Process filter trends in the cement industry

Transkript

1 Bag filter for kiln dedusting at Qassim Cement (FLS Airtech) Schlauchfilter zur Ofenentstaubung bei Qassim Cement (FLS Airtech) Process filter trends in the cement industry Trends bei Prozessfiltern in der Zementindustrie Joachim Harder OneStone Consulting Group GmbH, Buxtehude/Germany 1 Introduction In 1950 the dust emission level of cement factories in the leading western countries was still around 3.5 kg/t of cement. In other words, cement production lines with an output of 3000 tpd had an annual emission rate of 3500 t of dust. For local residents, hanging white washing out to dry was not without risk. Nowadays, the maximum annual emission rate of modern 5000 tpd lines is 250 t and it is no longer possible for local residents to see cement dust on their white washing with the naked eye. Emission limit values of less than 20 mg/nm 3 can be easily observed with available technology. The best plants meanwhile achieve emission rates of less than 5 mg/nm 3. In Germany, for example, a country that does not exactly have a reputation for lax environmental laws, practically all cement factories have dust emissions below the level relevant for environmental data registration. Their output levels are below the threshold value of 50 t/a of particulate matter (PM10 = Particulate Matter < 10 µm). Despite this achievement, the environmental authorities still view the situation with some suspicion because the particulate matter emitted nowadays is partially respirable and has a content of up to 1 % heavy metal and other non-volatiles. Environmental authorities are guided by the concept of best available technology [1], relatively independent of the cost involvement. For 1 Einleitung 1950 haben die Staubemissionen von Zementwerken in den führenden westlichen Ländern noch bei etwa 3,5 kg/t Zement gelegen. Zementlinien mit einer Produktion von 3000 t/d lieferten dabei Jahresfrachten von 3500 t Staub. Anwohner konnten ihre weiße Wäsche nicht ohne Risiko im Freien trocken. Heute betragen die Jahresfrachten von modernen 5000 t/d- Linien maximal 250 t und Anwohner können den Staub aus dem Zementwerk auf ihrer weißen Wäsche mit bloßen Augen nicht mehr erkennen. Emissionsgrenzwerte von weniger als 20 mg/nm 3 sind mit der vorhandenen Technologie ohne weiteres einzuhalten. Beste Anlagen kommen inzwischen auf Emissionen von weniger als 5 mg/nm 3. In Deutschland beispielsweise, das nicht gerade den Ruf genießt, in seiner Umweltgesetzgebung lax zu sein, fallen bei den Staubemissionen praktisch keine Zementwerke mehr in das Umweltkataster. Die Zementwerke befinden sich unterhalb des Schwellenwertes von 50 t/a Feinstaub (PM10 = Particulate matter < 10 µm). Trotzdem ist aus Sicht von Umweltbehörden die Lage immer noch trügerisch, weil die heutigen Staubfrachten Feinstaub ausmachen, der teilweise lungengängig ist und sich mit nichtflüchtigen Schwermetallen mit Anteilen bis zu 1 % anreichert. Umweltbehörden orientieren sich an der besten verfügbaren Technologie [1], relativ unabhängig davon was es kostet. So ZKG INTERNATIONAL 59

2 instance, the US environmental authority EPA (Environmental Protection Agency) has moved to further reduce the PM limit value of the cement industry from the present 0.15 kg/t of clinker to 0.04 kg/t as from The Portland Cement Association (PCA) expressed the reservation that such low limit values are not yet attained by US cement factories. It also argues that a further toughening of environmental regulations will result in an exodus of cement producers to countries with lower requirements. This article has the intention of outlining process filter trends and discussing the extent to which limit values below 0.05 kg/t of clinker can actually be attained. Dust emissions [g/t] [g/t cement] [g/t clinker] [kt/a dust] Absolute dust emissions [kt/t] 2 Situation of the cement industry It is obvious that the cement industry and especially the leading cement producers are making considerable efforts to further reduce dust emissions in coming years. The sustainability reports of cement producing companies and national cement associations provide a large amount of relevant information on this subject. The dust emission figures of individual companies largely depends on the proportion of their output capacity in emerging markets, on what emission limit values exist in the countries involved and on the state of technology of the old plants. When purchasing such plants, the declared aim of global producers was to bring them up to the state of the art. In China for instance, Lafarge - who operates approx. 50 cement kilns in a joint venture succeeded in reducing dust emissions by 57 % between 2005 and In addition, 16 kilns were totally shut down. Also in countries like Russia, the Ukraine and Greece, emissions were drastically cut by installing modern filters. 60 % of Lafarge s kiln plants emit dust quantities of lower than 50 mg/nm 3. In 2010, Lafarge aims to achieve this figure in all of its cement factories. The specified company standard is, however, 30 mg/nm 3. On average, the dust emission of Lafarge factories dropped from 241 g/t of clinker in 2005 to 208 g/t of clinker in This corresponds to a reduction of 13.7 %. The company s voluntary commitment programme provides for a dust emission reduction of 30 % over the period from 2005 to In the case of Holcim, the dust emission in 2005 was 150 g/t of cement material, while in 2007 it was 110 g/t of cement material. As is customary on the cement sector, dust quantities are referred to the emissions at the kiln stack. Figure 1 shows how Holcim s specific dust quantities have changed in recent years. The total emissions of all the company s factories have fallen from 18.4 kilotons/year to 17.7 kt/year, while cement output has risen to Mta and the clinker factor was reduced from 75.2 % in 2005 to 72.6 % in Holcim thus achieved a reduction from 199 g to 152 g per tonne of clinker. Among the global players of the cement industry, Holcim thus has one of the lowest dust emission figures. Cemex reduced its dust emissions from 219 g/t of clinker in 2006 to 162 g/t of clinker in Taking account of a decrease in the company s production output, the absolute emission figure dropped from to 9.1 kt/year. Cemex aims to reduce the specific emission rate to 155 g/t by HeidelbergCement s dust emission figure remained