DE102023126409A1

DE102023126409A1 - Chemisch-energetischer Abluftwäscher

Info

Publication number: DE102023126409A1
Application number: DE102023126409.5A
Authority: DE
Inventors: Volker Wendling
Original assignee: Procertus Umwelttechnik GmbH
Current assignee: Procertus Umwelttechnik GmbH
Priority date: 2023-09-28
Filing date: 2023-09-28
Publication date: 2025-04-03
Also published as: WO2025068218A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur umweltverträglichen Reinigung von ammoniakhaltiger Abluft, insbesondere von Tiermast- oder Lebensmittelbetrieben. Eine Flüssigkeit wird mit einem pH-Wert von größer als 8 in Form von Tröpfchen zu der Abluft zugeführt, wobei die Flüssigkeit einen Anteil an elektroaktiviertem Wasser (10) von mehr als 60 Gew.-% umfasst. Das elektroaktivierte Wasser (10) wird unter Anlegung einer elektrischen Spannung mittels eines Membrantrennverfahrens erzeugt, wobei die Flüssigkeit Natriumhypochlorit aufweist und der Anteil an Natriumhypochlorit beträgt weniger als 5 Gew.-% und mehr als 0,05 Gew.-%. Die Flüssigkeit weist Magnesiumchlorid auf und der Anteil an Magnesiumchlorid beträgt weniger als 5 Gew.-% und mehr 0,05 Gew.-%.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur umweltverträglichen Reinigung von ammoniakhaltiger Abluft, insbesondere von Tiermast- oder Lebensmittelbetrieben.
Ammoniak (NH₃) ist eine gasförmige Stickstoffverbindung und ein Vorläufer für Luftschadstoffe, wie beispielsweise Feinstaub. Ammoniakemissionen treten in allen Phasen der Güllewirtschaft auf, wobei der Ammoniakstickstoff aus den Exkrementen der Tiere die Hauptquelle darstellt. In Ställen verflüchtigt sich der Ammoniak aus dem Dung, breitet sich im Gebäude aus und wird schließlich durch das Lüftungssystem ausgeschleust.
Die Abluftvolumenströme aus zwangsbelüfteten Tierställen sind von tages- und jahreszeitlichen Veränderungen des Außenklimas, des Tierbesatzes, der Tiergröße und der Tieraktivität gekennzeichnet. Die Zusammensetzung der Stallabluft ist dabei vom Haltungs-, Lüftungs- und Fütterungsverfahren sowie vom allgemeinen Stallmanagement abhängig. Dementsprechend bewegen sich die erforderlichen Luftraten in der Masthaltung unter Winter- und Sommerbedingungen zwischen ca. 8 und 100 m³/(TP h). Die Ablufttemperaturen liegen im Regelfall zwischen 15 °C und 30 °C, die relative Feuchte schwankt zwischen 20 und 80 %. Aufgrund der relativ hohen Luftraten enthält die Abluft nur vergleichsweise geringe Konzentrationen an Luftschadstoffen. Die Geruchsstoffkonzentration schwankt je nach Haltungsverfahren zwischen 100 - 2.500 Geruchseinheiten je m³. Beim Gesamtstaub bewegen sich die Werte im Bereich von 0,5 - 10 mg/m³. Beim Ammoniak gilt gemäß Tierschutz-Nutztierhaltungsverordnung eine Konzentration von 20 ppm, die im Aufenthaltsbereich der Tiere nicht überschritten werden soll und somit die Rohgaskonzentration der zu filternden Abluft vorgibt. Daneben sind in der Abluft weitere Spurengase wie Kohlenstoffdioxid, Schwefelwasserstoff, Methan u. a. enthalten. Bei Unterflurentlüftung, stark verschmutzen Spaltenböden, aber auch bei Einsatz bestimmter Nebenprodukte als Futtermittel können die Spurengaskonzentrationen des Rohgases erheblich ansteigen.
Für eine effiziente Abluftreinigung ist es grundsätzlich wichtig, durch die bauliche Ausführung eine homogene Anströmung der Austauschflächen zu gewährleisten. Deshalb sollten unnötige Luftumlenkungen, zu geringe Abstände zwischen Ventilatoren und erster Austauschfläche (bei Druckbetrieb), zu kleine Druckkammern vor der ersten Austauschfläche oder der sehr ungleichmäßige Betrieb der installierten Ventilatoren vermieden werden. Beim Saugbetrieb sind die Ventilatoren der Abluftreinigungseinrichtung nachgeschaltet. In diesem Fall ist neben einem ausreichenden Abstand von der letzten Austauschfläche, besonders auf den Einsatz von korrosionsbeständigen Ventilatoren zu achten. Bei falscher Betriebsweise besteht die Gefahr, dass korrosive Gase und Aerosole aus der Abluftreinigungsanlage freigesetzt werden und die Ventilatoren schädigen.
Zur Abscheidung von Geruchsstoffen, Stäuben und Ammoniak werden in der Masthaltung überwiegend Biofilter, einstufige biologisch arbeitende Rieselbettfilter und mehrstufige Filter, zur Abscheidung von Stäuben und Ammoniak Chemowäscher eingesetzt. Bei allen genannten Verfahren treten die Abluftinhaltsstoffe an den feucht gehaltenen Austauschflächen von der Gasphase in die Wasserphase über.
Bei den Biofiltern stellt das durchgehend feucht zu haltende Biofiltermaterial die Austauschfläche dar, bei Rieselbettfiltern übernehmen diese Aufgabe das berieselte Füllkörpermaterial, sowie die sich im System bildenden Wassertröpfchen. Nicht ausreichend befeuchtete Austauschflächen bedingen Rohgasdurchbrüche und führen zur Verschlechterung des Abscheidegrades. Trocknen die Austauschflächen ab, kommt der Stofftransport an diesen Stellen in allen Systemen gänzlich zum Erliegen.
