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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung eines mit dampf-
und/oder gasförmigen Schadstoffen beladenen Abgasstroms, das in besonders wirtschaftlicher
und energiesparender Weise mit einem relativ geringen Betriebsmittelaufwand durchgeführt
werden kann.
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Es sind bereits zahlreiche Verfahren zur Reinigung von Abgasströmen
bekannt, die auf der Entfernung der Schadstoffe durch Kondensation, durch Absorption
aufgrund der Löslichkeit oder chemischer Reaktionen, durch Adsorption an Feststoffen
mit großer Oberfläche oder durch thermische und katalytische Verbrennung beruhen.
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So ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem eine indirekte
Kondensation bei tiefen Temperaturen dazu benutzt wird, einen Abgasstrom weitgehend
von seinen Schadstoffen zu befreien. Dabei kommt es jedoch leicht zur Eisbildung
und zu Feststoffablagerungen auf den Kühlflächen, wodurch der Wärmeübergang behindert
und die Gaswege verstopft werden können. Außerdem erschwert der hohe Gegendruck
die Förderung des Gases. Um die Betriebsbereitschaft sicherzustellen, müssen mindestens
zwei Kondensatoren vorhanden sein, damit einer
von diesen zwischenzeitlich
abgetaut werden kann. Das vermindert den Wirkungsgrad und erhöht den für die Kälteerzeugung
ohnehin schon großen Bedarf an elektrischer Energie. Darüber hinaus kann die Anlage
nur von qualifiziertem Personal betrieben werden.
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Bekannt ist auch die direkte Kondensation der im Abgasstrom enthaltenen
Schadstoffe mit Hilfe flüssiger Inertgase. So ist beispielsweise aus DE-OS 23 16
570 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abluftreinigung bekannt, bei dem die
Entfernung der Schadstoffe aus einem Abgas durch Kondensation und Ausfrieren der
umweltschädlichen Stoffe mit Hilfe flüssiger Inertgase durchgeführt werden kann.
Eine solche Kondensation erfordert wegen des Verdünnungseffekts durch die zugesetzten
Inertgase ebenfalls sehr tiefe Temperaturen mit entsprechend hohem Inertgasverbrauch.
Außerdem besteht die Gefahr der Aerosolbildung oder eines ungenügenden Wärmeaustauschs
bei schwankenden Betriebsbedingungen. Auch solche Verfahren sind daher vom wirtschaftlichen,
technischen oder arbeitsmäßigen Aufwand her nicht immer zufriedenstellend.
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Bei den ebenfalls bekannten Verfahren, die sich der Absorption mit
Hilfe einer Waschflüssigkeit zur Reinigung von Abgasströmen bedienen, müssen die
absorbierten Schadstoffe in nachfolgenden Verfahrensstufen wieder von der AbsorPtions-
flüssigkeit
getrennt werden. Zur Durchführung solcher Verfahren benötigt man sowohl eine Absorptions-
als auch eine Desorptions- bzw. Destillationskolonne mit erheblichem apparativen
und regeltechnischem Aufwand sowie beträchtliche Wärmeenergie zum Abstrippen bzw.
Abdestillieren der absorbierten Schadstoffe. Bei niedrig siedenden Komponenten ist
es darüber hinaus schwierig, die abgetriebenen leichten Komponenten so zu kondensieren,
daß eine Emission vermieden wird. Derartige Vorrichtungen sind ebenfalls nur mit
qualifiertem Personal zu betreiben.
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Andere bekannte Verfahren, bei denen die Schadstoffe aus Abgasen mit
Hilfe der Adsorption entfernt werden, erfordern wegen der begrenzten Aufnahmefähigkeit
der Adsorptionsmittel und wegen der erforderlichen Regeneration mindestens zwei
wechselweise arbeitende Adsorber, um eine ständige Betriebsbereitschaft zu gewährleisten.
