Feuer und Flamme für reine Luft1
Zusammenfassung
Investitionen zur Abluftentsorgung stehen, sofern sie innovativ umgesetzt werden, in den Branchen
Drucken und Beschichten nicht grundsätzlich im Widerspruch zur wirtschaftlichen Verbesserung der Produktion.
1. Die Kosten thermischer NachverbrennungssystemeAusgehend vom Herzstück eines technischen Gesamtkonzeptes, der modernen thermischen Nachverbrennungsanlage RELOX 2000, wird ein Weg skizziert, auf dem ein Investitionskostenrückfluss (ROI) realisierbar ist, ohne dass auf eine optimale Reinigungswirkung verzichtet werden muss.
Allgemein ist bei der Kostenanalyse einer Abluftreinigungstechnik das Abgasvolumen die entscheidende Größe.
Charakteristisch ist hierbei die nahezu direkte Proportionalität zwischen den Investitionskosten und dem Abgasvolumenstrom, im Intervall zwischen 10.000 und 60.000 Nm³/h
Bild 2: Energiekosten einer thermischen Nachverbrennungsanlage in Abhängigkeit vom Rohgasvolumen bei Betrieb mit einer autothermen Lösemittelkonzentration.
Beispiel in 5.000 €
TNV = 12,80 €/Nm³
ER – Oel = 4,10 €/Nm³
ER- WW =2,80 €/Nm³
Gesamt = 19,70 €/Nm³
Moderne thermische Nachverbrennungssysteme kosten demnach heute inkl. Energierückgewinnung zwischen 12,- und 23,- €/Nm³ Abluft.
Eine analoge Struktur zeigt sich bei den Betriebskosten im Bereich der Aufwendungen für Primär- und Sekundarenergie.
Erreicht der Lösemittelanteil im Abgas die sogenannte autotherme Konzentration, so reduziert sich der Primärenergieeinsatz auf die Aufrechterhaltung der Stütz- oder Sicherheitsflamme.
Dann sind die Energiekosten eindeutig durch den Verbrauch elektrischer Energie (Prozeßventilator) bestimmt .
Moderne thermische Nachverbrennungssysteme kosten demnach heute inkl. Energierückgewinnung zwischen 12,- und 23,- €/Nm³ Abluft.
Beispiel 10.000 Nm³/h
Sicherheitsflamme = 0,80 €/h
Ventilator (100 °C) = 3,30 €/h
Gesamt = 4,10 €/h
Für ein Referenzvolumen von 10.000 Nm³ Abluft/h sind bei autothermen Betrieb somit neben den Energieaufwendungen Betriebskosten von insgesamt 5 - 6 €/h einzukalkulieren.
Am Anfang von Luftreinhaltungsmaßnahmen steht also eindeutig die Forderung nach Reduzierung des Abgasvolumenstroms.
Die Grenzlinie maximaler Lösemittelkonzentration entsprechend dem minimalen Abgasvolumenstrom wird hierbei vom Sicherheitsbedürfnis (50 % UEG) markiert.
Als prozeßtechnische Zielgrößen werden demnach Lösemittelkonzentrationen von 12 - 20 g/Nm³ = 25 - 40 % UEG angestrebt.
Letztlich gilt ganz allgemein folgendes Prinzip:
Je geringer der realisierbare Wirkungsgrad einer thermischen Abgasreinigungsanlage ist, desto eher lässt sich durch die Rückführung von Prozeßenergie eine wirtschaftlich positive Gesamtbilanz erreichen.
2. Die Rolle der Energiedichte (kJ/Nm³) im Rohgas
Bis in die jüngste Vergangenheit war die Abluftsituation in Druck- oder Beschichtungsbetrieben durch eine produktabhängige schwankende Lösemittelkonzentration gekennzeichnet.
Ausgelegt auf den theoretisch maximalen Lösemitteldurchsatz sind Trockner installiert worden, die in einzügiger Prozeßführung konstante Abluftmengen abgeben.
