Die freigesetzten Schadstoffe bestehen hauptsächlich aus Lacknebel und organischen Lösemitteln, die beim Sprühlackieren entstehen, sowie organischen Lösemitteln, die beim Trocknen verdunsten. Der Lacknebel stammt vorwiegend aus dem Lösemittelanteil der Lackierung beim Sprühen und seine Zusammensetzung entspricht der verwendeten Lackart. Die organischen Lösemittel stammen hauptsächlich aus den Lösemitteln und Verdünnungsmitteln, die beim Auftragen der Lacke verwendet werden. Es handelt sich dabei größtenteils um flüchtige Emissionen; zu den Hauptschadstoffen zählen Xylol, Benzol, Toluol usw. Die Hauptquellen der schädlichen Abgase beim Lackieren sind daher die Sprühkabine, der Trockenraum und der Trockenraum.
1. Abgasreinigungsverfahren für eine Automobilproduktionslinie
1.1 Behandlungsschema für das organische Abgas im Trocknungsprozess
Das aus den Trockenräumen für Elektrophorese, Mittel- und Oberflächenbeschichtung austretende Gas zählt zu den hochtemperierten und hochkonzentrierten Abgasen und eignet sich daher zur Verbrennung. Zu den gängigen Abgasbehandlungsverfahren im Trocknungsprozess gehören derzeit die regenerative thermische Oxidation (RTO), die regenerative katalytische Verbrennung (RCO) und die thermische Verbrennung mit TNV-Rückgewinnung.
1.1.1 Wärmespeichertechnologie mit thermischer Oxidation (RTO)
Der regenerative thermische Oxidator (RTO) ist ein energiesparendes und umweltfreundliches Gerät zur Behandlung von flüchtigen organischen Abgasen mittlerer und niedriger Konzentration. Er eignet sich für große Mengen und niedrige Konzentrationen, insbesondere für organische Abgase im Bereich von 100 ppm bis 20.000 ppm. Die Betriebskosten sind niedrig; bei einer organischen Abgaskonzentration über 450 ppm benötigt der RTO keinen zusätzlichen Brennstoff. Die Reinigungsleistung ist hoch: Zweibett-RTOs erreichen über 98 %, Dreibett-RTOs über 99 %. Es entstehen keine Sekundärschadstoffe wie NOx. Die Steuerung erfolgt automatisch, die Bedienung ist einfach und die Sicherheit hoch.
Die regenerative Wärmeoxidationsanlage (RTO) nutzt die thermische Oxidation zur Behandlung von organischen Abgasen mittlerer und niedriger Konzentration. Die Wärmerückgewinnung erfolgt über einen keramischen Wärmespeicher. Die Anlage besteht aus einem keramischen Wärmespeicher, einem automatischen Steuerventil, einer Brennkammer und einem Steuerungssystem. Die wichtigsten Merkmale sind: Das automatische Steuerventil am Boden des Wärmespeichers ist jeweils mit dem Ansaug- und dem Abgasrohr verbunden. Der Wärmespeicher wird durch Vorwärmen der einströmenden organischen Abgase mit dem keramischen Wärmespeichermaterial befüllt, das dabei Wärme aufnimmt und wieder abgibt. Die auf eine bestimmte Temperatur (760 °C) vorgewärmten organischen Abgase werden in der Brennkammer zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert und somit gereinigt. Die typische Zweibett-RTO-Anlage besteht aus einer Brennkammer, zwei keramischen Packungsbetten und vier Schaltventilen. Der regenerative keramische Packungsbett-Wärmetauscher der Anlage ermöglicht eine Wärmerückgewinnung von über 95 %. Bei der Behandlung organischer Abgase wird kein oder nur wenig Brennstoff benötigt.
Vorteile: Bei der Verarbeitung großer Mengen organischer Abgase mit geringer Konzentration sind die Betriebskosten sehr niedrig.
Nachteile: hohe einmalige Investitionskosten, hohe Verbrennungstemperatur, nicht geeignet für die Behandlung von Abgasen mit hoher Konzentration organischer Stoffe, viele bewegliche Teile, hoher Wartungsaufwand.
