VOC-Behandlung (Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen)

VOC-Definition

Flüchtige organische Verbindungen (VOCs) sind alle organischen Verbindungen, die bei gewöhnlicher Raumtemperatur gasförmig oder als sehr flüchtige Flüssigkeit vorliegen. Formal sind VOCs alle organischen Verbindungen, die einen Dampfdruck von mindestens 0,01 kPa oder eine äquivalente Flüchtigkeit unter den jeweiligen Nutzungsbedingungen bei 20ºC aufweisen. VOCs haben üblicherweise weniger als zwölf Kohlenstoffatome in ihrer Kette und enthalten weitere Elemente wie Sauerstoff, Fluor, Chlor, Brom, Schwefel oder Stickstoff.

Es gibt mehr als tausend verschiedene VOCs, aber die am häufigsten in der Luft vorkommenden sind Methan, Toluol, n-Butan, i-Pentan, Ethan, Benzol, n-Pentan, Propan und Ethylen. Diese Verbindungen entstehen in allen industriellen Prozessen, in denen organische Lösungsmittel (wie Acetaldehyd, Benzol, Anilin, Tetrachlorkohlenstoff, 1,1,1-Trichlorethan, Aceton, Ethanol usw.) verwendet werden.

Aktivitäten, die VOC-Emissionen verursachen können

Sie gehören im Allgemeinen zu folgenden Industriesektoren:

• Eisen- und Stahlindustrie.
• Kunststoffindustrie.
• Lebensmittelindustrie.
• Holzindustrie.
• Farbe-, Lack- und Lackindustrie.
• Tierhaltungsindustrie.
• Pharmaindustrie.
• Kosmetikindustrie.

Gefahren für die menschliche Gesundheit und schädliche Auswirkungen auf die Umwelt

• Verbindungen, die extrem gefährlich für unsere Gesundheit sind: Benzol, Vinylchlorid und 1,2-Dichlorethan.
• Klasse A Verbindungen: solche, die erhebliche Umweltschäden verursachen können, wie Acetaldehyd, Anilin, Trichlorethylen usw.
• Klasse B Verbindungen: haben geringere Umweltauswirkungen. Aceton und Ethanol gehören unter anderem zu dieser Gruppe.

Einige VOCs zerstören die stratosphärische Ozonschicht, wie Tetrachlorkohlenstoff. Darüber hinaus sind alle VOCs in Kombination mit Stickstoffoxiden und Sonnenlicht Vorläufer von bodennahem Ozon (troposphärisches Ozon), das sehr gesundheitsschädlich ist und schwere Atemwegsschäden verursacht. Dieser Effekt ist als photochemischer Smog bekannt und zeigt sich als braun-grauer Nebel in großen Städten, die meist sonnig sind und VOC- sowie Stickstoffoxid-Emissionen aufweisen.

Um die beste Technologie zur Reinigung flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) auszuwählen, müssen Volumen, VOC-Konzentration, Lufttemperatur und -feuchtigkeit, vorhandene Lösungsmittel, zulässige Emissionsgrenzwerte sowie mögliche Staub- und andere Kontaminanten berücksichtigt werden. Das Unternehmen muss seinerseits verfügbare Ressourcen, die zeitliche Verteilung der Schadstoffemissionen sowie die Möglichkeit der Rückgewinnung von Lösungsmitteln und thermischer Energie bewerten.

Aus diesen Gründen legt die aktuelle europäische Gesetzgebung immer strengere Grenzwerte für die Emission dieser Verbindungen fest. Daher müssen in industriellen Tätigkeiten, die VOCs erzeugen können, die Emissionen kontrolliert und bei Bedarf effizient behandelt werden.

Technologien zur VOC-Behandlung

Behandlungstechnologien lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: destruktive und nicht-destruktive. Destruktive Behandlungen sind solche, bei denen VOCs durch ein geeignetes Verfahren in andere Substanzen umgewandelt werden, während die nicht-destruktive Behandlung aus der physikalischen oder chemischen Trennung der VOCs aus der zu behandelnden Luft besteht.