Die Forderung nach einer wirtschaftlich vertretbaren Abluftreinigung legt nun eine Umkehrung der bisherigen Vorgehensweise nahe:
Konstante (hohe) Lösemittelkonzentration - produktabhängige, variable Rohgasmenge.
Damit ist zunächst eine regelungstechnische Erweiterung im Trocknerbau angesprochen.
Moderne Druck- und Beschichtungsmaschinen sind deshalb heute mit Umlufttrocknersystemen ausgerüstet, in denen eine geeignete Mischung aus Umluft und Frischluft die Lösemittel abführt:
 Bild 3: Geregelte Umluftführung. Prozeßführende Größe ist hier die Energiedichte (kJ/Nm³), die durch Flammentemperaturanalyse (FTA) Typ Regulator gemessen wird.
Obwohl meist von der Einstellung einer konstanten Lösemittelkonzentration gesprochen wird, ist es mit Blick auf nachgeschaltete thermische Abluftreinigungsverfahren sinnvoll, die Energiedichte (kJ/Nm³) als prozeßführende Größe zu betrachten. Eine Messung der Energiedichte der Abluft kann, angegeben als kJ/Nm³ = % UEG nach dem Prinzip einer ,,Mini-TNV" Typ Regulator durch Flammentemperaturanalyse erfolgen.
Nach erfolgreicher lufttechnischer Optimierung stehen jetzt deutlich verringerte Abluftvolumina zur Entsorgung an.
Verpackungstiefdruck: 800 Nm³/h (je Druckwerk)
Flexodruck: max. 2.000 Nm³/h (6-Farben)
Bild 4: Erforderliches Abluftvolumen in Abhängigkeit des Lösemitteldurchsatzes, bezogen auf einen mittleren UEG-Wert von 50 g/Nm³ (Lösemittelkapazität)
3. Die Rückführung von Prozeßenergie
Die Aussicht auf eine positive Gesamtbilanz wächst in dem Maße, wie es durch geregelten Umluftbetrieb gelingt, im Rohgas kontinuierlich eine Energiedichte von 250 kJ/Nm³ zu überschreiten.
Entscheidend für den wirtschaftlichen Erfolg ist jedoch die Menge an zurückgeführter Prozeßenergie und der Grad ihrer Ausnutzung im Produktionsprozeß. Für das Referenzvolumen von 10.000 Nm³/h ist, wie unter 1 dargestellt, der Wiedereinsatz von Energiemengen im Werte > 6 €/h während der gesamten Betriebszeit erforderlich, um die Talsohle der Kostenbelastung durch Abluftentsorgung zu durchschreiten.
Bild 5: Ersparnis in Abhängigkeit der zurückgeführten Menge an Prozeßenergie. Zur Neutralisation der Betriebskosten von 10.000 Nm³/h Abluft sind Energieeinsparungen > 6 €/h erforderlich.
Example : 10.000 Nm³/h
Running costs = 5 - 6 €/h
ER 300 KW (Ng) = 6 €/h *
ER 60 KW (Electr.) = 6 €/h **
* Price of natural gas: 0,20 €/m³
** Price of electricity: 0,10 €/KWh
Praktisch sind, so zeigte sich, Energierückführungen im Werte von 12 €/h (2 x Betriebskosten) nötig, um einen Investitionskostenrückfluß innerhalb von 3 - 5 Jahren zu erreichen. Neben der Rückführung von Abwärme in Form von Warmluft, Dampf, Warmwasser oder Thermalöl, kann Prozeßenergie auch zur Stromerzeugung oder zur Kühlung benutzt werden.
4. Beispiel realisierter Lösungen
Soll Prozeßenergie in Form von Wärme zurückgeführt werden, so muss bei hoher Energiedichte (hohe Lösemittelkonzentration) ein Gesamtbedarf vorhanden sein, der über den Wärmeverbrauch der jeweiligen Druck- oder Beschichtungslinie hinausreicht.
