutzte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form - b y photoprinting, microfilm, or any other means - nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publishers. Registered names, trademarks, etc. used in this book, even when not specifically marked as such, are not to be considered unprotected by law. Umschlaggrafik: Grafik-Design Schulz, D-67136 FuBgonheim Druck: betz-druck GmbH, D-64291 Darmstadt Bindung: GroRbuchbinderei J. Schaffer, D-67269 Grunstadt Printed in the Federal Republic of Germany

Geleitwort der Herausgeber Der Weg vom ,,produktionsintegnerten Umweltschutz" iiber ,,Clean Production'' zu ,,Clean and Economical Production" ist verheiljungsvoll und mulj weiter beschntten werden. Dazu mussen Okologie und Okonomie in Einklang gebracht werden. Dies verlangt heute der moderne Wettbewerb vom Planer und Betreiber verfahrenstechnischer Anlagen. Der Praktiker mu13 sich mit aktuellen Informationen zur Umwelttechnik und zum Umweltschutz sachkundig machen, und zwar anschaulich und praxisnah! Im besonderen geht es darum, Emissionen zu vermindern oder zu vermeiden.

Fur diese Buchreihe konnten wir wissenschaftlich ausgewiesene Praktiker aus Industrie und Behorden als Autoren gewinnen. In den einzelnen Banden stellen diese Fachleute dem

Leser Hilfsmittel zur Verfugung, die aus dem ,,Alltagsgeschaft" heraus geboren wurden.

Haufig werden Tips und Beispiele aus der Praxis zusammengefaljt in Ablaufdiagrammen, Arbeitsanweisungen und Checklisten. Zusammen mit dem Text sollen sie jedem helfen, der im Betrieb, in einer Behorde oder in der Ausbildung mit Fragen des technischen Umweltschutzes konfrontiert wird, zu einer Problemlosung zu gelangen, die die okonomischen und okologischen Randbedingungen sowie die gesetzlichen Vorgaben gleichermaljen einbezieht. Oer-Erkenschwick und Schoppingen,

Josef Kwiatkowski

November 1997

Claus Bliefert

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Vorwort Die industrielle Produktion liefert die unterschiedlichsten Guter, die einen Teil der Lebensqualitat des Menschen sichern. Bei der Erzeugung dieser Guter sind schadliche Abfalle nicht immer zu vermeiden. Insbesondere kommt es durch gasfdrmige, flussige und feste Schadstoffe zur Belastung der Umgebungsluft. Diese ist lebensnotwendig, und ihre Reinhaltung - die Erhaltung ihres natiirlichen Zustands - ist eine der wichtigsten Aufgaben. Gutererzeugung ohne Rucksicht auf die Umwelt oder ein industriefeindlicher Umweltschutz w5iren in letzter Konsequenz verheerend. Die Produktion zu begrenzen oder eine gewisse Belastung der Umgebungsluft zu tolerieren, sind keine langhstigen Losungen. Nur zum Teil ist es angebracht, auf die naturlichen Stofflueislaufe oder die Selbstreinigungskrafte der Natur zu vertrauen. Die grone Bevijlkerungsdichte und der hohe Lebensstandard in den Industrienationen erfordern eine Guterproduktion, die verbunden ist mit einer Belastung der Umwelt, besonders der Luft, die allein auf natiirliche Weise nicht abgebaut werden konnte. Weiter hilft nur die systematische Reinigung der Abluft mit Methoden, wie sie in der Verfahrenstechnik oder im Chemieingenieurwesen gebrauchlich sind. Fur die Abscheidung und, sofern im Prinzip moglich, Vemichtung der Schadstoffe liefert die Verfahrenstechnik Losungen, die in diesem Buch vorgestellt werden. Auch nichtstoffliche Emissionen wie Schall oder verschiedene Arten von Strahlung konnen mit Methoden begrenzt werden, die hier zumindest kurz vorgestellt werden. Technisch kann man mit entsprechend hohem Aufwand Emissionen zwar drastisch reduzieren, nicht aber ganz verhindern. Eine gewisse Belastung der Umwelt mul3 toleriert werden und ist oft dann nicht schadlich, wenn bestimmte Schwellenwerte der Schadstoffmenge und der Konzentration nicht uberschritten werden. Der Gesetzgeber hat Rechtsvorschriften erlassen, die Grenzwerte fur die verschiedenen Spezialfalle festlegen. Technische Richtlinien regeln die Umsetzung in die Praxis. Kupitel 1 liefert eine EinfUhrung in diese Vorschriften und ihre Interpretation. Eine wesentliche Schadstoffgruppe sind feste Schwebstoffe, Staube. Kapitel 2 stellt die verschiedenen Staubabscheideverfahren, ihre unterschiedlichen physikalischen Grundlagen

und wesentliche technische Ausfiihrungen vor. Die jeweiligen Anwendungsgebiete und Vorund Nachteile werden benannt und so gegenubergestellt, daB der Leser, der eine Losung fur sein spezifisches Problem sucht, eine konkrete Entscheidungshilfe erhalt. Kapitel3 behandelt analog hierzu die Beseitigung fliissiger Schadstoffe, die von der Abluft

mitgerissen wurden. Es ist verhaltnismd3ig kurz, da die meisten Fragen durch Querverweise zu Kapitel 2 beantwortet werden konnen, denn die physikalischen Grundlagen der Verfahren zur Beseitigung von Tropfen und Stauben sind weitgehend identisch. Vergleichsweise umfangreich ist Kapitel 4, das die Methoden beschreibt, gasformige Schadstoffe zu entfemen. Die wesentlichen verfahrenstechnischen Grundoperationen, die hier zur Auswahl stehen, sind die Gaswasche, die Adsorption an porosen Feststoffen, die katalytische Umsetzung, die Abgasverbrennung, die biologische Reinigung und einige Sonderverfahren. Dieses Buch enthalt neben der physikalisch-technischenBeschreibung der Verfahren einen Vergleich, der dem Leser, der vor einem Abluftproblem steht, eine Orientierung bieten soll. Die Verhinderung nichtstofflicher Emissionen wie Schall, Licht, Elektrosmog und Radioaktivitat gehort zwar nicht zum eigentlichen Thema dieses Buches, wird aber in Kupifel 5 behandelt, da vielfach dieselben Anlagen betroffen sind, die auch Staub und Abgas emittieren. Umweltschutzanlagen konnen Verursacher von Schall und Iastigen Lichtemissionen sein. Das

Bundes-Immissionsschutzgesetz bezieht sich ohnehin sowohl auf stoffliche als auch auf nichtstoffliche Emissionen. Kapitel 6 beschaftigt sich mit der Ablufiiibenvachung, ihrer Organisation und den einzu-

haltenden Vorschriften, nicht aber mit der Men- und Analysentechnik. Auf entsprechende Spezialliteratur wird im Literaturverzeichnis zu diesem Kapitel venviesen. Wer sich mit einem konkreten Abluftproblem beschaftigt, kann nur selten die Losung aus einer Beschreibung aller Gesichtspunkte der Abluft- und Abgasreinigung ablesen. Meist muB eine solche Problemlosung in einem langwierigen ProzeB erarbeitet werden, der sich prinzipiell nicht restlos schematisieren 1 3 t . Kupitel 7 liefert mit einem “Entscheidungsbaum” einen Schntt in diese Richtung. Er beriicksichtigt neben den technischen auch wirtschaftliche und topographische Besonderheiten.

vonvort

IX

Ein wesentlicher Bestandteil des Buches sind die Anhbge, weil sie zusatzlich zu dem in Fachbuchem allgemein ublichen aktuelle Anschriften wichtiger Behorden und Institutionen enthalten, die im konkreten Fall zu Rate gezogen werden konnen. Bezugsquellen der mangeblichen juristischen und technischen Vorschriften werden benannt. Mein Dank gilt jenen Firmen und Institutionen, die ausgezeichnetes Bild- und Informationsmaterial der Anwendungspraxis zur Verfiigung gestellt haben, insbesondere Herrn Ralf Feldhaus vom Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen. Besonderer Dank gebiihrt Herrn Martin Sobota, der mich bei der Literatursuche, beim Erstellen der Abbildungen und formalen Bearbeiten des Buches wesentlich unterstutzt hat, Herrn Frank Erdt, der das Manuskript mehrmals kritisch korrekturgelesen hat, und Herrn Jorg Hecke, der seinen Drucker zur Verfugung gestellt hat. Danken mochte ich den Herausgebern Herrn Prof. Dr. Claus Bliefert und H e m Prof. Dr. Josef Kwiatkowski, der mir seinerzeit die Aufgabe ubertragen hat, dieses Buch zu schreiben. Mein Dank gilt auch dem WILEY-VCH Verlag, hier insbesondere dem Lektor H e m Dr. Steffen Pauly, Frau Claudia Gross1 und dem Herstellungsteam. Zuletzt mochte ich auch meiner Frau danken, die mich ideell und mit vie1 Verst2ndnis f i r den Zeitbedarf unterstutzt hat.