Destruktive Technologien

1. Regenerative thermische Oxidation (RTO): Wie alle anderen oxidativen Techniken oxidiert sie VOCs in einer Brennkammer mit einem Brenner. VOCs werden in CO2 und H2O umgewandelt. RTO zeichnet sich durch das Vorhandensein von Türmen (normalerweise 2 oder 3) aus, die mit keramischem Material gefüllt sind, das die Wärme der behandelten Verbrennungsluft während aufeinanderfolgender Prozesszyklen speichert und überträgt. Mit diesen Türmen kann eine thermische Rückgewinnungseffizienz von über 95 % erreicht werden, sodass der Gasverbrauch zur Aufrechterhaltung der Temperatur gering ist.
   RTO ist daher eine Technologie mit reduziertem Brennstoffverbrauch. Wenn die Lösungsmittelkonzentration größer als 1,5 – 2 g/Nm3 ist, wird RTO zu einem autothermen Prozess mit praktisch null Verbrauch. Die Betriebstemperatur liegt zwischen 750 und 1.250 ºC. Bei dieser Temperatur können alle organischen Substanzen oxidiert werden.

   Es ist eine sehr vielseitige Technik hinsichtlich des zu behandelnden Volumenstroms (1.000-100.000 Nm3/h), ideal für mittelhohe VOC-Konzentrationen und optimal für eine große Vielfalt von VOCs.

2. Rekuperative thermische Oxidation: Es handelt sich um eine einfache Technologie mit niedrigen Investitionskosten, aber höheren Betriebskosten. Sie besteht aus einer Brennkammer mit Brenner und einem Wärmetauscher, der die einströmende Luft erwärmt und die gereinigte Luft kühlt.

   Mit dieser Technik kann eine thermische Rückgewinnungseffizienz von etwa 65 % erreicht werden.
   Diese Technologie erfordert geringere Investitionskosten als die regenerative, hat jedoch höhere Betriebskosten aufgrund des höheren Brennstoffverbrauchs. Die rekuperative thermische Oxidation ist eine Technologie, die es ermöglicht, Schadstoffe in einem Gas durch Erhitzung auf ausreichend hohe Temperaturen zu eliminieren. Damit der Prozess effektiv ist und die Schadstoffe vollständig oxidiert werden können, muss eine Mindesttemperatur (zwischen 700ºC und 1200ºC) für eine Mindestzeit (0,6-2 Sekunden) eingehalten werden.

   Die Schadstoffe, die normalerweise mit dieser Technologie eliminiert werden, können organisch (VOCs, Gerüche usw.) oder anorganisch (CO, H2S, HCN usw.) sein. Diese Technologie wird verwendet, wenn der Gasstrom unter 50.000 Nm3/h liegt und die Schadstoffkonzentration 5-20 g/Nm3 beträgt.

3. Regenerative katalytische Oxidation (RCO): Dieser Prozess ähnelt der RTO, aber durch das Vorhandensein eines Katalysators in der Brennkammer kann bei niedrigeren Temperaturen im Bereich von 300-350ºC gearbeitet werden. Das System hat eine thermische Effizienz von über 98 % und verbraucht kein Gas, wenn der autotherme Punkt erreicht ist.

   Diese Anlage ist kompakt, benötigt weniger Platz und arbeitet bei niedrigeren Temperaturen, wodurch weniger Brennstoff als bei der rekuperativen thermischen Oxidation verbraucht wird. Für die Anwendung dieser Technologie müssen alle Lösungsmittel gut untersucht werden, da einige Produkte den Katalysator vergiften und einen Austausch erforderlich machen können.

   Es ist eine ideale Technik für niedrige oder mittlere Luftströme (1.000-30.000 Nm3/h) bei mittlerer oder niedriger VOC-Konzentration mit geringen Betriebskosten.

4. Gasphasen-Advanced-Oxidation (GPAO): Diese Technik besteht aus 4 Stufen. In der ersten Stufe wird die zu behandelnde Luft einem Absorptionsprozess in Wasser und Ozon unterzogen. Die in Wasser löslichen Gase werden durch Ozon zu CO2 oxidiert. In Stufe 2 wird dem Gasgemisch aus Stufe 1 Ozon zugegeben und die Mischung mit hochintensivem ultraviolettem Licht bestrahlt. Das Ozon wird in OH-Radikale umgewandelt, die äußerst reaktiv mit den VOCs sind. Die Oxidation erzeugt ein partikuläres Aerosol, das in Stufe 3 mit einem elektrostatischen Abscheider entfernt wird. Die resultierende Luft, frei von VOCs und Gerüchen, kann in die Atmosphäre abgegeben werden. Schließlich wird in Stufe 4 das verbleibende Ozon mit einem Katalysator in Sauerstoff umgewandelt.

   Es ist eine robuste Technik für eine große Vielfalt von VOCs, ideal für niedrige Durchsätze, mit geringen Betriebskosten und hoher Energieeffizienz.

