Regeneratieve sorptie

Synoniemen, afkortingen en/of procesnamen

—  Rotor concentrator
—  Pressure swing adsorption (PSA)

Verwijderde componenten

—  VOS
—  Geur

Principeschema 

Procesbeschrijving

Het proces bestaat uit een bed van adsorbens (actieve kool, zeoliet, polymeer of een combinatie) waarop eerst de geur of solventen worden geadsorbeerd en nadien terug worden gedesorbeerd waarna de cyclus opnieuw kan starten. Meestal zijn een 5-tal cycli nodig om een stabiele adsorptie en desorptiehoeveelheid te krijgen.

Het desorberen kan gebeuren via drukverlaging, temperatuurverhoging of een combinatie. Meestal gebeurt de desorptie met stoom, hete lucht of heet inert gas. Deze opsplitsing wordt verder onder varianten besproken.

Het tijdstip van de regeneratie kan vast worden ingesteld of kan gedetecteerd worden met behulp van een sensor. Indien men een constante gemiddelde emissie heeft kan met vaste tijdstippen worden gewerkt. Indien men sterk fluctuerende vrachten aan solventen heeft in de afgassen kan best met een sensor worden gewerkt. Hierbij is de afregeling van de grenswaarde waarbij de sensor werkt en van de tijd van de timer cruciaal voor een goede werking van de installatie.

De gassen die vrijkomen bij de desorptie dienen verder te worden behandeld. In het geval van stoom of vacuümregeneratie kan met behulp van een condensor uit de desorptiegassen makkelijk het solvent worden teruggewonnen. Er is dan slechts een zeer kleine stroom niet condenseerbare componenten over die eventueel terug naar de adsorptiekring kan worden gestuurd. Bij desorptie met hete lucht of heet inert gas kan een opconcentrering van 10 – 15 keer verkregen worden. De desorptiegassen zijn in dit geval minder geschikt voor solventrecuperatie maar goed voor naverbranding. Door de opconcentrering is een kleinere naverbrander nodig en is het verbruik aan steunbrandstof lager of niet nodig.

Belangrijk is dat de werkcapaciteit van het adsorbens in een regeneratieve installatie kleiner is dan van vers adsorbens. Dit komt doordat niet alle actieve plaatsen terug vrijkomen bij de desorptiecyclus.

Bij actieve kool is de werkcapaciteit ongeveer 50 % van de capaciteit van verse actieve kool. Bij zeoliet is dit ongeveer 90 % van vers zeoliet en bij polymeer varieert de werkcapaciteit tussen 50 en 90 %.

Men vermoedt dat actieve kool en polymeer slecht 50 % van hun capaciteit als werkcapaciteit beschikbaar hebben door microporiën van deze twee materialen. Uit deze microporiën kunnen VOS moeilijk worden gedesorbeerd. Men zou pyrolyse moeten toepassen om deze VOS te verwijderen. Hierbij zou echter de structuur van de actieve kool veranderen en/of het polymeer vernietigd worden.

Zeoliet heeft een uniforme poriëngrootte en hierdoor blijkt de werkcapaciteit hoger.

Bij het ontwerp van de installatie moet de werkcapaciteit gekend zijn. De benodigde bedgrootte kan namelijk 2 maal zo groot zijn dan berekend met vers adsorbens. Op deze manier heeft de werkcapaciteit een groot effect op de grootte van de installatie en hiermee op de investerings- en werkingskosten.

De adsorptie bedraagt tot 30 m% solvent bij vers adsorbens. Voor de regeneratieve werking wordt de dimensionering meestal tussen 5 en 10 m% per cyclus berekend.

Men heeft bij testen vastgesteld dat een combinatie van adsorbentia betere resultaten geeft voor mengsels van VOS dan een bed dat maar uit één adsorbens bestaat. Bij een gasstroom met xyleen en methanol is dit aangetoond met een mengsel van actieve kool en zeoliet. Dit werd verklaard door het feit dat xyleen beter op actieve kool en methanol beter op zeoliet adsorbeert. Hierdoor krijgt men globaal een betere adsorptie door het bed. Dit geldt zowel voor regeneratieve als voor eenmalige adsorptie. Wegens de hoge kostprijs van zeolieten en polymeren zal in de praktijk dergelijke combinatie enkel uitgevoerd worden bij regeneratieve sorptie.

