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ProblemstellungEmissionsmessungen am Schweizer Pro-duktionsstandort eines der weltweit grössten Druckfarbherstellers zeigten, dass der Grenz-wert der Luftreinhalte-Verordnung für VOC in einzelnen Abluftströmen überschritten wird. Neosys AG wurde deshalb beauftragt, ein Sa-nierungskonzept zu erarbeiten. Dieses musste folgende Anforderungen erfüllen:• Reduktion der VOC-Emission, so dass nebst den Anforderungen der Luftreinhaltever- ordnung auch die Kriterien zur Befreiung von der VOC- Lenkungsabgabe erfüllt werden;• Explosionsschutz und störungsfreier Alura- Betrieb ist sichergestellt;• Möglichst keine Erhöhung der CO2-Emis- sionen.

Bereinigung der Abluftführung und Massnahmen an den QuellenIm Betrieb werden nebst VOC-haltigen Farben und Lacken auch solche auf Wasser- und Ölba-sis hergestellt. In der Vergangenheit waren Sta-tionen, an denen Pigmente zudosiert werden, teilweiseamgleichenStaubfilterangeschlos-

VOC-Emissionsreduktion mit Aufkonzentrierungs- und UV-Technologieerfahrungsbericht

Am Schweizer Standort eines der weltweit grössten Druckfarbenherstellers ist seit eineinhalb Jahren eine neue Abluftreinigungsanlage (Alura) zur reduktion der VOC-emissionen in betrieb, welche nach einer in der Schweiz erstmals eingesetzten Verfahrenskombination funktioniert. Der erfahrungsbericht zeigt auf, wie die technologie-Auswahl erfolgte und wie das fazit nach den bisherigen erfahrungen mit der neuen Alura aussieht.

sen. In einem ersten Schritt musste deshalb die Abluftführung so angepasst werden, dass VOC-haltige und VOC-freie Abluftströme systematisch entkoppelt sind. Dazu war die BeschaffungeineszweitenStaubfiltersfürdieVOC-freie Abluft erforderlich.Damit der Stand der Technik und somit die Anforderungen von Anhang 3 der Verordnung über die VOC-Lenkungsabgabe (VOCV) er-füllt sind - eine Voraussetzung für die Befreiung von der VOC-Lenkungsabgabe -, mussten im Bereich der Produktion lösemittelhaltiger Far-ben zusätzliche Absaugstellen installiert und an der Abluft angeschlossen werden.

Ausgangslage für die Verfahrensevaluation der AluraFür die Situation mit bereinigter Abluftfüh-rung wurden die für die Verfahrensevaluation massgebenden Daten erhoben und zusammen mit den Anforderungen, welche an die Alura gestelltwerden, in einemPflichtenheft fest-gehalten. Die wesentlichsten Daten sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.

• Volumenstrom: 15‘000 – 25‘000 Nm3/h, Normalbetrieb 21‘000 Nm3/h• Ablufttemperatur: Umgebungs- bis Raumtemperatur• VOC: Ethylacetat, Ethanol, Isopropylacetat• VOC-Fracht: 9 kg/h, entspricht 480 mg/Nm3• VOC-Spitzen: bis ca. 4.2 g/Nm3• VOC-Garantiewert: 30 mg C/Nm3• Betriebszeit ALURA: 10 Std/Tag, 220 Tage/Jahr, 0.5 Std/Tag Nachlaufzeit• Abwärmenutzungspotential: 40 kW im Sommer, 250 kW im Winter

Vergleich der möglichen AnlagentechnologienDie Eignungsprüfung der in Frage kommenden Abluftreinigungstechnologien zeigte bald, dass nebst den eingangs erwähnten Anforderungen im vorliegenden Fall auch der Platzbedarf einHauptkriteriumdarstellte.DieBiofilter-technologie schied aus diesem Grund aus. Folgende Verfahren wurden weiterverfolgt und verglichen:• Anlage1: Aufkonzentrierung der VOC in der Abluft auf einem Zeolithrotor, VOC-

