Osmotische Technologie – ein mächtiges Werkzeug zur Erreichung einer Null-Abfallemission bei Kohlechemieabfällen

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Osmotische Technologie – ein wirksames Mittel zur Erreichung einer Null-Emission bei den Abwässern der Kohlechemieindustrie. Autor/Quelle: China Chemical Industry News. Datum: 23.12.2015. Klickzahlen: 11. Die begleitenden Bauvorhaben sowie Umzugsprojekte im Chemiepark Qingxu der Yangmei-Gruppe – insbesondere die Anlagen zur Konzentration von Salzwasser zur Versorgung der Kessel sowie die Anlage zur Verdampfung und Kristallisation Nr. 1 – wurden kürzlich offiziell in Betrieb genommen. Der Hauptverarbeitungsablauf dieses Projekts ist: Zwischenspeicherung des Eingangswassers – Entkalkung – Filterung mittels Rohr-Mikrofiltration – zweite Entkalkung – Konzentrierung durch Umkehrosmose – Konzentrierung durch Osmose-MBC – Verdampfungskristallisation. Dadurch wurde die Technologie der positiven Osmose mit Null-Emissionen erstmals in den Bereich der Wasseraufbereitung in der Kohlechemie eingeführt. Erstes Pilotanlage zur Meerwasserkonzentration mit Osmosetechnologie in Huanghua, Hebei. 　　Das Projekt zur Nullemission von Abwässern aus der Kohlechemie und -verarbeitung ist ein von dem Umweltministerium registriertes Projekt zur Nullemission. In Zukunft kann es als Vorbild für andere Unternehmen in der Kohlechemieindustrie dienen und hat daher große Bedeutung als Vorzeigeprojekt. Warum wenden Unternehmen dann die Osmose-Technologie an? Was ist die Osmose-Technologie? Mit Fragen im Gepäck führte der Autor eine Vor-Ort-Untersuchung durch. 　　Eine Null-Emissionen-Behandlung von Abwässern aus der Kohleverarbeitung ist dringend notwendig. Laut Experten ist die Entwicklung der Kohlechemieindustrie ein unvermeidlicher Weg für die Energietransformation Chinas. Dies wird durch die aktuellen Gegebenheiten bezüglich der Energieressourcen des Landes sowie den Kontext der Energierevolution bestimmt. Die Verteilung der Kohlevorkommen und Wasserressourcen in unserem Land ist umgekehrt. Als Beispiel können die vier Provinzen Shanxi, Shaanxi, Ningxia und Inner Mongolia im mittleren und oberen Lauf des Gelben Flusses herangezogen werden. Dort machen die Kohlevorkommen 67 Prozent des gesamten nationalen Vorkommens aus. Aufgrund dieser reichen Kohlevorkommen wurden in diesen Provinzen in den letzten Jahren viele Projekte im Bereich der Kohleverarbeitung geplant. Doch die Wasserressourcen dort machen nur 3,85 Prozent der gesamten nationalen Wasserressourcen aus. Außerdem erzeugt die Kohlechemieindustrie große Mengen an salzhaltigem Abwasser. Bei herkömmlichen Abwasseraufbereitungsverfahren kann Salz nicht abgebaut werden. Der Salzgehalt im Einzugsgebiet des Gelben Flusses hat inzwischen fast den ökologischen Schwellenwert erreicht. Wenn nicht strenge Kontrollmaßnahmen ergriffen werden und kein Null-Emissionen-Standard gefordert wird, werden mit der Entwicklung von Kohlechemieprojekten in diesen Gebieten die Umweltprobleme immer gravierender werden. Die ökologische Bewirtschaftung des Einzugsgebiets des Gelben Flusses wird dadurch noch schwieriger. Das Schiefergas-Projekt des amerikanischen Unternehmens Oasys im Permian-Becken ist das weltweit erste, das die Technologie der osmotischen Membranen einsetzt. 　　