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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen lösungsmittelhaltiger Abluft, insbesondere zum Reinigen kohlenwasserstoffhaltiger Abluft aus Lackieranlagen, bei dem die in der Abluft enthaltenen Lösungsmittel einer Verbrennung zugeführt werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Reinigen lösungsmittelhaltiger Abluft, insbesondere zum Reinigen kohlenwasserstoffhaltiger Abluft aus Lackieranlagen.
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Bei der Herstellung und Verarbeitung von Lacken und Lackmaterialien entstehen Schadstoffe, die verschiedenen Gesetzgebungen, Verordnungen und Richtlinien unterliegen. Beispielhaft seien die Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA-Luft), die VOC-Richtlinie (VOC = Volatile Organic Compounds) sowie die Bundes-Immissionsschutz-Verordnung (BlmSchV) genannt. Abluftströme müssen, wenn sie die für den jeweiligen Betrieb definierten Grenzwerte der oben genannten Gesetze bzw. Richtlinien überschreiten, vor dem Eintritt in die Umwelt gereinigt, das heißt weitestgehend von Schadstoffen befreit werden. Bestehende Abluftreinigungssysteme können nur effizient eingesetzt werden, wenn die bei der Abluftreinigung entstehenden großen Wärmemengen im Produktionsprozess benötigt und genutzt werden. Alternativ muss die Schadstoffbeladung der Abluftströme so groß sein, dass keine oder nur wenige Zusatz-Brennstoffe zugeführt werden müssen (autothermer Betrieb).
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Im Stand der Technik werden verschiedene Abluftreinigungsverfahren voneinander unterschieden. Dies sind thermische, biologische, chemisch-physikalische und mechanische Verfahren. Es stehen somit verschiedene Techniken zur Verfügung, die entsprechend der spezifischen Anforderungen ausgelegt und ausgeführt werden können. Zu den thermischen Verfahren zählen zum Beispiel die thermisch rekuperative Oxidation oder Thermische Nach-Verbrennung (TNV), die thermisch regenerative Oxidation oder Regenerative Nach-Verbrennung (RNV) und die thermisch katalytische Oxidation oder Katalytische Nach-Verbrennung (KNV).
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Zu den biologischen Reinigungsverfahren gehören die Biotropkörper und die Biofilter. Die chemisch-physikalischen Verfahren beinhalten die Säurewäscher, Laugenwäscher und NOx-Wäscher.
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Zu den mechanischen Reinigungsverfahren gehören Staubabscheidung, Ölnebelabscheidung, Kühlschmierstoffabscheidung und Schweißrauchabscheidung.
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Gegenwärtig wird zumeist die Verbrennung der in der VOC-haltigen Abluft enthaltenden Stoffe über thermisch oder regenerativ arbeitende Nachverbrennungsanlagen (TNV- oder RNV-Anlagen) vorgenommen. Diese Anlagen erfüllen zwar die gesetzlichen Anforderungen, haben im Betrieb aber spezifische Nachteile. Zur Reinigung der Abgase müssen große Mengen an Energie in Form von Erdgas eingesetzt werden. Unter bestimmten Einsatzbedingungen hat dies eine schlechte Effizienz zur Folge. Dies ist dann der Fall, wenn im Produktionsprozess nur wenig Wärme erforderlich ist. Die überschüssige Wärmeenergie wird so ungenutzt in die Atmosphäre abgeführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung aufzuzeigen, mit dem ein nahezu vollständiger Abbau der Kohlenwasserstoffe aus der Abluft gelingt. Weiterhin soll eine Vorrichtung insbesondere zum Durchführen dieses Verfahrens aufgezeigt werden.
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Hinsichtlich des Verfahrens ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die lösungsmittelhaltige Abluft als Frischluft für den Betrieb zumindest eines Verbrennungsmotors verwendet wird, wobei der Abluft vor Einleiten in den Verbrennungsmotor weitere Lösungsmittel, insbesondere kohlenwasserstoffhaltige Lösungsmittel, zugeführt werden.
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Durch die Erfindung sollen anstelle der heute eingesetzten Abluftreinigungsanlagen mit Verbrennungstechniken, die in der Abluft enthaltenen Schadstoffe im Prozess eines Verbrennungsmotors oder einer Gasturbine einer KWK(Kraft-Wärme-Kopplungs-)-Anlage behandelt und der in ihnen enthaltene Energieanteil für die Deckung des Energiebedarfs im Verbrennungsprozess genutzt werden. Dies bedeutet, dass eine solche Anlage nicht nur wie bisher die eingesetzte Energie in Wärme umwandelt, sondern auch elektrische Energie erzeugt wird. Die elektrische Energie kann dann zum Beispiel für den Betrieb von Ventilatoren, Pumpen und elektrischen Antrieben innerhalb der Lackieranlage genutzt werden. Bei Produktionsstillstand ist eine Einspeisung der elektrischen Leistung in das öffentliche Versorgungsnetz möglich.
