Abuftreinigung mit bei der der Regeneration direkt ... · PDF fileACC und 0,3 m/s...

ACC-Elektroadsorber Technische Informationen

Dr. Schippert + Partner66121 Saarbrücken

Kooperation Adsorptionstechnik

Abluftreinigung mit bei derRegeneration direkt elektrisch

beheizten Aktivkohlefasergeweben




ACC - Elektroadsorber zur AbluftreinigungDie Aufgabenstellung

Wirksame und kostengünstige Abscheidung von VOC undorganischen Geruchsstoffen niedriger Konzentration ausLuft- und Gasströmen.

Das Verfahren soll:

• Abscheidegrade > 99 % ermöglichen• wirksam sein für wasserlösliche und wasserunlösliche

Komponenten• wirksam sein für niedrig- und hochsiedende Komponenten• an veränderte Abgaszusammensetzungen angepaßt werden

können• keine zu entsorgenden Abfälle erzeugen




ACC - Elektroadsorber zur AbluftreinigungDie Lösung

Das Prinzip:

• Adsorption der VOC oder Geruchsstoffe an spezielleAktivkohlefasergewebe (ACC)

• Desorption der VOC von der ACC durch direkte Aufheizung mitelektrischem Strom und Spülen mit einem sehr kleinen Luft-oder Gasstrom

• Verbrennung der bei der Desorption um mehr als einen Faktor100 angereicherten VOC in einer TNV, KNV oder RNV unternahezu autothermen Bedingungen

oder• Kondensationoder• biologischer Abbau der angereicherten VOC in einem

Biohochleistungsreaktor




Prinzip der elektrisch regeneriertenACC - Gewebe in Modulrahmenbauweise




Industrielle Einsatzbereiche:

Luftmengen: 2.000 - 1.000.000 m³/hAblufttemperatur: < 50°CAbluftfeuchte: < 60%VOC-,Geruchs-Konzentrationen: 10 µg/m³ - 1.000 mg/m³Siedepunkte VOC: 30 - 300°C

Anwendungsbereiche für Zu- und AbluftLösemittelabscheidung: Elektronikindustrie (Ab-, Zu- und

Umluft), Lackieranlagen,Druckereien, Chemische IndustriePharmazeutische Industrie

Geruchsminderung: Lebensmittelindustrie, Kläranlagen,Tierkörperverwertungen, Kompost-werke, Abfallbeseitigungsanlagen,Müllbunker, Gießereien




Elektrisch regenerierte GAC mit integriertem „isothermen“ Katalysator zur Aminoxidation

Spezielle Einsatzgebiete: Verfahren zur Reinigung von Hallenabluft in Gießereien:

1: elektrisch regeneriertes ACC-Adsorbermodul2: „Isothermer“ Niedrigtemperatur-KAT3: Thermalölerhitzer4: Wärmetauscher Desorptionsgas5: Thermalölkühler

220 - 230°C750 - 325 m³/h220 - 230°C

0 - 325 m³/h

25°C750 - 325 m³/h 220 °C

200°C750 m³/h

80 - 180°C750 m³/h

50 - 150°C750 m³/h

2

35

4

1




Spezielle Einsatzbereiche:Zuluft für Gebäude, Integration in Klimaanlagen

Luftmengen: 2.000 - 100.000 m³/hVOC-,Geruchs-Konzentrationen: 1 µg/m³ - 2 mg/m³Siedepunkte VOC: 30 - 300°COzon: 200 µg/m³

Vorteile: > 98 % Abscheidung von VOC im Dauerbetrieb> 98 % Zerstörung von Ozon im Dauerbetrieb weitgehende Abscheidung von Keimen

> 99.8 % Abscheidung von toxischen Stoffen aus Außenluft bei Spitzenbelastungen

95 % Luftrückführung möglich, drastische Verminderung von Heiz- und Kühlkostengeringe Betriebskosten da: < 500 Pa Druckverlust elektrische Regeneration der ACC nur alle 24 h pro Filter Energiebedarf pro Regenerierung proFilter 25 kWhplatzgünstige Aufstellung durch kompakte Modulbauweise (10000m³/h pro Modul Abmessungen in m: LxBxH = 3,3 x 0,6 x 3,3)