Der Stoffübergang wasserlöslicher Abluftinhaltsstoffe (z. B. Ammoniak) kann durch die Vergrößerung der Austauschfläche und durch eine möglichst große Konzentrationsdifferenz zwischen Gas- und Flüssigphase gesteigert werden. Da eine Erhöhung der Ammoniakkonzentration in der Stallluft gesetzlich nicht vertretbar ist, kann ein hoher Stoffübergang nur mittels einer möglichst geringen Ammoniakkonzentration im Waschwasser realisiert werden. In nur mit Wasser betriebenen Rieselbettfiltern oder Waschstufen steigt die Konzentration von Ammoniak im Waschwasser rasch an und das Konzentrationsgefälle nimmt bis zum Konzentrationsausgleich ab. Das Konzentrationsgefälle kann jedoch aufrechterhalten werden, wenn das gelöste Ammoniak chemisch gebunden (Chemowäscher) oder biologisch von Mikroorganismen umgesetzt (Biofilter, biologisch arbeitende Rieselbettfilter und Waschstufen) wird. Durch die Lösung von Ammoniak steigt der pH-Wert im Waschwasser. Bei der in biologischen Systemen einsetzenden Nitrifikation wird das Ammonium zu Nitrit und anschließend zu Nitrat oxidiert, was zu einem sinkenden pH-Wert führt.
Bei optimaler Nitrifikation ist die auf diese Weise erfolgende Versauerung des Waschwassers stärker als die basische Wirkung des in Lösung gehenden Ammoniaks, der pH-Wert sinkt deutlich ab und beeinträchtigt die mikrobielle Aktivität. In der Folge werden aus dem Waschwasser Stickoxide freigesetzt, die das System auf der Reingasseite ungefiltert verlassen und die Umwelt belasten. Daher muss der pH-Wert durch die gesteuerte Zugabe von Lauge angehoben werden.
Da der in der Stallabluft enthaltene Staub häufig zu Ablagerungen und Verstopfungen in Wasserverteilsystemen und Füllkörpern beiträgt, ist eine gute Vorabscheidung sinnvoll. Diese sollte bereits im Sammelkanal beginnen, über den die Abluft in die Abluftreinigungsanlage geführt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit sollte daher gering sein (maximal 3,5 m/s), damit der Grobstaub bereits im Sammelkanal sedimentiert. Eine Dämmung des Sammelkanals ist unerlässlich, um hier eine Kondensation der feuchten Stallluft zu verhindern.
Um Verstopfungen an den Austauschflächen der Füllkörperpackungen zu vermeiden, werden in aktuellen Abluftreinigungsanlagen Einrichtungen zur Vorbedüsung der Abluft vor Eintritt in die Füllkörperpackung eingesetzt. Grundsätzlich sollten die eingesetzten Füllkörper möglichst verstopfungssicher dimensioniert und ein Poren-Volumen von mehr als 95 % aufweisen. Gegebenenfalls können auch verschiedene Füllkörper kombiniert werden. Der abgeschiedene, zunächst wasserarme und somit nicht wasserlösliche Staub unterliegt einer Quellung. Durch die Wasseraufnahme nimmt seine Masse und Löslichkeit zu. Mit der Quellung kann der Staub dann zumindest teilweise biologisch abgebaut werden.
Bioaerosole, d. h. luftgetragene Partikel biologischen Ursprungs (Bakterien, Pilze, Sporen, Zellbestandteile) sind oft an Staubpartikel gebunden, sodass bei einer wirksamen Staubabscheidung auch mit einer Abscheidung von Bioaerosolen zu rechnen ist.
Bei den Planungen von Abluftreinigungsanlagen sind generell die wasserrechtlichen Anforderungen an den Umgang mit möglicherweise wassergefährdenden Stoffen zu beachten. Dies betrifft die Auslegung der Abluftreinigungsanlage selbst sowie die notwendige Lagerung von Betriebsstoffen wie Säuren, Laugen, Nitrifikationshemmern oder Additive sowie die Lagerung des Waschwassers.
In der DE 102 49 053 A1 wird eine chemische Einrichtung zur Reduzierung von Emissionen durch eine Waschanlage zu Minimierung von Umweltverschmutzungen beschrieben. Der beschriebenen chemischer Abluftwäscher, bestehend aus einem Waschabschnitt mit Verwirbelung und einem Mischungssystems.
Die DE 41 12 982 C 2 beschreibt einen Variante einer biologischen Abluftwäscher für einen Tierstall, mit mehreren in Kaskade angeordneten Wäscherabschnitten, in denen geschüttete oder aus Profilplatten bestehende Füllkörper angeordnet sind, über denen sich Wasseraustrittsdüsen und wenigstens ein Abluftanschluss befindet und unter denen sich ein Wassersammelbecken und wiederum wenigstens ein Abluftanschluss befindet und die durch das abwärtsfließende Wasser benetzbar und von der Abluft unter Erzeugung eines Druckabfalls durchströmbar sind. In dem bzw. den von der Abluft zuerst durchströmten Wäscherabschnitt(en) sind die Füllkörper zur Erzeugung eines niedrigen Druckabfalls unterschiedlich ausgebildet als in dem bzw. den von der Abluft später durchströmten Abschnitt(en).
DE 692 29 246 T2 beschreibt ein Verfahren zur Behandlung von Abluft aus einem Stall und zur Behandlung von Waschflüssigkeit von dem mindestens ein Teil in einem Dungsammelraum stattfindet, der unterhalb eines Stellplatzes in einem Aufenthaltsbereich an für die Tiere angeordnet ist um mit diesem über ein Gitter im Boden des Stellplatzes kommuniziert, wobei die Abluft von den Aufenthaltsbereich durch einen Sprühbereich für Waschflüssigkeit geleitet wird, der sich außerhalb des Stellplatzes für die Tiere befindet, um die Abluft durch die Waschflüssigkeit zu reinigen und die Waschflüssigkeit zu belüften und mit Sauerstoff anzureichern, wonach mindestens ein Teil der gereinigten Luft nach außen abgeführt und mindestens einen Teil der Sauerstoff angereicherten Waschflüssigkeit durch den Dungsammelraum transportiert wird.
