Inbetriebnahme und Feldversuche eines mobilen Prüfstands für die katalytische Nachverbrennung

Abstract

Flüchtige organische Verbindungen (VOCs) nehmen an fotochemischen Reaktionen in der Atmosphäre teil und tragen so zur Luftverschmutzung bei. Zusätzlich können einige dieser Verbindungen auch toxische Auswirkungen auf den Mensch haben. Um diese Auswirkungen zu vermindern, ist es somit unerlässlich diese Kohlenwasserstoffe vor der Emission abzutrennen bzw. zu oxidieren. Ein häufig dafür angewendetes Verfahren ist die thermische Nachverbrennung (TNV), bei dem das Abgas durch das Aufbringen von thermischer Energie bei Temperaturen von (700–1000 °C) oxidiert wird. Durch regenerative Abgasvorwärmung kann der Energieeinsatz stark reduziert werden. Da aber die Abgase meist nur geringe Kohlenwasserstoffmengen enthalten und somit einen niedrigen Heizwert aufweisen, sind die benötigten Energiemengen trotzdem groß. In manchen Prozessen wird deshalb die katalytische Nachverbrennung (KNV) angewendet. Dort kann durch den Einsatz von Katalysatoren die Energiebarriere herabgesetzt werden, wodurch geringere Temperaturen notwendig sind. Stark unterschiedliche Prozessgase stellen hohe Anforderungen an Katalysatoren, die durch den Kontakt mit Katalysatorgiften an Aktivität verlieren. Herkömmliche Oxidationskatalysatoren sind teuer in der Anschaffung, weshalb sich der Kostenvorteil durch niedrigere Betriebstemperaturen schnell erübrigt hat, wenn die Katalysatorstandzeit nur kurz ist. Deshalb sollen Katalysatoren beim Einsatz in verschiedenen Prozessabgasen verglichen werden, um geeignete Prozess-Katalysator-Kombinationen zu identifizieren, bei denen die KNV angewendet werden kann. Das wird mit einem mobilen Katalysatorprüfstand gemacht, der im Rahmen dieser Diplomarbeit in Betrieb genommen wurde. Im Zuge der Inbetriebnahme wurden einige Veränderungen am Prüfstand vorgenommen, damit ein reibungsloser Betrieb möglich ist. Zunächst wurden verschiedene Katalysatoren mit Propan-Luft-Gemischen getestet, um eine Messmethode und die dazugehörige Auswertung zu implementieren. Anschließend wurden verschiedene Katalysatorprodukte, die entweder bereits industriell eingesetzt werden oder sich in der Entwicklung befinden, in Abgasen aus Industrieprozessen getestet. Dazu zählten die Abgase einer Lackieranlage, eines papierverarbeitenden Betriebs und eines Zementwerks. Es wurden dabei diverse Herausforderungen in der Messtechnik, Auswertung und dem Betrieb des Prüfstands festgestellt. Durch unterschiedliche und teils variable Prozessbedingungen ist der Vergleich der Katalysatoren untereinander nur bedingt möglich. Jedoch können die Erkenntnisse der Diplomarbeit als Grundlage für weitere Untersuchungen und dienen und erste Vergleichsergebnisse bereitstellen.

Emissions of volatile organic compounds (VOCs) take part in photochemical reactions in theatmosphere and therefore contribute to air pollution. In higher concentrations they can alsorepresent a health risk for humans. In order to reduce these harmful effects it is necessary toprevent the industrial release of organic compounds by using additional waste gas cleaning steps.Thermal oxidation is one method that can achieve VOC removal at high temperatures (700–1000 °C). Regenerative thermal oxidation uses combustion heat for the preheating of the wastegas which enhances the thermal efficiency of the process. However, low pollutant loaded wastegas streams can still require high amounts of energy. In some applications catalytic oxidation isused to reduce the energy expenditure. Catalysts need certain process conditions where catalystdeactivation is no matter of concern. Because of usually high costs a long service life is needed tobe a cost-efficient technology. Therefore catalyst tests are performed to identify processes whichare suitable for catalytic oxidation. The testing is performed with a mobile catalyst test benchthat is commissioned during this thesis. Firstly, catalyst tests with propane/air mixtures tookplace to implement a gas measurement system and the necessary measurement data evaluation.During testing various improvements were required for a smooth operation of the test bench.Secondly, catalyst tests in various industrial processes including paint shop, paper coating, andcement production where performed. The used catalyst samples have been compared. Duringtesting, multiple difficulties with measurement methods and data evaluation have been identified.Variable process conditions created a challenge for the comparison of the catalysts. The resultof the work presented here is one important step to compare catalysts in industrial processconditions and can be the basis for further research.