Abgasrückverflüssigung : Luft-Reinhaltung mit Luft als Kältemittel

In vielen Branchen in der Industrie fallen prozessbedingt Schadstoffemissionen in Abgasströmen an und müssen vor dem Ausstoß in die Umwelt aufbereitet werden.

In Deutschland ist die zulässige Menge an Schadstoffemissionen in Abgasen über Grenzwerte in der TA-Luft festgelegt. Im Jahr 2002 trat die TA-Luft in Kraft; im Dezember 2020 wurde erstmals durch einen vom deutschen Bundeskabinett beschlossenen Entwurf die TA-Luft an aktuelle Umweltanforderungen und den Stand der Technik angepasst.

Bisher galten für organische Stoffe (5.2.5) Ausnahmen beim Betrieb von Altanlagen mit Massenströmen bis zu 1,5 t/a. Durch die Überarbeitung der TA-Luft in Deutschland müssen diese Anlagen nun ebenfalls die regulären Grenzwerte einhalten. Des Weiteren wird nun Methanol in der Stoffklasse 1 nach Anhang 3 aufgeführt, wodurch nur noch eine Massenkonzentration von 20 mg/m³ oder ein Massenstrom von 0,1 kg/h zulässig ist, statt der bisherigen Werte von 50 mg/m³ und 0,5 kg/h.

Zur Schadstoffreduktion in Abgasen existieren unterschiedliche Ansätze. Einerseits können Schadstoffe an ein Absorptionsmittel wie beispielsweise Wasser, chemische Substanzen (Chemiesorption) oder Öle gebunden werden. Alternativ können diese auch an Feststoffe wie z. B. Aktivkohle adsorbiert werden. Ein großer Nachteil der Absorption und Adsorption ist das anfallende Abwasser bzw. Deponierprobleme, wenn eine Regeneration (Desorption) nicht möglich ist. Darüber hinaus können Schadstoffe auch mittels thermischer Nachverbrennung aus dem Abgasstrom entfernt werden, wodurch diese ideal zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt werden. Der Verbrennungsvorgang erzeugt jedoch weitere Schadstoffe, welche ggf. aufbereitet werden müssen. Weitere Verfahren sind katalytische- oder biologische Verfahren der Abgasaufbereitung, sowie die Aufbereitung durch Kondensation der Schadstoffe unter Verwendung von Tiefsttemperaturen.

Das Abscheiden von Schadstoffen aus dem Abgasstrom durch Tiefsttemperaturen ist weit verbreitet und erfordert je nach Partialdruck der Abgase unterschiedliche Temperaturen, welche über ein geeignetes Kälteaggregat bereitgestellt werden müssen.

Häufig werden hierzu Kaskaden- oder Flüssigstickstoffsysteme eingesetzt, um diese erforderlichen Tiefsttemperaturen erreichen zu können. Allerdings sind die in den Kaskaden verwendeten Kältemittel entweder brennbare oder fluorierte Stoffe, mit hohem Treibhauspotenzial und einer geringen Verfügbarkeit. Darüber hinaus können bei der Verwendung von Kaskadensystemen, Lastwechsel schwer dynamisch gestaltet werden und Teillastbetriebe sind in der Regel sehr ineffizient.

Systeme welche auf dem Einsatz von Flüssigstickstoff beruhen, sind bei den erforderlichen Temperaturen aufgrund des hohen Herstellungsaufwands bei -196° C ebenfalls nicht effizient. Darüber hinaus können hohe Temperaturdifferenzen in Wärmetauschern auftreten, welche zu einem ungewollten Kondensationsverhalten der Abgasströme führen (große Ausfrier-Zonen von Feststoff- und Nebelbildung).

Zusammen mit der Refolution Industriekälte GmbH hat die Firma Hof Sonderanlagenbau GmbH erstmalig die Kaltluftmaschinen von Mirai Intex s.r.o. zur Lösungsmittelrückverflüssigung in der pharmazeutischen Industrie erfolgreich eingesetzt.

Mit dem Hof CryoProphase können mehrere Abgasströme mit einer klimafreundlichen und zukunftssicheren Technologie gereinigt und die Schadstoffe effektiv und vollständig abgeschieden werden. Grundlage hierfür ist die Kaltluftmaschine, welche über einen Silikonölkreislauf mehrere Abgasstränge versorgt und somit die Schadstoffe innerhalb von Rohrbündelwärmetauschern abscheidet. Der tiefkalte Abgasstrom wird anschließend, über einen inneren Wärmetauscher zur Energierückgewinnung verwendet, wodurch im zugeführten Abgasstrom bereits ein Großteil der Schadstoffe auskondensiert werden kann und die erforderliche Kälteleistung reduziert wird.

Durch das in den Gesamtablauf integrierte Verfahren können nicht nur die Grenzwerte der TA-Luft in Deutschland eingehalten, sondern auch ein Großteil der Abgase vollständig recycelt werden und dem Ursprungsprozess wieder zugeführt werden. Hierdurch wird neben der Einhaltung der Grenzwerte auch die Wirtschaftlichkeit für den Betreiber deutlich erhöht.

Die Kaltluftmaschine ermöglicht große dynamische Lastwechsel mit einer hohen Effizienz aufgrund der stufenlos regelbaren Turboverdichter-Expandereinheit (Compander) von Mirai. Die erforderlichen Temperaturen können flexibel über die Kaltluftmaschine zwischen -40 bis -110° C (in Sonderausführungen auch bis -160° C) eingestellt werden. Dementsprechend können für unterschiedliche Prozessbedingungen und verschiedene Schadstoffe die optimale Verflüssigungstemperatur individuell gewählt werden. Die Aufstellung der Kaltluftmaschinen erfordert keine gesonderten Maßnahmen, da Betriebsdrücke von 4 bis 10 bar nicht überschritten und keine brennbaren oder toxischen Kältemittel verwendet werden. Somit stellt diese Technologie keine Gefahr für Mensch und Umwelt dar. Durch die luftgelagerte Compander-Einheit ist das gesamte System öl- und verschleißfrei, wodurch der Wartungsaufwand auf ein Minimum reduziert wird. Regelmäßige Dichtheitsprüfungen sind durch die Verwendung von Luft als Kältemittel nicht notwendig. Darüber hinaus ist die Technologie frei von Regularien, einfach zu skalieren und bietet eine zukunftssichere und effizientere Alternative zu R23 oder synthetischen Kältemitteln. Optional kann die Anlage bei feuchten Abgasströmen auch mit Wechselwärmetauschern ausgerüstet werden, sodass ein Strang dauerhaft trocknet und einer reinigt.

Der Hof CryoProphase ist die zukunftssichere, ausfallsichere und effiziente Lösung für die Abgasbehandlung in pharmazeutischen und industriellen Prozessen, welche zuverlässig arbeitet und sicher für Mensch und Umwelt ist. Der Hof CryoProPhase stellt ein Verfahren zur Luft-Reinigung unter Verwendung von Luft als Kältemittel dar und somit eine saubere und effiziente Alternative, um höchste umwelttechnische Anforderungen zu erfüllen.