Horstmar-Leer, im Februar 1999

Norbert Ebeling

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Inhalt 1 Grundlagen

1

1.1

Die Luft als Teil des menschlichen Lebensraumes

1.2

Gesetzeslage und Grenzwerte 4

1.3

Interpretation und Anwendung von Vorschriften

1.4

Literatur

1

7

17

2 Abscheidung von Feststoffen 21 2.1

Staubquellen 21

2.2

Entstaubungstechnik

26

2.2.1 Entstaubung durch Sedimentation 32 2.2.2 Fliehkraftentstauber oder Zyklone

32

2.2.3 Filternde Abscheider 37 2.2.4 Elektroentstauber

45

2.2.5 Waschentstauber 55 2.2.6 Betriebssicherheit von Entstaubem

59

2.3

Technisch-wirtschaftlicherVerfahrensvergleich

2.4

Literatur

64

61

3 Abscheidung von Fliissigkeiten

3.1

Tropfchenbildung 69

3.2

Abscheider

3.3

Literatur

69

69

71

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe 73 4.1

Absorption

73

4.1.1 Gaswascherbauarten und ihre Berechnung 4.1.2 Rauchgasentschwefelung

82

100

4.1.3 Absorber fur Ruckstandsverbrennungsanlagen 4.2

Adsorption

118

4.2.1 Physikalische Grundlagen 4.2.2 Adsorptionsmittel

1 18

125

4.2.3 Adsorberbauarten im Vergleich 4.3

1 15

Katalytische Abgasreinigung

4.3.1 Grundlagen

127 139

139

4.3.2 Rauchgasentstickung

141

4.3.3 Dreiwegekatalysatoren fur motorische Zwecke

150

4.4

Thermische und katalytische Nachverbrennung

15 1

4.5

Direktverfahren

4.6

Biologische Verfahren

4.7

Zusarnmenfassung und Ratgeber

4.8

Literatur

166

158 159 164

XI11

Inhalt -

.

~~~

5 Nichtstoffliche Emissionen

5.1

Schallschutz 177

5.2

Storende Lichtemissionen

5.3

Elektrosmog

5.4

Strahlenschutz 184

5.5

Literatur

177

I81

182

186

6 Emissionsubenvachung

189

6.1

Gesetzliche und theoretische Grundlagen

6.2

Methoden und Anwendungen

6.3

Literatur

I89

191

193

7 Der systematische Weg von der Problemstellung zur technischen Losung

7.1

Allgemeiner Ratgeber

7.2

Ablaufdiagramme

7.3

Arbeitsanweisungen und Checklisten

7.4

Literatur

Anhangl

195

198

21 1

213

A 1.1 Behordenanschriften

2 13

A 1.2 Anschriften anerkannter Mehstitute

Anhang2

206

2 17

223

Bezugsquellen juristischer und technischer Vorschriften

223

195

Inhalt

Anhang3

225

Nachschlagewerke und weiterfihrende Literatur

Register

227

225

Haufig verwendete Formelzeichen und zugehorige ubliche Einheiten

a A CI

cu d d

a D(4 DIG

DIL

e e E

f F g G

(3 h

HETS Hi HTU K KIG

KIL Kn

I

r, LP

L M n, n,

Ni Nu

P PD

volumenspezifische Austauschflache m2/m3 m2 Flache, Querschnittsflache Konzentration des Stoffes i in einem Gas kmol/m3 oder kg/m3 Cunningham-Zahl mathematisches Differential Durchmesser (allgemein) m mathematische Differential (partielle Ableitung) Durchgangssummenkurve Diffusionskoeffizient der Komponente i in der Gasphase kmol/(m.h) kmol/(m.h) Diffusionskoeffizient der Komponente i in der Fliissigphase C Elementarladung, Ladung eines Elektrons Basis des natiirlichen Logarithmus V/m elektrische Feldstfirke m2/(m3.s) projizierte Flache (im Elektroentstauber) N Krafi (allgemein) m/S2 Fallbeschleunigung, Erdbeschleunigung N Gewichtskraft mol/s Gasstrom m Hohe, Dicke (allgemein) m Hohe einer theoretische Stufe bar Henry-Koeffizient fiir die Losung des Stoffes i in einer Fussigkeit Hohe einer ijbergangseinheit Boltzmann-Konstante gasseitiger Stoffdurchgangskoeffizient flussigkeitsseitiger Stoffdurchgangskoeffizient Knudsen-Zahl Lange (allgemein), Abstand m S chal ldruckpegel Schalleistungspegel Fliissigkeitsstrom mol/s Masse kg mol Stoffmenge des Stoffes i Kmol/(m2-h) Flachenspezifischer Stoffmengenstrom der Komponente i Stoffmengenstrom der Komponente i kmolh Nusseltzahl Druck (allgemein) bar oder N/m2 Dampfdruck bar

XVI

Haufig venvendete Formelzeichen ..-

r

T U U 1' -

V

M!

--... - ....____

Partialdruck der mit i bezeichneten Komponente Dampfdruck der mit i bezeichneten Komponente Prandlzahl elektrische Ladung relative Haufigkeit, Verteilungsdichte Gaskonstante Radius Abstand Reynoldszahl Ruckstandssummenkure Schmidtzahl Shenvoodzahl innere Oberfache einer Schuttung bezogen auf das Volumen des Feststoffs Temperatur elektrische Spannung Umfang Geschwindigkeit (allgemein) Anstromgeschwindigkeit, Leerrohrgeschwindigkeit effektive Wanderungsgeschwindigkeit (im Elektroentstauber) Weberzahl Partikeldurchmesser Stoffmengenanteil der Komponente i in der Flussigphase Beladung der Flussigphase mit dem Stoff i Beladung einer Oberflache mit dem Stoff i (Adsorption) Stoffmengenanteil der Komponente i in der Dampfphase Beladung der Gasphase mit dem Stoff i Bunsenscher Absorptionskoeffizient gasseitiger Stofftibergangskoeffizient fliissigkeitsseitiger Stoffubergangskoeffizient Aktivitatiskoeffizient gaseitige Grenzschichtdicke fliissigkeitsseitige Grenzschichtdicke Differenz Porositat, Hohlraumantei I absolute Dielektrizitatskonstante Z*igkeit, dynamische Vi sko sitat Entstaubungsgrad (allgemein) Gesamtentstaubungsgrad Stufenentstaubungsgrad Temperatur freie Weglbge

-

.-. -

-.

bar bar

c mm" J/(mol.K) m m

m2/m3

K V m m/S

m/S m/S

mm mol/mol mol/mol kmol/m2 mol/mol mol/mol m3/(m3.bar) kmol/(m2s) kmol/(m2.s) m m

Ndm2

OC m

Haufig verwendete Formelzeichen

P V

x

P

m (T

cp

Umwegfaktor kinematische Viskositat Kreiszahl Dichte (allgemein) Dichte eines Fluids, eines Gases oder einer Flussigkeit Oberflachenspannung relative Feuchtigkeit

XVII

l/(ms) kg/m3 kg/m3 N/m

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1

Grundlagen

1.1 Die Luft als Teil des menschlichen Lebensraumes Luft gilt seit dem Altertum als eines der vier “Elemente” und ist bezuglich ihrer Bedeutung fur das menschliche Leben gleichrangig anzusehen mit dem Wasser. Die hohe Wertschatzung der Luft in alter Zeit ist bemerkenswert, da man von ihrer Natur sehr lange nur eine verschwommene Vorstellung hatte, ist sie doch unsichtbar und leichtfluchtig, wenn auch in Form von Wind deutlich spurbar. Otto von Guericke bewies als erster die Existenz des Luftdrucks und fuhrte spektakulare Experimente [ 1.11 zu seiner quantitativen Bestimmung durch. Lavoisier lieferte die ersten stochiometrisch korrekten Untersuchungen zur Verbrennung mittels Luftsauerstoff [ 1.21. Seitdem haben sich die Kenntnisse der physikalischen und chemischen Natur der Luft erheblich vermehrt, und entsprechende Beschreibungen und Tabellenwerke sind reichlich vorhanden (fur technische Zwecke insbesondere der VDI-Warmeatlas

[1.31). Luft besteht bekanntlich im wesentlichen aus Stickstoff und Sauerstoff. In geringen Mengen enthalt sie Argon. Kohlendioxid und Wasserdampf sowie eine Vielzahl weiterer Stoffe, die allerdings nur in Spuren nachweisbar sind (Tab. 1- 1). Die Bedeutung sauberer Luft fur das Leben ist allgemein bekannt und sol1 an dieser Stelle nicht naher betrachtet werden. Die chemischen Prozesse in der Lufthulle sind vielfaltig und beruhen auf verschiedenen naturlichen Mechanismen [ 1.4, 1S ] .Naturliche Luft kann lokal durchaus gasfonnige Schadstoffe enthalten [ 1.61, zum Beispiel Schwefelverbindungen infolge Vulkanismus [ 1.71, und ist je nach Standort, Jahreszeit und meteorologischer Situation unterschiedlich hoch mit feinen Feststoffen beladen. Neben Sand sind hier l’flanzenpollen zu nennen. die als Verursacher von Allergien eine gesundheitsschadliche Wirkung haben konnen. Hinzu kommen die Stoffe, die durch den Menschen kunstlich in die Lufi eingetragen werden. Sie konnen sowohl gasformig in der Luft gelost als auch fest oder flussig sein. Die Abluft und die Abgase von Industrieanlagen, die gasformigen Emissionen, kann man im Prinzip so reinigen, dafl ihre Zusammensetzung derjenigen der naturlichen Umgebungsluft weitgehend entspricht. Ein erhohter Kohlendioxid- und ein entsprechend gesenkter Sauerstoffgehalt ist bei Verbrennungsvorgangen allerdings zwangslaufig und kann durch nachgeschaltete Anlagen nicht mit vemunftigem Aufwand korrigiert werden. Inwieweit kunstlich erzeugtes Kohlendioxid, C02, als Treibhausgas zu geringfigiger, aber okologisch verheeren-

2

1 Grundlagen

Tab. 1-1 : Zusammensetzung der trockenen Atmosphare in der Nahe der Erdoberflache (Bezugsjahr 1992), nach Bliefert [ 1.4). Bestandteil St ickstoff Sauerstoff Argon Spurengase (gesamt) Kohlendioxid Neon Helium Methan Krypton Wasserstoff Distickstoffoxid Xenon Kohlenmonoxid”) Ozon‘) St ickstoffdioxid”’ Stickstoffoxida) Schwefeldioxida) Ammoniak Forrnaldehyd”) Chlormethan Dichlordifluorinethan (R12) Kohlenoxidsulfid Trichlorfluormethan (RI 1) Methylchloroform Tetrachlorkohlenstoff Tetrafluormethan Salpetersaure”) Schwefelkohlenstoff Dimethylsulfid Peroxyacetylnitrat (PAN) Methy lmercaptan Perhydroxyl-Radikal Schwefelhexafluorid Hydrosyl-Radi kal Wasserstoffperosid Schwefelwasserstoff

Formel N2 0 2

Ar

co2 Ne He C Hd Kr H? N2 0

Xe

co 0 3

NO2 NO

so2

NH3 HCHO CHjCl CF2CI:

cos

CFCI3

c 1-13 cc I,

CCI, CF4 11NOi

cs2 CHjSCH; CHjC(O)OjN02 CHjSH HOz SF6

OH H202

H2S

Volumenanteil 78,084 Yo 20.946 % 0,934 % 0,036 Yo 354 ppmb’ 18,18 ppm 5 2 4 ppm 1,7 ... 1,s ppm” 1,14 ppm 0,s P P ~ 0,3 ppmd’

87 PPb 30 ... 250 ppb 10 .., 100 ppb” 10 ... 100 ppb 5 . _.100 ppb < I ... 50 ppb 0,l ... 1 ppb 0.1 1 ppb 620 ppt 480 ppt‘ 400 ... 600 ppt 280 ppt‘ 130 ppt 100 ... 200 ppt 67 PPt 50 .._ 1000 ppt 20 ... 300 ppt 20 ... 300 ppt 10 __. 500 ppt 10 ... 400 ppt 4 PPt 0sPP~ 0,OJ PPt bis 5 ppt bis 0.5 ppt

Spurengase rnit schwankendsn Volumenanteilsn. Relativer Anstieg zur Zeit 0,3 ... 0.4 %a im Jahr; Gehalt 1994: 357 ppni Rrlativer Anstieg zur Zeit 1.0 YOim Jahr. Relativer Anstieg zur Zeit ca 0,2 . . 0.3 Yo irn Jahr. Relativerjihrlicher Anstieg zur Zeit 0.7 % in der l’roposphue, relative jahrliche Abnahme 0.3 ... 0.4 % in der Stratospharc Relativer jihrlicher Anstieg der FCKW zur Zeit ca. 5 a%

1.1 Die Luft als Teil des menschlichen Lebensraumes

3

der E r w m u n g der Erdatmosphare fihrt, ist umstritten. MeBtechnisch enviesen sind sowohl die allmahliche Erwarmung als auch der Anstieg der Kohlendioxidkonzentration in der Erdatmosphae seit Beginn der Industrialisierung [ 1.8]. Ein Kausalzusammenhang ist damit zwar naheliegend, aber nicht bewiesen. Das Klima andert sich standig, und die derzeitige Erwarmung kann auch ein Zufall oder durch V o r g h g e in der Sonne verursacht sein. Die Entwicklung der Sonnenfleckenaktivitat deutet darauf hin [ 1.91. Als Folge lost sich weniger Kohlendioxid in den Ozeanen (siehe auch Abschnitt 4.1) [1.10, 1.1 I]. Verfahren zur COZBegrenzung zielen fast immer darauf ab, Verbrennungsprozesse entweder zu optimieren oder zu umgehen [ 1.121, und werden in diesem Buch nicht diskutiert. Zur Thematik anderer Treibhausgase, vor allem des Methans, CH4, sei auf Forstner [ I . 131 und Bliefert [ 1.41 verwiesen. In der Regel verzichtet man aus wirtschaftlichen Uberlegungen darauf, die anderen kunstlich erzeugten Begleitstoffe in Abgasen moglichst vollsthdig zu entfemen, sondem strebt lediglich an, bestimmte gesetzlich vorgegebene Grenzwerte flir die Menge und die Konzentration der Schadstoffe in der Abluft zu unterschreiten, also die Emissionen zu begrenzen. Das eigentliche Ziel ist, dal3 die Umgebungsluft auch nach dem Einleiten der Abluft keine okologisch oder gesundheitlich bedenklichen Schadstoffkonzentrationen enthalt, die himissionen also bestimmte Grenzwerte unterschreiten. Diese sind durch Richtlinien festgelegt (siehe Abschnitt 1.2 und Kapitel 6). Die gesundheitlichen Folgen von Schadstoffimmissionen sind weitgehend erforscht [ 1.14 - 1.181. Sie sind in der Regel weniger bedeutsam als die des Rauchens [1.19]. Bei der Bewertung von Abgasen spielt der Geruch - er wird olfakfometrisch [ 1.201 mit der menschlichen Nase untersucht - eine Rolle, seltener die Farbung durch fein dispergierte Partikel. Sie werden unabhhgig davon, ob sie fest oder flussig sind, als Aerosole bezeichnet (siehe auch Abschnitt 4.1.2, Rauchgasentschwefelung). Anders als in der Umwelt ist die Situation in Innenraumen. Hier kann es zu erheblichen lokalen Anreicherungen kommen [ 1.21, 1.221. Zu Schadstoffen und deren Wirkung am Arbeitsplatz gibt es zahlreiche Untersuchungen [ 1.231. Die daraus hervorgehenden Grenzwerte [ 1.241 weichen von denen fur die Urnwelt deutlich nach oben ab (siehe auch Abschnitt 1.2). In diesem Buch wird ausschlieBlich der additive Umwelrschutz, die Beseitigung von bereits entstandenen Emissionen, diskutiert, in der Praxis vorzuziehen ist jedoch nach Moglichkeit der produktionsintegrierfe. Hier lassen sich aber kaum Regeln angeben, sondem lediglich Beispiele diskutieren, und das in groBer Zahl [ 1.24 - 1.261. Entscheidend sind die besonderen Gegebenheiten des Einzelfalls. Nur teilweise lassen sich die Anwendungsfalle in Gruppen einteilen, f i r die generelle Aussagen getroffen werden konnen [ 1.271. Einen allgemeinen Uberblick uber Probleme der Luftreinhaltung unter Berucksichtigung branchenspezifischer Besonderheiten bietet Baum [ 1.281. Neben technischen sind bei der Luftreinhaltung vor allem

1 Grundlagen

4

wirtschaftliche Beschrankungen zu beachten, aber auch die Tatsache, daB zuriickgehaltene und somit wiedergewonnene Schadstoffe - richtig eingesetzt - oft auch Wertstoffe sind. Fur spezielle Fertigungsprozesse der Mikroelektronik wendet man die Reinraumfechnik an [ 1.291. Hier wie auch f i r Klimaanlagen wird die Zuluft von Aerosolen gereinigt. Dieses The-

ma gehort nicht zur Umwelttechnik und wird im folgenden nicht behandelt. Allerdings sind die in diesem Buch vorgestellten Verfahren zur Abscheidung fester Schadstoffe grundsatzlich - mit entsprechenden Auslegungsdaten - auch dort anwendbar.

1.2 Gesetzeslage und Grenzwerte Das Umweltrecht ist gepragt durch eine Vielzahl von Gesetzen und Verordnungen [ 1.30,

1.3 I]. die zum groBten Teil entweder speziell f i r den Ablufibereich gelten oder ihn mit betreffen. Am wichtigsten ist in der Bundesrepublik Deutschland das Bundes-lmmissions.~chzrtzgeserz(BImSchG) von 1974, novelliert 1990, das neben den stofflichen Emissionen auch die Problemfelder Schall und Erschutterungen abdeckt [ 1.321. Es gliedert sich in sieben Teile: 1.

Allgemeine Vorschriften

2.

Errichtung und Betrieb von Anlagen

3. Beschaffenheit von Anlagen, Stoffen, Erzeugnissen, Brennstoffen, Treibstoffen und Schmierstoffen 4. Beschaffenheit und Betrieb von Fahrzeugen, Bau und iinderung von Stranen und Schienenwegen 5 . Ubenvachung der Lufiverunreinigung im Bundesgebiet, Luftreinhalteplane und LBjmminderungsplhe 6. Gemeinsame Vorschriften 7. SchluRvorschriften Zum BImSchG existieren 26 Rechtsverordnungen des Bundes, Bundes-lmmissionsschutzverordnungen (BImSchV), zu folgenden Themen: 1. Kleinfeuerungsanlagen 2. Leichtfluchtige Halogenkohlenwasserstoffe

1.3 Gesetzeslage und Grenzwerte

5

3. Schwefelgehalt von leichtem Heizol 4. Genehmigungsbedurftige Anlagen (detaillierte Aufziihlung) 5. Immissionsschutz- und Storfallbeauftragte 6 . ./. (existiert nicht mehr) 7. 8. 9. 10. 1 1.

Holzstaub Rasenmiherlikm Genehmigungsverfahren Beschaffenheit von Kraftstoffen Emissionserklihng (seitens des Betreibers)

12. 13. 14. 15.

Storfalle GroRfeuerungsanlagen (Kraftwerke) Militiirische Anlagen Baumaschinenlarm

16. Verkehrsliirm 17. Abfalle (siehe auch [ 1.331) 18. Sportanlagenlarm 19. Chlor- und Bromverbindungen als Kraftstoffzusatz 20. Kohlenwasserstoffemissionen beim Umfullen und Lagem von Ottokraftstoffen 2 1 . Kohlenwasserstoffemissionen beim Betanken von Kraftfahrzeugen 22. Immissionswerte (Hochstzulassige Werte und MeRverfahren) 23. Konzentrationswerte 24. Schallschutmallnahmen an Verkehrswegen 25. Emissionen aus der Titandioxid-Industrie 26. Elektromagnetische Felder 27. Anlagen zur Feuerbestattung und Anderung der 4. BImSchV Naheres regelt auch die Technische Anleirung Lufl (kurz: TA Luft) mit konkreten Vorgaben f i r die Genehmigungs- und Ubenvachungsbehorden. Sie ist alter als das BImSchG, gilt aber nach fj 48 BImSchG als diesem untergeordnete Verwaltungsvorschrifi (siehe auch BImSchG Teil 6 , gemeinsame Vorschriften). Die TA Luft gibt konkrete Grenzwerte an, die fur genehmigungspflichtige Anlagen nach der 4.BImSchV verbindlich sind. Ergana und interpretiert werden die gesetzlichen Bestimmungen durch Gerichtsurteile, die ebenfalls das Recht pragen konnen. Ein bekanntes Beispiel ist das Verbot, offene Kamine im privaten Bereich haufiger als viermal monatlich zu betreiben. Das Bundes-Immissionsschutzgesetz sagt dazu direkt nichts aus. Naheres wird durch die 1 . BImSchV oder Kleinfeue-

6

1 Grundlagen

r2ingsanfagenverordnung geregelt. Allerdings heint es hier in

9

4 Absatz 3: “Offene Kamine

durfen nur gelegentlich betrieben werden.” Dieser unbestinimfe Rechtsbegrfl (siehe auch [ 1.341) ist anlanlich eines konkreten Streitfalls hochstrichterlich im obigen Sinne naher defi-

niert worden (Lowenthal, B., Vortrag Landesumweltamt Essen, 1995). Die Regelung fur den Priizedenzfall ist fortan allgemein gultiges Recht. Die Vielzahl der zu unterscheidenden Stoffe und Spezialanlagen mit eigens fur diese geltenden Vorschriften fuhrt zu entsprechend komplizierten Rechtslagen [ 1.351 und Grenzwerttabellen [ 1.361. Bau und wesentliche Anderung einer Anlage bedurfen nach der 4. BImSchV in der Regel der Genehmigung. Die Details des Antrags- und Genehmigungsverfahrens sind in

9

10 des

Rundes-Immissionsschutzgesetzes und in der 9. BImSchV geregelt. Die eigentliche Genehmigungsbehorde holt Stellungnahmen weiterer Behorden ein. Hierzu gehoren Gewerbeaufsicht, Bauaufsicht, Gesundheitsamt, Wasserbehorden, Naturschutz und Wasserbehorden. Das Ge-

nehmigungsverfuhren beinhaltet eine U ~ i ~ ~ ~ e l ~ ~ e r t r a g l i c h k e i t s p rdie u f ufur n g bestimmte , Vorhaben mit geringer Bedeutung fur die Uniwelt aber entfallt.

5

19 BImSchG regelt das Verein-

fachte Genehmigungsverfahren. Die Vorschriften des Strafgesetzbuches (StGB) werden sinngemafl angewendet. Einige Paragraphen beziehen sich ausschliefllich a u i das Umwel/sfrufrechf.Zitiert seien die wichtigsten:

‘‘4

325. Luftverunreinigung. (1) Wer beim Betrieb einer Anlage, insbesondere einer Be-

triebsstatte oder Machine, unter Verletzung verwaltungsrechtlicher Pflichten Veranderungen der Luft verursacht, die geeignet sind, aunerhalb des zur Anlage gehorenden Bereichs die Gesundheit eines anderen, Tiere, Pflanzen oder andere Sachen von bedeutendem Wert zu schadigen, wird mit Freiheitsstrafe bis zu funf Jahren oder mit Geldstrafe bestraft. ... ... gelten nicht fur Kraftfahrzeuge, Schienen-, Luft- oder Wasserfahrzeuge. ...

9 327. Unerlaubtes Betreiben von Anlagen. ... (2) Mit Freiheitsstrafe bis zu drei Jahren oder mit Geldstrafe wird bestraft, wer 1. eine genehmigungsbedurftige Anlage ... ohne die nach dem jeweiligen Gesetz erforderliche Genehmigung oder Planfeststellung ... betreibt.”

Es empfiehlt sich also allein schon in Hinblick auf die nioglichen strafrechtlichen Konsequenzen, die gesetzlichen Bestimmungen und die dazugehorigen Rechtsverordnungen sorgfaltig einzuhalten. Emittierende genehmigungsbedurftige und nicht genehmigungsbedurftige Anlagen mussen bei Neuerrichtung dem Stundder Technik entsprechen. Dies ist ein juristischer Begriff (9 3 (6) BImSchG). Er ist der Entwicklungsstand fortschrittlicher Verfahren. Einrichtungen und Be-

1.3 Interpretation und Anwendung von Vorschriften

7

triebsweisen, die den besten zur Zeit realisierbaren Schutz der Umwelt vor Schadigungen garantieren und bereits mit Erfolg im Betrieb erprobt wurden. Die technische Umsetzung und die erforderlichen MeJ- und Analyseuerfahren konnen nicht allein juristisch geregelt werden, sondem erfordem ingenieur- und naturwissenschaftlichen Sachverstand und wiederum entsprechende Vorschften. Diese finden sich in den VDI-Richtlinien zur Reinhaltung der Lufr, aufgefihrt im VDZ-Handbuch Reinhalfung der Luft [ 1.371. Es gliedert sich in 6 Bande: Band 1: Maximale Immissions-Werte, Wirkungskriterien, wirkungsbezogene MeR- und Erhebungsverfahren Band 2: Band 3: Band 4: Band 5: Band 6:

Ausbreitung luftfremder Stoffe in der Atmosphare, Meteorologie Beschrankung der Emission luftfremder Stoffe - Fortsetzung Analysen- und MeRverfahren - Fortsetzung Verfahren zur Abgasreinigung - Staubtechnik

Jeder Band umfaRt eine Reihe spezieller Richtlinien, die auch einzeln bezogen werden konnen (siehe Anhang 2). Vom Stand der Technik sind die Alfgemein anerkannten Regeln der Technik (aaRdT) zu unterscheiden. Diese beschreiben nicht das Beste und Modernste, sondern lediglich den iiblichen Standard. Zum Umweltrecht des Auslandes innerhalb und aunerhalb der Europaischen Union sei auf Spezialliteratur venviesen [1.38 - 1.411.

1.3 Interpretation und Anwendung von Vorschriften Die vielfaltigen Schadstoffe der Luft konnen grob in folgende Gruppen unterteilt werden: Staub und Aerosole (siehe auch Kapitel2 und 3) - Schwefeloxide (siehe auch Abschnitt 4.1.1) Stickoxide (siehe auch Abschnitt 4.3) Kohlenmonoxid (siehe auch Abschnitt 4.5) fliichtige organische Verbindungen (siehe unter anderem Abschnitt 4.3 bis 4.6) -

1 Grundlagen

8

Die anorganischen Stoffe werden nach der TA Luft unterteilt in die Schadstoffklassen I bis lV, die organischen entsprechend in I, I1 und 111. Die Stoffe der Klasse I gelten als sehr schadlich, die der Klasse IV beziehungsweise 111 als eher harmlos. Festgelegt werden fur die Emissionen je nach Klasse maximal zulassige Schadstomrachfen in g/h und Beladungen in g/m3. Unter einem rn3 ist dabei ein Normkubikmeter,ein Normalkubikmeter oder ein Kubikmeter im Normzusfand zu verstehen; das ist ein Kubikmeter Gas oder trockener Luft bei einem Druck von 0.1013 MPa, also dem durchschnittlichen Umgebungsdruck in Meereshohe, und einer Temperatur von 273 K oder 0 “C. Bei feuchter Lufi ist der Wasserdampfanteil abzuziehen, wodurch sich rechnerisch die Emissionsbeladungen erhohen, die Grenzwerte also schneller erreicht werden. Nach dern allgemeinen Gasgesetz ist ein Normalkubikmeter, oft als m3 i.N., manchmal auch irrefuhrend als “Nm3” bezeichnet, identisch mit einer Stoffmenge von 44,6 mol. (In alteren Schriften finden sich oft Volumen- und Beladungsangaben, dic sich auf 20 “C oder 25 “C beziehen. Vorsicht!) Auf den

~

in der Umwelttechnik meistens belanglosen

- Unterschied zwischen Konzenfralion und Beladung sei hingewiesen: Konzentrationsangaben beziehen sich immer auf das Volumen der Mischung, Beladungsangaben aber auf den

Tragergasstrom. Bei niedrigen Konzentrationen ist dieser Unterschied belanglos, bei gronen erheblich. Charakteristisch fur die nieisten Vorsclriften ist das Unterscheiden nicht n u r nach Schadstoffbeladung und -fracht, sondern auch nach Art der Emissionsquelle mit der Konsequenz. daR dieselben Emissionen in einem Fall verboten und ini anderen (noch) erlaubt sind. Nicht nur unterscheiden sich verschiedene Gesetze und Verordnungen voneinander derart, daR Zuni Beispiel GroRkraftwerke nach der GroRfeuerungsanlagenverordnung scharfere Grenzwerte einhalten mussen als Kleinanlagen nach der TA Luft. sondern auch innerhalb derselben Vorschrift wird detailliert j e nach Fall unterschieden. So verfahrt auch die ?’A Luft in ihrem Kapitel 3 und unterscheidet zwischen verschiedenen Anlagentypen. Fur kohlegefeuertc Feuerungsanlagen gelten hohere Grenzwerte als fur olgefeuerte. Bei Verwendung von Erdgas als Brennstoff gelten in der Tendenz noch niedrigere Werte. Hier wird der Umstand beriicksichtigt, dan beim Verbrennen von Kohle aufgrund der heterogenen Verhaltnisse auf dem Rost zwangslaufig mit hoheren Emissionen zu rechnen ist als beim Verbrennen von 0 1 oder Gas. Angegeben wird in allen Fallen ein Volumengehalt an Sauerstoff in YOini Abgas, ein Sauerstoffbezugswert. (Statt von einer Volumenkonzentration in YOspricht man oft auch von einer Konzentration in Vol-%. Diese Schreibweise ist allerdings nicht genormt und wird gelegentlich als unkorrekt abgelehnt [ 1.421.) Verbrennungsanlagen mussen, um eine unvollstandige Verbrennung und eine unzulbsige Produktion von Kohlenmonoxid, CO, zu vermeiden. mit einer hoheren Luft- oder Sauerstoffzufuhr betrieben werden, als fur die chemische Ver-

9

1.3 Interpretation und Anwendung von Vorschriften

brennungsreaktion eigentlich erforderlich ware. Eine derartige Fahrweise heiBt uberstdchiomefrisch. Das Verhaltnis aus zugefihrter zu theoretisch benotigter Luftmenge wird als

LuftiiberschuJi'faktor, A, oder als A-Wert bezeichnet. Bei der iiberstochiometrischen Verbrennung, die demzufolge stets mit einem h-Wert von iiber 1 erfolgt, findet man also nicht benotigten Sauerstoff im Abgas. Verbrennungsvorgiinge mit h-Werten unter 1 sind unvollstandig und aus umwelttechnischer Sicht bedenklich. In solchen Fallen, zum Beispiel im Abgas von Dampflokomotiven, sieht man fast immer eine deutliche Rauchfahne aus nicht verbranntem Kohlenstoff oder eine Qualmwolke, ein Gemisch von Rauch und Wasserdampf. Da Beladungen und Konzentrationen

-

im Gegensatz zur Schadstofffracht

~

im Prinzip

beliebig gesenkt werden konnen, indem man das Abgas mit Luft verdunnt, wird diejenige Sauerstoffionzentration im Abgas, die verfahrensbedingt gemaB dern Stand der Technik als normal angesehen wird, in der Vorschrift festgeschrieben. Wird sie unterschritten, weil dem Betreiber auch bei geringerer Luftzufuhr eine saubere Verbrennung gelingt, dann werden die Grenzwerte nicht korrigiert mit der Konsequenz, daB in diesem Fall bei identischer Schadstoffbeladung eine geringere Fracht vorgeschrieben ist. Bei Uberschreiten des Sauerstoffbezugswertes verfahrt man so, als sei nachtraglich verdunnt worden, und rechnet die Beladung entsprechend hoch. Fur das Verbrennen reinen Kohlenstoffs, naherungsweise auch der meisten anderen Brennstoffe, gilt:

Dabei bedeuten:

h x

~

,aus 2

Luftiiberschunfaktor Sauerstoffvolumenkonzentration hinter der Anlage, also im Ausgang in %

X O ,ein ~

Sauerstoffvolumenkonzentration im Eingang in %

Betragt die Sauerstoffvolumenkonzzentration der Umgebungsluft etwa 2 1 % und der Luftiiberschunfaktor zum Beispiel 1,2, d a m ist rnit 4,2 % Sauerstoff im Ausgang zu rechnen. Wenn die Sauerstoffkonzentration des Abgases von der Bezugskonzentration, die in der Vorschrift genannt wird, nach oben abweicht, dann ist nicht die gemessene SchadstoffMassenkonzentration EM in mg/m3 mangebend, sondem ein Bezugswert, der nach TA Luft folgendermanen errechnet wird:

10

1 Grundlagen

( 1-2)

Dabei bedeuten: X’O2, Belug

X O.gemessen ~

Bezugs-Sauerstoffvolumenkonzentrationaus der Vorschrift in YO Im Abgasstrom aktuell gemessene Sauerstoffvolumenkonzentration in %

EM

Schadstoff-Massenkonzentration des Abluftstroms in mg/m3

El3

fur die Einhaltung der Vorschrift mangebliche Bezugs-

Schadstoff-Massenkonentration in nig/m3

En ist groRer und damit ungunstiger als EL,. Die TA Luft enthalt neben den Grenzwerten fur Emissionen auch solche fur Immissionen und eine Auslegungsvorschrift. um die Hohe eines Schornsteins in Abhangigkeit von diversen Parametern zu berechnen. Der wichtigste ist die Fracht des emittierten Schadstoffs. Ausgangspunkt ist ein Nomogrunim (Abb. I-1), das die Ermittlung einer vorlaufigen Bauhohe. H‘, gestattet als Funktion des aquivalenten Schornsteindurclmiessers, d. der Kauchgastemperatur, I , der Rauchgasmenge, R (eigcntlich des Rauchgasvolumenstronis), des Emissionsmassenstroms, (3, und des Gewichtungsfaktors, S, der in der TA Luft fur anorganische Stoffe j e nach Schadstoff und fur organische j e nach Schadstoffilasse I bis I11 tabelliert ist (Tab. 1-2). Der aquivalente Schornsteindurchmesser ist in der Regel mit dem geometrischen Mundungsdurchmesser identisch. Fur niehrere nahe beieinanderstehende Schornsteine errechnet man ihn als fiktiven Durchmessers eines Kreises, dessen Flache der Gesamt-Mundungsflache aller Schornsteine entspricht. Die Rauchgasmenge, R, ist definiert als der Volunienstrom des Abgases ini Normzusfund nach Abzug der Wasserdampf-Feuchte. Wenn der tatsachliche Rauchgasvolumenstroni bekannt ist, dann ist die Unirechnung mit Hilfe der relutiven Feeuchtigkeit kein Problem: Jene ist das Verhaltnis aus Partialdruck und Dampfdruck des Wassers bei der tatsachlichen Betriebstemperatur. Stoffwerte liefert der VDI-Warnieatlas, Kapitel Db [ 1.451. IIinreichend genau laRt sich der Dampfdruck niit folgender Gleichung ermitteln:

1.3 Interpretation und Anwendung von Vorschriften

Abb. 1-1: Nomogramm zur Ermittlung der Schornsteinhohe, nach TA-Luft [l-43, 1-44]

11

12

1 Grundlagen

Tab. 1-2 : S-Werte zur weiteren Gewichtung der er-

rechneten Schomsteinhohe, nach TA-Lufi [ 1.441.

Bestandteil Schwebstaub

S-Wert 02

Chlorwasserstoff angegeben als C1

0,1

Chlor

0,15

Fluowasserstoff und anorganische gasformige Fluorverbindungen angegeben als I:

0,003

Kohlcnmonoxid Schwefeldioxid Schwefelwasserstoff Stickstoffdioxid

15 02 0,005 0,15

fur Stoffe nach 3.1.4:

Klasse 1 Klasse I1 Klasse I11

0,02 0,1 02

fur die Stoffe: Blei Cadmium Quecksil her Thallium

0,005 0,0005 0,005 0,005

f i r Stoffe nach 3.1.7: Klasse I Klasse I1 Klasse I11

0,05 02 1,o

fur Stoffe nach 2.3: Klasse I Klasse I1 Klasse I11

0,000 1 0,oo 1

1.3 Interpretation und Anwendung von Vorschriften

13

(1 -3)

Dabei bedeuten:

9 p~

Dampftemperatur in "C Dampfdruck (absolut) in bar

Das Verhaltnis aus Partialdruck und dem Umgebungsdruck von - aufler auf hohen Bergen etwa 1 bar ist identisch mit der Wasserdampf-Volumenkonzentration. (Das MollierDiagramm fur feuchte Lufi, das in fast jedem Lehrbuch der Thermodynamik abgedruckt ist, liefert parallel hierzu die Wasserdampf-Massenbeladung des trockenen Lufianteils.) Das Verhaltnis aus Volumenstrom im Normzustand und Betriebs-Volumenstrom nach Abzug des Wasserdampfanteils ist mit dem Verhaltnis aus der Bezugstemperatur 273 K und der tatsachlichen Betriebstemperatur in K identisch. Die theoretisch zusatzlich erforderliche Druckkorrektur darf in der Regel unterbleiben. Eine andere Moglichkeit, die Rauchgasmenge zu berechnen, lauft uber Feuerungswarmeleistung, Brennstoffverbrauch, Luftuberschufl oder Sauerstoffgehalt im Rauchgas. Kennt man neben der Leistung den Heizwert des Brennstoffs in kJ/kg, dann erhalt man sofort den Brennstoff-Massenstrom als deren Quotienten. Um den Brennstoff-Stoffmengenstrom zu errechnen, benotigt man zusatzlich dessen ungefahre mittlere chemische Summenformel und damit die mittlere Molekiilmasse. Durch diese hat man den Brennstoff-Massenstrom zu dividieren. Der erforderliche Sauerstoff-Stoffmengenstrom errechnet sich aus der stochiometrischen chemischen Gleichung. Da Frischlufi nach Abzug des (stark schwankenden) Wasserdampfanteils etwa 2 1 Volumenanteile Sauerstoff enthalt, folgt daraus sofort deren mindestens erforderlicher Stoffmengen- und Normvolumenstrom. Die tatsachlichen Strome sind um den Luftiiberschunfaktor, h, groner. Der emittierte Abgasstrom in rn3 i. N. ist naherungsweise mit dem Zuluftstrom identisch. Wenn pr;izise gerechnet werden mufl, hat man uber die Stochiometrie zu korrigieren. (Fur 0 1 und Gas unterscheidet man zwischen dem unteren Heizwert, Hu, und dem oberen Heizwert, dem Brennwert, H,. In der Regel, wenn nicht besonders darauf hingewiesen wird, ist immer der untere Heizwert gemeint. In sogenannten Brennwertkesseln allerdings kondensiert zum iiberwiegenden Teil das Wasser, das bei der Verbrennung chemisch erzeugt wird.

14

1 Grundlagen

Die dadurch frei werdende Warme wird zusatzlich genutzt. Der obere Heizwert ist die Summe aus dem unteren I-leizwert und dieser Kondensationsenthalpie.) Der Emissionsmassenstrom ist das Produkt aus dem Rauchgasvolunienstroni und der Schadstoffkonzentration im Rauchgas. Falls physikalisch-chemisch weder eine Zerstorung noch eine Neubildung durch die Verbrennung moglich ist, ist er auch das Produkt aus Brennstoffmassenstrom und dessen Schadstoffgehalt (exakte Definition und Mdeinheit beachten!). Die aus dem Nomogramm abgelesene vorlaufige Schomsteinbauhohe, H’, ist nur in Sonderfallen, wenn in der Umgebung weder hohe Gebaude noch Baume oder andere Gelkdehindernisse stehen, mit der geometrischen Hohe, H , identisch. Ansonsten gilt:

H

=

H’

-t

J

(1 -4)

Der Wert J hangt vom Quotienten J l H ’ ab und wird iiber ein Diagramm (Abb. 1-2) ermittelt.

J’ ist dabei die mittlere Bebauungs- oder Bewuchshohe in der Umgebung des Schomsteins. Die Hindernisse miissen nur beriicksichtigt werden, wenn sie so dicht stehen, daf3 sie mindestens 5 YOdes Beurteilungsgebietes bedecken. Ansonsten reicht H‘ als geometrische Schornsteinhohe aus. Die GroBe des Beurteilungsgebietes unifaBt -

generell eine Kreisflache mit dem 30fachen von H’ als Radius;

wenn die zu envartende Zusatzbelastung der betreffenden Anlage 1 YOdes Imnrissionsgren-mertes IWl iiberschreitet, so ist das 50fache von H‘ als Radius anzusetzen; - wenn die Schornsteinhohe H‘ weniger als 30 ni uber der Flur betragt, so ist eine quadratische Flache mit 2 km Seitenlange zugrunde zu legen, was eine erhohte Anforderung an die zu beriicksichtigende Flache darstellt; - wenn die Anlage selbst eine Flache von 0,04 km2 einnimmt (200 m x 200 m), dann wird

-

ein Quadrat mit 4 km Seitenlange berucksichtigt. In allen Fallen gilt unabhangig von der vorherrschenden Windrichtung, daB die betrachtete Anlage im Zentrum des Beurteilungsgebietes liegt.

1.3 Interpretation und Anwendung von Vorschrifien

0,l

0,2

0,3

15

J ‘/H ’

Abb. 1-2: Diagramm zur Ermittlung des Wertes J [ 1.441

Wenn die okologischen Folgen der Emission abgeschatzt werden sollen, mul3 die Berechnung der Schomsteinhohe durch eine Ausbreitungsrechnung nach TA Luft (1 986) Anhang C [ 1.441 ergiinzt werden (siehe auch [I .46, 1.471). Fur Gronkraftwerke ab einer Feuerungswihneleistung von 50 MW und fur Gasfeuerungen ab 100 MW gilt die 13. BImSchV, die Groflfeuerungsanlagenverordnung. Die zulassigen Schadstoffbeladungen sind hier niedriger als die entsprechenden Werte nach der TA Luft. Gerechtfertigt ist dies durch die extrem grofle Fracht, die hier trotz eingehaltener niedriger Grenzwerte auftritt, wenn auch die geforderten hohen Schornsteine fur eine gewisse Verdunnung sorgen. Fur Mullverbrennungsanlagen gelten die extrem niedrigen Grenzwerte nach der 17. BImSchV. Sie sind im Prinzip politisch festgelegt. Offenkundig spielen hier auch psychologische Aspekte eine Rolle, da die Mullverbrennung in der Offentlichkeit einen schlechteren Ruf hat, als ihrem Gefdxdungspotential im Vergleich zu anderen Anlagen und Betrieben entspricht. Bemerkenswert ist bei der Angabe hochstzulassiger Beladungen (Tab. 1-3) die Unterscheidung zwischen dem Tagesmittelwert und dem Halbstundenmittelwert, der deutlich hoher liegt. Es werden dem Betreiber also gewisse zeitliche Schwankungen und kleinere technisch bedingte UnregelrnaBigkeiten zugestanden. Andere, in den oben zitierten Vorschriften nicht erwahnte, wichtige Kenngronen sind die obere und untere Geruchsschwelle in mg/m3, die nur empirisch festgelegt werden konnen [ 1,201. In der Umgebung emittierender Anlagen interessiert im Regelfall nur die untere Geruchsschwelle. Bei extrem hohen Schadstoffkonzentrationen, wie sie nur im Fall einer Havarie zu erwarten sind, ist allerdings mijglich, dal3 die menschliche Nase ebenfalls nicht reagiert.

1 Grundlagen

16

Tab. 1-3: Emissionsgrenzwerte nach der 1 7. Bundes-Immissionsschutz-Verordnung. Art Gesamtstaub organische Stoffe (Gesamtkohlenstoff) gasfdrmige anorganische Chlorverbindungen angegeben als HC1 gasformige anorganische Fluorverbindungen angegeben als HF Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid angegeben als SO1 Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid angegeben als NO2

Cadmium (Cd), Thallium (Tl) Quecksilber (Hg) Antimon (Sb), Arsen (As), Blei (Pb), Chrom (Cr), Cobald (Co), Kupfer (Cu), Mangan (Mn), Nickel mi), Vanadium (V), Zinn (Sn) polychlorierte Dibenzo-Dioxine und Furane

Tagesmittelwert 10 rng/m3 10 mg/m3 10 rng/m3 1 mg/m3

50 mg/m3 0,20 g/m3

Halbstundenmittelwert 30 mg/m3 20 mg/m3 60 mg/m3 4 mg/m3

0,20 g/m3 0,4 g/m3

Mittelwert uber Probenahmezeit insgesamt: 0,05 mg/m3 0,05 mg/m3 0,5 mg/m3 insgesamt:

Summenwert

0,1 ng/n13

Die Mindest-Verbrennungstemperatur betragt 850 "C, bei Einsatz von Halogeniden 1200 "C uber mindestens 2 s. Behordliche Ausnahmegenehmigungen sind moglich. Die Grenzwerte beziehen sich auf Normalkubikmeter und einen Sauerstoffbezugswert von 11 Yo. Es wird in einigen Fallen auch eine Gewohnung bcobachtet, insbesondere bei Schwe@lwussers!off--H~S-lmmissionen (Vortrag Geueke, K. J., Landesumweltarnt Essen 1995). Fur die Anlagensicherheit sind die oberen und unteren Explosionsgrenzen in Luft entscheidend. Sie gelten sowohl fur Gase aIs auch f i r Aerosole und Staube und werden als Volumenkonzentrationen oder Massenkonzentration angegeben. Wenn die Konzentation zwischen den Grenzwerten liegt, reicht jede Zundquelle aus, eine Explosion auszulosen (siehe auc h Abschnitt 2.2.6). Wahrend fur die Umgebung die muximule Inimis.sionskonzen!rction oder der MIK-Wer! bedeutend ist, ist fur den Arbeitsschutz die muximule Arbeitsplutzkonzentrution oder der

M K -Wer! definiert. Dieser gilt fur Beschaftigte, die beruflich einem Schadstoff ausgesetzt

1.4 Literatur

17

sind, und ist so festgelegt, d d nach arbeitsmedizinischen Erkenntnissen keine Schaden zu erwarten sind, wenn gesunde Personen werktaglich acht Stunden dem Schadstoff ausgesetzt sind. Er lie@ in allen Fallen erheblich iiber dem MIK-Wert. Fur krebserregende Stoffe kann man keine Schwelle angeben, unterhalb derer Schaden ausgeschlossen sind. Allerdings wird die Wahrscheinlichkeit, daR es zu gesundheitlichen Problemen kommt, mit niedriger werdender Schadstoffkonzentration geringer. Hier, wie zum Beispiel f i r den Umgang mit Asbest [ 1.49, 1S O ] hilft man sich mit technischen Richtkonzentrationen, den TRK-Werten. MIK-Werte sind Richtwerte. Sie werden zum einen von der VDI-Kommission “Reinhaltung der LuW’ erarbeitet und sind in den bereits zitierten Richtlinien E1.241 zu finden; z w anderen sind MIK-Werte in der TA-Luft [ 1.30, 1.441 festgelegt. UAK-Werte werden definiert von der “Senatskommission zur Prufung gesundheitsschadlicher Arbeitsstoffe” der Deutschen Forschungsgemeinschaft [ 1.51, 1521. Der TRK-Wert ist diejenige Konzentration eines Stoffes in der Luft am Arbeitsplatz, die nach dem Stand der Technik erreicht werden kann ( 5 3 (7) GefSrofft3 [ 1.41. Die Konsequenzen, die sich im konkreten Einzelfall aus den Vorschriften ergeben, sind nicht immer leicht und eindeutig zu erkennen. Ndheres kann manchmal in der Diskussion mit der zustiindigen Genehmigungsbehorde gekliirt werden. Uber eine Aufzahlung der Vorschriften gehen das Buch “Grundkurs Umweltrecht” von Kahl / VoRkuhle [ 1.341 und das Loseblattwerk “Betrieblicher Umweltschutz” von Schiegl [ 1.531 deutlich hinaus und verdeutlichen die Begriffe und Regelungen an konkreten Einzelbeispielen. Pohle [ 1.541 stellt die Verbindung zwischen rechtlichen Vorschriften und technischen Normen her.

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VDI-Wumiearlas. Dusseldorf: VDI, 7. Auflage 1994 [ 1.431 unter anderem abgedruckt in: Bank, M.: Basiswissen Umwelttechnik, Abschnitt 14.3. Wurzburg: Vogel,

3. Auflage 1995 [ 1.441 Ludwig, H.: TA Luft Miinchen: Jehle-Rehm, 1994 [ 1.451 VDI-Richtlinie 3781 (1 99 1), Schomsteinhohen, VDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 6 [ 1.461 Kommission fur Umweltschutz beim Prbidium der Kammer der Technik: Ausbreitungsrechnung und

Mefiverfahen zur Luftiibenvachung. Leipzig: VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, 1975 [ 1.471 Jost, D.: Die neue TA Luft, Aktuelle immissionsschutuechtliche Anforderungen an den Anlagenbetrei-

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Schmidt, Loseblattsammlung Stand 1996 [1.51] Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG: MAK-Werte, Toxikologisch-arbeitsmedizinischeBegriindungen. Loseblattsammlung, Weinheim: Wiley-VCH [ 1.521

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2

2.1

Abscheidung von Feststoffen

Staubquellen

Wie die Erfahrung lehrt, sturzen feste Gegenstande oder auch Flussigkeiten, wenn sie keinen weiteren Kraften ausgesetzt sind, gemid3 dem Gesetz des freien Falls zu Boden. Masse, GroBe und Form spielen dabei keine Rolle. Die Geschwindigkeit, v, ist nur eine Funktion der Fallbeschleunigung, g , die auf der Erdoberflache mit geringen lokalen Abweichungen 9,81 m/s2 betragt, und der Zeit, t:

Wenn trotzdem die Luft staubbeladen sein kann, d a m infolge zusatzlicher Krafte, die dem Absinken der Staubteilchen entgegenwirken. Zunachst ist hier der Luftwiderstand zu nennen, der verzogemd wirkt, der nicht aber die Tatsache erklart, daR Aerodispersionen stabil sein konnen. Entscheidend sind: - thermische Schleppkrafte - turbulente Diffusion - Elektrodiffusion - molekulare Thermodiffusion Diesen Kraften ist gemeinsam, dal3 sie besonders auf kleine Partikel wirken. Der Luftwiderstand ist die Kraft. die der Verschiebung eines Partikels relativ zur Luft entgegenwirkt. Zur Berechnung benotigt man den Luftwiderstandsbeiwert, der bei hohen Relativgeschwindigkeiten eine Konstante ist, die allerdings von der Form des Partikels abhangt. Bei geringen Relativgeschwindigkeiten - und die sind fir die Abscheidung feiner Teilchen von Bedeutung - liegen laminare Stromungsverhaltnisse vor, und der Widerstandsbeiwert hangt umgekehrt proportional von der Relativgeschwindigkeit ab. Meistens ist die idealisierte Vorstellung, daR die abzuscheidenden Teilchen Kugeln sind, fur die Betrachtung genau genug (Abb. 2-1). D a m gelten folgende in praktisch allen Lehrbuchem der mechanischen Verfahrenstechnik (unter anderem [2.1]) abgedruckten Gleichungen:

22

2 Abscheidung von Feststoffen

Abb. 2-1 : Kraftegleichgewicht an einer sinkenden Kugel

Widerstandsbeiwert einer langsam sinkenden Kugel:

5= mit

AP

112. pfl . v 2 24 (=Re

und Dabei bedeuten:

4

Ap

Widerstandsbeiwert 6 ist eine dimensionslose Kennzahl, die als Verhaltnis aus Reibarbeit und Bewegungsenergie gedeutet werden kann Stromungsdruckverlust uber die Kugel in N/m2

pfl

Das Produkt aus Stromungsdruckverlust und Querschnittsflache der Kugel ist die Widerstandskraft, die gegen das Absinken wirkt (Gl. 2-4), und ist identisch mit dem Luftwiderstand Kugeldurchmesser in m Dichte des Fluids in kg/m3, also des Mediums (gilt fiir Gase und

v

f i r Flussigkeiten), das von der Kugel verdrangt wird und deshalb um diese herumstromt Differenzgeschwindigkeit zwischen Kugel und Fluid in m/s, bei

d

Re

ruhendem Medium Sinkgeschwindigkeit Reynoldszahl, eine dimensionslose Kennzahl

2.1 Staubquellen

23

q

Dynamische Viskosit2t oder Zlihigkeit in N d m '

q ist stark temperaturabhbgig. (Die Zlihigkeit der Flussigkeiten sinkt mit zunehmender Temperatur, die der Gase steigt [2.2].) Fiir die Widerstandskrafi F i n N folgt aus diesen Gleichungen:

Wenn aul3er der Gewichtskraft, G, keine weitere (z. B. elektrische) Kraft wirkt und der Beschleunigungsvorgang beendet ist, die Kugel also gleichmdig sinkt, d a m gilt:

F=G x G = PKugel ' g . -6. d 3

Aus obigen Gleichungen folgt unmittelbar das Gesetz von Stokes:

Bei der Herleitung wird angenommen, da13 die Dichte der Luft gegenuber derjenigen der Partikel zu vernachliissigen ist. Andernfalls ist der aerostatische Auftrieb mit zu beriicksichtigen und in obige Gleichung die Dichtedifferenz einzusetzen. Auch wird unterstellt, daR sich die Luft wie ein Kontinuum verhalt. Fur extrem feine Partikel oder reduzierten Luftdruck, also f i r den Fall, daR die Partikel jeweils nach Zuriicklegen einer gewissen freien Weglbge, A, erst wieder mit einem Luftmolekul kollidieren, mul3 die Cunningham-Korrektur angewendet werden. (2-10)

mit:

Cu+l-:

3,4 A d '

(2-1 1)

(In der Literatur [2.1] findet sich oft falschlich der Faktor 1,7 statt 3,4.) Die genaue Gleichung ist allerdings noch etwas komplizierter [2.3, 2.41, fiir die Praxis aber nicht erforderlich. Die

24

2 Abscheidung von Feststoffen

Herleitung ist ein beeindruckender Exkurs in die Integralrechnung, das Nachvollziehen nicht jedermanns Sache [2.3]. Bei Duvies findet sich [2.5]

(2-12)

fur: 0,l < Kn < 1000 und Re < 0,25 Die Knudsen-Zahl ist dabei das Verhaltnis aus freier Wegliinge,

A, und Teilchendurchmesser,

d:

Kn=-

A

d

(2-1 3 )

Zur Berechnung der freien Weglange sei auf entsprechende Bucher der physikalischen Chemie verwiesen. Martin [2.6] stellt eine Beziehung zwischen der freien Wegltinge und der Zahigkeit des Gases her. Diese ist fur Luft im VDI-Wiimeatlas Kapitel Db [2.2] tabelliert. Die thermischen Schleppkrafe sind im Prinzip mit den Aufwinden identisch, die auch von Segelfliegern ausgenutzt werden, urn Hohe zu gewinnen. Wenn die Luft schneller steigt, als die Teilchen sinken konnen, werden sie wie im Staubsaugerrohr mitgerissen. Turbulente Diffusion ist Luftvenvirbelung mit lokal hohen Luftgeschwindigkeiten und Fliehkraften, die andernorts wiederum zu Staubablagerungen fuhren konnen. Elektrodiffusion wird verursacht durch ruhende oder bewegte Ladungen und die dadurch entstehenden Felder und kann das Absetzen von Teilchen fordern oder behindern (siehe auch Abschnitt 2.2.4, Elektroentstauber). Die molekulare Thermodiffusion ist eng venvandt mit der Brownschen Molekularhewe-

gung und beruht auf der Tatsache, daR Wiirmenergie die kinetische Energie der Molekule 1st. Bei hohen Temperaturen konnen die Staubteilchen deswegen von den Luftmolekulen durch StoR entsprechend dem Impulssatz in Bewegung versetzt werden. Nach der Kinetischen Gustheorie [2.1] gilt: (2-14)

mit

R K=N

(2- 15)

2.1 Staubquellen

25

K = 1,3806. J/K heiRt Boltzmannn-Konstante. Die anderen GroBen bedeuten: m VT

1

- m . v? 2 T R N

Masse eines Staubpartikels in kg Diffusionsgeschwindigkeiteines Teilchens in m / s Bewegungsenergie des Partikels in J absolute Temperatur in K Gaskonstante R = 8,3 15 J/mol.K Avogadrokonstante oder Loschmidtsche Zahl, die Anzahl der in einem Mol eines Stoffes enthaltenen Molekule N = 6.022.1 023mol-'

Aus der Teilchengeschwindigkeit oder auch aus der absoluten Temperatur laRt sich fur einen bestimmten Partikeldurchmesser, d, ein Diffusionskoeffizient, D, errechnen.

Es gilt: (2- 16)

und nach dem ersten Fickschen Gesetz: (2-17)

Dabei bedeuten:

M

6

Staubmasse in kg, Gesamtmasse aller Teilchen mit dem Teilchendurchmesser d Zeit in s zur Verfugung stehende Querschnittsflache in m2 Staubbeladung der Lufi in kg/m3

x

bei der Diffusion zuriickzulegender Weg in m

t A

Dieser Strom ist proportional der absoluten Temperatur und nur fur extrem feine Teilchen von d < 1 pm von Bedeutung.

26 -

-

- . . .-

.-

2 Abscheidung von Feststoffen

_-____

__-

Staub auf den Fensterbanken ist gewissenhaften Hausfrauen ein Argernis, aber eine unvermeidliche Folge der Thermodifhsion. In der warmen Raumluft bewegen sich die Partikel relativ schnell, bis sie zufallig auf die kuhlere Fensterbank treffen. Dort verlieren sie die thermisch bedingte Bewegungsenergie und setzen sich ab. Dieselben physikalischen Gesetze, die die Existenz von Schwebstaub ermoglichen, konnen vielfach auch zu dessen Abscheidung herangezogen werden.

2.2 Entstaubungstechnik Die KorngroRe ist ein wesentliches Kriterium fur die Abscheidbarkeit von Stauben, die Auswahl des richtigen Entstaubertyps und die optimale Fahrweise der Entstauber (s. Abschnitt 2.1). In der Regel hat naturlich jedes Teilchen eine andere Form und GroBe, so daR statistische Methoden zum Bestimmen eines reprasentativen Durchmessers erforderlich werden. Die Daten hierzu liefert die KorngroJenanalyse nach DIN 4193 [2.7 - 2.91. Obwohl Siebverfahren fur die hier interessierenden relativ geringen KorngroRen versagen, ist ihre Betrachtung zum Versttindnis der Theorie sehr hilfreich. Eine einfache Laborsiebma-

schine [2.10] besteht aus einem Ruttler, auf den ein Turm aus kreisformigen Sieben mit quadratischen Lochern unterschiedlicher Maschenweite aufgestellt wird. Die Maschenweite sinkt von oben nach unten, und die unterste Stufe, die Pfanne, ist nach unten hin geschlossen. Eine bestimmte Gutmasse wird oben aufgegeben und findet sich nach den1 Rutteln j e nach KorngroRenverteilung auf den einzelnen Sieben wieder. Es empfiehlt sich, nach der Normzahlreihe [2.11] abgestufte Siebmaschenweiten zu venvenden. Die mathematischen Grundlagen fur die Auswertung sind hier kurz wiedergegeben: Die Teilchen, die sich auf einem bestimmten Sieb befinden, haben einen Durchniesser, der groRer ist als die Maschenweite des Siebes, auf dem sie liegen, aber kleiner als die des daruberliegenden Siebes. Ihre relative Haufigkeit wird angegeben mit:

q( A d ) =

~

1 A.- M Mges

niit

M,,, AM Ax

(2-18)

Ax

insgesamt aufgegebene Schuttgutmasse in kg die Masse in kg, die auf einem bestimmten Sieb liegenbleibt

Maschenweiten-Unterschied zwischen den beiden Sieben in mm

2.2 Entstaubungstechnik

27

Gedanklich venvendet man unendlich viele Siebe mit infinitesimal geringer Maschenweitendifferenz und erhalt: q ( x ) = -.

1 d M ~

Mges

(2- 19)

dx

Die Durchgangssummenkurve D(x) ist folgendermden definiert fiir diskrete Maschenweitendifferenzen: X

D(x)= C q ( x ) . k ,

(2-20)

Xmin

mit xmlnkleinste verwendete Siebmaschenweite in mm und fur den infinitesimalen Grenzfall:

(2-21)

Die Durchgangssumme fa& also den Anteil aller Teilchen zusammen, deren Durchmesser kleiner ist als die Siebmaschenweite x. Dazu erganzend ist die Ruckstandssummenkurve definiert:

(2-22)

Demzufolge gilt fur jede Siebmaschenweite:

R ( x )+ D(x)= 1

(2-23)

Der Gesamtentstaubungsgrad, qges. eines jeden Entstaubers ist definiert als die Differenz aus der Feststoffbeladung der Luft in kg/m3 vor (
28

2 Abscheidung von Feststoffen (roh - (rein

(2-24)

'lges = (roh

mit

troh (rein

oder

Feststoffbeladung der Lufi in kg/m3 vor und Feststoffbeladung der Luft in kg/m3 hinter dem Entstauber r r o h - (rein

'lges =

.

%

(2-25)

Sroh

Der Stufenentstaubungsgrad, q s t , ist die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Teilchen einer bestimmten Korngrolje abgeschieden wird. Es gilt: (2-26)

qroh(x) und qreln(x) sind dabei die relativen Haufigkeiten einer Korngrolje vor beziehungsweise nach dem Entstauber. Wie hier bereits vonveggenommen sei, steigt in den meisten Fallen der Stufenentstaubungsgrad mit der KorngroRe; groljere Teilchen lassen sich also in der Tendenz besser abscheiden als kleine. Es gilt auch:

(2-27)

(2-28)

(2-29) und (2-30)

2.2 Entstaubungstechnik Rroh(x)

29

und Rrein(x) sind die Ruckstandssummen f i r eine bestimmte KomgroDe vor bezie-

hungsweise nach dem Entstauber. Auch gilt:

flst (x) = flges

.

qabgesch. (x)

(2-3 1)

qroh

ist die relative Haufigkeit einer KomgroBe, die man bei der Untersuchung des abgeschiedenen Staubes messen wiirde. Der Gesamt-Entstaubungsgrad, Vges, ist das Integral uber alle Stufenentstaubungsgrade:

qabgesch.(x)

(2-32)

Entscheidend fur die Qualitat eines Entstaubers ist die Trennkurve oder Trombsche Kurve. Sie gibt den Abscheidegrad als Funktion der Komgrofle wieder. Da die meisten Abscheider groBe Teilchen praktisch vollsthdig abscheiden und kleine ungehindert durchlassen, in einem mittleren Bereich aber der Abscheidegrad empfindlich von der KomgroRe abhhgt, ist die Trennkurve ublichenveise S-formig. Im Bereich der groDten Steigung der Kurve, dort, wo der Abscheidegrad genau 50 % betragt, liegt der Trennkorndurchmesser ~ 5 0 .Er ist ein wichtiges Auswahlkriterium f3r den Entstauber, da er immer kleiner sein md3 als die Durchmesser der meisten Teilchen im Rohgas. Wie sich leicht zeigen I a t , gilt folgender mathematischer Zusammenhang fur den Verlauf der Trombschen Kurve:

77% (x) = __ qabgesch.

mit

Mrein Mabgesch.

qabgesch. (x)

(2-33) Mrein

-k qrein

Mabgesch.

Gesamtstaubmasse hinter dem Entstauber Abgeschiedene Gesamtstaubmasse

vst(x) ist der Abscheidegrad und schwankt je nach KomgroDe zwischen 0 und 1 (oder 100 %).

Der Trennkomdurchmesser, bei Siebmaschinen die Maschenweite, bei der 50 % der Staubmasse zuriickgehalten werden, wird in der Literatur auch als dJobezeichnet. Begriffe wie ddo

30

2 Abscheidung von Feststoffen

oder d6o sind analog hierzu zu verstehen, nicht aber d32. Hiermit ist der Sauter-Durchmesser gemeint, der fur die Kennzeichnung von Tropfchenkollektiven in der thermischen Verfahrenstechnik verwendet wird. Es gilt [2.12, 2.131:

(2-34)

sind einzelne Tropfendurchmesser. Die einfache Siebanalyse ist fur die Entstaubungstechnik ungeeignet. Modernere Methoden [2.14, 2.151 sind: das Windsichten

XT.,

~

- die Sedimenlationsanalyse auf der Sedimentationswaage

das Auszahlen unter dem Lichtmikroskop - das Auszahlen unter den1 Elekfronenmikroskop -

die Streulichtmessung das Elektronenstrahlverfahren - der Coulter Counter - Flantmenfotometrische Teiichenzahier - der Foto-Sedimentograph [2.16] -

Um den Staubgehalt von Abgasen aus Olbrennem zu beurteilen, bestimmt man die Ruflzahl nach VDI-Richtline 2066 Blatt 8 [2.17]. Wenn man nicht unmittelbar im stromenden Gas mint, sondem zunachst eine gewisse Staubmenge sammelt und anschlieflend analysiert, ist der Probenahme besondere Aufmerksamkeit zu widmen. In der Tendenz lassen sich feine Teilchen schwerer abscheiden als gronere. Erst ab einem Durchmesser kleiner etwa 1 pm tritt aufgrund der Thermodiffusion der umgekehrte Effekt ein. Es besteht daher immer die Gefahr, daR im Bereich um 1 pm bedingt durch die Probenahme weniger Teilchen gehnden werden, als in Wirklichkeit vorhanden sind. Theoretisch konnen Teilchen verschiedener Durchmesser beliebig miteinander gemischt sein. Wie sich aber in der Praxis zeigt, gehorcht in der Regel die Verteilung mit hinreichender Genauigkeit dem Ansatz von Rosin, Rammler, Sperling und Bennet. Er lautet R (x) = exp - (x/x

')n

(2-35)

2.2 Entstaubungstechnik

31

n heiRt GleichmiiBigkeitszahl, und x’ ist ein brauchbares Mal3 fir den mittleren Durchmesser, obwohl R (xy mathematisch nicht exakt 0,5 (oder 50 %), sondern lediglich 36,8Yo betragt. Tragt man log log 1/R (x) uber log ( d x 7 auf, d a m erhalt man eine Gerade mit der Steigung n. Fiir diese Auftragung nach DIN 66145 [2.18]vorbereitete Diagramme sind im Handel erhaltlich. Wenn die KorngroRenverteilung bekannt ist, kann der erforderliche Trennkorndurchmesser eines Entstaubers aus dem enviinschten Staubabscheidegrad oder der zulassigen Staubbeladung hinter dem Abscheider errechnet werden. Letztere ist, sofem der abgeschiedene Stoff sich nicht als Wertstoff nutzen l a t , gesetzlich (Bundesimmissionsschutzgesetz) und durch dazugehorige Verordnungen (TA Luft, diverse BImSchV, GroRfeuerungsanlagenverordnung) als Grenzwert bestimmt (siehe Abschnitt 1.2). Das Verhaltnis des zulassigen zum tatsachlichen Staubgehalt ist identisch mit dem Wert der Durchgangssummenkurve nach Gleichung (2-23)von 0 bis zum gesuchten Trennkomdurchmesser. Dieser wiederum ist maRgeblich fur die Auswahl des richtigen Entstaubers. Die zunehmend strengeren Grenzwerte erzwingen uberproportionale technische Anstrengungen. Jede Verschirfung verkleinert den Trennkorndurchmesser und fiihrt zu einer schwierigeren Trennaufgabe und zum Einbau technisch aufwendigerer Apparate, oft auch zu erhohtem Energieaufivand. Die Gefahrdung durch Staub geht nicht nur auf seine chemischen Eigenschaften zuruck. Form und GroRe, also rein physikalische Daten, sind entscheidend fur die Lungengangigkeif [2.19- 2.211.Die beriichtigten Asbesrfasern zum Beispiel werden eingeatmet und sedimentieren in den Bronchien und Lungenflugeln, verletzen das Gewebe und fihren letztlich zu Krebs. Besonders gefahrlich sind Nadeln mit 10 pm L h g e und 0,2 pm Durchmesser E2.211. Allgemein ist eine Angabe der Staubbeladung ohne Daten zur Komgroflenverteilung oder zumindest des typischen Durchmessers zur Beurteilung der Gesundheitsgefahr nicht hinreichend. Um abzuschatzen, ob ein Stoff physiologisch bedenklich ist, priift man seine Loslichkeit in Zitronensaure [2.15].1st diese eher gering, konnten krebserregende, anorganische Fasem vorliegen. Die Auswahl des Entstaubers bestimmen Menge, Konzentration und KorngroRenverteilung des Staubes, der geforderte Abscheidegrad, der zulassige Druckverlust uber den Abscheider, der ein M A fur den Energiebedarf ist, und eventuell weitere Daten, zu denen auch Luftfeuchtigkeit und -temperatur gehoren konnen. Vielfach hat auch die branchenspezifische Tradition einen Einfld. Wenn man mit einem bestimmten Abscheidertyp gute Erfahrungen gemacht hat, wird man nicht ohne Not das niit einer h d e r u n g verbundene Risiko eingehen.

32

2 Abscheidung von Feststoffen ...

~-

-

In Einzelfallen konnen mechanische Abscheider chemisch-thermische Probleme gleich mit erledigen oder zumindest entschiirfen, oder die Apparate fiir die thermischen Prozesse unterstutzen die Staubabscheidung. Beispiele finden sich in den Abschnitten 2.2.5,4.1.3 und 4.2.3. Im folgenden werden die einzelnen Entstaubertypen vorgestellt [2.22]. Eine vergleichende Gegenuberstellung, die auch f i r sich alleine aussagekraftig ist, findet sich in Abschnitt 2.3. Sie ist als konkrete Entscheidungshilfe fur die Abscheiderauswahl konzipiert, ersetzt aber nicht in allen Fallen das Experteninterview oder das Experiment.

2.2.1

Entstaubung durch Sedimentation

Aus langsamen, horizontalen Gasstromungen konnen Staubteilchen sich von alleine absetzen. Die Sedimentation l a t sich mit dem Gesetz von Stokes beschreiben. Das Prinzip der Entstaubung durch Sedimentation wird in alteren Lehrbuchern [2.1] diskutiert. Dieses Verfahren ist

fur die Umwelttechnik allerdings nur in Sonderfallen von Bedeutung. Ein interessanter Aspekt ist die Verkurzung des Abscheideweges durch den Einbau horizontaler Bleche. Ein analoges Prinzip findet sich bei den Lcimellenklurer-n in der Abwassertechnik oder auch bei den Tellers e p m t o r e n , die den1 Laien besser als "Milchzentrifugen" bekannt sind.

2.2.2

Fliehkraftentstauber oder Zyklone

Der Aufbau eines einfachen Zyklonabscheiders geht aus der Abbildung (Abb. 2-2) hervor (nach [2.1]). Das Rohgas wird dem zylindrischen Teil tangential zugefuhrt. Das gereinigte Gas verlaint den Zyklon nach oben zentral durch das Tauchrohr. In dem oben zylindrischen, unten kegelformigen Abscheideraum k o m t es zu einer kreisenden Bewegung. Die dabei auftretenden Fliehkrafte sorgen fur die Abscheidung. Die tatsachlichen Stromungsverhaltnisse sind kompliziert und quantitativ nur schwer zu erfassen. Alle bisher bekannt gewordenen Berechnungsverfahren beruhen auf vereinfachenden Annahmen. Grundsatzliches findet sich bei Barth [2.24]. Fur moglichst genaue Berechnungen sei auf Mothes und Loffler [2.25] verwiesen. Sie bauen auf den Berechnungen von Muschelknautz [2.26] und Dietz [2.27] auf. Das hieraus resultierende und bei Loffler [2.5] detailliert beschriebene Berechnungsverfahren hat sich in der Praxis sehr gut bewahrt (mundliche Auskunft Domer, H.-A., FH Munster). Das VDI-Handbuch Ikinhaltung der Luft [2.28] bezieht ich allerdings in1 wesentlichen auf

2.2 Entstaubungstechnik

33

t Reingas Rohgas d

Abb. 2-2: Zyklon nach [2.1] Muschelknautz [2.29]. Da aber eine Auslegung ohne Versuche und ohne die Hilfe erfahrener Fachfirmen in der Regel nicht in Frage kommt, sol1 hier eine qualitative Betrachtung reichen: Die Stromung bildet eine Wirbelsenke, stromungsmechanisch gesehen eine Uberlagerung einer Potentialwirbel- und einer Potentialsenkenstromung - a d e r in Wandnahe und in der Mitte. (Zur Stromungsmechanik sei auf entsprechende Lehrbucher venviesen [2.30, 2.3 11.) Das Gas stromt auf Spiralbahnen. Die Umlaufgeschwindigkeit steigt entsprechend dem Drailerhaltungssatz im Abscheideraum radial nach innen zu an, urn allerdings in der Niihe der Zyklonachse wieder auf Null zu fallen. Bei den ublichen Umfangsgeschwindigkeiten, u, von 15 bis 40 m / s und Kriimmungsradien, r , der Stromlinien von 0,l bis 0,5 m ist die Zentrifugalbeschleunigung a = u 2/ r

(2-36)

2 Abscheidung von Feststoffen

34

mehrere hundert- bis tausendmal so gron wie die Erdbeschleunigung. Selbst feine Partikel konnen den Stromlinien nicht folgen und werden aus der Kurve getragen. Im Abscheideraum fallt der statische Druck von auBen nach innen stark ab. Das folgt nicht nur aus der oben stichpunktartig e n v h t e n Potentialtheorie, sondern auch aus dem Energieerhaltungssatz oder der Bernoullischen Gleichung, die unter anderem besagt, d d hohere Fluidgeschwindigkeiten mit niedrigeren Driicken einhergehen miissen. Auch sind die Verluste durch Dissipation erheblich (Abbildungen zum Geschwindigkeits- und Druckprofil finden sich bei Batel [2.1]).

In der Hauptstromung sind die nach innen gerichteten Druckkrafte mit den Zentrifugalkraften des Gases im Gleichgewicht. An der Wand existiert aber eine Grenzschicht, die infol-

ge Reibung wesentlich langsamer stromt als das benachbarte Gas. Entsprechend geringer sind hier die Zentrifugalkrafte. An der konischen Wand des Abscheideraumes wird ihr aber das in der Hauptstromung herrschende Druckgefalle aufgepragt. Dadurch ist die Druckkraft hier wesentlich groner als die Zentrifugalkraft, und es entsteht aufgrund dieses Ungleichgewichtes lokal eine starke Sekundarstromung nach innen, und zwar besonders dort, wo infolge zufalliger Inhomogenitaten der Staubablagerung der Abbremseffekt in Wandnahe besonders ausgepragt ist. Die so entstehende windhosenartige Sekundarstromung an der konischen Wand des Abscheideraumes erfant den anhaftenden Staub und zieht ihn nach unten in den Sammelbehalter. Es bilden sich eine oder mehrere charakteristische Staubstrahnen. Ohne sie konnten einzelne Partikel nicht nach unten gelangen, weil die schrag nach oben gerichtete Komponente der Fliehkraft groBer ist als die Schwerkraftkomponente in Gegenrichtung. Der an der AuBenwand abgelagerte Staub tragt also zur Erhohung der Abscheideleistung der Zyklone bei oder ermoglicht erst die Entstaubung. Dadurch ergibt sich die fur Zyklone typische Konsequenz, dan man sie nur bei hohen Staubfrachten sinnvoll anwenden kann und eine Reihenschaltung mehrerer Zyklone nicht lohnt, um den Gesamtentstaubungsgrad zu verbessem. Unter dem Konus befindet sich ein Sammelbehalter, in dem geringere Gasgeschwindigkeiten herrschen als im Abscheideraum. Um eine Windhose zu verhindern, die hier bereits abgeschiedenen Staub wieder aufivirbeln wiirde, ist ein Abschirmkegel oberhalb des Sammelraums angebracht. Bei der Auslegung eines Zyklons hat man in der Regel einen geringen Trennkorndurch-

messer, also einen hohen Gesamtabscheidegrad, mit einem geringen Druckverlust zu kombinieren. Beide Kenngronen steigen in der Tendenz mit dem Volumenstrom und der Staubbeladung an, so daf3 man einen Kompromin suchen md3. Als weitere Einfldgronen kommen die geometrischen Proportionen hinzu. Der Optimalzyklon zeichnet sich durch einen geringen

2.2 Entstaubungstechnik

35

Trennkomdurchmesser bei nicht zu hohem Druckverlust aus [2.32]. Eine Beispielrechnung unter Anwendung dimensionsloser Kennzahlen bietet Weber (dort in Abschnitt 4.3.2) [2.33]. Durch Zyklone lassen sich Staube mit KomgroBen bis etwa 1 pm herab abscheiden. Bei geringeren KomgroBen bilden sich nicht die Sekundtirstromungen aus, die den Staub in den Abscheideraum reiBen. Zum effektiven Abscheiden ist eine hohe Zentrifugalbeschleunigung erforderlich, die gemaB Gleichung (2-36) einen geringen Zyklondurchmesser und eine hohe Gasgeschwindigkeit erfordert. Diese ltiJ3t sich nicht beliebig steigem, da der Druckverlust rnit dem Quadrat der

Eintrittsgeschwindigkeit gem% der folgenden Gleichung steigt. A p = ( . - 1.

2 k”

2 Vein

(2-37)

Dabei bedeuten: Ap p v,,,

5

Druckverlust iiber den Zyklon in N/m2 mittlere Dichte des zugefuhrten Gases oder der Luft in kg/m’ Gas- oder Lufteintrittsgeschwindigkeit in m/s Widerstandsbeiwert des Zyklons . Er ist eine Apparatekenngriil.(c, aber ansonsten konstant, wie bei turbulent urn- oder durchstrijniten Hindernissen gcncrell zu beobachten ist.

In der Literatur findet man anstelle des Widerstandsbeiwertes oft die Verlustziffer, E , die nicht rnit der Eintrittsgeschwindigkeit, v,,,, sondem rnit der Tangentialgeschwindigkeit, u, gebildet wird. Hier gilt analog: (2-38)

Sol1 der Druckverlust vollstandig durch ein Geblase kompensiert werden, dann ist dessen erforderliche mechanische Leistung gleich dem Produkt aus Volumenstrom und Druckverlust. Da der Volumenstrom proportional zur Gasgeschwindigkeit ist, steigt die Leistung mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit. Die Zentrifugalkraft l%t sich besser vergronem, indem man Zyklone rnit moglichst kleinen Durchmessem verwendet. Um dennoch einen hohen Gasdurchsatz zu ermoglichen, ist man

2 Abscheidung von Feststoffen

36 --

--

~

~

3 4

Abb. 2-3:Multizyklon, mit freundlicher Genehmigung der Firma

IRGI [2.

gezwungen. mehrere Zyklone parallelzuschalten [2.34] oder als Multizyklon (Abb. 2-3) [2.35] in einem Apparat zu integrieren. Der Stufenentstaubungsgrad qSl(x) eines Multizyklons kommt f i r kleine Korndurchmesser dem eines einzelnen kleinen Zyklons nahe. Das Abscheiden grober Teilchen funktioniert aber in einem einzelnen grol3en Zyklon besser als in einem Multizyklon. Ursache h i e r f ~sind Ruckvermischungen infolge ungleichformiger Beaufschlagung der einzelnen Zyklone [2.1]. Aus dem bisher Gesagten ergeben sich Hinweise fur den Betrieb einer Zyklonentstaubungsanlage: Die Gasgeschwindigkeit ist zu optimieren. Durch das Steigern der Geschwindigkeit begiinstigt man das Abscheideverhalten, aber auch das Wiederaufwirbeln des Staubes, und erhoht den Energiebedarf des betreffenden Geblases erheblich. Bei einer Zyklonbatterie ist unbedingt auf eine gleichmaige Anstromung aller Einzelzyklone zu achten. Falls die erreichbare Gasgeschwindigkeit sich als zu niedrig herausstellen sollte, kann man die Zahl der parallelgeschalteten Zyklone reduzieren - eventuell durch Blindflanschen. Die meisten Entstaubertypen sind nicht fur eine hohe Gastemperatur geeignet, unabhiingig davon, ob diese im Normalbetrieb oder nur im gelegentlichen Storfall zu erwarten ist. Anders Zyklone, insbesondere bei nicht zu kleinen Durchmessern; sie konnen ausgemauert undoder wassergekiihlt bei hoheren Gastemperaturen verwendet werden. Beispiele gibt es im Hutten-

2.2 Entstaubungstechnik

37

bereich und bei der Klarschlammverbrennung in der zirkulierenden Wirbelschicht [2.36]. Die thermische Bestandigkeit ist in diesen Fallen zwar kein Problem; heiRes Gas ist allerdings deutlich ziiher als kaltes, und das Abscheideverhalten verschlechtert sich entsprechend [2.37]. Bartknecht [2.38] hat zeigen konnen, dal3 der Abscheidegrad eines Zyklons durch Kiihlung der Wandung deutlich gesteigert werden kann. Das gilt allerdings nicht f~ sehr groRe Frachten; hier stellt aber die Abscheidung ohnehin kein Problem dar. Das Prinzip der Zentrihgalabscheidung wird nicht nur in Zyklonen angewendet, sondem auch in Zickzucksichtern, die allerdings weniger zur Abluftreinigung, sondem zur KorngroDenfraktionierung dienen [2.39]. iihnlich arbeiten Tropfenabscheider (siehe Kapitel 3).

2.2.3

Filternde Abscheider