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Bevor die Abluft des Lackierprozesses dem Verbrennungsmotor oder einer Gasturbine zugeführt werden kann, ist eine erfindungsgemäße „Konditionierung” der Abluft erforderlich, da die VOC-belastete Abluft der Lackieranlage die Verbrennungs-Frischluft für den KWK-Gasmotor oder die Gasturbine darstellt.
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Die Erfindung ermöglicht es, der BHKW- oder KWK-Anlage einen annähernd konstanten bzw. in der Zusammensetzung nur langsam veränderlichen VOC-Anteil in der Verbrennungs-Frischluft bereit zu stellen. Dabei wird der VOC-Anteil in der Verbrennungs-Frischluft über längere Zeiträume konstant gehalten, insbesondere werden VOC-Peaks, das heißt kurzzeitige VOC-Konzentrationsspitzen, vermieden. Die Erfindung, der sogenannte „Harmonisierer”, soll nach dem Anlaufen des Motors die VOC-haltige Abluft der reinen Verbrennungsluft hinzufügen. Ziel ist es, durch die Beimischung der VOC-haltigen Abluft 20–30% Erdgas (Primär-Brennstoff) einzusparen und durch den Energiegehalt der Lösemittel zu ersetzen.
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Die Erfindung dient dazu, die während einer Produktionsschicht stark schwankende VOC-Konzentration zu „harmonisieren” und auf einem möglichst konstanten Niveau zu halten. Gleichzeitig wird der Abluftvolumenstrom soweit mit VOC aufkonzentriert, dass er einen möglichst hohen Brennstoffanteil zur Substitution des Primärbrennstoffs enthält.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Aufbereitung VOC-beladener Abluftvolumenströme zur Neutralisation und Energieerzeugung in einer BHKW- oder KWK-Anlage, so dass die Abluftvolumenströme dem Verbrennungsprozess des Gasmotors oder einer Gasturbine zugeführt und die darin enthaltenen Schadstoffe von diesem neutralisiert werden können. Gleichzeitig werden die in den Schadstoffen enthaltenden Brennstoffe (VOC) als Energieträger für den Motor oder die Turbine genutzt.
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Bei allen angestrebten Anwendungsfällen (Lackieranlagen, VOC-verarbeitende Betriebe, Druckereien, etc.) muss davon ausgegangen werden, dass die schadstoffbelasteten Abluftströme nie in gleichbleibender, gleichmäßiger Konzentration bzw. Beladung auftreten werden. Vielmehr sind die im Produktionsprozess auftretenden Abluftströme durch stark schwankende Konzentrationen und Zusammensetzungen gekennzeichnet. Häufig treten erhebliche Schadstoffkonzentrationen einzelner Komponenten als kurzzeitige Peaks in den Messprotokollen auf. Diese Bedingungen lassen einen sicheren Motorbetrieb nicht zu, da die Peaks zu unkontrollierten Verbrennungen und damit Motorklopfen führen würden. Dies würde zu Motorschäden und einem erhöhten Verschleiß des Motors führen und muss daher unbedingt verhindert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bildet „Harmonisierer” aus, der die starken Schwankungen der Schadstoffkonzentrationen im Abluftvolumenstrom glättet und damit für einen nahezu gleichbleibenden VOC-Gehalt der dem Motor zugeführten Verbrennungsluft sorgt.
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Dazu werden die weiteren Lösungsmittel zugeführt. Dies geschieht bei einer konstanten Temperatur, so dass zum Beispiel die VOC Konzentration nach dem Durchströmen des Harmonisierers auf einem konstanten Niveau gehalten werden kann. Gleichzeitig wird die Zusammensetzung des Abluftstroms durch die Menge des zugeführten VOC-Materials so stark beeinflusst, dass auch hier eine gleichmäßige Zusammensetzung mit nur geringer Schwankung erreicht wird.
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Nach einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die weiteren Lösungsmittel der Abluft in flüssiger Form, insbesondere in fein verteilter flüssiger Form, zugeführt werden. Die Zuführung kann bis zu einer Sättigungsgrenze in der Abluft erfolgen.