practically unchanged in the years 2005 and 2006 with 275 and 278 g/t of clinker. Its absolute dust emission was 16.6 kt/year. Italcementi was only able to reduce its specific dust emission rate from 199 to 187 g/t of clinker from 2006 to In the so-called Year 1 Development of dust emissions at Holcim (Holcim) Entwicklung der Staubemissionen bei Holcim (Holcim) kommt von der US-Umweltbehörde EPA (Environmental Protection Agency) einen weiterer Vorstoß, die PM-Grenzwerte der Zementindustrie von derzeit 0,15 kg/t Klinker ab 2013 auf 0,04 kg/t abzusenken. Die Portland Cement Association (PCA) gibt zu bedenken, dass diese niedrigen Grenzwerte von den US-Zementwerken heute noch nicht erreicht werden. Es wird auch argumentiert, das bei einer weiteren Verschärfung der Umweltauflagen mit einer Abwanderung der Zementproduktion zu Ländern mit geringeren Auflagen zu rechnen ist. Der vorliegende Beitrag soll die Trends bei Prozessfiltern aufzeigen und inwieweit Grenzwerte unterhalb von 0,05 kg/t Klinker erreichbar sind. 2 Situation der Zementindustrie Seitens der Zementindustrie und insbesondere bei den marktführenden Zementproduzenten sind erhebliche Anstrengungen erkennbar, in den kommenden Jahren die Staubemissionen weiter zu reduzieren. Eine Fülle von Informationen dazu kann aus den Nachhaltigkeitsberichten der Unternehmen bzw. der Zementverbände in den Ländern entnommen werden. Die Staubemissionen der Unternehmen hängen weitgehend von dem Anteil der Kapazitäten in Emerging Markets ab, welche Emissionsgrenzwerte in den Ländern existieren und welchen Stand der Technik die Altanlagen aufweisen. Das erklärte Ziel zu den akquirierten Anlagen war es insbesondere, sie auf den Stand der Technik zu bringen. So konnte Lafarge beispielweise in China, wo man in einem Joint-Venture etwa 50 Zementöfen betreibt, die Staubemissionen von 2005 bis 2007 um 57 % vermindern. Dazu wurden 16 Öfen vollständig stillgelegt. Aber auch in Ländern wie Russland, der Ukraine und Griechenland wurden die Emissionen durch den Einbau moderner Filter drastisch gesenkt. Bei Lafarge emittieren 60 % der Ofenanlagen Staubmengen unterhalb von 50 mg/nm 3. In 2010 soll dieser Wert in allen Lafarge-Zementwerken erreicht werden. Als Standard wird allerdings ein Wert von 30 mg/nm 3 vorgegeben. Durchschnittlich verringerten sich die Staubemissionen bei Lafarge von 241 g/t Klinker 2005 auf 208 g/t Klinker in Das entspricht einer Verminderung um 13,7 %. Das Selbstverpflichtungsprogramm des Unternehmens sieht eine Verringerung der Staubemissionen um 30 % in dem Zeitraum von 2005 bis 2012 vor. Bei Holcim betrugen die Staubemissionen 150 g/t Zementmaterial in 2005 und 110 g/t Zementmaterial in 2007, wo ZKG INTERNATIONAL

3 Dust emissions in different markets [g/t cl.] Mature (M) Emerging (E) Relation M/E mature markets Italcementi s specific dust load is only 26 g/t of clinker, but in the emerging markets it is more than ten times higher, at 304 g/t of clinker (Fig. 2). It is particularly interesting that in 2005 Italcementi s dust emission figure for the emerging markets was already 126 g/t of clinker, but then deteriorated considerably due to subsequent acquisitions in While Italcementi s dust emission in the mature markets was only 0.63 kt/year in 2007, the figure for the emerging markets was 7.8 kt/year. In the cement industry, the subject of dust emission is increasingly being coupled with the question of the extent to which dangerous wastes are burnt as secondary materials. On the one hand, cement factories have the advantage vis à vis conventional incineration plants that their combustion temperatures are extremely high and that the retention times in the kiln system are relatively long. However, on the other hand it is possible for concentrations of non-volatile substances, particularly heavy metals such as arsenic, lead, cadmium, thallium etc., to occur in the emitted particulate matter. For cement projects that are partially financed, for example by the IFC (International Finance Corporation), this is taken into consideration in the stipulated limit values. Whereas the normally permitted particulate matter emission is 30 g/ Nm 3, the limit value is lowered to 10 g/nm 3 if more than 40 % of the employed fuel is made up of dangerous waste material. 3 Process filters in cement factories It is inherent in the cement manufacturing process that dusts are produced during the quarrying of material, and the grinding, burning, cooling, conveying, storage, packing and dispatch processes. In order to prevent the occurrence of uncontrolled dust emissions, filter systems are installed in the individual machines of the various process stages. However, this has the disadvantage that enormous quantities of exhaust gas have to be dedusted during the cement manufacturing process. In the process equipment there are three main dedusting tasks: raw mill/kiln system, clinker cooler/kiln bypass and cement grinding plant. The filters employed in all of these cases have to satisfy the following main requirements: a) ensure compliance with the emission limit values b) minimize the created pressure drop c) operate with a low kwh and compressed air consumption d) have a long service life and high availability e) involve the lowest possible capital cost Year 2 Development of dust emissions at Italcementi (Italcementi) Entwicklung der Staubemissionen bei Italcementi (Italcementi) Relation of absolute dust emissions bei branchenüblich die Staubmengen auf die Emissionen am Ofenkamin bezogen werden. Bild 1 zeigt wie sich bei Holcim die spezifischen Staubmengen in den letzten Jahren verändert haben. Die Gesamtemissionen aller Werke haben sich von 18,4 kt/jahr auf 17,7 kt/jahr verringert, wobei die Zementproduktion auf 155,9 Mta gestiegen ist und sich der Klinkerfaktor von 75,2 % in 2005 auf 72,6 % in 2007 verringert hat. Pro Tonne Klinker wurde damit bei Holcim eine Reduktion von 199 g/t auf 152 g/t erreicht. Damit nimmt Holcim bei den international aufgestellten Unternehmen der Zementindustrie bzgl. der Staubemissionen eine führende Stellung ein. Cemex konnte seine Staubemissionen von 219 g/t Klinker in 2006 auf 162 g/t Klinker in 2008 reduzieren. Die absolute Emission wurde dabei mit einer verringerten Produktionsmenge von 12,85 auf 9,1 kt/jahr reduziert. Bis 2015 soll die spezifische Emission auf 155 g/t Klinker vermindert werden. HeidelbergCement hatte in den Jahren 