Vorlesung: Umweltverträgliche Technologien Modul Oekobilanzen
FALLSTUDIE:
Abfallösungsmittelmanagement, Teil 1
Ausgangslage Lösungsmittel
Lösungsmittel ...
• Sind mengenmässig die am meisten verwendeten Chemikalien
• Stellen 95% des Abfalls der chemischen Industrie dar
• Verbrauch steigend
• Volatil
• Oft toxisch
Verwendung Lösungsmittel
Lösungsmittel verfügen über die Fähigkeit, andere Stoffe aufzulösen, zu suspendieren oder zu extrahieren, ohne dass sich der Stoff oder das Lösungsmittel dabei chemisch verändern.
Verwendung:
• Chemische Industrie: Reaktionsmittel, Rohstoff, Reinigungsmittel
• Andere (industrielle) Anwendungen:
Metallentfettung, Textilreinigung, Reinigungsmittel, Farben und Lacke, Druckfarben, Klebstoffe,
Holzschutzmittel
Lösungsmittelflüsse in der Schweiz (2001)
Importe:
440,000 t (29,000 TJ)
Verbrennung
~110,000 t
Export
~720,000 t
>50,000 t Luft
Destillation
Water 500 t
~80,000 t
~800,000 t 69,000 t
Wasser
*
* Ungefähr 100,000 t als Rohstoff verwendet.
Gebrauch
Verbrauch an Lösungsmittel in einem Pharmaunternehmen Verbrauch von frischem LM und Anfall an ALM (in Tonnen)
pro Tonne hergestelltem Endprodukt
[t ALM bzw. LM / t Endstufe]
35 30 25
LM frisch/Endstufe ALM/Endstufe 20
15 10 5 0
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Quelle: Seyler C (2002), Dissertation ETH
Warum steigt der Verbrauch an Lösungsmittel?
Process Steps to Produce the Active Substances
substrate s1
trinexapac- ethyl
substrate c1
LCI estimated on-site data published LCI
toluene
ethanol soda
sodium- hydroxide
substrate c1
NaOC2H5
n-butyl- acetate
substrate s2
dioxane
catalyst c triethyl-
amine
substrate s3
substrate c1
synthesis gas
hydrogen
acetic acid
methanol sulfur
dioxide H2O2
SCl2
thionyl- chloride ethene
nitrogen methane chlorine
cumene
acetone
butanol ammonia
lime- stone
propene benzene sulfur
n-butane
ethylene glycol
acet- aldehyde
form- aldehyde ethine
2-butin- 1,4-diol
substrate s3.3 1,4-butane-
diol
substrate s3.4 substrate
s2.2
substrate s2.1
substrate c3 pyridine
substrate c1 substrate
c2 substrate
s3.2
substrate s3.1
chlorocholine chloride
ammonia methanol
chlorine ethene HCl
substrate s4a
substrate s5 synthesis
gas methane nitrogen
S2Cl2
substrate s4b
Quelle: Geisler G (2003), Dissertation ETH
Massenbilanz eines Pharmaunternehmens
Rohstoffe 3‘106 t
Abluftfracht 12 tDeponie
398 t
Endprodukt 766 t
Quelle: Seyler C (2002), Dissertation ETH
Regenerierte Lösungs- mittel
10‘074 t
ALM zur
Regeneration 14‘993 t
Frische Lösungs- mittel 10‘861 t
Abwasser 3008 t Verbrennung 9‘444 t
Produk- tion
Projektpartner
Bundesamt für Energie
Kühni AG
Hersteller von Destillations- kolonnnen
Industrie:
Ciba Spezialitätenchemie AG Ems-Dottikon AG
Hoffmann-La Roche AG Lonza AG
Novartis Pharma AG Siegfried CMS AG Valorec Services AG Holcim AG
Waste solvent management in chemical industry
ecoinvent*
BUWAL
Abfallösungsmittel
Nach dem Gebrauch kann Lösungsmittel in der Regel nicht ohne Aufarbeitung eingesetzt werden, weil es
• mit Wasser vermischt,
• mit anderem Lösungsmittel vermischt oder
• mit gelösten Feststoffen, Salzen, dem Produkt oder
Nebenkomponenten verunreinigt ist.
Verfahren für die Abfallösungsmittelentsorgung
1. Einleitung in die ARA
2. Verbrennung ohne Energierückgewinnung
3. Thermische Verwertung mit Energierückgewinnung 4. Verbrennung in Zementöfen
5. Stoffliche Verwertung (Destillation)
Entsorgungsverfahren: Abwasserreinigungsanlage (ARA)
ARA
Schlamm- verbrennung
Elektrizität Hilfsmittel
Heizöl
Abwasser Abluft
Entsorgungsverfahren: Verbrennung in Spezialöfen
1
3
4
7 5 2 6
Speisewasser Hilfsmittel Strom
Abfall lösungs- mittel
1 Brennkammer 2 Nassentschlacker 3 Wäscher
4 katalytische Entstickung 5 Kamin
6 Sulfitoxidation 7 Hydroxidfällung
Luftemissionen Prozessdampf
Strom Wasseremissionen Feste Abfälle
Quelle: Seyler C (2002), Dissertation ETH
Entsorgungsverfahren: Verbrennung in Zementöfen
(1)
(2)
(3)
(4) (5)
(6) (5)
1 Rohstoffgewinnung (Kalkstein, Ton, Sand, Eisenerz) 2 Rohmühle: Mahlen und Trocknen
3 Vorheizen
4 Drehrohrofen (1450 °C) 5 Kühlen
6 Kugelmühle: Mahlen und Vermischung des Klinkers mit Gips
Entsorgungsverfahren: Destillation
Abfallösungsmittel
Process- parameter
Heating
Reflux Waste
solvent NaOH Entrainer
Cooling Recovered solvent
Residues
# Trays
Dampf Elektrizität Kühlwasser
Inertes Gas (Stickstoff) Hilfsmittel
Rückstände
Abwasser Abluft
Wiedergewonnenes Lösungsmittel
Fragestellung Oekobilanz
Die am häufigsten angewendeten ALM Entsorgungsverfahren haben verschiedene ökologische Vor- und Nachteile:
Destillation: z.T. hoher Energieverbrauch, aber
Sekundärlösungsmittel reduziert Bedarf an nichterneuerbaren Ressourcen
Verbrennung: Luftemissionen, aber durch ALM-Verbrennung wird Energie erzeugt und die Verfeuerung fossiler Brennstoffe vermieden.