Der Abgasstrom wird vor Eintritt in das erforderliche Gebläse auf 25 bis 50 % der
unteren Explosionsgrenze verdünnt, um die Explosionsgefahr zu reduzieren und eine
mögliche Entzündung bzw. Brandgefahr durch die freigesetzte Adsoptionswärme bei
hoher Schadstoffbeladung zu vermeiden. Es müssen daher große Luftmenge bewegt werden,
die entsprechend große Aggregate bedingen. Die Regeneration mit Dampf verursacht
einen hohen Aufwand. Bei der Kondensation der mit Dampf ausgetriebenen adsorbierten
Pro-
dukte muß eine emissionsfreie Kondensation gewährleistet sein.
Wasserlösliche Komponenten müssen destillativ abgetrennt werden. Meist benötigt
man wegen der Wasserkontamination auch eine Kesselspeiseaufbereitung und eine-Abwasserbehandlungsanlage.
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Ferner werden zur Beseitigung der Schadstoffe aus Abgasströmen auch
thermische und katalytische Verbrennungsverfahren vorgeschlagen, die jedoch u.a.
den Nachteil aufweisen, daß in den Verbrennungsanlagen Wertstoffe vernichtet werden
und insgesamt ein hoher Energieaufwand getrieben werden muß, da der gesamte Abgasstrom
auf ca. 80dos aufgeheizt werden muß. Ein solches Verfahren ist daher nur sinnvoll
einzusetzen, wenn mindestens ein Teil der Abwärme genutzt werden kann, wodurch allerdings
die Flexibilität solcher Anlagen eingeschränkt wird. Außerdem sind wegen der offenen
Flamme erhebliche Sicherheitsmaßnahmen erforderlich. Im übrigen sind katalytische
Verbrennungsverfahren nur begrenzt einsatzfähig, weil die verwendeten Katalysatoren
leicht vergiftet werden können.
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Vorliegender Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Reinigung eines mit dampf- oder gasförmigen Schadstoffen beladenen Abgasstroms
zu schaffen, bei dem die zuvor beschriebenen Nachteile der bisher bekannten Verfahren
ganz
oder weitgehend vermieden werden sollen und das sich insbesondere durch eine einfache,
wirkungsvolle und gefahrlose Entfernung von Schadstoffen aus Abgasen bei wirtschaftlicher
Durchführbarkeit und einfacher Handhabung auszeichnen soll und daher auch von angelerntem
Personal betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur
Reinigung eines mit dampf- und/oder gasförmigen Schadstoffen beladenen Abgasstroms,
das aus einer Vorreinigungsstufe, in der die Konzentration der Schadstoffe im Abgasstrom
durch Kondensation und/oder Absorption mittels einer Waschflüssigkeit vermindert
wird, und aus einer nachgeschalteten Endreinigungsstufe besteht, in der der Gehalt
an Schadstoffen im Abgasstrom weiter auf einen gewünschten bzw. erforderlichen Wert
gesenkt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß a)
der ungereinigte Abgasstrom über einen Einlaßstutzen in den unteren Teil einer Stoff-
und Wärmeaustauschkolonne eingeführt wird, wo er im Gegenstrom durch eine am Kopf
der Kolonne über eine Verteilereinrichtung in die Kolonne eintretende gekühlte Umlaufflüssigkeit
abgekühlt und vorgereinigt wird, indem ein Teil der Schadstoffe aus dem Abgasstrom
ausgewaschen bzw. kondensiert und im Kolonnensumpf gesammelt wird,
b)
der auf diese Weise vorgereinigte und gekühlte Abgasstrom durch den Tropfenabscheider
im Kopf der Kolonne geleitet und über eine Leitung und einen Einlaßstutzen in eine
Adsorberanlage geführt wird, in der der Schadstoffgehalt bis auf einen geringen
Rest, der der gewünschten oder erforderlichen Restkonzentration entspricht, weiter
verringert wird, wonach der so gereinigte Abgasstrom, gegebenenfalls über ein zwischengeschaltetes
Gebläse, durch eine Austrittsleitung in die Atmosphäre abgelassen wird, c) die auf
der Adsorberfüllung in der Adsorberanlage adsorbierten Schadstoffe in geeigneter
Weise ausgetrieben werden,wobei gleichzeitig eine Regeneration der Adsorberfüllung
erfolgt, und der die ausgetriebenen Schadstoffe enthaltende Regenerationsgasstrom
über eine Leitung und einen Einlaßstutzen in die Wärme- und Stoffaustauschkolonne