1.1.2 Thermische katalytische Verbrennungstechnologie (RCO)
Die regenerative katalytische Verbrennungsanlage (Regenerativer Katalytischer Oxidator, RCO) eignet sich direkt zur Reinigung von organischen Abgasen mittlerer und hoher Konzentration (1000 mg/m³–10000 mg/m³). Die RCO-Technologie ist besonders geeignet, wenn eine hohe Wärmerückgewinnungsrate gefordert wird. Sie ist aber auch für Produktionslinien mit unterschiedlichen Produkten geeignet, da sich die Abgaszusammensetzung oder -konzentration häufig ändert. Sie eignet sich besonders für Unternehmen, die Wärmeenergie zurückgewinnen müssen, oder für die Abgasreinigung von Trocknungsanlagen. Die zurückgewonnene Energie kann in der Trocknungsanlage genutzt werden, wodurch Energieeinsparungen erzielt werden.
Die regenerative katalytische Verbrennungstechnologie ist eine typische Gas-Feststoff-Phasenreaktion, die im Wesentlichen die vollständige Oxidation reaktiver Sauerstoffspezies darstellt. Im Verlauf der katalytischen Oxidation reichern sich die Reaktantenmoleküle durch Adsorption an der Katalysatoroberfläche an. Die katalysatorbedingte Reduzierung der Aktivierungsenergie beschleunigt und erhöht die Oxidationsrate. Unter Einwirkung eines spezifischen Katalysators findet bei niedriger Starttemperatur (250–300 °C) eine energiefreie oxidative Verbrennung organischer Stoffe statt, die zu Kohlendioxid und Wasser zersetzt werden und dabei eine große Menge an Wärmeenergie freisetzen.
Die RCO-Anlage besteht im Wesentlichen aus dem Ofenkörper, dem katalytischen Wärmespeicher, dem Verbrennungssystem, der automatischen Steuerung, dem automatischen Ventil und weiteren Komponenten. Im industriellen Produktionsprozess gelangt das organische Abgas mittels eines Saugzugventilators in das Drehventil der Anlage. Dort werden Ein- und Auslassgas vollständig getrennt. Durch die katalytische Oxidation in der Katalysatorschicht erreicht das Gas nahezu die eingestellte Temperatur. Anschließend wird es im Heizbereich (elektrisch oder mit Erdgas beheizt) weiter erhitzt und auf dieser Temperatur gehalten. In der Katalysatorschicht findet die katalytische Oxidation statt, bei der Kohlendioxid und Wasser entstehen und eine große Menge Wärmeenergie freigesetzt wird, um den gewünschten Reinigungseffekt zu erzielen. Das oxidierte Gas gelangt in die zweite Keramikschicht, wo die Wärmeenergie über das Drehventil in die Atmosphäre abgegeben wird. Nach der Reinigung ist die Abgastemperatur nur geringfügig höher als vor der Abgasbehandlung. Das System arbeitet kontinuierlich und schaltet automatisch. Durch die Funktionsweise des Drehventils durchlaufen alle Keramikfüllschichten die Zyklusschritte Erhitzen, Abkühlen und Reinigen, und die Wärmeenergie kann zurückgewonnen werden.
Vorteile: einfacher Prozessablauf, kompakte Ausrüstung, zuverlässiger Betrieb; hohe Reinigungseffizienz, in der Regel über 98 %; niedrige Verbrennungstemperatur; geringe Investitionskosten, niedrige Betriebskosten, Wärmerückgewinnungseffizienz kann in der Regel mehr als 85 % erreichen; der gesamte Prozess erzeugt kein Abwasser, der Reinigungsprozess erzeugt keine NOx-Sekundärverschmutzung; RCO-Reinigungsanlagen können mit dem Trockenraum verwendet werden, das gereinigte Gas kann direkt im Trockenraum wiederverwendet werden, um Energieeinsparung und Emissionsreduzierung zu erreichen;
Nachteile: Die katalytische Verbrennungsanlage eignet sich nur zur Behandlung von organischen Abgasen mit niedrigsiedenden organischen Bestandteilen und niedrigem Aschegehalt. Die Behandlung von Abgasen mit klebrigen Substanzen wie öligem Rauch ist nicht geeignet, und der Katalysator sollte vergiftet werden; die Konzentration der organischen Abgase liegt unter 20 %.
