Abgasentgiftung

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Als Abgasreinigung bezeichnet man die Abscheidung von Luftverunreinigungen aus Abgasen zum Umweltschutz. Zur Entfernung der festen Bestandteile im Abgas werden die Verfahren der Entstaubung angewandt. Für gasförmige und flüssige bzw. tropfenförmige Stoffe können je nach den chemischen und physikalischen Eigenschaften der Stoffe im wesentlichen drei Verfahren eingesetzt werden:

Abgasreinigung vs. Abluftreinigung

Unter Abgas- oder Abluftreinigung versteht man die Entfernung schädlicher Komponenten aus der Luft. Die Unterscheidung von Abgas und Abluft wird relativ häufig vermischt, allerdings versteht man im verfahrenstechnischen Sinne unter Abgas eine warme Abluft, z. B. aus Verbrennungsanlagen. Abluft ist die Absaugung von Hallen- oder Produktionsabluft mit Temperaturen im normalen bis mittleren Temperaturbereich (bis max. 100 °C).

Abgasreinigungsverfahren

Absorption

Als Absorptionsmittel wird wegen seiner geringen Kosten Wasser bevorzugt. Reicht die Absorptionsfähigkeit von Wasser nicht aus, muss die Absorption durch chemische Umsetzung mit Zusätzen (Chemisorption) ergänzt werden. Für saure Abgase benötigt man basische und für basische Abgase saure Zusätze. Absorber können als Sprühdüsenwäscher, Wirbelstromnassabscheider oder Venturiwäscher aufgebaut sein und erreichen hohe Absorptionsgrade. Andere Absorptionsmittel sind Öle (Ölwäsche) 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 welcher in der Bauindustrie ein beliebter Rohstoff ist.

Adsorption

Die Adsorber sind meist mit einem Adsorptionsmittel (Adsorbens), oft Aktivkohle, gefüllt. Nach einer gewissen Betriebsdauer ist das Adsorbens beladen und kann keine weiteren Schadstoffe mehr aufnehmen. Es muss regeneriert werden. Die Regeneration (Desorption) kann z. B. durch Erhitzen erfolgen – auch unter zuhilfenahme von heißem Wasserdampf. Um den Ausfall der Adsorptionseinheit während der Regenerationsphase zu verhindern, werden in aller Regel mehrere Adsorber wechselseitig betrieben. Bei Kleinstanlagen wird das Adsorbens verworfen.

Thermische Nachverbrennung

Bei der thermischen Nachverbrennung ist eine Temperatur um 900 °C und eine ausreichende Verweilzeit im Verbrennungsraum erforderlich. Im einfachsten Fall kann die thermische Nachverbrennung in anderen betrieblichen Verbrennungsanlagen (z. B. Kesselhäuser) erfolgen. Anderenfalls muss die notwendige Temperatur durch zusätzliche Brennstoffe erzeugt werden. Das Verfahren wird dann sehr aufwändig und erzeugt seinerseits zusätzliche Luftverunreinigungen. Die thermische Nachverbrennung ist das optimale, lufthygienisch beste Verfahren, da die Abgase bis auf die Fremdelemente Stickstoff, Schwefel und Halogene komplett zu Wasser und Kohlendioxid umgesetzt werden.

Um jedoch die Kosten für zusätzliche Brennstoffe gering zu halten, wird bei der Thermischen Nachverbrennung sehr oft ein Wärmetauschermedium z. B. Keramik eingesetzt. Durch verschiedene Zyklen innerhalb der Verbrennungsanlagen wird die Temperatur nahezu konstant gehalten. Die Betreiberkosten minimieren sich. Bei geringen Beladungen des Abgasstromes wird manchmal ein Adsorber zur Aufkonzentration der Schadstoffe vorgeschaltet. So muss nur ein geringer Volumenstrom mit hoher Beladung durch die thermische Nachbehandlung. Die reduziert sowohl die Baugröße und die damit verbundenen Investitionen, als auch die Energiekosten.

Katalytische Verfahren

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 des Abgases 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 sei an dieser Stelle der Dreiwegekatalysator in PKWs mit Otto-Motor erwähnt. Er 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 (NO_x) 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.

siehe auch: Abgasrückführung

Nichtkatalytisch-chemische Verfahren

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 (NO_x) 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.

Biologische Abgasreinigung

Die biologische Abgasreinigung (Biological waste gas purification) 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 zu Kohlendioxid und Wasser, unter Anwesenheit von Sauerstoff, 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.

Verfahren der Biologischen Abgasreinigung

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 Hackschnitzel 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 Wasser 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 (wie Rindenmulch oder Hackschnitzel) 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.

VDI-Richtlinien Biologische Abgasreinigung

• Biofilter VDI 3477 (Ausgabe 11/2004)
• Biowäscher und Rieselbettreaktoren VDI 3478 (Ausgabe 07/1996)
• Biorieselbettreaktor VDI 3478 Blatt 2 (Ausgabe 12/2005)

Der Verein Deutscher Ingenieure, VDI, beschreibt seine Aufgaben in den vor genannten Richtlinien wie folgt: „In der Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN – Normenausschuss KRdL – erarbeiten Fachleute aus Wissenschaft, Industrie und Verwaltung in freiwilliger Selbstverantwortung VDI-Richtlinien und DIN-Normen zum Umweltschutz. Diese beschreiben den Stand der Technik bzw. Stand der Wissenschaft in der Bundesrepublik Deutschland und dienen als Entscheidungshilfen bei der Erarbeitung und Anwendung von Rechts- und Verwaltungsvorschriften. […] Die Richtlinien der Biologischen Abgasreinigung behandeln die Reinigung von Abgasströmen, die durch gas- und aerosolförmige luftfremde Stoffe verunreinigt sind. Vorwiegendes Einsatzgebiet ist die Minderung von organischen Emissionskomponenten, die mit hinreichender Geschwindigkeit biologisch abbaubar sind, sowie von Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Der typische Anwendungsbereich umfasst Massenkonzentrationen von organischen Verbindungen bis ca. 1 g/m³. Die Verfahren dienen zur Minderung von Emissionen, die auf Grund ihres Wirkungscharakters potenziell gesundheitsgefährdend und/oder belästigend sind. […]“

Literatur

• Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005, ISBN 3-528-23933-6

Weblinks

• Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN – Normenausschuss KRdL
• Bundes-Immissionsschutzgesetz
• Abgasreinigung / Immissionsschutz
• Adsorption