“Derzeit ist das oberflächennah liegende Grundwasser am anfälligsten für Verschmutzung. Da die Verschmutzung des Oberflächenwassers weit verbreitet ist, führt dies natürlich auch zu einer häufigen Verschmutzung des oberflächennahen Grundwassers. Im Norden ist die Überentnahme von Grundwasser besonders stark, was zu einem großen Verlust an Grundwasser führt. Da der Grundwasserspiegel deutlich niedriger ist als in den umliegenden Gebieten, entsteht eine Trichterregion. Unter dem Druck fließt das Oberflächenwasser aus den umliegenden Gebieten in diese Region – dadurch wird das Grundwasser leichter verschmutzt. Die Kontamination der Trinkwasserquellen lässt sich mit herkömmlichen Wasseraufbereitungsverfahren nur schwer beseitigen. ”Sagte Ma Jun, Leiter des Zentrums für Forschung zu Öffentlichkeit und Umwelt. 　　Zu diesem Zweck haben die zuständigen Behörden in den letzten Jahren zahlreiche Richtlinien und Vorschriften erlassen, um eine harmonische Entwicklung der Industriewirtschaft sowie der Wasserressourcen und des Umweltschutzes zu fördern. 　　Im Jahr 2005 entwickelten und veröffentlichten das **Entwicklungs- und Reformkomitee sowie das Ministerium für Wissenschaft und Technologie in Zusammenarbeit mit dem Ministerium für Wasserwirtschaft, dem Bauministerium und dem Landwirtschaftsministerium den „Grundriss der chinesischen Politik zur Ressourcenschonung im Wassermanagement“. In diesem Dokument wurde erstmals vorgeschlagen, Technologien zur Wiederverwendung von Abwasser sowie zur Erreichung eines Null-Emissionen-Ziels zu entwickeln. Unternehmen sollen ermutigt und unterstützt werden, behandelte Abwässer erneut zu nutzen. Es sollte stark darauf hingewirkt werden, die Technologie zur Wiederverwendung von behandelten Abwässern in Systemen zur zirkulierenden Kühlmittelversorgung weiterzuentwickeln. In Gebieten mit Wasserknappheit und hohen Anforderungen an die Umwelt wird Unternehmen empfohlen, Technologien zur vollständigen Vermeidung von Abwasseremissionen einzusetzen. Um das Jahr 2006 herum war die Voraussetzung der **Entwicklungs- und Reformkommission für die Genehmigung von Demonstrationsprojekten im Bereich der modernen Kohlechemie, dass die Unternehmen eine Null-Emissionen-Zusage abgeben mussten; andernfalls war eine Genehmigung der Umweltprüfung kaum möglich. Eröffnungszeremonie für die Begleitprojekte sowie Umzugsprojekte des Chemieparkes für neue Materialien der Yangmei-Gruppe in Qingxu – BOT-Projekt für das Gerät zur Konzentration von Salzwasser zur Befeuchtung von Kesseln sowie für das Evaporationskristallisierungsgerät Nr. 1. 　　Mit der zunehmenden Strenge der Umweltgesetze und -standards stießen Unternehmen, die in den vergangenen Jahren Projekte im Bereich der Kohlechemie in den westlichen Regionen ins Leben rufen wollten, immer wieder auf Schwierigkeiten bei der Standortsuche und Genehmigung ihrer Projekte und gerieten in eine Zwickmühle. Seit Anfang dieses Jahres wurden die Umweltbewertungsberichte für das Projekt zur Herstellung von Erdgas aus Kohle im Wert von 4 Milliarden Kubikmetern bei der Jiangsu Su New Energy Company, das Projekt zur Herstellung von Gas aus Kohle im Wert von 2 Milliarden Kubikmetern bei Yili Xintian sowie das Projekt zur Herstellung von Öl aus Kohle in Shanxi Lu’an nacheinander vom Umweltministerium abgelehnt – was in der Branche für Aufregung sorgte. Die Gründe für die Ablehnung der Umweltprüfung betreffen größtenteils die seit Langem bestehenden Probleme im Zusammenhang mit der Umweltverträglichkeit der Herstellung von Gas aus Kohle sowie die Nutzung von Wasserressourcen und die Behandlung von Abwässern. Alle Fragen lassen sich auf einen Punkt reduzieren – ob eine Nullemission erreicht werden kann. 　　