Der Beitrag von Tiermastbetrieben zu den gesamten Ammoniakemissionen ist aufgrund der großen Anzahl von Tieren erheblich.
Der aus Tiermastbetrieben emittierte Staub besteht verschiedenen Untersuchungen zufolge hauptsächlich aus Partikeln, die sich aus Teilen von Hautschuppen, Kot- und Futterresten zusammensetzen. Es handelt sich deshalb um umweltmedizinisch relevante Bioaerosole, die bei Freisetzung in großen Mengen eine Gesundheitsgefährdung darstellen können. Die Emission von Gerüchen ist ebenfalls ein wichtiges Thema in der Tiermast. Darüber hinaus stellen Ammoniakemissionen in großen Mengen für sensible Ökosysteme wie z. B. Moore, Gewässer und Wälder ein Problem dar. Die damit verbundene hohe Zufuhr an Stickstoffdünger führt zu einer Eutrophierung, die sich negativ auf die Artenvielfalt auswirken kann. Um die negativen Umweltauswirkungen von Tierhaltungsanlagen zu begrenzen, wird bei der Genehmigung von Baumaßnahmen vor allem auf die Summe der zu erwartenden Ammoniakemissionen geachtet. Je mehr Ammoniak ein Betrieb freisetzt, desto größer ist der einzuhaltende Mindestabstand zu sensiblen Ökosystemen.
Aus diesem Grund bestehen in viele Länder strenge Umweltauflagen und Gesetze, die die Emission von Ammoniak aus Tiermastbetrieben begrenzen. Betriebe, die diese Grenzwerte überschreiten, können mit Strafen oder Betriebsbeschränkungen konfrontiert sein. Daher ist die Einhaltung dieser Vorschriften entscheidend, um rechtliche Probleme zu vermeiden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Reinigung ammoniakhaltiger Abluft bereitzustellen, die durch einen geringen Verfahrensauswand eine richtlinienkonforme Abluft erzielt. Die enthaltenen Schadstoffe sollen durch die Anordnung in ihre elementaren Moleküle zerlegt und/oder zu umweltverträglichen Stoffgruppen zusammengesetzt werden. Bei der Reinigung der Abluft mittels der Anordnung soll die Gefährdung für Beschäftigte, die Tiere und die Umwelt auf ein Minimum reduziert werden. Zudem werden Geruchsbelästigung durch hohe Ammoniakkonzentrationen eliminiert. Bereits bestehende Systeme zur Abluftaufbereitung sollen mit einem geringen Verfahrensaufwand auf die Anordnung zur Reinigung ammoniakhaltiger Abluft umgerüstet werden können.
Darüber hinaus soll die Anordnung der neuen EU-Richtlinie 2016/2284 und der TA Luft genügen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung zur Reinigung ammoniakhaltiger Abluft gemäß des Anspruchs 1, einem Verfahren und einer Verwendung gemäß den nebengeordneten Hauptansprüchen gewährleistet. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den Zeichnungen zu entnehmen.
Die Abluftführung in Tiermastanlagen ist ein entscheidender Aspekt des Betriebs, da sie dazu beiträgt, die Luftqualität zu verbessern, Gerüche zu kontrollieren und die Gesundheit der Tiere und Mitarbeiter zu schützen. Die spezifische Abluftführung kann je nach Tierart und Betriebsgröße variieren. Die erfindungsgemäße Anordnung zur Reinigung ammoniakhaltiger Abluft kann vorteilhaft auf die Vielzahl unterschiedlicher Abluftführungen angepasst werden, um die vorgegebenen Grenzwerte einhalten zu können.
Tiermastanlagen sind mit Entlüftungssystemen ausgestattet, die die Luft im Stall zirkulieren lassen, um Feuchtigkeit, Gase und Gerüche zu reduzieren. Diese Systeme umfassen oft Ventilatoren, Lüftungsöffnungen und Kanäle. Abluftkanäle leiten die belastete Luft aus den Tierställen heraus und können verwendet werden, um sie in die Atmosphäre abzuleiten oder in speziellen Anlagen zur Geruchskontrolle zu behandeln. In einigen Tiermastanlagen werden Geruchskontrollsysteme eingesetzt, um Gerüche aus der Abluft zu entfernen oder zu reduzieren. Dies kann durch chemische oder biologische Prozesse erfolgen.
In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung, wird der belastete Abluftstrom mit einer Flüssigkeit, die einen Anteil an elektroaktiviertem Wasser von mehr als 60 Gew.-% aufweist, behandelt. Das elektroaktivierte Wasser wird durch Anlegung einer elektrischen Spannung mittels eines Membrantrennverfahrens erzeugt wird.
Als elektroaktiviertes Wasser bezeichnet man eine Lösung, die durch die Anwendung elektrischer Energie auf Wasser erzeugt wird, um chemische Veränderungen in der Wasserzusammensetzung herbeizuführen. Dieser Prozess führt zur Bildung von verschiedenen geladenen Ionen und Radikale, die antimikrobielle und desinfizierende Eigenschaften aufweisen können. Während der Elektrolyse von Wasser können eine Reihe von chemischen Reaktionen erfolgen.
