Vorlesung: Umweltverträgliche Technologien Modul Oekobilanzen

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FALLSTUDIE:

Abfallösungsmittelmanagement, Teil 1

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Ausgangslage Lösungsmittel

Lösungsmittel ...

• Sind mengenmässig die am meisten verwendeten Chemikalien

• Stellen 95% des Abfalls der chemischen Industrie dar

• Verbrauch steigend

• Volatil

• Oft toxisch

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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

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Lösungsmittelflüsse in der Schweiz (2001)

www.sust-chem.ethz.ch 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

www.sust-chem.ethz.ch 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

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Massenbilanz eines Pharmaunternehmens

Rohstoffe 3‘106 t

Abluftfracht 12 t Deponie

398 t

Endprodukt 766 t 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.

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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)

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Entsorgungsverfahren: Abwasserreinigungsanlage (ARA)

ARA

Schlamm- verbrennung Elektrizität

Hilfsmittel

Heizöl

Abwasser

Abluft

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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

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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

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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

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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

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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 Dienstleistung Dienstleistung

Behandlung 1 t ALM

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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 Dienstleistung Dienstleistung Behandlung 1 t ALM

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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

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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

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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 Dienstleistung Dienstleistung Behandlung 1 t ALM

Lösungsmittel (im Mittel 0.68 t) 1 t ALM

Dampf Hilfsmittel

Verbrennung ARA

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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 Dienstleistung Dienstleistung 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 Dienstleistung Dienstleistung Behandlung 1 t ALM Energie (4800 kWh Dampf) Energie

Verbrennungsprozess 1 t ALM

NaOH Energie Dienstleistung Dienstleistung

Behandlung 1 t ALM

Energie (4800 kWh Dampf)