“Im Jahr 2008 definierte die Generalverwaltung für Qualitätsüberwachung, Inspektion und Quarantäne in der Norm GB/T21534-2008 „Begriffe zur Wassereinsparung in der Industrie“ den Begriff „Nullabfall“ als einen Zustand, in dem das Wassernutzungssystem eines Unternehmens oder einer Betriebseinheit so funktioniert, dass es keine industriellen Abwässer gibt, die abgeleitet werden müssen. Man kann es so verstehen: Null-Emissionen bedeutet, dass die industriellen Abwässer in feste Stoffe oder Konzentrate umgewandelt und anschließend weiterverarbeitet werden – anstatt sie in Form von Abwässern in natürliche Gewässer abzuleiten. Derzeit sind Projekte zur vollständigen Vermeidung von Abwasseremissionen im Inland in der Regel mit hohen Investitionskosten und hohen Kosten verbunden. ”Guo Youzhi, Generalsekretär der Abteilung für Entsalzung bei der Chinesischen Wasserwirtschaftsvereinigung, gab als Beispiel das Kohleölprojekt der Shenhua Group Co., Ltd. Dieses Projekt ist bereits fertiggestellt, doch es wird bisher noch keine vollständige Null-Emission von Abwässern erreicht. Für Umweltschutzmaßnahmen wurden insgesamt 1,34 Milliarden Yuan investiert – das entspricht 10 Prozent der Gesamtinvestitionen in das Projekt. Während der Testphase lag die Behandlungskosten pro Tonne organischer Abwässer bei über 5 Yuan, während die Kosten für die Behandlung pro Tonne salzhaltiger Abwässer über 38 Yuan lagen. 　　Es gibt bereits Beispiele für den Einsatz der Osmosetechnologie in verschiedenen Bereichen. „Die herkömmlichen Verfahren zur Behandlung von Abwässern aus der Kohlechemie weisen Nachteile wie hohe Investitionskosten, hohe Betriebskosten sowie instabile Systemfunktionen auf.“ Die Osmosetechnologie ist eine bahnbrechende neue Technologie, die auf dem aktuellen Stand der Technik im Bereich der Null-Emissionen entwickelt wurde. ” Li Suqing, technische Leiterin von CoLeck Environmental Resources Technology (Beijing) Co., Ltd., erklärte, dass die Osmosetechnologie das Phänomen der Osmose in der Natur nutzt. Durch chemische Polymerisierung entstehen semipermeable Membranen. Dabei diffundieren Wassermoleküle aufgrund des osmotischen Druckunterschieds von Flüssigkeiten mit niedriger Salzkonzentration in Flüssigkeiten mit höherer Salzkonzentration – ohne dass dazu externe Hochdruckpumpen oder ähnliche Geräte als Trennkraft benötigt werden. Außerdem verursacht diese Technologie eine relativ geringe Verschmutzung der Membranen. Die Permeationsmembranen können daher über einen langen Zeitraum ohne Reinigung in Betrieb bleiben, was zu erheblichen Kosteneinsparungen bei den Investitionen und Betriebskosten führt. Huaneng Changxing Water-Osmose-Anlagen. 　　Es ist bekannt, dass das Projekt zur Gewinnung von Schiefergas der amerikanischen Firma Oasys im Permian-Becken die weltweit erste Anwendung der Osmosemembran-Technologie darstellt. Diese Technologie behandelt hochsalzhaltiges Abwasser aus der Petrochemieindustrie, erreicht eine Null-Emission und macht das aufbereitete Wasser für den Trinkgebrauch geeignet. Im Jahr 2013 investierte Beijing Water Technology Co., Ltd. in das amerikanische Unternehmen Oasys Water und führte die Osmosemembranverfahrenstechnologie nach China ein. In Kombination mit der eigenen Technologie zur Klärung von Abwasser durch Calcium-Chlorkohlenstoff wurde so eine einzigartige Lösung entwickelt, um Abwässer mit hohem COD-Wert sowie hohem Salzgehalt ohne Ausscheidung in die Umwelt zu behandeln. 　　