An der Anode findet die Oxidation von Wasser zu Sauerstoff (O₂) und Bildung von Protonen (H₃O⁺) statt. Dabei kann es zur Bildung von Hypochlorit-Ionen (OCl^-) in Anwesenheit von Chlorid-Ionen (Cl^-) aus dem Wasser kommen. An der Kathode erfolgt die Reduktion von Wasser zu Wasserstoffgas (H₂) unter Bildung von Hydroxid-Ionen (OH^-) in der Lösung.
Das erzeugte elektroaktivierte Wasser enthält somit eine Mehrzahl aktiver Komponenten, darunter Hypochlorit-Ionen, Hydroxid-Ionen und Wasserstoffperoxid (H₂O₂). Diese Komponenten weisen eine antimikrobielle und desinfizierende Wirkung auf und können zur Reinigung und Desinfektion verwendet werden.
Dabei kann die Zusammensetzung und somit auch die Eigenschaften des elektroaktivierten Wassers durch die Wahl der Elektrolysezellen, der Elektrodenmaterialien, der Stromstärke, der Spannung und der Elektrolysezustände gesteuert werden.
Elektroaktiviertes Wasser, das unter Anwendung einer elektrischen Spannung mittels eines Membrantrennverfahrens hergestellt wird, ist eine besondere Art von elektroaktiviertem Wasser. Bei dieser Methode wird eine spezielle Elektrolysezelle verwendet, die mit einer Membran getrennt ist, um elektroaktivierte Lösungen mit gezielten Eigenschaften zu erzeugen.
Die Elektrolysezelle, die zur Herstellung des erfindungsgemäßen elektroaktivierten Wassers verwendet wird, ist in zwei Kammern unterteilt, die durch eine Membran getrennt sind. Diese Membran ist eine halbdurchlässige Barriere, die den Fluss von Ionen zwischen den Kammern ermöglicht. Die beiden Kammern der Elektrolysezelle werden mit Wasser gefüllt. Dies kann destilliertes Wasser oder eine wässrige Lösung niedriger Leitfähigkeit sein. In jeder Kammer werden Elektroden platziert, eine in der Kathodenkammer und eine in der Anodenkammer. Diese Elektroden sind mit einer externen Gleichstrom-Spannungsquelle verbunden. Wenn die Spannung angelegt wird, beginnt der Elektrolyseprozess. Elektrischer Strom fließt durch die Elektroden und bewirkt chemische Reaktionen an den Elektrodenoberflächen sowie an der Membran. Die Membran ermöglicht den Transport von Ionen zwischen den Kammern.
In Abhängigkeit von der Membran und der Stoffkonzentration können Ionen wie Hydroxid-Ionen (OH^-) in der Kathodenkammer und Hypochlorit-Ionen (OCl^-) in der Anodenkammer gebildet werden. Während des Elektrolyseprozesses entstehen in den beiden Kammern elektroaktivierte Lösungen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Das in der Anodenkammer erzeugte elektroaktivierte Wasser weist beispielsweise antimikrobielle Eigenschaften auf, während das in der Kathodenkammer erzeugte Wasser alkalisch sein kann.
Die Verwendung des Membrantrennverfahrens ermöglicht eine gezielte Steuerung der Zusammensetzung und der Eigenschaften der elektroaktiven Lösungen. Dabei hängt die exakte Zusammensetzung und die Wirkung der erzeugten elektroaktiven Lösungen von den Bedingungen der Elektrolyse und der Wahl der Membran ab.
Die Flüssigkeit weist als Reaktionspartner für den Ammoniak in der Abluft Natriumhypochlorit von weniger als 5 Gew.-% und mehr als 0,05 Gew.-% auf. Natriumhypochlorit (NaClO) ist eine chemische Verbindung, die oft als Oxidationsmittel verwendet wird.
Des Weiteren weist die Flüssigkeit einen Anteil an Magnesiumchlorid von weniger als 5 Gew.-% und mehr 0,05 Gew.-% auf. Magnesiumchlorid hat die Fähigkeit, die Zellaktivität und zu beschleunigen. Magnesium, ein Schlüsselelement bei der Erzeugung vieler enzymatischer Reaktionen auf zellulärer Ebene, wird in Kombination mit Chlorid bei der Bekämpfung von Infektionen sehr wirksam.
Vorzugsweise beträgt die Beladung der Abluft mit der Flüssigkeit in der Anordnung mehr als 0,1 mg/m³, vorzugsweise mehr als 0,25 mg/m³, insbesondere mehr als 0,5 mg/m³ und/oder weniger als 2,5 mg/m³, vorzugsweise weniger als 5 mg/m³, insbesondere weniger als 10 mg/m³.
Die Beladung der Luft bezieht sich auf die Menge oder Konzentration an Flüssigkeit, die zur hinreichenden Abreicherung der Luftschadstoffe eingesetzt wird.
Die Beladung der Luft kann auf verschiedene Weisen gemessen und überwacht werden, um die Luftqualität zu bewerten und sicherzustellen, sodass die gesetzlichen Grenzwerte und Richtlinien eingehalten werden. Luftqualitätsindizes und Überwachungssysteme erfassen oft Daten zu verschiedenen Schadstoffen und Partikeln, wie beispielsweise die Ammoniakkonzentration, um Informationen über die Luftbelastung bereitzustellen.
Die Grenzwerte für Ammoniak in Tiermastanlagen variieren je nach Land, Region und Tierart. Die Festlegung von Grenzwerten dient dazu, die Luftqualität in der Umgebung der Tiermastanlagen zu schützen und die Gesundheit von Tieren und Menschen zu gewährleisten. Die Europäische Union hat Richtlinien zur Begrenzung von Ammoniakemissionen aus Tierhaltungsbetrieben erlassen. Diese Richtlinien legen Emissionsbegrenzungen für Ammoniak fest und sind in den Mitgliedstaaten der EU umzusetzen. In Deutschland gibt es keine bundesweit einheitlichen Grenzwerte für Ammoniak in Tiermastanlagen. Die Regelungen variieren je nach Bundesland und Tierart. In der Regel sind die Grenzwerte so festgelegt, dass sie den Anforderungen des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchG) entsprechen, das den Schutz der Umwelt vor Luftverunreinigungen regelt.