Zyklone konnen prinzipiell nur bei grohen Staubfrachten akzeptable Abscheidegrade erreichen, und das auch nur, wenn die Staubteilchen nicht zu klein sind. Sind hohe Abscheidegrade bei niedrigen Eingangskonzentrationen gefordert, kann das Filter - im engeren Sinn - der Apparat der Wahl sein [2.40]. Sind bei hohen Staubkonzentrationen im Eingang sehr niedrige Werte im Ausgang gefordert, kann es sinnvoll sein, einem Zyklon oder einem Multizyklon ein Filter nachzuschalten. Das Prinzip eines filtemden Abscheiders [2.41] ist recht einfach; die einzelnen physikalischen Aspekte sind allerdings vielfaltig und sehr verschiedenartig. Man venvendet ein poroses Filtermedium, das sowohl ein Gewebe als auch ein Filz [2.42] sein kann. Die Dicke kann sehr gering oder auch erheblich sein. Fur Norrnaltemperaturen iibenviegen textile Werkstoffe, daruber hinaus bis etwa 200 "C PolytetrufTuorethyZen, besser bekannt unter dem Markennamen Teflon@(Firma DuPont) und bis etwa 900 O C Keramik [2.43]. Wenn das zu reinigende Gas das Filtermedium durchstromt, werden die Partikel zuriickgehalten. Verschiedene Mechanismen sind hier zu unterscheiden [2.44, 2.451. Offensichtlich ist die Staubriickhaltung durch Gitterwirkung, wenn der Teilchendurchmesser groDer ist als die Maschenweite des Filtergewebes. Da sowohl Maschenweite als auch TeilchengroDe um mittlere Werte schwanken, gibt es keine scharfe Trenngrenze. Teilchen mit dem Trennkorndurchrnesser ~ 5 0werden mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % zuriickgehalten. Mit groDer werdendem Durchmesser steigt die Riickhaltewahrscheinlichkeit an und erreicht recht schnell den Wert 100 YO.Teilchen, deren Durchmesser kleiner als der Trennkomdurchmesser, XSO, ist, werden mit einer Wahrscheinlichkeit zuriickgehalten, die je nach GroDe zwischen 0 und 50 %

2 Abscheidung von Feststoffen

38

liegt. Graphisch werden diese Zusammenhange durch die Trombsche Kirrve beschrieben (siehe auch Abschnitt 2.2). Ein Spezialfall, wie er unter anderem bei Aufsafzfilfern(Abb. 2-4) [2.46] pneumatisch beschickter Bunker beobachtet wird, ist die Kuchenfilfration.Die Staubteilchen setzen sich so rnassenhaft auf dem Gewebe ab, daR sie eine dicke Schicht biIden. Die Zwischenraurne zwischen den einzelnen zuriickgehaltenen Teilchen sind wesentlich enger als die Maschenweite des Filtergewebes. Entsprechend geringer ist der Trennkorndurchmesser. Der Druckverlust uber den Filterkuchen ist wesentlich groRer als der uber das Gewebe, der deshalb oft vernachlassigt werden kann.

Abb. 2-4: Rundfilter in druckstoflfester Ausfuhrung auf einer Siloanlage fur Kohlenstaub, mit freundlicher Genehmigung der Firma INTENSIV FILTER [2.46] Theoretisch steigt der Druckverlust, Ap, im laminaren Fall, also bei einem langsamen Hindurchsickern der Lufi durch die Schicht, linear mit dem Volumenstrom, V . Auch der Zusammenhang zwischen dem Druckverlust und der Dicke, h, des Kuchens ist linear. Tatsachlich aber beobachtet man oft einen groReren Druckverlust, als einfache Theorien verniuten lassen, da die KomgroRe in der Regel stark streut und kleine Partikel bevorzugt in die Zwickel zwischen den grofleren eingelagert werden. Das ergibt eine gewisse Verdichtung des Filterkuchens, die durch Feuchtigkeit noch gesteigert werden kann, insbesondere dann. wenn es zur

2.2 Entstaubungstechnik

39

Kapillarkondensation kommt (siehe auch Abschnitt 4.2.1). Andererseits agglomeriert feuchtes Gut in Strukturen, die nicht der dichtesten Packung entsprechen. In solchen Fallen ist die Porositat erhoht und der Druckverlust geringer, als die Schichtdicke erwarten l d t . Auch dringt hier der Filterkuchen weniger tief in das Gewebe ein mit entsprechend reduzierter Neigung zum Verstopfen. Einen ihlichen Effekt konnen elektrostatische Krafte hervorrufen. In der Praxis beobachtet man oft einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen Ap und V auch bei eindeutig laminarer Stromung - sowie zwischen Ap und h. Ursachen hierfur sind: - ein Entmischen der Teilchen derart, dal3 sich die kleineren weiter oben und die grofleren weiter unten anordnen; - Feuchtigkeit, insbesondere Kapillarkondensation - eine kompressible Schuttung mit der Folge, dafl die Porositat, E, mit steigendem Druck, p , zuruckgeht. Bei turbulenter Stromung steigt der Druckverlust mit dem Quadrat der Anstromgeschwindigkeit. Die physikalischen Zusammenhiinge sind oft unubersichtlich, und wie sich ein bestimmtes Gut bei der Filtration verhalt, kann nur im Versuch endgultig geklart werden. Neben der Kuchenfiltration, die immer eine Oberjluchenfiltrarion ist, kennt man die Tiefenfiltration in Filtermedien groRerer Dicke. In der Reinraumtechnik uberwiegen Faservliese. In anderen Anwendungsfallen, zum Beispiel beim Abscheiden von Olnebeln [2.47], verwendet man Schuttschichtfilter, die gegebenenfalls, wenn das Fitermaterial entsprechend ausgesucht ist, gleichzeitig auch als Adsorber (siehe auch Abschnitt 4.2) wirhen konnen. Die Feststoffteilchen haben im Verhaltnis zum Porendurchmesser nur eine geringe Dicke. Durch Tragheitskrafte im Bereich gekriimmter Stromlinien, durch DifSusion oder auch durch elektrostatische Krafte gelangen sie an die Wandung und bleiben durch Adhuston oder Van-derWaals-Krujle, manchmal auch durch elektrostatische Krafte haften. Besonders wirksam ist die Tiefenfiltration, wenn die Fasern des Filtervlieses sehr fein sind. In diesem Fall ergeben sich sehr enge Kriimmungsradien der Stromlinien vor den Fasern, und die Teilchen werden entsprechend wirksam aus der Bahn getragen [2.48]. Brouwers hat eine Kombination aus Tiefenfilter und Zentrihge vorgeschlagen [2.49], bei der der Druckverlust uber das Filtermedium durch die Zentrifugalbeschleunigung ausgeglichen wird. Interessant ist die Tiefenfiltration, wenn nur geringe Staubmengen zuriickzuhalten sind. Bei groflen Feststofffrachten verbietet sie sich, da sich das Filtermedium schnell zusetzt. Dann kann man nicht mehr ohne Schwierigkeiten mechanisch abreinigen, sondern mufl zumeist das Filtermedium komplett austauschen. In der Praxis wird man das Filtermaterial periodisch in

40

2 Abscheidung von Feststoffen

konstanten Zeitabschnitten erneuern oder abwarten, bis ein Filterdurchbruch erfolgt, das heiRt mehr Staub als tolerierbar auf die Reinraumseite gelangt. Gewebefilter fur die Kuchenfiltration existieren in verschiedenen Bauformen. Wenn es auf kompakte Bauweise ankommt, kommen Taschen- oder Plattenfilter [2.50] in Frage, die bei Erreichen eines zu hohen Druckverlustes oder in konstanten Zeitintervallschritten mechanisch durch Klopfen oder auch pneumatisch abgereinigt werden. Insbesondere in Kombination mit einem vorgeschalteten Zyklon und in zweistufiger Ausfuhrung konnen bemerkenswert niedrige Reingasstaubgehalte von bis zu 0,001 mg/m3 erreicht werden [2.51]. Neben den Taschenfiltem existieren Schlauchfilter. Altere Filter dieser Art sind so konstruiert, d d die Schlauche von innen nach auBen durchstromt werden und der Staub periodisch abgeriittelt wird (auch noch so dargestellt in der VDI-Richtlinie 3677 [2.41]). Als modem gelten Schlauchfilter mit pneumatischer Abreinigung (Abb. 2-4, Abb. 2-5), bei denen ublichenveise die Schlauche wahrend der Filtration von a d e n nach innen durchstromt werden. Damit sie durch den unvermeidlichen Druckverlust uber den Filterkuchen nicht zusammengedruckt werden, enthalten die Schlauche einen Stutzkorb aus Draht. Die Abreinigung erfolgt durch einen von innen nach auBen wirkenden Luftstrahl. Eine bestimmte, durch eine verfahrenstechnische Spezifikation vorgegebene Filterflache kann preiswerter durch wenige lange als durch eine Vielzahl kurzer Schlauche realisiert werden. Allerdings ist bei Langen von etwa 4 m an zu befurchten, daR nur eine Teilabreinigung erfolgt. Oben wird der Kuchen entfernt, und die Abreinigungsluft stromt hier ungehindert aus, ohne in untere Bereiche des Schlauches zu gelangen. Die Anbieterfirmen versuchen, durch eine geschickte Stromungsfuhrung Luftstrahlen zu erhalten, die auch deutlich liingere Schlauche sauber abreinigen [2.52]. Wenn der Staub feucht oder klebrig ist, sind Gewebefilter nicht oder nur sehr bedingt einsetzbar, wie auch ohne nahere Erlauterung sofort einleuchtet. NaB arbeitende Abscheider haben hier Vorteile (siehe auch Abschnitte 2.2.4 und 2.2.5). Wenn man aber die Aufbereitung der Waschflussigkeit scheut, kann man auf die Rohgasseite ein “Precoat’l-Material geben, ein feines Granulat, das sowohl im Fluge den klebrigen Staub bindet als auch einen lockeren Filterkuchen bildet, der nicht verstopft und den unmittelbaren Kontakt zwischen abzuscheidendem Staub und den Fasern des Filters verhindert [2.53,2.54]. Angewendet werden Schlauchfilter in fast allen Bereichen der Industrie, und zwar sowohl in der Chemie als auch in der Energie- und Umwelttechnik. Unter bestimmten Umstbden halt der Filterkuchen nicht nur Partikel zuriick, sondem adsorbiert auch gasformige Schadstoffe (siehe Abschnitt 4.2, [2.55, 2.561).

41

2.2 Entstaubungstechnik Abreinigungsphase - .~

Druckluf?

I 1 -

Filterschlauchquerschnitt (Filtrierphase) .

. -

' 8-t> '

I

Netz

filterschlauchquerschnitt (Abreinigungsphase)

Staub

Filterschlauch

Abb. 2-5: Prinzip eines Schlauchfilters mit Drucklufiabreinigung, mit freundlicher Genehmigung der Firma INTENSIV FILTER [2.46] Die Abreinigungsfrequenz wird nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten festgelegt. Da wahrend der Abreinigungsphasen kein Staub abgeschieden werden kann, sollten sie selten und kurz sein. Auch ist der Trennkorndurchmesser bei groRen Schichtdicken besonderes niedrig. Andererseits kostet ein dicker Filterkuchen wegen des hohen Druckverlustes vie1 Energie in Form von Geblaseleistung. Das wirtschaftliche Optimum liegt hier bei einer KornpromiRlosung. Neben Taschen- und Schlauchfiltern existieren auch Patronenfilter rnit pneumatischer Abreinigung. Die Patronen entsprechen einem Schlauch mit vielfach sternformig gefaltenem Filtermedium. Deswegen kann hier auf relativ begrenztem Bauvolumen eine sehr groRe Filterflache untergebracht werden [2.57].

2 Abscheidung von Feststoffen

42

Grundsatzlich kann man alle KorngroRen durch Filtration abscheiden. Die Oberflachenfiltration ist rnit Teilchen-Durchmessern bis etwa 1 pm herab sinnvoll. Die Betriebstemperatur - auch die im Storfall - ist ein wichtiges Auslegungskriterium, da die meisten Filtermedien nur bedingt temperaturbestadig sind. Auf die moglichen Werkstoffe ist oben bereits hingewiesen worden. Vielfach, wenn das Gas saure Bestandteile enthalt, darf die Temperatur auch nicht zu niedrig liegen. Bei Unterschreiten des Suuretaupunktes kann es zu schwersten Korrosionsschaden bis zur Zerstorung des Filters kommen (Gleichungen und Diagramme hierzu bei Intensiv Filter [2.40]). Notfalls sind saurebestindige Werkstoffe einzusetzen. In einigen Fallen schreibt das Verfahren hohe Driicke vor. In diesen Fallen setzt man runde, feste Gehause ein [2.58] (Abb. 2-4 aus [2.46]). Oft sind sie auch bei niedrigen Betriebsdriicken wegen der Explosionsgefahr (siehe auch 2.2.6) erforderlich. Der Druckverlust von Filtern h h g t , wie geschildert, von verschiedenen Parametern ab, die sich teilweise nur schwer quantitativ bestimmen lassen. Betrachtet man bei der Oberflachenfiltration den Filterkuchen oder bei der Tiefenfiltration die Schuttschicht und geht davon aus, dafl alle Kormer etwa gleich groR sind, und vernachlbsigt die weiteren - oben diskutierten Effekte, dann kann man ihn theoretisch berechnen. Bei laminarer Durchstromung - davon kann man fur die Filtration praktisch immer ausgehen, insbesondere bei einer mit dem Porendurchmesser definierten Reynoldszahl (siehe Gleichung 2-42) kleiner 1 - und u n g e f h konstanter KomgroRe wird der Druckverlust in einer isodispersln Schuttung mit der Gleichung von Carman-Kozeny oder, was dasselbe ist, mit der von Blake-Kozeny berechnet, im Ubergangsbereich zur Turbulenz rnit der von Ergun (Weber Abschnitt 5.2.1 [2.33, 2.44, 2.451). Den gesamten Bereich von der schleichenden Stromung bis zur vollstandigen Turbulenz, die fur die Filterdurchstromung aber gegenstandslos ist, deckt die Gleichung von Kast [2.14] ab. Die Carman-Kozeny-Gleichung lautet: (2-39) Dabei bedeuten: Ap

V q s(v) E

Druckverlust uber die Schuttung in N/m2 Anstromgeschwindigkeit im leeren Querschnitt in m/s Zsihigkeit oder dynamische Viskositat des stromenden Mediums in kg/(m.s) oder in N 4 m 2 volumenspezifische innere Oberflache, innere Oberflache in m2 pro m3 Feststoff in der Schuttung Porositiit, Hohlraumanteil in der Schuttung

2.2 Entstaubungstechnik

43 Umwegfaktor, Verhaltnis aus tatsachlicher Weglange durch die Schiittung und Dicke der Schiittung Richtwert: p = 2 Dicke der Schiittung

,u

h

Vielfach sind die schiittungsspezifischen GroRen s(v), E und ,u nicht im einzelnen bekannt, lassen sich aber uber Laborversuche in ihrer Gesamtheit bestimmen. Wenn man im Labor im kleinen Mdstab Filterversuche durchfiihrt, d a m bietet sich die Carman-Kozeny-Gleichung an, um die Ergebnisse auf den Betriebsmdstab zu iibertragen. Zur Herleitung der Carman-Kozeny-Gleichung betrachtet man ein laminar durchstromtes Rohr und vergleicht es mit einer Pore in der Schiittung. Fur das Rohr gilt (beliebige Lehrbiicher der Stromungsmechanik):

1 1 A p = t . - . p . v 2 .2 d

(2-40)

Dabei bedeuten: Druckverlust iiber die Rohrlange in N/m2 Dichte des stromenden Mediums in kg/m3

Ap p v

mittlere Geschwindigkeit im Rohr in m/s (Das Geschwindigkeitsprofil ist parabelfdrmig ) Liinge des Rohres Rohrinnendurchmesser Widerstandsbeiwert

I d

4

Fur die laminare Rohrstromung gilt unabhiingig von der Rohrrauhigkeit: 64

5 =mit der Reynoldszahl Re

(2-41)

(2-42)

Die Anstromgeschwindigkeit, i , ist geringer als die Geschwindigkeit, v, in den Poren. Es gilt:

44

2 Abscheidung von Feststoffen V

v=-

(2-43)

&

Die Poren und Kanale in der Schiittung haben keinen Kreisquerschnitt. Da insofem ein eindeutiger geometrischer Durchmesser nicht existiert, rechnet man ersatzweise mit dem Durchmesser, den ein Rohr gleicher Querschnittsflache haben wiirde, und nennt diesen Rechenwert den hydraulischen Durchmesser, dh.

Es gilt:

4. A d , =U

(2-44)

Dabei bedeuten:

A U

Querschnittsflache in m2 Umfanginm

Erweitert man Zahler und Nenner, indem man jeweils iiber die P o r e n h g e integriert und dann beide mit deren Anzahl multipliziert, dann erhalt man im Zahler das Gesamtvolumen der Hohlraume und im Nenner deren Gesamtoberflache. Da alle Teilchen an Hohlraume angrenZen und sich nur in Punkten beriihren, ist diese Flache wiederum mit der Gesamtoberflache der Teilchen identisch. Daraus folgt: dh

=

4.E

(1 - &) . s(v)

(2-45)

Setzt man die Gleichungen (2-41), (2-42), (2-43) und (2-45) in (2-40) ein und berucksichtigt man den Umwegfaktor, p, d a m folgt:

(2-46)

Die Gleichung von Ergun geht davon aus, dan die Stromung im wesentlichen laminar, teilweise aber turbulent ist. Der Widerstandsbeiwert ist bei laminarer Anstromung umgekehrt proportional zur Anstromgeschwindigkeit (siehe auch Gleichung 2-42), bei turbulenter konstant. Entsprechend enthalt die Gleichung beide Einfliisse. Sie lautet

2.2 Entstaubungstechnik

c= 64/Re + 1,1136

45 (2-47)

Exakt gilt sie in dieser Form fiir Kugelschuttungen. Fur sehr kleine Reynoldszahlen geht sie in die Gleichung von Carman-Kozeny uber. Fur den voll turbulenten Bereich, fiir Reynoldszahlen uber 1000, ist sie ungultig. In der Literatur [2.40,2.59] findet man anstelle der Carman-Kozeny-Gleichung (2-40) auch die von d’Arcy. Sie setzt ebenfalls den Druckverlust Ap proportional der Anstromgeschwindigkeit, i , der Schichtdicke, h, und der Viskositat, q. Der Proportionalitatsfaktor wird hier ausschlieRlich durch eine Messung bestimmt.

2.2.4

Elektroentstauber

Gewebefilter haben als Nachteil einen hohen und je nach Abreinigungsfrequenz periodisch schwankenden Druckverlust. Extrem feine Teilchen lassen sich nur durch Tiefenfiltration abscheiden. Das Regenerieren des Filtermediums ist dann schwierig bis nahezu unmoglich. Der erste Nachteil existiert bei Elektroentstaubern prinzipiell nicht. Theoretisch - nicht in allen praktischen Fallen - werden in Elektroentstaubern auch extrem feine Teilchen abgeschieden; allerdings liegt die Riickhaltewahrscheinlichkeit von Partikeln mit Korndurchmessern unter 1 pm deutlich unter der von groRen Partikeln. Auch wird der Abscheidegrad guter Gewebefilter nicht ganz erreicht. Elektroentstauber werden ubenviegend, aber nicht ausschliefllich dort angewendet, wo sehr grol3e Volumenstrome bei geringem Grenzkorndurchmesser zu reinigen sind und der Druckverlust eine wirtschaftlich bedeutende GroRe ist, zum Beispiel im Kraftwerksbereich. Falsch, aber haufig benutzt, ist die Bezeichnung Elektrofilter. Mit der Filtration im engeren Sinn hat die Elektroentstaubung aber nichts gemein. Grundlage f%r die Entstaubung sind elektrische Ladungen und Felder und die daraus resultierenden Krafte [2.1,2.60,2.61]. Bringt man eine elektrische Ladung, q, die immer ein positives oder negatives ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung, e, ist, in ein elektrostatisches Feld, so wirkt auf diese Ladung eine Kraft, FE, in Richtung des Potentialgefalles. Dieses wird durch die Feldstarke, E, beschrieben. Im wesentlichen sind zwei geometrische Anordnungen von Bedeutung: 1. Zwei unendlich ausgedehnte planparallele Platten unterschiedlicher Ladung (ein Plattenkondensator). Auf ein Teilchen, das sich zwischen diesen Platten befindet, wirkt die elektrische Kraft:

2 Abscheidung von Feststoffen

46

(2-48)

(2-49) wirksame elektrische Krafi in N

FE 9 e

elektrische Ladung in C oder in A .s

E U I

elektrische Feldst5rke in N/C oder V/m

Elementarladung, Ladung eines Elektrons, e = -1,602.1 O-I9C Spannung zwischen den Platten in V Abstand zwischen den Platten in m

2. Ein unendlich langes zylindrisches Rohr, in dessen Mittelachse sich ein elektrisch geladener. dunner Draht befindet. Die entsprechenden Gleichungen lauten hier: (2-50)

mit

(2-5 1)

Dabei bedeuten: ro

Rohrinnenradius in m

r, r

Radius des Drahtes (halbe Drahtdicke) in m Zufalliger Abstand des Teilchens von der Mitte des Drahtes in m

Es muB also immer gelten: ri I r 5 ra

(2-52)

Diese Gleichungen umreiRen bereits die Bedingungen, die im Verschiebungsraum zu schaffen sind. Die Staubteilchen mussen eine unipolare elektrische Ladung erhalten, und es md3 ein elektrisches Feld entsprechender Richtung und Starke vorhanden sein.

2.2 Entstaubungstechnik

47

Die Staubteilchen sind je nach Herkunft entweder nicht oder gemischt geladen. Dieser Zustand reicht f i r eine elektrische Verschiebung nicht aus. Die Teilchen mussen gleichsinnig elektrisch aufgeladen werden, damit sie im elektrischen Feld eine Kraft in die gewiinschte Richtung zur Niederschlagselektrode hin erfahren. Die klassische Form eines industriellen Elektroentstaubers zeigt Abb. 2-6 (nach [2.1, 2.621). Sie entspricht dem oben diskutierten 2. Fall: Der Entstaubungsraum, also der Verschiebungs- und Abtrennungsraum, wird von einem geerdeten Rob, der Niederschlagselektrode, gebildet, in dessen Mitte ein diinner, gegen das Gehause isoliert aufgehhgter Draht, die Spriihelekrrode, angeordnet ist. Zwischen dem Draht und der Rohrwand besteht ein Potentialgefalle von grorjenordnungsmd3ig 50 000 V; der negative Pol liegt dabei am Draht.

4 d

-b

a-

Abb. 2-6: Klassische Form eines Elektroentstaubers, mit freundlicher Genehmigung der Firma APPERATEBAU ROTHEMUHLE [2.62]

Die Ladung im Sinne einer positiven oder negativen Elektrizitatsmenge auf einem Trager wie Ionen, Atomen und Molekiilen wird ebenfalls in diesem Raum erzeugt. In der naheren Umgebung des diinnen Drahtes herrscht ein so starkes Potentialgefalle, darj eine negative Koronaentludung eintritt. Die hierbei entstehenden negativen Ladungen bewegen sich zum geerdeten Rohr. Es flierjt ein Spriih- oder Ionenstrom. Treten nun die Staubteilchen in den Ent-

48

2 Abscheidung von Feststoffen

___-

-__ .-_ .. __

__ .--

-

Elektron

b

' a

Staubteilchen aufgeladen abgeschieden

/

neutrale ionisierte Gasmolekule

Abb. 2-7: Abscheideprinzip eines Elektroentstaubers, mit freundlicher Genehmigung der Firma LURGI [2.35] staubungsraum ein, so werden sie zunachst durch die erzeugten Ladungen negativ aufgeladen. Die Folge ist eine Kraft nach Gleichung (2-49) und (2-51), welche die Teilchen in Richtung Rohnvand verschiebt, wo sie anhaften (Abb. 2-7) [2.35]. In anderen Fallen besteht die Niederschlagselektrode aus planparallelen Platten. Der fur die Koronaentladung notwendige hochgespannte Gleichstrom wird durch Transformatoren und Gleichrichter erzeugt. Fur die Elektroentstaubung sind vier Vorgange grundlegend: 1. 2. 3. 4.

Erzeugung der Ladungen Aufladung der Teilchen Verschiebung der geladenen Teilchen durch elektrische Krafte Auffangen der geladenen Teilchen durch die Niederschlagselektroden

Wichtigster und physikalisch anspruchsvollster Teilschritt ist die Erzeugung der Ladungen. Unterschieden wird zwischen der unselbstiindigen und der selbstandigen Entladung.

Im ersten Fall werden die Ladungen unabhiingig von der Entladung erzeugt, zum Beispiel auf thermischen Wege, wie dies bei Gliihkathoden oder Elektronenrohren geschieht.

2.2 Entstaubungstechnik

49

Die selbstandige Entladung dagegen zeichnet sich dadurch aus, dal3 die Entladung selber die Ladungen und somit auch den Strom erzeugt. Beispiele sind die Korona- und die Funkenentludung, die sich nur in der Intensitiit unterscheiden. Es gibt eine positive und eine negative Korona. Bei der Elektroentstaubung wird vorherrschend die negative Korona nach folgendem Prinzip angewendet: In der N&e des diinnen Drahtes, bei sehr kleinem Radius, r, herrscht eine besonders groBe elektrische Feldstiirke, E, wie aus Gfeichung (2-5 1) sofort folgt. Freie Elektronen, die in der Atmosphtire zum Beispiel aufgrund der Hohenstrahlung vorliegen, werden im diesem Feld stark beschleunigt. Beim Auftreffen auf Gasatome oder Gasmolekule schlagen sie entweder weitere Elektronen heraus, so daR neue freie Elektronen und positive Gasionen entstehen, oder sie werden aufgefangen, und es bilden sich negative Gasionen. Dieser Vorgang setzt sich im Bereich hohen Potentialgefalles, der sogenannten aktiven Zone, lawinenartig fort. Die erzeugten positiven Ionen werden am Spriihdraht angelagert und bei hinreichender Leitfahigkeit negativ aufgeladen und wieder abgestoRen. Die negativen Ladungen verlassen infolge des elektrischen Feldes die aktive Zone und wandern zur Niederschlagselektrode. Bei zu geringer Spannung ist der Elektroentstauber wirkungslos, bei zu grofier Spannung tritt KurzschluR durch Funkenentladung ein, und das Feld bricht zusammen. Die Abscheidung funktioniert nur, sofern Leivahigkeit und Dielektrizitatskonstante [2.62] der Staubteilchen weder zu groR noch zu klein sind. Partikel groRer 1 pm werden durch das elektrische Feld aufgeladen. Die Teilchen biindeln die Feldlinien, so daR sie verstiirkt von Elektronen und frei fliegenden Ionen getroffen werden. Kleine Teilchen werden zufallig durch Diffusion von Elektronen und Ionen beriihrt und aufgeladen. Die Folge ist, dal3 die Verschiebegeschwindigkeit der Teilchen in Abhhgigkeit von deren GroDe nach unterschiedlichen Gleichungen zu berechnen ist. Fur groRe Teilchen ist die Verschiebegeschwindigkeit proportional zur KorngroDe, und fur kleinere niiherungsweise unabhangig von ihr. Die Geschwindigkeit steigt im ersten Fall quadratisch, im zweiten proportional zur Feldstiirke. Fur extrem kleine Teilchen wiederum ist eine mit sinkendem Durchmesser steigende Geschwindigkeit gemessen worden. Das Minimum des Fraktionsabscheidegrades liegt bei etwa 0,2 bis 1 pm [2.63]. Die Niederschlagselektroden werden durch Klopfen abgereinigt, gelegentlich auch die Spriihelektroden, auf denen sich in geringerem MaRe Staub ablagert. Elektroentstauber besitZen im unteren Bereich konusfdrmige Speicherraume, in die der Staub direkt hineinfallt. Diese werden nach unten uber Zellenradschleusen oder Doppelpendelklappen entleert. Der Staub kann anschlieoend pneumatisch oder mechanisch zu einer Siloanlage gefordert werden.

50

~__ _

2 Abscheidung von Feststoffen _

.

_

~

Die Firma Walther [2.62] hat in ihren Unterlagen konkrete Berechnungsgleichungen fiir die Auslegung von Elektroentstaubern angegeben. Der Abscheidegrad wird nach der DeutschFormel (siehe auch [2.58]) berechnet:

mit:

q e k

Trenn-IAbscheidegrad Basis der naturlichen Logarithmen math. FunktionsgroBe zum TrennJAbscheidegrad

Der Faktor k wiederum ist das Verhaltnis aus der Venveilzeit des Gases im Abscheideraum und der Zeit, die theoretisch maximal fur die Absetzbewegung erforderlich ist [2.59]. Es gilt

k = ( L / V G ) / (s / w) mit:

(2-54)

L

L a g e des Gasweges im Abscheideraum in m

VG

Gasgeschwindigkeit in m / s

s

Abstand zwischen den Elektroden w-Wert oder effektive Wanderungsgeschwindigkeit in m / s

w

Die gleiche Bedeutung hat auch Gleichung (2-55). Sie ist eine angepdte GroBengleichung. w ist in cm/s einzusetzen. Fur Angaben in m/s entfallt der Faktor 100.

(2-55)

k = f.wl100

mit:

f

projizierte Niederschlagsflache des Elektrofilters in m2j e m3/s des durchstromenden Gases

Der MI-Wert darf nicht mit der tatsachlichen Geschwindigkeit,

Wth,

der Staubpartikel venvech-

selt werden. Er ist empirisch ermittelt und beriicksichtigt eine ganze Reihe weiterer Einfldgronen, von denen als wichtigste der elektrische Staubwiderstand zu nennen ist.

Zur empirischen Anpassung der Deutsch-Formel an die tatsachlich gefundenen Verhaltnisse hat man die modifizierte Deutsch-Formel entwickelt:

2.2 Entstaubungstechnik

51 -

(2-56)

mit:

wp p

w,-Wert des Elektrofilters in cm/s experimenteller Zusatz-Exponent

Gleichung (2-56) ist eine angepdte GroBengleichung. Wenn w p in der Einheit m angegeben wird, entfallt der Faktor 100. Dann ist fiirp = 1 w pmit w identisch, und man erhalt wieder die Deutsch-Fonnel: Gleichung (2-53). p liegt uberwiegend in der GroRenordnung von 0,4 bis 0,6. Niedrigere elektrische StaubwiderstMde begiinstigen zunehmend das Wiederaufwirbeln des bereits an den Niederschlagselektroden angelagerten Staubes. Hohe elektrische Staubwiderstande im Bereich uber 10" R cm W e n hingegen, als Folge zunehmender Isoliereigenschaften der Staubschicht auf der Niederschlagselektrode, zum sogenannten Ruckspruhen. Beide Effekte haben eine mehr oder minder ausgepragte Reduzierung der Abscheideleistung zur Folge, auf die jedoch durch geeignete, unten beschriebene, Mdnahmen Einfld3 genommen werden kann. Beste Voraussetzungen f i r die elektrische Abscheidung erzielt man mit Staubwiderstanden in der GroRenordnung von lo8 bis 10'' R cm. (Den tatsachlichen Widerstand in R (Ohm) erhalt man, wenn man durch die Schichtdicke des abgeschiedenen Staubes dividiert.) Der Staubwiderstand ist eine Funktion der Feststoffeigenschafien, des Wasseranteils im Gas und der Temperatur mit einem Hochstwert um 150 ... 200 OC. Durch entsprechende Konditionierung mit Schwefeltrioxid, SO3, [2.63] oder durch pulsierende Hochspannungsversorgung [2.63] kann er beeinflunt werden. 1st zum Beispiel ein Elektroentstauber hinter einem kohlebeheizten Krafiwerkskessel fur eine bestimmte Kohlesorte ausgelegt und sol1 aus Umweltschutzgriinden auf schwefelarme oder aus Kostengriinden auf ballastreiche Kohle umgestellt werden, dann fiihrt das zu einem wesentlich hoheren elektrischen Widerstand des Staubes. War der Entstauber zuvor korrekt, aber knapp ausgelegt, dann werden nach der Umstellung ohne Zusatzmdnahmen die zulassigen Grenzwerte uberschritten. Gunstiger als eine VergroRerung des Entstaubers kann es sein, das Rauchgas in geeigneter Weise zu konditionieren: Bei hoher Temperatur wird Schwefeltrioxid, SO3, moglichst gleichmiil3ig verteilt in den Rauchgaskanal eingedust. Es lagert sich unter Bildung eines Schwefelsaurefilms an das Staubkorn an. Durch den Saurefilm wird der elektrische Widerstand der Staubteilchen so weit herabgesetzt, d d der nachgeschaltete Elektroentstauber im optimalen Bereich arbeitet.

52

2 Abscheidung von Feststoffen

Die Abscheideleistung des Elektroentstaubers wird durch S03-Konditionierung stark verbessert, so d A auch die strengsten Anforderungen an den Abscheidegrad sicher erfillt werden. Die dabei auftretende Erhohung der SO3-Emissionswerte ist kaum meRbar und in jedem Fall so niedrig, daB f i r die ubliche Weiterverarbeitung des Flugstaubes kein Problem entsteht. Zur Erzeugung des Schwefeltrioxids verbrennt man flussigen Schwefel mit vorgeheizter Luft zu Schwefeldioxid und dann in einem katalytischen Kontaktofen weiter zu Schwefeltrioxid. Bei geringem Mengenbedarf kann man statt von elementarem Schwefel auch von flussigem Schwefeldioxid ausgehen. Die - fiir die Staubabscheidung nur indirekt interessante - tatsachliche Wanderungsgeschwindigkeit der Staubteilchen w b errechnet sich ubrigens (nach [2.62]) aus einer Kraftebilanz um das abzuscheidende, als kugelformig gedachte Einzelkorn zu

(2-57)

mit: w,/, EO

EO Ep d v p

Partikel-Geschwindigkeit

absolute Die1ektrizit;itskonstante Feldstiirke in der Aufladezone Feldsttirke in der Abscheidezone Partikeldurchmesser kinematische Gasviskositat Dichte des Gases oder der zu reinigenden Luft

Einige Autoren (zum Beispiel [2.1]) geben eine geringfiigig andere Gleichung an, welche die elektrostatische Kraft ins Gleichgewicht setzt zur mechanischen Widerstandskraft bei laminarer Stromung und auBerdem die Cunningham-Korrektur beriicksichtigt. Wie als wesentlicher Vorteil der Elektroentstauber festzuhalten bleibt, lassen sich hier im Prinzip alle TeilchengroBen bei sehr geringem gasseitigen Druckverlust abscheiden. Eine moglichst groBe Feldstiirke ist anzustreben. Eine obere Grenze ist aber durch die Durchbruchfestigkeit des Gases gegeben. Elektroentstauber sind in Verdacht geraten, bestimmte Stoffe im elektrischen Feld zu synthetisieren, insbesondere polychlorierte Dibenzo-Dioxine und Furane. Das spricht fur Gewebefilter, insbesondere in sensiblen Bereichen wie Mullverbrennungsanlagen. Hinzu kommt,

2.2 Entstaubungstechnik

53

d d mechanische Filter je nach Zusammensetzung des Filterkuchens deutliche Adsorbereigenschaften haben (siehe Abschnitt 4.2.3), wodurch eine bessere Reinigung des Abgases erreicht werden kann. Elektroentstauber konnen dagegen aufgrund der geringen inneren Oberflache nur begrenzt adsorbieren [2.63]. Tatsachlich findet man hinter Miillverbrennungsanlagen beide Abscheideprinzipien, wobei die jeweilige historische Entwicklung eine wesentliche Rolle spielt. GroBe Elektrofilter, wie sie zum Beispiel hinter Kraftwerkskesseln eingesetzt werden, haben mehrere hintereinandergeschalteteKammem, die von den Rauchgasen quer durchstromt werden (Abb. 2-8) [2.64]. Die Niederschlagselektroden sind hier nicht rohrfdrmig, sondern bestehen aus Platten, die zeitlich versetzt abgeklopft werden. Wird die erste Kammer abgereinigt, fallt der gronere Teil des Staubes in den zugehorigen Abscheideraum; der kleinere Teil

Abb. 2-8: Elektroentstauber, mit freundlicher Genehmigung der Firma NOELL-KRC r2.64J

54

2 Abscheidung von Feststoffen

des Staubes wird wieder freigesetzt und fast quantitativ in der zweiten Kammer abgeschieden. Nur ein verschwindend geringer Anteil wird letztlich als Staubstrdme emittiert. Sollte auch der nicht akzeptabel sein, kann man im letzten Feld die Niederschlagselektroden beweglich als umlaufendes Endlos-Gliederband ausfiihren und den Staub rnechanisch abbursten [2.65]. Eine Sonderfonn der Elektroentstauber sind die sogenannten Ndelektrofilter ([2.66, 2.671). Sie werden eingesetzt, wenn das zu reinigende Gas Wasserdampf-gesattigt ist oder a d e r Feststoffpartikeln feine Flussigkeitstropfchen zum Beispiel aus Schwefelsaure enthalt. Auch kann es durchaus sinnvoll sein, durch gezielte Wasserzugabe die relative Feuchtigkeit der Abluft auf 100 % zu steigem. Man erhalt so gunstigere Bedingungen f i r die Ladungserzeugung, und der Staubwiderstand wird gesenkt, und zwar zumeist in einen gunstigeren Bereich hinein. Des weiteren wirken die abzuscheidenden Partikel als Kondensationskeime. Der wirksame Durchmesser inklusive Wassermantel wird entsprechend groRer. Die Niederschlagselektrode wird nicht abgeklopft, sondem kontinuierlich abgewaschen. Ein Wiederaufwirbeln des Staubes ist deswegen ausgeschlossen. Es konnen niedrigere Reingaskonzentrationen erreicht werden als bei trocken arbeitenden Elektroentstaubern (unter 1 mg/m3 , N) [2.66]. N d arbeitende Elektroentstauber sind in der Regel - nicht in allen Fallen - so konstruiert, daJ3 die Niederschlagselektroden aus Rohren in einem vertikalen Biindel bestehen. Die Spriihelektroden sind in der Mittelachse der Rohre aufgehhgte Dr&te. Das im Kreis gefahrene Waschwasser wird tangential so zugefiihrt, d d sich eine quantitative Bedeckung ergibt [2.67]. Das Gas stromt vertikal durch die betreffenden Abscheider. Fur sehr groRe Gasvolurnina venvendet man in Analogie zu den entsprechenden trockenen Entstaubem horizontal durchstromte Apparate. Die Waschflussigkeit stammt hier allerdings ausschlierjlich aus der Feuchtigkeit des Gases. Von der Firma Bayer stammt der von der Firma Lurgi in Lizenz nachgebaute Kondensations-Filter. Dies ist ein Entstauber mit vertikaler Durchstromung und von auRen wassergekuhlten Rohren. Infolge der Kuhlung kondensiert vie1 Flussigkeit aus dem zu reinigenden Gas aus, und die Rohre werden entsprechend gut abgewaschen [2.66]. Nal3 arbeitende Elektroentstauber werden in Anwesenheit saurer Gase wie Schwefeldioxid, SO*, zur Abscheidung von Saure-Tropfchen, in Einzelfallen auch hinter den Kesseln von Kraftwerken und Mullverbrennungsanlagen eingesetzt. Aus den Beispielen und der nassen Fahrweise folgt, dafl Normalstahl als Werkstoff ausscheidet und auch Edelstahl nur bedingt geeignet ist. Friiher hat man vonviegend Blei venvendet. Fiir die Niederschlagselektroden ist heute Kunststoff ublich. Die elektrische Leitung iibernimmt der Flussigkeitsfilm. In einigen Fallen sind verfahrensbedingt druckfeste Elektroentstauber erforderlich. Diese existieren fiir Uberdriicke bis 25 bar, haben runde Gehause und werden axial durchstromt [2.5].

2.2 Entstaubungstechnik

2.2.5

55

Waschentstauber

Waschentstauber zur Verarbeitung groRerer Gasmengen bauen auf der Wirkung einer Vielzahl physikalisch unterschiedlicher Krafte auf, die nach Calvert [2.68] in folgende vier Gruppen eingeteilt werden konnen:

1 . Diffusion 2. Elektrische Ladung und Magnetismus 3. Kondensation 4. Massentragheit und Schwerkraft

Um die Tragheits- und Diffusionskrafte zu optimieren, werden angestrebt: - eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen zu reinigendem Gas und der Waschflussigkeit - Flussigkeitsoberflachen mit einem kleinen Kriimmungsradius, also moglichst feine Tropfen, die allerdings nicht von dem Gas mitgerissen werden diirfen (siehe auch Abschnitt 3.1) - viele Tropfen oder ein tiefes Fliissigkeitsnetz Die Abscheidung durch Tragheitskrafte bedeutet, d d das Gas in sehr engen Kriimmungsradien um die eingediisten Tropfen herumstromt, die Feststoffteilchen aber mehr oder weniger geradeaus weiterfliegen und in die Flussigkeit hineinstiirzen. Extrem feine Staubpartikel konnen den Stromlinien problemlos folgen. Teilchen mit einem Durchmesser kleiner etwa 0,l pm konnen daher nicht ausgewaschen werden. Um zu beurteilen, ob ein eingeduster Flussigkeitsstrahl in einzelne Tropfen zerfallt, und um deren GroRe abzuschatzen, mu13 man die Grenzflachenspannung zwischen Fliissigkeit und Gas kennen. Sie ist mdgeblich f i r die erforderliche Trennarbeit der Zerstuubung ([2.69], dort 5 5.10). Wenn die kritische Weberzahl i2.70, 2.711 uberschritten wird, zerfallt der Strahl nach einer gewissen Strecke in Einzeltropfen. Die Definitionsgleichung der Weberzahl, We, lautet nach Walzel [2.71]:

We = w 2 . d ' . p / o Dabei bedeuten:

w

d' p (T

(2-55)

Austrittsgeschwindigkeitder Fliissigkeit aus der Duse in m/s benetzter Dusendurchmesser in m

Dichte der Flussigkeit Oberflachenspannung in N/m

56

2 Abscheidung von Feststoffen

Die kritische Weberzahl, Wekrit, betragt 8. (In einigen Veroffentlichungen ist die Weberzahl abweichend als die Quadratwurzel aus dem oben angegebenen Term definiert [2.72]. Vor einer Venvechslung sei gewamt!) Wascher verschiedener Bauarten werden nicht nur f%r die Entstaubung eingesetzt, sondern auch fur die Gaskuhlung [2.73], die Absorption von Gasen (siehe auch Abschnitt 4.1.3) und f i r die Spriihtrocknung in der Lebensmittelindustrie. Je nach Anwendungsfall konnen sich Staubwascher von Absorbern konstruktiv unterscheiden, aber mit diesen auch vollig identisch sein oder beide Zwecke gleichzeitig erfillen. Fullkorperkolonnen, mit denen ausschlieBlich Staub abgeschieden wird, betreibt man am besten im Gleichstrom, damit sich die Flussigkeit nicht anstaut [2.70]. Nicht b e w m haben sich Wascher, bei denen das Gas durch eine ruhende Flussigkeit hindurchperlt ([2.33] dort Abschnitt 6.1.I). In aller Regel ist die Fliissigkeit die disperse Phase. Grundsatzlich erzeugen Wascher eine Suspension, die in einem zweiten Apparat aufgearbeitet werden muB. Vorteilhaft eingesetzt werden Waschentstauber vor allem, wenn das abzuscheidende Gut klebrig, hygroskopisch oder schmierig-feucht ist oder zum Anbacken neigt. Sinnvoll ist ihr Einsatz auch, wenn die Luftfeuchtigkeit sehr hoch ist und nur geringfugig unter dem Taupunkt liegt, wie es hinter Trocknungsanlagen oft der Fall ist [2.74]. Wenn Wasser kondensiert, werden feste und flussige Aerosole unter Einflun der Brownschen Molekularbewegung durch Kougulieren verstarkt abgeschieden [2.70], oder ihr scheinbarer Durchmesser vergroBert sich signifikant durch den sie umgebenden Wassermantel [2.75], was naturlich die Ruckhaltung begunstigt. Als Waschfliissigkeit wird fast ausschlieBlich Wasser eingesetzt, dem oft - zum Abscheiden saurer Bestandteile - ein Neutralisationsmittel zugesetzt wird. Beim Herstellen einer Suspension aus Waschflussigkeit und Staub ist die Hohe der Beladung, also die Staubkonzentration im Wasser, kein ernstes Problem. Auch bei sehr hohen Konzentrationen von uber 300 g/l [2.74] wird praktisch kein Staub aus der Flussigkeit freigesetzt und wieder ins Gas uberfuhrt. Deswegen darf man die Waschflussigkeit sehr lange im Kreis fahren. Wenn keine anderen Argumente dagegen sprechen, kann man die Waschflussigkeitsmenge entsprechend gering halten und den nachgeschalteten Apparat fur die Fest-flussig-Trennung vergleichsweise einfach und klein gestalten. Eine wichtige Kenngrone fur die Auslegung und die Auswahl des richtigen Entstaubertyps ist der gasseitige Druckverlust. Sind hier strikte Begrenzungen zu beachten oder ist der Spielraum bereits ausgeschopft, dann ist der Struhlguswuscher [2.76] interessant. Dieser arbeitet nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe und hat einen negativen Druckverlust, ist also

2.2 Entstaubungstechnik

57

selbstsaugend. Er hat bis zu vier Funktionen gleichzeitig: Absorbieren, Entstauben, Kuhlen und Fordern [2.77]. Fur KorngroRen kleiner 3 pm ist er ungeeignet. Der Venturi- Wuscher wird rnit einem kleineren Fliissigkeits-Gas-Verhaltnis betrieben als der Strahlgaswascher. Die Fliissigkeit wird durch das Gas beschleunigt und zerfetzt. Ein hoher gasseitiger Druckverlust ist die Folge, besonders bei kleinem Trennkorndurchmesser und grohem Wassereinsatz. Ahnlich wie bei den Zyklonen steigt der Abscheidegrad mit der Eingangsbeladung, aber dieser Effekt ist hier nicht so deutlich ausgepragt. Wesentlicher ist der Anstieg des Abscheidegrades rnit dem Waschfliissigkeits-Anteil. Venturi-Wascher existieren in verschiedenen Bauarten [2.74, 2.76, 2.781. Gemeinsam ist allen die Venturi-Kehle. Der Gasstrom wird durch einen sich verjungenden Konus g e m , wo er zwangslaufig seine Geschwindigkeit erhoht und der Druck auch bei Reibungsfreiheit sinkt; Gleichung von Bernoulli. In die Zone geringsten Drucks und hochster Geschwindigkeit wird das Waschwasser eingegeben. Hier bilden sich durch Scherkrafte kleine Tropfen, die nach dem oben beschriebenen Mechanismus den Staub abscheiden. Danach erweitert sich das Rohr wieder. Die Gasgeschwindigkeit sinkt, und der Druck steigt entsprechend. Hier sei ein Venturi-Wascher rnit verstellbarer Kehle vorgestellt (Abb. 2-9) [2.74]: Der Abgasstrom tritt von oben in den Kopf des Venturi-W;ischers ein, trifft auf die vollsttindig tangential flussigkeitsbespiilte Konusflache und wird beschleunigt. Durch die verstellbare Kehle kann ein sehr geringer Querschnitt, damit eine hohe Geschwindigkeit und ein entsprechend geringer Druck realisiert werden, der ein sehr feines Dispergieren der Fliissigkeit begiinstigt. Allerdings rnuR bei dieser Fahrweise ein hoher Druckverlust in Kauf genommen werden. Der Verdrkgerkorper ist motorisch verstell- und regelbar. Er wird wie der Konus vollstihdig von der Waschfliissigkeit benetzt. Bei entsprechender Voreinstellung wahlt ein automatischer Regler den gunstigsten KompromiR aus geringer TrennkorngroRe und nicht zu groRern Druckverlust. Nur die Druckdifferenz dient direkt als RegelgroRe, wihend die Analyse der Staubmenge hinter der Wasche und die Bestimmung der KorngroRenverteilung bestenfalls halbautomatisch funktionieren. Anbackungen werden durch die Spiilung verhindert. Bei hohen Temperaturen verdampfi Waschfliissigkeit und wirkt so als Kuhlmedium, allerdings rnit entsprechend erhohter Luftfeuchtigkeit als Folge. Dem Strahlgas- und Venturiwascher vergleichbar funktioniert auch der Rotutionswuscher [2.79]. Sowohl das zu reinigende Gas als auch die Waschflussigkeit sind zunachst drucklos. Die fiir das feine Zersttiuben erforderliche Energie wird mechanisch uber einen Elektromotor zugeftihrt, der mit extrem hoher Drehzahl ein Zerstauberrad antreibt. Dieses ist ein kurzer Hohlzylinder, der a d e n eine Vielzahl von Dusen besitzt, durch die die Waschflussigkeit h-

58

2 Abscheidung von Feststoffen

Ablauf

Abb. 2-9: Venturiewacher rnit verstellbarer Kehle, mit freundlicher Genehmigung der Firma LUFTTECHNIK BAYREUTH [2.74]

lich wie bei einern Rasensprenger austritt. Auf den Einsatz von Rotationswaschern bei der Rauchgasentschwefelung sei besonders hingewiesen (siehe auch Abschnitt 4.1.4). Neuerdings ist eine Maschine vorgeschlagen worden, die die Prinzipien des Ndwaschers, der Zentrifuge und des Filters miteinander vereinigt und besonders ftir die Aerosolabscheidung ernpfohlen wird [2.75]. In besonders schwierigen Fallen schaltet man Wiischer unterschiedlicher Funktionsprinzipien in Reihe, zum Beispiel einen Rotations- hinter einen Venturiwiischer [2.80]. Werkstoffe f i r Nanentstauber konnen aus einem weiten Spektrum ausgewahlt werden. Auch Gummierungen sind rnoglich. Neben den moglichenveise hohen Temperaturen und abrasiven Eigenschafien der Staube sind die chemischen Eigenschaften der erzeugten Losungen, Emulsionen und Suspensionen ausschlaggebend f i r die Werkstoffwahl.

59

2.2 Entstaubungstechnik

2.2.6

Betriebssicherheit von Entstaubern

Ein wesentlicher Gesichtspunkt, der bei der Auswahl eines Entstaubers und auch spater im Betrieb zu beachten ist, ist die Unfallgefahr. Wenn der Staub feuergefahrlich oder zumindest im Prinzip brennbar ist, kann es unter ungiinstigen Umstanden zu Staubexplosionen mit verheerenden Schaden kommen. Aus diesem Grunde sind in der Vergangenheit mehrfach Miihlenbetriebe und vergleichbare verfahrenstechnische Anlagen vollstandig zerstort worden [2.81, 2.82, 2.831. Der Mechanismus, der zur Raumexplosion fuhrt, gliedert sich in mehrere Stufen: im allgemeinen wird ein Teil des Feststoffs verdampfen

-

nicht bei brennbaren Metallstauben

-

oder sich so zersetzen, daB ein brennbares Gas entsteht. In Anwesenheit von Luftsauerstoff und bei Uberschreiten einer bestimmten Zundtemperatur, die vom Stoff und von den Randbedingungen abhiingt, tritt die Reaktion spontan ein. Die erforderliche Temperatur wiederum kann durch langsame Oxidation, also durch Selbstentzundung, oder auch durch Fremdenergie, eine Fremdzundung uber einen elektrischen Funken oder ahnliches iiberschritten werden. Eine

so eingeleitete Staubexplosion wird aber nur dann von selbst ablaufen, wenn eine bestimmte Staubkonzentration vorliegt, die tiller der itnteren und unter der ober-en Zundgrenze liegt. Diese Werte sind zwar stoffspezifisch, aber man kann als grobe Richtwerte 10 g/m3 , N fur die untere und 1 bis 10 kg/m3 , N fur die obere Ziindgrenze angeben [2.83]. AusschlieBen laBt sich konstruktiv nur schwer, dafl irgendwo im Entstauber ein Gemisch in explosionsfahiger Konzentration vorliegt, und auch potentielle Ziindfunken sind nicht immer zu vermeiden. Wenn Staube gehandhabt werden, die nicht inert sind, und man nicht mit Schutzgas arbeiten kann, muB man von gelegentlichen Raumexplosionen ausgehen und deren Schaden minimieren [2.84], urn Menschen und Gegensthde sicher zu schutzen. Allgemeine Grundlagen hierfur sind die einschlagigen VDI-Richtlinien [2.85, 2.861, die Unfallverhiitungsvorschriften der Berufsgenossenschaften, die Vorschrifien und Auflagen der Aufsichtsbehorden und die Gutachten und Sicherheitsanalysen von Sachverstandigen. Die Wahl der geeigneten Explosionsschutzmaflnahmen ist unter Beriicksichtigung der folgenden Kriterien zu treffen - Art des Staubes - Verfahrens- und Anlagentechnik - ortliche Verhaltnisse Die Gefahrlichkeit von Stauben in Bezug auf das Explosionsverhalten ist durch die Einteilung in

60 .._

-~

__

2 Abscheidung von Feststoffen __

_.

-

- Staubexplosionsklassen oder -

KSr-Werle

als staub- und prufungsspezifische Kenngronen gekennzeichnet. Fur bereits geprufte Staube konnen diese Daten unter Beriicksichtigung der dort angegebenen Anwendungsgrenzen aus der Literatur [2.87] entnommen werden. Andemfalls sind diese Werte durch Prufinstitute zu ermitteln. Die moglichen vorbeugenden Explosionsschutzmahahmen sind bereits indirekt benannt worden. Hierzu gehoren: - Konzentrationsbegrenzung

inerte Betriebsweise - Vermeidung von wirksanien Zundquellen -

Erganzt oder ersetzt werden diese zumeist entweder nicht hinreichenden oder nicht moglichen Mafinahmen durch konstruktive Maonahmen wie - Auslegung des Abscheidergehauses als Druckbehalter fur den maximalen Explosionsdruck

von im allgenieinen nicht niehr als etwa 8 ... 10 bar. Diese Moglichkeit ist nur bci begrenzten Abmessungen sinnvoll, da nur Behiilter niit kleinem Durchmesser problemlos hohen Driicke standhalten 12.881. Vorsehen einer Explosionsdruckentlastung nach VDI-Richtlinie 3673 [2.86] Moglichkeiten sind - Berstscheiben, die allerdings bei jeder Explosion zerstort werden

- Klappen -

Verhindem der ungehemmten Druckwellenfortpflanzung durch - Entlastungshauben an Rohrleitungen (Abb. 2-10 [2.84]) - spezielle Zellenradschleusen, die explosionsfest, flammendurchschlagsicher und durch ein anerkanntes Institut gepriift sein mussen - Schnellschluflschieber - Spezialventile

-

Branderkennungssysteme - Messung plotzlicher Druckerhohung - Brandfruherkennung mit einem Kohlenmomoxid-CO-Analysensystem(siehe auch Abschnitt 4.2.2, Aktivkohle- und Aktivkoksfilter) - Funkenerkennungssystem

61

2.2 Entstaubungstechnik -

Brandloschsysterne - Wasser als Loschmittel - Feuerloschpulver - Funkenloschsystem

Um die Reaktionszeit so kurz wie moglich zu halten, miissen die Branderkennungssysteme nach Moglichkeit die Brandloschsysteme automatisch auslosen. Vorbeugende MaRnahmen sind - Inertisierung mit Gasen wie Kohlendioxid, C02, oder Stickstoff, Nz - Erdung zum Vermeiden elektrostatischer Aufladungen als einer Ursache der Funkenbildung - ausschliefiliches Verwenden geeigneter elektrischer Betriebsmittel nach VDE

orrnalsrrornung

.. Abb. 2-10: Druckentlastungshaube, mit freundlicher Genehmigung der Firma INTENSIV FILTER [2.84]

2.3

Technisch-wirtschaftlicher Verfa hrensvergleich

Eine Gegenuberstellung in Form von Tabellen und Abbildungen (Tab. 2-1 nach [2.89, 2.901, Abb. 2-1 1 nach [2.90]) oder von Schemazeichnungen (Abb. 7-1) mu13 stark vereinfachen und viele - im Einzelfall entscheidende - Besonderheiten unterdriicken. Zur Orientierung kann sie dennoch nutzlich sein.

2 Abscheidung von Feststoffen

62

Tab. 2-1: Systemvergleich von Staubabscheidem nach [2.90] KUIXbezeichnung Bauart

Schwerkraftabscheider

Zyklone

Staubabscheidewirkung

Tragheits- Tragheitshaft, Zenhaft, Schwerkraft trifugalkraft

Staubabscheideverhalten

m a i g (Vorabscheider)

M a i g bis gut

EFilter (naB)

NaBabscheider

gasdurchelektrostatische lbsige Aufladung und AnMembranziehung wirkung

Anbindung in der Fliissigkeit

Filter

E-Filter (trocken)

sehr gut

gut bis sehr gut

sehr gut

mittel bis gut

0,l ... 1000

0,l . . S O

0,I ...50

Staubeingangskonzentrationsbereich in a m 3

1...5000

0,l ..SO00

Abscheidegrad in %

85...98

99,O...99,99

Temberaturbereich in "C

bis 1300

bis 850

bis 480

bei Gassattigung

bei Gassattigung

Druckbereich in bar

bis 100

bis 50

bis 20

bis 20

bis 20

h

X

99

0,2

0,5 1 2

5

10

Korngrone x in prn

Abb. 2-11:Einsatzbereich von Entstaubem, nach [2.90]

95.. .99,99

90...99

2.4 Literatur

63

Ein Abscheider mu4 nicht nur nach einem wirksamen Prinzip arbeiten. Erforderlich ist auch, d d er in der Praxis problemlos arbeitet und die Betriebs- und Instandhaltungskosten niedrig gehalten werden konnen [2.91, 2.681. Das kann man am besten durch entsprechende Erfahrungen beurteilen. Eine ubenviegend tabellarisch gehaltene Zusammenstellung mit Lieferantenverzeichnissen, die auch festhalt, welcher Abscheider sich wo bewiihrt hat, existiert zwar [2.92], ist aber leider nicht mehr auf einem aktuellen Stand.

Moglichkeiten (Abb. 2-1 1) Zyklon Im Eingang: groRe Fracht (als Bedingung) grofle KorngroRe Im Ausgang: immer noch relativ hoher Staubgehalt, insbesondere bei kleinen Komgronen (Verbesserung durch Parallelschaltung von Zyklonen / Multizyklon) Eventuell als Vorabscheider vor einem Gewebefilter geeignet, um dessen Abreinigungsfrequenz zu senken Filter (im engeren Sinne / Gewebefilter) Im Eingang: groRe Staubfracht moglich, aber von Nachteil (hohe Abreinigungsfrequenz, Verstopfungsgefahr), evtl. Zyklon als Vorabscheider Im Ausgang: sehr sauber, auch bei kleinen KorngroRen Temperatur nach oben begrenzt (evtl. Sintermaterial als Filtermittel, dann aber groBer Druckverlust) Verstopfungsgefahr bei Feuchtigkeit Bei gleichzeitiger Anwesenheit schadlicher Diimpfe: Filterkuchen kann adsorbierend wirken Elektroentstauber Entstaubungseigenschaften fast mit denen eines Filters vergleichbar Praktisch kein Druckverlust, dadurch wirtschaftlich bei groBen Gasstromen und entsprechender Geblaseleistung Abscheideleistung ist Funktion der elektrischen Eigenschaften des Staubes, evtl. Kombination mit Ndabscheider (Ndelektrofilter)

64 ___

2 Abscheidung von Feststoffen .

~

_

_

_

Die Entscheidung entweder fur ein Filter oder einen Elektroentstauber wird wegen ungefahrer technischer Gleichwertigkeit oft ausschlienlich nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten erfolgen. Nanentstauber

Abscheidequalitat zwischen der eines Filters und der eines Zyklons, hochste Reingasqualitat im NaBelektrofilter Anwendbarkeit: Recht unspezifisch und deshalb universe11 einsetzbar, auch ftir die Absorption gasfdrmiger Schadstoffe, Uberlagerung verschiedener physikalischer Prinzipien, besonders geeignet bei unbekannten oder stark schwankenden Staubeigenschaften Gravierender Nachteil: Schaffung eines Abwasserproblems (Suspension, oft sauer) Produktion von Aerosolen (Aerosolabscheider aber integrierbar)

2.4

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2 Abscheidung von Feststoffen

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[2.92]

GST, Gesellschaft f%r Systemtechnik mbH, Essen: Handbuch Staubabscheider. Berlin: Erich Schmidt, 1978

3

Abscheidung von Flussigkeiten

3.1

Tropfchenbildung

Nicht nur Staub ist ein storender Fremdbestandteil von Gasen; oft sind auch Flussigkeitstropfen ein ernstes Problem. Allerdings verhalten sich Tropfen nicht wesentlich anders als Staubpartikel, und die bereits diskutierten Mechanismen zur Abscheidung funktionieren in gleicher oder h l i c h e r Weise [3.1, 3.21. Feinste Partikel in Gasen werden sowohl im festen als auch im flussigen Aggregatzustand als Aerosole bezeichnet [3.3]. Tropfen in Abgas- oder Abluftstromen verfahrenstechnischer Anlagen sind haufig. Sie konnen aus kalt arbeitenden Ndentstaubern oder Absorbern (siehe auch Abschnitt 4.1) mitgerissen werden oder aus kondensierten Diimpfen stammen. Meistens, aber nicht immer, bestehen sie ausschlieRlich aus Wasser, das okologisch unbedenklich ist, wenn man von Schwaden absieht, welche die Sicht behindern und Glatteis vemrsachen konnen. Die groRte Menge flussiger Aerosole entsteht in NaBkuhlturmen: Warmes, zu kuhlendes Wasser wird in groBen Mengen in einem durch natiirliche Konvektion oder einen Ventilator erzeugten Aufluftstrom verregnet [3.41. Ein Teil verdunstet und entzieht dem zuruckbleibenden Rest die dafur erforderliche Enthalpie mit entsprechender Abkuhlung. Es wird bewunt ein gewisser Kiihlwasserschwund in Kauf genommen. Sowohl beim Verregnen als auch durch Kondensation bereits verdunsteten Wassers entstehen feinste Tropfchen, die mitgerissen werden. Wenn rnit Losungsmitteln oder organischen D h p f e n gearbeitet wird, kann es sinnvoll sein, durch Kuhlen die Kondensation zu erzwingen. Die dadurch erzeugten Tropfchen lassen sich mechanisch abscheiden.

3.2

Abscheider

Die meisten Tropfenabscheider nutzen die Massentragheit aus. Es gelten die gleichen physikalischen GesetzmaBigkeiten wie fii Zyklone (siehe auch Abschnitt 2.2.2). Ein Dralltropfenabscheider mit Drallerzeuger und Wendelrohr zeigt einen Druckverlust, der mit sinkendem Grenztropfendurchmesser sehr stark ansteigt. Dies kennt man analog von entsprechenden Staubabscheidern [3.5], (Abb. 3-1) [3.6,3.7].

70

__

3 Abscheidung von Flussigkeiten -.

Fur groRe Gasstrome und entsprechend grone Kanalquerschnitte ist dieses Prinzip nicht geeignet. Hier sind Abscheider vorzuziehen, die im Prinzip wie Zickzacksichter arbeiten (Abb 3-2, siehe auch Abschnitt 2.2.2.1) [3.7, 3.81. Es existieren auch spezielle Fiillkorper strukturen und Packungen, die schwadenreduzierten Kuhlturmbetrieb ermoglichen [3.7 3.101 (siehe auch Abschnitte 4.1 1 und 4.3).

7

Abb. 3-1: Dralltropfenabscheider, mit freundlicher Genehmigung der Firma MUNTERS

EUROFORM [3.6]

Abb. 3-2: Tropfenabscheider flir einen Rechteckkanal, mit freundlicher Genehmigung der Firma MUNTERS EUROFORM [3.7]

3.3 Literatur

71

Aerosol-Abscheider, die Olnebel und ahnliches durch vliesartige Filtermatten zuruckhalten. sind den filternden Staubabscheidern analog. Der Grenztropfendurchniesser kann hier sehr klein sein, und zwar bis zu 0,3 pm [3.11, 3.121. Dies ist nur durch Tiefenfiltration unter Ausnutzung der Brownschen Molekularbewegung moglich (vgl. Abschnitt 2.2.3). Die Filterabreinigung ist problematisch, manchmal aber mit einem Losungsmittel moglich. Flussigkeiten niedriger m i g k e i t oder Viskositat scheiden sich manchmal dadurch ab, daB feinste Tropfchen sich im Filtergewebe zu grofleren Einheiten zusammenschlieflen und dann ablaufen. Gelegentlich venvendet man wandernde Filtermatten, die andernorts mit bestimmtem Waschflussigkeiten regeneriert werden. Inwieweit das im konkreten Anwendungsfall moglich und sinnvoll ist, kann in der Regel riur durch einen Versuch entschieden werden. In einigen Fallen ist es wirtschaftlich, durch Tiefiiihlen mit flussigem Stickstoff die Kondensation von Diimpfen zu erzwingen. Kiihler und Abscheider konnen in einem einzigen Apparat zusammengefaflt sein, wobei fur den Warmeaustausch wandernde Stahlkugeln eingesetzt werden [3.13 - 3.141.

3.3 Literatur f3.11

VDI-Richtlinie 2264 (Entwurf): Ejetrieb und lnstandhaltung von Abscheideanlagen (Abscheidung von festen und flussigen Luftverunreinigungen), VDVDIN-Handbuch Reinhaltung der Luft

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[3.10]

Vereinigte Fullkorper-Fabriken: Fiillkorper-Software Version 5 .O. Ransbach-Baurnbach: Diskette (Demoversion)

p.1I]

Firma Lufttechnik Bayreuth: Ruskiimp Aerosol-Abscheider. Bayreuth: Firmenschrift

72

3 Abscheidung von Fliissigkeiten .

.

_ _-

- -~

-

__ - _ _

__

[ 3 .I ? ]

Firma Lufttechnik Bayreuth: Abscheidung von Phosphorpentoxid.Bayreuth: Firmenschrift

[;.I31

Herzog, F.. Schulte, M.: Abluftreinigung durch Kryokondensation. Umwelt Heft 112, 1998

I3.141

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~

4

Abscheidung gasformiger Schadstoffe

4.1

Absorption

Gase konnen durch Waschen nicht nur von Stauben gereinigt werden (vgl. Abschnitt 2.2.5), sondern auch von gas- oder dampffdrmigen Chemikalien und Schadstoffen. Diese Art der Guswasche, das Auflijsen eines Gases in einer Waschflussigkeit, heiRt Absorption und ist in mancherlei Hinsicht dem Auflosen eines Feststoffes wie Zucker in Tee oder Kaffee vergleichbar [4.1 - 4.51. An einer Absorption sind mindestens drei Stoffe beteiligt: - Tragergas (Beispiel: Luft) - Waschflussigkeit (Beispiel: Wasser) - zu absorbierende Gaskomponente (Beispiel: Kohlendioxid, C02) Dabei kann sowohl das Gas als auch die Waschflussigkeit die disperse Phase sein. Es ist also sowohl moglich, das Gas durch eine Flussigkeitsschicht, in Blasen dispergiert, hindurchperlen zu lassen, als auch, die Flussigkeit in irgendeiner geeigneten Form in das Gas hineinzuspruhen. Auch Ubergangsformen sind moglich. Die Absorption kann auch zum Trennen mehrerer Gaskomponenten dienen, da die Loslichkeiten der einzelnen Bestandteile oft recht unterschiedlich sind, ausgewahlte Waschfliissigkeiten also selektiv wirken konnen. In Abhhgigkeit von der Bindung der Gaskomponenten an die Flussigkeit unterscheidet man zwischen physikalischer und chemischer Absorption. Bei der physikalischen Absorption sind zwischenmolekulare Krafte fiir die Bindung an die Waschflussigkeit verantwortlich (Beispiel: Sauerstoff, 02, in Wasser, H20). Bei der chemischen Absorption erfolgt eine chemische Reaktion. Kohlendioxid, C02, wird zum Beispiel in wassriger Natriumhydroxid-Losung, Natronlauge, zu Natriumcarbonat, Na2CO3, umgesetzt. Vielfach spricht man auch von der Chemisorption. Dieser Begriff sollte aber nicht benutzt werden, da er leicht mit dem Begriff chemische Adsorption (siehe Abschnitt 4.2) venvechselt werden kann, mit welcher die direkte Umsetzung eines Gasbestandteils niit einem eingedusten festen Reaktionspartner bezeichnet wird [4.6]. Die physikalische Absorption ist immer reversibel. Kalte und hoher Druck begunstigen die Absorption. W5me und Druckabsenkung fdrdern die Freisetzung des absorbierten Stoffes, die Desorption. (Beispiel: Beim Offnen einer Mineralwasserflasche entweicht das unter Druck stehende, geloste C02.) Die chemische Absorption kann, md3 aber nicht reversibel sein.

74

4 Abscheidung gasfdrmiger Schadstoffe

Abbildung 4- 1 (nach Schmidt, K. G., Universitiit-GH Duisburg) zeigt eine Absorptionsanlage gekoppelt rnit einem Desorber zum Regenerieren des Waschmittels. Der Desorber arbeitet im dargestellten Fall aus obengenanntern Grund rnit hoherer Ternperatur als der Absorber. Ein Wiinneaustauscher sorgt fur die optirnale Energiebilanz der Gesamtanlage.

gereinigte Ablufi mit Restbeladung unter dern vorschriftsmaOigen Grenzwerl

beladenes Gas Waschflussigkeit

I Absorber

f

D sorber

I

eventl. chernische Konditionierung schadstoffbeladene Abluft

Purnpe aufbereitete Waschflussigkeit Warmetauscher

Abb. 4-1: Schematisierter Trenn- und Anreicherungsprozefi mit Absorber und Desorber Die Ab- und Desorption kann in Waschtiirmen oder Kolonnen (Boden-, Fullkorper-, Pak-

kungskolonnen) durchgefuhrt werden. Zum Berechnen und Auslegen von Stoffaustauschapparaten im allgemeinen und Absorbem im besonderen sind von grundlegender Bedeutung: 1. Massen-, Energie- und Stoff-Bilanzen 2. Gleichgewichtsbeziehung 3. Geschwindigkeitsgesetz

4.1 Absorption

75

Bilanzen gelten immer und uberall - auch aul3erhalb der Verfahrenstechnik - und mussen widerspruchsfrei sein. Ihre Grundaussage ist so selbstverstandlich wie weitreichend: alles, was einem Apparat zugefiht wird, muI3 ihn - wenn auch in gewandelter Form - wieder verlassen, es sei denn, er hat eine gewisse Speicherkapazitat. Dann mull der Inhalt mit der Differenz aus zu- und abgefihrtem Strom steigen oder fallen. Besonders wichtig sind in der Verfahrens- und Umwelttechnik Massen-, Energie- und Stoffbilanzen. Auch Kapital 1aRt sich verfahrenstechnisch bilanzieren [4.7]! Bilanzen gelten fiir komplette Anlagen, Apparate, Teilapparate und f i r infinitesimal kleine Ausschnitte. Gleichgewichtsbeziehungen beschreiben den Zustand eines Systems, bei dem sich Wirkung und Gegenwirkung aufheben - “das System sich also im Gleichgewicht befindet”. Bei der Absorption wird mit Gleichgewichtsbeziehungen beschrieben, wie ein bestimmter Stoff (im Gleichgewicht) zwischen Gasgemisch und Waschflussigkeit verteilt vorliegt. (Anmerkung: Erst der Vergleich der Daten des Ungleichgewichts mit denen des Gleichgewichts lal3t die Richtung des Prozesses erkenen.) Im folgenden wird als Beispiel fur eine Gleichgewichtsbeziehung das Henry-Gesetz vorgestellt. Das Gleichgewicht stellt sich je nach Anordnung oder Konstruktion des Apparates und der zur Verfiigung stehenden Zeit f i r den Stoffibergang entweder gar nicht oder nur zum Teil ein. Man benotigt deswegen noch ein Geschwindigkeitsgesetz, das sowohl von StoffgroI3en als auch von Aufbau und Fahrweise des Apparates abhiingt. Gleichgewichtsbeziehungenstellt man als mathematische Gleichungen und in Diagrammform dar. Die Zusammenhinge sind in Wirklichkeit oft kompliziert und hangen von diversen Parametem ab, die durch die Strukturen der Molekiile und deren Wechselbeziehungen untereinander gegeben sind. In vielen Fallen reichen aber mit hinreichender Genauigkeit sehr einfache Gleichungen aus, die diese Einfliisse vemachlassigen. Gemische, die diesen einfachen Beziehungen exakt genugen, heinen ideal. Sie existieren nur in der Theorie. Fur ideale Gemische zweier miteinander gemischter D b p f e wird das Gleichgewicht zwischen Gas- und Flussigphase durch das Raoultsche Gesetz beschrieben:

P -= x . ‘PO. ,I 1

1

(4-1)

Dabei bedeuten: pI

Partialdruck des Stoffes i in der Gasphase, also der Druck, der sich einstellen wiirde, wenn nur der Stoff i im Gas anwesend wLe

76 -

__

.

-

x,

PO,,(T)

--

-

-_ _ _ _

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe _.__

Stoffmengenanteil des Stoffes i in der Flussigkeit. x, = n, / nges n, Stoffmenge i nges Gesamtstoffmenge Dampfdruck des Stoffes i bei der Temperatur T pol steigt mit der Temperatur steil an (siehe uuch Clausius-

Clapeyron-Gleichung und Antoine-Gleichung, abgedruckt in praktisch allen Lehrbuchem der physikalischen Chemie und ent-

sprechenden Tabellenwerken) Nach dem Dulfonschen Gesetz ist der Gesamtdruck, p , einer Gasmischung gleich der Summe der Partialdriicke, wobei diese den Stoffmengenanteilen, y,, in der Gasphase proportional sind (Definition analog zu x,):

Aus Gleichung (4-1) und (4-2) folgt:

Fur konstante Temperatur und konstanten Gesamtdruck ist somit yl proportional zu x,, und man erhalt eine Gerade als Gleichgewichtslinie. Aus verschiedenen Griinden, die auf die jeweiligen Molekulstrukturen zuriickzufuhren sind, existieren ideale Verhaltnisse in der Natur, wenn uberhaupt, nur naherungsweise. Bei realen Losungen wird deshalb die Abweichung vom idealen Verhalten durch einen Aktivitatskoefizienten, y ,, berucksichtigt.

(4-4)

Der Aktivitatskoeffizient ist im allgemeinen eine Funktion der Konzentration und der Temperatur. Da bei Waschprozessen zumeist niedrige Konzentrationen an gelosten Stoffen vorliegen, kann das System als ideal verdiinnte Losung angesehen werden, deren Aktivitatskoeffizient nur eine Funktion der Temperatur ist. Man schreibt dann mit dem stoffpaarungsspezifischen, ansonsten nur noch temperaturabhiingigen Henry-Koeffizienten H I = y1 . po,,:

4.1 Absorption

77

Yl

Hi (0 = p . Xl

(4-5)

Diese Gleichung beschreibt das Henry-Gesetz. Das Henry- und das Raoulr-Gesetz sind Grenzgesetze. Das reale Verhalten wird bei gronen Stoffmengenanteilen durch das Rauoltund bei kleinen durch das Henry-Gesetz beschrieben. Letzteres gibt fiir die jeweils zugrunde gelegte Temperatur das Losungs- oder Absorptionsgleichgewicht zwischen den beteiligten Stoffen an. Henry-Koeffizienten sind in verschiedenen Nachschlagewerken tabelliert [4.8]. Einige besonders wichtige Henry-Koeffizienten sind in Abbildung 4-2 graphisch dargestellt. Selbstverstiindlichsind sie auch in EDV-Programmen zur Auslegung von Stoffaustauschapparaten integriert. Oft sind sie allerdings f i r den Anwender nicht direkt sichtbar, sondern in den Berechnungs-Algorithmen 14.9 - 4.131 implementiert. In der Regel erlauben die betreffenden Programme auch hydraulische Berechnungen. Haufig findet man in der Literatur [4.14 - 4.171 bei der Darstellung der Loslichkeit verschiedener Gase in einer Fliissigkeit den Bunsenschen Absorptionskoeffizienten, a I . Er gibt das Normvolumen, das Volumen des gelosten Gases, umgerechnet auf 0 OC an, welches von einer Volumeneinheit der Fliissigkeit aufgenommen werden kann, wenn der Partialdruck dem Umgebungsdruck 1 bar entspricht. In einigen Literaturquellen wird nicht auf das Volumen der Fliissigkeit, sondem auf die Masse bezogen. Der Bunsensche Absorptionskoeffizient und der Henry-Koeffizient lassen sich folgendermal3en ineinander umrechnen: Der Bunsensche Absorptionskoeffzient ist definiert:

a

'

=-G,

PI

(4-7)

Dabei bedeuten:

al GI

p,

Bunserischer Absorptionskoeffizient in m3/(rn3. atm) (1 atm = 0,1013 MPa) Zahl der gelosten Kubikmeter im Normzustand Gas i pro Kubikmeter Fliissigkeit in m3/m3(Ein Kubikmeter im Normzustand entspricht einer Stoffmenge von 44,6 mol; siehe auch Abschnitt 1.2) Partialdruck der Komponente i in atm (vergleichbar 0,l kPa)

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

78

_ ~ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

- -_____._

~

2000 1000 500 L

(u

a

-

.-(I C

200

a, ._ N

%0

100

y

h

k a,

50

I

20 10

5

2

0

10

20

30

40

50

Temperatur 8 in "C

Abb. 4-2: Loslichkeit verschiedener Gase in Wasser, Bezugsdruck 1bar, nach [4.2]

79

4.1 Absorption Daraus folgt mit G i= ci. Vm: ci

m3

4

kmOl

a; = --.22,42-

(4-8)

Dabei bedeuten: c,

Stoffinengenkonzentration des Stoffes i in der wasserigen Phase

V,,,

in k m o ~ / m ~ Volurnen der Stoffmenge 1 mol eines Gases unter Normalbedingungen

Die Definition des Henry-Koeffizienten lautet nach Gleichung (4-6):

H . =-Pi ’ xi

(4-9)

Beide Koeffizienten sind also offensichtlich einander gegenlaufig. Im Fall von Wasser als Losungsmittel entspricht 1 m3 55,56 kmol Wasser. Daraus folgt: c. =

55,56 kmol -_ x,

m3

(4- 10)

Die Umrechnungsgleichung lautet somit fir das Losungsmittel Wasser: 1

Hi= 1 2 4 6 . l - km01

(4-1 1)

“i

oder:

1

a, =--1246kmol Hi

(4- 12)

Es ist auch ein konzentrationsbezogener Henry-Koeffizient (4-13)

definiert.

80

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

-

-

.-

____

~~

Fur Wasser als Lbsungsmittel gilt:

(4- 14)

H ,I

= 22,42

~

m3 I .kmol a ,

(4- 15 )

Geht das Losungsmittel oder, was dasselbe ist, die Waschfliissigkeit rnit der aus dem Gasgemisch absorbierten Komponente eine chemische Bindung ein, so spricht man von chernischer Absorption. Das Phasengleichgewicht wird durch das chemische Gleichgewicht mafigeblich beeinflufit. Geschlossene Systeme mit chemischer Absorption zeigen eine deutliche Partialdruckabsenkung, da der fliichtige Stoff durch eine Reaktion in einen nichtfliichtigen Stoff umgesetzt wird. Entsprechend wird die Kapazitat des Losungsmittels drastisch gesteigert. Die Gleichgewichtsbeziehung zwischen Gas- und Flussigkeitsbeladung ist deutlich nichtlinear. Beispiel: Absorption von C02 in waiariger K2C03-Losung: COz+H2O+K2C03 t)2 KHC03

(4- 16)

Das Massenwirkungsgesetz lautet mit der molaren Konzentration, c,:

K=

c 2(KHCO 3 )

c ( C 0 , ) .c(H,O) . c ( K * C o , )

(4-1 7)

K ist die Gleichgewichtskonstante, die nur von der Temperatur abhangt, und gibt an, in welchem Verhaltnis zueinander die Konzentrationen der beteiligten Stoffe stehen, nachdem die Stoffaustauschvorgange abgeschlossen sind. Nach Henry (4-6) gilt: (4- 18)