Bei allen oxidativen Techniken ist zu beachten, dass in Gegenwart von chlorierten und anderen halogenierten Verbindungen HCl-ähnliche Produkte entstehen, die nicht in die Atmosphäre emittiert werden dürfen. Bei halogenierten Verbindungen ist ein Waschverfahren erforderlich, um die entstehenden sauren Emissionen zu behandeln.

5. Biofiltration: Für einige spezifische Fälle mit niedrigen und zeitlich gleichmäßigen Konzentrationen biologisch abbaubarer und in Wasser löslicher Lösungsmittel besteht die Möglichkeit, einen Biofilter einzusetzen, in dem Mikroorganismen für den Abbau der organischen Substanz verantwortlich sind. Die Biofiltration zeichnet sich durch niedrige Betriebskosten aus, weist jedoch einige Nachteile auf, da die Mikroorganismen stabile Bedingungen hinsichtlich Feuchtigkeit, Temperatur und Nahrungsversorgung benötigen. Bei plötzlichen Änderungen dieser Bedingungen können Gefahren für das Substrat entstehen.

Nicht-destruktive Technologien

1. Aktivkohleadsorption: Es ist die gebräuchlichste Technologie in dieser Gruppe.
   Bei dieser Technologie wird die zu behandelnde Luft durch ein Bett aus Aktivkohle geleitet, das die VOCs zurückhält. Die Aktivkohle wird mit VOCs beladen und erreicht eine Sättigung, wodurch ihre Adsorptionskapazität verloren geht.

   An diesem Punkt kann die Kohle als Abfall entsorgt und durch neue Kohle ersetzt oder die Kohle mit Dampf oder einem Inertgas (Stickstoff) regeneriert werden, was die Rückgewinnung und Wiederverwendung von Lösungsmitteln im Produktionsprozess ermöglicht.

2. Kryogene Kondensation: Es handelt sich um ein Verfahren, das auf dem Einfrieren der zu behandelnden Luft bei extrem niedrigen Temperaturen mittels flüssigem Stickstoff oder einem anderen kryogenen Fluid basiert. Die kontaminierte Luft wird in Kondensatoren schrittweise unter ihren Taupunkt abgekühlt, was zur Kondensation der VOCs und deren Abtrennung von der Gasphase führt.
   Diese Technologie ist nicht nur zur Reinigung von VOC-Emissionen nützlich, sondern ermöglicht auch die Kondensation und Rückgewinnung teurer Rohstoffe und Kontaminanten, die üblicherweise in Emissionen von Prozessen mit organischen Lösungsmitteln vorkommen.

   Die Kryokondensation ist ein sauberes und nicht-destruktives Verfahren, da sie Dampfemissionen in flüssiger Form zurückgewinnt, die sonst in die Atmosphäre freigesetzt würden. Dies wird durch eine kontrollierte Abkühlung der Prozessdämpfe einer bestimmten Substanz erreicht, um deren Taupunkt zum Zeitpunkt des Kondensationsbeginns zu erreichen.

   Durch den Einsatz einer Kondensationssäule wird der mit VOCs belastete Luftstrom mit flüssigem Stickstoff in Gegenstrom geführt, der die Luft mit der flüchtigen Substanz unter die Kondensationstemperatur kühlt (bis zu -200ºC). Dies führt zum Einfrieren der Feuchtigkeit in der Luft und zur Gewinnung eines flüssigen Produkts, das im Prozess wiederverwendet werden kann. Der verwendete Stickstoff kann durch eine kleine Kompressionsstation zur Wiederverwendung als Gas in der Fertigung aufbereitet oder, falls keine Verwendung besteht, in die Atmosphäre abgegeben werden.

   Das verfügbare Gerätespektrum deckt ein breites Spektrum rückgewinnbarer Lösungsmittel ab, wie Toluol, Aceton, Methanol, chlorierte Derivate, Kohlenwasserstoffe usw.
   Die Kryokondensation kann unterschiedliche Ströme, Durchsätze und Drücke behandeln. Die Systeme können sogar für jeden Fall individuell ausgelegt werden. Wie bereits erwähnt, besteht die Möglichkeit, die kondensierten Lösungsmittel sowie den erzeugten Stickstoff abzulehnen.

   Aufgrund seiner Eigenschaften wird flüssiger Stickstoff als Kühlmittel verwendet, das die Kondensation aller als VOCs betrachteten Substanzen in einem Bereich zwischen -30 und -120 °C ermöglicht.
   Die Kondensationstemperatur wird durch die zu behandelnden Komponenten und die angestrebten ppm im Emissionsstrom bestimmt.