1.1.3TNV Thermische Verbrennungsanlage für Recycling
Die thermische Nachverbrennung (TNV) nutzt die direkte Verbrennung von Abgasen mit organischen Lösungsmitteln durch Gas oder Brennstoff. Unter Einwirkung hoher Temperaturen werden die Lösungsmittelmoleküle oxidativ in Kohlendioxid und Wasser zersetzt. Das heiße Abgas wird über eine mehrstufige Wärmeübertragungseinrichtung dem Produktionsprozess zugeführt, der Luft oder Heißwasser benötigt. Die Wärmeenergie der oxidativen Zersetzung der organischen Abgase wird vollständig zurückgewonnen, wodurch der Energieverbrauch des Gesamtsystems reduziert wird. Daher ist die TNV eine effiziente und ideale Methode zur Behandlung von Abgasen mit organischen Lösungsmitteln, insbesondere bei Produktionsprozessen mit hohem Wärmebedarf. Für moderne Produktionslinien für elektrophoretische Lacke wird üblicherweise die TNV eingesetzt.
Das TNV-System besteht aus drei Komponenten: der Abgasvorwärm- und Verbrennungsanlage, der Umluftheizung und dem Frischluft-Wärmetauscher. Die Abgasverbrennungs- und -heizungsanlage bildet das Kernstück des Systems und setzt sich aus dem Ofenkörper, der Brennkammer, dem Wärmetauscher, dem Brenner und dem Hauptabgasregelventil zusammen. Der Arbeitsablauf ist wie folgt: Ein Hochdruckventilator saugt die organischen Abgase aus dem Trockenraum an. Nach der Vorwärmung im integrierten Wärmetauscher der Abgasverbrennungs- und -heizungsanlage gelangen die Abgase in die Brennkammer und werden dort durch den Brenner auf eine hohe Temperatur (ca. 750 °C) erhitzt. Dabei werden die organischen Abgase oxidativ in Kohlendioxid und Wasser zersetzt. Die entstehenden heißen Abgase werden über den Wärmetauscher und das Hauptabgasrohr in den Ofen abgeleitet. Die Abgase erwärmen die Umluft im Trockenraum und stellen so die benötigte Wärmeenergie bereit. Am Ende des Systems befindet sich eine Frischluft-Wärmetauscheranlage, die die Abwärme des Systems zur Weiterverarbeitung nutzt. Die durch den Trockenraum zugeführte Frischluft wird mit Rauchgas erwärmt und anschließend in den Trockenraum geleitet. Zusätzlich befindet sich an der Hauptabgasleitung ein elektrisches Regelventil, mit dem die Rauchgastemperatur am Geräteausgang eingestellt und die Abgastemperatur am endgültigen Austritt auf etwa 160 °C geregelt werden kann.
Zu den Merkmalen der Abgasverbrennungs-Zentralheizungsanlage gehören: die Verweilzeit des organischen Abgases in der Brennkammer beträgt 1 bis 2 Sekunden; der Zersetzungsgrad des organischen Abgases liegt bei über 99 %; die Wärmerückgewinnungsrate kann bis zu 76 % erreichen; und das Einstellverhältnis der Brennerleistung kann bis zu 26:1 und bis zu 40:1 betragen.
Nachteile: Bei der Behandlung von organischen Abgasen mit niedriger Konzentration sind die Betriebskosten höher; der Rohrwärmetauscher ist nur im Dauerbetrieb einsetzbar und hat daher eine lange Lebensdauer.
1.2 Behandlungsschema für organische Abgase in der Spritzlackierkabine und im Trockenraum
Die aus der Lackier- und Trockenkammer austretenden Abgase weisen eine geringe Konzentration, einen hohen Volumenstrom und Raumtemperatur auf. Hauptbestandteile der Schadstoffe sind aromatische Kohlenwasserstoffe, Alkoholether und organische Esterlösungsmittel. Im Ausland werden derzeit folgende, ausgereiftere Verfahren angewendet: Zunächst erfolgt die Konzentration der organischen Abgase, um deren Gesamtmenge zu reduzieren. Anschließend wird das bei Raumtemperatur austretende Abgas mittels Adsorption (Aktivkohle oder Zeolith als Adsorptionsmittel) gereinigt. Darauf folgt die Hochtemperatur-Gasstrippung und die Konzentration der Abgase durch katalytische oder regenerative thermische Verbrennung.
