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8 ABLUFTTECHNIK UmweltJournal /September 2019 Abluftreinigung in Industrie und Landwirtschaft Biofilter: Kein Durchbrechen mehr Ein Anströmboden aus chemikalienbeständigem Recyclingkunststoff erhöht die Lebensdauer von Biofilteranlagen. Die hanit-Böden der HAHN Kunststoffe GmbH sind dabei problemlos in bestehende Flächen integrierbar. Biofilteranlagen ermöglichen eine kostengünstige und effiziente Geruchsund Schadstoffbeseitigung. Durch ihre einfache und natürliche Funktionsweise werden sie immer wichtiger für die Industrie, denn vor allem in großen Betrieben müssen Gerüche oder enorme Mengen schädlicher Luft umweltschonend gereinigt werden. Dabei wird die kontaminierte Abluft in den Filter geleitet und durchströmt dann das biologisch aktive Trägermaterial. Bei der folgenden bakteriellen Reinigung bildet sich eine chemisch stark belastete Umgebung im Filter. Deshalb sind resistente Materialen nicht nur bei den Anlagen selbst, sondern auch beim Filterboden erforderlich. Bisher verwendete Systeme bestehen zumeist aus Holz oder einem korrosiven Material, wie Metall und Beton. Die Folge hierbei, der Boden zersetzt sich schnell beziehungsweise wird porös. Dies führt zu Problemen bei der Instandhaltung und schlimmstenfalls ist ein Austausch des Filterbodens die Folge. Um dies zu vermeiden, hat die HAHN Kunststoffe GmbH ein ökologisches Gitterrostbodensystem entwickelt, das dem Mikroklima des Biofilters stand- hält. Aufgrund seiner chemischen Eigenschaften ist es besonders widerstandsfähig und langlebig. Die modulare Struktur ermöglicht es, den Boden aus dem patentierten Recyclingkunststoff hanit in jedes bestehende Biofiltersystem einzupassen. Temperaturfenster von -20 bis +50 Grad Celsius Aufgrund des geringen Wartungsaufwands und der Kosteneffizienz in Bezug auf Energiebedarf und Wasserverbrauch bieten Biofilter industriellen und landwirtschaftlichen Betrieben eine günstige Methode zur Abluftreinigung. Beim Durchströmen der Schüttung werden die Abluftinhaltsstoffe durch Sorptionsprozesse gelöst. Die nun freien Komponenten diffundieren in die Zellen der Bakterien und werden von diesen zu Verbindungen abgebaut, welche die Atmosphäre nicht belasten. Dabei entsteht im Filter aber ein anspruchsvolles Mikroklima. Die vorherrschende Temperatur von 35 Grad Celsius und die Luftfeuchtigkeit von nahezu 100 Prozent führen in Kombination mit den Bakterien immer zu Reaktionen mit dem Material, aus dem der Filter und sein Anströmboden bestehen. „Ist der Belüftungsboden aus Holz, wird dieses binnen kürzester Zeit zersetzt und brüchig,“ bestätigt Ulrich Hering, Leiter des technischen Vertriebs bei der HAHN Kunststoffe GmbH. „Wird Stahl verwendet, ist eine teure Verzinkung notwendig. Nach einiger Zeit bildet sich aber Weißrost und der Korrosionsschutz lässt nach.“ Thermoplastische Kunststoffe eignen sich hingegen durch ihre Materialbeständigkeit besonders gut als Trägerkomponente. Systeme aus Neukunststoff sind aufgrund ihrer Kostenstruktur meist sehr dünnwandig und daher nicht immer stabil genug, um über längere Zeit in solchen Anlagen zum Einsatz zu kommen. HAHN Kunststoffe hat deshalb mit hanit ein extrem widerstandsfähiges Recyclingmaterial aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) entwickelt, das als ökologischer Werkstoff für die Gitterrostböden dient. „Bei gängigen Produkten sind die Wandstärken um einiges dünner – oft nur zwei Millimeter. Wir erreichen mit hanit bis zu 20 Millimeter, was den Kunststoff besonders stabil