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Abluftreinigung

Wissen von A-Z

Luftverunreinigungen oder schädliche Komponenten in der Luft werden durch eine Abluftreinigung entfernt. Gebräuchlich dafür sind die Begriffe Abluftreinigung und Abgasreinigung, wobei sie häufig fälschlich verwendet werden. 

Abluft

Abluft ist im allgemeinen die aus einem Raum frei oder gezwungen abströmende Luft. Bei der Betrachtung von Wohnraum kann diese Abluft z. B. weiter verwendet werden, indem diese anderen Räumen als Umluft wieder zugeführt oder die in ihr enthaltene thermische Energie in Form einer Wärme- oder Kälterückgewinnung weiterhin genutzt wird. Abluft kann durch Herausfiltern leicht von Partikeln, Gerüchen aber auch Chemikalien befreit werden und grenzt sich dadurch deutlich von dem Begriff Abgas ab.

Qualitativ wird die Abluft in vier Kategorien eingesstuft:

  • Kategorie ETA-1 : Luft aus Räumen, deren Hauptemissionen Baustoffe und menschliche Stoffwechsel sind
  • Kategorie ETA-2 : Luft aus Räumen mit gleicher Verunreinigungsquelle wie ETA-1, jedoch mit mehr menschlicher Aktivität und Raucherlaubnis
  • Kategorie ETA-3 : Luft aus Räumen, in denen Feuchtigkeit und Chemikalien freigesetzt werden
  • Kategorie ETA-4 : Luft, die Gerüche und Verunreinigung über das erlaubte Maß hinaus enthält.

Treffen Abluftströme aus verschiedenen Kategorien zusammen, dann ist die Kategorie mit der höchsten Nummer maßgebend.

Abgas

Abgas ist generell höher belastet als Abluft. Grund hierfür ist, das Abgas aus Verbrennungsgasen besteht und somit davon auszugehen ist, dass ein thermischer Prozess (Verbrennung) vorausgegangen ist. Verfahrenstechnisch betrachtet stellt Abgas also eine warme Abluft vornehmlich aus Verbrennungsprozessen dar.

Es gibt folgende Verfahren zur Reinigung von Abasen:

Reinigung durch Absorption
Als Absorptionsmittel wird wegen seiner geringen Kosten vornehmlich Wasser bevorzugt. Reicht die Absorptionsfähigkeit des Wassers nicht aus, muss die Absorption durch chemische Umsetzung mit Zusätzen ergänzt werden. Insbesondere wasserlösliche Verunreinigungen werden aus dem Gas sehr gut herausgelöst. Durch die Absorption von Substanzen aus dem Gas wird die Waschflüssigkeit verunreinigt. Oft handelt es sich bei den aufgenommenen Stoffen um saure oder basische Chemikalien, wie z. B. Chlorwasserstoff, Stickoxide oder Ammoniak. Durch eine im Wäscher integrierte Neutralisationseinheit lässt sich das Abwasser auf einem neutralen pH-Wert halten und so entgiften. Zudem ist leicht sauer eingestellte Waschflüssigkeit für basische Gaskomponenten effektiver, und leicht basische Waschflüssigkeit ist zur Entfernung saurer Gaskomponenten wirkungsvoller. Absorber können als Sprühdüsenwäscher, Wirbelstromnassabscheider, Venturi-Wäscher oder Fallfilm-Filter aufgebaut sein und erreichen hohe Absorptionsgrade. Andere Absorptionsmittel sind Öle für organische Substanzen. Nachteile der Absorptionsverfahren sind die entstehenden Abwässer oder Deponierprobleme. Eine Sonderstellung nimmt die Rauchgasentschwefelung ein. Bei diesem Verfahren handelt es sich um einen Methode zur Entfernung von Schwefeldioxid aus Abgasen durch Calciumhydroxid als Absorptionsmittel. Dadurch entsteht REA-Gips, der in der Bauindustrie ein beliebter Rohstoff ist.