Oxidation in der Desorptionsluft mittels UV-Oxidation und einem Katalysator• Anlage 2: Aufkonzentrierung der VOC in der Abluft auf einem Zeolithrotor, VOC- Oxidation in der Desorptionsluft mittels einer kleinen 2-Kammer-RNV (Regenerative Nach-Verbrennungsanlage)• Anlage3: Abluft direkt auf 2-Kammer-RNV zur VOC-Oxidation, Wärmeauskopplung aus RNV zur betrieblichen Nutzung• Anlage 4: Abluft direkt auf konventio- nelle 3-Kammer-RNV zur VOC-Oxidation, Abwärmenutzung durch nachgeschalteten Wärmetauscher

KostenvergleichTabelle 1 zeigt einen Kostenvergleich dieser Anlagen. Die Investitionskosten, welche auch Rohrleitungsanpassungen, Medienzuführungen und bauliche Vorkehrungen enthalten, liegen zwischen CHF 736‘000 und CHF 888‘000.Bei den Betriebskosten ergeben sich mit mi-nimal CHF 16‘000/Jahr und maximal CHF 47‘500/Jahr beträchtliche Unterschiede. Dabei wurde der positive Beitrag einer Wärmerückge-

winnung bereits berücksichtigt. Die geringsten Betriebskosten waren für die Anlage 1 mit UV-Oxidation und Katalysator zu erwarten.Wenn die Investition innerhalb von 15 Jahren linear abgeschrieben wird, ergeben sich für die UV-Oxidationsanlage Jahreskosten von ca. CHF 31‘000. Die anderen Anlagen sind ver-gleichsweise um 18% bis 53% teurer. Bei dieser Jahreskostenrechnung wurde berücksichtigt, dass die jährliche VOC-Lenkungsabgabe sowie Primärenergie durch Abwärmenutzung eingespart werden können.

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Vergleich der UmweltperformanceDer Vergleich der Umweltperformance der vier Abluftreinigungstechnologien basiert auf einer Bewertung der VOC-, CO2- und NOx-Emissionen mit Umweltbelastungs-punkten nach der Methode der ökologischen Knappheit. Die Vergleichsdaten zeigt Tabelle 2. Der grösste Unterschied ergibt sich aus der CO2- und NOx-Emission, welche bei den Anlagen 3 und 4 - beides regenerative Nachver-brennungssysteme für die ganze Abluftmenge, d.h. ohne Aufkonzentrierung - wegen des hohen Primärenergiebedarfs besonders hoch ausfallen (256% resp. 270% im Vergleich zur UV-Oxidationsanlage mit der geringsten Umweltbelastung (100%)).

SanierungsvarianteDie beiden Anlagen 1 und 2 mit Zeolithrotor zur VOC-Aufkonzentration weisen gegenüber den Anlagen 3 und 4 kosten- und umweltmässig klare Vorteile auf, wobei die UV-Fotooxidati-onsanlage (Anlage 1) bezüglich beider Krite-rien am besten abschneidet.NachdemdurcheinenPilotversuchverifiziertwerden konnte, dass die Abluft• keine Hochsieder enthält,• nachdemStaubfilterausreichendstaubfrei ist,• keine (oder höchstens Spuren) an organi- schen Silizium-Verbindungen enthält• und die eingesetzten VOC in der UV-Stufe ausreichend oxidiert resp. angeregt werden können,