Um den vorgegebenen Grenzwerten auch bei erhöhten Gehalten an Staub und Ammoniak zu genügen, kann die gewählte Beladung der erfindungsgemäßen Waschflüssigkeit die vorgegebenen Grenzwerte deutlich unterschreiten, um die ambitionierteren Grenzwerte einhalten zu können.
Eine weitere Einflussgröße zur Erreichung der vorgegebenen Immissionsgrenzwerte von Ammoniak ist beispielsweise die Einstellung der Tröpfchengröße bei der Bedüsung der Abluft. Bei einer Variante der Erfindung liegt durchschnittliche Tröpfchengröße (Tröpfengrößenverteilung) bei mehr als 0,1 µm und weniger als 10 µm.
Tröpfchen sind kleine, flüssige oder flüssigkeitsähnliche Teilchen, die in der Regel eine kugelförmige oder tropfenförmige Form haben. Sie bestehen aus winzigen Mengen einer Flüssigkeit, die von einer umgebenden Phase, oft Gas oder einer anderen Flüssigkeit, umgeben sind.
Die Tröpfchengrößenverteilung bezieht sich auf die Verteilung der Größen von Flüssigkeitstropfen in einer Flüssigkeit oder einem Aerosol. Diese Verteilung gibt an, wie die Tröpfchengrößen in einer Probe verteilt sind, indem sie die Anzahl der Tropfen in verschiedenen Größenbereichen angibt.
Beispielsweise ist durch die Einstellung der Tröpfchengröße eine sehr große und vorteilhafte Phasengrenzfläche realisiert, wodurch die Wirksubstanzen schnell und nahezu vollständig mit den Immissionen in Kontakt kommen, um diese in ihre elementaren Bestandteile zu überführen.
Die Erfindung weist eine einen Sensor zur Erfassung der Ammoniakkonzentration der Abluft auf.
Ein Sensor ist ein technisches Gerät oder eine Vorrichtung, die dazu verwendet wird, physikalische, chemische oder biologische Eigenschaften oder Veränderungen in seiner Umgebung zu erfassen und in elektrische Signale oder andere quantifizierbare Informationen umzuwandeln. So kann beispielsweise die Dosierung der der Flüssigkeit in den Abluftstrom in Abhängigkeit der Luftschadstoffe wie Ammoniak geregelt.
Dazu werden beispielsweise chemische Gasdetektoren verwendet. Diese Sensoren verwenden chemische Reaktionen, um Ammoniakmoleküle in der Luft zu erfassen. Diese Sensoren arbeiten nach dem Prinzip der Ammoniakoxidation an einer Elektrode und erzeugen ein elektrisches Signal, das proportional zur Ammoniakkonzentration ist. Diese Sensoren sind empfindlich und genau.
Alternativ kann die Erfassung durch Nichtdispersive Infrarotsensoren erfolgen. Diese Sensoren erfassen Ammoniak durch die Messung der Infrarotabsorption bei einer charakteristischen Wellenlänge. Die Konzentration wird anhand der Absorptionsänderung berechnet. NDIR-Sensoren sind stabil und erfordern wenig Wartung.
Eine weitere Alternative bieten Halbleitersensoren. Halbleitersensoren ändern ihre elektrische Leitfähigkeit in Gegenwart von Ammoniak.
In einer besonders vorteilhaften Variante weist die Anordnung eine Kammer auf, in der die Flüssigkeit mit einer Vorrichtung zudosiert wird.
Eine Kammer ist hierbei ein Teil der Abluftreinigung, in die der Aufstrom aus dem Abluftkanal geleitet wird. In dieser Kammer, auch Reaktionskammer genannt, findet die chemische Umsetzung von beispielsweise Ammoniak mit der zudosierten Flüssigkeit in die Reaktionsprodukte Wasser und Stickstoff statt. Das Rohgas aus dem Stall wird in einer Einlassseite horizontal in die Kammer geleitet und verlässt den Stall in einer Auslaufseite als Reingas.
Vorzugsweise weist die Kammer ein Volumen mehr als 0,1 m³ und weniger als 500 m³ und eine Querschnittsfläche von mehr als 0,1 m² und weniger als 6 m² aufweist auf.
In einer besonders vorteilhaften Variante weist die Kammer ein Volumen von mehr als 0,1 m³ und weniger als 60 m³ und eine Querschnittsfläche von mehr als 0,1 m² und weniger als 1 m² auf. Diese Variante ermöglicht in der Regel eine kompaktere Anlagenkonstruktion und ist somit platzsparend. Bei Anlage in denen schnelle Reaktionen auf Veränderungen in der Abluftqualität erforderlich sind, trägt ein kleineres Kammervolumen dazu bei, die Reaktionszeiten zu verkürzen. Dies ist wichtig, um die Einhaltung von Emissionsvorschriften sicherzustellen und die Umweltauswirkungen zu minimieren.
Durch die geänderte Querschnittsfläche von Kanal zu Kammer, erfolgt eine Reduzierung der Fließgeschwindigkeit der Abluft hin zur Kammer. Die Abluft expandiert in die Kammer und wird in einem ersten Schritt in die Rieselkörper geleitet. Diese werden mit Kreislaufwasser beregnet. Entsprechend der detektierten Schadstoffgehalte des Abluftstroms, werden über einen Düsenstock das elektroaktivierte Wasser zudosiert. Optional erfolgt die Dosierung eines Keimlösers.