4.1 Absorption

81

Daraus folgt: c'( KHCO,)

-.=( K2C03)

"02

(4-19)

Je nach Wert der Gleichgewichtskonstanten wird sich der Partialdruck in der Gasphase einstellen. In allen Fallen wird durch die chemische Reaktion die Menge des von der Flussigkeit aufgenommenen Gases erhoht. Der Ubergang vom rein physikalischen Stoffibergang zur chemischen Reaktion ist flieBend. Zum Beispiel ist die Absorption von Kohlendioxid in Wasser physikalisch dominiert, obwohl sich in geringem MaBe durch eine chemische Reaktion Kohlensaure, H2C03, bildet. Das Phasengleichgewicht wird ublicherweise als Diagramm dargestellt. Dabei werden fur den zu absorbierenden Stoff in jeder der beiden Phasen entweder die Stoffmengen- oder die Massenanteile, die entsprechenden Konzentrationen oder die Beladungen dargestellt. In der Gasphase kommt als Alternative der Partialdruck hinzu. Wenn man davon ausgehen darf, d& Waschmiffel-und Tragergusstrom nicht ineinander loslich sind und kein Waschmittel bei der Absorption verdunstet - eine oft zulassige vereinfachende Annahme -, dann ist die Arbeit mit dem Beladungsdiagramm am bequemsten. Auch werden die Bilanzgleichungen dam besonders ubersichtlich (Abb. 4-3 und 4-6). Der Einfachheit halber vertauscht man die Stoffmengenanteile x und y in kmol Schadstoff pro kmol Mischung mit den Beladungen X und Y in kmol pro kmol Tragerstoff. Das ist streng genommen ein Fehler, da die GroRen nicht nur nicht identisch sind, sondern nichtlinear voneinander abhangen. Die Umrechnungsgleichungen lauten: (4-20), (4-21)

Y y=- Y i+Y' 1 -Y

y=-.

(4-22), (4-23)

Wie man aber schnell erkennt, ist diese Ungenauigkeit bei den in der Praxis zumeist vorherrschenden Stoffmengenanteilen fur den zu absorbierenden Stoff von deutlich unter 5 % bedeutungslos. Die Absorption ist ein exothermer Vorgang. Die freigesetzte W h n e wird Absorptionswarme, bei konstantem Druck auch Absorptionsenthalpie genannt. Sie ist vom Stoffsystem, der Temperatur und der Konzentration des gelosten Stoffes im Waschmittel abhfingig. Fur ideale Gemische entspricht die Absorptionsenthalpie der Kondensationsenthalpie bei Absorp-

82

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

I X

Abb. 4-3: Gleichstromwasche, Beladungsdiagramm tionsbedingungen. Bei realen Gemischen ist zusatzlich die Mischungsenthalpie zu beriicksichtigen. Bei der chemischen Absorption entspricht die Absorptionsenthalpie der Reaktionsenthalpie. Der Anteil der Losungswarme ist im Vergleich dazu vernachlassigbar.

4.1.1

Gaswascherbauarten und ihre Berechnung

Die Gleichstromahsorption wird in Strahl- oder Spriihwaschern oder Filmabsorbern durchgefuhrt. Das Gleichstromprinzip ist d a m einsetzbar, wenn die Waschflussigkeit eine hohe Aufnahmekapazitat aufweist und geringe Phasenverweilzeiten ausreichen. Das gilt in der Regel

fur chemische Waschen. Im kontinuierlichen, stationaren Betrieb sind die Gesamtstrome aus Tragersubstanz und zu absorbierender Komponente konstant und andern sich uber die Hohe des Apparates nicht. Im Beladungsdiagramm ist die Gleichstromwasche fur den Fall dargestellt, dal3 Tragergas und Waschflussigkeit nicht ineinander loslich sind und die Waschflussigkeit nicht spurbar verdunstet oder verdampft (Abb. 4-3).

4.1 Absorption

83

Man formuliert fir den Flussigkeitsstrom L : .

.

L = Lein = Laus= const.

(4-24)

Fur den Gasstrom gilt entsprechend:

G = Gein= G,,, = const.

(4-25)

Dabei ist es im Prinzip gleichgultig, ob Massen- oder Stoffmengenstrome gemeint sind. Im folgenden wird diese Schreibweise allerdings ausschliefllich f i r Stoffmengenstrome benutzt. Fur den Strom der zu absorbierenden Komponente gilt in jedem Absorberquerschnitt: (4-26)

X,und Y, sind hier keine Konzentrationen, sondem Beladungen der Tragerstrome mit der zu absorbierenden Schadstoffkomponente. Ni,langsist der gesamte Schadstoffstrom, der in Llingsrichtung durch den Apparat transportiert wird unabhangig davon, in welcher der beiden Phasen er sich ubenviegend befindet. Er ist natiirlich uber die Hohe des Apparates konstant. Daher folgt aus Gleichung (4-26) fur jeden Querschnitt des Apparates

(4-27)

Dies ist die Gleichung einer Bilanzgeraden. Sofern die Stoffaustauschgeschwindigkeit extrem groR oder der Apparat sehr hoch ist, gilt naherungsweise

Y,,, steht im Gleichgewicht zu X,,, Sofem sich das System ideal verhalt, demzufolge das Henry-Gesetz gilt und auch keine chemische Reaktion vorliegt, bedeutet das yaus =-Hi . Xaus

P

(4-28)

84

4 Abscheidung gasfdrmiger Schadstoffe

(Es sei ausdriicklich darauf hingewiesen, daB diese Gleichung nicht identisch ist mit Gleichung (4-5). Hier wird mit Beladungen gerechnet, dort mit Konzentrationen. Der Zusammenhang ist nichtlinear. Wie bereits erlautert, ist der Unterschied im Regelfall aber zu vernachlassigen.) Aus (4-27) und (4-28) folgt:

Mull aufgrund gegebener Grenzwerte Y,,, niedriger sein, als obiger Gleichung entspricht, dann bietet sich die Gegensfromfuhrweise mit mehreren Trennstufen an. Da in der verfahrenstechnischen Industrie Bodenkolonnen fir die vielstufige Destillation, die Rektifikarion vertraut und bewahrt sind, werden sie auch f i r die absorptive Abluftreinigung gerne eingesetzt, auch wenn ihr gasseitiger Druckverlust hoher ist als in Fullkorperoder Puckungskolonnen gleicher Leistung. Die Boden haben die Aufgabe, das von unten aufsteigende Gas und die herabfliefiende Flussigkeit in Phasenkontakt zu bringen. Dabei geht die zu absorbierende Komponente der Gasphase in die flussige Phase uber. Die Beladung der Gasphase nimmt von Y,,, auf Y,,, ab auf X,,,zu. und die Beladung der Flussigkeit von X,,, Auf jedem Boden findet ein intensiver, direkter W-e-

und Stoffiransport statt (Abb. 4-4

nach [4.1]). Im Idealfall stellt sich das Losungsgleichgewicht ein. Der Boden arbeitet dann als theoretische Trennstufe. Die Gleichgewichtslinie, die zu jeder Flussigkeitsbeladung die dazu im Gleichgewicht stehende Gasbeladung wiedergibt, wird, sofern das Henry-Gesetz gilt, durch Gleichung (4-5) beschrieben, ansonsten durch das nichtlineare Losungsgleichgewicht. Aus einer Bilanz um den Kolonnenkopf (Abb. 4-5) ergibt sich die Gleichung der Bilanzlinie (Arbeitslinie):

Y = T. G L x + ( Y,,

L

-

-. G &in)

(4-30)

Die Steigung der Bilanzgeraden ist gegeben durch das Verhaltnis von Waschmittel- zu Tragergasstrom. Mit Hilfe der Bilanzgeraden und der Gleichgewichtslinie kann nun mittels Stu-

85

4.1 Absorption

G

I

I

I

I

I

t-t-I

I

! G

Abb. 4-4: Schema eines arbeitenden Glockenbodens

---.

-i.

X,,",

Abb. 4-5: Bilanzierung der Gegenstromabsorption in einer KOlOMe fenkonstruktion die Zahl der theoretischen Trennstufen bestimmt werden (Abb. 4-6). Der Endpunkt unten links auf der Bilanzgeraden beschreibt den Zustand im Kopf der KOlOMe. Das Gas mit der Beladung Yaus begegnet der Flussigkeit mit der Beladung &in. Beide Strome

86

4 Abscheidung gasfdrmiger Schadstoffe

I I

I

I

I

I

I

Abb. 4-6: Bestimmung der Anzahl theoretischer Trennstufen im Beladungsdiagramm. Im Fall der Desorption liegt die Bilanzgerade unterhalb der Gelichgewichtslinie stehen im Regelfall nicht im Gleichgewicht zueinander. Geht man von diesem Punkt waagerecht nach rechts bis zur Gleichgewichtslinie, d a m findet man den Zustand, in dem sich die beiden Phasen theoretisch beim Verlassen des obersten Bodens befinden, nachdem sie intensiv miteinander gemischt worden sind. Das hier aufsteigende Gas hat bereits die Beladung Yaus, und die vom obersten Boden herabflieBende Fliissigkeit eine Beladung, die hierzu im Gleichgewicht steht. Geht man von diesem. zweiten Punkt senkrecht nach oben bis auf die Bilanzlinie, d a m findet man die Beladung des Gasstroms, der sich von unten dem obersten Boden nahert. Sinngemd3 kann man so eine Treppe konstruieren, bis die gewiinschten Beladungen erreicht werden, und die Zahl der Stufen ist mit der der theoretischen Trennstufen identisch. Dieses Verfahren ist fir die Absorption anwendbar, aber auch fiir die Desorption. In diesem Fall mul3 aber die Bilanzgerade unterhalb der Gleichgewichtslinie liegen.

4.1 Absorption

87

Je nachdem, ob man mit der Konstruktion rechts oben oder links unten beginnt, endet die letzte gegenuberliegende Stufe nicht ex& auf dem gewiinschten Wert. Die erforderliche theoretische Trennstufenzahl ist nur in seltenen, zufallsbedingten Ausnahmefallen eine natiirliche game Zahl. Falls sich Bilanz- und Gleichgewichtslinie irgendwo beriihren, wird die Stufenzahl unendlich groB. Fur diesen - nur theoretisch moglichen - Fall kann der sogenannte Mindestwuschmittelsfrom bilanzmaig bestimmt werden. Der praktisch gewiihlte Strom sollte etwa um den Faktor 1,l bis 1,6 dariiber liegen. Wenn die Zahl der theoretischen Stufen bekannt ist, muB uber den Bodenwirkungsgrud die tatsachlich erforderliche Zahl der Boden errechnet werden. Streng genommen ist jener nicht nur durch die Konstruktion gegeben, sondem hangt auch von den Massenstromen beider Phasen bezogen auf den Kolonnenquerschnitt ab. Auch tindert er sich uber die Hohe der Kolonne. In Rektifikationskolonnen kann man in der Regel von einem relativ hohen Wirkungsgrad ausgehen, der nur unwesentlich von der Zusammensetzung der Stoffstrome abhhgt. In Absorptionskolonnen aber, insbesondere wenn keine chemischen Prozesse uberlagert sind, ist er im ganzen niedriger und h a g t sehr empfindlich von den beteiligten Stoffen und Gemischen ab. Als Richtwerte seien genannt: Kohlendioxid, C02, in Wasser 0,Ol bis 0,05, Ammoniak, NH3, in Wasser 0,3 bis 0,7. Als tatsachliche Bodenzahl wird mindestens die kleinste naturliche Zahl gewahlt, die grol3er ist als das Verhaltnis aus theoretischer Stufenzahl und Bodenwirkungsgrad. Analog zur Rektifikation kann man die Absorption auch in Fullkorper- oder Packungskolonnen durchfihren. Erstere sind mit einer regellosen Schuttung aus Korpem gefullt, die ringoder sattelformig sein konnen, mruichmal auch eine ausgesprochen komplexe Geometrie haben (Abb. 4-7). Angestrebt wird eine groBe volumenspezifische Oberflache, damit bei vollstiindiger Benetzung eine entsprechende Austauschflache zur Verfbgung steht. Gleichzeitig sol1 aus Energiespargriinden der gasseitige Druckverlust niedrig gehalten werden. (Eine detaillierte Auflistung findet sich bei Sattler [4.2].) Die Anordnung der Fullkorper im Detail ist zufallig. Der Druckverlust ist nicht optimal, und wenn die Fullkorper gron sind im Vergleich zum Kolonnendurchmesser (besonders spiirbar etwa ab einem Zehntel des KolonnenInnendurchmessers), bilden sich in der Nahe der Kolonnen-Innenwand besonders groBe Hohlraume, und es kommt zu Kurzschluhtromungen infolge der Randgungigkeit. Wichtig fLir die einwandfreie Funktion von Fiillkorperkolonnen ist die gleichmaBige Verteilung von Gas und Flussigkeit auf entsprechenden Verteilerboden. Packungen unterscheiden sich von Fullkorpern durch ihre streng regelmanige Struktur (Abb. 4-8) [4.19,4.20]. Auch sie setzen eine gleichmahge Verteilung der Strome voraus.

88

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

_____~

-

_ _

_ _ ~ -

.--.

Abb. 4-7: KolonnenfUllkorper, etwa OriginalgroRe, mit freundlicher Genehmigung der Firma VEREINIGTE FULLKORPERFABRIKEN [4.18]

Abb. 4-8: Kolonnenpackung, mit freundlicher Genehmigung der Firma SULZER [4.19] Fiillkorpern und Packungen gemeinsam ist die Flexibilitat beziiglich der Werkstoffwahl. Neben verschiedenen Metallen sind Kunststoffe, Graphit und Keramik moglich. Mit entsprechendem finanziellem Aufwand findet man praktisch immer einen chemisch bestandigen Werkstoff. Zur Ermittlung der Kolonnenhohe, eigentlich nur der Hohe der Schiittung oder Packung, existieren zwei Wege: - Die Kolonne wird wie eine Bodenkolonne behandelt, und nach Ermittlung der Anzahl der

theoretischen Stufen wird diese Zahl mit der unter betriebsnahen Bedingungen ermittelten Hohe einer theoretischen Stufe (HETS, height equivalent to a theoretical stage) multipli-

4.1 Absorption

89 __.__

ziert. Die Hersteller der Fiillkoiper oder Packungen geben die entsprechenden Daten vielfach an oder nennen eine Trennstufenzahl je Meter. -

Es wird ein Stoffibergangsmodell verwendet, in dem die Kolonne als echte Packungskolonne behandelt wird. Dieses Model1 sol1 im folgenden behandelt werden. Im wesentlichen bewahrt hat sich die - nicht exakt geltende - ZweiJilmtheorie [4.1] (Abb. 4-9), die von folgenden Annahmen ausgeht: - Innerhalb der Gasphase ist die Durchmischung aufgrund von Konvektionsvorgagen quer zur Stromungsrichtung vollsthdig und ideal. Analoges gilt fiir die Flussigphase.

- An der Beriihrungsflache zwischen Flussigkeit und Gas existiert beidseits je eine dunne Grenzschicht, in der ausschliefllich Diffusion nach dem ersten Fickschen Gesetz stattfindet. - Unmittelbar an der Grenze stellt sich wegen fehlender Widerstiinde spontan das Gleichgewicht ein. Fur den ubertragenen Stoffstrom gilt nach dem 1. Fickschen Gesetz in den Grenzschichten gasseitig: (4-3 1)

und fliissigkeitsseitig (4-32)

Dabei bedeuten:

Ni

pro Zeiteinheit iibertragene Schadstoffmenge in Kmol/h

A

Austauschflache in m2 gasseitiger Diffusionskoeffizient in kmol/(m . h) fliissigkeitsseitiger Diffusionskoeffizient in kmol/(m . h) gasseitige Grenzschichtdicke in m flussigkeitsseitige Grenzschichtdicke in m

Dc,. I DL,I 6, 6,

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

90 ~

~~

.... _ _ _ . ~ _ _ _ _ _

~

Gasbeladung in krnol/kmol

Flussigkeitsbeladung in krnol/krnol

Abb. 4-9: Model1 des Stoffaustauschs nach der Zweifilmtheorie Mit den Annahmen der Zweifilmtheorie wird daraus:

(4-33)

oder

(4-34)

mit

(4-35)

und analog

(4-36)

91

4.1 Absorption

oder

mit

(4-37) DL, FI

PL. i =

(4-38)

PG,;und PL,i heinen gasseitiger bzw. fliissigkeitsseitiger Stoffiergangskoeff7zienl. Y, und Xi sind die Gas- bzw. Flussigkeitsbeladung, die man in einer bestimmten Kolonnenhohe miRt - mit Ausnahme der dunnen Grenzschichten. YG,; und XG,; sind die Beladungen, die unmittelbar an der Beruhrungsflache zwischen Gas und Flussigkeit auftreten. Sie sind meRtechnisch nicht ohne weiteres zu erfassen. Nach der Zweifilmtheorie stellt sich nur deshalb das Gleichgewicht nicht spontan ein, weil die Diffusion eine gewisse Zeit benotigt. Da unmittelbar an der Grenze aber dieses Hindernis entfallt, ist hier das Gleichgewicht im stationiiren Fall immer gegeben. Allgemein schreibt man f i r das Gleichgewicht:

Y, = m.X,

(4-39)

Falls dabei das Henrysche Gesetz unmittelbar anwendbar ist, gilt:

(4-40)

(4-34), (4-37) und (4-40) werden unter Umgehung der GroBen XG, i und YG,; zusammengefdt

zu:

(4-4 1 )

KG.

I

(Es handelt sich um ein System aus drei Gleichungen mit drei Unbekannten. Eine ist der gesuchte Stoffstrom, die anderen beiden sind die Beladungen an der Phasengrenze.)

92

__

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe ~

- -

~

~

___-

KG,, heil3t gasseitiger Stoffdurchgangskoeffizient. Y,* ist die Gasbeladung, die in einem bestimmten Querschnitt des Apparates mit der dortigen Flussigkeitsbeladung im Gleichgewicht stehen wiirde. Analog zu Gleichung (4-41) formuliert man auch: (4-42) Die Zweifilmtheorie ist ubrigens ein Modell, das sich zwar bewahrt hat, die tatsachlichen Verhaltnisse anscheinend aber nicht korrekt beschreibt. Realistischer ist das Turbulenztheorem [4.1,4.2]. Nach diesen Vorstellungen wird die Annahme von laminaren Schichten an der

Grenzflache, wie man sie beispielsweise bei der Stromung Iangs eines Festkorpers findet, fallengelassen und damit festgesetzt, dal3 die Turbulenz sich bis an die Grenzflache ausbreiten mull Durch diese Turbulenzeinflusse gelangen fortwahrend frische Gas- und Fliissigkeitsteilchen an die Grenzflache, welche damit einer kontinuierlichen Erneuerung unterworfen ist. Der stationiire Konzentrationsverlauf (siehe Abb. 4-9) kann sich nach dieser Vorstellung nicht mehr ausbilden, sondern die instation;iren Anlaufvorgange beschreiben den Austauschvorgang [4.1]. Da die Beladungen X,und Y, sich uber die Hohe des Apparates erheblich andern mussen, wenn die Absorption zufriedenstellend funktionieren soll, ist es sinnvoll, anstelle der Austauschflache A in Gleichung (4-41) eine infinitesimal kleine Flache dA einzusetzen und zu integrieren.

(4-43)

Der pro Flacheneinheit ubertragene Stoffstrom heil3t ri, .

N , = jri, ' d A

(4-44)

A

Fur Fullkorper- und Packungskolonnen kann man gut die Austauschflache gleich dem Integral uber alle Fullkorper- oder Packungsoberflachen setzen. Man darf von vollstandiger Benetzung der Einbauten ausgehen. Fur jede Fullung ist also der Zusammenhang zwischen Austauschfla-

4.1 Absorption

93

che und Volumen sehr einfach bestimmbar oder ohnehin vom Lieferanten der Fullkorper oder der Packung angegeben. Es gilt:

dA

= dh.a..f

(4-45)

Dabei bedeuten: h a f

hohe der Packung in m ihre spezifische innere Oberflache in m2 pro m3 Packungs- oder Fullkorperschuttungs-Volumen Koloimenquerschnittsflache in m2

Aus der Bilanz uber einen infinitesimalen Abschnitt der Kolonne (Abb. 4- 10) folgt: (4-46) mit

2 . . . y) . dh

G . K(h + dh) = G . I: (h) + -(G dh

(4-47)

und (4-48) Daraus folgt: (4-49)

L

dh

f

-1 I

_.A

-

nd ;A

Abb. 4-10: Stoffbilanz uber ein infinitisemal hohes Segment der Kolonne

94 -

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe -~

~

~

__

~

Nach (4-41) und (4-44) gilt n~= ' G .

I

'(x x *)

(4-50)

-

Somit folgt:

(4-5 1 )

h=

HTU

NTU

(4-52)

HTU (height o f a fransfer unit) bedeutet Hohe einer Ubergangseinheit und ist vergleichbar mit der Hohe einer Trennstufe. Die HTU-Werte werden am besten unter moglichst betriebsnahen Bedingungen experimentell ermittelt. In der Regel sind Informationen uber die Gronenordnung dieser Werte von den Packungs- oder Fullkorperherstellern [4.10] zu erhalten. Fur bestimrnte Anwendungsfalle liefem sie konkrete Zahlenwerte oder Diagramme (Abb. 4-1 1) zur Bestimmung der HTU-Werte. Einige Richtwerte fur mittlere HTU-Werte: - Wassenvasche zur Entfernung von COz bei 25 bar Absorption von NH3 in Wasser bei 1 bar ~

-

Absorption von Aceton in Wasser bei 1 bar

1 bis 2 rn 0,2 bis 1 rn l m

Die Werte werden vom Stoffsystem, der Packungs- oder Fullkorperbeschaffenheit, der Gasund der Flussigkeitsbelastung beeinflat. HTU- Werte kann man im Prinzip auch errechnen, indem man Werte fur

PG und P,, uber

die Diffusionskoffizienten [4.14, 4.211 bestimmt. Dieser Weg ist aber deswegen schwierig und unsicher, da die nach Gleichung (4-35) und (4-38) erforderliche Grenzschichtdicke in der Regel nicht mit hinreichender Genauigkeit bestimmt werden kann. Sollte fur ein analoges Wiirmeubertragungsproblem die Dicke der Grenzschicht bekannt sein, d a m darf man nicht davon ausgehen, daR derselbe Wert auch fur die Stoffibertragung gilt [4.22]. Man kann auch die Stoffubergangskoeffizienten bestimmen, indem man folgendermaflen die Analogie zwischen Warme- und Stoffibertragung ausnutzt: Fur viele Probleme der Warmeubertragung

0,3

0,4

0,5

0,7

1,o

1,5

2.0

2,5

3,O

4.0

Luftgeschwindigkeit / Air velocity [ m / s ]

Abb. 4-1 1: Hohe einer Theoretischen Trennstufe als Funktion der Leerrohrgeschwindigkeit

fir ausgesuchte Fiillkorpertypen, mit freundiicher Genehmigung der Firma VEREINIGTE FULLKORPERFABRIKEN

96

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

sind halbempirische Gleichungen ermittelt worden, die mit dimensionslosen Kennzahlen arbeitcn und die Nusseltzahl als Funktion der Reynoldszahl und der Prandtlzahl darstellen. Man erhalt allgemein

Nu = f ( R e ,Pr)

Nusseltzahl

a.1 Nu=-A

Reynoldsza h I

Re=-

(4-53)

v . p.1

t7 Prandtlzahl

mit:

Pr=-

t7 ‘ C p

A

a

gesuchter Warmeubergangskoeffizient in W/(m2.s)

I

eine sinnvoll gewahlte charakteristische Liinge in m

A

(2.B. Fullkorperdurchmesser) Warmeleitfahigkeit des stromenden Mediums in W/(m.K)

1’

eine charakteristische Stromungsgeschwindigkeit in m/s

p

Dichte des stromenden Fluids in kg/rn3

7

dessen dynamische Zdigkeit in N/(m.s) dessen spezifische Warrnekapazitat (fur Gase: bei konstantem

cp

Druck) in kJ/(kgs) Wie die Gleichung (4-53) bei einer vorgegebenen Geometrie exakt lautet, kann man fur viele Anwendungsfalle der Literatur entnehmen [4.2 1, 4.231. Andemfalls ist eine Messung erforderlich. Bei allen Gasen, die in der Abluftreinigungstechnik vorkommen, hat die Prandtlzahl. die eine reine StoffgroBe ist, unabhangig von Druck und Temperatur ungefahr den Zalilenwert 1 und darf fast immer vemachlassigt werden. Unter der Vorraussetzung der Zweifilmtheorie ist die Lewissche Beziehung [4.1] erfullt, und fur die dimensionslosen GroBen, die den Stoffiubergang beschreiben, gilt derselbe mathematische Zusammenhang wie f i r die, welche die Berechnung des Warmeubergangs gestatten [4.1,4.2].

97

4.1 Absorption

Man erhalt vollig analog zu Gleichung (4-53) Sh = j ( R e ,Sc)

(4-54)

Dabei bedeuten

P.1

Sherwoodzahl

Sh=-

Schmidtzahl

sc = P .d

mit:

/3

D

t7

D

gesuchter StofRibergangskoeffizient in kmol/(m2.h) Diffusionskoeffizient in kmol/(m.h)

Meistens reicht es aus, nur den gasseitigen Stoffibergangskoeffizienten zu bestimmen, da der fliissigkeitsseitige Stoffiibergang in der Regel problemlos erfolgt und nicht geschwindigkeitsbestimmend ist. Um den Warmeubergang an Kuhlrippen zu ermitteln, haben Kriickels und Kottke den gegenteiligen Weg gewahlt und zunachst den StofEbergang gemessen [4.24,4.25]. Wenn man, auf welchem Weg auch immer, Stoffdurchgangskoeffizienten errechnet, sei dringend angeraten, sich nicht darauf zu verlassen, sondern das Ergebnis durch andere Untersuchungen zu untermauem. Noch schwieriger - und sinnvoll nur empirisch machbar - ist die Bestimmung des Stoffubergangs und der Grenzschichtdicken bei Spruhkolonnen. NTU (number of transfer units) ist die erforderliche Zahl der Ubergangseinheiten, entspricht also der Zahl der theoretischen Trennstufen. Wenn man das Integral in Gleichung (4-52) direkt losen mochte, muB man zunachst bestimmen, welche Flussigkeitsbeladung, XI, jeweils in einer bestimmten Hohe des Stoffaustauschapparates mit der dortigen Gasbeladung, Y,, zusammentriffi. Die Losung ist mit der Bilanzgeraden nach Abbildung 4-6 identisch. Die Gleichgewichtsbeziehung liefert aus XI sofort Y,*. Stellt man in einem Diagramm l/(Y, - Y,*) als Funktion von Y, in den Grenzen Yl, bis Yi, ,-in dar, dann entspricht das gesuchte Integral der Flache unter dem Graphen. Meistens ist es genau genug, wenn man mit dem mittleren treibenden Gefalle, Y,- Yl*,rechnet. Falls das lokale treibende Gefalle sich uber die Hohe des Stoffaustauschapparates erheblich iindert, ist, wie eine Bilanzrechnung unter Beriicksichtigung

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

98

des Fickschen Gesetzes zeigen wiirde, nicht das arithmetische, sondern das logarithmische Mittel einzusetzen. Es gilt:

(4-55)

Da die Absorption, insbesondere die chemische Absorption, ein exothermer ProzeB ist, kann der Apparat sich envarmen, so daB sich das Gleichgewicht auf die nicht gewollte Seite verschiebt. In einigen Fallen muB man das Absorptionsmittel kuhlen, notfalls durch Kuhlschlangen auf den Kolonnenboden. Die a b z u f ~ e n d e nWarmestrome ergeben sich aus der Energiebilanz. Auf die Absorption folgt in der Regel das Regenerieren des Waschmittels oder die Desorption in einem zweiten Apparat (vgl. Abb. 4-1). Folgende Varianten sind zu unterscheiden: - Thermischs Rcgcnerieren: Die absorbierte Komponente, das Absorptiv, wird bei erhohter Temperatur ausgetrieben. Dieses Verfahren geht haufig nahtlos in die Rektifikation uber oder ist durch eine Entspannungsstufe uberlagert. - Regenerieren ditrch Enlspannen -

Regenerieren durch Strippen: Durch Einblasen eines inerten Gases oder von Wasserdampf in das Waschmittel wird die absorbierte Komponente ausgetrieben. Das Strippen mit Wasserdanipf ist mit der Rektifikation in einer reinen Abtriebskolonne vergleichbar, wenn Wasser der Schwersieder ist.

Cheniisches Regenerieren: Es wird eine chemische Verbindung zwischen dem Absorptiv und einem Hilfsstoff gebildet, die in der Waschflussigkeit nicht loslich ist und ausfallt. Ein Sonderfall, der allerdings sowohl in der Lebensmittel- als auch in der Umwelttechnik ger-

~

ne angewendet wird, ist die Spruhabsorption mit vollstandiger Verdampfung der Waschflussigkeit. Der austretende Flussigkeitsstrom hat also den Wert 0. Ubrig bleibt die absorbierte Komponente, die - haufig nach einer uberlagerten chemischen Reaktion - als Staub abrieselt oder uber einen Zyklon oder Gewebefilter, seltener einen Elektroentstauber (siehe Abschnitt 2.2) abgeschieden wird. Das Gas kuhlt sich entsprechend der Differenz aus Verdampfungsund Reaktionsenthalpie ab (siehe auch Abschnitt 4.1.1).

4.1 Absorption

99

Ein anderes Spezialverfahren ist die Abgasreinigung durch oxidierende Gaswasche [4.26]. Organische Gasinhaltsstoffe werden ausgewaschen und mit Ozon, 03, Natriumhypochlorit, NaCIO, Wasserstoffperoxid, H202, Natriumchiorit, NaC102, oder Natriumbromat, NaBr03, oxidiert. B e w W hat sich dieses Prinzip f i r die Beseitigung von Geruchen. Wie Experimente zeigen, kann auf diese Weise auch metallisches QuecksiZber zuriickgehalten werden [4.27]. Bei hohen Chlorgehalten uberwiegt ubrigens ionisches Quecksilber, das durch eine saure Wasche abscheidbar ist [4.28]. Man fallt es erfolgreich durch Zugabe von Trimercapto-s-triazin (TMT 15@,Fa. Degussa) [4.29]. Gleichgewicht und Stoffaustauschgeschwindigkeit sind nicht die einzigen wichtigen Gesichtspunkte. Die Stromungsmechanik eines Stoffaustauschapparates ist nicht nur in Hinblick auf eine moglichst grok Stoffaustauschflache zu diskutieren, sondem auch wegen des gasund flussigkeitsseitigen Druckverlustes, weil davon die Dimensionierung und die Leistungsaufnahme der Pumpen und Gebliise abhtingen. Der Energieverbrauch steigt bei turbulenter Durchstromung, von der hier auszugehen ist, mit der dritten Potenz des Durchsatzes. Auch mussen die beiden Strome mengenmd3ig so aufeinander abgestimmt werden, dal3 der Apparat weder geflutet noch trockengeblasen wird. Nach Manteuffel [4.2, 4.301 errechnet sich die erforderliche Apparate-Querschnittsflache aus dem tatsachlichen Volumenstrom der Dampfoder Gasphase dividiert durch deren hochstzuliissige Leerrohr-Geschwindigkeit, die empfindlich von der Apparatekonstruktion abhhgt (siehe auch [4.18, 4.311). Falls der Gasstrom unter Normbedingungen angegeben ist, niuB er auf die tatsachliche Temperatur und den tatsachlichen Druck umgerechnet werden. Stoffaustauschapparate sind mit Fullkorpem, Packungen oder mehr oder weniger kompliziert ausgebildeten Boden ausgeriistet, und entsprechend schwierig ist die Bestimmung der Geschwindigkeit an einem bestimmten Ort. Dieses Problem wird umgangen, da die Leerrohrgeschwindigkeit als Quotient aus Volumenstrom und leer gedachter innerer Kolonnenquerschnittsflache definiert ist. Vielfach wird ein hochstzulassiger F-Faktor oder eine Berechnungsvorschrift fi diesen angegeben [4.18, 4.321. Dividiert man ihn durch die Wurzel aus der tatsachlichen Gasdichte, so erhalt man die gesuchte LeerrohrGeschwindigkeit in d s . Fiir den Grenzfall der tatsachlich leeren Kolonne folgt die hochstzulassige Gasgeschwindigkeit aus einer Kraftebilanz aus Eigengewicht und Luftwiderstand-um den kleinsten Tropfen, der noch nach unten sinken soll. (Das Verfahren ist im Prinzip in Abschnitt 2.1 beschrieben. Allerdingi ist der Widerstandsbeiwert hier im turbulenten Fall keine Funktion der Reynoldzahl und bebagt etwa 6 = 0,4.) Der Abstand zwischen den KolonnenBoden ist so zu wWen, daB durch TropfenmitriB keine nennenswerte KurzschluBstromung entsteht. Sollen bei groReren Kolonnen die einzelnen Boden uber Mannlocher zughglich

100 -

-~

4 Abscheidung gasfdrmiger Schadstoffe -

-

__ __

_

sein, ergibt sich ohnehin ein entsprechend groner Mindestabstand. Die Bestimmung der Hohe von Fullkorper- und Packungskolonnen ist oben bereits diskutiert worden. Der gasseitige Druckverlust ist abhbgig von der Geometrie der Einbauten und steigt linear mit der Stauhohe der Flussigkeit auf den Boden oder dem Flussigkeitsinventar einer Pakkungs- oder Fullkorperkolonne. Er ist bei - hier zumeist gegebener - turbulenter Anstromung dem Quadrat der Leerrohrgeschwindigkeit oder auch des Volumenstromes proportional [4.20]. Fur die stromungsmechanische Auslegung sei auf Diagramme (Abb. 4-12) und Auslegungssoftware [4.10 - 4.12,4.20] der Anbieterfirmen venviesen.

4.1.2

Rauchgasentschwefelung

Die in der Offentlichkeit wohl bekannteste Anwendung der Absorptionsverfahren ist die Rauchgasentschwefelung. Politische und okologische Gegebenheiten fuhrten zur zwingenden Nachrustung entsprechender Wascher auch hinter Altanlagen. Erinnert sei an die Diskussion uni das Waldsterben, die schliealich die Grenzwerte der Gronfeuerungsanlagen-Verordnung (vgl. Abschnitt 1.2) nach sich zog und auch Einflun auf die 17. Bundes-ImmissionsschutzVerordnung fur Mullverbrennungsanlagen hatte. Ein anderer Aspekt ist die beeindruckende Grone mancher Entschwefelungsanlagen hinter den Kesseln von GroDkraftwerken.

In der industriellen Praxis treten diverse Abgasprobleme auf, die durch Absorption losbar sind. Die Entschwefelung ist dabei lediglich ein Spezialproblem, das aufgrund mannigfaltiger Erfahrung besonders gut gelost ist. Da die hier gewonnenen Erkenntnisse auf andere, vergleichbare Prozesse ubertragen werden konnen, lohnt sich eine eingehende Diskussion dieses Themas. Schwefel ist naturlicher Bestandteil von Stein- und Braunkohle, Mineral01 und Erdgas. Der Schwefelgehalt dieser Energietrager schwankt j e nach Lagerstatte erheblich (Naheres in [4.33]). Fur Ruhrkohle betragt er massenbezogen je nach Floz 0,5 bis 2,5 %. Uberschlagig kann fur Steinkohle im Mittel von etwa 1 YOausgegangen werden. Braunkohle enthalt in der Regel deutlich weniger Schwefel, und zwar einige Zehntelprozent. Aufgrund des in den Kraftwerkskesseln vorliegenden Sauerstoffuberschusses wird der Schwefel vollstandig zu Schwefeldioxid, SO*, oxidiert. Dessen Konzentration im Rohgas lant sich unter Berucksichtigung des Luftuberschusses aus der Stochiometrie errechnen und liegt bei ungefahr 2 g/m3 ,N bis 5 g/m3 , N . Der Mengenstrom betragt allein fur Deutschland 3,5 bis 4,5 Millionen Jahrestonnen I4.341. Das unbehandelte Rauchgas eines konventionellen Warmekraftwerks ist je

4.1 Absorption

101

- 10,o

. E

5,O

4,o 3,O

2,o

1 3

1-0

03

0-4

03

0,l

02

0,3

0,4

0,5

0,7

1 ,o

1,5

2,O

2,5

3,O

4,O 5,O

Luftgeschwindigkeit /Air velocity [ rn / s ]

Abb. 4-12: Druckverlust pro Langeneinheit als Funktion der Leerrohrgeschwindigkeit f i r ausgesuchte Fullkorpertypen, mit freundlicher Genehmigung der Firma VEREINIGTE FULLKORPERFABRIKEN [4.18]

102 ~-

~

--

__

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe -. .

.. .

__

-

--

._ -

_ _-

.. .- .-

-

nach Herkunft des Brennstoffs etwas anders zusammengesetzt (Tab. 4- 1 [4.35]). Auch chemische Produktionsanlagen konnen schwefelhaltige Abgase emittieren. Der Lowenanteil der Kraftwerksabgase wird nal3 unter Zugabe von Kalksteinmehl, CaC03, seltener auch von gebranntem oder geloschtem Kalk, CaO bzw. Ca(OH2), nach dem Kalkwaschverfahren [4.36 - 4.401 entschwefelt. Dabei wird als Abfallprodukt Gips, CaS04 . 2 H20, erzeugt. Gelegentlich venvendet man ersatzweise Magnesiumhydroxid [4.4 1] oder Natronlauge [4.42, 4.431. Diese Einsatzstoffe lassen sich mit mehr oder weniger groflem Aufwand zuriickgewinnen, und man produziert entweder Schwefeldioxid, SOZ,oder Schwefelsaure, HzS04. In der Regel lohnt aber der Aufwand nur d a m , wenn die entsprechende chemische Infrastruktur am Standort gegeben ist. Unter definierten Bedingungen kann man in der Tab. 4-1: Kennzahlen der Rauchgase von Steinkohle-Staubfeuerungenam Kesselende (Rohrende), nach [4-351. Merkrnale

Einheit

Bandbreite (abhangig von Brennstoffzusamrnensetzung und Feuerun part)

"C

120 ... 150

Stickstoff - Kohlendioxid

(Volumenanteil) (Volumenanteil)

Wasserdampf - Sauerstoff

(Volumenanteil)

75 14 ... 12 7 ... 6 3 ... 6

Temperatur Bestandteile an gas- und staubformigen Stoffen -

-

~

-

(Volumenanteil)

Staub

mg/m3 1 N tr

Schwefeldioxid Stickoxide angegeben

mg/m3 I N tr mg/m3 I N tr

als Stickstoffdioxid - Kohlenmonoxid - Chlorverbindungen - Fluorverbindungen 'SchLtzung des Autors

mg/m3 N tr mg/m3 IN tr mdm

3

~Ntr

8000 ... 50 000 2000 ... 8000* 800 ... 2500 < 250

150 ... 600 15 ... 70

4.1 Absorption

103

Chemischen Industrie mit reinem Wasser absorbieren und direkt Schwefelsaure produzieren [4.44]. (Einen Uberblick iiber die verschiedenen Verfahrensvarianten bietet Kaminsky [4.34].) Die Verfahren der verschiedenen Anbieter von Kalkwaschverfahren iihneln sich untereinander sehr, so daR es ausreicht, an einem Beispiel (hier: Firma KRC [4.39, 4.401) das Prinzip zu erlautern (Abb. 4- 13 und 4- 14).

n

Kalkstein

ProzeOwasser

Abb. 4-13: Vereinfachtes Verfahrensflienbild des Kalkwaschverfahrens, mit freundlicher Genehmigung der Firma NOELL-KRC [4.39]

Es handelt sich um eine physikalische Absorption mit uberlagerter chemischer Reaktion, also um eine nicht typische chemische Absorption. In diesem Fall ist die physikalische Absorption vom Gleichgewicht und von der Geschwindigkeit her vollig unproblematisch; die chemische Reaktion verlauft dagegen recht langsam und erfordert eine entsprechende Verweilzeit. Kernstuck der Gaswaschanlage ist der turmartige Wascher oder Absorber. Das - zumeist bereits entstickte (siehe Abschnitt 4.3.2) und entstaubte (siehe Abschnitte 2.2.3 und 2.2.4) - Rauchgas hat je nach Anlage noch eine Temperatur von etwa 130 ... 170 "C. Je groBer und moderner die Anlagen sind, desto abgekuhlter ist das sogenannte Rohgas, wenn es in die Entschwefelungsanlage eintritt. Da der Wascher aber etwa bei 60 OC gefahren wird, entzieht ein Whneaustauscher, in den meisten Fallen ein sogenannter Regenerativer Gasvorwarmer (Regavo), dem Gas Wiimeenergie, mit der Reingas (siehe unten) wieder aufge-

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

104 __

-

_

.__._-

-

__

-.._ . -

-

.

Abb. 4-14: Blick in eine Enschwefelungsanlage nach dem Kaltwaschverfahren, im Hinter-

grund der Wascher, vorne rechts ein Trommelfilter, mit freundlicher Genehmigung der Firma NOELL-KRC [4.39] heizt wird. Regeneratoren enthalten cinc langsani rotierende Warmespeichcrmassc. Die beiden Gaswege sind nicht hermetisch dicht voneinander getrennt. Ein geringer Kurzschluhtrom ist unvermeidlich, seine Richtung und Grofie aber von der Druckdifferenz zwischen Roh- und Reingas abhangig (Abb. 4-15) [4.45]. Das gekiihlte Rohgas stromt von unten nach oben durch den mehrstufigen Absorber. Erst kurz vor dem Austritt wird es auf den zulassigen Wert entschwefelt. Absorptionsmittcl ist im

4.1 Absorption

105

Rohgas

Ausfuhrungsbeispiel:

-

Iz9 Kunslstoff Glasllockenbesch~chtung Flake Fibre Gloss h n g

OCorten OEdelrk~hl

Stainless Steel Die prolektbezcgene Aus. fuhrung ward den leweiligen Bedingungenongepbt

Abb. 4-15: Rotierender Gasvorwanner, mit freundlicher Genehmigung der Firma ABB Abgastechnik [4.45] obersten Bereich, also kurz vor dem Austritt der gereinigten Rauchgase, Wasser ohne Zusatze. Das Absorptionsgleichgewicht entspricht bei dem hier nur noch geringen S02-Gehalt praktisch dem Henry-Gesetz (vgl. Abschnitt 4.1). Gleichgewichtsdaten finden sich unter anderern bei Landold-Bemstein [4.14]. Durch Alkalisieren des Waschwassers konnte man theoretisch das Absorptionsgleichgewicht gunstig beeinflussen; allerdings wiirde man in diesem Fall in erheblichen Mengen COz absorbieren. Dieses ist das mit Abstand wichtigste Produkt der Verbrennung von Kohle und deshalb in praktisch unbegrenzten Mengen vorhanden. Man mul3te in nicht praktikaber Menge Alkalien zusetzen. Das ohnehin recht gunstige Gleichgewicht und der schnelle Stoffubergang gestatten, auf das feine Dispergieren des Waschwassers zu verzichten und die Austauschflache gering zu halten. Das Wasser tritt in einem kraftigen Schwa11 aus den Berieselungsdiisen aus (Abb. 4-1 6). Das hat nicht nur den Vorteil eines geringen flussigkeitsseitigen Druckverlustes, sondern erlaubt auch eine hohere mogliche Gasgeschwindigkeit. Kleinere Tropfen werden narnlich bei hoherer Gasgeschwindigkeit g e m a dem Gesetz von Stokes (siehe Abschnitte 2.1 und 2.2.5) mitgerissen. Wahrend dies wie auch das Streben nach einern moglichst geringen

106

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

Abb. 4-16: Waschduse im Absorber, mit freundlicher Genehmigung mit Firma NOELL-KRC

[4.39] gasseitigen Druckverlust eine niedrige Gasgeschwindigkeit nahelegt, fuhren Kostenuberlegungen zu moglichst kleinen Apparaten mit hoher Gasgeschwindigkeit. Der Stoffubergang ist zudem bei hohen Gasgeschwindigkeiten in der Tendenz gunstiger. Die Losung ist in allen Fallen ein KompromiR. Feinste Aerosole gelangen ohnehin praktisch unvermeidlich in die Schwebe, ohne sich wieder abzusetzen (vgl. Abschnitt 2.1) [4-221. Da der Tropfenmitrin nicht ganz zu vermeiden ist, sind der obersten Wascherebene Tro-

fenabscheider oder Demister [4.46] nachgeschaltet (siehe Abb. 3-2). Die hier zuriickzuhaltende Flussigkeit ist naturlich kein reines Wasser, sondern eine Suspension, die, wie noch zu zeigen sein wird, in gronerer Menge Gips, CaS04 . 2 H20, enthalt. Die Flussigkeit bildet einen Film, und bei den dort herrschenden Temperaturen verdunstet sie trotz der fast vollstandigen Wasserdampfsattigung so schnell, dal3 Gips auskristallisiert und anbackt. In der Regel reicht es aus, die gefahrdeten Flachen periodisch mit Wasser zu spulen. Dieser Vorgang ist automatisiert und taktgesteuert. Man versucht, durch erhohte Kalkzugabe weiter unten im Absorber den pH-Wert zu erhohen. Dadurch sinkt die Loslichkeit des Gipses, und er kristallisiert so fruh aus, dafl er oben nicht mehr anbacken kann. Anwesende Puffersubstanzen schranken diese Moglichkeit aber stark ein (mundliche Auskunft Th. Schmidt, Firma KRC, Wurzburg). Das Rauchgas v e r l a t die Demisterebene entschwefelt und wasserdmpfgesattigt. Bevor es in die AtmosphBj-e abgegeben oder in andere nachgeschaltete Rauchgasreinigungsanlagenwie

4.1 Absorption

107

Entstickungskatalysatoren (siehe Abschnitt 4.3) weitergeleitet wird, muR es zum Trocknen in der Regel wieder aufgeheizt werden. Ein hinreichender Abstand zum Taupunkt ist wichtig, urn Korrosion durch Wasser oder restliche Schwefelsaure zu verhindern und den Kaminzug

aufgrund naturlicher Konvektion zu ermoglichen. Um Heizenergie zu sparen, entzieht man die erforderliche Warme dem noch nicht entschwefelten Gas, das in die Anlage eintritt. Hierzu dient der oben envahnte Regenerative Gasvonvarmer. Durch Waschen des Gases mit Wasser wird der geforderte Entschwefelungsgrad erreicht. Allerdings ist es dadurch nicht mtiglich, groRere SOz-Mengen abzuscheiden. Es bildet sich sofort schweji’ige Siiure, HzS03. Der Entschwefelungsgrad geht aber nach konkreten Erfahrungen einer Anlage der Bauart Bischoff mit sinkendem pH-Wert stark zuriick [4.34, 4.47, 4.481. Wegen der h l i c h k e i t der Verfahren untereinander kann davon ausgegangen werden, daR das so auch in anderen Fallen gilt. Um die gebildete Saure zu neutralisieren, muB die Absorption durch eine chemische Reaktion uberlagert werden. Hierzu wird in einem Absorberversorgungsbehalter unter Zugabe von Kalksteinmehl, CaCO3, eine Suspension angeriihrt und diese unterhalb der bereits beschriebenen obersten Ebene in den Waschturm eingedust. Wiederum eine Ebene tiefer wird die teilweise SO2-beladene Suspension uber einen Konus wieder aufgefangen und in den Absorberversorgungsbehalter zuriickgefiihrt. In diesem Kreislauf ist Kalksteinmehl im UberschuB vorhanden. Die wesentlichen chemischen Reaktionen sind folgende [4.39]: 2 CaC03 (*SO2

(g)+~H,0--+CaC03

2 CaC03 (*SO2

( g ) + ~ H 2 0 - - + C a ( H C 0 , ) 2 (fl)+CaS03 .$H,O(f)

(0 (g)

(fl)

/CaS03 . $ H 2 0 ( f ) + C 0 , (g)

(4-56)

(4-57)

fest gas- oder dampffdrmig in der fliissigen Phase gelost

Der pH-Wert ist niedriger als in der obersten Ebene und liegt bei etwa 6, wobei Calciumhydrogencarbonat, Ca(HC03)2, als Puffer wirkt. Die chemische Reaktion erfordert eine gewisse Venveilzeit. Aus diesem Grunde wird der Absorberversorgungsbehalter entsprechend groR ausgelegt. Wie die Stochiometrie zeigt, wird eine erhebliche COz-Fracht uber diesen Behalter

108

_ ~ _ _ _ _ _ _ _ _

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe -.

__

-

freigesetzt. Es stammt aus dem Carbonat des Kalksteins und entweicht in allen bislang bekannt gewordenen Fallen ungenutzt in die Umgebungsluft. Das wichtigste Reaktionsprodukt ist allerdings das komplex gebundene Calciumsulfit, CaS03, das sich nunmehr in der Suspension befindet und einer Weiterbehandlung bedarf. Calciumsulfit ist bedingt wasserloslich, besonders gut bei niedrigen pH-Werten. Hier ist also ein typisches Beispiel dafur, dal3 die Ubertragung eines Schadstoffes von einer Phase in eine andere in der Regel noch nicht die vollstiindige Problemlosung bedeutet, sondern im wesentlichen eine Problemverschiebung. Schadstoffe sind nicht nur abzuscheiden oder, sofem die Naturgesetze dies erlauben, zu vernichten, sondem in Wertstoffe umzuwandeln und entsprechend zu vermarkten, wenn das moglich und wirtschaftlich vemunfiig ist. Durch Oxidation mittels eingeduster und veniihrter Druckluft wird deswegen in einer dritten und untersten Waschebene, dem sogenannten Quencherkreislauf; das Calciumsulfit in Gips umgewandelt. In diese Ebene gelangen die zuvor

lediglich entstaubten und in den meisten GroBkraftwerken (Ausnahme Schrnelzkarnrnerfeuerung Ibbenburen [4.49], vgl. Abschnitt 4.3) zusatzlich katalytisch entstickten Rauchgase mit ihrem vollen Schwefelgehalt. Das hier eingesetzte Waschmittel ist im wesentlichen Uberschunsuspension aus der dartiber liegenden Stufe. Es verdampft oder verdunstet zum Teil und kuhlt dadurch die Rauchgase. Auch ist es bedingt als Absorptionsrnittel geeignet und dient daher zur Grobentschwefelung. Kalksteinmehl ist zwar enthalten, aber nicht mehr im Uberschun. Die im Quencherkreislauf stattfindenden chemischen Reaktionen sind vereinfacht dargestellt folgende [4.39]: 2 SO, (8) + C a C 0 3 / CaS03 .+H,O (f) + 0 , (g) + 2 CaSO, .2H,O (f) + CO, (g) +SO, (g)

SO, (8) + CaS03 .

H,O (f) +

H20-Ca(HS03)2

H,O

--+ (4-58)

(fl)

(4-59)

Culciumcurbonut, CaCO3, wird vollsthdig abgebaut. Leichtlosliches Calciunzhydrogensu[fir. Ca(HSO&, wirkt als Puffer und halt den pH-Wert bei 4 bis 5 . Unter diesen Bedingungen funktioniert die Oxidationsreaktion sehr gut [4.50]; die Absorption des Schwefeldioxids ist aber eher mangelhaft. Gips, CaS04 . 2 HzO, ist unter den sauren Bedingungen bei Kalksteinmange1 der einzige Feststoff und kann mechanisch ausgeschleust werden. Aufgrund der geringen Konzentration bietet sich hier eine Hydrozyklonbatterie an. Die Funktionsweise ahnelt im Prinzip derjenigen der Aerozyklone (vgl. Abschnitt 2.2.2). Hydro-

4.1 Absorption

109

zyklone sind allerdings sehr klein und bei einem Durchmesser von groflenordnungsmafiig nur 100 mm deutlich schlanker als diese. Feinste Gipspartikel werden nicht abgeschieden. Sie bleiben im Kreislauf und wirken als Keirne fur die weitere Gipsbildung, vergrooern also ihren Durchmesser, bis sie zu einem spateren Zeitpunkt die Trennkorngr6Je der Zyklone uberschreiten und sie in einer gipsangereicherten Suspension abgeschieden werden. Da der Feststoffgehalt jetzt hinreichend groD ist, schlieDt sich eine Kuchenfiltration an. Hierzu geeignet sind Trommel- und Bandfilter, Schub- und Siebschneckenzentrijiugen. Der Filterkuchen, der dabei anfallt, hat noch einen hohen Wassergehalt und wird, wenn er vermarktet werden kann, thermisch getrocknet. Der in Kraftwerken erzeugte Gips hat die Qualitat von Naturgips und diesen mittlerweile in der Bauwirtschaft weitgehend verdrangt. Die schwache Saure, die den Filter oder die Zentrifuge verlat, ist rnit anorganischen Schadstoffen belastet, die man weitgehend chemisch ausfallen kann [4.5 11 (Weiterfuhrende Literatur: 14.52, 4.531). In einigen Fallen wird abwasserfreier Betrieb gefordert; dort kommt man um die energieintensive Abwassereindampfung nicht herum. Durch Kaskadenanordnung der Verdampfer auf verschiedenen Druck- und Termperaturstufen (Abb. 4- 17) oder durch Brudenkompression kann man den W-ebedarf senken [4.36, 4.5 11. Eine weitere elegante Methode der Eindampfmg, die besonders bei der Mullverbrennung (siehe Abschnitt 4.13) beliebt ist, wird irn Zusammenhang mit der Spruhabsorption beschrieben. Ein eigenstandiges Problem ist die Werkstoffauswahl fir die Apparate und Rohrleitungen in einer derartigen Rauchgasentschwefelungsanlage, insbesondere fur die Bereiche, die mit Suspensionen niedriger pH-Werte in Beriihrung kommen. Fur kleinere Apparate empfiehlt sich glusfuser-versrarkter Kunsfstofl,G K . GroDe Wascher kann man gummieren [4.54]. Allerdings kann sich nach nicht fachnihischer Aufbringung die Gummierung wieder ablosen. Ein unfreiwilliger Anlagenstillstand ist die Folge. Bedingt geeignet sind exotische und entsprechend teure Edelsahle; bei pH-Werten unter 4 weicht man auf Nickellegierungen ohne nennnenswerten Eisenanteil aus [4.39, 4.551. Tabelle 4-2 zeigt typische technische Daten einer Rauchgasentschwefelugsanlage nach dem Kalkwaschverfahren in einem GroBkraftwerk [4.56]. Oft werden Kraftwerke in Hinblick auf die Brauch-, Kuhl- und Abwasserproblematik an Ufem von Flussen errichtet, gelegentlich, in Deutschland bei Wilhelmshaven, unmittelbar an der Kuste. Seewasser enthalt Calcium- und Magnesium-Hydrogencarbonat, Ca(HCO& bzw. Mg(HC03)z und ist deswegen' leicht alkalisch, was die Absorption erleichtert. Ohne Zugabe von weiteren Chernikalien rnit Ausnahme von Oxidationsluft funktioniert die Absorption mit Seewasser nach folgendem Schema:

110

-

4 Abscheidung gasfdrmiger Schadstoffe ~~

~

____

-

1. Stufe

~

. .. --

2. Stufe

1 7 I

8:-

Kuhlwasser

Zulauf

L___f I II II

-----i

t

Kondcnsal

f

Salz

Abb. 4-1 7: Zweistufige Abwasser-Eindampfung, rnit freundlicher Genehmigung der Firma STElNMULLER [4.36]

SO,

+ t o , + 2HCOT ----+SO:-

+ H,O + 2C0,

(4-60)

Das schwefelbeladene Wasser ist schwach sauer und kann nach Reaktion rnit weiterem frischen Seewasser ohne gronere Umweltprobleme ins Meer entsorgt werden [4.57]. Ein anderes Kalkwaschverfahren, das auch als Halbtrockenverfahren bezeichnet wird, ist die Rauchgasreinigung mit Kalkmilch durch Spruhabsorption (siehe auch Abschnitt 4.1). Hier sind rnehrere Prinzipien auf effektive und technisch relativ einfache Weise miteinander kombiniert. Der Absorber ist ein Behalter ohne wesentliche Einbauten. In diesen wird eine Suspension aus Wasser und Culciumhydroxid, Ca(OH)l, seltener auch Natronlauge, wanrige NaOH-Losung, entweder unter Druck uber einen Dusenstock oder uber einen Rotor [4.58,

4.591 (Abb. 4-18) eingedust. Das ist mit erheblichen Lurmprohlemen verbunden, da die Tropfchen Schallgeschwindigkeit erreichen, wenn sie den ganzen Abscheiderauni beregnen und sich rnoglichst fein verteilen sollen. Die Dusen neigen bei Verspruhen einer Suspension zum Verstopfen. Man kann sie nach dem Kugelschreiberprinzip automatisiert freistochern. Bei dem Rotor von NIRO wird dieses Problem durch sehr grofle Offnungen, die wie Uberlauhehre arbeiten. umgangen.

4.1 Absorption

111 ~~

Tab. 4-2: Technische Daten einer Rauchgasentschwefelungsanlage (Beispiel Block D+E Karaftwerk NeurathRWE) [4.56]. Art Verfahren

Planung Hersteller Montagebeginn Beginn Inbetriebnahme Erste Rauchgasreinigung

Du rchfuhrung Nal3w;ische der Rauchgase mit Kalksteinsuspension; Gipserzeugung Konsortium der Firmen KRUNOELLIEVT KRCNOELL Oktober 1985 Mai 1987 Oktober 1987

Merkmal Verbrauch an Braunkohle Schwefelgehalt

Einheit MgA

YO

Wert bis 1850 0,27 ... 0,9

Blockleistung - Rauchgasdurchsatz - max. SOz-Gehalt vor Rauchgasentschwefelung - max. S02-Gehalt nach Rauchgasentschwefelung - max. Kalksteinverbrauch - max. Gipserzeugung - max. Energiebedarf (ohne Geblase)

MW m3h,N r m3h1N tr m3h,N tr Mgh Mg/h kW

600 3 000 000 5200 260 22 36 10 000

Hauptanlagenteile Wascher / Absorber, teilweise aus Edelstahl und Stahl, gummiert - Durchmesser - Hohe - Dusenebenen - Kontaktzone - Waschkreislaufe

m m pro Turm pro Turm pro Turm

Absorber I Quenschpumpen Forderleistung

m3/h

-

4

Bandfilter - Filterflache

m2

Absorberversorgungstank - Durchmesser -

Hohe Volumen

m m m3

19 44 4 1 2 24 7200 2 40

2 21 16 4600

I12

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

Zerstaubereinrichtung

I

/

Olversorclung

Zerstauberscheibe Reststoff

Abb. 4-18: Prinzip der Spriihabsorption mit einer Zerstaubermaschine, mit freundlicher Genehmigung der Firma LURGI [4.59] Um einen hohen Abscheidegrad zu erreichen, mun die Flussigkeit so gleichmdig verteilt werden, dan das Gas praktisch nirgendwo im KurzschlulJ, ohne benetzt zu werden, durch den Apparat stromt. Andererseits gehort die quantitative Verdampfung der Flussigkeit vor der Wandberiihrung zum Prinzip dieses Verfahrens. Beide einander widersprechenden Forderungen werden bei entsprechender Verfahrensoptimierung verbliiffend gut erfullt [4.60]. Bei Rotoreinsatz erzielt man durch einen spiralformigen Einlauf f i r das zu reinigende Gas, durch geeignete Leitbleche und einen tangentialen Auslauf eine kreisende Gasstromung. Weil die Reaktonviinde trocken bleiben, konnen sie aus dem billigsten mechanisch bestandigen Werkstoff ausgefuhrt werden. In der Regel ist das der Baustahl St 37 [4.61]. Weil ein Gronteil der Flussigkeit sofort verdampft, kuhlt sich das Gas im Absorber ab. Dadurch wird die physikalische Absorption von Schwefeldioxid und Halogeniden wesentlich gefordert. Die chemische Reaktion mit dem Hydroxid erfolgt spontan. Die Flussigkeit bleibt

so fur die physikalische Absorption aufnahmebereit. Es uberlagern sich verschiedene chemische Reaktionen. Die wichtigsten sind:

4.1 Absorption

SO,

+ Ca(OH)*

HCl+ Ca(OH)2

113 CaSO:) + H 2 0 CaC1,

+H20

(4-61) (4-62)

Nachdem das Wasser quantitativ verdampft ist, bleibt ein Staub zuriick, der fast nur aus SalZen besteht. Hierzu gehort ein betrachtlicher Anteil nicht umgesetzten Calcium- oder Natriumhydroxids. Aus Kostengriinden ist man bestrebt, den Schlupf gering zu halten, und setzt einen groBen Teil des Reaktionsprodukts - bis zu 90 YO- nach der Abscheidung wieder zur chemischen Absorption ein. Der Feststoffanteil, der nicht im Absorber herabrieselt und bereits dort iiber eine Doppelpendelklappe oder eine Zellenradschieuse abgeschieden wird, wird iiber einen Zyklon und/oder einen Gewebefilter oder einen Elektroentstauber zuriickgehalten. Fur den Elektroentstauber spricht der niedrige Druckverlust. In einigen Fallen hat man eine Entschwefelungsanlage nach dem Spriihabsorptionsprinzip der vorhandenen Kraftwerks-Entstaubungsanlage vorgeschaltet, die bereits als Elektroentstauber ausgefiihrt war, und nimmt in Kauf, dal3 der gesamte Flugstaub aus dem Kessel durch den Absorber transportiert wird (Beispiel Heizkraftwerk Mitte VW Wolfsburg). Grundsatzlich besser ist allerdings der Gewebefilter. Die Absorption - hier als Adsorption bezeichnet (siehe auch Abschnitt 4.2) - wird einschlieRlich der chemischen Reaktionen auf dern Filterkuchen fortgesetzt. Manchmal werden aus Kostengriinden Absorber bewuflt so ausgelegt, dal3 nur unter Hinzuziehen dieses Effektes der geforderte Abscheidegrad erreicht werden kann. h l i c h funktioniert auch die halbtrockene Entschwefelung in der Wirbelschicht [4.62] mit getrennter Kalk- und Wasserzugabe. Die Direktentschwefelung durch Eindiisen gebrannten Kalks in den Kessel ohne Verwendung von Wasser hat sich ebenso wie die trockene Entschwefelung im Wirbelbett [4.63] (siehe auch Abschnitt 4.2.3) allerdings nur bewiihrt, wenn sehr geringe Entschwefelungsgrade gefordert werden [4.36,4.64,4.65]. Die Nanwhche mit Kalkstein oder einem vergleichbaren Chemisorptionsmittel hat sich f i r das Abscheiden von Schwefeldioxid und Halogeniden allgemein durchgesetzt. Grundsatzlich existieren aber auch andere Verfahren, die sich im wesentlichen dadurch auszeichnen, dal3 ein hohenvertiges Reaktionsprodukt wie zum Beispiel Reinschwefel oder auch Kunstdiinger erzeugt wird. In Einzelfallen sind derartige Verfahren realisiert worden, so dal3 Erfahrungen vorliegen. Interessant sind diese Alternativen dann, wenn eine entsprechende Infrastruktur gegeben ist, zum Beispiel innerhalb eines groBeren Chemiekomplexes, und benachbarte Anlagen die Produkte venvenden konnen.

114

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

Die Wasche mit Magnesiumhydroxid, Mg(OH)2, [4.41] unterscheidet sich von der bisher vorgestellten Nanwasche apparativ nicht wesentlich. Der Vorteil liegt darin, dan das Reaktionsprodukt MagnesiumsulJit, MgS03, durch Rosten sehr leicht in Magnesiumoxid, MgO, und konzentriertes Schwefeldioxid, S02, umgewandelt werden kann. Das Magnesiumoxid wird “geloscht” und als Hydroxid wieder zur Entschwefelung eingesetzt, w h e n d das Schwefeldioxid zu Schwefelsaure oder anderen Schwefelprodukten aufgearbeitet werden kann. Das Wulther-Ammoniakverfahren [4.37] erzeugt den Stickstoffdunger Ammoniumsulfat, (NH4)$304. In einem mit Ammoniakstarkwasser betriebenen Absorber laufen folgende chemische Reaktionen ab: SO2 + NH,

+ H,O + NH4HS03

(4-63)

NH4HS0,

+ NH3 + (NH4)2SO3

(4-64)

HCI + NH 3

--+

NH4CI

(4-65)

In einem zweiten Absorber wird uberschussiges Ammoniak mit Wasser herausgewaschen. In einem nachgeschalteten Oxidator wird das Ammoniumsulfit zum Sulfat aufoxidiert: (NH,),S03 + + 0 2 -

(4-66)

Ammoniak wird restlos umgesetzt, weil es in unterstochiometrischem Mane zugegeben wird. Es ist also keine 100 %ige Entschwefelung moglich, wohl aber ein Senken des Schwefelgehaltes unter bestimmte Grenzwerte. Weitere Schritte sind die Spriihtrocknung und die Entstaubung. In der Praxis hat dieser Punkt emste Schwierigkeiten bereitet. Kleine Feststoffpartikel, die zwar gesundheitlich unbedenklich, aber deutlich sichtbar und deshalb storend sind, werden nicht immer in hinreichendem Mane im Entstauber abgeschieden (Erfahrung des Autors, 1986). Das Problem besteht darin, daR die KristallgroBe des erzeugten Ammoniumsulfats empfindlich von den nur schwer kontrollierbaren Beimengungen abhangt [4.66]. Ein anderes - nichttechnisches - Problem ist die Tatsache, dal3 Ammoniumsulfat sauer reagiert und je nach Bodenbeschaffenheit zur Ubersauerung der Acker fuhrt. Der Gebrauch ist deshalb rucklaufig. Sehr grofie Mengen werden nur noch in Asien und Osteuropa eingesetzt [4.34,4.66,4.67]. Das Wellmanu-Lord-Verfahren [4.47] (ebenso das sehr ahnliche Sulfrox-Verfahren [4.68]) erzeugt direkt konzentriertes Schwefeldioxid, S02, und meistens daraus Schwefelsaure,

4.1 Absorption

1 I5 .-

_ .

&Sod. Absorptionsmittel ist NatriumsulJt,das im Kreis gefahren und immer wieder regeneriert wird. Die Reaktionsgleichungen lauten: Na2S03 + H,O 2 NaHS03

+ SO2 -+ --+

2 NaHS03

(4-67)

Na2S03 + H 2 0 + SO,

(4-68)

Neben der Entschwefelung der Rauchgase ist auch die des Brennstoffs 0 1 oder Gas verbreitet. 0 1 wird hydrierend entschwefelt, wobei SchwefelwasserstofJ; H2S, entsteht. Schwefel im Erdgas liegt ohnehin als Schwefelwasserstoff vor und kann mit unterkuhltem Methanol ausgewaschen werden.. Die wichtigste Reaktionsgleichung des anschliefienden Claus- [4.47] oder Superclaus-Prozesses [4.47] (und des sehr ghnlichen Sulkeen-Verfahrens [4.68]) lautet 2 H2S + SO2 + 2

H2O-t 3 S

(4-69)

Im Zusarnmenhang mit der Erdgasforderung sind Claus-Anlagen allgemein ublich. Diese Art der Schwefelproduktion ist wirtschaftlich interessant. Auf elegante Weise wird hier der Brennstoff so aufbereitet, da8 sich die Abgasreinigung eriibrigt [4.65]. Allerdings setzen Claus-Anlagen ihrerseits geringe Mengen Schwefel frei. Hier ist es moglich, durch Nachverbrennen Schwefeldioxid zu bilden und dieses wie beschrieben auszuwaschen [4.69].

4.1.3

Absorber fur Ruckstandsverbrennungsanlagen

Das Rauchgas einer Miillverbrennungsanlage hat im allgemeinen einen niedrigeren Schwefelgehalt als das eines Kohlekraftwerks, enthalt aber diverse andere Schadstoffe, von denen mengenmaoig besonders Chloride ins Gewicht fallen (Tab. 4-3, weitere Angaben differenziert nach Haus-, Industrie- und Chemiemiill bei Steinmuller [4.36]). Rauchgaswaschanlagen fir die Ruckstandsverbrennung h e l n denen f i r Kraftwerke sehr, da Absorber, die fur die Entschwefelung konzipiert sind, ebenfalls Halogenide zuruckhalten [4.65]. Auch ist Kalkmilch hier wie dort f i r die Neutralisation geeignet. Man venvendet an einigen Standorten auch andere alkalische Stoffe. So arbeitet zum Beispiel eine Ruckstandsverbrennungsanlage (Trinekens Wesseling) deshalb mit Natronlauge, weil diese in einer benachbarten Chemieanlage als Rest anfallt. Die Waschanlagen der Mullverbrennung sind entsprechend dem geringeren Rauchgasdurchsatz kleiner dimensioniert als die der Kraftwerke.

116

4 Abscheidung gasfdrmiger Schadstoffe -.

_. . _ - _

-

~

Tab 4-3: Typische Rohgasbeladungen an Schadstoffen hinter dem Kessel einer Mullverbrennungsanlage [4.70].

Merkmale

Einheit

Band breite

Gaszusammensetzung Sauerstoff, 0 2 - Kohlendioxid, COz - Wasserdampf, HzO - Stickstoff, N2

(Volumenanteil) (Volumenanteil) (Volumenanteil) (Volumenanteil)

7 ... 11 5 .., 9 8 ... 14 66 ... 80

Gesamtstaub und gasformige Stoffe - Staub - Salzsaure, HCI - Fluonvasserstoff, HF - Schwefeldioxid, SO2 - Stickoxide, NO, - Kohlenmonoxid, CO

mpim:, N r mg/m3'N r mg/m I N T mg/m3,N r mg/m3,N r mg/m3,N r

3000 ... 6000 500 ... 1200 1 ... 10 300 ... 600 200 ... 600 20 ... 500

-

Schwermetalle Cd mg/m3,N r - Quecksilber, Hg mg/m3, - Summe Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V, Sn mg/m3,N I

0,5 ... 2,O 0,l ... 0,6 10 ... 150

Polychlorierte Dibenzo-Dioxine und Furane Dioxine und Furane TE (Nato CCMS)

1 ... 30

- Cadmium,

-

ng(TE)/m3, N f

Die Eingangstemperaturen liegen in der Tendenz etwas hoher, da hier weniger Wert auf einen moglichst hohen thermischen Wirkungsgrad gelegt wird. Entsprechend verdampft etwas mehr Waschwasser aus dem Absorber; die Betriebstemperaturen sind fast gleich. Das Abwasserproblem ist bei der Mullverbrennung ernster als bei der Entschwefelung von Kraftwerksabgasen, weil die technisch interessanten Halogenide durchweg leicht wasserloslich und nicht auszufallen sind. Wenn abwasserfreier Betrieb gefordert ist, bietet sich ein halbtrockenes Verfahren, in der Regel die Spruhabsorption, an. Sol1 aber dennoch - wegen der Betriebskosten - Kalkstein eingesetzt werden, kommt nur die Nafiwasche in Frage. Eine elegante Moglichkeit der Abwassereindampfung ist der Einsatz eines Spriih-"absorbers" zwischen Kessel und Filter und vor der Nafiwasche. Die dort zuruckbleibende Suspension kann dann vollstiindig verspriiht und eingedampft werden [4.70] ( Beispiele: AGR Herten, SMVA B iebesheim).

4.1 Absorption

117 ____.___-

Wie beschrieben, zeichnet sich das Rauchgas einer Mullverbrennungsanlage durch einen hohen Chloridgehalt aus, der vor allem, aber nicht ausschliefilich, durch Polyvinylchlorid, PVC, im Mull verursacht wird. Allerdings ist hier durch umweltfreundliches Verbraucherverhalten und den “gelben Sack” ein deutlicher Ruckgang zu verzeichnen. Es sind mehrfach getrennte Wascher f i r Halogenide und Schwefeldioxid vorgeschlagen und in Einzelfallen (z. B. MVA Kiel) auch realisiert worden [4.43, 4.71, 4.721. Die Suspension aus dern Halogenidwascher laRt sich zu Salzsaure, einem wertvollen Chemierohstoff, aufarbeiten. Besondere technische Probleme bereitet dieses Verfahren nicht, aber bei der geringer gewordenen Chloridmenge lohnt sich die Aufarbeitung heule kaum noch. Beim Einsatz zweier Wacher wird der erste fiir die Halogenidabscheidung eingesetzt, der zweite f i r die Entschwefelung. Bei einem pH-Wert von etwa 1 arbeitet der erste Wascher selektiv. Die SO2-Absorption ist unter diesen Milieubedingungen nicht moglich, wohl aber die von Chlorid. Die dabei entstehende Sulzsiiure, wdrige HCI-Losung, md3 destillativ angereichert werden. Dabei erreicht man aber bei einem Massenanteil von 21 YO HCI einen uzeolropen Punkf (diverse Fachbucher der thermischen Verfahrenstechnik, zum Beispiel [4.1, 4.2]), der nicht ohne MaBnahmen wie Druckkinderung oder Zugabe von Caiciumchlorid, CaC12, verschoben oder ganz beseitigt werden kann [4.7 11. Wegen geringer Mengenstrome rektifiziert man in einigen Fallen (Fa. KRC [4.72, 4.731) diskontinuierlich. Unterhalb des azeotropen Punktes ist Wasser der Leichtsieder, dariiber Chlonvasserstoff. Als Werkstoff f i r die Apparate in Mullverbrennungsanlagen, die mit Wasser oder Sauren in Kontakt geraten, insbesondere fiir den oder die Absorber, bietet sich glasfaserverstiirkter Kunststoff an. Fur sehr grofie Apparate allerdings, wie man sie in GroRkraftwerken findet, reicht dessen Festigkeit nicht aus. Leichtfluchtige Schwermetalle wie Quecksilber und Cadmium werden im Wascher nicht hinreichend zuriickgehalten, ebensowenig polychlorierte Dibenzo-Dioxine und Furane. Auch Stickoxide werden weder zuriickgehalten noch vernichtet. Deswegen schaltet man eine katalytische Reinigungsstufe nach (siehe Abschitt 4.3.2) oder venvendet, insbesondere bei Verbrennungsanlagen fur Industriemull, zusatzlich ein Aktivkoksfilter (siehe Abschnitt 4.2.3).

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

118 -

- ________._

4.2

Adsorption

4.2.1

Physikalische Grundlagen

_ _ _ _ ~

I,idt kann nicht nur durch Waschen mit Fliissigkeiten von schadlichen Bestandteilen gereinigt

werden, sondern auch dadurch, dafi man sie langsarn durch spezielle Feststoffschiittungen hindurchstromen lafit. Unter bestirnmten Unistanden, die im folgenden erortert werden, diffundieren Frerndgasmolekule gegen die Feststoffwandung und blei hen an i hr haften. Dieser Vorgang heifit Adsorption 14.I

4.3, 4.74 - 4.791. Es versteht sich von selbst, dal3 geeignete Feststoffe poros wie ein Schwamm sein niiissen, damit die Diffusionswege hinreichend kurz sind und die innere Oberjlache gron genug ist. Die dem Laien bekannteste Anwendung der -

Adsorption ist die Verwendung von Aktivkohle als Adsorptionsmittel in Gasmasken [4.78]. Ubrigens funktioniert die Adsorption nicht nur aus der Gasphase heraus. Auch Flussigkeiten kann nian auf diese Weise n i t Feststoffen reinigen. Die zu adsorbierendc Koniponente wird ini frei beweglichen Zustand Adsorptiv genannt. Im gcbundcnen Zustand heilJt sie Ad.ssorpt. Das Adsorptionsmittel heifit Aclsor-hens. Das beladcne Adsorptionsmittel nennt man Adsorbut. Erfolgt die Bindung durch einfaches Anhaften, also durch physikalische Krafte (Vun-der-Wmls-KruJe), so spricht man von der Physisorption. Bei der Chernisorption erfolgt die Bindung aufgrund von Vulenzkrujien;es werden echtc chemische Bindungen eingegangen. Die Adsorption ist ein reversibler Prozefi. Durch Energiezufuhr kann die Anlagerung ruckgangig gemacht werden. Es wird desorbiert. Systeme rnit Physisorption sind leichter zu regenerieren und in den Ursprungszustand zuriickzuversetzen als solche rnit Chemisorption.

Man unterscheidet zwischen diskontinuierlicher und kontinuierlicher Adsorption. Vieles ist analog zu anderen Trennverfahren zu sehen. Wie bei der Absorption wendet man hier Bilanzen an, braucht Kenntnisse uber das Gleichgewicht und sornit uber die Aufnahmekapazitat des Adsorbens und uber die Geschwindigkeit der Adsorption, die ini wesentlichen durch die Diffusionsgeschwindigkeit gegeben ist. Die Verteilung eines Stoffes zwischen fester und fluider Phase kann mit einer sogenannten Adsorptionsisotheiwe (Abb. 4- 19) dargestellt werden. Sie charakterisiert fur konstante Temperatur je nach Darstellungsweise den Zusarnrnenhang zwischen der Konzentration, der Beladung oder dem Partialdruck in der fluiden und der Beladung in der festen Phase im Gleichgewichtszustand. Die Beladung des Feststoffs kann sowohl durch massen- als auch durch oberflachenspezifische Grofien ausgedruckt werden.

4.2 Adsorption

119

Relative Feuchte p

I

---+ 1

Abb. 4-19: S-Formige Adsorptionsisothermen Bei der Adsorption aus der Gasphase wird statt des Partialdrucks auch gerne der Quotient aus Partial- und Dampfdruck venvendet. Letzterer heiRt bei der Adsorption von Wasser auch relative Feuchte, p, und erreicht maximal den Zahlenwert 1 (oder 100 %). Je nach Autor konnen bei der graphischen Darstellung der Adsorptionsisothermen Abszisse und Ordinate vertauscht sein. Auch konnen Mengenangaben sowohl als Stoffmenge als auch als Masse erfolgen. Eine Umrechnung ist in der Regel problemlos moglich. Das Adsorptionsgleichgewicht ist stark temperaturabhangig. Bei niedrigen Temperaturen wird die Adsorption begunstigt, bei hoheren die Desorption. Adsorptions- und Desorptionsisothermen sind bei reiner Physisorption weitgehend identisch. Eine geringfugige Hysterese wird allerdings gelegentlich beobachtet. Sie wird, falls chemische Ursachen ausscheiden, durch die Grenzflachenspannung oder, anders ausgedriickt, durch Kapillareffekte verursacht, die im folgenden naher diskutiert werden. Adsorptionsisothermen konnen sehr unterschiedlich verlaufen. Abhangig ist dies davon, ob rnonomolekulare (einschichtige), polymolekulare (mehrschichtige) Bedeckung oder zusatzlich sogenannte Kapillarkondensation au ftritt.

120

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

-~ .

._ -

~-

- p - p p _ _ p - _ -

Der einfachste Ansatz zur rechnerischen Beschreibung des Adsorptionsgleichgewichts ist die einparametrige Henry-Isotherme: (4-67)

X,

Belegung des festen Adsorptionsmittels als Stoffmenge / Oberflache in kmol/m2, meistens aber als Massenanteil in kg/kg Henry-Koeffizient fiir die Adsorption (in Analogie zu dem fur

KH,(T)

cI

die Absorption, Abschnitt 4.1) Gehalt des Stoffes i in der Gasphase in km01/m3, kg/m3 der kg/kg

Statt des Gehalts wird auch gerne der Partialdruck, p,. oder der Quotient aus Partial- und Dampfdruck PO,,,

PI = P1 /Po,

1

(4-68)

venvendet. Der Henry-Koeffizient ist entsprechend umzurechnen. Die Henry-Isotherme sagt einen linearen Verlauf voraus, der jedoch nur bei sehr niedriger Konzentration hinreichend genau erKillt ist. Deshalb wurden Mehrparameter-Isothermen entwickelt.

Zweiparameter-Isothermen sind die Freundlich- und die Langmuir-Isotherme. Nach Freundlich gilt:

X , = Kprl(T).c?

(4-69)

oder

(4-70)

Dieser Ansatz ist auch geeignet, andere als lineare Zusammenhange zu beschreiben, und geht fur n = 1 in die Henry-Isotherme uber. K,,., und n, sind empirisch zu ermitteln.

4.2 Adsorption

121

Die Langmuir-Isotherme lautet:

(4-7 1)

oder

(4-72)

Sie geht von einer maximal monomolekularen, also einer einschichtigen Bedeckung aus, die fir X,= X,, erreicht wird. Der Faktor b, beziehungweise b,* ist temperaturabhiingig. Eventuelle weitere Einfliisse bleiben unberiicksichtigt. Folgende Uberlegungen liegen der Langmuir-Isotherme zugrunde: Das Gleichgewichf ist dynamisch; es wird laufend ad- und desorbiert. Ad- und Desorptionsstrom sind gleich grofl: (4-73) n;.ad

ni.

dc

flachenspezifischer Stoffmengenstrom der Adsorption in h o l / (m2 . h) flachenspezifischer Stoffmengenstrom der Desorption in h o l / (m2 . h)

Die Geschwindigkeit der Adsorption ist proportional der Stoffmengen-Konzentration, c,, in der Gasphase und dem Anteil der fieien Platze auf der Feststoffoberflache,Xl,m- X,.

C;,ad

(71

Proportionalitatsfaktor der Adsorption

Die Desorptionsgeschwindigkeit ist proportional der Belegung der Oberflache: (4-75) C,,de

(T)

Proportionalitiitsfaktor der Desorption

122 --

