Luchtemissiebeperkende techniek – Adsorptiefilter

Inhoud

• Varianten en synoniemen
• Verwijderde stoffen
• Werkingsprincipe
• Toepasbaarheid
• Varianten techniek
• Installatie, ontwerp en onderhoud
• Milieuaspecten
• Financiële aspecten

Varianten en synoniemen

Adsorptiefilter, actief koolfilter, koolfilter, zeolietfilter, polymeerfilter

Verwijderde stoffen

Vooral: dioxine/furanen, geur, kwikdamp, VOS

In mindere mate: gehalogeneerde koolwaterstoffen, H₂S, HCl en HF, SO₂

Werkingsprincipe

Het werkingsprincipe van adsorptie berust op hechting van stoffen in een afgas aan het oppervlak van een vaste stof (adsorptiemiddel). In beginsel is adsorptie een fysische hechting gebaseerd op Van der Waalskrachten en niet op een chemische binding. Om een sterkere hechting te krijgen met de te verwijderen stof kan het adsorptiemiddel worden behandeld met chemicaliën zodat ook een chemische binding mogelijk wordt. Adsorptie moet niet verward worden met absorptie, waarbij moleculen, atomen of ionen van de te verwijderen stof oplossen in de wasvloeistof.

Adsorptie is een omkeerbaar proces, dat wil zeggen dat te verwijderen stof zich zowel kan hechten aan het oppervlak van het adsorptiemiddel als er weer kan van vrijkomen. Adsorptie is een exotherm proces, bij de hechting komt warmte vrij, voor het loslaten is energie nodig. Het evenwicht tussen de concentratie van de oppervlakte geadsorbeerde stof en de concentratie van de stof in het gas of de vloeistof is onder meer afhankelijk hoeveelheid van temperatuur en druk. Als het evenwicht is bereikt, is het adsorptiemiddel verzadigd. Niet alleen is het dan niet meer werkzaam maar kan het een emissiebron worden afhankelijk van de omstandigheden.

Het verzadigde adsorptiemiddel kan worden vernietigd of worden geregenereerd (desorptie). Tijdens de regeneratie komen de verwijderde stoffen in hogere concentratie weer vrij en kunnen zo worden teruggewonnen of worden vernietigd. De desorptie vindt plaats door spoelen met een gas, al dan niet voorverwarmd of onder vacuüm.

Er zijn verschillende adsorptiemiddelen, waarvan actief kool veruit de meest toegepaste is. De systemen zijn in verschillende uitvoering gebouwd, waarbij er onderscheid kan worden gemaakt in systemen waarbij continue regeneratie van het adsorptiemiddel is geïntegreerd en systemen waarbij de regeneratie/vernietiging gescheiden van het adsorptieproces plaatsvindt.

Toepasbaarheid

Adsorptiefilters kennen een brede toepassing in de gehele industriële sector bij het afvangen van gasvormige, doorgaans organische stoffen. Over het algemeen kunnen drie primaire toepassingen worden onderscheiden:

• het terugwinnen van een stof (grondstof, oplosmiddel, product, etc.) uit een afgasstroom
• het afvangen van gevaarlijke stoffen die niet gerecirculeerd kunnen worden maar moeten worden verbrand, zoals dioxines
• als ‘politiefilter’, geschakeld als laatste behandelingsstap voor het geval dat één van de voorgaande behandelingsstappen doorslaat of faalt

Zeer Zorgwekkende Stoffen

Adsorptiefilters kunnen geschikt zijn voor het afvangen van gasvormige ZZS Klik hier voor uitleg over dit begrip (opent in popup) (Zeer Zorgwekkende Stoffen). Adsorptiefilters zijn werkzaam bij de lage concentraties waarin ZZS doorgaans voorkomen in een afgasstroom. Ook is het goed mogelijk om de emissiegrenswaarden te halen die gelden voor ZZS. Bijkomend voordeel van adsorptiefilters is dat het adsorptiemateriaal verbrand kan worden als gevaarlijk afval, waardoor alle verontreinigingen op een doeltreffende wijze worden verwijderd.

Combinatie van technieken

Een adsorptiefilter kan geplaatst worden als enige techniek, maar kan ook worden gecombineerd met een brede diversiteit aan andere technieken. Adsorptiefilters zijn geschikt voor toepassing als tweede reinigingsstap van een afgasstroom waarbij een andere techniek eerst de grootste vracht verontreiniging al verwijderd heeft. Het adsorptiefilter dient dan om de emissieconcentratie tot onder de emissiegrenswaarde te brengen.