In der Abluftreinigung beziehen sich Rieselkörper auf eine spezielle Art von Filtermaterial oder Trägermaterial, das in Abluftreinigungsanlagen verwendet wird, um Schadstoffe aus der Abluft zu entfernen. Dieses Verfahren wird oft als Rieselbett- oder Rieselfiltertechnologie bezeichnet. In einem Rieselbettfilter wird die verschmutzte Abluft durch eine Schicht von Rieselkörpern geleitet. Diese Rieselkörper sind oft kleine, feste Materialien wie Kugeln, Schalen, Hohlkörper oder strukturierte Packungen. Während die Abluft durch das Rieselbett strömt, werden Schadstoffe durch Adsorption, Absorption oder chemische Reaktionen an der Oberfläche der Rieselkörper entfernt.
Die Wahl der Rieselkörpermaterialien wird an die spezifischen Schadstoffen angepasst, die entfernt werden müssen. Diese Materialien umfassen Aktivkohle, Zeolithe, Keramik oder Kunststoffe. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Rieselbettfilter erzielen eine hohe Reinigungseffizienz.
Optional kann die Bedüsung, auch als Benebelung bezeichnet, des Abluftstroms mit dem elektroaktivierten Wasser im Abluftkanal erfolgen. Die Benebelung erfolgt in Strömungsrichtung des Abluftstroms. Der Sprühwinkel der Nebeldüsen beträgt 85°.
Beispielsweise weist der Düsenstock mehr als 4 Düsen und weniger als 200 Düsen auf. Die Anzahl kann an den Abluftvolumenstrom und den Kanalquerschnitt des Abluftkanals angepasst werden. Der Abstand der Düsen in der Rohrleitung ist von dem Druck sowie dem Abstrahlwinkel abhängig. Bei einem Abstrahlwinkel von 85°C soll ein Abstand von 50 cm nicht überschritten werden.
Bei einer Ausführung der Erfindung weist die Vorrichtung einen rechteckige oder polygone oder hexagonale oder trapezförmige oder dreieckige Querschnittsform auf. In einer besonders vorteilhaften Variante ist die Vorrichtung zur Benebelung kreisförmig ausgebildet.
Bei einer Variante der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Behälter, in welchem die Flüssigkeit aufgefangen wird.
Erfindungsgemäß weist das Behältermaterial eine Reflexion der elektromagnetischen Strahlung im Bereich 380 bis 1700 nm auf. Die Reflexion bezeichnet das Zurückwerfen von Wellen an einer Grenzfläche, an der sich der Wellenwiderstand oder der Brechungsindex des Ausbreitungsmediums ändert.
Dabei entspricht der Ausfallswinkel genau dem Einfallswinkel und beide Winkel liegen mit dem Lot in einer Ebene.
Des Weiteren weist der Behälter eine Isolierung von mehr als 10 cm, vorzugsweise mehr als 15 cm, insbesondere mehr als 20 cm mit einem U - Wert von weniger als 0,35 auf. Der U-Wert gibt den Wärmestrom durch ein Bauteil abhängig vom Temperaturgefälle zwischen warmer und kalter Seite in der Einheit W/(m²·K) an. Die Einheit beschreibt die hindurchströmende Energie pro Quadratmeter in Kelvin.
Wärmebeständige Materialien können hohe Temperaturen über längere Zeiträume hinweg standhalten, ohne ihre strukturelle Integrität, mechanischen Eigenschaften oder andere wesentliche Eigenschaften zu verlieren. So hält der verwendete Behälter die Temperatur über einen Zeitraum von 24 Stunden bei einer Konstanten Wert.
Durch die UV-Stabilität und die Wärmeisolierung hält der Behälter auch äußere Witterungsbedingungen im Freien stand. Durch den Behälter wird sichergestellt, dass auch in Frostnächten, entsprechend hohe Temperaturen im Behälter vorhalten werden können.
Beispielsweise wird in einem Stapelbecken das Kreislaufwasser gesammelt. Neben dem Kreislaufwasser wird auch das mit dem Abluftstrom in Kontakt gewesene elektroaktivierte Wasser in dem Stapelbecken aufgefangen. Es erfolgt eine phasenweise Entnahme aus diesem Stapelbehälter als Abwasser zum außen gelegenen Güllebehälter um die Konzentration der Abgasinhaltstoffe im Kreislaufwasser auf einem vorgegeben maximalen Wert zu halten. Des Weiteren wird Frischwasser zudosiert, um einen konstanten Wasserstand im Stapelbehälter zu gewährleisten.
In einer weiteren Ausführung der Kammer, ist dem Stapelbecken für das Kreislaufwasser und Rieselkörper ein weiteres Stapelbecken mit Frischwasser und ein Rieselkörper mit dem Ziel der Hygienisierung mittels Keimlöser nachgeordnet. Es erfolgt eine phasenweise Entnahme aus diesem Stapelbehälter als Abwasser zum Güllebehälter um die Konzentration der Keimbelastung auf einem vorgegeben maximalen Wert zu halten. Des Weiteren wird Frischwasser zudosiert, um einen konstanten Wasserstand im Stapelbehälter zu gewährleisten.
Die gereinigte Abluft, auch Reingas genannt, verlässt die Kammer nach der Behandlung durch das elektroaktivierte Wasser und optional der Hygienisierung in horizontaler Richtung.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Hochdruckpumpe zur Dosierung der Flüssigkeit in Form von Tröpfchen auf. Der Druckbereich liegt bei minimal 10 bar bis maximal 50 bar.
Beispielsweise werden bei einem Druck von 15 bar 49 ml an elektroaktiviertem Wasser pro Minute in den Abluftstrom eingedüst.
Vorzugsweise weist die Abluft einem Volumenstrom von mehr als 1 m³/h und weniger 500.000 m³/h durch die Kammer auf.
In einer besonders vorteilhaften Variante liegt ein Abluftvolumenstrom von 10 m³/h bis 100 m³/h vor. In diesen Grenzen wird mit der beschriebenen Vorrichtung ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht.