~~~

--

-

_____

4 Abscheidung gasfdrmiger Schadstoffe - ~ _ _ _ _ - - .

In1 Ungleichgewicht, also bei der Be- oder Entladung, bieten diese Gleichungen einen Ansatz m r Berechnung der Ad- oder Desorptionsgeschwindigkeit. Im Gleichgewicht sind, wie oben bereits gesagt, beide Geschwindigkeiten gleich groR. Das heint

(4-76)

cl,

ad

mit: -- - h, folgt daraus Gleichung (4-71). ci. de

Fur niedrige Konzentrationen in der Gasphase und geringe Beladungen des Feststoffs geht die Langmuir- in die Henry- Isotherme iiber. Sie beschreibt auch den Sattigungseffekt, der auftritt, wenn alle freien Platze auf der Oberflache belegt sind. Die Beladung des Feststoffs ist dann keine Funktion der Konzentration in der Gasphase mehr. Die Isotherme nahert sich asymptotisch der Horizontalen. In der Praxis findet man oft eine Belegung aus mehreren Molekiillagen. Diese wird durch die Isotherme nach Brunauer-Emmet-Teller (BET) [4.80] beschrieben. Ein wichtiger und haufiger Sonderfall ist die Kapillarkondensation. Sie ist ausschlienlich dann zu beobachten, wenn Dampfe adsorbiert werden, deren Partialdruck nicht sehr weit unter deren Siede- oder Dampfdruck liegt. In engen Spalten konnen diese Dampfe aufgrund von Kapillareffekten, die auf der Grenzfluchenspannung beruhen, auskondensieren. Kapillareffekte losen einen Sog aus, der zum Beispiel Wasser in vertikalen Kanalen gegen die Schwerkraft ansteigen lant (Abb 4-20), bis das Produkt aus Grenzflachenspannung (Dimension: Kraf? pro Liinge) und Umfangsliinge der Kapillare gleich der Gewichtskraft der

5.91). (Streng genommen gilt dies fur den haufigen Benetzungswinkel 180’ [4.75, 4.821, der sich aus dem Verhaltnis der Grenzflachenspannungen Flussigkeit-Feststoff und Flussigkeit-Luft errechnet und aus dem wiederum die Kapillarkondensation uber die Kelvin-Gleichung errechnet wird.) Zu beobachten ist der Sog der Kapillaren sehr schon, wenn man mit einem Zuckenviirfel die Oberflache von Kaffee oder Tee in einer Tasse beriihrt. Die Flussigkeit diffundiert nach oben; ihr Spiegel steigt im Zuckenviirfel langsam an. Wenn in waagerechten Kapillaren die Summe aus dem Sog - formuliert als Kapillardruck - und dem aunerhalb des Adsorptionsmittels herrschenden Partialdruck den Sattigungsdruck ubersteigt, kommt es zur Kapillarkondensution. Bezuglich der Adsorptionsisothermen hat dieser Effekt zur Konsequenz, dan fur Flussigkeit ist ([4.81], dort

4.2 Adsorption

123

Sog der Kapillare:

p K V

= p . g . L = 2Y r

Abb. 4-20: Kapillareffekt

q7,

Pi

=--+l Po, I

(4-77)

die Beladung des Feststoffs gegen unendlich lauft. Bei einer relativen Luftfeuchte von fast 100 % konnen geeignete Adsorptionsmittel daher erhebliche Wassermengen speichern. Typisch fur die Adsorption mit Kapillarkondensation sind deshalb S-formige Adsorptionsisothermen (siehe Abb. 4-19). Die linke Halfle wird nach Langmuir oder Brunauer-EmmeiTeller beschrieben. In der Mitte ist die Beladung fast unabhhgig vom Angebot, da alle freien Platze auf der Oberflache belegt sind, und rechts steigt sie durch die Kondensation in den Poren massiv an. Hingewiesen sei auf ein beriihnites Beispiel fiir die Ausnutzung der Kapillarkondensation in der Landwirtschaft, beim Weinbau auf Lanzarote [4.83]. Die Insel ist praktisch niederschlagsfrei. Auch nachtlicher Tau 1st selten. In den Poren des vulkanischen Tuffgesteins kondensiert aber friih am Morgen, wenn die relative Luftfeuchtigkeit ihr Maximum erreicht, Wasser in einem fur den Weinbau hinreichenden MaRe. Die Adsorption ist ein exothermer ProzeR. Die Adsorptionsenthalpie ist f~ die erste Molekulschicht etwa doppelt so hoch wie die Kondensationsenthalpie. Gegen Ende der Adsorption, in weiteren Molekullagen, entspricht sie dieser, da die Adsorption hier ihrer Natur nach flieRend in die gewohnliche Kondensation iibergeht. Aufgrund der Kiihlung durch die groBen

124

__

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe -.

~~

-

.~ . . .

Gasmengen darf in der Umwelttechnik praktisch immer von isothermen Vorgangen ausgegangen werden.

Sehr haufig werden Reinstoffe oder Gemische nahe venvandter Stoffe adsorbiert, zum Beispiel Losungsmittel aus der Abluft von Lackier- oder Entfettungsanlagen im Automobilbau, in anderen Fallen Gemische sehr verschiedenartiger Substanzen, die sich auf dem Adsorptionsmittel gegenseitig verdriingen (siehe auch Abschnitt 4.2.3), zum Beispiel beim Einsatz von Adsorptions-"filtern" im Rauchgasstrom hinter Mullverbrennungsanlagen. Die Gleichungen nach Freundlich oder Langmuir des Verlaufs der Adsorptionsisothermen sind d a m nicht mehr gultig. In der Regel wird die Gleichgewichtsbeladung geringer, was in Abhfingigkeit von der Affnitat des Adsorptivs zum Adsorbens unterschiedlich stark ausfallen kann. Diese Effekte der Koadsorption oder konkurrierenden Adsorption konnen durch Korrekturterme in den Isothermengleichungen beriicksichtigt werden [4.84]. Oft ist es allerdings trotzdem erforderlich, experimentelle Untersuchungen durchzufuhren und f i r die Komponenten des jeweiligen Stoffgemisches die Gleichgewichtsbeladungen in Abhiingigkeit von den Konzentrationen in der Gasphase festzustellen. Das Adsorbens ist, wie bereits geschildert, in allen Fallen ein poroser Feststoff. Die Poren werden unterteilt in - Makroporen (> 25 nni) - Mesoporen (2 nm ... 25 m i ) -

Mikroporen (< 2 run)

Die Oberflache dieser Poren im Inneren des Feststoffs ubersteigt bei allen brauchbaren Adsorbentien die auflere Oberflache betrachtlich. Die Oberflache insgesamt ist praktisch unabhangig von der Korngrone des Adsorbens. Allerdings ist sie insbesondere bei groflen Kornern nur schwer zuganglich mit der Konsequenz, dal3 sich das Gleichgewicht nicht spontan einstellt, sondern erst allmahlich durch DiSfusion. Wenn kleinere Korner fur die Adsorption gunstiger sind als groRe, d a m wegen der kiirzeren Diffusionswege. Im einzelnen setzt sich der Stofftransport aus folgenden Schritten zusammen: -- Uberwiegend konvektiver Stoffubergang aus der Abgeberphase an den Grenzfilm urn das

-

Adsorbenskorn (auRerer Stofftransport) Diffusion durch den Grenzfilm

-

Diffusion im Porensystem

-

Anlagerung an die Oberflache oder eigentliche Adsorption

Die Diffusion im Porensystem kann dabei als Diffusion im Porenfluid oder auch als Oberfluchendiffusion, also als Wanderung der bereits adsorbierten Molekule auf der Oberflache, er-

4.2 Adsorption

125

folgen. In der Regel ist die Diffusion trotz dieser beiden parallelen Wege der langsamste Teilschritt und damit geschwindigkeitsbestimmend.

4.2.2

Adsorptionsmittel

Je nach Adsorptiv werden unterschiedliche Adsorptionsmittel eingesetzt. Am haufigsten sind Aktivkohle und, wegen des gunstigeren Preises, Aktivkoks. Aktivkohle zeichnet sich durch eine riesige innere Oberflache von bis zu 2000 m2/g aus und ist ein nahezu ideales Adsorptionsmittel fir das Entfernen verschiedener Stoffe sowohl aus der Abluft, aber auch aus der Flussigphase [4.85]. Die spezifische Oberflache von Aktivkoks liegt eher in der GroRenordnung von 600 m2/g. Die Aufnahmekapazitat ist entsprechend geringer. Aktivkohle gibt es in verschiedenen Ausfuhrungen. Sie unterscheiden sich in der - Aktivierung der Oberflache - und in der KorngroBe Aktivkohle wird auf verschiedenen Wegen hergestellt, zum einen durch chemische Verfahren, zum anderen durch trockene Destillation oder Verkokung des Vielstoffgemisches Kohle oder auch von Holz [4.85, 4.861. Ausgetrieben werden dabei die haufig aromatischen Kohlenwasserstoffe, und zuruck bleibt das nackte Kohlenstoff-Skelett mit vielen nicht abgesattigten Stellen, die sich als aktive Zentren besonders f i r die Adsorption eignen. Nicht zusatzlich behandelte Aktivkohle ist elektrostatisch vollig neutral und unpolar und bindet selektiv organische, unpolare Stoffe. Wasser mit seiner ausgepragten elektrostatischen Dipol-Eigenschaft wird kaum adsorbiert. Es besteht aber die Moglichkeit, an die Oberflache gezielt polare Gruppen chemisch zu binden, so daB dann besonders Stoffe wie Wasser oder Schwefeldioxid, S02, zuruckgehalten werden. Entsprechend praparierte Aktivkohle wird kommerziell angeboten. Naheres ist im Bedarfsfall den Unterlagen der Herstellerfirmen zu entnehmen. Die pharmakologische Wirkung der Kohletabletten bei Durchfallerkrankungen und Vergiftungen [4.76, 4.87, 4.881 beruht ubrigens ebenfdls auf der Anlagerung - hier der Krankheitserreger oder Giftstoffe - in den Kluften und Kanalen des Adsorptionsmittels. Kohle wird sogar von einigen wild lebenden Affen nach Verzehr giftiger Pflanzen genutzt [4.89]. Grundsatzlich kann man mit Aktivkohle Abluft, aber auch Zuluftstrome behandeln, zum Beispiel in der Reinraumtechnik. Anwendungen sind (nach [4.78]) folgende Abscheideaufgaben:

126

-

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

Losungsmittel, aliphatische, aromatische oder chlorierte Kohlenwasserstoffe aus der Kunststoff-, der Automobil-, der Maschinenbau- und der Druckindustrie

Geriiche aus der Nahrungsmittel- und Kosmetikindustrie - Kerosin aus dem Flughafenbereich und der Petrochemie -

- Schwefeldioxid und Kohlenwasserstoffe in der Zulufiaufbereitung zum Beispiel fur Muse-

en - Organika, Schwefelwasserstoff, HzS, Mercaptane, R-SH, in der Abgasreinigung -

Teer und Phenol in Zigarettenfiltern

- Halogene, Aldehyde, Aromaten, Schwefelverbindungen in verschiedenen Anwendungsbe-

reichen -

Kohlenwasserstoffe aus Kraftfahrzeugtanks [4.79]

-

Kohlenwasserstoffe aus Tanklagern

Auch konnen Prozengasstrome wie zum Beispiel Wasserstoff mit Aktivkohle gereinigt werden. Es ist also eine Gastrennung moglich. Voxfibergehend kann man unter bestimmten Bedingungen sogar Edelgase an Aktivkohle adsorbieren. Auf das Buch von Kienle/Bader, “Aktivkohle und ihre industrielle Anwendung” sei hier ausdrucklich hingewiesen [4.88]. Ein zweites sehr beliebtes Adsorptionsmittel sind Zeolifhe, in der Natur vorkommende Mineralien

-

zum Beispiel auf der Seiser Alm in Sudtirol [4.90] - die aber auch kunstlich

hergestellt werden. Extrem vergronert ahnelt die Kristallstruktur wirksamer Zeolithe den TOtenkopf- oder Knochenschlusseln, die jeder Radfahrer kennt (Abb. 4-21). Die Offnungen im Kristallgitter sind so groR, daR die abzuscheidenden Molekiile zwar hineingelangen konnen, aber nur sehr verzogert wieder freigesetzt werden. Wegen der andersartigen physiaklischen Wirkzusammenhange haben die Adsorptionsisothermen f i r Zeolithe nicht die beschriebene SForm. Fur spezielle Zwecke sind weitere Adsorptionsmittel bekannt, unter anderem Aluminiumoxid [4.9 11. Bei der ebenfalls technisch bedeutsamen Adsorption aus der Flussigphase er-

reicht man hier die Grenze zu den Ionenuustauschverfuhren [4.1]. Generell muR das Adsorptionsmittel experimentell ausgew;ihlt werden. Neben der Adsorption der abzuscheidenden Gaskomponente ist die unfreiwillige Ruckhaltung von I-iochsiedern und Wasserdampf zu beachten, da durch diese Vorgange die Kapazitat des Adsorbers reduziert wird. Auch ist zu prufen, inwieweit die Desorption mit Problemen verbunden ist [4.92].

4.2 Adsorption

127

Abb. 4-21: Typische Zeolithstruktur

4.2.3

Adsorberbauarten im Vergleich

Sol1 das Adsorptionsmittel im Apparat eine geschlossene Schicht bilden, entweder ein Fesfoder ein Wanderbett, dann ist der Druckverlust eine wesentliche technische GroBe. Da die

Adsorptionsgeschwindigkeit diffusions-kontrolliert ist, sind moglichst kurze Wege und entsprechend kleine KorngroBen zwar vorteilhaft, fuhren aber zwangslaufig zu einem hohereti

Stromungswiderstand. Wirtschaftlich gunstiger ist es, groRe, stromungstechnisch besser geeignete Brocken zu wahlen und in Kauf zu nehmen, daR sich in ihrem Inneren niemals Gleichgewicht einstellt. Das Adsorberbett ist entsprechend groBer zu dimensionieren. Die wirtschaftlich optimale KorngroRe ist ein KompromiR. Dabei kommt es nicht nur auf die mittlere KorngroBe, sondern auch auf die KorngroRenverteilung an; denn wenn sich kleine Korner jeweils in die Zwickel zwischen den groReren legen, ist der Druckverlust deutlich grofler, als sich rechnerisch unter der Annahme einer konstanten gemittelten KorngroRe ergibt (vgl. Abschnitt 2.2.3). Das Festbettverfahren arbeitet naturgemaB diskontinuierlich. Das Adsorbensbett wird nicht bewegt. Besonders vorteilhaft ist das, wenn mechanisch instabile Aktivkohle eingesetzt wird. Unfreiwillige Mahlvorgange unterbleiben. Sol1 der Koks regeneriert werdrn oder adsorbiert man kein Stoffgemisch, sondern nur einen Reinstoff, zum Beispiel ein Losungsmittel, das man durch Desorption anreichern und zuriickgewinnen mochte, dann venvendet man am besten das Festbettverfahren in einem Adsorberturm (Abb. 4-22). Die Verhaltnisse sind hier besonders ubersichtlich. Das Gasgemisch

128 - -

~

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe -

____._

-

strijmt von unten nach oben durch das ruhende Adsorbens. Im Adsorber sind drei Zonen zu unterscheiden: die Zone, in der sich das Gleichgewicht zwischen der Eingangskonzentration im Gas und der Beladung auf dem Adsorptionsmittel bereits eingestellt hat und keine Adsorption mehr stattfindet (I in Abb. 4-22), die Adsorptionszone, in welcher das Adsorptiv dem Tragerstrom entzogen wird (11), und die Zone, in der noch unverbrauchtes Adsorbens gespeichert ist (111). Die Adsorptionszone (11) wandert langsam von unten nach oben durch den Apparat. Ihre genaue Lage als Funktion der Zeit laBt sich durch Bilanzieren bestimmen: Das Produkt aus bereits gereinigter Gasmenge und der Differenz aus ihrer Eingangs- und Ausgangsbeladung ist gleich dem Produkt aus bereits beladener Adsorbensmasse und ihrer Beladung: (4-78 )

Dabei bedeuten:

V c w s

M,

bereits gereinigtes Gasvolumen in m3 Restschadstoff-Beladung hinter dem Adsorber in kmol J m3 c , , ~ ,=, 0~ fur X,,= 0 relative Molekulmasse (Molekulargewicht) des Schadstoffs in kg J kmol

m(1) Xi, o

Adsorbermasse in Zone (I) Beladung des unverbrauchten Adsorptionsmittels X f . = 0 bei Venvendung frischen Materials

Fur die Adsorptionszone charakteristisch ist, daB in ihr kein Gleichgewicht herrscht und hier die eigentliche Adsorption stattfindet. Im Idealfall ist sie sehr schmal und klar umgrenzt. 1st allerdings die Diffusionsgeschwindigkeit der Adsorption klein im Vergleich zur Stromungsgeschwindigkeit des Gases, dann ist sie breit und venvaschen. Der obere Bereich des Adsorbers (Zone 111) enthalt unbeladenes Adsorptionsmittel. Das durchstromende Gas steht hierzu im Gleichgewicht. 1st das Adsorptionsmittel frisch und zuvor nie beladen und wieder regeneriert worden, dann kann es vollig schadstofffrei sein. Gleichgewicht bedeutet in diesem Fall nach den oben angegebenen Gleichungen, d d auch das Gas unbeladen ist.

4.2 Adsorption ~-

129 -

~~

-

Reingas oder saubere Abluft

Gasstrom c, =

/ Adsorbens

C,.m

-

c, in kmol/m3x, in k g k g

schadstoffbeladenes

Gas Abb. 4-22: Diskontinuierliche Adsorption in einem Turm. Cl,ein: Schadstoffkonzentration in] ungereinigten Gas. In Zone (I) ist X;im Gleichgewicht zu C,,

Sobald die Adsorptionszone das obere Ende der Schiittung erreicht, findet man Spuren des Adsorptivs hinter dem Adsorber. Wegen des Durchbruchs mun des Apparat aus dem Prozen genommen werden. Um dennoch einen quasikontiiwierlichen Betrieb zu erreichen, ordnet man bis zu vier Adsorberturme nebeneinander an, leitet das Gas in einen anderen Adsorber um und beginnt mit dem Regenerieren, meistens im Gegenstrom mit trockenem, also uberhitztem Wasserdampf. Weitere Schritte zur Vorbereitung des nachsten Adsorptionszyklus sind das Trocknen und das Kuhlen [4.93,4.94].

130

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe -

-. _ _-

.

..

Geht im Verlauf des Prozesses die Eingangsbeladung im Gas zuruck, dann wird im unteren Bereich des Adsorbers Schadstoff freigesetzt und weiter oben wieder angelagert. Man erhalt unten zusatzlich eine Desorptionszone (Abb. 4-23). Die Aufnahmekapazitat des Adsorptionsmittels wird geringer. Die Adsorption wird geme zum Auffangen von organischen Losungsmitteln aus der Abluft von Lackieranlagen eingesetzt. Bein Regenerieren werden sie erheblich aufkonzentriert und konnen durch Kuhlen auskondensieren. Vielfach bilden sich dabei, besonders, wenn zum Austreiben Wasserdampf verwendet wird, zwei ineinander nicht mischbare Fliissigphasen, in denen jeweils nur eine sehr geringe Restmenge der anderen Flussigkeit gelost ist. Sollte das Restwasser im Losungsmittel storen oder der Losungsmittelanteil im Wasser okologisch bedenklich sein, dann kann man die betreffende Phase durch Rektifikation reinigen. Diese

Abb. 4-23: Beladungsprofile mit im laufenden Prozel3 stufenartig gesenkter Eingangsbeladung

4.2 Adsorption

131

Kombination aus mechanischer Abscheidung und Rektifikation heifit auch Heferoazeofrop-

Rekffihfion([4.2], dort Abschnitt 2.5.1.7). Abbildung 4-24 zeigt eine Festbett-Adsorptionsanlage auf Zeolithbasis, die Abluft aus Extrudern reinigt. Hier wird thermisch regeneriert, und zwar durch Einsatz eines Brenners, der gleichzeitig die Schadstoffe endgiiltig vernichtet (siehe auch Abschnitt 4.5). Im Bereich der Mullverbrennung sind, wie bereits gesagt, die Verhaltnisse auf dem Adsorptionsfilter ungleich komplizierter, da nicht nur ein Adsorptiv vorliegt, sondern mehrere, die sich gegenseitig verdrbgen, und auBer der Adsorption noch andere physikalische und chemische Vorgange stattfinden [4.96,4.97]. Es lohnt hier allerdings in der Regel nicht, durch Desorption das Filter zu regenerieren oder gar einen abgeschiedenen Stoff zur weiteren Nutzung zuriickzugewinnen. Das Koksfilter wirkt als: 1. Partikelfilter fur Staube 2. Adsorbens fur Schwermetallverbindungen, auch f i r Quecksilber, Hg, [4.97] 3. Adsorbens fur Salzsauregas, HCl, und Schwefeldioxid, SO1 4. Adsorbens fur organische Verbindungen wie zum Beispiel - polychlorierte Dibenzo-Dioxine, PCDD - polychlorierte Dibenzo-Furane, PCDF - polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, PAK 5. Katalysator zur Entstickung mit Ammoniak (siehe auch Abschnitt 4.3 [4.96,4.98,4.99]) Ein Aktivkoksfilter hinter Staubabscheider und NaRwasche “bugelt” Unregelmanigkeiten vorgeschalteter Stufen aus, da es sehr verschiedenartige Reinigungsaufgaben ubernehmen kann. Viele Anlagen der Chemie, der Energieerzeugung und der Entsorgungswirtschaft sind historisch gewachsen. Immer neue Nachriistungen von Schadstoffabscheidem unterschiedlicher Prinzipien fuhrten zur Uberdimensionierung: Bei der Auslegung des Filters ist nicht berucksichtigt worden, dal3 auch ein nachgeschalteteter Ab- oder Adsorber gewisse Filtereigenschaften hat. Ebenso kann ein Adsorber die Aufgaben eines vorgeschalteten Absorbers zum Teil mit ubernehmen (Neukirchen, B., Firma Steag Entsorgung Herten, Diskussionsbeitrag auf dem GVC-Symposium Abfallwirtschaft in Wiirzburg, 1994). Je nach historischen und ortlichen Randbedingungen konnen kombinierte Rauchgasreinigungsanlagen in ihrer Konzeption deutlich voneinander abweichen, ohne dal3 dieser Sachverhalt durch eine unterschiedliche Rohgaszusammensetzung begriindet sein mufi [4.100].

132

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe ~-

--

_. .

Kompakt-System mit

Compacl~Systemwith

Zeolithe-Behalter und

Zeolite-tanks and Direct Thermal Oxidation DTO

Direkter Thermischer

__

~~

Ox dotion DTO

Festbett~Abluftreinigungsanlage fur Extruder in der Verpockungs-

Fixbed air treatment equipment for extruders in the packaging

industrie

industries

Abb. 4-24: Festbett-Adsorptionsanlage auf Zeolithbasis, mit freundlicher Genehmigung der Firma GEC ASTHOM [4.24]

4.2 Adsorption

133

Wie im folgenden durch Beispiele gezeigt wird, gibt es insbesondere hinter Mullverbrennungsanlagen einige erfolgreich arbeitende Aktivkoksadsorber im Wanderbettverfahren. Die Feststoffschiittung ruht hier nicht, sondem wird uber Zellenradschleusen kontinuierlich von oben in den Apparat eingetragen und unten wieder abgezogen. Im optimalen Betrieb wandert die aktive Zone deshalb nicht, weil ihre Steiggeschwindigkeit vorzeichenverkehrt der Sinkgeschwindigkeit des Adsorptionsrnittels entspricht. Entsprechend der Zahl der zu adsorbierenden oder auch nur mechanisch zu filtrierenden Stoffe gibt es im strengen Sinnne nicht eine, sondern mehrere aktive Zonen ubereinander, in denen jeweils ein anderer Stoff oder eine Fraktion abgeschieden wird. Auch kann es zu partiellen Freisetzungen infolge der konkurrierenden Adsorption kommen (Abb. 4-25) [4.101,4.102].

I Aktivkoks

-

Reingas

+

Rohgas

I HCI

SO2

Hg

Dioxin

//

134

4 Abscheidung gasfomiger Schadstoffe -.

.-

-

~

_

_

_

_

_

. _

.

Neben Wanderbettadsorbern im Gegenstrom gibt es auch solche in Querstrom-Anordnung (Abb. 4-26) oder Mischformen [4.91]. Auch rotierende Betten sind moglich, allerdings wegen der Probleme beim Austausch des Adsorptionsmittels nur fur schwach- bis mittelbelastete Abluftstrome [4.103]. Der beladene Koks aus Miillverbrennungsanlagen wird als Sondemull deponiert (Herten, Dusseldorf-Lausward). Theoretisch moglich ist auch, beladenen Koks zu verbrennen und die Rauchgase erneut dem Filter und dem Absorber zuzufuhren. (Es ergeben sich daraus negative, aber sauber bilanzierbare Konsequenzen fur den Gesamtabscheidegrad. Adsorbierte organische Stoffe werden gronenteils verbrannt, andere angereichert.) Genehmigungstechnisch durfie diese Losung aber schwerer durchsetzbar sein. Gelegentlich, wenn die Druck- und Geschwindigkeitsverhaltnisse es nahelegen und die Abriebfestigkeit des Adsorptionsmittels dieses gestattet, wird die Adsorption im Flugstrom durchgefuhrt, zum Beispiel bei der Direktentschwefelung (siehe auch Abschnitt 4.1. l), oder auch in der Wirbelschicht [4.99, 4.1041. Zu unterscheiden ist zwischen der stationuren Wir-

belschicht, die so ausgelegt ist, dal3 die Adsorptionsmittel-Korner zwar aufgewirbelt werden, nicht aber mit dem gereinigten Gas ausgetragen werden konnen, und der zirkzrlierenden. Die Stromungsverhaltnisse in der stationaren Wirbelschicht sind so, daI3 bezogen auf das Einzelkorn das Eigengewicht groner ist als der Luftwiderstand, es also rasch nach unten sinkt. Aufgewirbelt wird die groBe Masse der Korner aber deswegen, weil sich in den engen Zwischenraumen eine wesentlich hohere Gasgeschwindigkeit ergibt und die Widerstandskraft erst nach dem Aufwirbeln kleiner oder gleich ist als das Gewicht. Die Kontaktzeit zwischen Gas und Wirbelgut ist hier prinzipbedingt recht kurz. Anders sind die Verhaltnisse in der zirkulierenden Wirbelschicht. Das Austragen der Feststoffteilchen wird geduldet. Ein im Gasstrom nachgeschalteter Zyklon, manchmal auch ein Gewebefilter [4.105], scheidet hier die Feststoffpartikel ab und fuhrt sie wieder zuruck. Der Vorteil der Wirbelschicht ist in der Verbesserung des Stoffaustauschs gegenuber den Verfahren mit ruhenden Adsorptionsmitteln zu sehen. Die zirkulierende Wirbelschicht erlaubt zusatzlich Kontaktzeiten, die denen in1 Festbett entsprechen. Ein kritischer Punkt ist die mechanische Festigkeit des Adsorptionsmittels, bei der Mullverbrennung ublicherweise Herdofenkoks. In der Tendenz wirkt der Wirbelschichtreaktor wie ein Zerkleinerungsapparat. Die Grenze zwischen der Absorption und der Adsorption ist flienend. Wirbelschichtadsorber unmittelbar hinter dem Kessel eines Kraftwerks, in die Kalkhydrat, Ca(OH)l, und eine geringe Wassermenge getrennt eingegeben werden, absorbieren Schwefeldioxid und Halogenide nach den Reaktionsgleichungen, die fur das Halbtrockenverfahren der Entschwefelung

NH,

Reaklor

14

12 13

3an?ferhi'rer KLiler hl I, Geblase

3 Vorlage i-ledo'enkoks (YOtGBraLnkohle) 4 Vorlage rormakl vkoks (FAK-Sleinkohle) 5 Hesc~ickun3sschnecken 6 Ve-leilerschneckw 7 Seb 8 HO.i-Sil0 9 Dosierschnecke 0 SenkrecPl-Forderer 11 Hubmg

2 ~eri~ku'artons-Geblasc

1

Rohgas

Dampf

Luft

h

7

A ,,.I

10

R P ~-

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe ~~~

-

- -

~

~

vorgestellt worden sind j4.631 (siehe auch Abschnitt 4.1.2). Auch gibt es vielversprechende Versuche n i t bewasserten Aktivkoksadsorbern [4.106]. Aktivkoksfilter fur die Mullverbrennung arbeiten bei etwa 120 'C. Eine niedrigere Temperatur ist wegen der Kapillarkondensation von Wasser nicht sachgerecht, eine hohere ergabe ein zu schlechtes Adsorptionsgleichgewicht oder liefe auf eine ungunstige Adsorptionsisotheme hinaus. Beim Anfahren von Anlagen ist notfalls ein Bypassbetrieb so lange aufrechtzuerhalten, bis der Adsorber andenveitig aufgewarmt worden ist (Abb. 4-26), oder dieser ist vorher auf Betriebstemperatur zu bringen. Aktivkohle und -koks in Adsorbern werden teilweise oxidiert. Wahrend praktisch der Gehalt aller anderen Schadstoffe gesenkt wird, ist der Gehalt an Kohlenmomoxid, CO, des gereinigten Gases hinter einem Adsorber auf Aktivkohle- oder -koksbasis erhoht. Speziell fur die Mullverbrennung sind aufwendige MeRverfahren durchgefuhrt worden, die diesen Effekt zeigen (Schmidt, K. G., Institut fur Umwelttechnologie und Analytik (IUTA), Duisburg und

Universitat-GH-Duisburg, Duisburg, diverse mundliche Mitteilungen 1992 ... 1995). Daruber hinaus ist es in Fest- und Wanderbettreaktoren in der Vergangenheit imnier wieder zu S'chwlbrCinden gekornmen (Dusseldorf-Lausward. Herten), die sich auf bestirnmte heine Zentren irn Koksbett, sogenannte h a spo~s,konzentrieren [4.107]. Die Zundtemperatur des Aktivkokses liegt bei etwa 200 bis 400 'C, laBt sich also nur ungenau angeben. Erster Hinweis auf einen Schwelbrand ist ein deutlich erhohter CO-Wert. Das einfachste Loschverfahren besteht darin, den Adsorber kurzzeitig aus dem Verfahren herauszunehmen und in einem getrennten, in sich geschlossenen Kreislauf so lange mit Rauchgas zu durchspulen, bis die Reaktion wegen Sauerstoffrnangels zurn Erliegen kommt. Ein Spezialproblem, das allerdings bei der Verbrennung besonderer Mullfraktionen, zum Beispiel Krankenhausmull, und rnakabrerweise in Krematorien (wegen des Amalgams in Zahnplomben) auftritt, ist der Gehalt an Qziecksilber, Hg, und seiner Chloride, HgCl und

HgC12, im Rauchgas. Die im Labor ermittelten Adsorptionsisothermen mit Aktivkoks sind akzeptabel; die Einstellung des Gleichgewichts dauert aber so extrem lange, daB entgegen der Erfahrung [4.104] eine Adsorption in der Praxis eigentlich nicht moglich sein durfte. Es zeigt sich, daB nur in Gegenwart von Schwefeldioxid, SOz, oder Schwefelsaure, H2S04, Quecksilber schnell und sicher zuruckgehalten wird [4.97]. Praktiker kennen den Effekt, daB ein extrem guter Schwefelabscheidegrad im Wascher hinter einer Verbrennungsanlage mit einer unbefriedigenden Quecksilberadsorption im nachgeschalteten Adsorber auf Aktivkohle-Basis einhergeht (Herbell, J.-D., Institut fur Umwelttechnologie und Analytik (IUTA), Duisburg und

4.2 Adsorption

137

Universitat-GH-Duisburg, vormals Leiter der Mullverbrennungsanlagen Ebenhausen bei Ingolstadt, diverse mundliche Mitteilungen 1993 ... 1995). Offenbar wird Quecksilber chemisch

sorbiert, ohne dal3 die Einzelheiten gekliirt sind. Der Autor hat eine Adsorptionsisotherme fur metallisches Quecksilber an mit Schwefelsaure dotierter Aktivkohle messen lassen [4.108] und extrem hohe, in der Praxis sicherlich nicht realistische Beladungen gefunden. Nach neuesten Berichten [4.28] liegen metallisches und ionisches Quecksilber im Abgas von Mullverbrennungsanlagen nebeneinander vor, wobei der Anteil des ionischen mil dem Chloridgehalt steigt. Das metallische Quecksilber reagiert mit der Schwefelsaure, der schwefligen Saure oder dem Schwefeldioxid in Gegenwart von Sauerstoff zu Quecksilbersulfat, wahrend das ionische Quecksilber in wasserloslichem und somit absorbierbarem Salz vorliegt (siehe auch Abschnitt 4.1.1). Eigentlicher AnlaB fiir den Einbau von Aktivkoksfiltem hinter einigen Verbrennungsanlagen fur Sondermull (Herten, Diisseldorf, Ebenhausen) war die Diskussion um polychlorierte Dibenzo-Dioxine und polychlorierte Dibenzo-Furane [4.109], die nachweislich bestens in derartigen Filtem zuriickgehalten werden (Reitz, P., Firma AGR, Herten, Pressekonferenz auf der Envitec 1992 in Dusseldorf). Diese polychlorierten aromatischen Kohlenwasserstoffe haben grundsatzlich den dargestellten Aufbau (Abb. 4-27), wobei die vierte Bindung an den einzelnen Kohlenstoffatomen sowohl mit einem Wasserstoff- als auch mit einem Chloratom erfolgen kann. Polychlorierte Dibenzo-Dioxine und polychlorierte Dibenzo-Furane sind extrem giftig. Die Toxizitat hangt allerdings stark von der Zahl und dem Ort der Chlorbindungen ab. Am gefahrlichsten ist eindeutig das 2,4-Dichlor-Dibenzo-Dioxin(in Abb. 4-3 1 beispielhaft dargestellt). Fiir andere polychlorierte Dibenzo-Dioxine und Furane bestimmt man einen Toxizitats-uquivalentsfaktor, TEF, der ihre relative Giftigkeit im Vergleich hierzu angibt. Alle TEF liegen unter 1. Die Literaturdaten und die daraus abgeleiteten Vorschriften widersprechen allerdings einander. In Einzelfallen kann der Toxizitals-aquivalentsfaktor,TEF, um den Faktor 2 zwischen BGA einerseits und NATO CCMS andererseits abweichen (Krause, H., Landesumweltamt, Bewertung von Dioxinen unter okotoxikologischen Gesichtspunkten, Vortrag, Essen 1994). Unter den Bedingungen, die in Verbrennungsanlagen herrschen, werden polychlorierte Dibenzo-Dioxine und Furane sicher zerstort. Das eigentliche Problem ist die Neubildung oder De-novo-Synthese unter folgenden I3edingungen: - Temperaturen um 200 bis 600 OC - Anwesenheit von Kohlenstoffverbindungen, insbesondere von Aromaten - Anwesenheit von Halogenen, vor allem von Chlor

138

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe _

..