2005 und 2006 mit 275 bzw. 278 g/t Klinker praktisch unveränderte Staubemissionen. Die absoluten Staubemissionen betrugen 16,6 kt/jahr. Italcementi konnte die spezifische Staubemissionsmenge von 2006 bis 2007 nur von 199 auf 187 g/t Klinker reduzieren. In den sogenannten Mature Markets beträgt bei Italcementi die spezifische Staubbelastung nur 26 g/t Klinker, in den Emerging Markets dagegen 304 g/t Klinker, also mehr als das zehnfache (Bild 2). Besonders interessant ist, dass bei Italcementi in 2005 der Wert für die Emerging Markets schon bei 126 g/t Klinker gelegen hatte, durch die anschließenden Akquisitionen in 2006 sich aber deutlich verschlechterte. Während bei Italcementi in den Mature Markets in 2007 nur Staubemissionen von 0,63 kt/jahr anfielen, betrugen diese in den Emerging Markets 7,8 kt/jahr. In der Zementindustrie wird daneben bei den Staubemissionen zunehmend betrachtet, inwieweit gefährliche Abfälle mitverbrannt werden. Auf der einen Seite haben Zementwerke den Vorteil gegenüber herkömmlichen Verbrennungsanlagen, dass die Brenntemperaturen extrem hoch sind und relativ große Verweilzeiten im Ofensystem gegeben sind. Auf der anderen Seite können sich aber insbesondere nichtflüchtige Schwermetalle wie Arsen, Blei, Cadmium, Thallium usw. im Feinstaub anreichern. Für Zementprojekte, die beispielweise von der IFC (International Finance Corporation) mitfinanziert werden, wird dies bei den einzuhaltenden Grenzwerten berücksichtigt. So beträgt die zugelassene Feinstaubemission normalerweise 30 g/nm 3, für den Fall, dass gefährliche Abfallstoffe mit mehr als 40 % des Brennstoffanteils mitverbrannt werden, sind die Emissionsgrenzwerte auf 10 g/nm 3 reduziert. 3 Prozessfilter in Zementwerken Bei der Zementherstellung fallen systembedingt Stäube beim Materialabbau, dem Vermahlen, Brennen, Kühlen, Transportieren, Lagern, Verpacken und Versand an. Um unkontrollierte Staubemissionen zu vermeiden, wird in den einzelnen Apparaten in den Prozessschritten abgesaugt. Dies hat allerdings den Nachteil, dass bei der Zementherstellung riesige zu entstaubende Abgasmengen anfallen. Auf der Prozessseite gibt es drei wesentliche Entstaubungsaufgaben: Rohmühlen-/Ofensystem, Klinkerkühler/Ofenbypass und Zementmahlanlage. Für alle diese Fälle werden Filter eingesetzt, deren wesentliche Aufgabe ist: a) die Emissionsgrenzwerte einzuhalten b) einen möglichst niedrigen Druckabfall zu erzeugen ZKG INTERNATIONAL 61

4 To fulfil these requirements, the filters are equipped with internal flow guidance systems that ensure a uniform gas distribution over the filter elements and minimize the gas inlet velocities. That this is not an easy undertaking becomes clear when one considers that the dedusting systems for kiln and raw mill have to deal with an exhaust gas volume of over 2 million Am 3 /h. The exhaust gas volume fed to the dedusting systems for the cement mill, and for the cooler and bypass is somewhat lower, at 1 and 0.5 million Am 3 /h respectively. But these systems, too, are equipped with compact filters with net filter area loadings of m 3 /m 2 min for gas dust loads of 1000 g/am 3. Another critical aspect for the filters is the very high exhaust gas temperatures in some sections of the plant. For this reason, especially the kiln and cooler exhaust air filters are provided with gas conditioning systems or air/air-heat exchangers. In the cement industry, electrostatic precipitators and fabric filters (bag filters), or combinations of the two processes, have established themselves as the most important types of process filter. There is a clear trend towards bag filters, which enable compliance with lower emission limit values than electrostatic precipitators and are practically independent of operating conditions and plant starting and stopping phases. In the case of electrostatic precipitators, the separation efficiency, i. e. the dust collection rate, depends on the raw gas temperature and the electrical resistance of the dust particles, which can fluctuate depending on, for instance, the temperature or humidity. A further problem is presented by the high process-related CO concentration, which can even cause emergency shutdown of the electrostatic precipitator [1]. Gravel bed filters are sometimes still used as preliminary filters for clinker cooler dedusting systems. If used as the sole filter, the collection efficiency of a gravel bed filter does not correspond to the state of technology. 3.1 Bag filters (fabric filters) For use as process filters, the cement industry prefers jet-pulse filters to filters cleaned by rapping or shaking. The dust particles are collected on the surface of the filter medium or on the filter cake formed on the surface. A jet-pulse filter (Fig. 3) is divided into compartments for the raw gas and for the clean gas [3]. c) einen geringen KWh-Bedarf bzw. Druckluftverbrauch aufzuweisen d) eine lange Lebensdauer und Verfügbarkeit zu haben e) möglichst geringe Investitionskosten zu haben. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden die Filter mit Strömungseinbauten versehen, die eine gleichmäßige Gasverteilung auf die Filterelemente bewirken und möglichst 4 Energy flux diagram for an energyniedrige Anströmgeschwindigkeiten lie- Energieflussbild für ein energieeffizi- efficient Jet Pulse filter (Intensiv-Filter) 3 Illustration of a Jet Pulse filter (Scheuch) Illustration eines Jet Pulse Filters (Scheuch) fern. Das dieses kein entes Jet Pulse Filter (Intensiv-Filter) leichtes Unterfangen ist, wird deutlich, wenn man von Abluftvolumenströmen von über 2 Mio. Bm 3 /h für die Ofen-/Rohmühlenentstaubung ausgeht. Für die Zementmühlenentstaubung sowie Kühlerund Bypassentstaubung sind die Abluftmengen mit 1 bzw. 0,5 Mio. Bm 3 /h nicht ganz so groß. Aber auch hier werden für Staubbeladungen von 1000g/Bm 3 kompakte Filter mit Nettofilterflächenbelastungen von 1 1,5 m 3 /m 2 min konzipiert. Ein weiterer kritischer Aspekt für die Filter sind die teilweise sehr hohen Ablufttemperaturen. Dazu werden insbesondere Ofenund Kühlerabluftfilter mit Gaskonditioniersystemen bzw. Luft- /Luft-Wärmetauschern versehen. Als wichtigste Bauarten für Prozessfilter haben sich in der Zementindustrie Elektro- und Gewebefilter (Schlauchfilter) bzw. Kombinationen der beiden Verfahren durchgesetzt. Ein deutlicher Trend geht hin zu Schlauchfiltern, die im Vergleich zu Elektrofiltern niedrigere Emissionsgrenzwerte ermöglichen und praktisch unabhängig von Betriebszuständen bzw. An- und Abfahrbedingungen der Anlage sind. Bei Elektrofiltern ist der Abscheidegrad bzw. die Staubabscheidung von der Rohgastemperatur und dem Widerstand der Partikel abhängig, der z. B. je nach Temperatur oder Feuchte schwanken kann. Ein anderes Problem sind erhöhte betriebsbedingte CO-Konzentrationen, die sogar zu Notabschaltungen der Filter führen können [1]. Kiesbettfilter, werden teilweise noch bei Klinkerkühlern als Vorfilter eingesetzt. Die Abscheidegrade dieser Filter als alleiniges Filter entsprechen nicht dem Stand der Technik. 