und alterungsresistent macht und ein Temperaturfenster von minus 20 bis plus 50 Grad Celsius ermöglicht“, erklärt Hering die Vorteile dieses Materials. Geometrie lässt große Anströmfläche zu 1 2 3 Fotos: HAHN Kunststoffe GmbH 1: Jedes Segment lässt sich bei einer Höhe von acht Zentimeter ohne Werkzeug zu Revisionszwecken entnehmen, da die Elemente mit 15 Kilogramm vergleichsweise leicht sind. | 2: Durch einen passgenauen Kopf mit Krone können Füße an jeder Stelle des Bodens arretiert werden. ) | 3: Biofilteranlagen ermöglichen eine kostengünstige und effiziente Geruchs- und Schadstoffbeseitigung. Die kontaminierte Abluft wird in den Filter geleitet und durchströmt dann das biologisch aktive Trägermaterial. In der Herstellung der Böden wird besonders darauf geachtet, keine Imprägnierungen zu verwenden und eine schadstofffreie Produktion zu gewährleisten. Die einzelnen Gittersegmente sind mit einem Meter Länge und 50 Zentimetern Breite so bemessen, dass sie mit geringem Aufwand zusammengesetzt werden können. Durch die offene Bauweise ist zudem eine Durchströmfläche von 32 Prozent realisierbar, womit sich der Gitterrost für die Filterung großer Abluftmengen eignet. Da das Material chemisch gesättigte Verbindungen enthält, reagiert der hanit-Recyclingkunststoff wasserabweisend, sodass es nicht zur Aufnahme aggressiver Stoffe kommen kann. Mit dieser witterungsbeständigen Materialvariante lässt sich ein permanenter Einsatz der Böden ohne Einschränkungen garantieren – ein Austauschen ist nicht notwendig. Zudem verhindert der spezielle Zuschnitt der Lüftungslöcher das Durchfallen von Filtermaterial. Jedes Segment lässt sich bei einer Höhe von acht Zentimetern ohne Werkzeug zu Revisionszwecken entnehmen, da die Elemente mit 15 Kilogramm vergleichsweise leicht sind. Die benötigte Tragkraft wird durch die Wabenstruktur an der Unterseite gewährleistet, da so die aufliegende Belastung gleichmäßig verteilt wird. Die Böden sind daher bis zu drei Tonnen befahrbar. Da hanit in der Beschaffenheit Holz sehr ähnlich ist, lässt es sich zudem leicht durch Bohren, Sägen, Schrauben und Nageln bearbeiten. Sollte ein hanit- Boden materialunabhängig ausgetauscht werden müssen, wird der Kunststoff einfach wiederverwendet: „Weil unser hanit mehrfach recycel- beziehungsweise schmelzbar ist, können Deponien entlastet werden“, resümiert Hering. Wie EFFIZIENt ist ihre bELüFtuNg Wirklich? LEt’s taLk Markus Leidinger, anwendungsspezialist abwassertechnik +49 175 9335602 markus.leidinger@aerzener.de Wirklich effizient bedeutet, die lastgänge in kläranlagen exakt zu bedienen. Denn in der Belüftung fallen bis zu 80% des gesamten energiebedarfes an. hier entsteht das größte einsparpotential. Mit unserem Produktportfolio Performance 3 – bestehend aus Blower,hybrid und turbo – finden wir immer die effizienteste und maßgeschneiderte lösung für sie. Profitieren sie von bis zu 30% energieeinsparung! let’s talk! 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September 2019/ UmweltJournal ABLUFTTECHNIK 9 Abluftreinigung in der Halbleiterindustrie mit niedrigstmöglicher Total Cost of Ownership Der Weg zur richtigen Abgasreinigungsanlage Durch immer komplexere Produktionsprozesse in der Industrie steigen auch die Erwartungen an die Leistungsfähigkeit von Abgasreinigungsanlagen: Sie erfüllen im Optimalfall nicht nur die gesetzlichen Regelungen, sondern weisen auch eine vergleichsweise geringe Total Cost of Ownership (TCO) auf. Um diese Vorteile in der Praxis zu realisieren, müssen die eingesetzten Technologien