Varianten  

Er bestaan drie verschillende uitvoeringsvormen van adsorptie-desorptieinstallaties:

  1. Thermische regeneratie
  2. vacuümregeneratie
  3. rotor concentrator

Thermische regeneratie

Bij thermische regeneratie bestaat de installatie uit 2 of meer adsorbensbedden. Hierbij wordt één bed geregenereerd, het andere bed blijft actief voor adsorptie. Het eventuele derde bed wordt na de regeneratie gedroogd, gekoeld en staat in stand-by. De regeneratie wordt uitgevoerd door stoom in het bed te blazen zodat het bed opwarmt en de VOS desorberen. Dit gebeurt bij temperaturen tussen 80 en 200 °C. Na het desorberen wordt er koellucht door het bed geblazen zodat het afkoelt en droogt. Dit wordt gedaan tot de gewenste temperatuur en vochtigheid van het bed is bereikt.

Initieel werd vooral stoom gebruikt om te regenereren. Nadien zijn onder meer ook hete lucht, hete stikstof, ingebouwde verwarmingselementen en microgolven met succes gebruikt. Thermische regeneratie is het meest geschikt voor vluchtige VOS.

Deze techniek kan zowel bij actieve kool, zeoliet als polymeer worden gebruikt.

In onderstaande tabel zijn typische waarden opgegeven voor regeneratieve adsorptie op actieve kool en de vereiste hoeveelheid stoom voor desorptie van het solvent.

Tabel: typische waarden voor adsorptie op actieve kool [1]

Solvent

Inlaatconcentratie

(ppm)

Optimale solvent-belading (m%)

Vereiste stoom

(kg/kg solvent)

dichloormethaan

10 000

17

1,4

Tetrahydrofuraan

5 000

9

2,3

n-hexaan

5 000

8

3,5

Ethylacetaat

5 000

13

2,1

Trichloroethyleen

5 000

20

1,8

n-heptaan

5 000

6

4,3

Tolueen

4 000

9

3,5

MIBK

2 000

9

3,5

Thermische desoptie is zeer geschikt voor solventrecuperatie. De solventrijke desorptiegassen worden direct gecondenseerd (zie condensatie en cryocondensatie) of via membraanfiltratie teruggewonnen. De resulterende vloeistof bestaat uit één of meerdere solventen en water indien met stoom wordt gedesorbeerd. Bij grotere solventhoeveelheden of bij een waardevol solvent wordt via decantering (waterafscheiding) en destillatie terug een zuiver solvent verkregen dat hergebruikt kan worden. Indien de samenstelling te complex is of de hoeveelheden of de waarde te laag is, worden de solventen afgevoerd voor verbranding. In het laatste geval kan ook gekozen worden voor verbranding van de solventen in gasfase via naverbranding (techniekbladen thermische naverbranding, recuperatieve thermische oxidatie, regeneratieve thermische oxidatie, katalytische oxidatie, recuperatieve katalytische oxidatie en regeneratieve katalytische oxidatie).

Vacuümregeneratie

Om contaminatie van de VOS met bijvoorbeeld stoom te vermijden en de solvent terugwinning te verbeteren kan vacuümregeneratie worden toegepast. Men spreekt dan van pressure swing adsorption. Hierbij wordt met behulp van een vacuümpomp de druk van het bed verlaagd zodat de VOS bij de temperatuur van het bed reeds koken. Tijdens het koken van de VOS zal de temperatuur van het bed langzaam dalen.

Soms wordt een kleine hoeveelheid inert gas toegevoegd om het transport van VOS uit de filter te bevorderen. De VOS wordt nadien teruggewonnen door een afscheiding uit de uitlaat van de vacuümpomp (condensatie, membraanscheiding, compressie,…)

De zuiverheid van de gerecupereerde VOS is afhankelijk van de zuiverheid van de VOS in de afgassen en van de zuiverheid van het inerte gas. Indien dit gas nog water bevat kunnen de gerecupereerde VOS verontreinigd zijn met water. Via destillatie kunnen de solventen verder worden opgezuiverd.

Indien de zuiverheid onvoldoende is en verder opzuivering te duur is worden de VOS als vloeistof afgevoerd voor verbranding of in dampvorm afgebroken via thermisch of katalytische oxidatie (thermische naverbranding, recuperatieve thermische oxidatie, regeneratieve thermische oxidatie, katalytische oxidatie, recuperatieve katalytische oxidatie en regeneratieve katalytische oxidatie).).

Deze techniek kan eveneens bij zowel actieve kool, zeoliet als polymeer worden gebruikt.

Rotor concentrator

In een rotor concentrator is het adsorbens in een ronddraaiend wiel gebracht (zie onderstaande figuur). De grootste oppervlakte van het wiel wordt gebruikt om de polluenten te verwijderen uit de afgassen. Een klein gedeelte van de rotor wordt gebruikt om te desorberen. Soms wordt na het desorbeer gedeelte nog een sectie geplaatst met koellucht om de rotor terug af te koelen zodat de adsorptie met voldoende rendement kan optreden.

