Projekt 09506/01

Nichtthermische Plasmareaktoren für die Reduzierung flüchtiger Kohlenwasserstoffe aus industriellen Prozeßgasen

Projektträger

Institut für Umwelttechnologien (IUT) GmbH
Volmerstr. 9 B
12489 Berlin
Telefon: 030 6392-5511

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Entwicklungszielstellung ist ein Impulskorona-Plasmareaktor zur Reinigung niedrig belasteter Abluftströme von Kohlenwasserstoffen (KW) bzw. chlorierten Kohlenwasserstoffen (CKW). Dazu gehört die Entwicklung einer energie-effizienten nichtthermischen Plasmaeinigungstechnologie und ihre Erprobung unter industrienahen Bedingungen. Ausgangspunkt waren infolge physikalisch-technischer Ursachen und/oder ökonomischer Gründe durch Filter (Glasfaser-, Aktivkohle- oder z.B. auch B
Biofilter) nicht ausreichend reduzierbare Restkohlenwasserstoffe in industriellen Abluftströmen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der I. Projektphase wurde im Labor der Abbau verschiedener KW in synthetischer Abluft bei reiner Behandlung in einem nichttermischen Atmosphärendruckplasma untersucht (energetischer Aufwand, Umwandlung der KW zu CO2/CO, Nebenprodukte). Parallel dazu erfolgte die Entwicklung eines 1 kW Impulskorona-Plasmareaktors. Die Gasanalytik basierte auf Photoionisationsdetektoren (PID) und FTIR-Absorption; es wurden Methoden zur Bewertung der Plasmen für den Schadstoffabbau erkundet.
Eine Vielzahl kommerzieller Katalysatoren wurde bezüglich ihrer Eignung für eine Niedrigtemperatur-Katalyse getestet. Bei einem ersten Praxistest in Potsdam-Babelsberg wurde an einer Grundwassersanierungsanlage die Minderung von Vinylchlorid (VC) in einem Stripperabluft-Teilstrom bei reiner Plasmabehandlung untersucht. Die Gasanalytik erfolgte off line durch GC und GC-MS. Ein Plasma-reaktor zum Abbau chlorierter Ethene wurde unter Laborbedingungen einer Analyse bezüglich der Bildung von PCDD, PAK und PCB unterzogen.
In der II. Projektphase wurde der Impulskreis des Plasmareaktors für Leistungen bis 2,5 kW weiterentwickelt, die Steuerung und Regelung wurden verbessert und die thermische Stabilität des Systems wurde erhöht. Bei einem 2. Praxistest wurde die plasmakatalytische Reinigung eines Stripperabluft-Teilstroms an einer Grundwassersanierungsanlage in Berlin-Steglitz untersucht. Die Rohluft enthielt ein KW-Gemisch mit den Hauptkomponenten VC, Dichlorethen, Benzen, Toluen, Ethylbenzen und Xylen. Zur on line Kontrolle sowohl der totalen KW-Belastung als auch der einzelnen Bestandteile wurde eine PID-GC-PID-Prozeßmeßtechnik erprobt. Die Erkundung zweckmäßiger technologischer Parameter erfolgte an synthetischen Abluftgemischen im Labor.


Ergebnisse und Diskussion

Während des Projekts wurden infolge wachsenden Erkenntnisstands bei Beibehaltung des Gesamtziels die abgeleiteten Teilziele mehrfach modifiziert. Ein einfacher Soll-Ist-Vergleich ist deshalb nicht möglich.

Es wurde ein 2,5 kW Impulskorona-Plasmareaktor entwickelt; der Reaktor ist sehr robust, unempfindlich gegenüber Wasserdampf, Kondenswasser und aerosolhaltiger Abluft. Die nichtthermische Entladung ist bei Plasmaleistungen pro Volumenstrom bis 15 Wh/m³ stabil.

Es wurde eine Reinigungstechnologie für schwach belastete (< 500 mg/m³), KW-haltige Abluftströme entwickelt, die auf einer plasmagestützten Niedrigtemperatur-Oxidationskatalyse beruht. Die dafür erforderliche äquivalente Katalysatortemperatur beträgt je nach Anwendungsfall maximal 150 °C.