präzise auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt sein. Autor: Dani Muse centrotherm clean solutions GmbH Weltweit sind laut einer Untersuchung der WHO mehr als 90 Prozent der Menschen verschmutzter Luft ausgesetzt. Angesichts dieser Zahl sehen viele Industrieunternehmen die Abluft- beziehungsweise Abgasreinigung als ein zum Teil sehr kostspieliges, aber notwendiges Übel an. Dabei birgt dieser Sektor großes Potenzial im Hinblick auf die Energieeffizienz ganzer Produktionsprozesse – zum Beispiel, wenn es gelingt, Wärme aus Abgasen mit Hilfe von Wärmeübertragern möglichst vollständig weiterzuverwenden und Medien, die in den Prozessen nicht verbraucht werden, stofflich und/ oder energetisch zu nutzen. Den ersten Schritt dorthin bildet der Einsatz effizienter Abgasreinigungsanlagen. Bereits jetzt erfordern die stetig komplexeren industriellen Herstellungsprozesse, in denen immer mehr verschiedene Chemikalien zum Einsatz kommen, ein hohes Maß an Flexibilität und Kombinationsfreiheit im Bereich der Abgasreinigungssysteme. Dadurch werden Sonderlösungen zum Normalfall, die je nach Anforderungen auf verschiedene Technologien zur Gasreinigung zurückgreifen können: In der Halbleiter- und Photovoltaikindustrie beispielsweise sind dies im Wesentlichen die thermische Behandlung (Verbrennung), die Nasswäsche sowie die Trockenbettab- beziehungsweise -adsorption an Aktivkohlen oder Granulaten. Um hier höchste Effizienz hinsichtlich Reinigungsergebnis und Kosten zu erzielen, gilt es, aus diesen Verfahren richtig auszuwählen sowie optimal zu kombinieren. Das betrifft im Besonderen Stoffe, die mit mehreren Technologien aufgereinigt werden können, wie beispielsweise Trichlorsilan, Bromwasserstoff, Bortrichlorid oder flüchtige organische Verbindungen (VOCs). Berücksichtigung aller Faktoren für Technologiewahl Als Grundlage für die Entscheidung, welche Technologie anzuwenden ist, sollten für jedes Projekt mehrere Aspekte individuell bewertet werden. Dies lässt sich am Beispiel der Photovoltaikund Halbleiterindustrie gut aufzeigen: Neben den Investkosten der einzelnen Reinigungsverfahren sind insbesondere die Ausgaben für Betriebsstoffe wie Brennoder Inertgase, für Druckluft, Strom, Abwassergebühren (diese können je nach Standort stark variieren) sowie für Service- und Wartungsbedarf zu berücksichtigen. Bei der Trockenbettabsorption gilt es zudem, die Wechselintervalle für die Absorberfüllung zu beachten. Diese Kriterien werden als Total Cost of Ownership (TCO) zusammengefasst. Hinzu kommt die Bewertung der Reinigungseffizienz und des benötigten Platzes für die Aufstellung (Footprint). Bei einem Vergleich von thermischer Behandlung und Trockenbettabsorption beispielsweise sollte im Hinblick auf die TCO unter anderem bedacht werden, dass ein Brenner-Wäscher in der Anschaffung zunächst teurer, weil deutlich komplexer, ist. Dafür reinigt er aber zuverlässig eine größere Bandbreite an Gasen ab als ein Trockenbettabsorber, dessen Füllung auf die Absorption einer oder weniger Gasarten optimiert ist. Im laufenden Betrieb benötigt der Brenner-Wäscher Brenngas, Luft und Strom, wobei die Brenngasmenge an die Schadgasmenge und -art angepasst werden kann. Der Trockenbettabsorber wird dagegen über die Zeit mit Schadstoffen beladen. Wenn die Kapazitätsgrenze erreicht ist, muss die Füllung gewechselt werden. In Abhängigkeit von der Schadstoffmenge, die über einen bestimmten Zeitraum hinweg anfällt, kann die TCO beim Trockenbettabsorber somit höher ausfallen als beim Brenner-Wäscher. Daher