3.1 Schlauchfilter (Gewebefilter) Als Prozessfilter haben sich in der Zementindustrie Jet-Pulse Filter gegenüber Klopf- und Rüttelfiltern bzw. Rückspülfiltern durchgesetzt. Die Abscheidung der Staubpartikel findet an der Oberfläche des Filtermediums bzw. auf dem sich darauf bildenden Filterkuchen statt. Grundsätzlich wird ein Jet-Pulse- Filter (Bild 3) in Kammern für das Rohgas und Reingas aufgeteilt [3]. Das Rohgas strömt mit Eintrittsgeschwindigkeiten von über 10 m/s in das Einlaufgehäuse ein und wird durch spezielle Einbauten gleichmäßig in Längs- und Querrichtung mit Geschwindigkeiten von 1 1,2 m/s auf die Filterschläuche verteilt. Diese haben Standardlängen von 6 8 m und werden 62 ZKG INTERNATIONAL

5 5 Diagram of a kiln/raw mill dedusting system, simplified (Intensiv- Filter) Schema der Ofen-/Rohmühlenentstaubung, vereinfacht (Intensiv- Filter) The raw gas flows into the inlet housing with a velocity of more than 10 m/s and special internal systems then uniformly distribute it in longitudinal and transversal directions at velocities of m/s to the filter bags. The gas flows through the bags, which have standard lengths of 6 8 m, from the outside to the inside [4]. Inside the filter bags the gas flow rate is only about 0.02 m/s. After flowing through the filter bags, the clean gas leaves the filter at the head. The dust particles are deposited in the collecting cone, from which the material is usually evacuated by screw conveyors. The filter media are cleaned by pulses controlled either by time interval or by differential pressure. Changing of the filter bags is carried out at the head of the filter unit. The pressure drops of the filter results from a portion Δp 1 for the filter cake, Δp 2 for the filter medium and Δp 3 for the filter housing, which also includes all other pressure drops. The residual pressure drop Δp 0 after the pulse cleaning is employed as the pressure drop for the filter medium. Improvements in the pulse cleaning process have successfully reduced the energy consumption of bag filter units in recent years. Shutoff devices on the raw gas and/or on the clean gas side switch the individual filter modules into an offline or semi-offline condition for cleaning. This prevents immediate deposition of the detached dust on neighbouring filter bags and additionally enables the cleaning system to operate with a compressed air pulse of lower intensity than that of conventional jet-pulse filters. Low-pressure systems with pressure differences of 1 to 3 MPa and relatively long cleaning cycle times have proven effective for the pulse cleaning process. These provide the particular benefits of longer bag service lives and lower energy requirement. In conjunction with special propulsion jet nozzles with secondary air injection, these measures reduce the compressed air consumption significantly and also lower the energy requirement (LPVP process = low pressure - low volume) [4]. However, the energy required for the production of compressed air is relatively low in relation to the total energy requirement of the filter, so that other processes focus on reducing the pressure drop of the filter medium and filter cake. For instance, the Three E process (Fig. 4), which stands for Enhanced Energy Efficiency, makes use of new filter media and also employs cycle times of < 150 s [5]. This results in energy savings of up to 40 %. 6 Filter for kiln/mill system dedusting at Dyckerhoff (Intensiv-Filter) Filter zur Ofen-/Mühlenentstaubung bei Dyckerhoff (Intensiv-Filter) von außen nach innen durchströmt [4]. Die Strömung in den Filterschläuchen beträgt nur etwa 0,02 m/s. Nach der Durchströmung der Filterschläuche verlässt das Reingas das Filter am Kopf, von wo auch ein Filterschlauchwechsel erfolgt. Die Staubpartikel sedimentieren in den Sammeltrichter, das Material wird von dort zumeist über Förderschnecken abtransportiert. Die differenzdruck- oder zeitgesteuerte Abreinigung der Filtermedien erfolgt durch eine Impulsabreinigung. Die Druckverluste des Filters resultieren aus einem Anteil Δp 1 für den Filterkuchen, Δp 2 für das Filtermedium und Δp 3 für das Filtergehäuse, welches alle übrigen Druckverluste umfasst. Als Druckverlust für das Filtermedium wird der Restdruckverlust Δp 0 nach der Impulsabreinigung verwendet. Verbesserte Impulsabreinigungsverfahren haben sich in den letzten Jahren als erfolgreiche Maßnahmen zur Energieeinsparung bei Schlauchfiltern erwiesen. Dabei werden durch roh- und/oder reingasseitige Absperrorgane die einzelnen Filtermodule für die Abreinigung in den offline- bzw. semioffline Zustand geschaltet. Hiermit wird die sofortige Wiederanlagerung an benachbarten Filterschläuchen unterbunden und zusätzlich kann die Abreinigung mit einem Druckluftimpuls von niedrigerer Intensität als bei konventionellen Jet-Pulse Filtern erfolgen. Für die Impulsabreinigung haben sich Niederdruck-Systeme mit Differenzdrücken von 1 bis 3 MPa und relativ langen Abreinigungs-Zykluszeiten bewährt. Die Vorteile sind insbesondere höhere Schlauchstandszeiten aber auch ein geringerer Energiebedarf. Im Verbund mit speziellen Treibstrahldüsen mit Sekundärlufteinströmung sorgen diese Maßnahmen für einen deutlich reduzierten Druckluftverbrauch und einen reduzierten Energiebedarf (LPVP-Verfahren = low pressure low volume) [4]. Der Energiebedarf für die Erzeugung von Druck- ZKG INTERNATIONAL 63