entschied sich der Betrieb, eine Alura vom Typ uviblox der Firma ubiblox GmbH mit Zeolith-Rotor zur Aufkonzentrierung und mit UV-Fotooxidation und nachgeschalteter kata-lytischer Oxidation der VOC zu installieren. Abbildung 1 zeigt ein Foto der sehr kompak-ten, auf dem Dach des Produktionsgebäudes aufgebauten Anlage.Kernelement der Alura ist das Adsorpti-onsrad aus Zeolith-Material, welches mit 3 Umdrehungen pro Stunde langsam dreht und dabei von der gesamten Abluft durchströmt wird, wobei die VOC adsorbiert werden. Die Regeneration des Adsorptionsrades erfolgt durch einen heissen, rund 20-fach kleineren Luftstrom, der das Adsorptionsrad in einem kleineren Sektor von der Gegenseite her durchströmt. Dieser Regenerationsluftstrom weist folglich auch eine im Vergleich zum Hauptluftstrom rund 20-mal höhere VOC-Konzentration auf, wobei diese aus Explosi-onsschutzgründen kontinuierlich überwacht wird. Die Oxidation der VOC erfolgt in einem UV-Reaktor mit 6 stufenlos regelbaren UV-Lampen, jede mit einer elektrischen Leistung von 6 kW. Im UV-Reaktor wird ein Teil der VOC bereits ganz oder teilweise oxidiert. Zu-dem entsteht reaktives Ozon. Dem UV-Reaktor ist eine Katalysatorstufe nachgeschaltet. Diese enthält rund 100 kg Katalysator-Material auf Aluminiumoxid-Basis, dotiert mit Kupfer und Mangan. Im Katalysator erfolgt die vollstän-dige VOC-Oxidation, wobei auch das Ozon umgesetzt wird.

Basis: Anlage für 19'000 Nm3/h

Einheit Anlage 1 Anlage 2 Anlage 3 Anlage 4

Technik, Beschreibung Adsorption auf Zeolithrotor, Regenerationsabluft über UV- und katalytische Oxi-dation. Abluft Gebindereini-gung mit Glättungselement

Adsorption auf Zeolithrotor, Regenerationsabluft über 2-Kammer-RNV

Abluft direk über 2-Kammer-RNV mit Wärmeauskopp-lung

Abluft direkt über 3-Kam-mer-RNV, Glätungselement für Gebindereinigung, nachgeschaltete Abwärme-nutzungExplosionsschutz-Vorkehrungen UEG-Überwachung mit IR

in Abluft- und Desorptions-luftstrom, Bypassschaltung

UEG-Überwachung mit IR in Abluft- und Desorptions-luftstrom, Bypassschaltung

UEG-Überwachung mit IR in einzeln Zuluftsträngen und in Zusammenführung, Bypass-schaltung

UEG-Überwachung mit IR in Abluft, Bypassschaltung

Platzbedarf Meter 6.7 x 10.2 5.5 x 15 13.4 x 4.7 13.9 x 5

Gewicht Tonnen 14 16 30 50

Reingas-Garantie VOC mg/Nm3 30 30 30 20

Investitionskosten [CHF] CHF 865'000 741'000 736'000 888'000

Elektrische Energie CHF/a 7'800 9'000 20'300 13'200

Fossile Energie CHF/a 0 5'800 44'000 56'000

Druckluft CHF/a 100 200 200 300

Verbrauchsmaterial CHF/a 10'300 10'300 1'100 0

Wartungskosten CHF/a 4'000 7'000 4'000 4'000

Energierückgewinnung CHF/a -6200 nicht möglich -26000 -26000Betriebskosten [CHF/a] CHF/a 16000 32300 43600 47500

Befreiung von VOC-Lenkungsabgabe [CHF/a] CHF/a -60'000 -60'000 -60'000 -60'000

Kosten / a mit Amortisation in 15 a; in [CHF] CHF 30967 36520 47387 43360

Relativer Kostenvergleich % 100% 118% 153% 140%

(UEG = Untere Explosionsgrenze)

Tabelle 1: Kostenvergleich ALURA

Einheit Anlage 1:Zeolith-Rotor mit UV- und katalytischer Oxidation

Anlage 2:Zeolith-Rotor und 2-Kammer-RNV

Anlage 3:2-Kammer-RNV mit Wärmeauskopplung

Anlage 4:3-Kammer-RNV mit nachgeschalteter Abwärmenutzung

Emissionen

VOC-Emission [kg/a] 1139 1139 785 393

CO2-Emission aus VOC [kg/a] 37865 37865 38573 39360

CO2-Emission aus Brennstoff [kg/a] 0 10130 98164 108504

CO2-Emission aus Strom [kg/a] 17862 20610 46487 30228CO2-Emissions-Einsparung durch Abwärmenutzung [kg/a] -15926 0 -61048 -61048