Die in einem Stripperabluft-Teilstrom von 4 m³/h der FWS-Grundwassersanierungsanlage in Potsdam-Babelsberg enthaltenen CKW-Bestandteile Vinylchlorid und Dichlorethen (DCE) konnten durch Plasmabehandlung zu nahezu 100 % (VC) bzw. zu 80...90 % (Cis-DCE) abgebaut werden. Der dafür erforderliche energetische Aufwand entsprach den im Labor gefundenen Wert von 20 Wh/m³. Die Untersuchung eines Laborreaktors bezüglich der Bildung von polychlorierten Dibenzodioxinen (PCDD), polychlorierten Biphenylen (PCB) sowie polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) ergab keine Hinweise auf die Synthese dieser Stoffe bei der Plasmabehandlung von VC-DCE-haltiger Abluft.

Die in einem Stripperabluft-Teilstrom von 60 m³/h der FWS-Grundwassersanierungsanlage in Berlin-Steglitz enthaltenen organischen Hauptkomponenten VC, Cis-DCE, Benzen, Toluen, Ethylbenzen und Xylen wurden im Verlaufe mehrerer Monate plasmakatalytisch behandelt. Dabei wurden alle organischen Abluftkomponenten mittels einer PID-GC-PID-Prozeßmeßtechnik on line überwacht. Die gemessenen Reingaswerte erüllen die Forderungen der TA-Luft. Für die Reinigung war pro Volumenstromeinheit eine Plasmaleistung von 11...12 Wh/m³ erforderlich. Die Katalysatortemperatur betrug 110 °C.

Untersuchungen an verschiedenen Plasmareaktoren auf der Basis von Dielektrischen Barrierenentladungen (DBE) haben gezeigt, daß sie bezüglich ihrer Wirkung mit Impulskorona-Systemen prinzipiell vergleichbar sind. DBE-Reaktoren sind kompakter und leichter zu höheren Leistungen skalierbar. Ihre größten Nachteile sind die bei hohen Volumenströmen technologisch noch nicht ausreichend beherrschten Barrieren sowie ihre Anfälligkeit bezüglich Kondenswasserfilmen und organischem Kondensat.

Erfahrungen
Die Parameter der nichtthermischen Plasmatechnologie zur Abluftreinigung hängen sehr empfindlich vom jeweiligen Anwendungsfall und dem angestrebten Ziel ab. So genügt zur Geruchsminderung von belasteter Abluft (partielle Oxidation) u.U. eine reine Plasmabehandlung mit einem energetischen Aufwand von 2 bis 5 Wh/m³.
Für die in diesem Projekt realisierte merkliche Absenkung des TOC (Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff) in niedrigbelasteten Abluftströmen mit mehreren organischen Bestandteilen ist hingegen eine echte plasmakatalytische Behandlung erforderlich. Der energetische Aufwand kann dann den Maximalwert von 150 °C Äquivalenztemperatur erreichen, der deutlich unter der einer konventionellen katalytischen Nachverbrennung liegt.
Die Totaloxidation von KW-Frachten in großen Volumenströmen erfordert beim gegenwärtigen Stand der Entwicklung noch hohe Plasmaleistungen. So wäre bei dem o.g. energetischen Aufwand für den im Projekt angestrebten Volumenstrom von 1.000 m³/h eine Plasmaleistung von 11-12 kW erforderlich. Diese Leistungsklasse ist mit Impulskorona-Reaktoren zwar prinzipiell erreichbar aber nach unseren und vergleichbaren internationalen Erfahrungen hinsichtlich Aufwand und Platzbedarf weig sinnvoll und bezüglich der Kosten gegenwärtig nicht realisierbar. Ob die Handicaps mit leichter skalierbaren Barrierenreaktoren überwunden werden können, muß die Weiterentwicklung der Hardware und ihre Anwendung zeigen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse dieses Projekts wurden der Öffentlichkeit vorgestellt in/auf:

- H. Beyer, R. Rudolph, NOx-Abbau und Diagnostik von OH-Radikalen in einer Impulskorona-Entladung, 7. Fachtagung Plasmatechnologie, Bochum 1996
- H. Beyer, H. Gündel, R. Rudolph, W. Roß, Vergleich von Elektronenstrahl und Impulskorona-Entladung für die Zersetzung organischer Gase, 7. Fachtagung Plasmatechnologie, Bochum 1996
- R. Rudolph, D. Berger, Abbau von Kohlenwasserstoffen in Luft mittels Impulskorona-Entladungen, 7. Fachtagung Plasmatechnologie, Bochum 1996
- R. Rudolph, W. Roß, Abbau von KW mittels Impulskorona und Elektronenstrahl, Platin-Fachtagung, Wuppertal 1996
- D. Berger, H. Beyer, K.-P. Francke, W. Roß, R. Rudolph, Removal of Hydro- and Halocarbons from Off-Gases by Pulse Corona and Electron Beam Discharges, RRAI 1996, Berlin 1996
- K.-P. Francke, W. Rohrbeck, R. Rudolph, H. Volkmann, 1 kW Pulse Corona Reactor for VOC Destruction, Int. Conf. on Gas Discharges and Their Applications, Greifswald 1997
- K.-P. Francke, R. Rudolph, Pulse Corona Treatment of Halogenated VOCs, Int. Conf. on Gas Discharges and Their Applications, Greifswald 1997
- R. Rudolph, Abbau von Kohlenwasserstoffen mittels Impulskorona, Platin-Fachtagung, Wuppertal 1997
-J. Leonhardt, M. König, R. Rudolph, Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von Schadstoffen aus einem Abluftstrom, DE 19738038 A1
- K.-P. Francke, R. Rudolph, Abbau leichtflüchtiger organischer Substanzen mittels nichtthermischer Atmosphärendruck-Plasmen, 8. Fachtagung Plasmatechnologie, Dresden 1997
- K.-P. Francke, H. Miessner, R. Rudolph, J. Rutkowski, Abbau leichtflüchtiger organischer Substanzen mittels plasmagestützter Katalyse, XXXI. Jahrestreffen deutscher Katalytiker, Dechema, Leipzig 1998
- K.-P. Francke, H. Miessner, R. Rudolph, J. Rutkowsky, Removal of VOCs by plasmacatalysis, 11th Symp. On Elementary Processes and Chemical Reactions in Low Temperature Plasma, Low Tatras 1998
- W. Rohrbeck, R. Rudolph, K.-P. Francke, H. Volkmann, 1 kW Pulse Corona Reactor for VOC Destruction, TFH Wildau, Wissenschaftliche Beiträge der TFH Wildau 2/98
- H. Bensch, K.-P. Francke, R. Rudolph, Oxidation of VOCs in air flows by pulse corona and heterogeneous catalyzer hybrid systems, Workshop on Water and Air Treatment by AOTs, Lausanne 1998
- IUT Plasma Catalytic Technology, Pollutec, Toulouse 1998
- K.-P. Francke, H. Mießner, R. Riedl, R. Rudolph, Plasmagestützter katalytischer Abbau der Stripperabluft in einer Grundwassersanierungsanlage, 9. Fachtagung Plasmatechnologie, Stuttgart 1999
- J. Leonhardt, Soil Remedation by Plasma Catalytic Technique, 5. Greifswalder Gespräche zur Plasmaphysik Databases for Modelling and Simulation of Plasmas, Greifswald, Mai 1999

Kontaktadressen:
- Institut für Umwelttechnologien GmbH
Rudower Chaussee 5, Haus 2.6
12489 Berlin
- Institut für Plasma- und Lasertechnik der TFH Wildau
Friedrich-Engels-Straße 63
15742 Wildau
- Nukem Berlin GmbH
Rudower Chaussee 5
12489 Berlin
- FWS Filter- und Wassertechnik GmbH
Schafwiesenstraße 5-11
78655 Dunningen-Seedorf


Fazit

Die im Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, daß eine plasmakatalytische Reinigung schwachbelasterer KW-haltiger Abluft möglich ist, die die Forderungen der TA Luft erfüllt. Dabei kann der TOC der Abluft merklich abgesenkt werden (Totaloxidation). Der energetische Aufwand ist merklich geringer als bei einer konventionellen katalytischen Nachverbrennung, muß aber für den Einsatz des Verfahrens für Abluftströme oberhalb von 10.000 m3/h weiter reduziert werden.

Übersicht

Fördersumme

536.856,48 €

Förderzeitraum

01.01.1996 - 02.12.1999

Internet

http://www.iut-berlin.de/

Bundesland

Berlin

Schlagwörter

Klimaschutz
Umweltforschung
Umwelttechnik