Das Festlegen von Volumenströmen innerhalb bestimmter Grenzen trägt zur Prozessstabilität bei. Schwankungen in den Volumenströmen führen zu unerwünschten Prozessänderungen und Qualitätsproblemen. Die Einhaltung der minimalen und maximalen Volumenströmen ist entscheidend für die Sicherheit, Effizienz und Leistung der Anlagen. Die Festlegung eines maximalen Volumenstroms trägt dazu bei, sicherzustellen, dass die erforderlichen Reaktions- oder Verarbeitungszeiten eingehalten werden, um die gewünschte Produktqualität zu erreichen/ Abscheidungsgrad der Luftschadstoffe zu erreichen. Des Weiteren trägt das Einhalten des minimalen und maximalen Volumenstroms dazu bei, den Verbrauch von Rohstoffen und Betriebsmitteln wie Wasser, Chemikalien und Energie zu optimieren und trägt zur Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit des Prozesses bei.
Zudem wird durch die Einhaltung von minimalen und maximalen Volumenströmen die Belastung von Anlagenkomponenten wie Pumpen, Ventilen und Rohrleitungen optimiert werden. Dies trägt dazu bei, die Lebensdauer der Ausrüstung zu verlängern und Wartungskosten zu reduzieren.
In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Abluft eine Verweilzeit in der Kammer von mehr als 5 Sekunden und weniger als 20 Sekunden auf.
Die minimale Verweilzeit stellt sicher, dass die Abluft ausreichend Zeit hat, mit dem elektroaktivierten Wasser in Kontakt zu treten. Eine zu kurze Verweilzeit führt dazu, dass nicht alle Schadstoffe entfernt werden, was die Effizienz der Abluftaufbereitung beeinträchtigt.
Die maximale Verweilzeit stellt sicher, dass die gereinigte Luft die Abluftaufbereitungsanlage innerhalb einer angemessenen, vorher festgelegten, Zeit verlässt.
Der tatsächliche Volumenstrom, sowie die Verweilzeit der Abluft in der Kammer hängt von der jeweiligen detektierten Schadstoffkonzentration im Rohgas/Abluftstrom ab. Dieser Variiert je nach Belegungsdichte im Stall, Jahreszeit und weiterer Parameter.
Gemäß der Erfindung erfolgt die Reinigung der ammoniakhaltigen Abluft durch die Zuführung einer Flüssigkeit zu der Abluft in Form von Tröpfchen, wobei die Flüssigkeit einen Anteil an elektroaktiviertem Wasser von mehr als 60 Gew.-% umfasst, Das elektroaktivierte Wasser wird dabei unter Anlegung einer elektrischen Spannung mittels eines Membrantrennverfahrens erzeugt, Die Flüssigkeit weist einen Anteil an Natriumhypochlorit welcher weniger als 5 Gew.- % und mehr als 0,05 Gew.-% beträgt, auf. Des Weiteren beinhaltet die Flüssigkeit einen Anteil von weniger als 5 Gew.-% und mehr 0,05 Gew.-% an Magnesiumchlorid.
Gemäß der Erfindung wird die Anordnung zur umweltverträglichen Reinigung von ammoniakhaltiger Abluft verwendet, um insbesondere die Abluft von Tiermast- oder Lebensmittelbetrieben zu reinigen. Eine effiziente Abluftreinigung von Tiermast- oder Lebensmittelbetrieben schützt die Gesundheit von Mitarbeitern und Tieren und Vermeidung von Geruchsbelästigungen durch Ammoniak. Dies ist besonders in Anlagen relevant, welche in der Nähe von Wohngebieten liegen. Des Weiteren werden Anlagen durch eine effektive Abluftreinigung ihren gesetzlichen Anforderungen gerecht.
Neben der Reinigung von ammoniakhaltiger Abluft in Tiermast oder Lebensmittelbetrieben, kann die Anordnung unter anderem in Schlachthöfen und Schlachthäusern, der Ölaufbereitung, in Galvanikbetrieben sowie in Bereichen, an die eine hohe Anforderungen an die Abluftreinigung bestehen, wie der Raumfahrtindustrie (Reinstbereich) Anwendung finden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
Dabei zeigt:

1 Querschnitt des Abluftkanals mit Düsen,
2 Längsschnitt durch den Abluftkanal,
3 eine Schnittdarstellung durch die Kammer.

Bezugszeichenliste

1: Abluftkanal
2: Düsenkopf
3: Sprühwinkel
4: Eintritt Abluft
5: Austritt Abluft
6: Düseneinheit
7: Kammer
8: Behälter
9: Hochdruckpumpe
10: Elektroaktives Wasser
11: Abwasser
12: Frischwasser
13: Rieselkörper
14: Rieselkörper mittels Keimlöser

In 1 ist der Querschnitt durch den Abluftkanal 1 mit Düsenköpfen 2 dargestellt. In der dargestellten Ausführungsvariante sind vier Düsenköpfe 2 verbaut. Die Düsenköpfe 2 versprühen Waschflüssigkeit in der Ausführung als elektroaktives Wasser mit einem Sprühwinkel 3 von 85 °. Die Bedüsung erfolgt in Richtung des Abluftvolumenstroms. Dieser Winkel kann je nach Anwendungsfall variieren. Der Düsenkopf 2 weist eine Bohrung von 3 mm auf, durch welche die Waschflüssigkeitaus dem Düsenkopf 2 in den Abluftkanal 1 austritt. Beispielsweise werden bei einem Druck von 15 bar 49 ml an Waschflüssigkeit pro Minute in den Abluftstrom eingedüst.