6 8 Clinker cooler filter with air/air heat exchanger at Buxton Lime (FLS Airtech) Klinkerkühlerfilter mit Luft-/Luft-Wärmetauscher bei Buxton Lime (FLS Airtech) 7 Kiln filter at the Cesla Works of HeidelbergCement (Scheuch) Ofenfilter im Werk Cesla von HeidelbergCement (Scheuch) Kiln and raw mill dedusting Kiln filters are usually designed to handle interconnected operation of kiln and raw mill. In this mode of operation, the kiln and preheater exhaust gases with temperatures of 250 to 350 C are either partially or completely utilized for combined grinding and drying in the raw mill. Vertical mills are mainly used for this purpose [6]. In many grinding circuits a mill bypass with exhaust gas conditioning is installed, so that the kiln exhaust gases can be completely passed through the bypass duct if the mill is not in operation (Fig. 5). In this configuration, the mill must be equipped with a separate mill system fan that can overcome the differential pressure of the mill and the pressure drop of the collection cyclone downstream of the mill. Whether or not interconnected operation is in use, the exhaust gas enters the filter at a temperature of around 120 to 230 C. If the kiln exhaust gas is not used for combined grinding and drying, the operating mode is called mill bypass operation. Bag filters are insensitive to load peaks caused by kiln operation, e.g. a change of fuel or similar. Figure 6 shows a process filter for kiln/mill system dedusting at Dyckerhoff. The raw gas stream is max Am 3 /h, the exhaust gas temperature < 230 C and the filter area is 4010 m 2 or 3700 m 2 net during semi-offline operation. The filter bags are cleaned periodically and dependent on differential pressure of the filter with compressed air with a pressure of approx. 2.5 bar. The pressure drop is mbar and the compressed air consumption < 45 Nm 3 /h. The filter has no problem meeting dust limit values < 10 mg/nm 3 [7]. A kiln filter (Fig. 7) is installed at the Cesla factory of HeidelbergCement in Russia. This filter works in mill bypass operation and is designed for a gas flow volume of Am 3 /h. The filter inlet temperatures are between 150 and 180 C. The raw gas dust concentration is 78 g/nm 3. This filter operates luft ist aber bezogen auf den Gesamtenergiebedarf des Filters relativ niedrig, so dass andere Verfahren auf einer Reduzierung der Druckverluste für das Filtermedium und den Filterkuchen fokussieren. Mit dem Three E-Verfahren (Bild 4), das für Enhanced Enegy Efficiency steht, werden so neben neuen Filtermedien Zykluszeiten von < 150 s verwendet [5]. Das Ergebnis sind auch hier Energieeinsparungen von bis zu 40 % Ofen- Rohmühlenentstaubung Ofenfilter werden zumeist für den Verbundbetrieb von Ofen und Rohmehlmühle ausgelegt. Die Ofen- bzw. Wärmetauscherabgase mit Temperaturen von 250 bis 350 C werden dabei teilweise oder auch vollständig für die Mahltrocknung in der Rohmehlmühle eingesetzt. Hauptsächlich kommen dabei Vertikalmühlen zum Einsatz [6]. In vielen Schaltungen wird ein Mühlenbypass mit einer Abgaskonditionierung vorgesehen, so dass die Ofenabgase vollständig über die Bypassleitung gegeben werden können, falls die Mühle nicht in Betrieb ist (Bild 5). Die Mühle muss dazu mit einem separaten Mühlenventilator ausgeführt werden, der den Mühlendifferenzdruck und den Druckabfall des der Mühle nachgeschalteten Abscheidezyklons überwindet. Die Abgase gelangen mit oder ohne Verbundbetrieb mit etwa 120 bis 230 C in das Filter. Als Direktbetrieb werden Schaltungen ohne Mahltrocknung bezeichnet. Schlauchfilter sind unempfindlich gegenüber kurzzeitigen Lastspitzen aus dem Ofenbetrieb, die z. B. aus Brennstoffumstellungen oder dergleichen resultieren können. Bild 6 zeigt ein Prozessfilter zur Ofen-/Mühlenentstaubung bei Dyckerhoff. Der Rohgasstrom beträgt maximal Bm 3 /h, die Abgastemperatur < 230 C, die Filterfläche 4010 m 2, bzw m 2 netto bei semi-offline Betrieb. Die Filterschläuche werden periodisch und abhängig von Filterdifferenzdruck mit Druckluft von etwa 2,5 bar abgereinigt. Der Druckverlust beträgt mbar, der Druckluftverbrauch < 45 Nm 3 /h. Die Staubgrenzwerte < 10 mg/nm 3 werden vollständig eingehalten [7]. Für das Werk Cesla von HeidelbergCement in Russland wurde ein Ofenfilter (Bild 7) geliefert. Das Filter arbeitet im Direktbetrieb und ist für Gasvolumenströme von Bm 3 /h ausgelegt. Filtereingangstemperaturen liegen zwischen 150 und 180 C. Die Rohgasstaubkonzentration beträgt 78 g/nm 3. Das Filter kommt mit einem Druckabfall von 15 mbar und 64 ZKG INTERNATIONAL

7 9 Clinker cooler filter with air/air heat exchanger at Cementos Apasco (Scheuch) Klinkerkühlerfilter mit Luft-/Luft-Wärmetauscher bei Cementos Apasco (Scheuch) 10 Kiln bypass filter at Castle Cement (Intensiv-Filter) Ofen-Bypass Filter bei Castle Cement (Intensiv-Filter) with a pressure drop of 15 mbar and a compressed air consumption of 30 Nm 3 /h. Dust limit values < 10 mg/nm 3 are easily achieved [4] Clinker cooler and kiln bypass dedusting Coolers with no exhaust air failed to establish themselves and have disappeared from the market. The vast majority of clinker coolers in use today are of the reciprocating grate type and have a tertiary air duct connection to the cyclone preheater of the kiln. The specific cooling air volumes are approx Nm 3 / kg of clinker, of which about 2/3 are recuperated and 1/3 has to be dedusted as cooler exhaust air. Depending on the system involved, the exhaust air volume can reach 0.5 million Am 3 /h. The exhaust air temperatures are 250 to 350 C, but can reach peaks of around 500 C during so-called upset conditions. To cope with these conditions, cyclones and air/air heat exchangers are installed upstream of the filters (Figs. 8 and 9). The cyclones reduce the dust concentrations of up to 75 g/am 3 by around 70 % for the heat exchanger. The heat exchanger cools down the exhaust air to permanent temperatures of 135 to 200 C that are acceptable for the polyester or Nomex filter bags. To reduce any temperature peaks, a controllable fresh air damper is installed in the heat exchanger. Due to the increasing use of secondary fuels, chlorine, sulphur and alkalis often enter the kiln process. When kiln dust is recirculated into the process, an internal cycle of these substances is created in the kiln system. A bypass of 5 10 % enables a portion of the dust-laden kiln exhaust gas to be discharged from the process. In the recent past, bypass systems have frequently been equipped with a common filter for kiln bypass gas and cooler exhaust air [8]. The Castle Cement works has a bypass filter working as a separate process filter (Fig. 10) for a kiln gas bypass of 7 %. Here, the raw gas flow volume is approx Am 3 /h, the gas temperature is 220 C (max. 260 C), Druckluftverbrauch von 30 Nm 3 /h aus. Die Staubgrenzwerte < 10 mg/nm 3 werden vollständig eingehalten [4] Klinkerkühler und Ofenbypassentstaubung Abluftfreie Kühler haben sich bisher nicht durchgesetzt und sind wieder vom Markt verschwunden. Heute werden fast ausschließlich Schubrostkühler verwendet, die über eine Tertiärluftleitung für den Zylonvorwärmer des Ofens verfügen. Die spezifischen Kühlluftmengen betragen etwa 1,7 1,9 Nm 3 /kg Klinker, wovon etwa 2/3 rekuperiert werden und 1/3 als Kühlerabluft entstaubt werden müssen. Die Abluft kann je nach System bis zu 0,5 Mio. Bm 3 /h ausmachen. Die Ablufttemperaturen betragen 250 bis 350 C, bei sogenannten Upset-Bedingungen können auch Temperaturen von 500 C auftreten. Entsprechend werden den Filtern Zyklone und Luft-/Luft-Wärmetauscher vorgeschaltet (Bild 8 und 9). Zyklone reduzieren die Staubkonzentrationen von bis zu 75 g/bm 3 um etwa 70 % für den Wärmetauscher. Mit dem Wärmetauscher wird die Ablufttemperatur auf die für Polyesterschläuche bzw. Nomexschläuche möglichen Dauertemperaturen von 135 bzw. 200 C abgekühlt. Um etwaige Temperaturspitzen abzubauen, wird eine regelbare Frischluftklappe im Wärmetauscher vorgesehen. Durch die zunehmende Verwendung von Sekundärbrennstoffen gelangen vermehrt Chlor, Schwefel und Alkalien in den Ofenprozess. Mit der Rückführung von Ofenstaub in den Prozess bildet sich dabei ein innerer Kreislauf in Ofensystem aus. Mit einem Bypass von 5 10 % wird ein Teil des staubbeladenen Ofenabgases aus dem Prozess ausgeschleust. In der letzten Zeit wurden verstärkt Bypasssysteme mit einem gemeinsamen Filter für Bypassgas und Kühlerabluft konzipiert [8]. Bei Castle Cement ist ein Bypass-Filter (Bild 10) für einen Ofengasbypass von 7 % als separates Prozessfilter installiert. Die Rohgasmenge beträgt etwa Bm 3 /h, die Gastemperatur 220 C (max. 260 C), die Filterfläche 2375 m 2 und damit die spez. Filterbe- ZKG INTERNATIONAL 65

8 11 Cement mill dedusting system at Atlantica Cement (Scheuch) Zementmühlenentstaubung bei Atlantica Cement (Scheuch) 12 Diagram of dust collection in an electrostatic precipitator (Lodge Cottrell) Schema der Staubabscheidung im Elektrofilter (Lodge Cottrell) the filter area is 2375 m 2 and the specific filter loading is thus 0.75 m 3 /m 2 min. The filter enables the observance of dust limit values < 5 mg/nm Cement mill dedusting In the dedusting system of the cement grinding plant, the downstream filter has the function of collecting the finished product that is transported in the air stream. The encountered air volumes and dust loads depend on the grinding process employed. The air volumes coming from vertical mills are about twice as high as those from, e. g., ball mills or roller presses, which are equipped with separate separators. While the dust load of air from vertical mills is in the range of g/ m 3 and contains particle sizes over the entire spectrum of finished material, the direct collection of finished product coming from separators is typified by extremely high dust loads of up to 1000 g/m 3 and by a portion of ultrafine particle sizes, if for instance closed circuit cyclone separators are used for the pre-collection. Although the range of energy requirement for dedusting vertical mills is higher in comparison with ball mills and combinations of ball mills/roller presses, the required system configuration is relatively simple. In the case of ball mill/separator material circuits, a separate dust collection filter is generally used for the ball mill and a process filter is needed for the separator. If there are several separators, they are generally decoupled by the use of separate filters. For the process filter, uniform intake flow over the entire filter area is important because of the high dust loads and air flow volumes involved. Figure 11 shows a mill filter for a vertical mill at Atlantica Cement in Spain. Here, the mill exhaust air stream is Am 3 /h, the specific filter loading is 0.94 m 3 / m 3 min and the dust load is 350 g/m 3. The filter has a pressure drop of 9 mbar, a compressed air consumption of 86 Nm 3 /h and achieves dust values below the limit of 20 mg/nm Electrostatic precipitators Up to around 1980, practically all kiln and cooler exhaust dedusting systems employed electrostatic precipitators. Nowadays, there is a strong downward trend in most countries because lastung 0,75 m 3 /m 2 min. Mit dem Filter werden Grenzwerte < 5 mg/nm 3 eingehalten Zementmühlenentstaubung Bei der Entstaubung der Zementmahlanlage arbeitet das nachgeschaltete Filter als Abscheider für das im Luftstrom transportierte Fertiggut. Die sich ergebenden Luftmengen und Staubbeladungen richten sich danach, welches Mahlverfahren verwendet wird. So liefern Vertikalmühlen etwa um den Faktor 2 größere Luftmengen als beispielweise Kugelmühlen oder Walzenpressen, wo separate Sichter verwendet werden. Während die Staubbeladungen bei den Vertikalmühlen bei g/m 3 mit Partikelgrößen über das gesamte Fertiggutspektrum liegen, ist die Fertiggutdirektabscheidung aus Sichtern durch extrem hohe Staubbeladungen bis 1000 g/m 3 und teilweise niedrigste Partikelgrößen gekennzeichnet, wenn z. B. Zyklonumluftsichter für die Vorabscheidung eingesetzt werden. Die Energieverbräuche für die Vertikalmühlenentstaubung sind zwar verglichen mit Kugelmühlen- und Verbundprozessen aus Kugelmühle/Walzenpresse größer, es können aber relativ einfache Prozessschaltungen verwendet werden. Bei Kugelmühlen-/Sichterkreisläufen wird zumeist für die Kugelmühle ein separates Entstaubungsfilter und für den Sichter ein Prozessfilter benötigt. Mehrere Sichter werden überwiegend durch separate Filter entkoppelt. Für die Prozessfilter ist bei den hohen Staubbeladungen und Luftmengen eine gleichmäßige Anströmung der Filterflächen wichtig. Bild 11 zeigt ein Mühlenfilter für eine Vertikalmühle bei Atlantica Cement in Spanien. Der Mühlenabluftstrom beträgt Bm 3 /h, die spez. Filterbelastung 0,94 m 3 /m 3 min, die Staubbeladung 350 g/m 3. Das Filter hat einen Druckverlust von 9 mbar, einen Druckluftverbrauch von 86 Nm 3 /h und unterschreitet den Grenzwert von 20 mg/nm Elektrofilter Bis etwa 1980 wurden Ofen- und Kühlerabluftfilter praktisch ausschließlich als Elektrofilter ausgeführt. Heute ist der Einsatz aufgrund der gestiegenen Emissionsgrenzwerte in den meisten Ländern stark rückläufig. Streng genommen handelt es 66 ZKG INTERNATIONAL