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Während des Verfahrens kann eine Messung der Temperatur der Abluft an verschiedenen Punkten während ihrer Führung erfolgen. Die Temperatur kann dabei wahlweise erhöht oder erniedrigt werden.
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Zur weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist noch vorgesehen, dass die Abluft mit zumindest einem brennbaren Stützgas in den Verbrennungsmotor zum Beispiel des Blockheizkraftwerks eingeführt wird. Dieses Stützgas kann beispielsweise Erdgas sein. Zum Betreiben eines Verbrennungsmotors sind aber nach der Erfindung nicht reines Erdgas und Luft notwendig, vielmehr kann der Motor mit einem Brenngas versorgt werden, das teilweise aus Erdgas und teilweise aus der mit Lösungsmittel gesättigten Abluft der Lackieranlage ausgebildet ist. Dabei können prozentuale Anteile von 60–70% Stützgas und 30–40% lösungsmittelhaltiger Abluft gegeben sein. Andere Stützgase können Bio-, Deponie-, Klär- oder Holzgase oder Wasserstoff sein.
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Vorzugsweise werden die aus der Lackieranlage oder einem anderen lösungsmittelverarbeitenden Betrieb entstehenden Ablüfte während des erfindungsgemäßen Verfahrens zuerst erwärmt und anschließend durch das Hinzugeben von flüssigem, sortenreinen oder gemischten Lösungsmittelmaterial adiabat bis zur Sättigungsgrenze abgekühlt. In einem weiteren Schritt kann dann eine Nacherwärmung erfolgen, um sicherzustellen, dass sich im gesättigten Abluftstrom keine Tröpfchen bilden können, um eine Beschädigung des Verbrennungsmotors auszuschließen.
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Zur vorrichtungsseitigen Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zumindest einen Verbrennungsmotor und zumindest eine im Zustrom der Abluft zum Verbrennungsmotor angeordnete Mischeinrichtung für das Hinzufügen weiterer Lösungsmittel zu der Abluft aufweist.
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Für Eintrittsbedingungen eines Brenngases in den Verbrennungsmotor eines Blockheizkraftwerkes gelten strenge Eingangsbedingungen in engen Toleranzfenstern, die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt werden müssen. Der Heizwert des Brenngases darf durch den Anteil ausgehend aus der Abluft mit Lösungsmitteln innerhalb von 30 Sekunden nicht mehr als 2% Abweichung haben. Die spezifischen Parameter wie zum Beispiel Luftfiltereintrittstemperatur, Druck, Restwassergehalt, usw. sind abhängig von jeweiligen Verbrennungsmotor- oder Turbinenhersteller des Blockheizkraftwerkes.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Glättung der stark schwankenden Lösungsmittelkonzentrationen in der Abluft nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen. Die Glättung erfolgt durch das Hinzugeben weiterer Lösungsmittel in die Abluft aus der Lackieranlage.
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Durch die Zerstäubung von flüssigen VOC in den Abluftvolumenstrom hinein wird eine gleichmäßige VOC-Konzentration erreicht. Damit wird eine harmonisierte Abluft der Lackieranlage in Hinblick auf die spätere Verbrennung bzw. Nutzung im Verbrennungsmotor oder einer Gasturbine erzeugt. Durch diese Möglichkeit wird für den späteren Anlagenbetreiber ein erheblicher Zusatznutzen geschaffen, da dadurch heutige Reststoffe aus dem Lackierprozess zu Brennstoff verarbeitet werden können.
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Auf Grund seiner Funktion und der verfahrenstechnischen Parameter ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nach den Kriterien der Ex-Schutz-Anforderungen bzw. ATEX-Richtlinie ausgelegt, um jegliche Gefährdung durch Brand oder Explosion auszuschließen. Dabei werden die ATEX-Kriterien für elektrische und mechanische Bauteile beachtet. Zur Erfüllung dieser Anforderungen wurden einerseits die konstruktiven Ausführungen und die entsprechende Materialauswahl sowie die notwendigen Mess- und Überwachungseinrichtungen entwickelt. Fehlfunktionen in diesem Bereich sind unbedingt zu vermeiden, da sie zum Totalausfall der Anlage führen können.
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Nach einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Mischeinrichtung Düsen für die Zuführung weiterer Lösungsmittel in flüssiger Form aufweist. Über diese Düsen sind weitere Lösungsmittel in flüssiger Form zuführbar, mit den Düsen kann dabei eine feine Zerstäubung erfolgen. Dadurch können weitere Lösungsmittel in die Abluft eingebracht werden, dies nach dem Verfahren vorzugsweise bis zur Sättigungsgrenze.