zurückgeführt wird, wobei gegebenenfalls ein Kühler zum Abkühlen des Regenerationsstromes
in der Leitung zwischengeschaltet ist, und d) der die zurückgeführten Schadstoffe
enthaltende Regenerationsstrom gemeinsam mit dem in die Kolonne eingeführten ungereinigten
Abgasstrom der Vorreinigung in Stufe a) unterworfen wird.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren wird demnach die direkte Kondensation
und/oder Absorption in einer ersten Stufe zur Vorreinigung des Abgasstromes mit
der Adsorption der restlichen Schadstoffe aus dem vorgereinigten Abgasstrom in einer
tweiten Stufe vorteilhaft kombiniert, wobei die bei der Regeneration der Adsorberanlage
ausgetriebenen Schadstoffe, gegebenenfalls zusammen mit einem Regenerationsgasstrom,
in die erste Stufe zur Vorreinigung des Abgasstromes zurückgefüh;rt und dort gemeinsam
mit weiterem ungereinigten Abgas erneut der Vorreinigungsbehandlung unterworfen
wird. Die kondensierten und/oder absorbierten Schadstoffe werden am Kolonnenboden
der Stoff- und Wärmeaustauschkolonne gesammelt und können zusammen mit einem Teil
der Waschflüssigkeit je nach Bedarf vom Kolonnenboden abgezogen und gegebenenfalls
einer Weiterverarbeitung zugeführt werden.
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Zur Verbesserung des Stoff- und Wärmeaustausches sind bevorzugt Füllkörper-
bzw. Gewebepackungen oder Stoffaustauech#öden in der Kolonne vorgesehen.
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Die Umlaufflüssigkeit in Stufe a) des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann vorzugsweise aus einer die Schadstoffe leicht absorbierenden Waschflüssigkeit
bestehen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Umlaufflüssigkeit
in der Kolonne wenigstens zum Teil das Eigenkondensat der Schad-
stoffe
benutzt, z.B. Methanol für Methanoldämpfe, oder das Flüssigkeitsgemisch, aus dem
die Schadstoffe austreten, z.B.
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Benzin für Benzin- oder Superbenzindämpfe. In einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform kann die Umlaufflüssigkeit aus einer Flüssigkeit oder einem Flüssigkeitsgemisch
bestehen, das gemeinsam mit den absorbierten bzw. kondensierten Schadstoffen ohne
weitere Zwischenbehandlung direkt weiter verwendet werden kann, z.B. Benzin oder
Superbenzin für Kohlenwasserstoffdämpfe.
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Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren in Stufe a) am Kopf der Kolonne
eintretende Umlaufflüssigkeit wird vorzugsweise am Boden der Kolonne gesammelt und
über eine Leitung mit Umlaufpumpe und Kühler für indirekte Kühlung der Umlaufflüssigkeit
im Kreislauf geführt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Flüssigkeitsniveau
des Kolonnensumpfes im unteren Teil der Kolonne durch einen Niveauschalter reguliert
und die Einhaltung eines vorgegebenen Flüssigkeitsniveaus durch Öffnen oder Schließen
eines sich im Ablaßstutzen befindlichen Ventils gewährleistet, wobei gegebenenfalls
durch den geöffneten Ablaßstutzen eine gesteuert Menge des Kolonnen sumpfes abgezogen
wird.
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Die in der zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzte
Adsorberanlage besteht vorzugsweise aus Aggregaten mit Adsorberfüllung. Als Adsorberfüllung
werden hierbei vorzugsweise Aktivkohle oder Kohlenstoff-Molekularsiebe einem' setzt.
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Die Desorpion der mit den Schadstoffen belegten Adsorberanlage kann
vorteilhaft durch Anwendung von Vakuum, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Wärmezufuhr,
durchgeführt werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die
Desorption der Adsorberanlage mit Hilfe eines heißen Inertgasstroms durchgeführt
wird. Schließlich kann die Desorption der Adsorberanlage auch vorteilhaft mit Hilfe
eines heißen Wasserdampfstromes durchgeführt werden.