Seitdem gibt es zwei technische Ansätze zur vollständigen Vermeidung von Abwässern mit hohem Salzgehalt im Inland: Der eine Ansatz besteht aus Kalkweichmachung + Osmosemembran-Konzentration + Kristalltrocknung ； Eine andere Methode ist die Verweichlichung mit Kalk + Verdampfung + Kristalltrocknung. Beide Technologien werden derzeit in Kohlekraftwerken unseres Landes in Demonstrationsprojekten eingesetzt. Das Huadian Changxing-Kraftwerk nutzt die Technologie der osmotischen Trennung in Kombination mit Kristallisation, während ein Kraftwerk in Guangdong das traditionelle Verfahren der Verdampfung in Kombination mit Kristallisation verwendet. 　　“Der größte Unterschied zwischen diesen beiden Technologien besteht darin, dass die traditionelle Verdampfungskristallisationsmethode viel Energie verbraucht, während die Osmosemembranverdichtungsmethode relativ wenig Energie benötigt. ”Li Suqing erklärte, dass bei dem Verfahren der Verdampfungskristallisation Abwasser mithilfe von Verdampfern auf einen Salzgehalt von etwa 15 % konzentriert wird. Das so konzentrierte, salzhaltige Wasser wird anschließend durch Kristallisation und Trocknung in feste Salze umgewandelt, die dann entsorgt werden können. Da der Verdampfer Abwasser durch Phasenwechsel in Wasserdampf umwandelt und das Wasser nach der Kondensation wieder gewinnt, muss bei dieser Prozessphase eine große Menge an Dampf aufgenommen werden. Dabei findet ein 100%-iger Phasenwechsel des Abwassers statt, was viel Energie verbraucht. Beispielsweise betragen die Betriebskosten für ein Demonstrationsprojekt zur Null-Emissionen-Produktion in einem Kraftwerk in Guangdong, bei dem diese Technologie eingesetzt wird, 180 Yuan pro Tonne Abwasser. Der Prozess der Konzentration mit osmotischen Membranen beinhaltet das Aufnehmen von Wassermolekülen in die Lösung. Dadurch kann der Salzgehalt des Abwassers ohne den Einsatz großer Mengen an Dampf und Energie auf etwa 25 % erhöht werden. Die Trennung von Gas und Wasser in der Lösung erfolgt bei geringeren Bedingungen im Vergleich zum Abwasser – lediglich ein Drittel des Abwasservolumens wird dabei verwendet. Dadurch wird sowohl die Menge des Wassers, das im Kristallisator verarbeitet werden muss, verringert, als auch der Energieverbrauch. Zum Beispiel betragen die Betriebskosten für das Kraftwerk Huaneng Changxing, das diese Technologie verwendet, 45 Yuan pro Tonne Abwasser. 　　Außerdem weisen Osmosemembranen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Stoßbelastungen auf und sind einfach in der Bedienung und Wartung. Bei dem Verfahren der Verdampfungskristallisation wird Dampf zur Erwärmung verwendet. Vor dem Herunterfahren ist eine Abkühlungsschleife notwendig, während vor dem Einschalten eine große Menge an Dampf zur Vorkühlung benötigt wird. Der gesamte Prozess des An- und Abschaltens ist daher kompliziert ； Das Osmosemembran-Konzentrationsverfahren kann die Konzentrationsrate automatisch an den Salzgehalt der Abwässer anpassen, um den Salzgehalt der Kristalle zu gewährleisten. Für den Start und Stopp sind keine komplexen Bedienvorgänge notwendig – es ist ein einfacher One-Click-Start/Stop möglich. 　　