Een rotor concentrator is een thermische adsorptie-desoptieeenheid waarbij het doel meestal is de VOS te vernietigen en niet om ze te recupereren. In een rotor-concentrator worden de afgassen 10 - 15 maal opgeconcentreerd waardoor de nageschakelde verbrandingsinstallatie een factor 10 kleiner kan zijn en slechts een fractie van de oorspronkelijke steunbrandstof verbruikt. De sterke reductie in vereiste steunbrandstof komt enerzijds door het 10 maal lagere debiet en anderzijds door de hogere concentraties aan VOS waardoor per volume afval minder steunbrandstof nodig is.

Vooral bij grote afgasdebieten met lage solventconcentraties is een rotor concentrator aangewezen om de kosten voor afgasreiniging te drukken.

Een alternatief voor de regeneratie met opgewarmde lucht die verder wordt verbrand is het gebruik van een gesloten luchtkringloop. De VOS worden uit deze gesloten kringloop gehaald met een warmtepomp die de VOS condenseert en nadien de lucht opwarmt.

Zeer belangrijk is dat de geconcentreerde gasstroom onder 25 % van de onderste explosiegrens vanuit veiligheidsoverwegingen (brand en explosiegevaar).

Werkingsgraad

De werkingsgraad is een combinatie van de werkingsgraad van de adsorptie en nabehandeling van de gassen (condensatie, naverbranding,…). Indien de adsorptie een rendement van 96 % en de nabehandeling een rendement van 98 % heeft is het globale rendement 96 % x 98 % = 94 %. Zowel de adsorptie als de nabehandeling hebben dus een invloed op het definitieve rendement. Hierbij zal de techniek die het laagste rendement heeft echter de grootste invloed hebben op het definitieve rendement.

Het rendement van regeneratieve adsoptie is 95 – 99 % waarbij eindconcentraties van minder dan 20 mg/Nm³ mogelijk zijn [6].

Typische eindconcentratie voor regeneratieve adsorptie is 20 ppm maar deze kan zelfs tot 5 ppm beperkt worden [1].

Randvoorwaarden

Zie afzonderlijke techniekbladen actieve kool, zeoliet en polymeer.

Vanuit veiligheidsoverwegingen (brand en explosiegevaar) is een bijkomende voorwaarde dat de geconcentreerde stroom een concentratie lager dan 25 % onderste explosiewaarde moet hebben.

Ingangssolventconcentratie: 500 – 10 000 mg/Nm³ [1]
                                                     500 – 5 000 mg/Nm³ [2]

De aanwezigheid van veel hoogkokende moleculen (Tk > 140 -160 °C) moet worden vermeden vermits deze moeilijk of niet desorberen en de adsorptiecapaciteit op termijn zullen verminderen vermits na iedere regeneratie een deel VOS achterblijven [6].

Hulpstoffen

Stoom, inert gas, koelvloeistof, warmte. Dit is afhankelijk van het gebruikte systeem.

Bij gebruik van stoomregeneratie wordt met solvent gecontamineerd afvalwater geproduceerd a rato van 4 – 6 m³/ton geregenereerd solvent [6].

Milieu-aspecten

Bij regeneratie met stoom wordt afvalwater geproduceerd.

De milieu-aspecten worden ook sterk beïnvloed door de manier waarop de meer geconcentreerde VOS verder worden verwerkt:

—  Condensatie onzuivere VOS: afzet verontreinigde VOS;
—  Condensatie zuivere VOS: hergebruik, geen reststoffen;
—  Naverbanding: extra NOx, CO.

Energieverbruik

Elektriciteitsverbruik 2 – 4 kWh/1 000 m³ voor de adsorptie [6]. Aardgas voor stoom, heet gas,… voor regeneratie is afhankelijk van de concentratie aan VOS, regeneratiefrequentie, regeneratiemethode, … . Elektriciteit voor koeling indien condensatie wordt toegepast.

Kostprijs

  • Investering
    — 
    Sterk uiteenlopend naargelang toepassing en uitvoeringsvorm
    —  Specifiek voorbeeld: 240 000 EUR voor 1 000 Nm³/h inclusief de stoomgeneratie [2]
  • Werkingskosten

De werkingskosten zijn zeer sterk afhankelijk van de wijze van regeneratie, gebruikt adsorbens, concentratie in de afgassen , type solvent, … .[3]

Voor stoomregeneratie geldt als richtinggevende waarde voor een solventconcentratie van 5 g/m³ en voor een enkelvoudige opzuivering van het product[3]:

—  thermische energie = 5 500 kWh/ton solvent
—  elektriciteit = 700 kWh/ton solvent

Voor heet gas regeneratie geldt als richtinggevende waarde voor een solventconcentratie van 5 g/m³ en voor een enkelvoudige opzuivering van het product[3]:

—  thermische energie = 3 000 kWh/ton solvent
—  elektriciteit = 700 kWh/ton solvent