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Der bei der Desorption der Adsorberanlage anfallende Regenerationsgasstrom,
der die ausgetriebenen Schadstoffe in auf konzentrierter Form enthält, wird in die
Stoff- und Wärmeaustauschkolonne zurückgeführt, wobei gegebenenfalls zur Kühlung
des Regenerationsgasstromes ein Kühler zwischengeschaltet werden kann.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figur 1, die schematisch
eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt, weiter erläutert.
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Der mit Schadstoffen beladene Abgasstrom tritt über den Einlaßstutzen
1 in die Wärme- und Stoffaustauschkolonne 2 ein und wird durch die mittels der Umlaufpumpe
3 durch Leitung 27 geförderte, im Kühler 8 mit Kühlmittel 7 indirekt gekühlte, am
Kopf der Kolonne durch einen Verteiler 4 austretende kalte UmlaufflUssigkeit im
Gegenstrom gekühlt und gereinigt; Statt durch indirekte Kühlung kann die Umlaufflüssigkeit
auch durch Einleiten tiefkalter flüssiger Inertgase, z.B. von flüssigem Stickstoff,
durch den Einlaßstutzen 5 in den Kolonnensumpf 6 auf die erforderliche Temperatur
abgekühlt werden.
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Vor Betriebsbeginn wird durch den Einlaßstutzen 9 die geeignete Umlaufflüssigkeit
in den Kolonnensumpf 6 eingegeben.
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Die während des Betriebs der Kolonne 2 zusammen mit den kondensierten
bzw. absorbierten Schadstoffen abgezogene Menge an Umlaufflüssigkeit wird durch
entsprechende Zugabe von Umlaufflüssigkeit durch den Einlaßstutzen 9 wieder ersetzt.
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Das aus dem beladenen Abgasstrom in der Vorreinigungsstufe anfallende
Überschußkondensat aus Schadstoffen wird entweder von Hand durch den Ablaßstutzen
10 abgelassen oder unter Verwendung eines Niveauschalters 11 mit der Pumpe 3 abgepumpt
und über Leitung 12 abgezogen. Die Verwendung eines Niveauschalters 11 dient der
Aufrechterhaltung eines bestimmten Niveaus der Umlaufflüssigkeit in dem unteren
Teil der Kolonne 2.
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Der gereinigte und gekühlte Abgasstrom verläßt die Kolonne 2 über
den Tropfenabscheider 13, den Auslaßstutzen 14 und die Leitung 15, durch die der
vorgereinigte Abgasstrom zur Adsorberanlage 17 über den Einlaßstutzen 16 zur Endreinìgung
geführt wird. Die Adsorberanlage 17 besteht, vorzugsweise aus mehreren Behältern
mit Adsorberfüllung, bevorzugt aus Aktivkohle. Die Schadstoffe lagern sich auf der
Adsorberfüllung ab und der gereinigte Abgasstrom tritt durch die Ablaßleitung 18
in die Atmosphäre aus. Zur Überwindung des Druckverlustes kann bei Bedarf ein Gebläse
19 in der Leitung 18 zwischengeschaltet werden.
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Die auf dem Adsorber abgelagerten Schadstoffe können auf verschiedene
Weise aus dem Adsorber ausgetrieben werden.
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Dies kann in einer bevorzugten Ausführungsform durch Anlegen eines
Vakuums mit Hilfe der Vakuumpumpe 21 durchgeführt werden, wobei zur Erleichterung
und Beschleunigung der Desorption über Leitung 20 Wärme zugeführt werden kann. Weitere
vorteilhafte Verfahrensweisen zur Desorption der Adsorberanlage bedienen sich der
Zufuhr von heißem Inertgasstrom über Leitung 22 oder der direkten Dampfzufuhr über
Leitung 23.