Indien adsorptie voor terugwinning wordt gebruikt is een andere techniek nodig om het desorptiegas te behandelen. De behandeling van de afgevangen verontreiniging in het desorptie kan bijvoorbeeld bestaat uit condensatie of absorptie. Indien de terugwinning niet mogelijk is, zal de behandeling vaak bestaan uit verbranding, van het desorptiegas of van de verzadigde actieve kool.

Prestaties

De prestaties zijn in de volgende tabel aangegeven. De gepresenteerde waarden zijn afhankelijk van de specifieke configuratie en bedrijfscondities. De waarden zijn in principe gebaseerd op halfuurgemiddelde waarden. In voorkomende situaties kunnen afwijkende waarden gerechtvaardigd zijn.

N.v.t. staat voor 'niet van toepassing' en is gebruikt voor geur. Voor geur zijn geen emissiegrenswaarden vastgesteld omdat de aanvaardbaarheid getoetst wordt aan de hand van de immissie (geurbelasting) bij gevoelige receptoren.

Bij de restemissie moet worden opgemerkt dat er een duidelijk verschil is tussen eenmalig gebruik waarbij lagere restconcentraties haalbaar zijn en gebruik met regeneratie waarbij dit niet mogelijk is.

Randvoorwaarden

Debiet [Nm³/uur]:

• P10: 20
• P50: 1.000
• P90: 35.000

Temperatuur [°C]:

• 5 – 80 (actief kool)
• < 250 (zeolieten)

Druk [bar]: 0,1 – 2 (actief kool); atmosferisch (zeolieten); hogere drukken voor PSA

Drukval [mbar]: 5 - 20

Vochtgehalte: lager dan 70% luchtvochtigheid, zo laag mogelijk, in elk geval moet condensatie worden voorkomen

Stof: lager dan 3-5 mg/Nm³

Ingaande concentratie [mg/Nm³]:

• VOS: 30 – 5.000 (maximaal 25% van de onderste explosiegrens, behalve voor regeneratie met vacuüm waar deze beperking niet voor geldt).
• Dioxines (ng/Nm³ TEQ): 10 – 100
• Geur (ou_E/m³): 5.000 – 100.000
• Kwik: 1 – 10
• H₂S: 1.500 mg/Nm³

Varianten techniek

Vast bed

Een adsorptiefilter met een vast bed is de eenvoudigste uitvoering van een adsorptiefilter en bestaat uit een bed dat gevuld is met adsorptiemateriaal waar doorheen afgassen worden geleid. Het vast bed kan bestaan uit voorgepakte patronen of cassettes die als dusdanig worden geleverd voor laag belaste systemen of uit een kolom waarin het adsorptiemateriaal, bijvoorbeeld actief kool, los wordt gestort (gepakt bed) voor hoog belaste systemen.

Als het adsorptiemateriaal verzadigd is, kan het worden geregenereerd of vernietigd. Regeneratie kan als vervolgstap in de installatie plaatsvinden of extern door een gespecialiseerd bedrijf worden uitgevoerd. Vernietiging vindt veelal door gespecialiseerde bedrijven plaats. Vaak worden vastbedfilters uitgevoerd met 2 of 3 adsorptiebedden: als bed 1 wordt geregenereerd kan bed 2 de afgasstroom reinigen en andersom.

Drukwisseladsorptie / Pressure-swing adsorption (PSA)

Een 'drukwisseladsorptiefilter' (PSA) bestaat uit 2 of meer parallel geschakeld adsorptiefilters met vast bed (meestal actief kool) waardoor een continu proces van adsorptie en desorptie mogelijk is. Adsorptie vindt plaats bij hoge druk en desorptie bij lage druk, of in het geval van vacuümregeneratie adsorptie bij nagenoeg atmosferische druk en desorptie onder vacuüm. Het proces bestaat uit 4 stappen:

1. druk wordt opgebouwd door het afgas dat in het adsorptiefilter stroomt
2. adsorptie van luchtverontreinigende stoffen bij hoge bedrijfsdruk, respectievelijk minimale overdruk
3. drukverlaging, respectievelijk vacuüm
4. luchtverontreinigende stoffen komen weer vrij bij lage druk of vacuüm
   Doordat deze in geconcentreerde vorm vrijkomen kunnen bijvoorbeeld VOS-dampen worden gecondenseerd of opgelost in een geschikt product en kan oplosmiddel of benzine zo worden teruggewonnen.