9 13 Cooler dedusting system with electrostatic precipitator at Arabian 14 Hybrid filter for kiln/raw mill dedusting at Lafarge (Elex) Cement (FLSmidth Airtech) Hybridfilter zur Ofen/Rohmühlenentstaubung bei Lafarge (Elex) Kühlerentstaubung mit Elektrofilter bei Arabian Cement (FLSmidth Airtech) of more stringent emission limit values. Strictly speaking, these electrostatic dust collectors cannot be referred to as filters. Electrostatic dust collectors essentially consist of parallel gas channels between metallic collecting electrodes. Between the collecting electrodes there are discharge electrodes which are supplied with high voltage to create a corona discharge from their surface (Fig. 12). Due to the corona effect, dust particles are electrically charged by the adhesion of gas ions and are subsequently deposited on the collecting electrodes. With this system, dust emission rates < 50 mg/am 3 can be achieved and in certain cases it is even possible to observe limits of mg/am 3. However, in contrast to bag filters, it is not possible to adhere to absolute dust emission limit values with electrostatic precipitators. There may be problems, for example, during cement plant starting-up and shutting-down phases and upset conditions. The specific electrical resistance of the dust particles and the gas temperatures, moisture contents and CO concentration levels are important factors for the dust collection efficiency. As a result of high field intensities in the deposited layer of dust, a back corona effect can occur, removing the charge of the negatively charged particles. In such cases the precipitator voltage has to be reduced, which results in deterioration of the collection efficiency. High CO concentrations caused by process conditions may even lead to an emergency shutdown of the precipitator. Set against these system disadvantages are the advantages of low pressure drop and lower purchase and operating costs in comparison to bag filters [9]. For this reason electrostatic precipitators are mainly used in countries which have less stringent environmental regulations. As a consequence of tougher environmental regulations, measures to increase the efficiency of existing electrostatic precipisich nicht um Filter, sondern um elektrostatische Abscheider. Elektroabscheider bestehen im Wesentlichen aus parallelen Gaskanälen, die von metallischen Niederschlagselektroden gebildet werden. Zwischen den Niederschlagselektroden befinden sich Sprühelektroden, an deren Oberfläche durch die angelegte Hochspannung eine Koronaentladung erzeugt wird (Bild 12). Staubpartikel werden dabei durch die Anlagerung von Gasionen elektrisch aufgeladen und an den Niederschlagselektroden abgeschieden. Mit dem Verfahren sind Staubemissionen < 50 mg/bm 3 einzuhalten, in bestimmten Fällen können auch Werte von mg/bm 3 unterschritten werden. Mit Elektrofiltern werden aber keine absoluten Grenzwerte wie bei Schlauchfiltern eingehalten. Probleme ergeben sich beispielsweise beim An- und Abfahren bzw. Upset-Bedingungen der Zementanlagen. Der spezifische elektrische Widerstand der Staubpartikel sowie die Gastemperaturen, Feuchten und CO-Konzentrationen spielen für die Staubabscheidung eine wichtige Rolle. Durch hohe Feldstärken in der angelagerten Staubschicht kann es zu einem Rücksprühen mit Entladungen der negativ geladenen Partikel kommen. In einem solchen Fall muss die Filterspannung verringert werden, was einen Einbruch des Abscheidegrades nach sich zieht. Bei betriebsbedingt erhöhten CO-Konzentrationen kann es sogar zu Notabschaltungen kommen. Diesen Nachteilen stehen als Vorteile der niedrige Druckverlust und die geringeren Anschaffungs- und Betriebskosten im Vergleich zu Schlauchfiltern gegenüber [9]. Deshalb werden Elektrofilter meist in Ländern eingesetzt, wo weniger weitreichende Umweltauflagen existieren. Mit erhöhten Umweltauflagen ist die Leitungssteigerung von bestehenden Elektrofiltern ein wichtiger Aspekt in der Zementindustrie geworden [10]. Die Möglichkeiten dabei sind vielfältig ZKG INTERNATIONAL 67

10 Outlet ESP field 1 / inlet group 1 bags 100 mm in front of group 2 bags 100 mm in front of group 3 bags Axial velocity -0.2 to 2.6 m/s scale bar Inlet ESP field 1 Hopper top plane 200 downstream screen between ESP and FF sections 15 CFD simulation of the gas distribution in a hybrid filter (FLSmidth Airtech) CFD-Simulation der Gasverteilung an Hybrid-Filter (FLSmidth Airtech) 16 Hybrid filter for the vessel dedusting at Maihar Cement (Elex) Hybridfilter bei Maihar Cement zur Kesselentstaubung (Elex) tators have become an important topic in the cement industry [10]. There are various ways of doing this, the most important being modification of the cleaning system, new internal fittings, improved impulse generators and modified operating conditions. The last point often proves difficult, because it is not possible to intervene in certain operating conditions of the cement production process. The high cost involvement also means that an increase in the dimensions of an electrostatic precipitator is seldom desired. The electrostatic precipitator still has significant fields of application in the cement industry. One important domain is cooler exhaust air dedusting and another is kiln system dedusting. Figure 13 shows an electrostatic precipitator that dedusts the cooler exhaust air at a 6000 tpd greenfield cement factory owned by the Arabian Cement Co. in Egypt. The exhaust air volume is Am 3 /h, and the exhaust air temperature is 330 C. In such applications, the electrostatic precipitator fully asserts its advantage of being able to accept high temperatures. 