50 000 m³/ hGebäudeabluft

Abscheidegrad > 98 %VOC, Ozon 50 000 m³/ h

zurück zumGebäude

1000 m³ Regenenerationsluft1-mal in 24 h pro Modul

Spezielle Einsatzbereiche: Integrierung der elektrisch regenerierten ACC in die Klimaanlage von Gebäuden

5000 m³/ hAbluft

5000 m³/ hAußenluft




Geringer Faserdurchmesser von ca. 10 µm führt zu einerErhöhung der volumenbezogenen Stoffübergangs-geschwindigkeit für das Gewebe (etwa 100 mal größer alsbei Granulatkohle). Deshalb sind nur wenige Lagen ACCerforderlich um große Abscheidegrade zu erreichen.

Kinetik




Vergleich ACC mit GAC (Beispiel Toluol)ACC hat höhere Beladekapazitäten bei kleinen

Konzentrationen

1 .10 4 1 .10 3 0.01 0.1 1 101

10

100

Konzentration [g/m³]

Gle

ichg

ewic

htsb

elad

ung

[Gew

.-%]

X GAC_25

X GAC_50

X ACF_25

X ACF_50

C G

.




ACC - Elektroadsorber zur AbluftreinigungVersuchsanlagen zur verfahrenstechnischen Auslegung

Laborversuchsanlage zur Messung von Adsoptionsisothermen undfür schnelle Machbarkeitsuntersuchungen vor Ort




ACC - Elektroadsorber zur AbluftreinigungVersuchsanlagen zur verfahrenstechnischen Auslegung

Detail einer Laborversuchsanlage zur Messung der Kinetik der Adsorptionund Desorption von VOC an ACC




Pilotanlage zur Abluftreinigung mit elektrischregenerierbarer ACC




ACC - Elektroadsorber zur Abluftreinigung Grundlagen: Kinetik

Durch die Möglichkeit die Adsorptionsgasgeschwindigkeit und die Anzahlder eingesetzten ACC-Gewebelagen in weitem Bereich zu variieren, kannder Abscheidegrad bzw. Abreicherungsfaktor den Erfordernissen angepaßtwerden. Die Anzahl der Lagen kann auch noch nachträglich verändertwerden, wenn sich die Anforderungen ändern.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101

10

100

1 .103

1 .104

1 .105

Abrmax 0.1 n Layer,

Abrmax 0.3 n Layer,

Abrmax 0.5 n Layer,

n Layer

99.999 %

99.99 %

99.9 %

99 %

90 %

Filter-geschwindigkeit0.1 m/s

0.3 m/s

0.5 m/s




Druckverlust in Abhängigkeit von der Gasgeschwindigkeitbei 5 und 10 Lagen ACC

91203 304 385

507

223

486

770

1054

1368

0

500

1.000

1.500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6Gasgeschwindigkeit in m/s

Dru

ckve

rlust

in P

a

5 Lagen 10 Lagen Linear (5 Lagen) Linear (10 Lagen)




Durchbruchskurve (logarithmisch) für Toluol bei 5 Lagen ACC und 0,3 m/s Strömungsgeschwindigkeit am Filter

43% relative Feuchte - 22°C

0,1

1,0

10,0

100,0

1.000,0

0 5 10 15 20 25 30 35

Versuchszeit in min

Kon

zent

ratio

n in

mg T

oluo

l/Nm

³ Feu

cht Rohgaskonzentration

Reingaskonzentration

Arbeitskapazität: 9,57 %

Typische DurchbruchskurveWegen der nur sehr kleinen Aktivkohlemengen sind die Zykluszeiten ummehr als den Faktor 10 kürzer als bei herkömmlichen GAC-Adsorbern




ACC - Elektroadsorber zur Abluftreinigung Grundlagen: Zur Desorption (Isothermen, Kinetik)

Wegen der sehr kurzen Aufheizzeiten, der extrem schnellenDesorptionskinetik und der sehr geringen Desorptionsgasmengen werdenbei der Desorption sehr hohe Anreicherungen bis praktisch zur jeweiligenmomentanen Gleichgewichtskonzentration erreicht

50 100 150 200 2501

10

100

1 .10 3

1 .10 4

1 .10 5

Temperatur [°C]

Max

imal

er A

nrei

cher

ungs

fakt

or

.