ist es wichtig, vor der Entscheidung über die Gasreinigungstechnologie den Prozess und die anfallenden Schadgase und Schadstoffmengen sowie deren zeitlichen Verlauf möglichst genau zu erfassen beziehungsweise abzuschätzen und zu bewerten. Geschieht dies nicht, kauft der Kunde im schlimmsten Fall eine Anlage, die die gesetzlichen Anforderungen erfüllt, bei der aber die TCO deutlich höher liegt, als es mit einer anderen Technologie möglich wäre. Technologieoffene Beratung entscheidend Unternehmen, die Luftverunreinigungen aus ihren Abgasen abscheiden müssen, sollten sich vor dem Kauf eines Abgasreinigungssystems umfassend über die verschiedenen Möglichkeiten und Anbieter informieren und am besten eine Abgasreinigungsfirma wählen, die alle für einen bestimmten Anwendungsfall relevanten Technologien beherrscht. Nur bei einem solchen Betrieb ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass wirklich technologieoffen beraten wird. Anbieter mit nur einer Technologie im Portfolio werden dagegen eher prüfen, ob diese für die geforderte Reinigungsaufgabe grundsätzlich geeignet ist – das heißt, ob mit diesem Verfahren am Kundenstandort die gesetzlichen Vorschriften zur Einhaltung der Abgasgrenzwerte erfüllt werden können. Hier ist zwar davon auszugehen, dass der Anbieter über die Vorteile und Invest- sowie Betriebskosten der angebotenen Technologie Auskunft gibt. Für den Anbieter einer einzigen Technologie wird jedoch weniger relevant sein, an potenzielle Kunden zu vermitteln, dass es noch eine wirtschaftlichere Reinigungsart als diejenige im eigenen Portfolio gibt. Selbst wenn der Kunde vorab auf einem Vergleich aller relevanten Verfahren einschließlich TCO besteht, ist nicht gewährleistet, dass der Anbieter über das notwendige Know-how für diesen Vergleich verfügt. Zum Kauf eines Systems mit ungünstiger TCO kann es jedoch auch dann kommen, wenn ein Unternehmen kontaktiert wird, das alle relevanten Abgas- 1 2a 2b 3 1: Die wesentlichen Technologien in der Halbleiter- und Photovoltaikindustrie sind die thermische Behandlung (Verbrennung), die Nasswäsche sowie die Trockenbettabsorption an Aktivkohlen oder Granulaten. Um höchste Effizienz hinsichtlich Reinigungsergebnis und Kosten zu erzielen, gilt es, aus diesen Verfahren richtig auszuwählen sowie optimal zu kombinieren. Beispiel Silizium-Epitaxie: Hier fallen hohe Mengen an brennbaren sowie toxischen und korrosiven Gasen an. Im Wesentlichen sind dies Dichlorsilan (DCS), Trichlorsilan (TCS), Phosphin (PH3), Diboran (B2H6), Wasserstoff (H2) und Chlorwasserstoff (HCl). Das einzige Verfahren, das alle Schadgase inklusive H2 zuverlässig entsorgen kann, ist die thermische Behandlung. | 2: Bei der thermischen Gasreinigung werden Abgase bei sehr hohen Temperaturen aufgespalten und in einer anschließenden Nassstrecke ausgewaschen. | 3: Bei der Trockenbettabsorption kommen ein oder mehrere unterschiedliche Granulate zum Einsatz, welche die toxischen, ätzenden und/oder entzündlichen Gase und Beiprodukte absorbieren. reinigungstechnologien anbietet. Dies ist unter Umständen dann der Fall, wenn ein Kunde ein festgelegtes Budget für die Investition in eine Anlage angibt, dieses Budget beim Kauf der Anlage eingehalten wird, aber die beauftragte Firma nicht parallel darauf hinweist, dass mit einer anderen Technologie die TCO geringer ausfallen würde. Das kann vermieden werden, wenn der Kunde einen Technologieanbieter mit Schwerpunkt auf Beratungsleistungen wählt, wie dies unter anderem bei centrotherm clean solutions der Fall ist. Häufig