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Die bei der Desorption der Adsorberanlage anfallenden Schadstoffe
werden, gegebenenfalls zusammen mit dem'heißen Inertgasstrom oder dem heißen Wasserdampf,
als Regenerationsgas
über die Leitung 24 und den Einlaßstutzen
26 in die Kolonne 2 zurückgeführt, wobei gegebenenfalls ein Kühler 25 zum Abkühlen
des Regenerationsgasstromes zwischengeschaltet sein kann.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß durch die Kombination einer Vorreinigung von mit Schadstoffen
höher beladenen Abgasströmen in Stufe a) mit einer Endreinigung in der Adsorberanlage
die Vorteile beider Reinigungsstufen ausgenutzt werden können mit dem Ergebnis,
daß auf einfache Weise mit einem verhältnismäßiy geringen Betriebsmittelaufwand
Abgasströme mit sehr geringer Schadstoffendbelastung erhalten werden können. Überraschenderweise
sind die Energiemengen, die hierzu erforderlich sind, deutlich geringer als bei
vergleichbaren bekannten Verfahren, bei denen die Entfernung der Schadstoffe nur
durch Kondensation bzw. Absorption oder durch Adsorption erfolgt.
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Dies liegt zum Teil daran, daß durch die Kombination der Vorreinigung
mittels Absorption und/oder Kondensation mit der Endreinigung durch Adsorption und
die Rückführung der durch Desorption aus der Adsorberanlage gewonnenen Schadstoffe
in die Vorreinigungsstufe nicht nur eine optimale Materialführung, sondern auch
eine weitgehende Ausnutzung der hauptsächlich in Form von Kälte eingesetzten Energie
ermöglicht wird. Dadurch wird in der Kolonne Kälteenergie gespart, und
der
Adsorber wird durch die Vorreinigung entlastet, so daß die Energiekosten für die
Regeneration der Adsorberanlage ebenfalls reduziert werden können. Die Wärme- und
Stoffaustauschkolonne dient gleichzeitig der Vorreinigung und als Kondensator für
die Adsorberanlage.
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Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt
in der direkten Kühlung des mit Schadstoffen beladenen Abgasstroms in der Wärme-
und Stoffaustauschkolonne durch im Umlauf geführte, direkt oder indirekt gekühlte
Flüssigkeit, als die in einer besonders bevorzugten Ausführungsform mindestens als
Teil der Umlaufflüssigkeit das Eigenkondensat der Schadstoffe oder bei Mehrkomponentengemischen,
z.B. bei Vergaserkraftstoffen, eine Flüssigkeit eingesetzt wird, die ohne eine Nachbehandlung
mit den darin enthaltenen Schadstoffen weiterverwendet werden kann. So wird beispielsweise
Toluol zur Auswaschung von Toluoldämpfen und Benzin zur Reinigung von benzinbeladener
Abluft erfindungsgemäß eingesetzt. Dadurch entfällt die Stripp- oder Destillationskolonne
zum Abtrennen der Schadstoffe aus der Umlaufflüssigkeit. Bei Mehrkomponentengemischen
erreicht man darüberhinaus durch die Löslichkeit der Leichtsieder in den Schwersiedern
einen absorptiven Effekt. Durch die Löslichkeit verringert sich der Partialdruck
der leichteren Komponenten, so daß die Austrittsbeladung der Schadstoffe im Abgasstrom
vermindert wird.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich
aus der Kombination von kalter Vorwäsche und Adsorption als Endreinigungsstufe,
denn dadurch, daß der vorgereinigte Abgasstrom beim Eintritt in die Adsorberanlage
stark abgekühlt ist, wird die Arbeitskapazität bzw. das Aufnahmevermögen des Adsorbers
erhöht, wodurch gleichzeitig eine zusätzliche Sicherheit gegen das Auftreten von
Entzündungen gegeben ist.
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Das nachfolgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.
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Beispiel Ein benzinhaltiger Abluftstrom mit 600 bis 1000 g Benzin
pro kg Luft wird durch Abkühlung und Absorption bei 4000 in der Waschkolonne soweit
vorgereinigt, daß im austretenden Abgas nur noch 100 g Benzin/kg Luft enthalten
sind. Mit dieser Beladung strömt der Gasstrom in den Adsorber, wo die Austrittsbeladung
des Gases auf unter 300 mg/m³ Luft reduziert wird. Der bei der Desorption des Adsorbers
anfallende Regenerationsgasstrom enthält 300 bis 400 g Benzin/m3 und wird in die
Waschkolonne zurückgeführt.
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