3. Physikalisch/chemische Absorption: Die physikalisch/chemische Absorption besteht in der Rückhaltung von Schadstoffen in einer wässrigen Lösung, die in Gegenstrom in Wasch­türmen fließt. Dem wässrigen Behandlungslösung kann ein Reagens zugesetzt werden, das mit dem Schadstoff reagiert und dessen Eliminierung begünstigt. Die Waschtürme müssen von einem System zur Behandlung des mit Schadstoffen belasteten Wassers begleitet werden. Bei VOCs ist diese Technologie anwendbar, wenn die Produkte in Wasser löslich sind (Aceton, Alkohole usw.).

Hybride Technologien

1. Zeolith-Rotorkonzentrator + RTO: Diese Technik basiert auf dem Betrieb eines Rades mit porösem Material (Zeolith), in dem sich die VOCs durch einen Adsorptionsprozess anreichern, um eine höhere Konzentration zu erzielen. Die VOCs werden anschließend in einer regenerativen thermischen Oxidation (RTO) behandelt.

   Es ist eine ideale Technik zur Behandlung großer Luftströme mit niedrigen VOC-Konzentrationen.

   Der erste Schritt ist ein Rotorkonzentrator, ein „Rad“, das mit Zeolithen gefüllt ist, die die VOCs in der einströmenden Luft adsorbieren. Die Luft wird beim Austritt gereinigt. Ein kleiner Teil der gereinigten Luft (zwischen einem Zehntel und einem Fünfzehntel) wird auf 200 °C erhitzt und vorwärts geleitet, um die in den Zeolithen zurückgehaltenen VOCs zu desorbieren. So erhält man einen Luftstrom, der 10-15 mal kleiner ist als der ursprüngliche, mit einer 10-15 mal höheren Konzentration. Diese Luft wird dann zur Oxidationseinheit (RTO) zur Reinigung geleitet.

2. Evapo-Oxidation:
   Dies ist ein Abwasserbehandlungsverfahren, das thermische Trennung löslicher Substanzen im Wasser mit der Reinigung flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) kombiniert.

   Geeignete Abwässer für die Evapo-Oxidation (Verdampfungs- und Oxidationsprozesse) sind organischer Natur (nicht organohalogen), mit oder ohne Salz- und andere anorganische Verbindungen (Stickstoff- und Schwefelnebenprodukte), mit niedrigem Netto-Kalorienwert (NCV), nicht brennbar oder Lösungsmittel und mit signifikanten CSB-Werten.

   Im ersten Schritt wird das Abwasser einem Verdampfungsprozess unterzogen, bei dem Wasserdampf erzeugt wird, der die flüchtigen Verbindungen mit einem niedrigeren Siedepunkt als Wasser mitführt. Zusätzlich transportiert er alle Substanzen, die azeotrope Gemische bilden.

   Nach diesem ersten Schritt wird der erhaltene Wasserdampf zusammen mit den flüchtigen Substanzen in eine Oxidationskammer geleitet, wo der Wasserdampf verbrannt wird, um dessen Emission in die Atmosphäre oder andere kontaminierende Aktivitäten zu verhindern.

   Somit kann die thermische Oxidation des Wasserdampfs flüchtige Stoffe im Abwasser vollständig zerstören.
   Eine weitere Möglichkeit besteht darin, diese flüchtigen Verbindungen (sofern sie in hoher Konzentration vorliegen) für einen autothermen Prozess zu nutzen, da die bei ihrer Verbrennung erzeugte Wärme ausreicht, um keine externe Wärme zu benötigen. So kann die für den Prozess benötigte Energie selbst erzeugt werden.

   Darüber hinaus führt der erste Verdampfungsprozess, dem das Abwasser vor der Dampfoxidationsphase unterzogen wird, zu konzentrierten organischen Abfällen im Abwasser. Diese Abfälle können der Abfallwirtschaft zugeführt oder einer sekundären Konzentrationsphase zur Rückgewinnung und Aufwertung unterzogen werden.
   Es ist zu beachten, dass das Evapo-Oxidationsverfahren auch mit dampfförmigen Niedrigkalorienstoffen sowie zur Geruchsbeseitigung eingesetzt werden kann.

   Obwohl die Evapo-Oxidation sehr gute Ergebnisse liefert, ist sie nicht die einzige Technologie zur Behandlung von Abwässern mit VOCs. Eine Variante dieses Verfahrens sind Strippkolonnen mit Dampf oder Heißluft im Gegenstrom, um anschließend OTR-Systeme für die thermische Oxidation der Flüchtigen zu nutzen.