stellt sich dann heraus, dass zwar ein Budget vorgegeben ist, über die Vorgabe aber noch innerhalb des beauftragenden Unternehmens verhandelt werden kann. Beispiel aus Halbleiterindustrie: Silizium-Epitaxie Der Mehrwert einer Beratung durch Unternehmen, die alle relevanten Abgasreinigungstechnologien anbieten, lässt sich anhand eines Beispiels aufzeigen: Die Silizium-Epitaxie in der Halbleiterproduktion gehört zu den herausforderndsten Prozessen in der Industrie. Hierbei werden dünne Siliziumschichten auf ein Substrat aufgewachsen, indem Silizium aus der Gasphase mit dem erhitzten Substrat reagiert. Das Abgasgemisch besteht meist aus hohen Mengen an brennbaren Gasen sowie toxischen und korrosiven Bestandteilen. Im Wesentlichen sind dies Dichlorsilan (DCS), Trichlorsilan (TCS), Phosphin (PH3), Diboran (B2H6), Wasserstoff (H2) und Chlorwasserstoff (HCl). Um eine Technologie zu bestimmen, die in einem Anwendungsfall wie diesem grundsätzlich zum Einsatz kommen kann, sollte zunächst die Art des Prozesses und damit die Art der Schadstoff-Komponenten im Abgas betrachtet werden. Wenn für eine Anwendung prinzipiell mehrere unterschiedliche Technologien geeignet sind, kann durch einen detaillierten TCO- Vergleich die wirtschaftlichste Lösung ermittelt werden. Bei diesem Vorgehen steht im vorliegenden Beispiel am Ende folgendes Ergebnis: Der Nasswäscher ist für die Silizium-Epitaxie-Anwendung nur bedingt geeignet, da er lediglich die korrosiven Gase DCS, TCS und HCl entfernt. Die Dotiergase PH3 und B2H6 sowie H2 werden nicht behandelt. Letzterer könnte zwar – da er nicht toxisch, sondern „nur“ brennbar ist – durch Verdünnen auf Konzentrationen unterhalb der Explosionsgrenze unschädlich gemacht werden, für die toxischen Dotiergase ist dies jedoch keine Lösung. Mittels Trockenbettabsorption können prinzipiell alle genannten Gase außer H2 entfernt werden. Die Schadstoffmengen (insbesondere der Wert für HCl) sind bei diesem Prozess jedoch so hoch, dass das Absorbergranulat sehr schnell verbraucht werden würde. Die TCO dieser Lösung wäre also sehr hoch. Das einzige Verfahren, das alle Schadgase inklusive H2 zuverlässig entsorgen kann, ist die thermische Behandlung. Ihre TCO fällt im Vergleich mit der Trockenbettabsorption auch niedriger aus, so dass die Technologie in diesem Anwendungsfall zu bevorzugen ist. Technologisches Know-how als Voraussetzung Fotos: centrotherm clean solutions GmbH & Co. KG Essentiell für einen optimalen, kosteneffizienten Einsatz von Gasreinigungstechnologien ist somit, dass stets genau analysiert und individuell entschieden wird, welches Verfahren sich für eine bestimmte Anwendung am besten eignet. Von Verallgemeinerungen sollte Abstand genommen werden, auch wenn sich gewisse Tendenzen hinsichtlich der Eignung der verschiedenen Technologien ausmachen lassen: So ist zum Beispiel in der Halbleiterindustrie bei kleinen Schadstoffmengen, wie sie in der Regel in Forschung & Entwicklung sowie Kleinserienfertigung entstehen, oftmals die Trockenbettabsorption die wirtschaftlichste Lösung. Dagegen sind in der Massenproduktion bei den meisten Prozessen die anfallenden Schadstoffmengen in der Regel so hoch, dass thermische Lösungen sowohl aus technischer, als auch aus wirtschaftlicher Sicht die bessere Option darstellen. Festzuhalten bleibt: Angesichts der Komplexität vieler Prozesse kann die Beurteilung, welche Technologie sich für eine spezifische Abgasreinigungsanwendung am besten eignet, nur von Experten vorgenommen werden. Tischkalender_289x55mm.indd 1 01.08.19 13:33