ACF beladenmit Toluol beieiner Rohgas-konzentration von:

1 mg/m³

10 mg/m³

100 mg/m³




ACC - Elektroadsorber zur Abluftreinigung Grundlagen: Desorption

Typischer Konzentrationsverlauf bei einer Desorption mit Temperatur-regelung maximaler Anreicherungsfaktor: ca. 1000; Aufheizzeit von 25 auf190°C < 1 min; Gesamtregenerationszeit 4 min

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Desorptionszeit in min

Kon

zent

ratio

n in

mg/

Nm

3 Tol

uol

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Filte

rtem

pera

tur i

n °C

Desorption nach Beladung von 5 Lagen ACFbei einer Rohgaskonzentration von100 mg/Nm3 Toluol bei vad = 0,2 m/sund Feuchten von 20% und 50%vdes = 0,02 m/s

Temperatur derletzten ACF-Lage

Desorbat-konzentration

50% Feuchte

20% Feuchte

50% Feuchte

20% Feuchte




0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

0 5 10 15 20Versuchszeit in min

Kon

zent

ratio

n in

mg/

Nm

³ Tol

uol

T = 125°C

T = 155°C

T = 235°CDesorption von 5 Lagen ACCbei verschiedenen Temperaturennach Beladung mit 375 mg/m3 Toluolbei vdes = 0,005 m/sPel = 3,4 - 10,2 kW/m2

T = 190°C

Höhere Desorptionstemperaturen und höhere Energieeintragsdichtenvergrößern die maximale Desorptionskonzentration




Desorption mit Konzentrationsregelung nach Beladung mit350 mgAceton/m³, 42% r.F., Temp. 22°C, 5 Lagen ACC bei 1 cm/s

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 200 400 600 800Versuchszeit in s

Kon

zent

ratio

n in

m

gC/N

m³ u

nd L

eist

ung

in W

0

50

100

150

200

Tem

pera

tur i

n °C

FID Leistung IR 1.Lage IR 5.Lage

Sollwert: 5000 mgC/m³

Typischer Konzentrationsverlauf bei einer Desorption mit Konzentrations-regelung (bei Desorption mit Luft zur sicheren Einhaltung von 25% UEGoft erforderlich).




80 100 120 140 160 180 190 200 200 200

Isopropanol Toluol PGMEA Gesamt-C

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

5.000K

onze

ntra

tion

[mg/

m³]

ACC-Temperatur letzte Lage [°C]

Desorption nach Gemischadsorption (Pilotanlage) mit ATD- und GC-Analyse bestimmt




ACC - Elektroadsorber zur Abluftreinigung Prinzipieller Aufbau eines Adsorbermoduls zur Abluftreinigung

AdsorptionsluftZuluft

Adsorptionsluftgereinigt

Desorptionsluft

Desorptionsluftkonzentriert

Die gleichmäßige Verteilung der Desorptionsluft erfolgt über ein Verteilersystemdie Gasgeschwindigkeiten betragen 0.4 - 3 cm/s




Durch sinnvolle Adsorberkonstruktion werden sehr gleichmässige Beladungs-und Temperaturverteilungen für den Ad- und Desorptionsvorgang erreicht.

e d

ACC - Elektroadsorber zur Abluftreinigung Grundlagen: Strömungsverteilung

Temperaturverteilungüber das Filter-Flächewährend Desorptionbei v = 1 cm/s

Beladungsverteilungüber das Filter-Flächenach Desorption bei180°C und v = 0,5 cm/s

Beladungsverteilung über 5 Lagenbei Beladung mit Toluol - Rohgas-konzentration 100 mg/m³ bis zu einerDurchbruchskonzentration von 5 mg/m³