..

Dioxin (prinzipieller Aufbau)

Furan (prinzipieller Aufbau)

2,4-Dichlor-Dibenzodizyklodioxin

Abb. 4-27: Polychlorierte Dibenzo-Dioxine und Furane, prinzipieller Aufbau -

Gegenwart von Kupfer als Katalysator

- GroBer Sauerstoffuberschufi

Fur die sichere Ruckhaltung reicht es nach Vogg aus, ein Gewebefilter so zu fahren, dafl sich

auf den Filterschlauchen ein kohlenstoffhaltiger Filterkuchen bildet. Dieser hat zusatzlich die Eigenschaften eines Adsorbers (Vogg H., Kernforschungszentrum Karlsruhe, Vortrag im Dechema-Haus, Frankfurt 1994). Fur die Adsorption speziell von Quecksilber und polychlorierten Dibenzo-Dioxinen und -Furanen gibt es auch entsprechend modifizierte Zeolithe, die eine Standzeit von mehreren Jahren haben. Beim thermischen Regenerieren werden die organischen Stoffe zerstort. Quecksilber wird kondensiert und zuruckgewonnen [4.1 lo]. Hinter Kraftwerken, Mullverbrennungs- und ahnlichen Anlagen werden in aller Regel mehrere Reinigungsstufen konibiniert. Die haufigste Reihenfolge ist: Staubabscheider - Absorber - Adsorber oder Katalysator (siehe Abschnitt 4.3). Ausnahmen sind aber moglich. In mindestens einem Fall (Rauchgasreinigungsanlage der Mullverbrennungsanlage, die die Firma

4.3 Katalytische Abgasreinigung

139

R&T Entsorgung auf dem Gelande der DEA-Raffinerie Wesseling betreibt) ist ein Flugstromadsorber auf Aktivkoksbasis direkt einer Wasche vorgeschaltet. Hier adsorbiert das identische Adsorptionsmittel zunachst aus der Gas- und dann weiter aus der Flussigphase. Kapillarkondensation ist bei dieser Schaltung selbstverstandlich nicht moglich. Die Isothermen der Adsorption aus der Gas- und aus der Flussigphase sind ungleich. Auf diese Weise wird zwar auch die Flussigkeit gereinigt, aber es wird eine zusatzliche Feststoffabscheidung erforderlich [4.3061. Die Adsorption, eventuell in Kombination mit der Desorption, ist nicht nur ein eigenstandiges, vielseitiges Verfahren, sondern sie spielt auch eine Rolle als Vorstufe bei der kafalyti-

schen Gasreinigung (siehe Abschnitt 4.3), weil sie erst den Kontakt zwischen Adsorptiv und Katalysator herstellt, und bei der biologischen Abluftreinigung (siehe Abschnitt 4.5), wo die Schadstoffe vielfach so lange adsorptiv festgehalten werden, bis sic von den Mikroorganismen verzehrt werden. Auch werden Adsorber gelegentlich hinter Biofilfern eingesetzt, wenn deren Ruckhalte- beziehungsweise Abbaueigenschaften alleine nicht hinreichend sind (siehe auch Abschnitt 4.5).

4.3

Katalytische Abgasreinigung

4.3.1

Grundlagen

Kalalysatoren sind Stoffe, in deren Anwesenheit bestimmte chemische Reaktionen beschleunigt ablaufen, obwohl sie scheinbar unbeteiligt sind. Wenn der Katalysator einen anderen Aggregatzustand hat als die Reaktionspartner, spricht man von heferogener Karalyse. Nur dieser Fall ist hier interessant [4.75]. Chemische Reaktionen finden oft nicht spontan statt, auch wenn die Lage des chemischen Gleichgewichts es nahelegt. Es ist zum Beispiel problemlos moglich, Holz oder Kohle an der Umgebungsluft uber Iangere Zeitraume zu lagem, ohne dal3 es zu der eigentlich zu envartenden Verbrennungsreaktion kommt. Das System befindet sich in einem mefastabilen Zustand, einem Pseudogleichgewicht. Dieses kann nur unter Zufuhr von Aktivierungsenergie verlassen werden, wenn auch deren Betrag vie1 geringer ist als derjenige, der bei der Reaktion frei wird. Im obigen Beispiel kann sie bereits durch ein Zundholz aufgebracht werden, mit dessen Hilfe punktuell eine sehr hohe

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

140 ..-

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Temperatur erzeugt wird. Herrscht diese Temperatur in weiten Bereichen, dann kornmt es zum Brand. Katalysatoren haben die Eigenschaft, die Hurde der Aktivicrungsenergie zu beseitigen oder erheblich zu reduzieren. Sie verschieben aber in keinem Fall die Lage des Gleichgewichts oder verandern die Stochiometrie oder die Reaktionsenthalpie, wenn man davon absieht, daR letztere aus thermodynamischen Grunden von der Temperatur abhangt. (Nebenbei sei erwahnt, daR uber die Richtung der chemischen Reaktion zum chemischen Gleichgewicht nicht die frei werdende Warme entscheidet, sondem die freie Enthalpie nach Gibbs - Bucher uber Thermodynamik oder physikalische Chemie, zum Beispiel [4.111] -, und in Einzelfallen auch endolherrne Renk~ioncn,also solche, die mit einer Abkuhlung verbunden sind, ohne weiteres ablaufen konnen. Die niolare freie Enthalpie heifit auch Chernisches Potential.) Naturlich ist ein Katalysator aktiv an der chemischen Reaktion beteiligt, auch wenn er nicht umgesetzt wird. Im wesentlichen wirkt er als Adsorber [4.75] fur einen oder mehrere der Reaktanden. Durch die Adsorption - zumeist eine Chemisorption - vergronern sich die Atomabstande in den Molekulen der Edukte [4.1 121, in Einzelfallen bis Zuni Molekulzerfall, oder verringern sich diejenigen der Reaktionspartner. Es ist mittlerweile gelungen. derartive Vorgange genau zu beobachten und sogar im Atommanstab zu photographieren [4.113]! Zu den einzelnen 'l'eilschritten der Adsorption sei auf Abschnitt 1 . 2 vcrwicsen. Ein wirksanier Katalysator niufi ahnlich wie ein Adsorber eine sehr g r o k spezifische Oberflache haben. Die unterstutzten cheniischen Reaktionen konnen sein: - Oxidations-

Reduktions-

Zersetzungsreaktionen Alle drei sind in der Praxis der Abgasreinigungstechnik von Bedeutung. Beispiele sind ~

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die nachtragliche Oxidation von Kohlenwasserstoffen, C,H,,, im Abgas zu Kohlendioxid, COl, und Wasscrdampf, HlO

-

die Uniwandlung der Slickoxide NO und NOl, beide gemeinsani auch als NO, bezcichnet,

-

zu Stickstoff. Nz, und Sauerstoff, 0 2 der Abbau von Ozor7, 03, zu nornialem Sauerstoff

In der Praxis ist es nicht moglich, eine katalytisch unterstutzte chemischc Reaktion theoretisch zu berechnen, den Realitor danach auszulegen und die erforderliche Menge an Katalysatormaterial festzulegen. Zu viele EinfluflgroRen sind entweder nicht hinreichend bekannt, oder ihre Berucksichtigung ware zu kompliziert. Hierzu gehoren die Daten, die den Stoffiransport durch Konvektion und Diffusion betreffen. Oft treten Inhomogenitaten der Stoffionzentratio-

4.3 Katalytische Abgasreinigung

141

nen auf, die sich der exakten Berechnung entziehen, insbesondere dam, wenn ein Reaktionspartner zuvor eingespriiht werden muJ3 (siehe auch Abschnitt 4.3.2, Rauchgasentstickung). Auf ausgedehnten Katalysatoren konnen Temperaturprofile in Stromungsrichtung und auch quer dazu auftreten. Die chemische Reaktion kann in Grenzfallen isotherm oder udiubat erfolgen und wird in der Praxis zwischen diesen Extremen liegen. In den meisten Fallen diirfte die Temperatur in Stromungsrichtung ansteigen. Bei groRen Gasmengen und geringen Schadstoffkonzentrationen ist die Warmetonung allerdings zu vernachlassigen. Schwieriger zu beurteilen sind die Temperaturprofile: quer zur Stromungsrichtung dann, wenn der Katalysator eine erhebliche Ausdehnung hat und das Gas zuvor mit Brennern auf die Reaktionstemperatur gebracht worden ist. In diesem Fall konnen hartnackige Temperaturstrzihnen auftreten. Die Zahigkeit oder Viskosirut von Gasen h h g t sehr von der Temperatur ab [4.114]. Heine Gase sind deutlich zaher als kalte und lassen sich nur schwer mit diesen mischen. Durch Verschmutzungen konnen Katalysatoren schnell ihre Adsorbereigenschaften verlieren und als Folge nicht mehr einwandfrei funktionieren. Bei der Auslegung eines Reaktors ist schon seine im Laufe der Zeit nachlassende Wirkung zu beriicksichtigen. Des weiteren wirken einige chemische Gasbestandteile als Kufalysatorgifie, die den Katalysator vorzeitig inertisieren. Bedingt konnen RuJblaser, die im folgenden Abschnitt n&er beschrieben werden (siehe Abschnitt 4.3.2), die Oberflachen periodisch reinigen und in einem aktiven Zustand halten. Neben chemischen und mechanischen Eigenschaften ist die Geometrie von Katalysatoren zu beachten. Katalysatoren werden als Granulat oder als Waben rnit quadratischer Lochteilung angeboten. Fur den Stromungswiderstand gilt das fur Adsorber gesagte (siehe Abschnitt 4.2). Letztlich sind Labor- und Techriikumsversuche mit den Originalgasen und -katalysatoren erforderlich, um die Abhangigkeit des Umsatzgrades von - Eintrittstemperatur - Raumgeschwindigkeit - Eintrittskonzentration zu erforschen und eine Auslegungsgrundlage zu erhalten.

4.3.2

Rauchgasentstickung

Die - neben der Reinigung von Autoabgasen mit einem Dreiwegekatalysutor - bekannteste Anwendung der Katalysatortechnik im Umweltschutz ist die Entstickung von Kraftwerksabgasen, die hier als Rauchgase bezeichnet werden (zur Zusammensetzung siehe Abschnitte

142 ~

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4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe --

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4.1.2 und 4.1.3). Die Reaktionstemperatur wird zwar durch den Katalysator herabgesetzt, liegt aber dennoch irn Bereich von etwas uber 300 OC. Die Hersteller versuchen allerdings standig, noch wirksamere Katalysatoren zu entwickeln, die rnit niedrigerer Ternperatur auskommen.

Irn Kraftwerk gibt es zwei mogliche Orte fur den Katalysatoreinbau. Der erste liegt zwir LUVO, also vor der Entstauschen Kraftwerkskessel und V e r b r e n n u n g s l u f ~ o n e oder bungs- und der Entschwefelungsanlage. Beim Anfahren, wenn die gesamte Anlage noch kalt ist, urngeht das Rauchgas den Entstickungskatalysator irn Bypass; irn Normalbetrieb hat es aber annahernd die optirnale Ternperatur. Mit etwa 300 “C verlaRt es den Kessel. Die restliche Warme wird irn LUVO weitgehend zurn V o r w h e n der frischen Verbrennungsluft ausgenutzt. Es darf aber nirgends so kalt werden, daR Wasser oder Schwefelsaure auskondensieren, was zu schwersten Korrosionsschaden fiihren wiirde. Dieser “naturliche” Ort der Entstickungsanlage hat einen gravierenden Nachteil: Das Rauchgas ist nicht entstaubt. Der Katalysator verschmutzt sehr schnell und ist trotz obligatorischen Einsatzes von RuBblasern in seiner Wirkung eingeschrankt. Eine andere geeignete Stelle fiir den Einbau einer katalytischen Entstickungsanlage liegt hinter der Entschwefelungsanlage. Das Rauchgas ist hier zwar zu kalt und enthalt oft Wassertropfen (siehe Abschnitt 4.1.2), aber es ist entstaubt. Nach Wiederaufheizung ist die Entstikkung hier effektiver durchzufuhren als bei der anderen Anordnung. Trotz ausgeklugelter Wurrneausrauscher und Warmeverschiebun~ssystemeist diese Entstickung am “kalten Ende” rnit Energieverlusten verbunden, die im anderen Fall nicht auftreten (Abb. 4-28) [4.50, 4.115 -4.1171. Alle gronen konventionellen Wiirmekraftwerke in Deutschland, rnit nur wenigen begrundeten Ausnahrnen wie dem Preussag-Kraftwerk in Ibbenburen, besitzen aus energetischen Grunden eine Entstickungsanlage am “hei8en Ende”, also direkt hinter dem Kessel. Mullverbrennungsanlagen und die rneisten Heizkraftwerke besitzen eine Entstickungsanlage am “kalten Ende”. (Gelegentlich wird auch in kleineren Anlagen die katalytische Entstickung vor die Entschwefelung geschaltet [4.118].) Fur die Rauchgasentstickung haben sich kerarnische Katalysatorwaben von etwa 500 mm bis maximal 1000 rnm Lange durchgesetzt, die rnit einer Leerrohrgeschwindigkeit von etwa 1,5 m/s angestromt werden. Die Offnungen haben einen quadratischen Querschnitt mit einer Kantenlange von 4.2 - 6 mm j e nach Staubgehalt des Gases (Abb. 4-29). Die wirksame Katalysatorschicht ist eine Mischung aus Titandioxid, TiO2, und Vanadiumpentoxid, v205. Grundsatzlich funktionieren aber auch Katalysatoren auf der Basis von Eisenoxid, Fez03 (Firma Didier). Eine weitere Moglichkeit sind Molekularsieb-Katalysatoren, deren Adsorptionsei-

4.3 Katalytische Abgasreinigung

143

genschafien auf der Wirkung von Zeolithen beruhen (siehe auch Abschnitt 4.2.2). Sie erfordern allerdings eine etwas hohere Reaktionstemperatur von 350 "C. Der Vorteil ist ihre unproblematische chemische Zusammensetzung [4.119, 4.1201. Auch diese etwas andersartigen Katalysatoren werden in der oben angegebenen Wabengeometrie angeboten. Die verfahrbaren RuRbltiser, die ubrigens auch zur Reinigung von regenerativen Warmeaustauschern benutzt werden konnen (siehe Abb. 4-15), werden in der Regel mit trockenem Wasserdampf von 4 bar Uberdruck betrieben und in einem so gronen Abstand zu den Waben angebracht, dal3 der kegelformig aus den Dusen austretende Dampf die Waben vollstandig beaufschlagt. Kalte Lufi zum Runblasen zu verwenden, ist nicht ratsam. Bei der polytropen Entspannung in den Diisen kuhlt sie sich erheblich ab und konnte die Keramik durch Abschrecken mechanisch beschadigen. Bei der Venvendung von Katalysatoren im nicht entstaubten Gas sind RuBblaser obligatorisch; im anderen Fall hangt die Entscheidung von den genauen Einsatzbedingungen ab. Anstromgeschwindigkeit, optimale Temperatur und die fiir den konkreten Einsatzfall erforderliche Menge an Katalysatormaterial werden vom Hersteller des Katalysators vorgegeben und sind somit keine strittigen Fragen der Auslegung. Anspruchsvoller sind die stromungsmechanischen Probleme und bei Einbau am kalten Ende auch der Warmehaushalt. Ammoniak, NH3, wird vor dem Katalysator zugefiihrt und reagiert mit den Stickoxiden, NO und NO*, nach den vereinfachten Gleichungen 4N0+4NH3+0,--+ 2N02+4NH3+02+

4N,+6HZO

(4-80)

3N,+6H,O

(4-8 1)

zu Stickstoff, N2, und Wasserdampf, H2O. Eine Regelung der Ammoniakzugabe mit dem Ammoniakgehalt der Rauchgase nach dem Katalysator als Regelgrofie funktioniert bislang nicht. Da ein gewisser Stickoxidschlupf geduldet wird, Ammoniak aber auch in geringen Konzentrationen zwar nicht als gefahrlich, aber als aunerst unangenehm gilt, wird es immer unterdosiert. Der Entstickungsgrad der katalytischen Entstickungsanlagen liegt bei etwa 90 %, der Ammoniakgehalt im Ausgang laut Vorschrif? bei hochstens 5 ppm (Groflfeuerungsanlagenverordnung (GFAVO), siehe auch Abschnitt 1.2).

144

__

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe .

------I

6

erdarnpfer

Katalysator

F r ischlu ft

Arnrnoniakbehalter

L

Dampferzeuger

Luftvorwarmer

SCR-Reaktor

a) Verfahrensschema bei Anordnung zwischen Kessel und Lufivorwarmer

Abb. 4-28: Mogliche Schaltungen einer Entstickungsanlage in einem Kraftwerk, mit freundli-

cher Genehmigung der Firma STEINMULLER [4-1161

4.3 Katalytische Abgasreinigung

145

I

Rohgos von REA ~

Regenerativer Warmetauscher

SCR-Reaktor

b) Verfahrensschema bei Anordnung nach REA

Kamin

I

146 ~

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4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe _

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Abb. 4.29: Katalysatoren (Werkfoto: DEGUSSA), rnit freundlicher Genehmigung der Firma NOELL-KRC [4- 1 161 Besonders wichtig ist die gleichmanige Ammoniakverteilung vor dern Katalysator. Am besten zieht man an einer geometrisch geeigneten Stelle, die sowohl vor als auch hinter dem Katalysator liegen kann, einen Rauchgasteilstrom ab und mischt ihm das Ammoniak zu, und zwar entweder als Dampf, was eine Anlieferung als Flussiggas und Verdampfung voraussetzt, oder als Ammoniakstarkwasser, einer Losung von NH3 in Wasser. (Zur Lagerung von Ammoniak siehe [4.121]. dort Kapitel 5.) Der Teilstrom wird uber mehrere Dusen oder einfache Rohroffnungen dem anderen Rauchgas wieder zugemischt. Am besten schaltet man im Gasstrom statische Mischer nach (zum Beispiel Sufzer-Mischer). um das Ammoniak gleichmaRig uber den Querschnitt des Rauchgasstroms zu verteilen. Die turbulente Vermischung erfordert Nachlaufstrecken hinter den eigentlichen Mischerelernenten. Mischer einschlieBlich der Nachlaufstrecken konnen die Lange des achtfachen Kanaldurchmessers erreichen. Die vorgegebenen Gebaudeabmessungen konnen allerdings als KompromiR eine kurzere Geometrie erzwingen. Bei Einbau eines Katalysators am kalten Ende hat das Rauchgas je nach Anlage und Entschwefelungsverfahren im Eingang der Entstickungsanlage eine Temperatur zwischen 60 "C und 130 "C. Es rnuR mit gas- oder olbetriebenen Kanalbrennern oder einem dampfbeheizten Warmeaustauscher wieder aufgeheizt werden. Als Brennstoff kommen neben Heizol und Erd-

4.3 Katalytische Abgasreinigung

147

~~

gas auch zu entsorgende flussige Reststoffe in Frage, insbesondere, wenn diese Stickstoffverbindungen enthalten [4.122]. Brenner mussen so weit vor der Zugabestelle des Ammoniaks installiert werden, daR dieses in den heil3en Strahnen nicht verbrennen kann. Die GleichmaRigkeit von Geschwindigkeit, Temperatur und Konzentrationen wird durch eine Netzmessung kontrolliert. Bei der Konzentrationsmessung, insbesondere auch der von Staub, erfolgt eine isokinetische Probenahme mit einer MeBlanze (siehe auch Kapitel 6 ) . Bei nachtraglich eingebauten Entstickungsanlagen bereitet die Netzmessung mit einer verschiebbaren MeBlanze oft geometrische Schwierigkeiten, da fiir das Einschieben durch einen geeigneten Stutzen ein entsprechender aderer Freiraum vorhanden sein muR. In konkreten Fallen verzichtet man notfalls auf schwer zugbgliche Menpunkte, wenn durch Symmetrieuberlegungen die Konzentrationen abgeschatzt werden konnen. Die Warmeokonomie erzwingt den Einbau eines Wtirmeaustauschers hinter der Entstikkungsanlage, in dem das Gas auf die fur den Naturzug und den Korrosionsschutz erforderliche Kamineintrittstemperaur abgekiihlt wird. Die zuriickgewonnene W i m e wird zur Unterstutzung des oben envahnten Brenners oder des dampfbetriebenen Warmeaustauschers eingesetzt. Technische Moglichkeiten sind ein rekuperativer Gas-Gas-Warmeaustauscher, ein Warmeverschiebungssystem mit zwei Warmeaustauschern, die uber eine Warmetragerflussigkeit miteinander verbunden sind, ein Warmerohr mit siedender Flussigkeit (zum Beispiel Firma GEA) oder - am haufigsten eingesetzt - ein rotierender Regenerator [4.45]. Letzterer ist systembedingt undicht. Je nach Druckgefalle wird ein gewisser Rohgasstrom ins Reingas stromen oder umgekehrt. Beim Bilanzieren und bei der Berechnung des Entstickungsgrades ist das zu beriicksichtigen. Das Wiederaufheizen geschieht zu etwa 90 % uber die Warme des entstickten Rauchgases. Den Rest steuem der Brenner oder der dampfbeheizte Warmeaustauscher bei. Ein kritischer Punkt ist die Auslegung des Warmeaustauschers. Sollten statt der 90 % nur 80 % der Warme zum Wiederaufheizen dem entstickten Rauchgas entnommen werden konnen, dann bedeutet das eine Verdopplung der erforderlichen Brennerleistung. Da nur ein geringer Zusammenhang zwischen der GroRe und den Anschaffungskosten des Brenners besteht, sollte er wesentlich leistungsfahiger als rechnerisch erforderlich ausgelegt werden. So werden eventuelle Anlagenstillstande infolge nicht einwandfrei arbeitenden Warmeriickgewinnungssystems vermieden. Naturlich kann das wegen der hohen Energiekosten nur eine Notlosung sein. Auch zum Anfahren und Aufheizen der Anlage aus dem Stillstand sei diese hohe Brennerleistung dringend empfohlen. Am besten fahrt man das Gas im Katalysatorbereich uber ent-

148 ~~

4 Abscheidung gasfdrmiger Schadstoffe ___

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~-

sprechende Kanale und Klappen und ein eventuell erforderliches separates Anfahrgeblase so lange im Kreis, bis die Betriebstemperatur erreicht ist. Die Zahl der Katalysatorlagen ubereinander sollte um eine groRer gewahlt werden als mindestens erforderlich. Das hat mehrere Vorteile: - Die oberste Lage wirkt notfalls als Stromungsgleichrichter. - Bei Nachlassen der Katalysatonvirkung wird man zunachst nur eine Lage emeuem, wahrscheinlich die am meisten beanspruchte erste, und die Kosten durch teilweise Venvendung sehr alter Lagen reduzieren. - Eine Lage kann spater gegebenenfalls

f i r einen anderen Zweck venvendet werden, zum

Beispiel fur den nachtraglichen Einbau eines Oxidationskatalysators. Die katalytisch unterstutzte chemische Reaktion, aber auch die MeRtechnik und Analytik setZen voraus, daR die Anlage sauber gehalten wird. Neben Staub, den man wegblasen kann, behindern korrosive und anbackende Stoffe den Betrieb. Besonders bosartig wirken Ammoni-

um- und Amnzmuiziumhydrogensulfat, (NH&SO4 beziehungsweise NH4 HS04. Sie bilden sich aus Sulfationen, die in der Entschwefelungsanlage abgeschieden werden sollen, und dem eingedusten Ammoniak und setzen sich unter bestimmten Konzentrationsbedingungen und Temperaturen unter 300 OC ab. Welcher der beiden Stoffe gebildet wird, hangt vom Verhaltnis der beiden Reaktanden ab [4.115, 4.123, 4.1241. Zumeist, insbesondere bei der Schaltung der Entstickungsanlage am heiRen Ende, also vor der Entschwefelungsanlage, iibenviegen die Mengen an Schwefeltrioxid und Sulfat, und es bildet sich das Hydrogensulfat nach folgender Reaktionsgleichung : NH,

+ HZSO,

NH,HSO,

(4-82)

Da Entstickungskatalysatoren aus anderen Grunden - \vie geschildert - bei hoheren Temperaturen arbeiten. setzt sich dieser Stoff derzeit nicht direkt auf den Katalysator-Waben ab, sondem moglichenveise erst in Zukunft, wenn wirksamere Katalysatoren bei niedrigeren Temperaturen eingesetzt werden. Schwierigkeiten bereitet aber die MeRtechnik. Stutzen mit geringem Durchmesser, die nicht hinreichend beheizt w-erden, verkleben, und das Ammoniunihydrogensulfat wirkt wie eine s h e , plastische Masse (Erfahrung des Autors an einer Pilotanlage, 1985). In Ibbenburen betreibt die Preussag ein Steinkohlekrafberk auf der Basis dort geforderten Anlhrazifs 14.1251. Diese Kohle ist besonders kohlenstoffreich und sehr hochwertig, aber

schwer entflammbar. Deswegen hat der dortige Kessel eine mit besonders hohen Temperatu-

4.3 Katalytische Abgasreinigung

149

ren arbeitende Schmelzkammerfeuerung. Hohe Temperaturen sind aber, wie bereits geschildert, mit entsprechend gesteigerter Stickoxidproduktion und hohen Anforderungen an den Katalysator verbunden. Die Flugasche aus dem Kessel ist geschmolzen und wieder erstarrt, also glasartig, und deswegen nicht so stark scheuernd oder abrasiv wie die aus anderen Anlagen. Der Katalysator wird demzufolge im Gegensatz zu den Verhaltnissen andernorts nicht von der Flugasche selber immer wieder aktiviert. Dies sind die Griinde dafiir, d& das Kraftwerk Ibbenburen als eine der wenigen vergleichbaren GroRanlagen in Deutschland eine Entstickungsanlage am kalten Ende hat und man dort die energetischen Nachteile in Kauf nimmt. Ublicherweise verlat das Rauchgas die Entschwefelungsanlagen wasserdampfgesattigt. Da es nach dem Austritt aus dem Karnin abkiihlt, kondensiert sofort Wasserdampf aus (Mollier-Diagrarnm fiir feuchte Luft, abgedruckt unter anderem in [4. l l l]). Historisch betrachtet zeichneten sich grofie Kraftwerke zunachst durch Rauchwolken uber ihren Schloten aus, bis Elektroentstauber diesen Mange1 behoben. Nach dem Einbau von Entschwefelungsanlagen in den achtziger Jahren sind uberall Ilampfwolken zu sehen. Eine Ausnahme bildet wiederum Ibbenburen (,wie der Autor aufgrund der NBhe der Anlage zu seinem Wohnsitz uber langere Zeit beobachtet hat). Das Rauchgas verlSi8t die Entstickungsanlage etwas heifier als andernorts die Entschwefelungsanlagen. Es kondensiert kein Wasserdampf aus. Katalysatoren mussen nicht notwendigerweise als durchstromte Waben ausgefuhrt sein. Auch das Material einer zirkuherenden Wirbelschicht wirkt - bei entsprechender Werkstoffauswahl - katalytisch. Voraussetzung ist, d d man das obengenannte Temperaturfenster einhalt und die richtige Menge Ammoniak zugibt. In der Wirbelschicht kann man die halbtrokkene Entschwefelung und die Entstickung elegant kombinieren [4.99]. Hinter Mullverbrennungsanlagen werden zur Adsorption von Schadstoffen gelegentlich Aktivkoksfilter eingesetzt (siehe auch Abschnitt 4.2.3). Sie wirken bei nicht ganz stochiometrischer Zugabe von Ammoniak gleichzeitig als Entstickungskatalysatoren, und zwar reicht dazu die relativ niedrige Temperatur von 120 C bereits aus. Ein zusatzlicher Katalysator ist nicht erforderlich. Ein weiterer Vorteil sind die Adsorptions- und Desorptionseigenschaften auch fiir Ammoniak. Beim Uberdosieren bricht es nicht sofort durch, sondern wird gespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben. Die Regelung wird entsprechend einfach [4.96,4.98]. Grundsatzlich kann die katalytische Entstickung auch mit Hurnsfofl, CO(NH2)2, anstelle von Ammoniak durchgefuhrt werden [4.42]. Neben dem Abbau von Stickoxiden erreicht man bei der Katalyse nebenbei auch eine Zersetzung anderer Schadstoffe, vor allem von polychlorierten Dibenzo-Dioxinen und -Furanen.

150 -

4.3.3

._

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.- .

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe ____~-_ -~-

Dreiwegekatalysatoren fur motorische Zwecke

In der Offentlichkeit wird die Katalysatortechnik vielfach mit der Abgasreinigung fur OttoMotoren gleichgesetzt. Hier werden sogenannte geregelte Dreiwegekutalysaforen eingesetzt [4.126]. Der Name resultiert daher, daR in Anwesenheit eines einzigen Katalysators drei Schadstoffilassen auf drei verschiedenen Wegen abgebaut werden. Es handelt sich um - Kohlenwasserstoffe -

Kohlemonoxid

- Stickoxide

CXH,,

also unverbrannte Benzinreste

co

aus der unvollstandigen Verbrennung

NO, NOz,

die bei hohen Temperaturen und lokaleni Sauerstoffmangel synthetisiert werden

Die wichtigsten cheniischen Abbaureaktionen sind: Oxidationsreaktionen: (4-83) (4-84)

NO-reduzierende Reaktionen (nichtselektive katalytische Reduktion): CO + NO C,,H, +Z(m+:)NO

__+

3N2+C02

(4-86)

-+

(m+a)N2 + f H 2 0 + m C 0 2

(4-87)

Der Katalysator besteht aus einem Trager aus Metal1 oder Keramik mit eincr aktiven Schicht aus Platin oder Palladium. Die Betriebstemperatur liegt zwischen 200 und 900 "C. Der Abbau der Stickoxide gelingt nur. wenn kein Sauerstoff ini Uberschufl vorhandcn ist, wahrend die Oxidationsreaktionen diesen erfordern. Nur in einem scltnalen Fenster mit nahezu stochiometrischer Sauerstoffzufuhr, also bei einem h-Wert, der um niaximal 2 % nach oben oder unten von 1 abweicht, finden alle gewunschten Reaktionen gleichzeitig statt. Unbedingt not-

4.4 Thermische und katalytische Nachverbrennung

151

wendig ist demzufolge eine Lambda-Sonde vor dem Katalysator, die schnell und genau den Sauerstoffgehalt im Abgas mint, und eine Einspritzpumpe fur Benzin, die nach diesem Wert geregelt wird.

4.4 Thermische und katalytische Nachverbrennung In vielen Fallen enthalt Abluft oder Abgas in unzul2ssig hohem MaBe gas- oder dampfformige organische Stoffe, die, wie bereits beschrieben, zum Beispiel auf ab- oder adsorptivem Wege zuriickgehalten oder katalytisch zerstort werden konnen (siehe Abschnitte 4.1 bis 4.3). Vielfach lohnt nach der Sorption nicht das Regenerieren zur stofflichen Wiedergewinnung. Die thermische Nachverbrennung kann dann interessant sein, wenn der Schadstoffgehalt relativ hoch ist oder wenn parallel ein gewisser Warmebedarf besteht, zum Beispiel zur Dampferzeugung in einem Dreizugkessel, oder wenn die Abluft ohnehin eine sehr hohe Temperatur hat, was hinter Trocknem oft der Fall ist [4.124 - 4.1411. Wenn aus anderen Griinden, zum Beispiel im Rahmen eines Kraftwerks, Brenner betrieben werden, dann kann die Losung auch darin bestehen, schadstoffhaltige Verbrennungsluft einzusetzen. Besonders bietet sich die thermische Nachverbrennung bei folgenden Schadstoffen an (nach t4.1271): - Chlorierte Kohlenwasserstoffe - Organisch beladene Abgase - Kohlenwasserstoffe - Losemittel - Stickoxide - Ammoniak - Organische Stickstoffverbindungen - Phosgen, COC12 - Blausauredampf, HCN Schwefelverbindungen (auRer Schwefeldioxid, SO*) In einigen Fallen ist der Gehalt an brennbaren Stoffen so hoch, daR die Verbrennung ohne weitere Energiezufuhr aufofhermfunktioniert. Als Faustfonnel gilt, dal3 1 g eines organischen Schadstoffes pro Normkubikmeter (m3i. N. ) Abgas oder Abluft bei der thermischen oder der katalytischen Nachverbrennung zu einer Temperaturerhohung von 30 OC fihrt [4.143]. In anderen Fallen kann es sinnvoll sein, durch Adsorption und thermische Desorption die organi-

152

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe ..

schen Inhaltsstoffe anzureichern und erst d a m dem Brenner zuzufiihren. Eine andere Moglichkeit, die erforderliche Verbrennungstemperatur einzuhalten, ist der Einsatz eines Gas-GasWarmetauschers, rnit dem das heifie Abgas genutzt wird, um die Zuluft oder das kalte, zu reinigende Gas vorzuheizen. Dabei existieren zwei prinzipiell verschiedene Schaltungsvarianten, die regenerative [4.128] und die rekuperative [4.129, 4.1301. Im ersten Fall enthiilt die Anlage zusatzlich zu Brennkammer rnit Brenner, Geblase und den erforderlichen Rohrleitungen und Armaturen mindestens zwei, besser drei Behalter rnit Wihnespeichermasse. Wiihrend das heifie Gas aus dem Brenner in einen Behalter mit kalter Speichermasse geleitet wird, um diese aufzuheizen, wird die Zuluft zunachst in einem Behalter mit bereits heifier Masse vorgewarmt. Entsprechend dem Temperaturverlauf in den Behaltern schaltet man den Stromungsverlauf um - zumeist automatisiert. Bei Betrieb rnit drei Whnespeicherbehaltem werden Temperatur- und Konzentrationsspitzen vermieden. Der andere Weg ist eleganter: im rekuperativen Warmeaustauscher wird die Zuluft kontinuierlich durch die Abluft aufgeheizt. Voraussetzung fiir die Verbrennung ist, dal3 die Zundbedingungen eingehalten werden. In der Tendenz erfordert das gleichzeitig einen hohen Gehalt an zu verbrennender Substanz und Sauerstoff - moglichst im stochiometrischen Verhaltnis - und eine hohe Ternperatur von etwa 900 OC. Die 17. BImSchV schreibt 850 OC fur eine Aufenthaltszeit von mindestens 0,3 s vor (siehe auch Abschnitt 1.3). Fur Schadstoffe, die polychlorierte Biphenyle, PCB, enthalten, sind 1200 "C erforderlich [4.131]. Der Gehalt an nicht verbranntem Schadstoff hinter dem Brenner h h g t sehr stark von der Verbrennungstemperatur ab [4.144]. Die untere Zundgrenze mu8 uber-, die obere unterschritten werden (siehe auch Abschnitt 2.2.6). Auch die Flumrnen- oder Zundgeschwindigkeit ist zu beachten. Sie liegt bei etwa 1 d s . Bei wesentlich hoherer Gasgeschwindigkeit wird der Brenner ausgeblasen. Weil die Verbrennungsbedingungen selten konstant sind und insbesondere der Schadstoffstrom starken Schwankungen unterliegen kann, ist es praktisch immer erforderlich, einen Stutzbrenner, zumindest aber eine Zundflammme standig in Betrieb zu halten. 1st der Sauerstoffgehalt des Abgases ausreichend, was in aller Regel der Fall ist, sollte eine weitere Sauerstoffzufuhr zum Brenner unterbleiben, weil sonst durch den Verdunnungseffekt die Gastemperatur hinter dem Brenner entsprechend niedriger liegen wiirde, was nachteilig fur die thermische Nutzung ware. Des weiteren kann die Verbrennung durch einen Oxidationskatulysator unterstutzt werden. Die Reaktion Iauft d a m sauber und vollstandig bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur.

4.4 Thermische und katalytische Nachverbrennung

153

Stochiometrie, chemisches Gleichgewicht und Verbrennungsenthulpie bleiben aber davon unberuhrt. Bei Einsatz eines Katalysators kann auf einen Brenner oft vollstiindig verzichtet werden (siehe auch Abschnitt 4.3) [4.136, 4.1371; manchmal, wenn die frei werdende Enthalpie ausreicht, auch auf den oben angesprochenen Gas-Gas-Wiirmeaustauscher. Auch kann die oben envahnte Speichermasse von regenerativen W&meaustauschem so ausgewahlt werden, dal3 sie katalytische Eigenschaften hat. Insbesondere hinter nicht ideal arbeitenden Verbrennungsanlagen kann Abluft oder Abgas Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe oder andere chemische Verbindungen enthalten, die durch Oxidation bei relativ niedriger Temperatur katalytisch umgesetzt werden. Die katalytische Oxidation ist ein ProzeR, der exotherm verlauft. Niedrige Temperaturen begunstigen die Bildung der Oxidationsprodukte. Typische Betriebstemperaturen fur die vollstandige Umsetzung der Schadstoffe liegen zwischen 200 "C und 600 'C. Der OxidutionskatuZysutor besteht aus einer Aktivkomponente auf einem Tragermaterial. Aktivkomponenten in diesem Zusammenhang sind die Edelmetalle Platin und Palladium, aber auch andere Metalle oder Metalloxide. Kupfer- und Chromoxide sind unempfindlicher gegen Schwefel und Halogene und werden demzufolge bei Chlor- und schwefelhaltigen Abluftstromen eingesetzt. Tragermaterialien sind Aluminiumoxid, Titanoxid, Cordierit, Zeolithe und andere [4.145, 4.1 461. Wie bei der katalytischen Entstickung mu13 der Reaktor bei der Inbetriebnahme mit heiljem Inertgas auf Betriebstemperatur gebracht werden. Auch das Abfahren sollte nicht mit kohlenwasserstoffhaltigem Gas erfolgen. Beziiglich der Adsorptionseffekte gilt das fur Entstikkungskatalysatoren gesagte [4.147. 4.1481. Die katalytische Nuchverbrennung ohne besonderen Brenner wird vielfach nicht als thermische Abluftreinigung im eigentlichen Sinne angesehen. Ein Katalysator reagiert empfindlich auf Verschmutzung und hat nur eine gewisse Stundzeit (siehe auch Abschnitt 4.3), die allerdings mit fortschreitender Katalysatortechnik immer weiter verliingert wurde. In Konsequenz wird die katalytische Verbrennung anteilmaig immer wichtiger. Insbesondere dann, wenn ansonsten Zusatzbrennstoff eingesetzt werden muRte oder kein Warmebedarf besteht, hat der Katalysator Vorteile gegenuber dem Brenner. Grundsatzlich haben Katalysatoren, auch vollig neue, einen gewissen Stromungswiderstand, der in entsprechendem Mane elektrische Energie verbraucht und bei der Auslegung des SuugzugGebZases beriicksichtigt werden muR. Gleichungen zur Berechnung des Stromungswiderstandes von Schiittungen finden sich in Abschnitt 2.2.3. Die Angaben der jeweiligen Katalysatorhersteller sind aber in der Regel zuverlassiger (vgl. auch Abschnitt 4.3).

154

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

Beim Verbrennen unter hohem Sauerstoffiiberschun, ausgedruckt durch eine Lujiverhalt-

niszahl oder LufruberschuJzahl, h, deutlich uber 1, und gleichzeitig lokal hohen Temperaturen, wie es bei ungunstigen Brennern und Verzicht auf einen Katalysator oft der Fall ist, wird unfreiwillig auch Luftstickstoff oxidiert. Der Gehalt an Stickstoffoxiden, NO und NO*, im Abgas hinter dem Brenner ist d a m eine kritische Grone. Die Verbrennungstemperatur sollte deswegen nicht unnotig uber 900 "C hinaus gesteigert werden. Reine Kohlenwasserstoffe setzten sich bei sauberer Verbrennung quantitativ um in Kohlendioxid, C02, und Wasserdampf, HzO. Kohlenstoff wird zunachst zu Kohlenmonoxid, CO, und bei hinreichender Sauerstoffversorgung in einem zweiten Schritt zu Kohlendioxid, C02, umgewandelt. Wenn dariiber hinaus brennbare Stoffe in der zu reinigenden Luft vorhanden sind, entstehen sinngemhl3 auch die entsprechenden Reaktionsprodukte, z. B. im Falle von Schwefelwasserstofi HzS, in der Abluft das Schwefeldioxid, S02. Oft wird dem organisch gebundenem Stickstoff (Beispiel: Amine, R-NH2) nicht die notwendige Aufmerksamkeit entgegengebracht. Er ist eine wesentliche Quelle f i r Stickoxide. Werden entsprechende stickstoffhaltige Stoffe verbrannt, d a m sind sogenannte stickoxidarme Brenner, welche die Oxidation des Luftstickstoffs unterdrucken, nur bedingt wirksam. Fur stickstoffhaltige Schadstoffe wie zum Beispiel - Blausauredampf, HCN - Ammoniak, NH3 - Stickoxide, NO, - Amine, R-NH2 - Amide, R-NH - Nitro-Verbindungen, R-NO? - Pyridin, C5H5N als aromatischer Ring Animoniumverbindungen, R-NHd kann die zweistufige Oxidation interessant sein. Bei ausreichender Verweilzeit und reduzierenden Bedingungen in der ersten Stufe (Luftmangel) wird zunachst der Brennstoff-Stickstoff

-

in molekulares N2 umgewandelt. In der zweiten, oxidierenden Stufe werden die reduzierenden Bestandteile CO und Hz durch Zugabe weiterer Luft verbrannt [4.127] (Abb. 4-30). Auch nach einer einwandfrei funktionierenden Abluft- oder Abgasverbrennung konnen diverse Schadstoffe vorliegen, deren Konzentration praktisch nur vom Eingangs-"menu" abhangt. Insbesondere sind das saure Komponenten wie Schwefeldioxid, SOz, und Chlorwasserstoffgas, HCI. Diese Stoffe kann man, wie bereits unter 4.1 geschildert, relativ einfach auswaschen, am besten in einem Wascher aus glasfaserverstarktem Kunststoff. Eine komplette

155

4.4 Thermische und katalytische Nachverbrennung RAUCHGAS

DAMPF THEAMALOL HEISSWASSEA

/

BAENNKAMMER 1. STUFE

BRENNKAMMER 2. STUFE

ABHITZEKESSEL

KAMlN

RUCKFUHRBRENNER

Abb. 4-30: Verbrennung von Schadstoffen mit gebundenem Stickstoff, mit freundlicher Genehmigung der Firma CALORIC [a- 1371 thermische Abluft- oder Abgasreinigungsanlage beinhaltet deswegen oft zusatzlich eine Abgaswasche, also einen Absorber (siehe Abschnitt 4.1) [4.140], (Abb. 4-31 [4.880]). Es kann auch ausreichen, Additive als Sorptionsmittel dem Brenner zuzufthren (zum Beispiel Afuminiumoxid, AlzO3) [4.134]. In anderen Fallen benotigt man einen Entstickungskatalysator.

R AUCtiGAS

DAMPF THERMALOL

WASCHWASSER

KUHLWASSER

LP

E

Abb. 4-31: Verbrennung chlorhaltiger oder schwefelhaltiger Schadstoffe, mit freundlicher Genehmigung der Firma CALORIC [4-1371

156 ~

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4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe -

-

Das gewahlte Prinzip der Abgasverbrennungsanlage, die Betriebstemperatur und die Werkstoffwahl hangen voneinander und von den chemischen Eigenschaften des zugefhhrten Gases ab. SO ist von der oben geschilderten Vorwiirung der Zuluft dann abzuraten, wenn diese in1 betreffenden Temperaturfenster korrosiv ist oder Bestandteile enthalt, die zum Anbacken oder Polymerisieren neigen. Aus Korrosionsschutzgriinden sollte der Taupunkt nicht unterschritten werden. Andererseits verursacht trockenes Chlorwasserstoffgas bei sehr hohen Temperaturen die Hochtemperaturkorrosion. Wenn ein Abhitzekessel oder ein Wiirmeaustauscher einer Verbrennungsanlage nachgeschaltet wird, mull also unbedingt darauf geachtet werden, dal3 Temperaturbereich und chemische Zusammensetzung des Gases zueinander passen. Daraus ergeben sich Einschrankungen fur die Temperatur und somit auch fur den Dampfdruck des erzeugten Wasserdampfs und entsprechend auch fur das moglichenveise stattdessen venvendete Warmetragerol. Den Brennraum selber kann man ausmauern oder mit Stampfmasse auskleiden. Verfasertes Tonerdesilikat wird fur rekuperative Warmeaustauscher mit integriertem Brenner, also fur Kompaktanlagen eingesetzt 14.129, 4.1301. Es ist elastisch und reiBt auch bei Temperaturschwankungen nicht. Ein eigenstandiges Problem ist die Gestaltung des Brenners und der Brennkammer 14.13 11. Diese ist zumeist zylindrisch und wird schraubenformig durchstronit. Insbesondere, wenn aus Stochiometriegrunden zusatzliche Verbrennungsluft oder Sauerstoff zugefuhrt wird, fuhrt das zu einer guten Durchmischung. Nebenbei sei erwahnt, daB mit einem geeigneten Brenner neben oder anstelle von Gasen in derartigen Anlagen auch schadliche Flussigkeiten zerstaubt und verbrannt werden konnen. Diese enthalten vielfach Salze. Durch einen geneigten Brennraum und eine entsprechende Geometrie der Anlage mit Gefalle stellt man sicher, daB die Salzschmelze abflieBt. Abbildung 4-32 zeigt eine relativ kornplexe Abluftverbrennungsanlage, die mehrere der oben diskutierten Prinzipien in sich vereinigt. Aus verschiedenen Emissionsquellen wird Abluft abgesaugt (6), in einem regenerativen Warmeaustauscher (2) vorgewarmt und d m in eine Teilanlage gegeben, die vom Hersteller als “Thermo-Reaktor” bezeichnet wird. Es handelt sich um drei regenerative Warmeaustauscher ( l ) , deren Warmespeichermasse wie oben geschildert abwechselnd geheizt und gekuhlt wird. Zwischen j e zwei der drei Apparate befindet sich ein Brenner, der die organischen Inhaltsstoffe vernichtet und deshalb die eigentliche Schadstoffsenke ist. Das Abgas aus dem “Thermo-Reaktor” hat zwar einen Grof3teil seiner

4.4 Thermische und katalytische Nachverbrennung

n

e, -

Y M

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158 - -

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4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe .

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-

Warme an Speichermasse abgegeben, ist aber noch hein genug, um im Wmeaustauscher (2) die Zuluft vorzuwarmen. Es folgt in dieser Anlage ein Absorber (3) mit integriertem Kamin. Die Kombination aus Verbrennung und Absorption wird auch erfolgreich in der Abluftreinigung von Arzneimittelbetrieben eingesetzt [4.132].

4.5

Direktverfahren

Durch optimale Brenner- und Brennraumgestaltung und eine sorgfaltige VerbrennungsFuhrung konnen einige Schadstoffe hinter Feuerungsanlagen vermieden werden. Hierzu gehort das Kohlenmonoxid, CO. Bei einwandfeier Verbrennung setzt es sich so fort zu ungiftigem Kohlendioxid, COl, um, tritt also im Abgas nicht auf. Ein hoher Kohlenmonoxid-Gehalt deutet entweder auf eine zu niedrige Verbrennungs-Temperatur, moglicherweise infolge der Kuhlung durch einen vie1 zu groBen LuftuberschuR, oder auf Sauerstoffmangel hin, also auf eine zu geringe Luftzufuhr. Die Primarmahahmen zur Vermeidung von Kohlenmonoxid im Abgas sind eine gute Durchmischung, um Zonen sehr niedriger Temperatur zu verhindern, und eine wirksame Regelung und Ubenvachung der Luftzufuhr. Die gleichen Mahahmen sind auch geeignet, die Bildung der Stickoxide NO und NO2 zu unterdriicken, nicht aber diese vollig zu verhindern oder in allen Fallen auf das erlaubte Man zu senken. Verantwortlich sind hier allerdings nicht zu niedrige Temperaturen, sondern extreme Temperaturspitzen. Bei hohen Temperaturen in Verbindung mit Sauerstoff-Uberschun oxidiert der Luftsauerstoff den Luftstickstoff. Eine sorgfaltige Verbrennungsfuhrung mit allmahlicher, eventuell mehrstufiger Zufuhr der Verbrennungsluft kann die Losung sein [4.149]. Auch die Stickoxidbildung aus im Brennstoff chemisch gebundenem Stickstoff kann durch derartige Mahahmen reduziert werden 14.1501. Reicht die sorgfaltige Verbrennungsfuhrung als alleinige P r i m k n d n a h m e nicht aus, kann die Zugabe von Reagenzien angezeigt sein. Speziell fur die Rauchgasentstickung wendet man auch die selektive nichtkatalytische chemische Reduktion, SNCR, an. Dieses Verfahren ist zwar nicht so wirksam wie das katalytische C4.15 1, 4.1521 und erfordert auch hohere Temperaturen, kommt aber vollstiindig ohne Katalysator aus. Der entscheidende Vorteil ist die Unempfindlichkeit gegen Katalysatorgifte. Bei einer Reaktionstemperatur von 850 bis 1000 "C kann ein Abscheidegrad der Stickoxide von 80 % [4.147] erreicht werden. In bestimmte Zonen des Kessels mit passender Betriebstemperatur wird das erforderliche Ammoniak, seltener stattdessen Hamstoff oder ein anderes stickstoffhaltiges Reduktionsmittel, eingediist. Ob die-

4.6 Biologische Verfahren

159

ses Prinzip irn konkreten Fall sinnvoll angewendet werden kann und ob die vorgeschriebenen Grenzwerte eingehalten werden, 1st abhangig von der ortlichen konstruktiven Situation zu klaren. Messungen zeigen, dan be1 der nichtkatalytischen chemischen Reduktion als Nebenprodukt Lachgas, N20, gebildet wird [4.153]. Analog zu diesem Verfahren funktioniert die Divekrenrschwefelung [4.64, 4.65, 4.1543, das Eindusen von Kalkstein-Pulver in die Feuerung. In anderen Fallen ist irn Flugstrom zugege~ ~ o ~ein x i dgeeignetes , Sorptionsrnittel rnit katalytischer Wirkung. benes A f u n ~ i ~ ~ i ~Al203,

4.6

Biologische Verfahren

Organische Luftschadstoffe konnen in vielen Fallen elegant biologisch abgebaut werden, vor allern, wenn geringe Schadstoffkonzentrationen rnit sehr grol3en zu reinigenden Luftrnengen einhergehcn. Besonders bewahrt haben sich biologische Verfahren zur Entfernung von Geruchsstoffen, die oft bereits in sehr geringen Konzentrationen - unabhangig von ihrer objektiven Schadlichkeit - als belastigend ernpfunden werden [4.155 - 4.1571. Auch ist die biologische Oxidation von SChiifc.fL.l~lussel.stof, H& moglich. Unter bestimmten Bedingungen werden durch Nitrifikation und Denitrifikation Stickstoffverbindungen abgebaut [4.157]. Besonders erfolgreich werden biologische Ablufibehandlungsanlagen hinter Kompostwerken eingesetzt [4.157, 4.1581. Bedingung fur den biologischen Abbau von Schadstoffen ist deren Ungiftigkeit fur Mikroorganismen und eine zurnindest teilweise Wasserloslichkeit der abzubauenden Stoffe, da die biologischen Prozesse in wilsseriger Phase erfolgen. Angaben der Schadstoffkonzeritration sagen nur indirekt etwas uber die Geruchsbelastigung aus. Aussagefahiger 1st die Angabe in Geruchseinheiten, GE. Die Geruchsschwelle, bei der gerade ein Geruchsernpfinden ausgelost wird, ist als eine Geruchseinheit definiert, GE /

rn3 definiert (Zur exakten Definition siehe [ 1.159, 1.1601). Geruchsrnessungen sind derzeit nur rnit der rnenschlichen Nase

-

olfaktometrisch

-

moglich. Erste Geruchsmengerate befinden

sich in der Erprobung [4.157]. Bekannter und bewahrter als in tier Abluftreinigung sind biologische Verfahren im Abwasserbereich [4.52,4.53]. Dort werden die Schadstoffe von Mikroorganisrnen, in der Regel Bakterien, verzehrt, die sowohl frei in der Losung schwirnrnen als auch auf einern Tragermaterial angewachsen sein konnen. Sogenannte aerob lebende Mikroorganisrnen funk-tionieren dabei - biochernisch gesehen - grundsatzlich wie die hoheren Tiere und der Mensch:

160

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe -

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_.