Laut Shao Guohua, dem technischen Leiter des Kraftwerks Huaneng Changxing, kann das System zur Nullemission von Schwefelentfernungsabwässern mit einer Durchflussrate von 22 Kubikmetern pro Stunde im Kraftwerk Huaneng mithilfe der Osmosemembranentechnologie genutzt werden. Dadurch können 18 Tonnen Schwefelentfernungswasser pro Stunde auf 3–4 Tonnen konzentriert werden. Das Abwasser kann zu 100 % wiederverwendet werden, und die Schadstoffe im Abwasser können vollständig in Form von Kristallen und Schlamm abgetrennt werden. Außerdem sinkt während des Betriebs der Verbrauch an Dampf, Chemikalien und Strom. Beispielsweise sinkt der Energieverbrauch zur Aufbereitung einer Tonne Abwasser von 20–40 Kilowattstunden bei der herkömmlichen Verdampfungskristallisationsmethode auf 10 Kilowattstunden, wodurch die Betriebskosten um 30 % reduziert werden. Es wird erwartet, dass das Unternehmen jährlich 180.000 Tonnen hochwertiges Süßwasser zurückgewinnen kann. Dadurch können etwa 2.000 Tonnen salzigen Stoffs in Industrieklassigkeit gewonnen werden. Auf diese Weise werden soziale Vorteile, Umweltvorteile sowie wirtschaftliche Vorteile erreicht. 　　Darüber hinaus hat die Osmosetechnologie auch im Bereich der Meerwasseraufbereitung ihr Potenzial als Anwendungsmedium gezeigt. Derzeit ist die erste Pilotanlage zur Konzentration von Meerwasser mittels Osmosetechnologie, die in Huanghua in Hebei errichtet wurde, bereits in Betrieb. Sie liefert zuverlässige Betriebsdaten für die Forschungsarbeiten im Labor für Meerwasseraufbereitung und vielfältige Nutzung. 　　Es wird angenommen, dass die Osmosetechnologie es ermöglicht, die Effizienz bei der Meerwasseraufbereitung von derzeit 40 % auf 85 % zu erhöhen. Gleichzeitig steigen die Konzentrationen von Brom, Magnesium und Kalium im konzentrierten Salzwasser – was die Nutzung dieser Ressourcen erleichtert. Dadurch können die Betriebskosten für die Meerwasseraufbereitung erheblich gesenkt werden. Zudem wird die Umweltbelastung durch hochsalziges Meerwasser verringert. Der Energieverbrauch liegt bei 70 % des Energieverbrauchs der aktuellen Wasseraufbereitungstechnologien. 　　Schaffung eines Vorzeigeprojekts für kohlebasierte Chemie mit null Emissionen – Auf der Grundlage dieser erfolgreichen Anwendungsbeispiele hat das Abwasseraufbereitungsprojekt im neuen Materialpark der Yangmei-Gruppe für die kohlebasierte Chemie die Osmosetechnologie ausgewählt. 　　Li Kai, leitender Ingenieur der Adipinsäure-Tochtergesellschaft, die für den Bau der Abwasserbehandlungsanlage im Industriepark für neue Chemikalien von Yangmei Chemical verantwortlich ist, erklärte, dass die Designkapazität der Anlage zur Behandlung des konzentrierten Salzwassers zur Befüllung der Kessel im Industriepark 50 Kubikmeter pro Stunde beträgt. Das Ausgangswasser soll auf 5 Kubikmeter pro Stunde konzentriert werden ； Die Anforderungen an die Qualität des Abwassers betragen einen TDS-Wert von über 2,4×105 ppm. Das wiederverwendete Wasser muss den Qualitätsstandards gemäß der Norm **„Qualität von Industriewasser aus der Wiederverwendung städtischen Abwassers“ GB/T19923-2005** entsprechen – insbesondere was die Verwendung als Zusatzwasser für offene Kreislaufkühlsysteme angeht. Das Projekt zur Nutzung neuer Materialien mit null Emissionen verspricht dem Umweltministerium den Bau eines Vorbildprojekts für die Kohlechemie ohne Emissionen. Das Umweltministerium gab an, dass nach der Fertigstellung und Inbetriebnahme eine Tagung für Vertreter der Kohleverarbeitungsindustrie hier abgehalten werden wird. Deshalb sind die Anforderungen des Unternehmens an Technologien zur Erreichung von Null-Emissionen besonders hoch. 　　