Voor regeneratie met in het bed geïntegreerde elektrodes geldt als richtinggevende waarde voor een solventconcentratie van 5 g/m³ en voor een enkelvoudige opzuivering van het product[3]:

—  thermische energie = 1 000 kWh/ton solvent
—  elektriciteit = 1 500 kWh/ton solvent

De opbrengsten voor het gerecupereerde solvent bedragen: 0,12 -1 EUR/kg VOS [6]

  • Gevalstudies

gevalstudie VOS verwijdering van spuitcabines voor verlijmen [4]

—  debiet 50 000 Nm³/h
—  VOS conc. 300 mgC/Nm³
—  VOS: voornamelijk aceton 80 % en 20 % ethylacetaat
—  Zeolietrotor + recuperatieve thermische naverbrandingseenheid
—  Opconcentrering factor 1:15;
—  debiet beladen regeneratielucht naar de verbrandingseenheid 3 350 Nm³/h
—  Aardgasverbruik 15 – 20 m³/h
—  Persluchtverbruik 2,5 m³/h
—  Elektriciteitsverbruik 65 kW
—  Investeringskosten incl. ventilator 435 000 EUR
—  Vervangingskost zeoliet: 95 000 EUR; garantie op zeoliet van 5 jaar
—  Zelfde installatie voor 75 000 Nm³: 515 000 EUR

Gevalstudie VOS verwijdering bij een producent van lakken [4]

—  debiet 100 000 Nm³/h
—  VOS conc. 200 - 300 mg/Nm³
—  Actiefkool rotor + recuperatieve thermische naverbrandingseenheid
—  Opconcentrering tot 20 000 m³/h;
—  Investeringskosten 3 250 000 EUR
—  Werkingskosten:

  • Aardgasverbruik 1 280 MWh/jaar = 19 400 EUR/jaar
  • Afschrijving: 220 000 EUR
  • Onderhoud: 45 000 EUR
  • Personeel: 13 000 EUR

Gevalstudie VOS verwijdering bij een drukkerij [4]

—  debiet 242 000 Nm³/h
—  Actiefkool rotor + regeneratieve thermische naverbrandingseenheid
—  Opconcentrering tot 40 000 Nm³/h;
—  Investeringskosten 2 500 000 EUR

Gevalstudie VOS verwijdering bij spuitlijnen [4]

—  debiet 80 000 Nm³/h
—  Actiefkool rotor + regeneratieve thermische naverbrandingseenheid
—  Opconcentrering tot 24 000 Nm³/h;
—  Investeringskosten 685 000 EUR

Voor- en nadelen

  • Voordelen
    — 
    Robuust
    —  Regeneratie van het adsorbens
    —  Grote besparing op investering en brandstofgebruik voor nageschakelde naverbrander (lage solvent-
          concentraties)
    —  efficiëntere recuperatie van solventen uit de meer geconcentreerde damp
    —  Specifieke voordelen adsorbentia (zie  actief kool adsorptie, zeoliet adsorptie en polymeer adsorptie)

Toepassingen

Bij spuitcabines van lakken, lijmen,… wordt regeneratieve adsorptie vooral ingezet om het debiet te verminderen en de concentratie te verhogen en zodoende de investerings- en werkingskosten te verminderen van bijvoorbeeld naverbranding. Indien het solvent een hoge waarde heeft en hergebruikt kan worden kan dit ook gerecupereerd worden.

In de procesindustrie wordt regeneratieve adsorptie met stoom of warmteregeneratie toegepast om solventen terug te winnen uit de afgassen.

Herwinnen van Perchloorethyleen bij de droogkuis. De regeneratiestap van de actieve kool is hier het probleempunt. De stoom moet van goede kwaliteit zijn. [5]

Referenties

  1. “solvent capture for recovery and re-use from solvent laden gas streams”, Environmental Technology Best Practice programme, guide GG 12
  2. Factsheets luchtemissie beperkende technieken, www.infomil.nl, Infomil
  3. VDI 2587 part 3: “Emission control: finishing plants for rolls of particularly packaging materials: coating, varnishing, lamination and vapour coating”, november 2001
  4. leveranciersinfo
  5. P. Van den Steen, A. Vercalsteren en R. Dijkmans., “Beste Beschikbare Technieken voor de Droogkuis”, December 1997
  6. L. Goovaerts, M. De Bonte, P. Vercaemst en R. Dijkmans., “Beste Beschikbare Technieken voor de metaalbewerkende nijverheid”, december 2003
  7. J. Van Deynze, P. Vercaemst, P. Van den Steen en R. Dijkmans., “Beste Beschikbare Technieken voor verf-,lak-,vernis- en drukinktproductie”, 1998
  8. (zie ook actief kool adsorptie, zeoliet adsorptie en polymeer adsorptie )
Producten en diensten: