INDUSTRIELLE ENTSTAUBUNGSANLAGEN FILTERMEDIEN

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1 T. Neuhaus, T. Schrooten, P. Bai, T. Daniel, G.-M. Klein Intensiv-Filter GmbH & Co. KG, Velbert / Deutschland STEIGERUNG DER ENERGIEEFFIZIENZ BEI DER GASREINIGUNG MIT SCHLAUCHFILTERN 1 Einleitung Die Steigerung der Energieeffizienz bei industriellen Prozessen ist aufgrund des angespannten Ressourcenbedarfs nicht nur in Europa, sondern weltweit Schwerpunkt bei der Entwicklung neuer und Optimierung bestehender Techniken und Verfahren geworden. Der Energieverbrauch (bzw. die spezifischen Energiekosten) entscheidet immer häufiger über die Auswahl eines Verfahrens und lässt die rein technischen Vorteile der Anlage in den Hintergrund rücken. Die Verminderung des CO 2 -Ausstoßes, als umweltpolitisches Ziel hat diesen Trend noch verstärkt. Mit über 80 % trägt die Leistung der Ventilatoren zur Abgasförderung den Energieverbrauch des Gasreinigungsprozesses. Das Produkt aus Volumenstrom und Druckverlust der Anlage stellt die erforderliche Leistung dar. Der Volumenstrom ist verfahrensbedingt festgelegt, alleinig der Druckverlust kann als Optimierungspotential genutzt werden. Filternde Abscheider und insbesondere Schlauchfilter haben sich in der Gasreinigung bei zahlreichen industriellen Prozessen durchgesetzt und gelten als wichtigste Filtergattung zur Abscheidung von Partikeln aus Gasströmen. Als grundsätzlicher Technologievorteil ist die problemlose Einhaltung aktueller Emissionsgrenzwerte in einem einstufigen Prozess bei höchsten Volumenströmen und Staubbeladungen zu nennen. Die Vorteile haben in den letzten Jahren zur Substitution von Zentrifugalabscheidern und elektrostatischen Abscheidern geführt. Die Druckverluste bei Schlauchfiltern resultieren aus den Strömungswiderständen des Filterkuchens p FK direkt nach der Jet-Pulse Abreinigung des Filtermediums (Restdruckverlust p 0 ) und dem Gehäusedruckverlust p G (Rohgaseintritt bis Filterkuchenoberfläche, Seite 1 von 10

2 Schlauchinnenströmung, Reingasströmung ab Schlauchaustritt bis Reingasaustritt). Bild 1 zeigt das Energieflussbild eines Jet-Pulse Filters bei Standardbedingungen (Schlauchlänge 6 m, online Betrieb, Lochdüseninjektor, Abreinigungsdruck 0,6 MPa). Deutlich wird, dass der Hauptanteil des Energieaufwandes für die Überwindung des Filterkuchenwiderstandes notwendig ist und in der Konsequenz das bei Schlauchfiltern höchste Optimierungspotential darstellt. Die Beschaffenheit (Dicke, Dichte) des Filterkuchens und damit sein Strömungswiderstand hängt neben den Staubeigenschaften insbesondere von der Betriebsweise des Filters ab, d. h. dem zyklischen Regenerieren des Filtermediums. Hier spielen vor allem Zykluszeit, Abreinigungsdruck und -art, Strömungsbedingungen während der Regenerierung (online oder offline Abreinigung) und die Eigenschaften des Filtermediums eine große Rolle. Bild 1: Schematische Darstellung eines Jet-Pulse Filters im online Betrieb und Energieflussbild bei Standardbedingungen Nachfolgend werden die bei Intensiv-Filter umgesetzten Maßnahmen vorgestellt, sowie anhand einer Kostengegenüberstellung das Einsparpotential verdeutlicht. 2 Steigerung der Energieeffizienz durch apparative Maßnahmen Durch roh- und reingasseitige Absperrorgane (Klappen, Schieber, Ventile) wird während der Abreinigung ein Teil der Anlage in einen strömungslosen Zustand versetzt. Durch diesen sogenannten offline Betrieb werden das Wiederanfiltrieren von abgereinigten Partikeln und eine innere Staubzirkulation vermieden. Es wird eine Reduzierung der Filterkuchenmasse Seite 2 von 10

3 erreicht und der Filterkuchenwiderstand p FK minimiert. Bei feindispersen Stäuben und Filterschläuchen mit Längen > 6 m, z. B. bei der Ofen- und Mühlenentstaubung in der Zementindustrie, werden offline Filter bevorzugt [1]. Desweiteren können offline bzw. semioffline Filter mit einer Niederdruckabreinigung betrieben (Abreinigungsdruck 1 bis 2 bar) und der Druckluftverbrauch gegenüber konventionellen online Filtern um bis zu 90 % gesenkt werden. Zwar wird durch das Herausnehmen des abzureinigenden Filtermoduls die effektive Filterfläche reduziert bzw. die Filterflächenbelastung erhöht und ein Anstieg des Druckverlustes bewirkt, jedoch überwiegen die o. g. Vorteile bei Weitem, sodass sich die offline Bauart bei größeren Filteranlagen durchgesetzt hat. Weitere Vorteile sind die, durch die Niederdruckabreinigung erzielte, geringere mechanische Belastung und höhere Standzeit der Filterschläuche sowie die reduzierten Geräuschemissionen. [2] 3 Steigerung der Energieeffizienz durch optimale Abreinigungssysteme Ein effektives Abreinigungssystem ist entscheidend für eine optimale Regenerierung des Filtermediums. Die Abreinigung hat so zu erfolgen, dass sich der Filterkuchen über die gesamte Schlauchlänge vollständig ablöst und das Zurückschlagen des Mediums auf den Stützkorb (Teppichklopfeffekt) sanft erfolgt. Die Optimierung von Lochdüsen, wie sie bei konventionellen Filtern eingesetzt werden, erzielt durch eine Aushalsung (Bild 2b, ideale Düse) bereits eine deutliche Verbesserung der Ausrichtung des Druckluftstrahles und damit eine höhere Effektivität bei der Abreinigung. Eine weitere Steigerung kann durch den von Intensiv-Filter entwickelten Coanda-Injektor (Bild 2c) erreicht werden. Der hier genutzte Coanda-Effekt, bei dem die Druckluft aus einem Ringspalt austritt und über eine gewölbte Oberfläche geführt wird, sorgt für einen extrem hohen Unterdruck in der ersten Injektorstufe. Die angesaugte Sekundärluft bildet - im Gegensatz zur Lochdüse - einen Treibstrahl mit wesentlich höheren Luftmengen aus. Dieser tritt in die Einlaufdüse als zweite Injektorstufe, in der weitere, zusätzliche Sekundärluft angesaugt wird. Der Coanda-Injektor zeichnet sich somit durch hohe Spülluftmengen und einem gerichteten Druckluftstrahl aus, welcher ermöglicht, dass Einlaufdüsen mit sehr großem Durchmesser und folglich niedrigen Strömungswiderständen in der Filtrationsphase eingesetzt werden können. Seite 3 von 10

4 Messungen des Schlauchinnendruckes haben gezeigt, dass der Druckstoß und in Folge die Abreinigungsintensität des Coanda-Injektors höher ist als bei der idealen Düse, welche wiederrum signifikant bessere Ergebnisse gegenüber der einfachen Lochdüse zeigt [2, 3]. Daher erreicht der Coanda-Injektor den, im Vergleich aller Systeme, geringsten Druckverlust über den Filterkuchen p FK. Die hohe Spülluftmenge des Coanda-Injektors sorgt weiterhin für eine Minimierung des sogenannten Teppichklopfeffekts. Das Wiederanfiltrieren des abgelösten Staubes und die Staubemissionen werden hierdurch reduziert. Aufgrund der geringeren mechanischen Belastung werden die im Betrieb erreichbaren Schlauchstandzeiten und damit die Serviceintervalle der Filteranlage erhöht. Bild 2: Vergleich verschiedener Injektorsysteme 4 Steigerung der Energieeffizienz durch Optimierung der Abreinigungssteuerung Konventionelle Filteranlagen werden entweder zeit- oder differenzdruckgesteuert und bei konstantem Abreinigungsdruck betrieben. Mit der differenzdruckgesteuerten Betriebsweise kann der Druckluftverbrauch, bedingt durch die in der Regel sich länger einstellende Taktzeit, gering gehalten werden. Jedoch liegt der mittlere Differenzdruck im Vergleich zur zeitgesteuerten Betriebsweise deutlich höher. Dies schlägt sich auf die eingangs bereits erwähnte Ventilatorleistung nieder. Eine deutlich effizientere Betriebsweise von Filteranlagen stellt eine zeitgesteuerte Abreinigung in Verbindung mit einer vordruckgesteuerten Regelung dar. Bei dieser, von Intensiv-Filter entwickelten automatischen Steuerungseinheit JetBus Controller, wird der Seite 4 von 10

5 Differenzdruck über den Schlauchboden, welcher Rein- und Rohgasraum des Filters trennt, kontinuierlich erfasst und der Abreinigungsdruck an die Betriebssituation angepasst. Der Abreinigungsdruck wird so geregelt, dass sich die Anlage in einem vorgegebenen Differenzdruckfenster bewegt. Reicht der Abreinigungsdruck nicht aus um den Differenzdruck unterhalb des maximal zulässigen Wertes zu halten, so wird er angehoben. Sinkt der Wert unterhalb des Sollwertes, erfolgt eine Reduzierung des Abreinigungsdruckes bis hin zu einem Aussetzen der Abreinigung (z.b. keine Staubbeladung im Rohgas). Neben der optimierten energieeffizienten Betriebsweise der Filteranlage gestattet die Vordruckregelung die Einhaltung eines gewünschten Anlagenbetriebspunktes bei minimalem Druckluftverbrauch. Es wird für eine Vergleichmäßigung des Staubanfalls und eine bessere Ausnutzung der Kapazität der Staubaustragsorgane gesorgt sowie die mechanische Belastung der Filterschläuche minimiert und ihre Standzeit verlängert. 5 Steigerung der Energieeffizienz durch ProTex Filtermedien Das Filtermedium, das Herz eines jeden Schlauchfilters, birgt das höchste Potential zur Reduzierung der Druckverluste. Dabei hat das Filtermedium im Betrieb mehrere Eigenschaften gleichzeitig zu erfüllen. Es muss eine optimale Oberflächenfiltration, einen hohen Abscheidegrad, einen niedrigen Restdruckverlust, einen Filterkuchenaufbau mit möglichst geringem Differenzdruckanstieg innerhalb eines Filterzyklus (ideal = linearer Verlauf) eine hohe Dauerfestigkeit und Beständigkeit gegen Verschleiß aufweisen. Diese Eigenschaften werden bei dem von Intensiv-Filter entwickelten Filtermedium ProTex vereint. ProTex Filtermedien weisen Mikrofasern mit einem Titer 1,5 dtex auf der Anströmseite auf, die so angeordnet sind, dass sich in der ersten Filtrationsphase nach der Druckstoßabreinigung ein deutlich geringerer Druckgradient der Druckverlustkurve einstellt als bei konventionellen Nadelvliesen. Desweiteren zeichnen sich ProTex Medien durch einen Seite 5 von 10

6 niedrigen Restdruckverlust, hohe Reingasstaubkonzentrationen und Feinstaubabscheidegrade aus. Zur vergleichenden Prüfung von Filtermedien hat sich das Prüfverfahren nach VDI 3926 Blatt 1 bewährt und durchgesetzt [4]. In Anlehnung an diese Prüfregel wurden bei Intensiv-Filter an einem Flachrondenprüfstand des Typs 1 umfangreiche Untersuchungen durchgeführt und die Eigenschaften von ProTex gegenüber konventionellen Nadelvliesen und Nadelvliesen mit eptfe-membran nachgewiesen. Die Ergebnisse der Untersuchungen mit den Teststäuben Pural Sb und Portlandzementstaub sind in Bild 3 dargestellt. Das Filtermedium mit eptfe-membran zeigt direkt nach der Abreinigung einen geringen Druckgradienten im Druckverlustverlauf, jedoch einen sehr hohen Restdruckverlust, der auf die sehr geringe Porenweite der Membran, aber auch auf irreversible Staubeinlagerungen in der Membran zurückzuführen ist. Das konventionelle Mikrofasermedium weist einen relativ niedrigen Restdruckverlust auf, jedoch eine hohe Steigung der Druckverlustkurve direkt nach der Abreinigung, so dass am Ende des Zyklus etwa das Druckniveau der eptfe-membran erreicht wird. ProTex zeigt für beide Teststäube sowohl einen geringen Gradienten der Druckverlustkurve als auch einen niedrigen Restdruckverlust. Bild 3: Prüfung verschiedener Filtermedien in Anlehnung an VDI 3926, Differenzdruckverläufe des zehnten, differenzdruckgesteuerten Zyklus der Stabilisierungsphase nach der Alterung Zur Validierung der Ergebnisse wurden Versuche an einem Schlauchfilter im Intensiv-Filter Technikum durchgeführt. Die Technikumsanlage verfügt über 10 Schläuche (d = 160 mm, L = 4 m) in 5 Reihen. Die Testreihe erfolgte neben dem Filtermedium ProTex an dem oben beschriebenen konventionellen Mikrofasermedium und darüber hinaus an einem Seite 6 von 10

7 konventionellen Nadelvlies ohne Mikrofaser. Zu Beginn eines jeden Versuchs wurden die Schläuche mit Abreinigungen unter Testbedingungen und einer Taktzeit von 5 s gealtert. Bild 4 zeigt den Differenzdruck über die Messzeit während der Prüfung der drei genannten Filtermedien und einer Zykluszeit von 300 s. Der mittlere Druckverlust (gemessen über den Schlauchboden des Filters) bei Verwendung des ProTex Filtermediums ist auch in der Technikumsanlage deutlich geringer als bei Verwendung des konventionellen Mikrofasermediums. Das Nadelvlies (ohne Mikrofaser) liegt im Differenzdruckniveau nochmals darüber. Bezogen auf die Mittelwerte zeigt ProTex einen, um den Faktor 1,9 im Vergleich zum konventionellen Mikrofasermedium und einen um den Faktor 2,3 im Vergleich zum konventionellen Nadelvlies, reduzierten Druckverlust. Die Reingasstaubkonzentrationen liegen bei ProTex und dem konventionellen Mikrofasermedium bei 1,7 mg/m³ bzw. 0,5 mg/m³, während beim Nadelvlies ohne Mikrofaserbeimischung Emissionen > 10 mg/m³ ermittelt wurden [5]. Die Ergebnisse zeigen, dass durch den Einsatz eines hochwirksamen und effizienten Filtermediums wie ProTex, der Druckverlust eines Schlauchfilters signifikant gesenkt und eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz erreicht werden kann. Bild 4: Druckverlustkurven bei Einsatz von ProTex im Vergleich zu konventionellen Filtermedien Versuche an einer 10-Schlauch-Technikumsanlage Seite 7 von 10

8 6 Steigerung der Energieeffizienz durch Three E Technologie Eine weitere Steigerung der Energieeffizienz ist durch eine Kombination von ProTex Filtermedien bei einem Betrieb mit deutlich verkürzten Zykluszeiten zu erreichen und wurde als Three E (Enhanced Energy Efficiency) Technologie eingeführt. Die Anwendung von Three E wird erst durch die sehr guten Abscheidegrade der ProTex Filtermedien ermöglicht. Versuche an der oben beschriebenen Technikumsanlage zeigen, dass mit einer Verkürzung der Zykluszeiten von 300 s auf 200 s bzw. 100 s eine weitere Absenkung der Druckverluste bis zum Faktor 4 erzielt wird (Bild 5). Dabei kommt es zu einem leichten Anstieg der Reingaskonzentrationen auf 2,5 mg/m³. Diese bleiben aber noch deutlich unter den Werten des Nadelvlieses und den vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Grenzwerten. Der höhere Druckluftbedarf wird durch die beschriebenen Vorteile überkompensiert. Bild 5: Druckverlustkurven bei Anwendung des Three E Verfahrens Versuche an einer 10-Schlauch- Technikumsanlage 7 Zusammenfassung und Ausblick Fasst man die beschriebenen Optimierungsmöglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz zusammen, so erhält man das in Bild 6 dargestellte Energieflussbild bei online Betriebsweise. Im Vergleich zum Energieflussbild des Schlauchfilters unter Standardbedingungen (Bild 1) wird deutlich, dass eine Einsparung von bis zu 40 % zu erwarten ist. Das größte Einsparpotential liegt bei der Reduzierung der Druckverluste des Filterkuchenanteils, erzielt durch die Verwendung von ProTex Filtermedien und Anwendung der Three E Technologie, Seite 8 von 10

9 sowie dem Einsatz des Coanda-Injektors in Kombination mit der vordruckgeregelten Abreinigung mittels JetBus Controller. Um das Einsparpotential der Betriebskosten zu verdeutlichen, wurden diese anhand eines ProJet mega, Typ PJM 120/ (4 Kammern, 120 Schläuche pro Kammer, Schlauchlänge 4 m) mit einer Filterfläche von m² berechnet. Das Ergebnis, dargestellt im Balkendiagramm von Bild 6, ergibt ein Einsparpotential von rund /a (40 %) gegenüber einem Schlauchfilter unter Standardbedingungen bzw. bei Einsatz von konventionellen Mikrofasermedien unter Standardbedingungen von /a (27 %). Bezogen auf die CO 2 Emissionen wird eine Reduzierung von 85 t/a erzielt - die Leistung eines Kleinwagens von rund km/a. Filtertyp: PJM 120/ Filterfläche: 1000 m² Filterflächenbelastung: 120 m³/m²/h Energiekosten: 10 C/kWh Bild 6: Energieflussbild und Kostengegenüberstellung eines Jet Pulse Filters im online Betrieb mit gesteigerter Energieeffizienz Neben der Option der Senkung der Betriebskosten, bietet ProTex und die Three E Technologie selbstverständlich auch die Alternative zur Erhöhung der Filterflächenbelastung und damit der Reduzierung der Baugröße des Filters, bei gegenüber Standardbedingungen unveränderten Betriebskosten. Seite 9 von 10

10 ProTex Filtermedien stehen momentan in PES Qualität zur Verfügung. Aktuell werden Validierungsversuche in der Zementindustrie durchgeführt. Der nächste Schritt in der Medienentwicklung ist die Ausweitung des ProTex Filtermedienportfolios auf hochtemperaturbeständige Fasern. In Kombination mit Three E werden dann auch Prozessfilter mit Gastemperaturen oberhalb 140 C mit gesteigerter Energieeffizienz zur Verfügung stehen. [1] Esser, R.: Kiln bag filter conversion at Dyckerhoff Zement s Geseke plant. Global Cement Magazine July-August 2008, 7-9. [2] Klein, G.-M.; Schrooten,T.; Neuhaus, T.; Kräbs, R.: Energieeffiziente Jet-Pulse- Entstaubungsanlagen, Gefahrstoffe Reinhaltung der Luft, 69 (2009) Nr. 5 [3] Meyer zu Riemsloh, H.: Abreinigung von Faserstofffiltern unter Druckluft. Zement-Kalk-Gips 31 (1978) Nr. 7, [4] VDI 3926 Blatt 1: Richtlinie Prüfung von Filtermedien für Abreinigungsfilter Standardprüfung zur vergleichenden Bewertung von abreinigbaren Filtermedien. Berlin: Beuth 1994, 2004 [5] Klein, G.-M., Neuhaus, T., Bai, P., Schrooten, T., Daniel, T.: Verminderung der durch die Partikelablagerung verursachten Druckverluste in industriellen Schlauchfiltern. F&S Filtrieren und Separieren, Jahrgang 23 (2009) Nr. 3 Seite 10 von 10