__

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Kohlenwasserstoffe, C,H,, oder allgemein organisches Material oxidieren sie unter Sauerstoffverbrauch im wesentlichen zu Kohlendioxid, COz, und Wasser, HzO. Dadurch gewinnen sie die lebenswichtige Energie. Einen Teil der Kohlenwasserstoffe allerdings venvenden sie zum Aufbau von Biomasse. In der Abwassertechnik hat die Umsetzung organischer Substanz durch anaerob lebende Bakterien, die durch V e r g m n g organischer Nahrung unter SauerstoffabschluB Energie gewinnen und gleichzeitig Methangas freisetzen, eine gewisse Bedeutung erlangt, nicht aber in der Ablufttechnik, wo der hohe Sauerstoffgehalt der Luft nur aerobe Prozesse zuld3t. Verfahren zur anaeroben biologischen Reinigung weitgehend sauerstofffreier Gase sind bislang nicht bekannt geworden. Biologische Abluftreinigungsanlagen konnen als Wascher [4.161, 4.1621 mit frei schwimmenden oder auf Fullkorpern siedelnden Bakterien ausgefiihrt sein, aber auch als Filter oder als Tropfkorper [4.163, 4.1641. Wenn die Absorption wesentlich schneller ablauft als der biologische Abbau, kann es sinnvoll sein, den Prozel3 in zwei Apparaten durchzufuhren und dem Wascher einen Reaktor nachzuschalten, in dem die Mikroorganismen die Flussigphase reinigen [4.165]. Wenn man ein Biofiifer oder einen Tropfkorper fur Abluft betreiben will, hat man Bedingungen zu schaffen, die den Mikroorganismen genehm sind. Man benotigt ein Tragermaterial, auf dem sie siedeln konnen, im weitesten Sinne also ein Adsorptionsmittel, berieselt es mit Wasser und fuhrt ihm gleichmaBig Luft zu, die sowohl Sauerstoff als auch abzubauende Kohlenwasserstoffe in ungefahr konstanter Konzentration enthalt. Zeitweiliger Wasser-, Sauerstoff- oder Substratmangel wiirde zum Absterben eines Teils der Biomasse fiihren. Extreme Temperaturen sind zu vermeiden, ebenso extreme pH- Werfe Die geeigneten Lebewesen sind als Keime allgegenwartig oder ubiquifar. Durch selektive Vermehrung stellt sich von selbst ein geeigneter Biomassebewuchs ein. Man kann aber auch das Tragermaterial gezielt impfen und wird es im Regelfall so handhaben, um die Anpassungszeit zu verkurzen. Geeignete Mikroorganismen sind im wesentlichen bestimmte Bakterien, aber auch Pilze und Actinomycelen. Diese werden biologisch irrefihrend auch als Strahlenpilze bezeichnet. Bakterien bevorzugen einen leicht alkalischen pH-Wert von etwa 7 bis 8, wahrend Pilze im schwach sauren Milieu am besten gedeihen. Wichtig ist, dan von den Biomassekulturen kein unangenehmer Eigengeruch ausgeht. Actinomyceten sind in naturlichen Boden verbreitet und verantwortlich fur den Geruch “frischer” Erde nach dem Pflugen, der allerdings eher als angenehm denn als storend empfunden wird.

4.6 Biologische Verfahren

161

Als Tragermaterial bieten sich verschiedene Naturstoffe an, die gleichzeitig auch als Adsorber wirken und eine ungleichmafiige Nahrstoffzufuhr glatten konnen. Neben Stoffen, die als Diinger wirken, enthalten Sie Puffersubstanzen, die den pH-Wert stabilisieren. Kornpost, eventuell gemischt mit anderen Substanzen wie Holzschnitzeln, sorgt fur einen leicht alkalischen pH-Wert, wahrend das Holz des Heidebauts oder Torfeher sauer reagiert. Heidekraut kann auch mit Kompost oder porosen anorganischen Stoffen wie Blahton oder Lava gemischt werden. Weitere geeignete Trager sind geschreddertes Wurzelholz und Rindenmulch. Die Naturstoffe bieten den Mikroorganismen ideale Wachstumsbedingungen, haben aber den Nachteil, dal3 sie im Laufe der Zeit selber von diesen abgebaut werden. Biofilter mussen poros sein und durfen dem Durchstromen keinen besonderen Widerstand entgegensetzen (siehe auch Abschnitt 2.2.3.). Durch die Zersetzung entsteht aber Feinkorn, das die Poren zusetzt und nach einer gewissen Standzeit. die aber bis zu zwei Jahren betragen kann, zu einem unzulassig hohen Druckverlust fiihrt. Des weiteren fiihrt ubermdiges Biomassewachstum zum Verschleimen des Tragermaterials. Man muR also Biofiltermaterialien regelmaig, wenn auch selten austauschen. Nicht ausgeschlossen ist, dafi derartige Anlagen in geringen Konzentrationen Keime freisetzen, die gesundheitsschadlich sein konnten, oder zumindest in Abstanden von bis zu etwa 200 m zu Geruchsbelastigungen fiihren [4.158]. Der eigentliche Schadstoffabbau geschieht innerhalb weniger Sekunden. Die “Reaktionsgeschwindigkeit” steigt mit dem Schadstoffangebot, sofern die Sattigungsgrenze nicht erreicht ist. Bei hinreichender Venveilzeit kann nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch ein Schadstoffabbau zwischen 97 und 100 % erzielt werden, wenn auch bei geringem Angebot der Umsatz entsprechend langsamer erfolgt. Niiherungsweise kann man biologische Prozesse als Reaktionen 1. Ordnung beschreiben, aber rnit dem Unterschied, daR auch bei extremer Verdunnung noch ein spurbarer Abbau erfolgt, also Null-Emissionen theoretisch moglich sind. (Eine Abbaureaktion 1. Ordnung ist mathematisch dadurch gekennzeichnet, daR die Abbaugeschwindigkeit der Schadstoffe deren Konzentration exakt proportional ist.) Die Reaktionsgeschwindigkeit kanri im Prinzip abhagen von - der Konzentration und der Art der Abgaskomponenten - der Art, Anzahl und Aktivitat der Mikroorganismen auf dem jeweiligen Tragermaterial - der Temperatur - der Feuchtigkeit des Abgases und des Filtermaterials - dempH-Wert In aller Regel sind allerdings die Transportvorgbge die Teilschritte rnit dem grofiten Zeitbedarf. Die Diffusion von der Gas- in die Wasserphase einerseits und die vom Wasser in die

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4 Abscheidung gasfdrmiger Schadstoffe -

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Biomasse hinein erfolgt nach dem I . Fickschen Gesetz und ist analog zu sehen zu der Zwei-

filmtheorie, die im Rahmen der Absorption bereits vorgestellt worden ist (siehe auch Abschnitt 4.1.1, Abb. 4-9). Ein weiterer Aspekt ist die Adsorption der Schadstoffe auf dem Tragermaterial, insbesondere, wenn dieses aus mikroporosem Kohlenstoff besteht. Fur die Abschatzung des Puffervermogens, der Zwischenspeicherfahigkeit, sind fur jeden Stoff die spezifischen Adsorptionsisothermen zu beriicksichtigen [4.166,4.167]. Die VDI-Richtlinie 3477 Biofilter [4.168] gibt konkrete Hinweise f i r deren Auslegung [4.169]. Sie enthalt dariiber hinaus eine Liste der moglichen Anwendungsfalle rnit Angaben

zur Abbaubarkeit der Schad- oder Geruchsstoffe. Ein Beet, das in aller Regel von unten nach oben durchstromt wird, kann in mehrere Segmente unterteilt bis zu 1000 m2 umfassen. Auf einen Boden aus Hohlblocksteinen oder einem ahnlichen Material mit geeigneten Luftlochern konnte eine grobporige Schicht aus 20 cm Wurzelholz folgen und dariiber eine aus Kompost oder Heidekraut von 100 cm Dicke. Ubliche Daten frischer Tragermaterialien sind: - Porositat E = 0,8 - Mittlere Schuttdichte p = 0,5 kg/m3 - Mittlerer Porendurchmesser d60 = 40 mni (Zur Definition des mittleren Porendurchmessers sei auf Abschnitt 2.2 und das Stichwort KorngroJenunalyse venviesen.) Wahrend der Betriebszeit sinken Porositat und Porendurchmesser mit entsprechend steigendem Druckverlust. Die Dichte erhoht sich im gleichen Mafie. Die optimale Betriebstemperatur liegt zwischen 5 O C und 60 'C. Grofiere Temperaturschwankungen auch innerhalb dieser Spannbreite sind zu vermeiden, da sich auf das jeweilige Temperaturniveau spezialisierte Mikroorganismen ansiedeln, eine schnelle Umstellung aus diesem Grunde nicht moglich ist. Die optimale Anstromgeschwindigkeit (gemessen als Leerrohrgeschwindigkeit) betragt 150 m/h. Die relative Feuchtigkeit, y, mu8 unbedingt genau 100 YObetragen. Eine stbdige Wasserzufuhr, zur Not uber einen porosen Gartenschlauch oder einen Rasensprenger, ist aufrechtzuerhalten. Venviesen sei auf die thermodynamische Tatsache, da8 bei konstanter absoluter Feuchte die relative Feuchte mit steigender Temperatur deutlich zuruckgeht (siehe Mollier-hl,.-x-Diugrunzn7fur feuchte Luft [4.11 1 I). Die biologischen Prozesse sind wie die entsprechenden chemischen Reaktionen mit einer Warmetonung verbunden, die zwangslaufig im unteren Bereich der Schuttschicht zu Wassermangel fuhrt, da hier wegen des grofien Nahrstoffangebots die Reaktion am schnellsten ablauft. Ein Biofilter gilt als sehr gut, wenn ein Kilogramm Trockensubstanz, TS, 10" koloniebildende Einheiten, KE, enthalt. Ein koloniebildende Einheit kann mehrere aneinander angela-

4.6 Biologische Verfahren

163 -~

~

gerte Mikroorganismen umfassen. Die Atmungsuktivitut betragt mehr als 20 mg Sauerstoff pro kg Trockensubstanz und Stunde ( Rabe, R., RWTUV Essen, Biologische Abluftreinigung, Vortrag vor dem VDI-Arbeitskreis Umwelt und Technik, Bochum 1996). Als alternative Tragermaterialien sind auch inerte porose Materialien nicht biologischen Ursprungs moglich, zum Beispiel Polyurethanschaum [4.163, 4.1641. Das Problem der allmiihlichen Zersetzung tritt hier nicht auf. Da der Trager keinerlei Nahrstoffe abgibt, ist allerdings eventuell eine Diingung erforderlich. Auch gestaltet sich wegen der nicht so weitgehenden Adsorptionseigenschaften hier die Regelung des Wassergehalts schwieriger, und der pHWert wird nicht abgepuffert. Aus diesen Griinden sind derartige Materialien weniger fur Filter, sondern eher fir biologisch arbeitende Wascher und Kolonnen mit entsprechender Regeltechnik geeignet. Urn sowohl die Nachteile der biologisch abbaubaren als auch die der inerten Trager zu umgehen, ist das sogenannte Futtinger-Biosorbens entwickelt worden [4.169, 4.1701. Es ist ein Biofiltermaterial, dessen Partikel im Inneren aus wasserspeicherndem Inertmaterial wie Gasbeton, Bimsstein, Blaton bestehen und aunen mit Aktivkohle beschichtet sind. Diese Aktivkohleschicht auf den Partikeln des stets feucht gehaltenen Biosorbens erfullt mehrere verfahrenstechnische Funktionen: - Schlecht oder nicht aus der Luft in Wasser absorbierbare Schadstoffkomponenten werden von der Aktivkohle adsorbiert und so dem zu reinigenden Abgasstrom entzogen. - Diese Schadstoffe werden dadurch im Biosorbens aufgenommen, als Nahrung fur die Mikroorganismen zugkglich und abgebaut. - Die Aktivkohle-Gesamtmasse in der Biomasse ist ein erster Puffer gegenuber Schwankungen der Konzentration, insbesondere kurzzeitigen hoheren Schadstoffkonzentrationen im zu reinigenden Abgas. Vor allem durch diesen letzten Punkt erhalten die in den Biosorbenspartikeln angesiedelten Mikroorganismen einen Schutz vor Schadstoffen oder Schadstoffkonzentrationen, die nicht ihrer naturlichen Umgebung entsprechen. Die kornige, porose Struktur bietet im Gegensatz zu der konventioneller organischer Biomassen den Schadstoffen eine grone spezifische Stoffaustauschflache fur den Transport zu den Mikroorganismen; die Begrenzung auf ein festgelegtes KorngroDenspektrum gewahrleistet einen definierten spezifischen Stromungswiderstand der Biomasse. Dieses Material wird in Apparate eingebaut, wie sie in der chemischen Industrie ublich sind, und am besten im Gleichstrom von oben nach unten von der zu reinigenden Luft durchstromt und mit Wasser bespriiht. Trotz dieser Wasserzufuhr ist es ratsam, in einem vorge-

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4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe - _-_

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schalteten Apparat. der von der Bauweise her einern Absorber entspricht [4.171], die Luft auf 100 % relative Feuchte anzufeuchten. Durch die biologische Reaktionsenthalpie kommt es,

wie bereits ausgefiihrt, zu einer Ternperaturerhohung und demzufolge zu einem unenviinschten Absinken der relativen Luftfeuchte. Aber Wasser ist ein wesentliches Produkt der Bioreaktion, und so wird das Austrocknen teilweise verhindert. Geruchsstoffe, die bereits in extrem groner Verdiinnung von der menschlichen Nase noch wahrgenommen werden, konnen in volumenmal3ig begrenzten Apparaten durch biologische Verfahren alleine nicht hinreichend abgebaut werden. Hier bietet sich das Nachschalten eines Adsorbers an. Sollte der Produktionsbetrieb, dem die umwelttechnische Anlage zugeordnet ist, nicht rund um die Uhr arbeiten oder an Wochenenden stillstehen, ist es ratsam, in den betreffenden Zeiten den Adsorber zu regenerieren und mit dem so gewonnen schadstoffbelasteten Gas die Biomasse zu “futtern”. Die Kombination aus Biofilter oder -wascher und Adsorber ermoglicht deutlich kleinere Apparate und ein geringeres Biomasseinventar als das konventionelle Konzept (Abb. 4-33).

4.7

Zusammenfassung und Ratgeber

Abluft und Abgas konnen auf verschiedene Weise chemisch belastet sein, und die Verfahren der Reinigung sind sehr vielfaltig. Im einzelnen sind zu nennen: - Gaswasch- oder Absorptionsverfahren mit oder ohne chemische Bindung (Abschnitt 4.1) - Adsorption an Aktivkohle oder einem anderen geeigneten Adsorbens (Abschnitt 4.2) - Katalytische Umsetzung (Abschnitt 4.3) - Abgasverbrennung (Abschnitt 4.4) -

Direktverfahren (Abschnitt 4.5)

-

Biologische Verfahren (Abschnitt 4.6)

Oft werden verschiedene Schritte hintereinandergeschaltet. Nur in Einzelfallen gelingt die Schadstoffvernichtung. Die Regel ist die Ubertragung des Schadstoffs von einer Phase in die andere, also eine Verlagerung des Problems. Das kann nur dann sinnvoll sein, wenn das Folgeproblem weniger gravierend ist als das primar zu losende. Schall- und Abwasserprobleme werden durch die Reinigungsanlagen manchmal erst geschaffen [4.172].

4.7 Zusammenfassung und Ratgeber

165 Reingasaustritt

Gaswascher Pumpe

Biofilter Ventilator 1

Adsorber 1

Desorptionsluft

n

Lufterhrtzer

k

Adsorber 2

Abb 4-33: ,,Biofilter" mit Gaswasche und nachgeschaltetem Adsorber, mit freundlicher Genehmigung der Firma OTTO UMWELTTECHNIK [ l - 1701 Welches Verfahren im Einzelfall richtig ist, kann nur in Ausnahmefallen eindeutig beantwortet werden. Verschiedene Wege konnen durchaus zum gleichen Ziel fuhren. Nur selten errichet man eine Abluftreinigungsanlage vollig neu. In den meisten Projekten geht es darum, eine bereits vorhandene und im wesentlichen b e w m e Altanlage zu modernisieren, zu ertuchtigen oder zu e r g h e n . Oft sind besondere Randbedingungen bezuglich der bereits vorhandenen Infrastruktur zu beachten. Hier wird man vielfach anders entscheiden mussen, als es auf der "griinen Wiese" sinnvoll gewesen ware. Versuche, einen Algorithmus fur die Verfahrensauswahl aufzustellen, sind demzufolge nur unvollkommen moglich und entsprechend selten. Eine Gesamtschau aller moglichen Reinigungsverfahren unter Einschlun der Entstaubungstechnik findet sich in Kapitel 7.

4 Abscheidung gasformiger Schadstoffe

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Bank, M.: Basiswissen Umwelttechnik Abschnitt 19.2 Thermische Nachverbrennung (TNV). Wiirzburg: Vogel3. Auflage, 1995

[4. 1 5 q

VDI-Richtlinien 3881 (1986-89) und 3882 (l989), Olfaktometrie, VDIIDIN- Handbuch Reinhaltung der Luft

[4.IS6]

Kornrnission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN: Biologische Abgasreinigung. VDI-Berichte Nr. 1104, Tagungsband Heidelberg 1994. Dusseldorf: VDI 1994

[4.157]

Hecke, J., Sobota, M.: Optimierung einer biologischen Abluftreinigungsanlage an einem Kompostwerk - Biowascher und Biofilter

-

Steinfurt: Fachhochschule Miinster Fachbereich Chemieingenieur-

wesen, 1998 [4.158]

Schilling, B., Trippe, Y., Geueke, K.-J.: Untersuchungen von Keim-Emissionen und -1mrnissionen aus der Bioabfallkornpostierung. Essen: Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen, Jahresbericht 1996 (1 997)

I4.1591

Bliefert, C.: Umweltchemie. Weinheim: VCH, 2. Auflage, 1997

[4.160]

Ludwig, H.: TA Luft. Munchen: Jehle-Rehm, 1994

[4.161]

Treffenfeldt, W., Diehl, B.: Degussa-Biowbcherkonzept zur Minderung von Geruchs- und Schadstoffemissionen. VDI GVC Jahrbuch 1998 Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen. Duseldorf: VDI, 1998

[4.162]

Kohler, H.: Behandlung geruchsintensiver Abluft in Waschern unter Verwendung einer Belebtschlarnrnsuspension. Fortschrittsberichte der VDI- Zeitschriften Reihe 15 Nr. 22. Dusseldorf: VDI, 1982

[4.163]

Loy, J.: Biologische Abluftreinigung rnit dem Tropfkorperverfahren. Wasser, Luft, Boden Heft 3/1993

[4.164]

Diverse Unterlagen der Firma Zander Umwelt. Numberg

[4.165]

Stockharnmer, S., Schafer-Treffenfeldt, W., Zetzmann, K.: Einsatz von Biowaschern in der chemi-

[4.166]

Adami, C.. Kumniel, R.: Elimination of organic solvents at fluctuating concentrations with a biotrick-

schen Produktion. Chernie.-lngenieur-Technik64 (1992), Nr. 2, S. 148-155

ling filter based on activated carbon, in: Biological waste gas cleaning = Biologische Abgasreinigung, proceedings of an international symposium, Maastricht, The Netherlands, 28.-29. April 1997. Diisseldorf: VDI 1997 [4.167]

Adami, C: Modellierung des Verhaltens von Bioadsorbem fiir die Abluftreinigung. Chernie-lngenieurTechnik (69) 711997

175

4.8 Literatur ______.

[4. I681

VDI-Richtlinie 3477 (1991): Biofilter. VDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft

[4.169]

Thissen, N.: Biologische Ablufireinigung in Kombination mit anderen Verfahren. Wasser, Luft und Boden 511995

[4.170]

Firma Otto Umwelttechnik: Synergiefilter. Weiterstadt: Sammlung diverser Firmenschriften, 1995

[4.171]

VDI-Richtlinie 3478 (1996): Biowascher und Rieselbettreaktoren. VDI/DIN- Handbuch Reinhaltung der Luft

i4.1721

Borger, G.-G., Listner, U., Schulle, M.: Abscheidung von Gasen und D h p f e n , Entwicklungstenden66 (1994) Nr. 11 S. 1486- 1490 zen. Chemie-Ingenieur-Technik

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5

Nichtstoffliche Emissionen

5.1

Schallschutz

Emissionen sind nicht immer stofflich. Auch der Schallschutz verlangt besondere Aufmerksamkeit, wie zahlreiche Klagen aus der Bevolkerung zeigen (Hillen, Landesumweltamt NRW, Einfuhrung in die Beurteilung von Gerauschen, Vortrag Essen 1994). Es sind etliche medizinische Probleme bekannt geworden, die auf L b n zuriickzufiihren sind. Hauptursache ist der Stranenverkehr. Schall tritt aber auch beim Betrieb von Industrieanlagen aller Art auf, insbesondere, wenn Geblase oder Luftverdichter groner Leistung installiert sind [5.1 - 5.31. Nicht zu vernachlassigen ist auch der Beitrag aus Anlagen, deren Ziel die Abluft- oder Abgasreinigung ist (siehe auch Abschnitt 4.1.1, Stichwort Spriihabsorption) [5.4]. Die rechtliche Grundlage des Schallschutzes ist die Technische Anleitung L h , TA Larm [5.5]. Der VDI hat technische Richtlinien zur Larmbekhpfung erarbeitet [5.6]. Die theoretische Berechnung der Schallemissionen gestaltet sich in der Praxis recht aufwendig. Vielfach werden bei der Anlagenplanung zur Bearbeitung dieses Problems Spezialfirmen hinzugezogen (zum Beispiel Firma Muller-BBM), die uber entsprechende Erfahrung und Berechnungssoftware verfiigen. Grundsatzlich entsteht Schall durch periodische Druckschwankungen in elastischen Medien, die fest, flussig oder, wie die Luft, auch gasfdrmig sein konnen. Schallwellen sind Liingswellen. Die Schallgeschwindigkeit betragt bei 0 OC in Luft 33 1 d s . Die Horschwelle liegt bei Schalldruckschwankungen von etwa 20 pPa, die Schmerzgrenze bei solchen von 100 Pa. Der Schalldruckpegel ist folgenderniaflen definiert:

L, = 2O.log--P Po Dabei bedeuten: p po

effektiver Schalldruck Bezugsschalldruck, PO = 20 pPa f i r Luftschall

(5-1)

178 -

5 Nichtstoffliche Emissionen

__

__

- ._

_.

oder, was mathematisch dasselbe ist,

L,

=

P2 10. l o g y Po

(5-2)

Er wird angegeben in dB. Da das subjektive Empfinden von der Frequenz abhiingt, und zwar bei allen gesunden Menschen in nahezu gleicher Weise, venvendet man Bewertungskurven nach DIN IEC 651 [5.7], von denen die A-Bewertung die wichtigste und bekannteste ist. Noch besser an das subjektive Empfinden angepdt sind die Kurven gleicher Lautstarkepegel nach DIN 45630 Teil 3 [5.8] in phon. 1000 kHz gelten als Referenzwert. Bei dieser Frequenz ist in keinem Fall eine Korrektur erforderlich. Der Schalldruckpegel ist ortsabhiingig. 1st die Schallquelle nahezu punktformig, zum Beispiel ein lautes Motorrad, d a m reduziert er sich mit groner werdendem Abstand sehr schnell. In der Nahe groflflachiger Emittenten, zum Beispiel einer Fabrikhalle, ist diese Abnahme nur in wesentlich reduzierter Form zu verzeichnen. Um auch diesen Zusammenhang erfassen zu konnen, hat man zusatzlich den Schallschnellepegel, den Schallintensitatspegel und den Schalleistungspegel definiert. Es gilt: Schallschnellepegel: V

L, = 20. log-

(5-3) "0

Dabei bedeuten:

effektive Schallschnelle, Momentanwert der Geschwindigkeit

v

der schwingenden Teilchen Bezugsschallschnelle, vo = 50 nm/s fur Luftschall

vo

Schallintensitatspegel:

L,

=

1O.log-

I

(5-4)

10

mit: 1/10 = (p/p0l2

Dabei bedeuten:

I 10

Schallintensitat Bezugsschallintensitat, 10= l O-I5 W/m2 fur Luftschall

(5-5)

5.1 Schallschutz

179

Schalleistungspegel :

P L , = 10. logPO Dabei bedeuten:

P

PO

(5-6)

Schalleistung Bezugsschalleistung, po = 10-l2 W fur Luftschall

Der Zusammenhang zwischen den verschiedenen Pegeln wird deutlich, wenn man folgende einfachen Gleichungen beachtet:

Dabei bedeuten:

p c

Dichte der Luft in kg/m3, p = 1.3 kg/m 3 Schallgeschwindigkeit, v =331 m / s

oder genauer:

P = p.dA

(5-10)

Dabei ist A die Hullflache um den Schallemittenden in m2. Die Gronen I und A haben Vektorcharakter. Bei schiefwinkliger Schallabstrahlung ist das Skalarprodukt einzusetzen. Bei ungestorter Schallausbreitung aus einer punktformigen Quelle sind die verschieden definierten Pegel identisch. Die Schalleistung beinhaltet aber als zusatzlichen Parameter die Hullflache um den Emittenden und gestattet, diesen objektiv zu beurteilen und Lmbekiimpfungsmdnahmen dort zu ergreifen, wo sie am wirkungsvollsten sind. N&er charakterisiert werden kann der Schall durch verschiedene Formen der Frequenzanalyse [5.9, 5.101.

180

5 Nichtstoffliche Emissionen ~.

-~

Die Schallbekanipfung sollte moglichst am Entstehungsort ansetzen. Unter ungunstigen Bedingungen, die oft Ieicht vermeidbar gewesen wiiren, treten Resonanz und regelrechte Drohneffekte auf. In Stahltragem kommt es zur hochst effektiven Weiterleitung als Korperschafl.(Westernfans wissen, dal3 man das Herannahen eines Eisenbahnzuges sehr langfristig

im voraus horen kann, wenn man ein Ohr auf die Schiene legt.) Maschinen sollten so weich auf Federn, Gummipuffern oder dmlichem aufgestandert werden, daB die Schallubertragung auf die Tragkonstruktion stark gemindert wird. Geblase rustet man mit Schalldiimpfern im Gaskanal aus. Zu unterscheiden ist zwischen Absorptionsschalldampfern einerseits, die bei kleinen Geometrien als Rohrschalldampfer, zumeist aber als Kulissenschalldampfer ausgefuhrt werden, und Resonanzschalldampfern andererseits, die mit Stromungstotraumen ausgestattet sind, in denen sich der Schall totlauft oder, physikalisch sauberer formuliert, durch Znterferenz selber ausloscht. Schalldiknpfer, insbesondere, wenn sie nach dem Interferenzprinzip arbeiten, wirken j e nach Drehzahl der emittierenden Maschine sehr unterschiedlich und miissen sorgfaltig ausgelegt und auf die Maschine abgestimmt werden. Aus diesem Grunde, aber auch wegen der Garantieanspriiche, empfiehlt es sich, Schalldampfer vom Geblasehersteller zu beziehen. Kostenuberlegungen sprechen vielfach aber eher dagegen. Maschinen, Apparate und Gebaude, die in mechanische Schwingungen versetzt sind, strahlen Schall auch von den Wilnden ab. Hier hilft eine Isolierung, die so aufgebaut ist, dal3 die dunne auBere Verkleidung aus verzinktem Stahlblech, Aluminium oder einem vergleichbaren Material nicht in direktem Korperkontakt steht zur drohnenden Wandung. Ublichenveise venvendet man eine mehrschichtige Schallisolierung, welche die zumeist zusatzlich geforderte Warmedammung rnit ubernimmt. In der Regel wird man die Schall emittierende Wandung mit einer dicken Mineralwolle-Packung einkleiden, daruber eine breite Luftschicht bestehen lassen und erst in einem gewissen Abstand die Blechverkleidung anbringen. Wie dick Mineralwolle- und Luftschicht sein mussen, hangt von Einzelfall ab. Als grober Richtwert seien j e 10 bis 15 cm genannt. Gegebenenfalls bringt man auf der Ruckseite der Verkleidung einen sogenannten Antidrohnbelag auf. Um das Verkleidungs-Blech zu befestigen, venvendet man weiche Omega-Bugel, die durch ihre Form die Ubertragung von Korperschall minimieren, aber nicht vollsttindig verhindem. Sollte das nicht ausreichen, besteht die Moglichkeit, die Verkleidung mit einer leichten Unterkonstruktion so zu stabilisieren, dal3 der direkte Kontakt zur schwingenden Wandung nicht mehr erforderlich ist. Sie bildet dann quasi eine “Kaseglocke”.

5.2 Storende Lichtemissionen

181

Die TA Larm [5.4] schreibt f%r die Nachbarschaft genehmigungsbedurftiger Anlagen folgende Schallpegel-Hochstwerte vor: Gewerbegebiete, industrielle Anlagen - Gebiete mit vorwiegend gewerblichen Anlagen -

-

Gebiete mit gewerblichen Anlagen und Wohnungen

-

Gebiete mit vorwiegend Wohnungen

- Gebiete ausschlieRlich mit Wohiungen -

Kurgebiete, Krankenhauser

- Wohnungen, mit der Anlage baulich verbunden

tagsuber nachts tagsuber nachts tagsuber nachts tagsuber nachts tagsuber nachts tagsuber nachts

70 dB(A) 65 dB(A) 50 dB(A) 60 dB(A) 45 dB(A) 55 dB(A) 40 dB(A) 50 dB(A) 35 dB(A) 45 dB(A) 35 dB(A) 40 dB(A) 30 dB(A)

Am Arbeitsplatz gelten nach der Arbeitsstattenverordnung andere Richtwerte: iibenviegend geistige Tatigkeiten - einfache oder uberwiegend mechanische Biirotatigkeiten und vergleichbare Tatigkeiten - alle anderen Tatigkeiten -

5.2

55 dB(A) 70 dB(A)

85 dB(A)

Storende Lichtemissionen

Dieses Thema erscheint zwar zunachst etwas exotisch; allerdings betreffen viele berechtigte Beschwerden aus der Offentlichkeit neben den Larmbelastigungen insbesondere auch Blendwirkungen oder Beeintrachtigungen der Nachtruhe durch ungiinstig angeordnete Scheinwerfer, Leuchtreklame oder h l i c h e s [5.11]. Problematisch ist wegen der hohen Lichtleistung das Scheinwerferlicht aus Fdballstadien und vergleichbaren Sportstatten. Besonders storend wirken zeitlich verhderliche Lichtimmissionen. In jiingster Zeit werden in geeigneten Ge-

5 Nichtstoffliche Emissionen

182 . -

-

~

genden Windenergieanlagen in grol3erer Zahl errichtet. Die Rotorblatter haben reflektierende Eigenschaften und konnen ein unangenehmes, blendendes Flackerlicht verursachen. Nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz sind Licht-Immissionen schadliche Umwelteinwirkungen, wenn sie nach Art, AusmaB oder Dauer geeignet sind, Gefahren, erhebliche Nachteile oder erhebliche Belbtigungen fur die Allgemeinheit oder fur die Nachbarschaft herbeizufiihren. Im Bereich des Immissionsschutzes kann bei Lichteinwirkungen auf den Menschen im allgemeinen eine Schadigung der Augen oder der Haut ausgeschlossen werden,

so dal3 zur Beurteilung nur die Belastigungswirkung zugrunde gelegt werden kann. Ein Belastigung durch Licht kann zum Beispiel vorliegen, wenn: - Schlaf- oder Wohnraume aufgehellt werden - der zur Erholung genutzte private AuBenbereich (Garten, Terrasse, Balkon) beleuchtet wird - die Lichtquelle blendend oder auffallig ist.

Abhilfe ist in den meisten Fallen schnell zu schaffen, insbesondere, wenn das Problem durch Gedankenlosigkeit entstanden ist. Oft reicht bereits aus, Leuchten so mit Abschirmblechen und Reflektoren auszustatten, dafi der Lichtkegel deutlich eingegrenzt wird. Die Leuchtdichte von Lichtquellen wird ubrigens in Candelalm’ gemessen. Verbindliche Normen oder Grenzwerte existieren aber derzeit noch nicht [5.12]. Astronomen haben den Begriff Lichtverschmutzung gepragt und meinen damit die diffuse Aufkellung des Nachthimmels durch nachtliche Beleuchtungen aller Art im Bereich von Stadten [5.13, 5.141. Tatsachlich sind aus diesem Grunde anspruchsvolle Himmelsbeobachtungen, auch fur Amateurzwecke, nur noch in entlegenen Gegenden moglich.

5.3

Elektrosmog

Von Hochspannungsleitungen, aber auch von Elektrogeraten, die mit Wechsel- oder Drehstrom betrieben werden, gehen niederfrequente elektrische und magnetische Wechseyelder aus, denen gesundheitliche Risiken nachgesagt werden. Rundfunksender, Funktiirme und ahnliche Gerate, die mit sehr hochfrequenter Wechselspannung arbeiten, senden ein elektromugnetisches Feld. Da der Mensch keine Sinnesorgane fur diese Felder besitzt, wird je nach subjektiver Einstellung die Gefahr entweder nicht ernst genommen oder vollig uberbewertet. Wie empirische wissenschaftliche Studien belegen [5.15], verandern niederfrequente magnetische Wechselfelder die Ausschiittung des Hormons Melatonin mit negativen Folgen fur den Biorhythmus und die Psyche. Auch steigt das Leukamie-Risiko zwar geringfugig, aber

5.3 Elektrosmog

183

statistisch signifikant. Hochfrequente Felder andern dariiber hinaus die Durchlassigkeit der Zellwande und erw-en den Korper von innen. Elektrische Felder werden durch Ladungen verursacht und lassen sich sehr leicht durch Hindernisse abschirmen, wahrend magnetische Felder durch flieRende Strome verursacht werden, praktisch alles ungehindert durchdringen und nur durch lnferferenz bei geschickter Leitungsfihrung gemindert werden konnen. Der einzig wirksame Schutz besteht darin, sich nicht unnotig lange im Bereich enlsprechender Felder aufzuhalten und einen Mindestabstand zu stromdurchflossenen Leitern einzuhalten. Vom Katalyse-Umweltinstitut werden fur Wohnungen folgende Mindestabstiinde von Hochspannungsleitungen empfohlen: Spannung 20 kV 110kV 220 kV 380 kV

Empfohlener Abstand 15 ... 80 m 20 ... 95 m 30 ... 120 m 40 ... 160 m

Die breite Spanne der Abstandsenipfehlungen erklart sich dadurch, dal3 eigentlich nicht die Spannung, sondern die Stromstarke das magnetische Feld verursacht. ErfahrungsgemaR steigt zwar in Hochspannungsleitungen in der Tendenz die Stromstkke mit der Spannung, naturgesetzlich ist dieser Zusammenhang aber nicht. Dariiber hinaus sind die Ergebnisse der bisherigen Untersuchungen unsicher und derzeit noch zu sehr subjektiv gepragt. Im Vergleich zu den kiinstlich erzeugten Wechselfeldern ist das natiirliche Magnetfeld der Erde extrem kraftig (und I& sich durch einfache Magnetnadeln nachweisen). Allerdings ist es kein Wechselfeld, sondern geht wahrscheinlich auf einen konvektiven Gleichstrom fliissigen Eisens im Erdkern zuriick [5.16]. Auch im Bereich gleichstrombetriebener Fahrzeuge wie Strdenbahnen werden Magnetfelder vergleichbarer Stkke gemessen. Mit der Verordnung iiber elektromagnetische Felder (26. BImSchV) wurden 1997 rechtsverbindliche Grenzwerte festgelegt und Anzeigeverfahren fiir bestimmte feldemittierende Anlagen eingefuhrt. Verfahren der Messung und Berechnung werden von den jeweils zustandigen Landesamtern entwickelt [5.17].

184

5.4

5 Nichtstoffliche Emissionen

Strahlenschutz

Es sei auf das Atomgesetz [5.18], das Strahlenschutzvorsorgegesetz [5.18] und die Strahlenschutzverordnung einerseits und entsprechende weiterfuhrende Spezialliteratur andererseits [ 5.191 verwiesen. Ionisierende Strahlung geht aus von radioaktiven Stoffen, die sowohl naturlichen Ursprungs als auch in kerntechnischen Anlagen erzeugt sein konnen. Ihre Atomkerne sind instabile Isotope. Das Verhaltnis aus Protonen und Neutronen ist hier unausgewogen. Die betreffenden Kerne zerfallen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, die von auBen nicht beeinflunbar ist. Ob ein bestimmter instabiler Kern zerfallt oder nicht, ist mit Ausnahme gezielt herbeigefiihrter Kernreaktionen ausschlieBlich ein Frage des Zufalls. Die Zerfallsgeschwindigkeit bestimmter radioaktiver Stoffe ist proportional der Anzahl der radioaktiven Kerne. Sie wird angegeben in Becquerel (1 Bq = 1 / s), in alteren Biichern in Curie (1 Ci = 3,7 10" Bq). Es gilt: dn I dt = - k . n mit

(5-1 1 )

n Zahl der Kerne eines bestimmten, vorliegenden Isotop-Typs f

Zeit in s, h oder a

k spezifische Zerfallskonstante Zwischen der Konstanten k und der Halbwertzeit t l besteht ~ folgender Zusammenhang: t 1 / 2=

In (2 / k)

(5-12)

Tabelliert ist iiblicherweise die Halbwertzeit, also der Zeitraum, nach dem die Radioaktivitat auf die Halfte gesunken ist. Sie ist spezifisch f i r bestimmte Isotope und kann sich zwischen winzigen Sekundenbruchteilen und Milliarden von Jahren bewegen. In vielen praktischen Fallen. zum Beispiel bei radioaktiven Stoffen, die man fur diagnostische Zwecke in der Medizin venvendet. liegt die Halbwertzeit im Bereich von Stunden. Andere radioaktive Stoffe, die sehr lange Halbwertzeiten haben, mussen dauerhaft von der Biosphare ferngehalten werden, da keine spurbare Abnahme der Radioaktivitat mit der Zeit zu verzeichnen ist. Radioaktive Keme konnen durch Zerfall in stabile Isotope anderer Elemente ubergehen. Oft ist allerdings das Zerfallsprodukt seinerseits radioaktiv, und es ergibt sich eine Zerfallskette.

5.4 Strahlenschutz

185

Die Schadlichkeit radioaktiver Stoffe beruht auf ihrer Eigenschaft, beim Zerfall ionisierende Strahlung auszusenden. Man unterscheidet:

a - Strahlen:

frei fliegende Heliumkeme

p-

freie Elektronen, wie sie Sihnlich auch eine schlecht abgeschirmte Fernsehbildrohre aussendet

Strahlen:

y- Strahlen:

energiereiche Strahlen, vergleichbar den weniger hochenergetischen Rontgenstrahlen

Neutronenstrahlen Energiereiche oder harte Strahlen sind g e f ~ l i c h e rals energieanne oder weiche. Letztere lassen sich durch Hindernisse relativ gut abschirmen. Aufgrund ihrer Teilcheneigenschaften lassen sich a - Strahlen besser abschirmen als p- Strahlen und diese wiederum besser als yStrahlen. Ein Angabe der Zerfalle pro Zeiteinheit sagt noch nicht aus, wie grol3 die Dosis D ist, die massenspezifische Energie, die eirie Person in der Niihe des radioaktiven Stoffes aufnimmt. Durch Multiplikation mit dem Faktor q, der nach biologischen Erkenntnissen festgelegt ist, erhalt man daraus die k’quivalenrdosis. Sie ist ein Mal3 fur die tatsachliche radioaktive Belastung. Sie setzt sich additiv zusammen aus einem naturlichen Anteil, der regional und lokal starken Schwankungen unterliegt und zum Beispiel in der Nghe von Uranerzvorkommen relativ hoch ist, und einem Anteil, der durch die Nutzung von Kernkraft verursacht wird. Letzterer ist im Regelfall der deutlich kleinere Beitrag. Hinzu kommen Belastungen aus dem Rontgenbereich und der Hohenstrahlung im Reiseflugverkehr. Die Mdeinheit f i r die Dosis ist das Gray, Gy, (1 Gy = 1 J/kg), die fir die Aquivalentdosis das Sievert, Sv. Altere entsprechende Einheiten sind das rad (1 rad = 1 Gy / 100) und das rem (1 rem = 1 Sv / 100). h l i c h wie bei krebserregenden Stoffen (siehe Abschnitt 1.2) steigt die Wahrscheinlichkeit der Erkrankung rnit der Dosis, ohne dal3 eine Schwelle angegeben werden konnte. Fur beruflich strahlenexponierte Personen ist eine hohere Aquivalentdosis (zusatzlich zu der naturlichen) zulassig als fur die Allgemeinheit. Die derzeitigen Ganzkorper-Werte sind 500 bzw. 30 Sv. Radioaktive Stoffe konnen fest, flussig oder gasformig sein und werden in der Umwelt gemafl ihren andenveitigen physikalischen Eigenschaften transportiert und vom menschlichen Korper aufgenommen und wieder ausgeschieden. Oberflachlich radioaktiv belastete oder kontaminierte Feststoffe konnen durch Putzen von radioaktiven Stoffen befreit oder dekonta-

5 Nichtstoffliche Emissionen

186

miniert werden. Ansonsten sind grundsatzlich die in anderen Kapiteln dieses Buches diskutierten Trennverfahren geeignet, auch radioaktive Stoffe abzuscheiden. Gesundheitliche Probleme im Erzbergbau, die auf sehr hohe Dosen naturlichen radioaktiven Radongases zuriickzufihren sind, werden bereits von Agricola [ 5.201 beschrieben. Eine moderne Darstellung findet sich bei Forstner [5.2 11. Kohle enthalt nicht zu vernachlassigende Mengen radioaktiven Radiums und Bleis. Beim Verbrennen setzen Kohlehaftwerke daher rnehr Radioaktivitat frei als Kemkrafiwerke gleicher Leistung [5.22]. Allerdings gelten hier nicht die strengen Vorschrifien und Grenzwerte der Kemtechnik, die im Atomgesetz [5.19] und in der Strahlenschutzverordnung E5.191 geregelt sind, da die Radioaktivitat aus Kohle als “naturlich” gilt [5.22]. Da es sich bei den freigesetzten radioaktiven Stoffen gronenteils um Edelgase handelt, kann man sie nur mit sehr grokrn Aufwand zuriickhalten, und der einzige praktikable Schutz besteht in der Verdunnung, die durch die Ausbreitung gegeben ist. Es ist vorgeschlagen worden, radioaktive Edelgase aus kemtechnischen Anlagen in der Tiefsee zu versenken [5.23]. Bei dem dortigen extrem hohen Druck liegt die Dichte von Krypton, Xenon und Radon uber der des Wassers, so da13 die Gasblasen nicht aufsteigen konnen. Es bilden sich zudem Hydrate.

5.5 [5.1]

Literatur Gossrau, E., Stephany, H. , Conrad, W. Diirre, W.: Handbuch des LBrmschutzes und der Luftreinhaltung. Loseblattsammlung. Bielefeld: Erich Schmidt

[5.2] Normenausschun Akustik, L2nnminderung und Schwingungstechnik (NALS) im DIN und VDI: Schall-

technik 1994. VDI-Berichte Nr. 1 I9 I , Tagungsband Baden-Baden. Diisseldorf: VDI, 1994 [5.3]

Schmidt, H.: Schalltechnisches Taschenbuch. Diisseldorf: VDI, 4.Auflage, 1989

[5.4] Engelhardt, H., Hinzen, M., Kleefisch, K. H., Kordas, F., Meyer zu Rimsloh, H., Nobis, U., Pfeil, B., Vatter, H. J., Vay, K., Wrede, J., Z i m m e n a n n , E.: Intensiv Filter Taschenbuch. Velbert-Langenberg: Intensiv Filter, 3. Auflage, 1989 [5.5] Bethge, D., Meurers, H.: TA Larm, Technische Anleitung zum Schutz gegen Larm. Koln: Carl Heymanns, 4. Auflage, 1985 [5.6] NormenausschuR Akustik, Larmminderung und Schwingungstechnik (NALS) im DIN und VDI: VDI-

Handbuch Larmminderung. Loseblattsammlung, Dusseldorf: VDI, 1996 [5.7] DIN IEC 65 1, Schallpegelmesser

5.5 Literatur

187

[5.8] DIN 45630 Teil 3, Normalkurven gleicher Lautstlrke

[5.9] Holzbaur, U.: Umwelttechnik und Umweltmanagement, Kapitel 9: Llrm und Llrmschutz. Heidelberg:

Spektrum, 1996 [5.10] Dopf, G.: Grundlagen des Schalls und des Schallschutzes. Interner Bericht, Wiirzburg: Firma Noell-KRC, 1985

[5.1 I ] Landesanstalt f i r Immissionsschutz des Landes NRW (LIS (heute Landesumweltamt LUA)) (Herausgeber): Messen und Beurteilen von Lichtimmissionen, LIS-Berichte Nr. 51 (1984) [5.12] Landesanstalt f i r Immissionsschutz des Landes NRW: Schutz vor Lichteinwirkungen. INFO 7. Essen

[5. I31 “Die Welt” vom 2 I . 1 1.97: Zuviel Licht llRt die Sterne verblassen [5.14] Grafton, M.: Das Licht der Welt. “Zeitmagazin” vom 02.04.98 [5.15] Katalyse e. V.: Elektrosmog. Heidelberg, C. F. Miiller, 3. Auflage, 1995 [5.16] Jeanloz, R.: Der Kern. SpeMrum der Wissenschaft 1 ID983 [5.17] Kindel, R.: Messung und Berechnung elektrischer und magnetischer Felder im Rahmen der 26. BImSchV.

Essen: Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen, Jahresbericht ‘97, 1998 [5.18] Storm, P.-C.: Umweltrecht, Kapitel 7, Strahlenschutz und Reaktorsicherheit. Miinchen: Beck-Texte im

dtv, 9. Auflage, 1995 [5.19] Bartsch, G.: RadioaktiviM und Strahlenschutz, in Brauer, H.: Handbuch des Umweltschutzes und der

Umweltschutztechnik, Band 1: Emissionen und ihre Wirkungen. Berlin: Springer 1997 [5.20] Agrocola, G.: De Re Metallica Libri XII. Sechstes Buch, Basel: 1556, Sonderausgabe Dusseldorf VDI 1977 [5.21] Fdrsmer, U.: Umweltschutztechnik. Berlin: Springer, 1995 [5.22] Borsch, P. und Wagner, H.-J.: Energie und Umwelt, in: Baumglrtel, G., Borsch, P., Halaszovich, St.,

Laser, M., Paschke, M., Richter, B., Stein, G . , Stippler, R., Wagner, H.-J: Aktuelle Themen der Kernenergie, Vortrlge eines Seminars veranstaltet von der Programmgruppe Technik und Gesellschaft des Forschungszentrums Jiilich GmbH Jiilich: KFA, 1990 [5.23] Simonis, R.: Experimentelle Darstellung von Kr/Xe-Hydrat bei Driicken bis 160 bar. Bericht der KFA

JUlich, 1985, zugleich Dissertation RWTH Aachen, 1985

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6

Emissionsiiberwachung

6.1

Gesetzliche und theoretische Grundlagen

Die einzuhaltenden Grenzwerte sind durch die bereits zitierten Vorschriften (siehe auch Kapitel 1.2) festgelegt, die technischen Verfahren zur additiven Emissionsbegrenzung sind in den Kapiteln 2 bis 4 vorgestellt w-orden. Die Meatechnik ist hinreichend in weiterfhender Literatur [6.1 - 6.41 behandelt und ist deshalb nicht Gegenstand dieses Buches. Konkrete Vorschriften sind den entsprechenden Normen zu entnehmen [6.5]. Die technischen Uberwachungsvereine veroffentlichen regelmaig ihre Erfahrungen [6.6]. Bei allen Messungen ist kritisch zu hinterfragen, ob der Ort der Messung oder das Netz der Menstellen reprasentativ ist oder ob eine im Zuge der Messung erforderliche Probenahme selber Ursache f i r eine Mendatenverfalschung sein kann. So wird der Feststoffgehalt von Gasen prinzipiell falsch bestimmt, wenn das zu analysierende Gas nicht isokinefisch abgezogen wird. Oft mussen Menstutzen isoliert oder beheizt werden, um das vorzeitige Kondensieren der zu analysierenden Stoffe zu verhindern. Werden Probenahmestutzen selten benutzt, kann dort “abgestandenes” Material anliegen, das zunachst abgezogen und venvorfen werden mu& Oft sind zeitliche Schwankungen der zu messenden GroJ3e zu beriicksichtigen. Die wichtigste gesetzliche Grundlage der Emissionsiiberwachung (Wagner, D.: Emissionsiibenvachung, Essen, Vortrag in1 Landesumweltamt 1996) ist das Bundes-Immissionsschutzgesetz, BImSchG, [6.7]. Es unterscheidet: - Messungen aus besonderem AnlaR, 5 26 - Erstmalige und wiederkehrende Messungen, 5 28 - Kontinuierliche Messungen, 5 29 Ubenvachung durch Behorden, 5 52 Die konkret einzuhaltenden Grenzwerte sind in Vorschriften und Verordnungen geregelt. Hierzu gehoren (siehe auch Abschriitt 1.2): - Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft - 1. BImSchV (Kleinfeuerungen) - 2. BImSchV (Halogenkohlenwasserstoffe) - 13. BImSchV (Grofifeuerungsanlagen) - 17. BImSchV (Miillverbrennungsanlagen) -

190

6 Emissionsubenvachung ~

Das Hundes-lmmissionsschutzgesetz schreibt in

4 4 vor, daR Anlagen, die Schadstoffe emit-

tieren oder schadliche Umwelteinwirkungen hervorrufen, grundsatzlich genehmigungsbediirftig sind, bei vorliegender Bauartgenehmigung per Rechtsverordnung aber auf eine EinzelfallGenehmigung verzichtet werden kann. In der Praxis bedeutet das zum Beispiel. dafi Chemisch-Reinigungen, wenn bauartgenehmigte Anlagen installiert sind, keiner derartigcn Genehmigung bedurfen. Es ist also grundsatzlich zwischen genehmigungsbediirfigen und nichi

genehmigungsbedurftigenAnlagen zu unterscheiden. Die Emissionsubenvachung genehmigungsbedurftiger Immissionsschutzgesetz.

9

Anlagen regelt das Bundes-

26 BImSchG behandelt Messungen aus besonderem AnlaJ?. Die

zustandige Behorde kann den Betreiber veranlassen, von einer geeigneten Institution Emissionen und Immissionen in der Umgebung messen zu Iassen. Stellen zur Ermittlung von Luftverunreinigungen, Gerauschen und Erschutterungen werden von der obersten Landesbehorde bekanntgegeben. (Eine Liste befindet sich in Anhang A 1.2 [6.8].) Nach

4

28 BImSchG kann die zustadige Behorde Ersrmalige und wiederkehrende Mes-

sungen verlangen, und zwar letztere im Abstand von 3 Jahren, bei entsprechendem Gefahrdungspotential auch haufiger. In diesem Fall sol1 die Rehorde allerdings auch cine Messung durch den Immissionsschutzbeauj?ragten des Betreibers zulassen, sofern er kompetcnt und geratetechnisch hinreichend ausgestattet ist. Es existiert diesbezuglich ein spezielles Handbuch [6.9]. In besonderen Fallen kann die Behorde vom Betreiber nach

4 29 BImSchG konrinuierliche

Messungen verlangen. Das gilt insbesondere ,,bei Anlagen mit erheblichen Emissionsmassenstromen luftverunreinigender Stoffe oder erheblichen Abgasstromen, insbesondere bci Anlagen mit einem Abgasstrom von mehr als 50 000 m3 j e Stunde ...". Auf die Moglichkeiten der modernen Emissions- und Immissionsmessung einschliefilich der automatischen und verzogerungsfreien Daten-Weiterleitung und -Verarbeitung sei hingewiesen. In einigen E'Bllen wird diese On-line-Ubenvachung bereits praktizicrt. Dabei kann der Datenempfanger sowrohl ein MeRinstitut als auch eine Behorde sein. So hat in einer MeBkampagne, die sich uber niehrere Monate erstreckte, das Institut fur Umwelttechnologic und Umweltanalytik (IUTA) in Duisburg-Rheinhausen Emissionsdaten aus einer Rauchgasreinigungsanlage dirckt empfangen und verarbeitet. Es handelte sich um ein Aktivkoksfilter, das einer Industriemullverbre1xlungsanlage der Abfallentsorgungsgesellschaft Ruhrgebiet (AGR) in Herten (siehc Ahschnitt 4.2.3) nachgeschaitet ist. nach der Selbstverstandlich gilt das oben gesagte insbesondcre fur (;rc~~feuL.rungsanla~en

13. BImSchV

(4

22). Kontinuierliche Messungen sind hier zwingend vorgeschrieben,

5

25,

6.2 Methoden und Anwendungen

191

13. BImSchV. Die MeRgerate sind nach fj 28 13. BImSchV jahrlich auf ihre Funktion hin zu priifen und alle 5 Jahre zu kalibrieren, bei Anlagen mit einer Feuerungswarmeleistung von mehr als 300 MW alle 3 Jahre. Bezuglich der kontinuierlichen Emissionsmessung bei Mullverbrennungsanlagen gilt sinngemiifl das gleiche mit dem Unterschied, daB grundsatzlich alle 3 Jahre neu zu kalibrieren ist (5 10 und 9 11 der 17. BImSchV). Nach Errichten oder wesentlicher Anderung einer derartigen Anlage sind nach $13 der 17. BImSchV Einzelmessungen erforderlich. Der erfolgreiche AbschluR der Inbetriebnahmearbeiten ist dabei zuvor abzuwarten. AuRerdem verlangt dieser Paragraph jiihrliche Einzelmessungen an mindestens drei Tagen. Bei nicht genehmigungsbedurftigen Anlagen handelt es sich iiberwiegend um ChemischReinigungen, auf die wegen ihrer Halogenkohlenwasserstoff-Emissionen die 2. BImSchV angewendet wird. Die Uberwachurig ist in fj 12 der 2. BImSchV geregelt. Es sind erstmalige und jtihrlich wiederkehrende Messungen durch ein anerkanntes MeRinstitut erforderlich oder altemativ eine erstmalige Messung und eine anschlieBende kontinuierliche Messung mit jahrlicher Kalibrierung und Funktionspriifung. Kleinfeuerungsanlagen nach der 1. BImSchV mit einer Nennwiirmeleistung von mehr als 4 kW - private Kaminanlagen - werden g e m a 9 14 und $ 15 1 . BImSchV erstmalig beziehungsweise wiederkehrend vom zustiindigen Bezirksschornsteinfegermeister uberwacht.

6.2 Methoden und Anwendungen Messungen mussen zuverlassig sein und korrekte, reproduzierbare Ergebnisse liefern. Fiir die Erstellung und Standardisit:rung diskontinuierlicher MeRverfahren ist die Kommission Reinhaltung der Lufr im VDI und DIN (siehe Anhang A 1.2) zustandig. Dieser gehoren Vertreter von Behorden, Verbhden und der Industrie an. Verbindlich werden die MeBverfahren erst nach dem AbschluR eines offentlichen Einspruchsverfahrens. Die Vereinbarungen werden als VDI-hchtlinien veroffentlicht. Sie beschreiben: - Anwendungsbereich (Industriebranche, Konzentrationsbereich, ...) - Probenahmeverfahren - Analysenverfahren - Verfahrenskenngroflen wie: - Nachweisgrenzen - Querempfindlichkeiten - MeRfehler

192

6 Emissionsubenvachung

Institute konnen sich um eine Anerkennung als Meninstitut fur Emissionsmessungen nach den oben genannten $9 26, 28 BImSchG bewerben. Erforderlich sind: - Antrag bei der obersten Landesbehorde -

Nachweis der Unabhangigkeit

- Qualifikationsnachweis

Behordlicherseits erfolgt daraufhin: - Uberprufung -

Beschrrinkung der Tatigkeit (Die Zulassung erfolgt nicht pauschal, sondem nur fur die Messungen, die das Institut nachweislich beherrscht, und f i r bestimmte Anwendungsfalle.)

-

Bekanntgabe durch die oberste Landesbehorde [6.8]

-

Bekanntgabe ohne Prufung in anderen Bundeslandem

Grundsatzlich ist die Zulassung auf acht Jahre befristet und mufi rechtzeitig vor Ablauf der Frist neu beantragt werden. Die Meninstitute durfen durchfihren: - Emissionsmessungen nach -

$9 26,28 BImSchG

Eignungsprufung von kontinuierlichen Meneinrichtungen

- Kalibrierung und Funktionsprufung von kontinuierlichen Meneinrichtungen Die Eignungsprufung verlangt, da8 von der Meneinrichtung Mindestanforderungen zu erful-

len sind. Hierzu gehoren: Temperaturverhalten

~

- Stabilitat des Null- und Referenzpunktes -

Sicherheit

Der Test erfolgt an mindestens zwei voneinander unabhangigen Geraten. Er umfafit die Ermittlung von: - Verfugbarkeit -

Kalibrierbarkeit

-

Verfahrenskenngronen

- Wartungsintervall

Die Eignungsbekanntgube erfolgt im Bundesanzeiger durch den Bundcsministerfur Utnwelf, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU). Das Verfahren der Kalibrierung ist vorgeschrieben in VDI-Richtlinie 3950 Blatt 1 [6.10]. Es beinhaltet: -

Vergleichsmessungen zwischen der Meneinrichtung und einem Konventionsverfahren (in der Regel manuell), Anzahl ca. 10 bis 20

- Abdeckung aller moglichen Betriebszustande

6.3 Literatur

193

- das statistische Verfahren der Regressionsrechnung -

Ermittlung des Vertrauens- und Toleranzbereichs Parametrierung des Auswerterechners Fur die Ernissionsiibenvachung speziell in Nordrhein-Westfalen sind 12 staatliche Um-

weltamter und 47 bekanntgegebene MeRinstitute zustandig. Das Landes-Umweltamt Nordrhein- Weslfalen (LUA) - die ehemalige Landesanstalt f i r Immissionsschutz (LIS) in Essen - fiihrt f i r alle wichtigen Stoffe kontinuierlich Immissionsrnessungen an ausgewahlten Standorten durch. Das Netz der vollautomatischen MeRstellen ist in ausgesprochenen Reinluftgebieten wie zum Beispiel der Eifel oder dern Hochsauerland sehr weitmaschig, im Ruhrgebiet aber so dicht, daR im Falle auRergewohnlich hoher Werte schnell Ruckschlusse auf den Verursacher gezogen werden konnen.

6.3 Literatur Schwedt, G.: Schnelltestverfahren und Vor-Ort-MeRtechniken. Wiirzburg: Vogel, 1995 Richly, W.: Men- und Analysentechnik. Wlirzburg: Vogel, 1990 Baumbach, G.: Air Quality Control. Berlin: Springer 1996 Baum, F.: Luftreinhaltung in der Praxis, Kapitel3: MeRtechnik. Miinchen: Oldenbourg, 1988 VDIIDIN-Handbuch Reinhaltung der Luft B2nde 4 und 5, Loseblattsammlung, Berlin: Beuth Jockel, W.: Stand der EmissionsmeRtechnik im Abgas der Riickstandsverbrennung, Vortrag auf dem Jahrestreffen 1991 der Verfahrens-Ingenieure 1991 in Koln. Chem.-1ng.-Tech. 64 (1992) Nr. 3 S. 223230 Storm, P.-C.: Umweltrecht, Kapitel 6, Immissionsschutz (Luftreinhaltung, Larmbeklmpfung). Miinchen: Beck-Texte im dtv, 9. Auflage, 1995

5 26 BImSchG 13. BImSchV, 5 10 der 17. BImSchV, 5

Stellen zur Ermittlung von Luftverunreinigungen, Gerauschen und Erschiitterungen gem. sowie Stellen im Sinne von

5 12 der 2. BImSchV, 89 26,28 der

7 der 27. BImSchV und Nr. 3.2 TA Luft. Ministerialblatt f i r das Land Nordrhein-Westfalen

~

Nr. 64

vom 1 I . November 1997 Dreyhaupt, F. J.: Handbuch fur Immissionsschutzbeauftragte. Koln: TUV Rheinland GmbH, 1978 VDI-Richtlinie 3930 Blatt 1, VDIIDIN-Handbuch Reinhaltung der Luft

This Page Intentionally Left Blank

7

Der systematische Weg von der Problemstellung zur technischen Losiing

7.1

Allgemeiner Ratgeber

Den Neu- oder wesentlichen Umbiiu von Abluftreinigungsanlagen wird der Betreiber in der Regel erfahrenen Fachfirmen iiberlassen. Einige werden im Rahmen dieses Buches envahnt, weitere finden sich in den bekannren kaufm5nnischen Nachschlagewerken wie “Wer liefert was”. Auf die regelmaflig stattfindenden chemisch und umwelttechnisch orientierten Fachmessen (ACHEMA in Frankfurt, ENVITEC in Diisseldorf) sei hingewiesen. Hinzu kommen Messen, die sich ausschliefllich an spezielle Branchen wenden (zum Beispiel die ENTSORGA in Koln fiir den Entsorgungs- und Recyclingbereich). Die Firma LAB Deutschland hat ein Ubersichtsdiagramm und Kurzbeschreibungen in Piktogrammform fur die einzelnen Verfahren erstellt (Tab. 7-1, [7.1]). Es beruht allerdings ausschliefllich auf den von ihr vertretenden (allerdings recht vielseitigen) Verfahren und enthalt nicht die Verbrennung und die biologischen Reinigungsmoglichkeiten. Ein einfaches Schaubild, das die Technologien urid Prinzipien der Abluftreinigung einschliefllich der Staubabscheidung gegenuberstellt, findet sich bei Bank (Abb. 7- 1 nach [7.2]). Angesichts der vielen moglicheri Varianten und der Besonderheiten des Einzelfalls sollte die Entscheidung f b oder gegen ein bestimmtes Verfahren nicht vorschnell getroffen, sondern systematisch, wenn auch nicht streng algorithmisch erarbeitet werden. Hierzu kann ein Ablaufdiagramm dienen, das wegen seiner Verzweigungen zu den verschiedenen potentiellen Losungen als “Entscheidungsbaum” bezeichnet wird.

SNCR-Verfahren

Mit Adsorption auf Aktivkohle, bzw. Herdofenkoks trocken und quasitrocken mit Flugstromverfahren naR, mit nachgeschaltetem Flugstromverfahren SCR-Verfahren sehr gut

sehr gut

sehr gut

sehr gut

gut

sehr gut

sehr gut

sehr gut

sehr gut

geeignet

sehr gut

gut

sehr gut

gut

sehr gut

sehr gut

gut

sehr gut

sehr gut

sehr gut

sehr gut

sehr gut

sehr gut

geeignei

gut

sehr gut

gut

sehr gut

Ge-

Bcmerkungen

sehr gut

geeignet zur wirksaruen Abscheidung und Zerstorung von NO, und Dioxinen und Furanen zur Abscheidung und Zerstorung von

geeignet zur wirksamen Abscheidung von Dioxinen und Furanen gut

zur Verringerung der NO,-Restanteile und der wirksamen Abscheidung und Zerstorung von Dioxinen und Furanen

geeignet zur wirksamen Abscheidung von Dioxinen und Furanen

gut

gut geeignet f i r den mittleren Leistungsbereich, hoher Verbrauch an Reaktivstoffen gut geeignet f3r den gehobenen Leistungsbereich, mittlerer Verbrauch an Reaktivstoffen gut geeignet fur den gehobenzn Leistungsbereich, mittlerer Verbrauch an Reabivsto ffen geeignet gut geeignet fur den hohen Leistungsbereich, schwacher Verbrauch an Reaktivstoffen geeignet gut geeignet fir den hohen Leistungsbereich, schwacher Verbrauch an Reaktivstoffen

ruche

gut

gut

geeignet

geeignet

sehr gut

gut

sehr gut

sehr grit

sehr gut

Nab, abwasserfrei durch Eindampfen und Spriihtrockner durch Eindampfen irn Kristallisator Nab, mit spezifischen Zusatzen

sehr gut

sehr gut

sehr gut

sehr gut

sehr gut

Nab

geeignet

gut

gut

geeignet

sehr gut

gut

sehr gut

geeignet

Quasitrocken

NO,

gut

geeignet

SO,

Dioxine, Furane

gut

gut

sehr gut

Trocken bei tiefen Temperaturen

geeignet

HCI, HF, HBr

andere Gase CIz,Brz, usw.

geeignet

sehr gut

geeignet

sehr gut

Trocken

gasftirmigHg, usw.

saure Gase

sehr gut

partikelfirmig

Schwermetalle

kondensierbare Bestandteile

Staub

Verfahren

Tab 7-1: Ubersicht von Technologien und Prinzipien der Abluftreinigung.

Adsorber (Abschnitt 4.2)

Ro = Rohgas

0Re = Reingas

I

Lufl

Ro

y

Nachverbrennung (Abschnitt 4.4)

Elektroentstauber (Abschnitt 2 2 4)

Katalytische Abgasreinigung (Abschnitt 4.3)

W = Waschflussigkeit = Sfaub

.)S

Re

Filternder Abscheider (Abschnitt 2 2 3)

Abb. 7-1: Ubersicht von Technologien und Prinzipien der Abluftreinigung

Absorber (Abschnitt 4.1)

S 4

Zyklon (Abschnitt 2.2.2)

!?IRe

Biologisches Verfahren (Abschnitt 4.5)

Waschentstauber (Abschnitt 2 2.5)

198 . .

7 Der systematische Weg von der Problemstellung zur technischen Losung -___--

~.

~

_ .. -

~.

7.2 Ablaufdiagramme

Juristischc Vorab - Klarung

Gcltende Vorschriften

Behorden

Ausland: ?

schutzgestz -TA Luft (Grenzwerte)

Anlagc genchinigungsbcdiirftig? 4. BImschV

potentielle Gegner

Nachbarn "Uniwcltschutzcr"

-Gcbietskorperschaften (Gcmcinden, Kreisc) -Landcrbehordcn

Landesumweltamt

, Weitere BundesimmissionsschutzVerordnungen anzuwenden? (Kap. 1.2)

.

-_

199

7.2 Ablaufdiagramrn

I

I

Projekt

Geplant im vorhandenen Verbund

Erweiterung oder Ertuchtigung einer

griinen Wiese"

I Bestandsaufnahme eventl. vorhandene Umweltschutzauflagen und deren Brauchbarkeit

keine Uberschreitung keine Mdnahme

Uberschreitung?

ia

Ertuchtigung der vorhandenen Abluftanldge sinnvoll?

Individuelle Losung

Primarmahahme oder Umgehung des Problems moglich und wirtschaftlich verniinftig?

Konzeptionierung der Abluftreinigungsanlage

Produktionsintegrierte Losung

200

7 Der systematische Weg von der Problemstellung zur technischen Losung . .

--

~

__

Franenkataloiz (komDlette Beantwortung erforderlichl: -Ein konkreter Schadstoff, oder ein komplexes Schadstoff'rnenii"? -Schadstoff bei Wiedergewinnung ein wirtschaftlich interessanter Wenstoff? -Analyse: physikalische, chernische und toxikologische Daten (Aggregatzustand, Temperatur, chernische Analyse) -Gemisch explosionsfahig? -Vernichtung/Oxidation des Schadstoffs moglich? -Zeitliche Schwankungen? -Eine oder rnehrere Emissionsquellen? -Geltende Grenzwerte?

1 Abluft enthalt Feststoffe undioder Flussigkeitstropfchen

7.2 Ablaufdiagramm

I

20 1

Q+ ausschlieblich Feststoffe oder Fliissigkeiten?

I ia

I

nurTropfchen?

nein

I

Feststoffmenge gering, Feststoff wasserloslich oder suspendierbar?

L

nein

Feststoff mit Adsorptionseigenschaften? nein Priifung: NaRwasche als koinbiniertes Entstaubungs- und Absorptionsverfahren nicht

sinnvoll

sinvoll

Eingangszustand: -Fracht -KomgroBenverteilung -Feuchte

Geforderte Daten im Ausgang, insb. Fracht gem. Vorschriften

Explosiv MaBnahmen nach Abschnitt 2.2.6

202

7 Der systematische W e g von der Problemstellung zur technischen Losung

Entscheidung fur ein Abscheideprinzip Auslegung

Schadstoffprobleme

-

Abfallproblem (s. Nothe)

nein

----+

Anreicherung durch Ad-iDesorption Abschnitt 4.2 Deponic nach Adsorption an Aktivkohlei-koks

Abwasscrproblem (s. Neitzel /Iske)

7.2 Ablaufdiagramm

203

.

4 Adsorption an Aktivkohlef-koks und anschlieaende Verbrennung

Katalytische Verbrennung Katalytische Reaktion und / oder Warmeverschiebungssystem (Abschnitt 4.3)

-

nein

I

liegen positive Erfahrungen zur biologischen Abbaubarkeit vor? (bei Geruchssloffen in geringen Konzentrationen oft der Fall) (Abschnitt 4.6)

ia

4

v

+

Biowascher

Biofilter

Biowascher und Biofilter

I

nein

I

nein keine weiteren Grenzwert iiberschritten? 4MaRnahmen

7 Der systeniatische Weg von der Problemstellung zur technischen Losung

204

.

__

. .

~

~~~

Grcnzwerte uberschrittcn?

I

Keine weitcrcn Mahahmen I

I

I

I

Schadstoff ist ein anorganischer Reinstoff oder cin Gemisch. das anorganische Bestandteile enthalt

I

I

4

Direkte chemische Umsetzung mit zugefugten (zumeist staubforniigen) Reaktionspartnern (Abschnitt 4.4)

Groflteil der Schadstoffe wasserloslich (Abb. Henry) oder Feststoff

ia I

1

Wasche (Abschnitt 4. I ) Absorption

Ergebnis zunieist bescheiden

Abwasscrproblem

Losung 1 Suspension sofort nutzbar

I

Weiterbearbeitung nach Neitzel / Iske

Chcmischc Rcaktion und Abwassereindampfung (intern / extern) Abschnitt 4.1.1 / 4.1.2

1 ; 1 j I

I

I 4 halbtrocken

1

I

I Werkstoffprobleni

7.2 Ablaufdiagramm

205

Q la

Wasche mit organischem Losungsmittel moglich und sinnvoll?

Weitervenvendung der Losung

@+I nein

Desorption zur Wiedergewinnung als Wertstoff sintivoll? ja

Desorption

nein

Deponie seltener Verbrennung mit weiteren Abgasproblemen und juristischen Schwierigkeiten

7 Der systematische Weg von der Problemstellung zur technischen Losung

206 _-..___

-

-

..

-

7.3 Arbei tsa nweisu ngen und Checklisten Wenn eine verfahrenstcchnische Anlage, die der Abluftreinigung dient, ncu errichtct, erweitert oder verbessert werden mul3, kann das sowohl durch neue rechtliche Bestimmungen als auch durch eine Anderung oder Erweiterung der Produktion bedingt sein. Die erforderlichen Mafinahmen konnen technisch aufivendig und kostenintensiv sein. Der planerische und organisatorische Aufwand ist in diesen Fallen entsprechend hoch. Die Entscheidungsbaume aus Abschnitt 7.2 sind Leitfaden fiir den konkreten Einzelfall. Die hier anschliel3ende Checkliste fafit einige wichtige Punkte zusammcn. Wesentlich ausfuhrlichere Checklisten zur Antragstellung und Zuni Aufbereiten der technischen Unterlagen fur die offentlichen Dienststellen, das sogenannte Bchordenenginecring, finden sich bei Dreyhaupt [7.3]. Wenn sich die Aufgaben “nur” noch auf die Projektabwicklung einschlierjlich der Montage und Inbetriebnahme beschranken, sind nach Moglichkeit weitere Checklisten hinzuzuziehen, damit kdne wichtigen Details \.ergessen werden, welche die Terminund Kostensituation beeinflussen. Umfangreiche Tabellen hierzu liefert Bernecker [7.4].

Checklis te:

1. Juristisches und Behordenverkehr:

Im folgenden wird davon ausgegangen, dafi die Anlage genehmigungsbedurftig 1st. 1st lediglich ein vereinfachtes Genehmigungsverfahren erforderlich, dann sollte seitens des Antragstellers im Prinzip in gleicher Weise vorgegangen werden, und auch in Hinblick auf nicht genehmigungsbedurftige Anlagen sollte aus Vorsichtsgriinden in Anlehnung an das Genehmigungsverfahren vorgegangen werden und friihzeitig der Kontakt zu den Behorden gesucht werden

(99 2 und 4 der 4.BImSchV). Zumindest ist eine Baugenehniigung einzuholen.

Vorbereitungsphase: Kontakt zur Genehmigungsbehorde, um die Genehmigungsfahigkeit des Projektes friihzeitig abzuklaren und die Standortwahl zu uberpriifen

7.3 Arbeitsanweisungen und Checklisten

207

Liste der Emissionen und der sonstigen Problemfelder, die im Genehmigungsverfahren zu beachten sind Eventuelle Vorkontakte zu weiteren Behorden mit spezieller Ausrichtung und zu nichtbehordlichen offentlichen Stellen Gutachten zu den Emissionen und zur Entsorgung Eventuell erforderliche Immissionsrnessungen Antragstellung: Formal korrekter Antrag mit Angabe der Anschrifi des Antragstellers des Standorts der Anlage der Art, dem Umfang und dem Zweck der Anlage der Art der beantragten Genehmigung (Neugenehmigung, Anderung, ...) der Kosten des voraussichtlichen Zeitpunkts der Inbetriebnahme und einem Verzeichnis der beigefigten Unterlagen Zusammenstellung der Antragsunterlagen: Topographische Karte, Bauvorlagen und ausfuhrliche Unterlagen, aus denen Aufbau und Funktion der Anlage ersichtlich sind Auf die individuellen Wiinsche seitens der Behorden (FlieBbild als “Fahne?”) ist einzugehen, um keine Verzogerungen des Genehmigungsverfahrens zu provozieren. Die Informationen miissen der Wahrheit entsprechen, sollten so knapp wie moglich und so reichhaltig wie erforderlich sein. Daraus folgt, d& die intern benutzten Dokumente nur in den seltensten Fallen auch f i r den Behordenverkehr geeignet sind. Am besten erstellt man im Rahmen des Behordenengineering viillig neue, speziell aufbereitete Planungsunterlagen.

7 Der systematische Weg von der Problemstellung zur technischen Losung

208 -

-

~

~

-

-

-

~

_

_

_

_

_

__

...-

- -

__

~

Angaben zu den voraussichtlichen Emissionen und zum Verbleib der unvermeidlichen Reststoffe Bereits in den Antragsunterlagen mussen die vorgeschriebenen Grenzwerte unbedingt eingehalten werden. Fliichtigkeitsfehler schuren MiRtrauen und sind unbedingt zu vermeiden! Terminkontrolle im Genehmigungsverfahren: Empfangsbestatigung, Erorterungstermine, Einwande

Uberwachung wahrend der Projektabwicklung und der Inbetriebnahme: Vollstandigkeit des Genehmigungsbescheides, Abweichungen vom Antrag, Einschrankungen, Auflagen Zwischenzeitlich aufgetretene und versehentlich nicht weitergemeldete technische Anderungen gegenuber dem eingereichten Antrag Behordliche Vorgaben zur Emissions- und Immissionsmessung Behordliche Anordnung, einen Immissionsschutzbeauftragen zu bestellen, Ausstattung der betreffenden Person mit den erforderlichen Kompetenzen Auskunfts- und Zutrittsrecht der Behorde

2. Organisation und Finanzen:

Terminplan: Kalender, Balkenplan, Netzplan

7.3 Arbeitsanweisungen und Checklisten

209

Der fur das Genehmigungsverfahren erforderliche Zeitraum kann nur ungefahr abgeschatzt werden. Auch konnen Auflagen, die niit der Genehmigung verbunden werden, technische Anderungen erfordern, deren Urnsetzung einen Zeitverlust bedeutet. Weitere Verzogerungen konnen durch zu ehrgeizige Terminzusagen von Lieferanten hervorgerufen werden. Die Vereinbarung einer Konventionalstrafe oder Ponale bietet nur einen begrenzten Schutz. Hohere Gewalt und ungunstige Witterung konnen weitere Ursachen fur Verzogerungen sein. Nicht zu vernachlassigen ist, dan gesetzliche Feiertage und Urlaubszeiten sehr ungleichrnaflig uber das Jahr verteilt sind. Die gegenseitigen Abhangigkeiten sind zu beachten (Netzplan). Finanzen: Vollstandige Erfassung aller Kornponenten und deren Kosten Nicht nur die Kosten fur Bau uiid Betrieb der Anlage sind zu kalkulieren. Es ist sorgfaltig zu priifen, ob zusatzliche Aufivendungen fur Infrastrukturmaflnahmen und Logistik hinzukommen. Die Baumahahnie kann zu erhohtem Personalaufwand fuhren. Der Finanzierungsplan muR zeitlich mit dem Projektablaufplan (Netzplan) ubereinstirnmen. Eventuelle Verzogerungen und Kostensteigerungen sind zu beriicksichtigen.

3.

Technik:

Vergleich der prinzipiell moglichen Losungsalternativen (Entscheidungsbaum) Entscheidung nach technischer Verfugbarkeit, aber auch nach Gesichtspunkten des produktionsintegrierten Umweltschutzes, der Schadstoffrkkhaltung am Ort der Entstehung und des intemen Recycling Je nach eigenem Potential pauschaler Auftrag an einen Generalunternelinier oder Vergabe einzelner Komponenten an Fremdfirmen Liste moglicher Lieferanten mit aussagefahigen Referenzen

210 .. .

7 Der systematische Weg von der Problemstellung zur technischen Losung -

.

-- --

._ .

-

____

-

Referenzen und Erfahrungen sind holier zu bewerten als die Bereitschaft, bestimmte Leistungen zu garantieren. Sollte trotz einer zu ehrgeizigen Garantie cine Komponente nicht oder nicht hinreichend funktionieren, kommen auch dann zusiitzliche Kosten und Verzogerungen auf den Betreiber zu, wenn der Lieferant haftet.

Technische und logistische Regelung der Ver- und Entsorgung

4. Analytik:

Geeignete und robuste Men- und Analysentechnik Zusagen der Lieferanten sollten durch Referenzen abgesichert sein. Geratc unempfindlich gegen Staub und Erschutterungen Zugelassene Menstechnik (s. Genehmigungsbescheid)

5. Personal: Hinreichend qualifizierte Mannschaft f i r Bau und Betrieb der Anlage Schulungen Eventuelle Neueinstellungen (Konsequenzen fur Kosten und termine)

7.4 Literatur

7.4

Literatur

[7. I ]

Firma LAB Deutschland: Technologien und Systeme. Stuttgart: Firmenschrift

[7.2]

Bank, M.: Basiswissen Umwelttechnik Kapitel 13. Wurzburg: Vogel 3. Auflage,

21 1

1995, dort aus Fonds der Chemischen Industrie: Begleitheft und Folien der Folienserie Nr. 22 Umweltbereich Luft, 1987 [7.3]

Dreyhaupt, F. J.: Umweltschutz fur Unternehmer. Koln: TUV Rheinland 1978

[7.4]

Bernecker, G.: Planung und Bau verfahrenstechnischer Anlagen. Diisseldorf: VDI, 3 . Auflage 1984

This Page Intentionally Left Blank

Anhang 1

A 1.1 Behordenanschriften

Einrichtungen des Bundes

Umweltbundesamt, UBA Bismarckplatz 1 14193 Berlin Tel. 030/8903-0 Fax 03018903-2285 Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabruck Tel. 054119633-0 Fax 0541/9633-190

Landesverwaltungen fur Umwelt- und Naturschutz Landesanstalt fur Umweltschutz BadenW urttemberg

Bayerisches Landesamt fur Umweltschutz Rosenkavalierplatz 3

GriesbachstraRe 1 761 85 Karlsruhe Tel. 07211983-0 Fax 072 1/983- 1456

8 1925 Miinchen Tel. 08919214-0 Fax 08919284-4491

Anhang I

214 .

--

Der Landesbeauftragte fur Naturschutz

Landesamt fur Umwelt und Natur Meck-

und Landschaftspflege Prof. Dr. H. Sukopp

lenburg-Vorpommern

BruckenstraBe 6

18276 Giilzow

10179 Berlin

Tel. 03843/777-0

Tel. 03012471-2039

Fax 038431777- 106

Pflanzenschutzamt Berlin

Niedersachsisches Landesamt fur Okologie

Mohriner Allee 137

An der Scharlake 39

12347 Berlin

3 1 135 Hildesheim

Tel. 030/700006-0 Fax 030/700006-56

Tel. 05121/509-0 Fax 0509-196

Landesuniweltanit Brandenburg

Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen

Berliner Strane 21-25

Wallneyer StraRe 6

14467 Potsdam Tel. 033112323-0 I:ax 0331/2323-223

45 133 Essen Tel. 0201/7995-0 Fax 0202/7995-446

Amt fur Imniissionsschutz und Betriebe

Landesamt fur Umweltschutz und Gewer-

Hamburg Billstrde 84

beaufsicht Rheinland-Pfalz

20539 Hamburg

55276 Oppenheim

?'el. 040/7880-4112 Fax 040/7880-4117

Tel. 06133/9450-0 Fax 06133/9450-155

Hessische Landesanstalt fur Umwelt

Landesamt fur Umweltschutz Don-Bosco-StraRe 1

RheingaustraRe 186 65203 Wiesbaden Tel. 061 1/6939-0 Fax 061 116939-555

Boldebucker Weg 3

Amtsgerichtsplatz 1

66 1 19 Saarbrucken Tel. 0681/8500-0 Fax 0681/8500-384

215

A 1.1 Behordenanschriften

Landesamt f i r Natur und Umwelt Schles-

Sachsisches Landesamt fur Umwelr und Geologie Wasastrde 50 0 1445 Radebeul Tel. 035 1/835-4380

wig-Holstein Hamburger Chaussee 25 24220 Flintbek Tel. 04347/704-0

Fax 03511835-4372

F a 04347/704-702

Landesamt fir Umweltschutz SachsenAnhalt Reideburger Strde 47 06 1 16 Halle Tel. 0345/5704-100 Fax 03495704-190

Thiiringer Landesanstalt f i r Umwelt PriissingstraBe 25 0774 5 Jena Tel. 036411684-0 Fax 036411684-222

Landerarbeitsgemeinschaft LanderausschuB fur Immissionsschutz Ministerium fur Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft Nordrhein-Westfalen Schwannstrde 3 40476 Dusseldorf Tel. 021 1/4566-550 Fax 021 1/4566-388

Ge bietskorperschaften Regierungsprasidenten Kreise Gemeinden

Ortlich zu erfragen

MaDgebliche nichtbehordliche Institutionen Projekt Europaisches Forschungszentrum fur MaRnahmen zur Luftreinhaltung c/o Forschungszentrum Karlsruhe GmbH

WeberstraRe 5 761 33 Karlsruhe Tel. 072471825 190 Fax 072471823929 Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Robert-Stolz-SraBe 5 40470 Dusseldorf Tel. 02 1 1/62 14-532 Fax 021 116214-157 VDI-Koordinierungsstelle Umwelttechnik Graf-Recke-StraRe 84 40239 Dusseldorf Tel. 02 1 1/62 14-243 Fax 02 1 1/62 14-177

Ansch riftenverzeichnisse [A I . I ] Kursawa-Stucke, H.-J., Volkmann, 1.: Adrenbuch Urnwelt-Experten, Der schnelle Wegweiser rnit An-

schriften, Themengebieten und Tstigkeitsumfang fur Unternehmen, Behorden, Institutionen, Beratung. Taunusstein: Eberhard Blattner, 2. Ausgabe, 1996: Anschriften weltweit von Personen und Instithionen zu den Themen Irnrnissionsschutz und Umwelttechnik Strahlenschutz Energie und Rohstoffe Urnweltanalytik Genehmigungsverfahren Umweltrecht

A 1.2 Anschriften anerkannter Meninstitute ___-______

217 -

-

~

~

[ A 1.21 Schumacher, H . G . (Deutsche Uniweltstiftung): Adreflbuch Urnweltschutz, IHandbuch fur f’resse, Re-

horden. Wirtschaft. Wissenschaft, Verbande, Burgerinitiativen. Wtesbaden: Bauvcrlag. 4. Autlage, I996 [ A I .3] Oeckl, A.. Hey, t i . , Stephan, J., Zugner, D.: Taschenbuch des offentlichen Lebens Deutsctiland. Bonn:

Festland, 47. Auflage, 1997 [A I .4] Wolfertz R. (Redaktion): Beraterliste Umwelttechnik Marz 1998. Dusseldorf, VDI 1998

A 1.2 Anschriften anerkannter MeBinstitute Eine inimer aktuelle, vollstandige und einfach abrufbare Liste existiert nicht. Innerhalb der Bundesrepublik lkutschland werden die Listen von den obersten Landesbehorden erstellt und aktualisiert. Ein Meljinstitut kann also durchaus nur fur einen Teil der LBnder zugelassen sein. Standig kommen neue Meninstitute hinzu, und andere werden von den Listen gestrichen. Sie geben auch daruber Auskunft, welche Stoffgruppen die betreffenden Institute messen durfen. Eventuelle daruber hinausgehende Spezialisierungen sind im konkreten Bedarfsfall vom angesprochenen MeRinstitut zu erfragen. Eine Zulassung ist auf acht Jahre befristet und muR dann neu bcantragt werden. Im Zweifels- oder Spezialfall sollte die jeweils zustandige Urnweltbehorde des Landes (nach der Liste in Anhang A 1.1) angesprochen werden. Nach Informationen aus deni Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen ist eine standig aktuelle, bundesweit gultige Liste geplant, die uber das Internet abrufbar ist. Die neueste (Stand Juni 1998) verfiigbare Liste stammt aus dem Ministerialblatt des Landes Nordrhein- Westfalen:

5 26 13. BImSchV, 5 10

Stellen zur Ermittlung von Luftverunreinigungen, Gerauschen und Erschiitterungen gem.

12 der 2. BImSchV, $8 26,28 der der 17. BImSchV, 5 7 der 27. BIniSchV und Nr. 3.2 TA Luft. Ministerialblatt f i r das Land Nordrhein-Westfalen -Nr. 64 vom 1 1. November 1997 BImSchG sowie Stellen im Sinne von

6

Auszug: Aufgefuhrt sind an dieser Stelle Meninstitute fur Emissionen mit breitem Angebotsspektruni. Spezialinstitute. die ausschlieRlich Geruche, Gerausche oder Erschutterungen messen durfen, fehlen in folgender Liste, aber auch diejenigen, die nur fur Spezialbranchen arbeiten.

Anhang 1

218 ._

Airconsult

Im Kirchfelde 6 3 1675 Buckeburg

DEKRA Handwerkstr. 15 70565 Stuttgart

Sohnstr. 65

Dipl.-Ing. Habenicht Alte Gartnerei 22

40237 Dusseldorf

55128 Mainz

ANECO Wehnerstr. 1-7

DMT Franz-Fischer-Wcg 61

41 068 Monchengladbach

45307 h e n

Biochemisches Institut fur Umweltcarcinogene

Dr. Sporenbel-g

Lurup 4

02953 Bad Muskau

A . M. U.

I-feideweg 2

22927 Gronhansdorf Dr. WeBling

BO WA LU

Am Umweltpark 1

99869 WarzdGotha

44793 Bochum

BUB Hopfengarten 10

Dragerwerk

381 02 Braunschweig Chemisches Laboratorium Dr. Fulling Westen 44 42855 Remscheid chemlab Fabrikstr. 23 64625 Bensheim

Moislinger Allee 53-55 23558 Lubeck ECOPLAN Schelsenweg 6 41238 Monchengladbach Emitec Dischingerstr. 4 69 123 Heidelberg

A 1.2 Anschriften anerkannter MeRinstitute

-

86153 Augsburg

IGUS Am Lagerplatz 4 0 1099 Dresden

ERGO Gererstr. 1 22305 Hamburg

IGUTEC Ahornstr. 122 84030 ErgoldinglLandshut

Gaswiirme-Institut Hafenstr. 101 45356 Essen

IMU Camburger Str. 1

Geoanalytik Daimlerring 37 3 1 135 Hildesheim

1ng.-Bur0 fur Umwelttechnik Schmitt u. Retzlaff Rheinhorststr. 14 6707 1 Ludwigshafen

ENVIROTEX Provinostr. 52

Gesellschafi fur Umweltschutz TUV Nord GroRe Bahnstr. 3 1 22525 Hamburg

219

99091 Erfurt

Institut Dr. Jager Ernst-Simon-Str. 2-4 72072 Tiibingen

GfA Otto-Hahn-Str. 22 48161 Munster

Institut fur Baustoff- und Umweltschutztechnologie Hainweg 10 99425 Weimar

GSA Gut Vellbruggen 41469 News

Institut fir Umweltschutz und Agrikulturchemie Feldbaum Bessemerstr. 34 42551 Velbert

IAS Siegried-Kh-Str. 1 76135 Karlsruhe

220

-

Institut fur Umwelttechnologie und Um-

Muller-BBM

weltanalytik

Robert-Koch-Str. 1 1

Bliersheimer Str. 60

82 1 52 Planegg

47229 Duisburg Institut fur Umwelt- und Arbeitsplatzanalytik Burkon

NAFU Haynauer Str. 67 a 12249 Berlin

Raudtener Str. 2 1 90475 Nurnberg

oko-control Burglvall 13 a

IWL Wankelstr. 33

3921 8 Schonebeck

SO996 Koln

Okometric Bernecker Str. 17-2 1

Landesgewerbeanstalt Bayern

95448 Bayreuth

Tillystr. 2 9043 I Nurnberg Landesumweltamt NRW

Peter Quast Seestr. 23 63571 Gelnhausen

Wallneyer Str. 6 45133 Essen LISCON Wingertshecke 6

RWTUV Anagentechnik Langemarckstr. 20 45 141 Essen

35392 GieRen

SBF \i’asser und Umwelt Eddesser Str. 1

mab

3 1234 Edemissen

Timitz und von Hein Mainzer Landstr. 1 55262 Heidesheiin MPU Kottbusser Damm 86 10967 Berlin

SGS intercontrol Ulmenstr. 12 a 23966 Wismar

22 1

A 1.2 Anschriften anerkannter Mehstitute ___-___

SPEKTRA Otto-Hahn-Str. 13 b 85521 Ottobrunn

TUV Anlagen- und Umwelttechnik

TUV Anlagen- und Umwelttechnik Westendstr. 199 80686 Munchen

UES Karl-Marx-Str. 22 04668 Grimma

TUV Hannover/Sachsen-Anhalt Am TUV 1 305 19 Hannover

Umweltanalytik RUK Olewiger Str. 62 54295 Trier

TUV Rheinland Am Grauen Stein 51 105 Koln

ZEUS Hamborner Str. 20 47137 Duisburg

Mergenthalerallee 27 65760 Eschborn

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Anhang 2

Bezugsquellen juristischer und technischer Vorschriften Gesetze, Richtlinien und Verordnungen werden in unregelmiif3igen Abstiinden revidiert. Bucher, in denen die Vorschriften abgedruckt sind, miissen deshalb nicht den aktuellen Stand beschreiben. Sinnvoller sind Loseblattsammlungen, wenn die veralteten Seiten regelmdig ausgetauscht werden. Es empfiehlt sich, Literatur zur Orientierung zu verwenden, aber, sobald das Projekt konkret wird, direkt mit den Behorden zu sprechen und sich uber den aktuellen Stand und dessen Interpretation, aber auch uber mogliche zukiinftige Entwicklungen zu informieren. Die mangebliche Literatur kann in offentlichen Bibliotheken unmittelbar eingesehen oder per Fernleihe beschafft werden. Zuganglich sind nicht nur die Hochschulbibliotheken einschlieRlich der Institutsbibliotheken mit spezieller Fachausrichtung, sondern auch die vieler Behorden. Sol1 ein Fachbuch beschafft werden, d a m kann uber das Internet das aktuelle Sortiment des Buchhandels abgefragt werden (http:\\www.buchhandel.de). Gesetze und Verordnungen: Bucher: [A2. I ] Beck-Texte: Umweltrecht. Munchen: Beck-Texte irn DTV, 9. Auflage, 1995 [A2.2] Stich, R., Porger, K. W.: Immissionsschutnecht des Bundes und der Lander (BImSchG), Kommentar

zum Bundesimmissionsschutzgesetz. Stuttgart: Kohlhammer 1998 [A2.3] Bundesverband der deutschen Entsorgungswirtschafi e. V.: Sonderabfall-Gesetze und Verordnungen f i r

die Entsorgung. Taschenbuch, Bonn: Merz, 1991 [A2.4] Ludwig, H.: T A Luft. Miinchen: Jehle-Rehm, 1994

Anhang 2

224

Loseblattsammlungen: [A2.5]

Stonn, P. C., Lohse, S.: EG-Umweltrecht. Berlin: Erich Schmidt

[A2.6]

Aberding, H. J., Ludwig, H.: Bundesimmissionsschutzgesetz. Miinchen: Jehle-Rehm

[A2.7]

Jost, D.: Die neue TA Luft, Aktuelle immissionsschutzrechtliche Anfordenrngen an den Anlagenbetreiber. Augsburg, WEKA

[A2.8]

Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG: MAK-Werte, Toxikologisch arbeitsmedizinische Begfindungen. Weinheim: Wiley-VCH

[A2.9]

Roth, L., Daunderer, M.: Sicherheitsdaten, MAK-Werte. Landsberg / Lech: ecomed

Technische Regelwerke: Die technische Vorschrifien des Bundes, der Lander und der Europaischen Union und sanitliche geltenden Normen werden in der Datenbank des Deutschen Informationszentrum fur technische Regeln (DITR) erfant und konnen von dort abgerufen werden. Nahere Information unter

DITR im DIN, Burggrafenstrak 6, 10787 Berlin, Tel. 0301260 1-2633 [A2.10]

VDIIDIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Loseblattsammlung in 6 Banden, eingeteilt in auch einzeln zu beziehende VDI-Richtlinien. Berlin und Koln: Beuth

[A2.1 I ]

PERINORM (Siirntliche technischen Regeln und Vorschriften mit technischem Bezug), CD ROM.

[A2.12]

G r a h u c k , J., Houben, K.-W., Zollinger, R. M.: DIN-Normen in der Verfahrenstechnik. Berlin:

Berlin: Beuth, Tel. 030/2601-2682

Beuth, 2. Auflage 1994 [A2.13]

VDI-Warmeatlas. Diisseldorf: VDI, 7. Auflage 1994, 8. Auflage 1997

[A2.14]

Normenausschufl Akustik, LBrmminderung und Schwingungstechnik (NALS) im DIN und VDI: VDIHandbuch Larmminderung. Diisseldorf VDI, 1996

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Anhang 3

Nachschlagewerke und weiterfuhrende Literatur [A 3.11

Nickel, F. G., und Schmidt, G . : Worterbuch der Umwelttechnik. Wurzburg: Vogel, 1990

[A 3.21

Beier, E.: Uniweltlexikon. Weinheim: VCH, 1994

[A 3.31

F. J. Dreyhaupt: VDI-Lexikon Umwelttechnik. Dusseldorf: VDI, 1994

[A 3.41

Behadir, M.: Springer Umweltlc:xikon. Berlin: Springer, I995

[A 3.51

Tourbier, P., Ullrich, Ch.: Umwelttechnik von A - Z. Dusseldorf: Cornelsen Girardet, 1991

[A 3.61

Streit, B.: Umweltlexikon. Freiburg: Herder, 1992

[A 3.71

Streit, B.: Lexikon Okotoxikologie. Weinheim: VCH, 2. Auflage, 1994

[A 3.81

Schwedt, G.: Toxikologisches L.exikon. Wiirzburg: Vogel, 1996

[A 3.91

Katalyse e. V.: Das Umweltlexikon, Koln: Kiepenheuer & Witsch, 1985/1993

[A 3.101 Firma Lurgi: Reinigung von Nutz- und Abgasen, Abscheidung von Stauben undgasformigen Schadstoffen. Frankfurt am Main: Lurgi, 2. Auflage, 1991 [A 3.1 11 Baum, F.: Lufireinhaltung in der Praxis. Miinchen: Oldenbourg, I988 [A 3.121 Bank, M.: Basiswissen Umwelttechnik. Wurzburg: Vogel, 3 . Auflage, 1995 [A 3.131 Brauer, H. (Hrsg.): Handbuch des Umweltschutzes und der Umweltschutztechnik (in 5 Banden). Berlin: Springer, I996 [A 3.141 Pohle, H.: Chernische Industrie, Umweltschutz, Arbeitsschutz, Anlagensicherheit. Weinheim: VCH, 1991 [A 3.151 Schriever, K.-H., Schuch, F. (Gesamtredaktion): Enzyklopadie Natunvissenschaft und Technik.

Landsberg am Lech: Moderne Industrie, 1980

Register Die fett gedruckten Seitenzahlen beziehen sich auf Textstellen, in denen der betreffende Begriff besonders ausfuhrlich erlautert wird.

abrasiv 148 Absorption 73 ff Absorptiv chemische 73, 80 Enthalpie 81 Koeffizient 77 physikalische 73 reversible 73 selektive 73 Warrne 81 Actinomyceten 160 Adhasion 39 Adsorption 113, 118 Adsorbat 118 adorbens I18 Adsorber 39 Adsorpt I18 Adsorptiv I 18 Chemisorption I 18 diskontinuierlichc 1 18 Durchbruch I29 F'estbett 127 Isotherme I 18 kontinuierliche 118 physikalische 1 18 Quasikontinuierlicher Betrieb 129 Turm 127 Wanderbett 127 Zeolith 126 Zone 128 aerob 159 Aerodispersion 2 1 Aerosol 3 , 6 9 Agricola 186 Aktivitatskoeffizient 76 akive Zentren 125 Aktivierungsenergie 139 Aktivkohle 125 Aktivkoks 125

allgemein anerkannte Regeln der Technik 7 Aluminiumoxid 126, 155, 159 Amin 154 Ammoniak 143 Ammoniakstarkwasser 146 Ammoniumhydrogensulfat 148 Ammoniumsulfat 148 anaerob 160 Analyseverfahren s. MeR- und Analyseverfahren Anlage genehmipungsbedurftige 190 nicht genehmigungsbedurftige 190 Anthrazit 148 Antoine 76 Asbestfasern 3 I Atmungsaktivitat 163 Aufsatzfilter s. Bunkeraufsatzfilter Ausbreitunpsreclinung 15 Ausz;ihlen unter den1 Lichtmikroskop s. Lichtmikroskop unter dem Elektronenmikroskop s. Elektronenmikroskop autotherm 15 1 Azeotroper Punkt 1 17 Heteroazeotrop 13 I Bakterien 160 Bandfilter 109 Becquerel 184 Beladung s. Schadstoffbeladung Bernoullische Gleichung 34, 57 Berstscheibe 60 BET s. Isotherme Betrieb, gelegentlicher 6 Beurteilungsgebiet 14 Bezirksschornsteinfegermeister I9 1 Bilanz 7 4 f

Bilanzgerade 83 BimSchV s. Bundes-lmmissionsSchutzverordnungen Biofilter 139, 160 ff biologisch 139 Biomasse 160 Biphenyl, polychloriertes s. PCB Blake-Kozeny 47, Blei 186 BMU 192 Bodenkolonne 74, 84 ff Bodenwirkungsgrad 87 Branderkennungssystem 60 Brandfruherkennung 60 Brandloschsystem 6 1 Brennwert 13 Brownsche Molekularbewegung 24 Brudenkompression 109 Brunauer-Eminet-'Ieller s . BET Bundesanzeiger 192 Bundes-Iminissions-Schutzgesetz4 f Bundes-Iinmissions-Scliutzverordnungen 4 f Bundesminister fiir Uinwelt. Naturschutz und Reaktorsicherhcit s. BMU Bunkeraufsatzfilter 38. s. nuch Filter Uurisenschcr Abscirptionskoeft?7icnt 77 h p a s s 112 Calciumcarbonat I08 Calciumchlorid I 17 Calciuinhydrogensulfit 108 Calciumhydrosid I 10 Candela 182 Carman-Kozeny 42 Chemisorption 73, 1 18 Clausius-Clapeyron 76 Claus-Prozess 1 15 Coulter Counter 30 Cunningham-Korrektur 23 Curie 184 Demister s. Tropfenabscheider Denitrifikation 159 De-novo-Synthese s. Dioxin Desorption 73, 86, 1 18 Deutsch-Formel 50 modifizierte 50

Dielektrizitatskonstante 49 Diffusion 39, 89 f. 124 Oberflachen I24 Dioxin I37 f De-novo-Synthese 137 Polychlorierte Dibenzo-Diosine 137. 149 Polychlorierte Dibcnzo-Furane 137, 149 2,4-DicIilor-Dibenzo-Dio~iii I 37 Direktentscliwefeluiig 113. 159 Doppelpendelklappe I 13 Dosis 185 Aquivalentdosis 185 Dralltropfenabscheider 69 Dreizugkessel s . Kraftwerkskessel Druckbehalter 60 Druckverlust von Filtern 42 ff Durchbruch eines Filters .s. Filterdurchbruch .s. Adsorption L) urchgan pss uin nic n kurvc 2 7 Durchmesser, hydraulischer s. hydraulischer Durchmesser Eignung Bekanntsabe 197 Priifuiip 197 Eiseiiosid 142 elektrischer Stauhwiderstand 50 Llektrofilter s Filter Elektronenmikroskop 30 Elektronenstrahlverfahren 30 Emission 3 von Industrieanlagen 1 Enthalpie chemisches Potential 140 freie 140 Gibbs 140 Reaktions- 140 biologische 160 Verbrennungs- 153 Entlastungshaube fur Druckwellen 60 Ergun 42,44 f Erschiitterung 4 Explosionsdruckentlastung 60 Explosionsgrenze obere 16 untere 16

229

Register ~~

Fahrweise, uberstochiometrische s. uberstochiometrische Fahnveise Fattinger-Biosorbens 163 Feld elektrisches 182 elektromagnetisches 182 magnetisches 182 Wechselfeld 182 Festbett s. Adsorption Feuchtigkeit, relative 10, 162 Ficksches Gesetz, erstes 89, I6 1 Filter biologisches 139 Bunkeraufsatz- 39 -Durchbruch 40 Elektro- 45 ff Gewebe- 40 Oberflachen- 39 Schlauch- 40 Tiefen- 39 flammenfotometrischer Teilclienzaliler 30 Flammengeschwindigkeit s. Zundgesch w i nd igkei t Flussiggas 146 Foto-Sediinentograph 30 Fracht s. Schadstofffracht Freundlich s. Isotherme Fullkorperkolonne 74,84 ff Funkenentladung 49 Funkenerkennungssystem 60 Funkenloschsystem 6 1 Furan 137, s. uuch Dioxin Gasgesetz, allgemeines 8 Gasvorwarmer, regenerativer 103, 107, s. uuch Warmeaustauscher Gaswasche 73 oxidierende 99 Gefahrstoffverordnung 17 Gegenstromabsorption 84 genehmigungsbedurftige Anlage 190 Genehmigungsverfahren 6 Geruch Beseitigung 99 Geruchseinheit 159

Geruchsschwelle obere 15 untere 15 Geschwindigkeitsgesetz 75 Gewebefilter s. Filter 40 GFK 109 Gips 106, 108 Glasfaserverstarkter Kunststoff s . GI-K Gleichgewicht 140 Beziehung 75 chemisches 153 dynamisches 12 1 metastabiles 139 Gleichstromabsorption 82 Gray 185 Grenzflachenspannung 1 19, I22 Grenztropfendurchmesser 69 Grenzwert 189 Groflfeuerungsanlagenverordnung 15, 190 Gummierung 109 Halbstundenmittelwert I5 Halbtrockenverfaliren 1 I0 ff Harnstoff I49 Heidekraut 16 I height equivalent to a theoretical stage s. HETS heigt of a transfer unit s. H T U Henry -Gesetz 75, 77, 105 -1sotherme s. Isotherme -Koeffizient 76 Heteroazeotroprektifikation 13 1 HETS 88 Hochspannungsleitung 182 hot spot 136 HTU 9 4 f Hydraulischer Durchmesser 44 Hydrozyklon 108 ideales Gemisch 75 Immission 3 Grenzwert 14 Schwefelwasserstoff- 16 Inertisierung 61 lnnere Oberflache s. Oberflache

Schalldruckpegel 177 Schallintensitatspegel 178 Schalleistungspegel 178 Schallschnellepegel 17 Schlauchfilter s. Filter Schmelzkammerfeuerung I08 Schmidtzah I 97 Schornsteinfeger s. Bezirksschornsteinfegermeister Schubzentrifuge I09 Schwefeldioxid 100 ff, 154 Schwefelwasserstoff 16. 1 15, 154, 159 schweflige Saure 107 Schwelbrand 136 SCR 139 ff Sedimentationsanalyse 30 Sediinentations\\aage s. Sedimentationsanalyse selekt ive ka tal yt isclie clietii id i e lied uk t ion .s. SCR selektive n iclitkata Iyt isc he clietii isc he Reduktion s SNCR Slierwoodi.alil 97 Sichter J ZickzacksiclitetSiebsclineckcnzeiitrif~i~e109 Sievcrt 185 SNCli 158 1' SprtiIiabsol.l,tiori 110. 177 Spruhelektrode 47 Spruhkolonne 97 Stand der Technik 6, 7 Staubexplosion 59 ff' Klassen 59 Stickoxid 140 Stoffubergangskoeffizient flussigkeitsseitiger 91 gasseitiger 91 Stokes, Gesetz von 23, 105 Strahlenpilz 160 Strahlgas\\ascher 56 Strah lung harte 185 ionisierende 184 weiche 185 Streulichttnessung 30 Strippen 5. Regenerieren Substrat 160

Sulzer-Mischer 146 Superclaus-Prozess 1 15 Tagesrnittelwert 1 5 TALuft 5 l'aschenfilter 40 Technische Anleitung Luft s. TA Lufi Technische Riclitkonzentration s. TRK-Wert TEF s.Toxizitat Teflon8 s. Polytetrafluorethylcn Tel lerseparator 32 Tiefenfiltration s . Filter litandioxid 142 TMT 15' s. Trimercapto-s-triazin loleranzbereich 193 Torf 16 I Toxizitat 137 kqirivalenzfaktor I 37 lragergasstrom 8, 8 1 'l'rei bha iisgas I Trennarbeit dcr Zerstiubung 55 ~I'reiinkorndurcliinesser 29 ff, 34, 37, 109 TrcnnkortipriiI3e s. Trennkorndurchtiiesser l'rennhurve s. Tronibsche Kurve .Triinercnpto-s-trinziii 99 1 ' ~ ~ ) ~ ~ c t lI63 ~ ~ ~ ~ ~ s t ~ i ~ i ~ TIiK-\\'crt 1 7 l'rombsche Kui-ve 70. 38 Trommeililtcr I00 Tropfenabscheider 69, 106 Tropfkorper 160 Turbulenztheorem 92 uberstochiomctrisclie Fahrweise 9 Uberwacliung, on-line 190 ubiquitar 160 Umweltschutz additiver 3 produktionsintegrierter 3 Strafrecht 6 Vertragliclikeitspruftitig 6 Valenzkraft 1 18 Vanadiumpentoxid 142 Van-der-Waals-Kraft 39 VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft 7 VDI-Riclitlinien zur Reinhaltung der Luft 7

Register

23 1

Natronlauge 1 10 Netzmessung 147 Niederschlagselektrode 47 Nitrifikation 159 Nomogramm 10 Normkubikmeter 8, 10, 77. 15 1 Normvolumen 8, 10, 77. 15 1 Normzustand 8, 10, 77. 151 Normzahlreihe 26 NTU 97 number of transfer units s. NTU Nusseltzahl 96 Oberflache, innere 1 I8 Oberflachendiffusion s. Diffusion Oberflachenfiltration s. Filter Olfaktometrie 3 On-line-Uberwachung 190 Optimalzyklon 34 Oxidatiotiskatalysator s. Katalysatoi Packungskolonne 74, 84 ff PCB 152 Photo-Sedinientograph s. FotoSedimentograph Physisorption 1 I8 Pilz 160 Plattenfilter 40 Polytetratluorethylen 37 polytrop 143 Polyurethanschaum 163 Polyvinylchlorid 1 17 Potential, chemisches s. Enthalpie Potentialtheorie 34 Prandtlzahl 96 Probenahme 30, 190 isokinetische 147, 190 Puffersubstanz 106 PVC s. Polyvinylchlorid quasikontinuierlicher Betrieb Quecksilber 99, 136 Quencherkreislauf 108 rad 185 Radium 186 Radon 186

129

Randgangigkeit 87 Raoultsches Gesetz 75, 77 Rechtsbegriff, unbestimmter 6 Keaktion adiabate 141 endotherme I40 Enthalpie der .s. Enthalpie erster Ordnung 16 1 isotherme I4 1 Kegavo s. Wanneaustauscher Regeln der Technik, allgemein anerkannte s. Allgemein anerkannte Regeln der Teclinik Regenerator s. Warmeaustauscher Rege tier ieren chemisches 98 durch Entspannen 98 durch Strippen 98 thermisches 98 Kegressionsreclinung I93 Reinraumtechnik 4 Rektifikation 84 ff Rekuperator s. Warmeaustauschcr relative Haufigkeit 76 rein 185 Reynoldszalll 96 Rosin. Ranimler, Sperling, Ucnnct 30 Rotat ionswascher 57 Ruckspruhen 5 1 RuRblaser 14 1 RuBzahl 30 Salzsaure 117 Saugzug-Geblase 153 Sauretaupunkt 42 Sauter-Durchmesser 30 Schadstoffbeladung 8 Schadstofffracht 8 Schadstoffkonzentration 8 Schall 4 A-Bewertung 178 K or p e r Schal Idampfer Absorptions- 180 Kulissen- 180 Resonanz- 180 Rohr- 180

232 Schalldruckpegel 177 Schallintensitatspegel 178 Schalleistungspegel 178 Schallschnellepegel 17 Schlauchfilter s. Filter Sclinielzkammerfeuerung I08 Sc hni idtzali I 9 7 Schornsteinfeger s. Bezirksschornsteinfegermeister Schubzentrifuge 109 Schwefeldioxid 100 ff, 154 Schwefelwasserstoff 16, 1 15, 154, 159 schweflige Saure 107 Schwelbrand I36 SCR 139 ff Sedirnentationsanalyse 30 Sedimentations\vaage s. Sedimentationsanalyse selektive katalytische chemische Reduktion s. SCR selektive nichtkatalytische chemische Reduktion s. SNCR Sherwoodzahl 97 Sichter s Zickzacksichter Siebschneckenzentrifuge 109 Sievert 185 SNCR I58 f Spruliabsorption 110, 177 Spruhelektrode 47 Spruhkolonne 97 Stand der Technik 6, 7 Staubexplosion 59 ff Klassen 59 Stickoxid 140 Stoffubergangskoeffizient fliissigkeitsseitiger 9 1 gasseitiger 91 Stokes, Gesetz von 23, 105 Strahlenpilz 160 Strah Igaswascher 5 6 Strahlung harte 185 ionisierende 184 weiche 185 Streulichtmessung 30 Strippen s. Regenerieren Substrat 160

Register Sulzer-Mischer 146 Superclaus-Prozess 1 15 Tagesniittelwert 15 TALuft 5 Taschenfilter 40 Technische Anleitung Lufi s. TA Luft Technische Richtkonzentration s. TRK-Wert TEF s. Toxizitat Teflon" s. Polytetrafluorethylen Tellerseparator 32 Tiefenfiltration s. Filter Titandioxid 142 TMT 15" s. Trimercapto-s-triaziii Toleranzbereich 193 Torf 16 1 Toxizitat 137 Aquivalenzfaktor 137 Tragergasstroin 8, 8 1 Treibhausgas 1 Trennarbeit der Zerstaubung 55 Treniikoriidurclimesser 29 ff, 34, 37, 109 TrennkorngroBe s. Trennkorndurchmesser Trennkurve s. Tronibsche Kurve Triinercapto-s-triazin 99 'lrockensubstanz I63 TRK-U'cfi 17 Trombsclie Kurvc 29. 38 Trommelfilter 109 Tropfenabscheider 69, 106 Tropfkorper 160 Turbulenztheorem 92 uberstochiometrische Fahrweise 9 Ubenvachung, on-line 190 ubiquitar 160 Umweltschutz additiver 3 produktionsintegrierter 3 Strafrecht 6 Vertraglichkeitsprufung 6 Valenzkrafi 1 18 Vanadiumpentoxid 142 Van-der-Waals-Krafi 39 VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft 7 VDI-Richtlinien zur Reinhaltung der Lufi 7

Register Venturi-Keh le 5 7 Venturi-Wascher 57 Verteilungsdichte s. relative Haufigkeit Vertrauensbereich 193 Viskositat von Gasen 14 1 Walther-Verfahren 1 14 Wellmann-Lord-Verfaliren I 14 Wanderbett s. Adsorption Warme -rohr 147 -verschiebungssystern 142, 147 Warmeaustauscher 142 Gasvorwarmer regenerativer 147, 152 rekuperativer 147, 152 Regavo s. regenerativer Gasvorwarmer Verbrennungslu ftvorwarrner 142 Waschrnittel 81

233 Weberzahl 55 f Wechselspannung 182 Windsichten 30 Wirbelschicht stationare 37, 134 zirkulierende 37. I34 w-Wert 50 Zellenradschleuse 60, 1 I3 Zentrifuge 109 Zeolith s. Adsorption Zickzacksichter 37, 70 zirkulierende Wirbelschicht s. Wirbelschicht Zundbedingung 152 Zundgeschwindigkeit 152 Zundgrenze obere 59, 152 untere 59, 152 Ziindtemperatur 59 Zweifilrntheorie 89, 161