Dem Management und den Umweltbeauftragten der am Projekt beteiligten Firmen ist nicht klar, welcher
Entsorgungsweg aus ökologischer Sicht der beste ist.
Aus diesem Grund sollte eine vergleichende Oekobilanz erstellt werden. Mit dieser Oekobilanz soll betriebsintern die
Entscheidung unterstützt werden, welcher Entsorgungsweg für ein bestimmtes Lösungsmittel(gemisch) gewählt werden soll.
Fragen
1. Nehmen Sie an, Sie sollen für das Lösungsmittel Methanol die ersten beiden Entsorgungsoption vergleichen (Abwassereinleitung und Verbrennung ohne Energierückgewinnung). Wie würden Sie die funktionelle Einheit definieren?
2. Die Abbildung zeigt ein vereinfachtes Flussbild der thermischen Verwertung von ALM in Spezialöfen (Option 3). Skizzieren Sie analog die Systeme der übrigen vier Verfahren.
3. Wie ändern sich die funktionelle Einheit und die Systeme, wenn Sie Verfahren 1-3 miteinander vergleichen wollen?
Verbrennungsprozess
Dienstleistung
‘ALM Behandlung’
Dienstleistung
‘ALM Behandlung’
Energie Energie 1 t ALM
NaOH Energie
Frage 1
1. Nehmen Sie an, Sie sollen für das Lösungsmittel Methanol die ersten beiden Entsorgungsoption vergleichen (Abwassereinleitung und
Verbrennung ohne Energierückgewinnung). Wie würden Sie die funktionelle Einheit definieren?
Die Entsorgung von Methanol 1 t
Frage 2
2. Die Abbildung zeigt ein vereinfachtes Flussbild der thermischen Verwertung von ALM in Spezialöfen (Option 3). Skizzieren Sie analog die Systeme der übrigen vier Verfahren.
ARA
Energie Hilfsstoffe
Schlammverbrennung
ARA
1 t ALM DienstleistungDienstleistung
Behandlung 1 t ALM
Frage 2
2. Die Abbildung zeigt ein vereinfachtes Flussbild der thermischen Verwertung von ALM in Spezialöfen (Option 3). Skizzieren Sie analog die Systeme der übrigen vier Verfahren.
Verbrennung ohne Energiegewinnung
1 t ALM
Verbrennungsprozess
NaOH Energie DienstleistungDienstleistung
Behandlung 1 t ALM
Frage 2
2. Die Abbildung zeigt ein vereinfachtes Flussbild der thermischen Verwertung von ALM in Spezialöfen (Option 3). Skizzieren Sie analog die Systeme der übrigen vier Verfahren.
Verbrennung
1 t ALM
Verbrennungsprozess
NaOH Energie
Energie
Energie (4800 kWh Dampf)
mit Energiegewinnung
Dienstleistung Dienstleistung
Behandlung 1 t ALM
Frage 2
2. Die Abbildung zeigt ein vereinfachtes Flussbild der thermischen Verwertung von ALM in Spezialöfen (Option 3). Skizzieren Sie analog die Systeme der übrigen vier Verfahren.
Mitverbrennung in Zementöfen
Zementofen
Rohstoffe Kohle Oel
X t Zement
1 t ALM Dienstleistung
Behandlung 1 t ALM
Frage 2
2. Die Abbildung zeigt ein vereinfachtes Flussbild der thermischen Verwertung von ALM in Spezialöfen (Option 3). Skizzieren Sie analog die Systeme der übrigen vier Verfahren.
Destillation
Destillationsprozess DienstleistungDienstleistung
Behandlung 1 t ALM
Lösungsmittel (im Mittel 0.68 t)
1 t ALM
Dampf Hilfsmittel
Verbrennung ARA
Frage 3
3. Wie ändern sich die funktionelle Einheit und die Systeme, wenn Verfahren 1 und 3 miteinander verglichen werden sollen?
ARA
Schlammverbrennung
Energie Hilfsstoffe
Dienstleistung Dienstleistung
Behandlung 1 t ALM
Energie (4800 kWh Dampf)
Energie
ARA
1 t ALM
Verbrennung mit Energiegewinnung
Verbrennungsprozess 1 t ALM
NaOH Energie DienstleistungDienstleistung
Behandlung 1 t ALM
Energie (4800 kWh Dampf)
Frage 3
3. Wie ändern sich die funktionelle Einheit und die Systeme, wenn Verfahren 1 und 3 miteinander verglichen werden sollen?
Verbrennung ohne Energiegewinnung
Verbrennung mit Energiegewinnung
Verbrennungsprozess 1 t ALM
NaOH Energie DienstleistungDienstleistung
Behandlung 1 t ALM
Energie (4800 kWh Dampf)
Energie
Verbrennungsprozess 1 t ALM
NaOH Energie DienstleistungDienstleistung
Behandlung 1 t ALM
Energie (4800 kWh Dampf)