NOx-Emission [kg/a] 0 84 818 904

Umweltbelastung

VOC Mio UBP/a 20.5 20.5 14.1 7.1

CO2 Mio UBP/a 12.3 21.3 37.9 36.3

NOx Mio UBP/a 0.0 3.8 36.8 40.7

Total Mio UBP/a 32.8 45.6 88.8 84.0

100% 139% 270% 256%

Tabelle 2: Vergleich der Umweltbelastung der ALURA mit Umweltbelastungspunkten

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BetriebserfahrungenNach der Inbetriebnahme der Anlage zeigte es sich, dass im Mittel mehr VOC mit der Abluft auf die Alura gelangen, als aufgrund der Emissionsmessungen, welche die Dimen-sionierungsgrundlage bildeten, erwartet wurde. Dies war mit ein Grund, dass in der ersten Betriebsphase bei VOC-Spitzen Überhitzungs-probleme am Katalysator auftraten, welche einige Male zu Zwangsabschaltungen führten.Nach Auswertung der Betriebsdaten der ers-ten Monate wurde entschieden, das Kupfer-Mangan-Mischoxid-Katalysatormaterial gegen Platin-Palladium-haltiges Katalysatormaterial auszutauschen. Das zweite, etwas teurere Material hat den Vorteil einer tieferen An-sprechtemperatur (290 bis 320°C), so dass die Aufheizphase jeweils am Morgen verkürzt und elektrische Aufheizenergie eingespart

Abbildung 1: foto der Alura

werden kann. Ein zweiter, ebenso wichtiger Vorteil des neuen Materials liegt in der höheren Maximaltemperatur (580 statt 520°C), mit der es belastet werden kann. Seit dieser Änderung konnten auch die Zwangsabschaltungen ver-mieden werden.

Fazit:Seit das Kat-Material ausgetauscht wurde und die verschiedenen Regelparameter der Alura optimiert sind, läuft die Alura störungsfrei und zur Zufriedenheit des Betriebs.• Die Anlage kann mit einer hohen Aufkon- zentrierung von rund 1 : 20 betrieben werden. Wenn also die Abluftmenge von rund 20‘000 Nm3/h das Adsorptionsrad durchströmt und dort die VOC «deponiert», sind nur etwa 1‘000 Nm3/h an Regenerationsluft erfor- derlich, um die VOC wieder vom Rad zu

Neosys AGPrivatstrasse 104563GerlafingenTel. 032 674 45 11info@neosys.ch

desorbieren. Durch die hohe Aufkonzentra- tion um einen Faktor 20 ist eine energie- effiziente Oxidation in der UV- und der nachgeschalteten Katalysatorstufe möglich.• Die beiden gereinigten Abluftströme (Hauptabluft nach Adsorptionsrad und Re- generationsluftstrom nach UV- und Kataly- satorstufe) werden gemeinsam durch das Ka- min ausgeblasen. Die VOC-Restkonzent- ration im Kamin liegt mit rund 10 mg/Nm3 Gesamt-C sehr tief.• Die Leistung der UV-Lampen und des elektrischen Heizregisters liegt im Tagesmit- tel bei 40 bis 50 kW, was zum Vergleich einem Erdgasverbrauch von rund 5 m3/h entspricht. Dazu kommen rund 12 kW für die Ventilatorantriebe. Der Energieverbrauch der Alura ist damit grösser als aufgrund der Annahmen im Offertvergleich erwartet wurde, aber im Vergleich mit Anlagen ohne Aufkonzentrierung dennoch deutlich gerin- ger.• Die getroffenen Sicherheitsmassnahmen u.a. mit UEG-Überwachung im Hauptabluft- und im Regenerationsluftstrom haben sich be- währt.• Aus einem Luft-Wasserwärmetauscher im Regenerationsluftstrom wird zukünftig die Waschlauge der Gebindereinigung erhitzt, so dass im Mittel zusätzlich rund 30 kW an elektrischer Heizleistung eingespart werden kann.

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