PSA wordt niet alleen gebruikt als emissiebeperkende techniek maar ook veel toegepast voor het scheiden van zuivere gassen, zoals bijvoorbeeld waterstof uit synthesegas of stikstof uit lucht.

Vanwege het wisselen tussen de 2 parallel geschakelde filters vertonen PSA's (en in mindere mate TSA's) een zaagtandvormig emissie patroon (nihil net na bedwissel oplopend tot ontworpen maximum en weer opnieuw nihil na bedwissel, enz.)

Injectie met actief kool

Voor toepassingen met hoge debieten en lagere concentraties wordt poedervormige actieve kool in de afgasstroom gespoten, waarna het actief kool met een doekfilter uit het behandelde afgas wordt gefilterd. Dit laatste wordt veelal gebruikt voor verwijdering van kwik of dioxines. Indien reeds een droge kalksorptie aanwezig is wordt soms een combinatie van kalk en actieve kool (Sorbalit®) geïnjecteerd om zowel de zure componenten als de dioxines en VOS af te vangen.

Zwevend bed en continu bewegend bed

Bij een adsorptiefilter met een zwevend bed en een continu bewegend bed beweegt het adsorptiemateriaal in tegenstroom ten opzichte van het afgas in een adsorptiekolom, waarna het verzadigde adsorptiemateriaal wordt afgescheiden voor regeneratie. Regeneratie vindt veelal door verwarmen plaats, waarna het adsorptiemateriaal wordt afgekoeld en weer bovenin de adsorptiekolom wordt ingevoerd. De dampen die tijdens de regeneratie vrijkomen worden afgezogen en bijvoorbeeld door koeling gecondenseerd en teruggewonnen. Het proces bestaat uit continue adsorptie en desorptie.

Bij een zwevend bed vindt de regeneratiestap in 1 kolom plaats met onderin 2 warmtewisselaars om het adsorptiemateriaal eerst te verwarmen voor de desorptie en na desorptie te koelen. Het geregenereerde adsorptiemateriaal wordt daarna pneumatisch weer bovenin het zwevend bed ingebracht. Bij een continu bewegend bed vindt de regeneratiestap in een andere kolom plaats.

Geïmpregneerd actief kool

Voor specifieke toepassingen en om de verwijderingsefficiëntie te verhogen wordt actief kool chemisch behandeld of geïmpregneerd. Geïmpregneerde actief kool adsorbeert niet alleen door 'fysische' Van der Waals-krachten maar ook door sterkere chemische bindingen (chemisorptie). Geïmpregneerde actief kool is speciaal ontworpen om luchtverontreinigende stoffen die moeilijk adsorberen op standaard actief kool af te vangen. Bekende toepassingen zijn:

• met oxidatiemiddel, bijvoorbeeld kaliumpermanganaat (KMnO₄) voor geurverwijdering door oxidatie van organische geurstoffen of KI (kaliumjodide) om de opnamecapaciteit voor zwavelwaterstof (H₂S) te verhogen waarbij H₂S wordt geoxideerd tot zwaveldioxide (SO₂)
• met zwavelverbindingen voor een betere verwijdering van zware metalen zoals kwik (Hg) door de vorming van sulfiden
• impregneren met een zuur zoals zwavelzuur om basische stoffen zoals ammoniak (NH₃) af te vangen
• impregneren met base (bijvoorbeeld natronloog, NaOH) om zure stoffen zoals zwavelwaterstof (H₂S) af te vangen

Installatie, ontwerp en onderhoud

De belangrijkste ontwerpparameters zijn:

• afgasdebiet
• samenstelling van de afgassen
• temperatuur
• vochtgehalte
• druk

Hoge temperatuur en vochtigheid leiden tot verminderde adsorptiecapaciteit. Hete afgassen moeten voor actief kool ten minste tot 80 °C worden gekoeld waarbij condensatie in het adsorptiefilter moet worden voorkomen. Vochtige afgassen moeten vooraf worden gedroogd. Hoge druk bevordert de adsorptiecapaciteit.