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Nach einer nächsten Weiterbildung ist in der Mischeinrichtung im Abluftstrom vor den Düsen eine Heizung für die Abluft angeordnet. Vor der Zuführung weiterer Lösungsmittel erfolgt somit eine Erwärmung der Abluft. Eine weitere Erwärmung kann durch eine zusätzliche Heizung im Abluftstrom nach den Düsen erfolgen.
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Schließlich kann noch vorgesehen sein, dass jede Heizung als Wärmetauscher ausgebildet ist und vorzugsweise mit dem Verbrennungsmotor wärmeleitend verbunden ist. Auf diese Weise kann die Abwärme des Verbrennungsmotors zum Beispiel im Blockheizkraftwerk zur Vorerwärmung der Abluft genutzt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
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1: eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Reinigen lösungsmittelhaltiger Abluft,
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2: eine maßstäblich vergrößerte Darstellung einer Mischeinrichtung aus der Vorrichtung gemäß 1 und
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3: ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In 1 ist ein Lacktrockner 1 angedeutet. Der Lacktrockner 1 ist mit einer Lüftungsanlage 2 luftleitend verbunden.
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Der Lüftungsanlage 2 und somit einer Lackieranlage wird entlang Pfeil 3 Abluft entnommen. Diese Abluft wird letztendlich einen Blockheizkraftwerk 4 zugeführt.
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Erfindungsgemäß wird die Abluft vor Einführen als Frischluft in das Blockheizkraftwerk 4 behandelt. Dazu wird die Abluft entlang Pfeil 3 durch eine Mischeinrichtung 5 geführt. In der Mischeinrichtung 5 werden der Abluft weitere Lösungsmittel hinzugeführt, vorzugsweise bis zu einer Sättigungsgrenze hinsichtlich der Aufnahme flüssiger Lösungsmittel in der bereits mit Lösungsmitteln beladenen Abluft.
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Die somit verfahrensgemäß angereicherte Abluft wird weiter entlang Pfeil 3' geführt und vor Eintritt in das Blockheizkraftwerk entlang Pfeil 6 mit einem Stützgas zusammengeführt. Die Abluft und das Stützgas bilden dann das Brenngas aus, das dem Blockheizkraftwerk 4 zugeführt wird.
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Das Blockheizkraftwerk 4 wirkt auf eine hydraulische Weiche 7 ein, auf welche auch ein Heizkessel 8 einwirkt. Aus der hydraulischen Weiche 7 wird eine angedeutete Produktionshalle 9 mit Wärmeenergie versorgt.
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Aus dem Blockheizkraftwerk 4 treten entlang Pfeil 14 Abgase aus. Diese werden mit einer Abgas-Nachbehandlungseinrichtung 15 behandelt. Die Abluft des Blockheizkraftwerkes ist weitgehend frei von aus dem Lacktrockner hervorgehenden Lösungsmitteln, da diese im Blockheizkraftwerk 4 verbrannt wurden.
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2 zeigt die Mischeinrichtung 5 in vergrößertem Maßstab. Die aus der Lackieranlage mit dem Lacktrockner 1 stammende Abluft wird entlang Pfeil 3 in die Mischeinrichtung eingeführt. Sie passiert eine erste Heizung 10 zum Aufheizen der Abluft auf beispielsweise 70°. Nachfolgend im Strom der Abluft sind Düsen 11 angeordnet, mit denen weitere Lösungsmittel in die Abluft eingebracht werden. Den Düsen 11 folgt in Strömungsrichtung der Abluft eine weitere Heizung 12. Hier kann die beladene Abluft auf 35° erwärmt werden, um eine Tropfenbildung zu vermeiden. Das Einbringen der weiteren Lösungsmittel im Bereich der Düsen 11 bewirkt eine Abkühlung der Abluft auf beispielsweise etwa 30°.
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Schließlich verlässt die Abluft die Mischeinrichtung 5 entlang Pfeil 3' und wird weiter Richtung Blockheizkraftwerk 4 geführt.
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3 zeigt den Gehalt der durch die Mischeinrichtung 5 geführten Abluft über der Zeit. Vor dem Hinzufügen weiterer Lösungsmittel liegt ein variabler Gehalt von Lösungsmitteln vor, gekennzeichnet durch einige Peaks höherer Konzentration.
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Die Bearbeitung des lösungsmittelhaltigen Abgases erfolgt auf Höhe der Linie 13. Weitere Lösungsmittel werden zur Abluft hinzugefügt, so dass der Gehalt der Lösungsmittel an der Abluft insgesamt ansteigt. Es erfolgt aber zugleich ein Ausgleich des Gehaltes.