Breite

Breite

Höhe

Höhe

a

Höhe

Lagen




ACC - Elektroadsorber zur Zuluftreinigung Die Intervallregenerierung für die Zuluftreinigung

200 400 600 800 1000 12000

0.02

0.04

0.06

0.08

v time( )→⎯⎯⎯

time

Regenerationsgasgeschwindigkeit [m/s]

200 400 600 800 1000 12000

200

400

600

800

Π el time( )→⎯⎯⎯⎯

time

Elektrische Heizleistung [W/Filter]

200 400 600 800 1000 12000

100

200

TACC.b.meas

TACC.f.meas

Tair.exh.meas

tmeas

Temperatur der ACC vorne und hinten

200 400 600 800 1000 12000

1

2

3

4

Cmeas

tmeas

Zeitlicher Verlauf der VOC-Konzentration

Bei der Intervallregenerierung wird der Adsorber bei der Regeneration nichtkontinuierlich durchströmt, sondern die ACC ohne Durchströmung aufgeheiztund anschließend mit Durchströmung wieder abgekühlt.




ACC - Elektroadsorber zur Zuluftreinigung Vorteile der Intervallregenerierung bei der Zuluftreinigung

Bessere Regeneration der ACC insbesondere hochsiedenden Komponenten durch günstigeres Temperaturprofil über die ACC-LagenGeringer MSR-Aufwand durch einfachen und immanent sicheren Prozess

Temperaturprofil der ACC beiIntervallregenerierung

0 2 4 6 8 10 1250

100

150

200

TACC.mnL

TACC.a

nL pos,

Temperaturprofil der ACC beikont. Durchströmung mit 1 cm/s

0 2 4 6 8 10 1250

100

150

200

TACC.mnL

TACC.a

nL pos,




ACC - Elektroadsorber zur Zuluftreinigung Vorteile der Intervallregenerierung bei der Zuluftreinigung

Wenn die Regenerationsluft nicht gereinigt werden muss, kann die Anlagemit höheren Regenerationsgasgeschwindigkeiten betrieben werden und auf die aufwendige Regenerationsgasverteilung verzichtet werden

AdsorptionsluftZuluft

Desorptionsluftkonzentriert

Desorptionsluft




ACC - Elektroadsorber zur Zuluftreinigung Durchbruchskurven bei der Adsorption in Pilotanlage (8. Zyklus)

0,0000,0500,1000,1500,2000,2500,3000,3500,4000,4500,500

Kon

zent

ratio

n in

mg/

m³

Löse

mitt

el

PGMEA

Octan

Toluol

MEK

Isopropanol

PGMEA 0,298 0,000 0,000 0,000 0,000Octan 0,367 0,002 0,000 0,012 0,006Toluol 0,357 0,003 0,000 0,010 0,004MEK 0,303 0,000 0,006 0,007 0,035Isopropanol 0,269 0,003 0,028 0,071 0,086

Rohgas mittel

Reingas 1 nach

2:42h *

Reingas 2 nach

7:34h *

Reingas 3 nach

10:14h *

Reingas 5 nach

15:15h *

* Nachweisgrenze < 0,001mg/m³

Zeitlicher Verlauf der Rohgas und Reingaskonzentration bei 900m³/h,10 Lagen ACC, Indoor-VOC-Gemisch 1.5 mg/m³, 25°C, 50% R.F.




ACC - Elektroadsorber zur Zuluftreinigung Intervalldesorption in Pilotanlage (8.Zyklus)

(2 Intervalle pro Probe)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Isopropanol

MEKToluol

OctanPGMEA

Proben, Intervalle

Desorptionsdauer 1 h

Zeitlicher Verlauf der Konzentration beim Desorbieren mit Intervallregenerierungmit einer Desorptionsgasgeschwindigkeit von 0.6 cm/s.Der Anreicherungsfaktor beträgt max. 5000




ACC - Elektroadsorber zur Wertstoffgewinnung Chromatographierende Desorption zur Stofftrennung und- anreicherung