Alle adsorptieprocessen zijn exotherm: bij adsorptie wordt warmte vrijgegeven aan het bed. Daarnaast kunnen de actieve kool of de metalen op of in de actieve kool zorgen voor een katalytische oxidatie van de VOS in het bed. Dit kan sterke plaatselijke verhitting en zelfs zelfontbranding van het bed veroorzaken. Dit is vooral een gevaar bij bepaalde koolwaterstoffen zoals aldehyden, ketonen, polymeriserende stoffen, sommige organische zuren en terpentijn. Bij hogere concentraties van deze componenten kan actieve kool zelfs bij gassen op kamertemperatuur voor hete plekken (verminderd adsorptierendement) of voor bedbranden zorgen. Zelfontbranding kan worden tegengegaan door de lucht te bevochtigen en door scherpe controle van de temperatuur van het bed. Hierbij moet worden opgelet dat de efficiëntie van de actieve kool niet te sterk vermindert.

Monitoring

De efficiëntie kan worden bepaald door de VOS-concentraties voor en na het filter te meten, geuremissies kunnen worden bepaald door olfactometrie. Bepaling van de drukval is belangrijk om verstopping van het filter door stof te kunnen signaleren. Over het bed moet de druk ongeveer constant zijn; drukverhoging duidt op ofwel verstopping door stof of op het uiteenvallen van het actief kool in stof. Temperatuurmeting van het filter is noodzakelijk om brand te voorkomen.

Milieuaspecten

De belangrijkste voordelen zijn:

• geschikt voor lage restconcentraties die vereist zijn voor ZZS
• simpele, robuuste technologie
• eenvoudige installatie, ook retrofit
• geschikt voor discontinue processen

Nadelen zijn:

• gevoelig voor verstopping door stof
• mengsels van verschillende gassen kunnen leiden tot verzadiging van een bepaalde component
• minder geschikt voor hoge ingangsconcentraties door de snelle verzadiging
• niet geschikt voor natte afgassen

Hulpstoffen en energie

Waterverbruik: meestal geen, soms koelwater om de temperatuur van het adsorptiebed te beheersen of voor condensatie voor het terugwinnen van oplosmiddelen of koolwaterstoffen zoals benzine.

Chemicaliën: niet van toepassing.

Energieverbruik: Afhankelijk van de toepassing, stoom (voor desorptie) en stikstof (als spoelgas). Elektriciteit voor aandrijven van een ventilator, warmte voor het desorptieproces, bijvoorbeeld in de vorm van stoom, of opwekken van vacuüm en compressie/condensatie van de geadsorbeerde VOS.

Milieuafwegingen

Terugwinning: afhankelijk van de uitvoering is terugwinning mogelijk.

Lucht: er ontstaan geen andere vormen van luchtverontreiniging.

Afvalwater: Geen

Afval: Het adsorptiemateriaal moet periodiek vervangen worden, regeneratie kan maar een beperkt aantal cycli plaatsvinden. Als het adsorptiemateriaal geregenereerd wordt, moeten de geadsorbeerde stoffen opgevangen, behandeld en/of afgevoerd en vernietigd worden.

Financiële aspecten

Investeringen [EUR per 1.000 Nm³/uur]: 10.000 – 50.000

Operationele kosten [EUR per 1.000 Nm³/uur per jaar]: 2.500

Mobiele filters op huurbasis komen ook voor. Kosten hiervan liggen tussen 10 – 100 euro per filter per dag (opgave leverancier).

Operationele kosten

Dit is een opsplitsing van de operationele kosten. Ze tellen dus niet apart mee bij een kostenberekening. Zie ook Financiële aspecten op de pagina Opbouw van de factsheets.

Personeel [uur/week]: Enkele dagen per jaar

Materiaal [EUR per kg adsorptiemateriaal]: 0,8 – 6

Energieverbruik [kWh/1.000 Nm³]:

• PSA: 150 – 300 (terugwinning van VOS in adsorptiemateriaal)

Baten: terugwinning van de afgevangen stoffen

Kostenbepalende parameters:

• Ingangsconcentratie van de verontreiniging
• debiet
• levensduur van adsorptiemateriaal

Informatiebronnen

1. Handreiking luchtemissiebeperkende technieken; DHV, 15 april 2009
2. BREF Waste Gas Management and Treatment Systems in the Chemical Sector; first draft, 2019
3. BREF Common Waste Water and Waste Gas Treatment/Management Systems in the Chemical Sector, 2016
4. VITO LUSS