“Die Osmose-Technologie mit Null-Emissionen gehört zu den fortschrittlichsten Technologien der Welt. Sie ist außerdem die einzige Technologie, die es ermöglicht, Salzwässer mit einem TDS-Wert von bis zu 5×104 ppm auf einen Wert von über 2,4×105 ppm zu konzentrieren. Das ist ein wichtiger Grund, warum wir an die Osmosetechnologie glauben. Der zweite Grund ist die Anerkennung der Osmosetechnologie in der Branche. Oasys Water (ein von Beijing Water Technology Co., Ltd. in den USA investiertes Unternehmen) erhielt den „Preis für das beste Wassertechnologieunternehmen des Jahres 2014“ von der Zeitschrift Global Water Intelligence’ ； Das Permian-Becken-Projekt erhielt mit der revolutionären Technologie der osmotischen Konzentration (MBC) den „Global Best Engineering Award 2014“’ ； Im Jahr 2014 wurde diese Technologie von der China Petroleum and Chemical Industry Federation als Schlüsseltechnologie für den Umweltschutz in der Kohlechemieindustrie eingestuft ； Die Technologie zur Klärung von Abwasser durch Kalkkoagulation sowie zur Konzentrierung von Abwasser mittels Osmose zur Erreichung einer Null-Emissions-Strategie der Beijing Water Technology Co., Ltd. wurde mit der Auszeichnung für neue Technologien und Produkte (Dienstleistungen) in Peking geehrt … Drittens sind da noch die Leistungen dieses Unternehmens in der Branche. Das in China bereits in Betrieb befindliche Projekt zur vollständigen Beseitigung von Schwefelwasserstoffabfällen im Kraftwerk Huaneng Changxing, das derzeit geplante Projekt für das Kraftwerk Shenhua Wangqu sowie einige erfolgreiche Anwendungsbeispiele in den USA. Unser Unternehmen hat mutig die Osmosetechnologie eingeführt, weil wir glauben, dass diese Technologie ebenfalls Wunder bewirken kann, um eine Null-Abfall-Emission bei der Verarbeitung von Kohle zu erreichen – und somit ein Musterprojekt für eine solche Null-Abfall-Emission schaffen zu können. ”Sagte Li Kai. 　　“Die Osmosetechnologie nutzt die derzeit immer weiter entwickelten Vorbehandlungs- und Vorkonzentrierungstechnologien, um die bestehenden Verfahren zur Trocknungskristallisation mit Null-Emissionen zu verbessern. Dadurch wird eine Wiederverwertung von Abwässern aus der Kohlechemie ohne Einsatz von Verdampfern sowie eine hocheffiziente Konzentration dieser Abwässer ermöglicht. Dadurch werden die Investitions- und Betriebskosten erheblich gesenkt – was den Anforderungen des Marktgeschehens entspricht. Darüber hinaus kann das Unternehmen aufgrund seiner Labore für positive Osmose und Null-Emissionen sowie seiner Forschungs- und Entwicklungsstätten maßgeschneiderte Technologielösungen für Unternehmen der Kohlechemiebranche entwickeln. Durch Pilotversuche und weitere Tests kann diese Technologie schließlich in der praktischen Produktion eingesetzt werden – dadurch wird das Risiko bei der Anwendung dieser Technologien erheblich verringert. Derzeit haben bereits Dutzende von Unternehmen in Branchen wie der inländischen Kohlechemie großes Interesse an der Osmosetechnologie gezeigt. Zudem werden die verschiedenen Geschäftsmodelle des Unternehmens – wie EPC, BT, BOT und PPP – zu einem wichtigen Faktor für die schnelle Verbreitung dieser Technologie sein. ”So sagte Gao Feiyi, Generalmanager von Colek Environmental Resources Technology (Beijing) Co., Ltd. 　　Yang Huaheng, Leiter Marketing bei Beijing Water Technology Co., Ltd., sagte zuversichtlich: „Die Osmosetechnologie ist derzeit sehr beliebt – und wird in Zukunft noch beliebter werden.“ Denn es entspricht den Anforderungen der Entwicklung von Umweltschutzrichtlinien und erfüllt die Bedürfnisse von Branchen wie der Kohlechemie hinsichtlich der Verringerung des Abwasserausstoßes, der Wiederverwertung von Ressourcen sowie einer Null-Emission-Strategie.