Die chromatographierende Desorption wird vorteilhaft im Gleichstrom zur Adsorption durchgeführt. Die direkte elektrische Beheizung der ACC ermöglichtdas Desorbieren mit optimierten Temperatur-Zeit-Programmen

Chromatographierende Desorption von Alkanen von 15 Lagen ACC1,5 cm/s Stickstoff, nach 2h Adsorption bei 15 cm/s mit 25 mg/m³ je Stoff

0

500

1000

1500

2000

2500

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Zeit [min]

Kon

zent

ratio

n in

mg/

Nm

³

20

60

100

140

180

220

260

Tem

pera

tur i

n °C

Pentan Hexan Heptan Octan Temperatur letzte ACC-Lage




Industrielle Anlage zur Reinigung von 8000 m³/hAbluft aus der Chipindustrie

Schadstoffe: max. 300 mg/m³ PGMEA, Aceton, MEK




Kleinadsorber zur Nachreinigung von Abgas nacheiner Tiefkühltemperaturkondensationsanlage

Schadstoffe: max. 2000 mg/m³ Dichlormethan Adsorptionstemperatur -30°C




ACC - Elektroadsorber zur Abluftreinigung Sicherheit

Geringe Brandlast (nur 5 - 15 kg Aktivkohle pro Modul) auch deshalbextrem kurze Reaktionszeiten der Anlage

Überwachung der Temperatur der ACC über IR-Temperaturmessung,elektrischen Widerstand, Lufttemperaturen in der Nähe der Filter

Überwachung der Desorbatkonzentration über FID und/oder Ex-Warngeräte

Überwachung aller sicherheitsrelevanten Prozessparameter wie z.B.elektrische Leistungszufuhr, elektrischer Widerstand,Desorptionsluftmenge, Klappenstellungen

Steuerung und Regelung der Anlage über speziell entwickelte und geprüfte Regel- und Steueralgorithmen

Simulation (auch möglicher abweichender Betriebszustände) miteinem Computer-Prozesssimulationsprogramm, das den Gesamt-prozess mit hinreichender Genauigkeit beschreibt

3 Regenerationsprogramme stehen zur Verfügung: Leistungsrampe,Temperaturrampe, Konzentrationsregelung




ACC - Elektroadsorber Prozesssimulation

Bei der Gesamtprozess-Simulation müssen neben dem Stoffaustausch zahl-reiche Wärmeaustauschprozesse berücksichtigt werden, die zum Teil von der Geometrie und dem Material des Adsorberbehälters abhängen

2a

3a

4

5

T_Wand-hinten T_Wand-vorn

T11 T12 T21 T22 T31 T32

TL_0

TL_1

TL_2TL_3

3b

2b

6b

6a

7a

7b

2c

0

(0) el. Energie, (1) erzw. Konv. ACC/Luft, (2) Strahlung ACC/Wand und ACC/ACC,(3) freie Konv. Luft/ACC, (4) Wärmeleitung ACC, (5) Wärmeleitung Luftspalt,(6) freie Konv. Luft/Wand, (7) Wärmeleitung durch Wand, (8) Ad/Desorptionswärme

1 1 1

8 8 88




ACC - Elektroadsorber Prozesssimulation- Vergleich mit Messwerten

Es existiert ein Computersimulationsprogramm, das den Gesamtprozess mit aus-reichender Genauigkeit beschreibt. Gemischadsorption von bis zu 3 VOC + Wasser können in diesen Auslegungs- und Simulationsprogrammen berücksichtigt werden.In der selbstentwickelten Isothermenapparatur wurden zahlreiche Adsorptions-isothermen im Konzentrationsbereich von 1 mg/m³ bis 100 g/m³ im Temperatur-bereich von 50 - 200°C vermessen. Es wurde ein Isothermenmodell entwickelt, dassauch für noch nicht vermessenen VOC eine Abschätzung der Isotherme erlaubt

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

a

0.1 m/s0.2 m/s0.3 m/s0.5 m/s

0 5 10 15 20 25 30 35 400

2

4

6

8

10

S

Minuten

Desorbatkonzentration in g/m³

Elektrische Heiz-

leistung in kW

0 5 10 15 20 25 30 35 400

50

100

150

200

250 SS

S

Temp. Adsorberwand vorn in°C

Minuten

Temp. Adsorberwand hinten in°CTemp. ACC hinten in°C

Temp. ACC vorn in°C

Durchbruchskurven(2 Lagen ACC)

ACC- und Behälterwand-temperaturen (2 LagenACC)Desorbatkonzentration

(2 Lagen ACC)




ACC - Elektroadsorber Prozesssimulation- Vergleich mit Messwerten

Auch das Intervalldesorptionsverfahren kann mit den Simulationsprogrammenbeschrieben und ausgelegt werden

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000

1

2

3

4

Cmeas

tmeas

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000

2

4

6

CTol CIso+

time

0 500 1000 1500 2000 2500 3000time

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

0

0

tmeas

Temperatur der ACC vorne und hinten(simuliert)

Temperatur der ACC vorne und hinten (gemessen.)

200°C

100°C

100°C

200°C

Desorptionskonzentrationen Desorptionstemperaturen




Neu!

Elektrisch regenerierter Granulatkohleadsorber




1200 m³/(m²h)

50 - 150m³/(m²h)100 - 200 °C

h > 99 %

0 - 2 g/m³

100 -200 mm

Rsq = 0.2Ohm

40 - 80 kg/m² Kohle

50 - 100 Volt

GAC - ElektroadsorberPrinzipschema




elektrische Einleitstellen

Rückhaltegitter aus PTFE-beschichtetem Glasgewebe

GAC - ElektroadsorberPrinzipieller Aufbau eines Filters




GAC - ElektroadsorberAnwendung für die Reinigung von Hallenluft der Kernmacherei einerGießerei

Eckdaten

Anzahl Filter pro Modul: 3

Standzeit eines GAC-Adsorbers bis zum Durchbruch (0.2 mg/m³) DMEA: > 50 h

Gesamtregenerationszeit eines Moduls: 10 h

Abluftvolumenstrom pro Modul: 8000 m³/h

Desorptionsluftvolumenstrom: 1000 m³/h

Mit 6 GAC-Modulen können maximal 8000 x 50 / 10 = 40 000 m³/ hHallenluft gereinigt werden und zum großen Teil in die Halle zurückgeführt werden.In diesem Fall wird die Verbrennungsanlage wegen kontinuierlichen Betriebs optimal ausgenutzt.




GAC - Elektroadsorber6 - Modulanlage zur Reinigung von 40 000 m³/h Kernmacherei-Hallenabluft

50 000 m³/ h Hallenabluft

DMEA, AromatenAbscheidegrad > 98 %

40 000 m³/ hzurück zur Halle

10 000 m³/ h Abluft

1500 m³/hzum KAT

32 000 m³/hzurück zur Halle

8 000 m³/h Abluft

40 000 m³/h Hallenabluft

1000 m³/hzur Verbren-nung




GAC - Elektroadsorber

5 10 15 20 25 300

2

4

6

8

10

5 10 15 20 25 300

10

20

30

5 10 15 20 25 300

1

2

3

4

5 10 15 20 25 300

2

4

6

8

10

DMEA

Wasser

HeptanMethylethylbenzol

Ergebnisse der Prozessimulationfür Abluft aus Gießereihalle:

Adsorption: Beladeprofile der GAC

Beladungsprofile in Gerwichts-% (Zyklus 1- 20) jeweils am Ende der Beladephase




GAC - Elektroadsorber

5 10 15 20 25 300

0.2

0.4

0.6

0.8

5 10 15 20 25 300

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

DMEA

Wasser

5 10 15 20 25 300

5

10

15

5 10 15 20 25 300

0.5

1

1.5

2

HeptanMethylethylbenzol

Ergebnisse der Prozessimulationfür Abluft aus Gießereihalle:

Desorption: Beladeprofile der GAC

Beladungsprofile in Gerwichts-% (Zyklus 1- 20) jeweils am Ende der Regenerierphase

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