Der in 2 abgebildete Längsschnitt durch einen Abluftkanal 1, besitzt eine Vielzahl von Düsenköpfen 2 entlang der Abluftleitung. Die Abluft 4 tritt durch Absaugung aus der Emissionsquelle in den Abluftkanal 1 ein und wird horizontal bis zum Austritt 5 in eine Kammer 7 geführt. In dem abgebildeten Beispiel weist eine Abluftleitung in definierten Abständen vier Düseneinheiten 6 auf, wobei eine Düseneinheit 6 jeweils aus vier Düsenköpfen 2 besteht. Der Abstand, sowie die Anzahl der Düsenköpfe 2 wird dem Schadstoffgehalt im Abluftvolumenstrom angepasst.
In 3 ist eine Ausführungsvariante in einer Schnittdarstellung durch die Kammer 7 dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Behälter 8 mit Hochdruckpumpe 9, in welchem die Flüssigkeit aufgefangen wird. Beispielsweise wird in einem Behälter 8 das Kreislaufwasser gesammelt. Neben dem Kreislaufwasser wird auch das mit dem Abluftstrom in Kontakt gewesene elektroaktivierte Wasser 10 in dem Behälter 8 aufgefangen. Es erfolgt eine phasenweise Entnahme aus diesem Behälter als Abwasser 11 zum außen gelegenen Güllebehälter um die Konzentration der Abgasinhaltstoffe im Kreislaufwasser auf einem vorgegeben maximalen Wert zu halten. Des Weiteren wird Frischwasser 12 zudosiert, um einen konstanten Wasserstand im Behälter 8 zu gewährleisten. Der Abluftstrom wird über die Rieselkörper 13 geleitet, an denen er mit elektroaktivem Wasser 10, sowie Waschwasser aus dem Behälter 8 berieselt und abgeschlagen wird.
In einer weiteren Ausführung der Kammer, ist dem Behälter 8 für das Kreislaufwasser und Rieselkörper 13 einen weiteren Behälter 8 mit Frischwasser 12 und ein Rieselkörper 14 mit dem Ziel der Hygienisierung mittels Keimlöser an Rieselkörper 14 nachgeordnet. Es erfolgt eine stetige Entnahme aus diesem Behälter 8 als Abwasser 11 zum Güllebehälter, um die Konzentration der Keimbelastung auf einem vorgegeben maximalen Wert zu halten. Des Weiteren wird Frischwasser 12 zudosiert, um einen konstanten Wasserstand im Behälter 8 zu gewährleisten.
Die gereinigte Abluft 5, auch Reingas genannt, verlässt die Kammer 7 nach der Behandlung mit dem elektroaktivierten Wasser 10 und optional der Hygienisierung durch den Keimlöser an einem Rieselkörper 14 in horizontaler Richtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102 49 053 A1 [0013]
DE 41 12 982 [0014]
DE 692 29 246 T2 [0015]
EP 2016/2284 [0020]

Claims

Anordnung zur umweltverträglichen Reinigung von ammoniakhaltiger Abluft, insbesondere in Tiermast- oder Lebensmittelbetrieben, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeit mit einem pH-Wert von größer als 8 in Form von Tröpfchen zu der Abluft zugeführt wird, wobei die Flüssigkeit einen Anteil an elektroaktiviertem Wasser (10) von mehr als 60 Gew.-% umfasst, wobei das elektroaktivierte Wasser (10) unter Anlegung einer elektrischen Spannung mittels eines Membrantrennverfahrens erzeugt wurde, wobei die Flüssigkeit Natriumhypochlorit aufweist und der Anteil an Natriumhypochlorit weniger als 5 Gew.-% und mehr als 0,05 Gew.-% beträgt, wobei die Flüssigkeit Magnesiumchlorid aufweist und der Anteil an Magnesiumchlorid weniger als 5 Gew.-% und mehr 0,05 Gew.-% beträgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beladung der Abluft mit der Flüssigkeit, mehr als 0,5 mg/m³ und weniger als 10 mg/m³ beträgt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Tröpfchengröße mehr als 0,1 µm und weniger als 10 µm beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Sensor zur Erfassung der Ammoniakkonzentration der Abluft aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Kammer (7) aufweist, in der die Flüssigkeit mit einer Vorrichtung zudosiert wird.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (7) ein Volumen mehr als 0,1 m³ und weniger als 500 m³ aufweist.
Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (7) eine Querschnittsfläche von mehr als 0,1 m² und weniger als 6 m² aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehr als 3 Düsen (6) und weniger als 200 Düsen (6) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung abhängig von der Geometrie des Querschnittes ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen reflektierenden und isolierenden Behälter (8) für die Flüssigkeit aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Hochdruckpumpe (9) zur Dosierung der Flüssigkeit in Form von Tröpfchen aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluft mit einem Volumenstrom von mehr als 1 m³/h und weniger 500.000 m³/h durch die Kammer (7) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluft eine Verweilzeit in der Kammer (7) von mehr als 5 Sekunden und weniger als 20 Sekunden aufweist.
Verfahren zur Reinigung ammoniakhaltiger Abluft, insbesondere mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit folgenden Schritten: - Zuführung einer Flüssigkeit zu der Abluft in Form von Tröpfchen, - wobei die Flüssigkeit einen Anteil an elektroaktiviertem Wasser (10) von mehr als 60 Gew.-% umfasst, - wobei das elektroaktivierte Wasser (10) unter Anlegung einer elektrischen Spannung mittels eines Membrantrennverfahrens erzeugt wird, - wobei die Flüssigkeit Natriumhypochlorit aufweist und der Anteil an Natriumhypochlorit weniger als 5 Gew.-% und mehr als 0,05 Gew.-% beträgt, - wobei die Flüssigkeit Magnesiumchlorid aufweist und der Anteil an Magnesiumchlorid weniger als 5 Gew.-% und mehr 0,05 Gew.-% beträgt.
Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Reinigung von Abluft in der Tiermast oder der Lebensmittelindustrie.