Katalytische Reinigung
Die katalytische Abgasreinigung kommt sowohl in industriellen Großanlagen als auch in jedem modernen PKW zum Einsatz. Der Vorteil ist der vergleichsweise geringe Energieaufwand, der für die chemische Reaktion der Abgasreinigung notwendig ist. Nachteilig sind die z. T. höheren Investitions- und Wartungskosten der Katalysatoren im Gegensatz zu anderen Verfahren, sowie die Empfindlichkeit der Katalysatoren gegenüber Verunreinigungen und sogenannten Katalysatorgiften. Da bei technisch relevanten Prozessen die genaue Zusammensetzung der Abluft oft unbekannt ist, und eventuelle Katalysatorgifte nicht ausgeschlossen werden können, verzichtet man in der Industrie häufig auf eine katalytische Oxidation. Als Beispiel für die katalytische Abgasreinigung ist an dieser Stelle der Dreiwegekatalysator in Kraftfahrzeugen mit Otto-Motor zu nennen. Diese Form des Katalysators besteht aus einem keramischen Grundkörper der mit Edelmetallen wie zum Beispiel Platin, Rhodium u. a. beschichtet ist. An der Oberfläche laufen die chemischen Reaktionen der Abgasreinigung stark beschleunigt und bei geringer Energiezufuhr ab. Das im Abgas enthaltene Kohlenmonoxid (CO) wird zu Kohlendioxid (CO2) oxidiert, die Stickoxide (NOx) werden zu Stickstoff (N2) reduziert. Früher wurden den Kraftstoffen bleiorganische Verbindungen wie Tetraethylblei als Antiklopfmittel zugesetzt. Das Blei setzte sich auf der Oberfläche des Katalysators ab und verunreinigte ihn so stark, dass seine Wirksamkeit stark eingeschränkt wurde oder ganz zum Erliegen kam. Man spricht dann auch von einer „Vergiftung“ des Katalysators. Aus diesem Grund werden in modernen Kraftstoffen keine Bleiverbindungen als Antiklopfmittel mehr eingesetzt.

Nichtkatalytisch-chemische Reinigung
Zu den nichtkatalytisch-chemischen Verfahren zählen solche Verfahren, bei denen schädliche Abgasbestandteile durch chemische Reaktionen mit speziell zugegebenen Chemikalien dazu führen, dass die Schadstoffe in eine weniger schädliche Form überführt werden. Ein in der Industrie häufig eingesetztes Verfahren ist das sogenannte SNCR-Verfahren (Selective Non-Catalytic Reduction). Bei dieser Form der Entstickung von Abgasen werden alle Stickoxide (NOx) durch Ammoniak (NH3) zu elementarem Stickstoff (N2) reduziert. Das Ammoniak wird dazu direkt in die Abgasleitung bei einer Temperatur von 900 bis 1000 °C eingedüst. Die eingesetzte Menge an Ammoniak ist allerdings genau auf die Menge an Stickoxiden abzustimmen da sich ansonsten Ammoniakreste im Abgas befinden können, die ebenfalls entfernt werden müssten.

Reinigung mit nicht-thermischem Plasma
Nicht-thermisches Plasma (NTP) wird zur Geruchseliminierung und zum Abbau organischer Kohlenwasserstoffe in der Abluft verwendet. Die Abluftreinigung mit dem NTP-Verfahren erfolgt durch Anregung in einem elektrischen Feld zwischen Elektroden und dielektrischer Barriere. Im Gegensatz zur thermischen Oxidation wird beim NTP-Verfahren die für den schnellen Ablauf der Reaktion notwendige Initialenergie den Schadstoffmolekülen direkt als Anregungsenergie zugeführt. Durch die Anregung, die in einem Plasmareaktor stattfindet, werden die Schadstoffmoleküle reaktionsfreudig gemacht und anschließend zu unschädlichen Bestandteilen z. B. Kohlenwasserstoff zu Wasser und Kohlenstoffdioxid umgesetzt. Das nicht-thermische Plasmaverfahren ist eine kostengünstige und energieeffiziente Technologie zur Geruchsminderung und zur Reinigung von lösemittelhaltiger Abluft. Neben niedrigen Betriebskosten zeichnet sich das NTP-Verfahren durch eine hohe Reinheit der behandelten Abluft und durch die Bedienungsfreundlichkeit und Betriebssicherheit aus.

Biologische Reinigung

Die biologische Abgasreinigung basiert auf der Tätigkeit von Mikroorganismen, dabei handelt es sich um aerobe Bakterien, die die organischen und auch einige anorganischen gasförmigen schadstoffbelasteten Verbindungen biochemisch in unbedenkliche bzw. geruchsneutrale Produkte umwandeln. Dabei werden die Schadstoffe, die Kohlenstoff und/oder teilweise Stickstoff- oder Schwefelanteile enthalten, aus der Abluft abgeschieden und durch Mikroorganismen unter Anwesenheit von Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Die freiwerdende Energie dient den Mikroorganismen als Energiequelle zum Erhalt des Stoffwechsels. Ein Teil der Schadstoffe wird für die Vermehrung der Mikroorganismen als Biomasse aufgebaut. In einem stabilen biologischen System besteht ein Gleichgewicht zwischen absterbenden und neu gebildeten Mikroorganismen, sodass die Biomasse konstant bleibt. Die Biomasse benötigt außer den Schadstoffen auch Nährstoffe wie z. B. Stickstoff, Phosphor, Schwefel und Spurenelemente sowie Wasser als Lebensgrundlage. Da chemische Verbindungen nur im Wasser gelöst für Mikroorganismen verwertbar sind, wachsen sie entweder auf einem Trägermaterial in einem Feuchtigkeitsfilm oder sind in einer wässrigen Lösung suspendiert. Die biologische Abgasreinigung wird in der Regel dann eingesetzt, wenn die zu entfernenden Schadstoffe nicht zurückgewonnen werden sollen und die Schadstofffracht nicht zu hoch ist.

Folgende Verfahren der biologischen Abgasreinigung werden in der Industrie eingesetzt:

Biofilter
Die ersten Biofilter wurden bereits Mitte des letzten Jahrhunderts patentiert und angewendet. Dabei wird ein organisches Trägermaterial wie z. B. Rindenmulch oder Holzhackschnitzel in ein Filterbett mit ca. 1–3 m Schütthöhe gefüllt. Die Abluft durchströmt das Filterbett von unten nach oben, wobei die Schadstoffe biologisch abgebaut werden. Die Biofilter können ebenerdig gebaut oder in Modulbauweise übereinander gestapelt werden. Durch den relativen einfachen konstruktiven Aufbau stellt der Biofilter ein sehr günstiges Abluftreinigungsverfahren dar, das jedoch nur für Anwendungen in kontinuierlicher Betriebsweise mit geringer Lösemittel- oder Geruchsbeladung geeignet ist.

Biowäscher
Der Biowäscher stellt eine Kombination eines physikalischen Wäschers und einer Belebungseinheit dar. Die Schadstoffe werden physikalisch aus dem Abgas ausgewaschen und danach in der wässrigen Phase biologisch abgebaut. Dabei unterscheidet man Biowäscher mit biologischem Abbau durch die im Wasser suspendierten oder auf dem Füllkörpermaterial fixierten Mikroorganismen und Biowäscher mit separater externer Belebungseinheit. Diese ist notwendig bei höher beladenem Waschwasser. Das durch den biologischen Abbau regenerierte Wäscherwasser kann dadurch im Kreislauf gefahren werden. Die zum biologischen Abbau notwendigen Nährstoffe müssen in die Waschflüssigkeit zugegeben werden. Der Biowäscher eignet sich gut für wasserlösliche Abluftinhaltsstoffe mittlerer Konzentrationen.

Biorieselbettreaktor
Der Biorieselbettreaktor (auch als Biotropfkörper oder Biotrickling Filter bezeichnet) unterscheidet sich vom herkömmlichen Biofilterverfahren dadurch, dass anstatt des biologischen Trägermaterials (z.B. Rindenmulch oder Holzhackschnitzel) ein inertes Trägermaterial verwendet wird. Auf diesem Trägermaterial werden die Mikroorganismen angesiedelt, die den biologischen Abbau der Abluftinhaltsstoffe durchführen. Die beladene Abluft durchströmt das inerte Trägermaterial im Gegen- oder im Gleichstrom, wird im Trägermaterial gereinigt und tritt dann am Abluftkamin als gereinigte Abluft wieder aus. Die Feuchtigkeit und die notwendigen Nährstoffe, die beim Biofilter aus dem organischen Trägermaterial entnommen werden und so zum Zersetzen dessen führen, werden beim Biotropfkörper über das Berieselungswasser zugeführt. Der Biotropfkörper eignet sich sowohl zur Reinigung lösemittel- als auch geruchsbeladener Abluft mit Konzentrationen bis zu 1 g/m³.

Thermische Nachverbrennung

Die Thermische Nachverbrennung (kurz: TNV) ist ein Verfahren, das für die Entfernung von organischen Schadstoffe aus dem Abgasstrom geeignet ist. Kohlenwasserstoffe beispielsweise oxidieren bei Temperaturen zwischen 750°C und 1.000°C zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O). Je nachdem, welche Schadstoffe im Abgas enthalten sind, können jedoch auch unerwünschte Oxidationsprodukte wie z.B. SO2, HCl, NOx, SiO2 entstehen, die bei Überschreiten der zulässigen Grenzwerte durch weitere Verfahrensschritte entfernt werden müssen. Einsatz findet diese Form der Abgasreinigung unter anderen in der industriellen Fleischwarenherstellung. Hier werden die beim Räuchern gebildeten Abgase aus konventionell mit Glimmrauch betriebenen Räucheranlagen nachverbrannt.  Betrieben werden thermische Nachverbrenner vornehmlich mit fossilen Brennstoffen wie Erdgas oder Erdöl. 

Literatur zum Thema

  • DIN EN 13779 Lüftung von Nichtwohngebäuden (z. B. Büros)
  • Ernst-Rudolf Schramek, Hermann Recknagel, Eberhard Sprenger: Taschenbuch für Heizung+Klimatechnik., 73. Auflage., Oldenbourg Industrieverlag München 2007, ISBN 3-8356-3104-7 
  • Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005, ISBN 3-528-23922-6 
  • Crystec Technology Trading GmbH: Genaue Erklärung der nassen Abgasreinigung 


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