1.2.1 Adsorptions-, Desorptions- und Reinigungsvorrichtung für Aktivkohle
Durch die Verwendung von wabenförmiger Aktivkohle als Adsorptionsmittel und die Kombination der Prinzipien der Adsorptionsreinigung, Desorptionsregeneration, VOC-Konzentration und katalytischen Verbrennung wird eine Luftreinigung erreicht. Hohe Luftvolumina und geringe Konzentrationen organischer Abgase werden durch Adsorption an der wabenförmigen Aktivkohle erzielt. Nach Sättigung der Aktivkohle erfolgt deren Regeneration mit Heißluft. Die desorbierten, konzentrierten organischen Stoffe werden dem Katalysatorbett zur katalytischen Verbrennung zugeführt und zu unschädlichem Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Die Verbrennungsgase erwärmen die Abluft über einen Wärmetauscher. Ein Teil des Kühlgases dient der Desorptionsregeneration der wabenförmigen Aktivkohle, wodurch die Abwärme genutzt und Energie gespart wird. Die Anlage besteht aus Vorfilter, Adsorptionsbett, Katalysatorbett, Flammschutz, Ventilator, Ventil usw.
Die Aktivkohle-Adsorptions-Desorptions-Reinigungsanlage basiert auf den beiden Grundprinzipien der Adsorption und der katalytischen Verbrennung. Sie arbeitet im kontinuierlichen Zwei-Gas-Kreislauf und nutzt abwechselnd eine katalytische Brennkammer und zwei Adsorptionsbetten. Zunächst wird das organische Abgas an der Aktivkohle adsorbiert. Bei schneller Sättigung stoppt die Adsorption. Anschließend wird die Aktivkohle mittels Heißluftstrom von den organischen Stoffen befreit und regeneriert. Die organischen Stoffe werden dabei konzentriert (um ein Vielfaches höher als die ursprüngliche Konzentration) und in die katalytische Brennkammer geleitet, wo sie zu Kohlendioxid und Wasserdampf verbrannt werden. Ab einer Konzentration von 2000 ppm im organischen Abgas erfolgt eine Selbstverbrennung im katalytischen Bett ohne externe Beheizung. Ein Teil des Verbrennungsabgases wird in die Atmosphäre abgeleitet, der größte Teil wird zur Regeneration der Aktivkohle in das Adsorptionsbett zurückgeführt. Dadurch wird der Wärmebedarf für Verbrennung und Adsorption gedeckt und Energie gespart. Die regenerierte Aktivkohle kann anschließend erneut adsorbiert werden. Bei der Desorption kann die Reinigung mittels eines weiteren Adsorptionsbetts durchgeführt werden, das sowohl für den kontinuierlichen als auch für den intermittierenden Betrieb geeignet ist.
Technische Leistungsmerkmale: stabiler Betrieb, einfache Struktur, sicher und zuverlässig, energie- und arbeitssparend, keine Sekundärverschmutzung. Das Gerät benötigt wenig Platz und ist leicht. Es eignet sich hervorragend für den Einsatz in großen Mengen. Das Aktivkohlebett, das organische Abgase adsorbiert, nutzt das Abgas nach der katalytischen Verbrennung zur Strippungsregeneration. Das Strippgas wird anschließend zur Reinigung in die katalytische Brennkammer geleitet. Ohne externe Energiezufuhr ist eine erhebliche Energieeinsparung möglich. Der Nachteil besteht in der begrenzten Verfügbarkeit von Aktivkohle und den hohen Betriebskosten.