Im ersten Beispiel wird ein Beschichtungsbetrieb mit 4 Drucklinien vorgestellt. Hiervon werden 2 Linien ausschließlich mit Lösemittelgemischen betrieben, während ansonsten nur Wasserfarben bzw. -lacke zum Einsatz kommen. Hierbei handelt es sich um einen klassischen Fall einer erfolgreichen Substitution von Lösemitteln durch Wasser, weil diese vollständig erfolgte, so dass die Abluft der Linien mit Wasserfarben bzw. -lacken direkt emitiert werden kann.
Die Heißlufttrockner aller 4 Linien werden durch Thermalöl beheizt, die Reinluftaustrittstemperatur am Kamin ist aufgrund besonderer regionaler Vorschriften auf max. 150°C begrenzt.
Bild 6: Blockschaltbild einer Abluftentsorgung von 4 Drucklinien mit Wärmerückgewinnung. Ohne Konzentrationsregelung beträgt die Zeit des Investitionskostenrückflusses 5 - 10 Jahre.
Das zweite Beispiel skizziert einen Beschichtungsbetrieb mit einer Linie, in der jede Zone des Mehrzonentrockners über eine Regelung der Energiedichte durch FT-Analyse, Typ Regulator verfügt.
Obwohl die Reingasaustrittstemperatur bei 230°C liegt, und damit Verluste > 10 % in Kauf genommen werden, steht ein Rückfluss der Investitionen innerhalb von 3 - 5 Jahren in Aussicht. Ursache hierfür ist die konstante hohe Lösemittelkonzentration von 30 % UEG und der dementsprechend geringe Wärmetauscherwirkungsgrad von 55 %.
Bild 7: Blockschaltbild einer Abluftentsorgung einer Beschichtungslinie mit Energierückgewinnung (Dampf). Durch die Regelung der Energiedichte beträgt die Dauer des Investitionskostenrückflusses 3 - 5 Jahre.
Die Generation RELOX 2000
Der Übergang zu hohen geregelten Lösemittelkonzentrationen (Energiedichten) kann nicht zuverlässig mit herkömmlicher Nachverbrennungstechnik realisiert werden.
In das konstruktive und prozeßtechnische Konzept der Generation RELOX 2000 ist die 20jährige Erfahrung im Umgang mit leicht entzündlichen Lösemitteln ebenso eingeflossen, wie das praktisch bewährte, “Know-how" zur Gewährleistung einer hohen Lebensdauer > 12 Jahren bei Vorheiztemperaturen (bis 630°C).
Ein zentrales, häufig unterschätztes Problem stellt die weitgehende Vermeidung des sogenannten Vorabbrandes im Wärmetauscher dar. Da die Voroxidation der Lösemittel während der Rohgasvorwärmung prinzipiell nicht zu verhindern ist, kommt es darauf an, kontrollierte Zustände unter veränderlichen Betriebsbedingungen zu gewährleisten, ohne dass es zu (lokaler) Selbstentzündung kommt.
Neben einer Begrenzung der Vorheiztemperaturen nimmt die möglichst kurze Verweilzeit im Wärmetauscher hier eine Schlüsselrolle ein.
Im Zusammenhang mit der FT-Analyse Typ Regulator kann ein präventiv geregelter ,,Heißer Bypass" einer Überschreitung des kritischen Punktes vorbeugen.
Es hat sich herausgestellt, dass auch bei hohen Lösemittelkonzentrationen auf eine optimale Reingaswirkung nicht verzichtet werden braucht. So kann mit Hilfe modernster Nachverbrennungstechnik die Gesamt-C-Emission 10 mg/Nm³ dauerhaft unterschritten werden. Ein Wert, an dem sich auch die konkurrierenden Verfahren messen lassen müssen.
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