1.2.2 Adsorptions- und Desorptionsreinigungsvorrichtung mit Zeolith-Transferrad
Die Hauptbestandteile von Zeolith sind Silizium und Aluminium. Aufgrund seiner Adsorptionsfähigkeit kann er als Adsorptionsmittel eingesetzt werden. Zeolith-Systeme nutzen die spezifischen Poren des Zeoliths zur Adsorption und Desorption organischer Schadstoffe. Dadurch können sowohl VOC-haltige Abgase mit niedriger als auch mit hoher Konzentration behandelt und die Betriebskosten der nachgeschalteten Nachbehandlungsanlagen gesenkt werden. Die Systemeigenschaften eignen sich für die Behandlung großer Abgasmengen mit niedriger Konzentration und einer Vielzahl organischer Komponenten. Ein Nachteil sind die hohen Anfangsinvestitionen.
Die Zeolith-Laufrad-Adsorptions- und Reinigungsanlage ist ein Gasreinigungsgerät, das Adsorption und Desorption kontinuierlich durchführen kann. Die beiden Seiten des Zeolith-Laufrads sind durch eine spezielle Dichtung in drei Bereiche unterteilt: Adsorptionsbereich, Desorptionsbereich (Regenerationsbereich) und Kühlbereich. Der Arbeitsablauf des Systems ist wie folgt: Das Zeolith-Laufrad rotiert kontinuierlich mit niedriger Drehzahl und durchläuft dabei die drei Bereiche. Wenn Abgas mit niedriger Konzentration und geringem Volumen kontinuierlich durch den Adsorptionsbereich des Laufrads strömt, werden die im Abgas enthaltenen VOCs vom Zeolith des Laufrads adsorbiert und nach der Adsorption und Reinigung direkt abgeleitet. Das vom Laufrad adsorbierte organische Lösungsmittel wird durch die Rotation des Laufrads in den Desorptionsbereich (Regenerationsbereich) transportiert. Dort wird es kontinuierlich mit einem geringen Volumen an erwärmter Luft durchströmt. Die am Laufrad adsorbierten VOCs werden im Desorptionsbereich regeneriert. Das VOC-haltige Abgas wird zusammen mit der erwärmten Luft abgeleitet. Das Rad wird zur Kühlung in den Kühlbereich geführt, wo eine erneute Adsorption möglich ist. Durch die konstante Rotation des Rades wird ein Adsorptions-, Desorptions- und Kühlzyklus durchgeführt, der einen kontinuierlichen und stabilen Betrieb der Abgasreinigung gewährleistet.
Die Zeolith-Abscheideanlage dient im Wesentlichen als Konzentrator. Das Abgas, das organische Lösungsmittel enthält, wird in zwei Teile geteilt: Reinluft, die direkt abgeleitet werden kann, und rezirkulierte Luft mit hoher Konzentration an organischen Lösungsmitteln. Die Reinluft kann direkt abgeleitet und im Lüftungssystem der Lackieranlage wiederverwendet werden. Die Konzentration der VOC-haltigen Gase beträgt etwa das Zehnfache der VOC-Konzentration vor dem Eintritt in das System. Das konzentrierte Gas wird mittels Hochtemperaturverbrennung in einer TNV-Rückgewinnungsanlage (oder einer anderen Anlage) behandelt. Die bei der Verbrennung entstehende Wärme dient der Beheizung des Trockenraums und der Zeolith-Strippung. Die Wärmeenergie wird vollständig genutzt, um Energieeinsparung und Emissionsreduzierung zu erzielen.
Technische Leistungsmerkmale: einfache Struktur, wartungsfreundlich, lange Lebensdauer; hohe Absorptions- und Stripping-Effizienz, Umwandlung des ursprünglich hohen Luftvolumens und der niedrigen VOC-Konzentration in ein niedriges Luftvolumen und eine hohe VOC-Konzentration, wodurch die Kosten für nachgeschaltete Nachbehandlungsanlagen gesenkt werden; extrem niedriger Druckverlust, wodurch der Energieverbrauch deutlich reduziert wird; modulares Systemdesign mit minimalem Platzbedarf und kontinuierlichem, unbemanntem Betrieb; Erfüllung der nationalen Emissionsnormen; Verwendung von nicht brennbarem Zeolith als Adsorptionsmittel für mehr Sicherheit; Nachteil: hohe einmalige Investitionskosten.
Veröffentlichungsdatum: 03.01.2023