3.3 Hybrid filters In order to meet the increasingly stringent environmental regulations, many existing electrostatic precipitators are being converted into hybrid filters. Such units combine electrostatic precipitator technology with bag filter technology. This concept is primarily aimed at improving the performance of existing electrostatic precipitators and permits the retention of the existing housing and usually the first group of precipitator fields. Figure 14 shows such a hybrid filter. A hybrid filter can collect up to 90 % of the quantity of dust with a relatively low energy consumption in the electrostatic precipitator section, with subsequent collection of fine dust in the bag filter section. The ionization and agglomeration effects of the first filter stage have a beneficial consequence for the dust collection in the bag filter. Compared to an electrostatic precipitator, a hybrid filter is independent of plant operating conditions, so that it attains availability ratings equal to those of bag filters. Sometimes the term hybrid filter is also used for a combination of electrostatic precipitator and downstream separate bag filter [11] which are only connected by an air duct. In order to enable the use and optimization of an existing filter housing, suppliers now use CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation of the flow velocities (Fig. 15) as a standard engiund betreffen im Wesentlichen die Reinigung, neue Einbauten, verbesserte Pulsgeneratoren und veränderte Betriebsbedingungen. Der letzte Punkt gestaltet sich aber meist schwierig, weil in den Zementproduktionsprozess bzw. bei bestimmten Betriebsbedingungen nicht eingegriffen werden kann. Ebenso ist ein Umbau eines Elektrofilters mit größeren Höhen oder Längen aufgrund der damit verbundenen hohen Kosten selten gewünscht. Eine wichtige Anwendung für Elektrofilter in der Zementindustrie ist nach wie vor die Kühlerabluftentstaubung. Aber auch die Ofenentstaubung ist noch eine wichtige Domäne für Elektrofilter. Bild 13 zeigt ein Elektrofilter bei der Arabian Cement Co. in Ägypten zur Kühlerentstaubung in einem 6000 t/d Greenfield Zementwerk. Die Abluftmenge beträgt Bm 3 /h, die Ablufttemperatur 330 C. Hier kommen die Vorteile der Belastung mit hohen Temperaturen voll zur Geltung. 3.3 Hybridfilter Um steigenden Umweltauflagen Rechnung zu tragen, werden vorhandene Elektrofilter als Hybridfilter umgebaut. Dabei wird die Elektrofiltertechnologie mit der Schlauchfiltertechnologie kombiniert. Dieses Konzept bietet sich in erster Linie zur Leistungsverbesserung von bestehenden Elektrofiltern an, wobei das existierende Filtergehäuse und zumeist die ersten Elektrofilterfelder weiter genutzt werden. Bild 14 zeigt ein solches Hybridfilter. Mit einem Hybridfilter kann bis zu 90 % der Staubmenge mit einem relativ geringen Energieaufwand im Elektrofilterteil abgeschieden werden, die Feinentstaubung erfolgt im Schlauchfilterteil. Die Ionisierungs- und Agglomerationseffekte aus der ersten Filterstufe wirken sich vorteilhaft für die Abscheidung mit dem Schlauchfilter aus. Ein Hybridfilter ist gegenüber einem Elektrofilter unabhängig von den Betriebsbedingungen, so dass gleiche Verfügbarkeiten wie mit Schlauchfiltern möglich sind. Teilweise wird mit Hybridfilter auch eine Kombination aus Elektrofilter und nachgeschaltetem separaten Schlauchfilter bezeichnet [11], die nur durch einen Luftkanal miteinander verbunden sind. Um ein vorhandenes Filtergehäuse verwenden und optimieren zu können, ist eine CFD-Simulation (CFD = Computational Fluid Dynamics) der Strömungsgeschwindigkeiten (Bild 15) bei den Lieferanten zum Standard geworden. Bei sachgerechter Auslegung kann die Hybrid-Filtertechnologie gegenüber Schlauchfiltern einen deutlich geringeren Druckver- 68 ZKG INTERNATIONAL

11 Fractional filtration efficiency [%] ,1 3rd Generation of filter media PM2 2nd Generation of filter media 1 Particle size [μm] Kiln/raw mill filter conversion at Deuna Zement (Intensiv-Filter) Ofen-/Rohmühlefilter-Umbau bei Deuna Zement (Intensiv-Filter) neering tool. Given proper dimensioning, hybrid filter technology provides the benefits of significantly lower pressure drop and longer bag service lives compared to bag filters. Correspondingly, hybrid filters are also employed nowadays for new plants (Fig. 16). The advantage is that the engineering and the selection of the hybrid filter fan can be tailored to the specific requirements. One important criterion alongside the compliance with emission limits is the kwh requirement. In properly dimensioned hybrid filters this can be approx. 40 % lower than that of a conventional bag filter. Every filter conversion project has to be precisely adapted to the dedusting requirements and the economic criteria. The preliminary analysis may even have the consequence that only the housing of an existing electrostatic precipitator can be sensibly reused. In such cases, the result is not a hybrid filter, but an electrostatic precipitator conversion. One example for this is depicted in Figure 17; a kiln/raw mill filter at Deuna Zement in Germany. The electrostatic precipitator system was completely replaced by a jet-pulse bag filter system. The air volume for dedusting is Am 3 /h, the raw gas dust load is g/ Am 3 and the raw gas temperature is 240 C. A filter area of 9300 m 2 was accommodated in the existing precipitator housing and achieves emission rates of less than 8 mg/nm 3. The entire conversion work took about 6 weeks. 4 Filter media for bag filters In the cement industry a range of different materials have proven effective as process filter media. Since the first generation of filter media, there have, however, been substantial improvements in filter bag technology. Filter media development has always focused on the parameters of collection efficiency, air permeability, resistance to temperatures and chemicals, service lives and capital cost parameters that are sometimes diametrically opposed. While the 1 st filter media generation employed simple fabrics and needle felts, the 3 rd generation employs multilayer, engineered membrane filter media. The term 2 nd generation is used for filter media consisting of widely differing polymer materials and glass fibre, which were optimized to suit the respective application with regard to temperature and chemical resistance. Table 1 lists frequently-employed filter media of the 2 nd and 3rd generations and states their upper operating limits for the 18 Particle size fraction collection efficiencies of 2 nd and 3 rd generation filter media (OneStone) Fraktionsabscheidegrade für Filtermedien 2. und 3. Generation (OneStone) lust und verlängerte Schlauchstandszeiten liefern. Entsprechend kommen Hybridfilter heute auch für Neuanlagen in Frage (Bild 16). Der Vorteil ist, dass das Engineering und die Auswahl des Gebläses für das Hybridfilter gemäß den spezifischen Anforderungen erfolgen können. Ein wichtiges Kriterium neben dem Einhalten der Emissionen ist dabei der benötigte kwh- Bedarf, der bei richtiger Auslegung um etwa 40 % gegenüber einem konventionellen Schlauchfilter vermindert werden kann. Jeder Filterumbau ist genauestens den Entstaubungsanforderungen und wirtschaftlichen Rahmendaten anzupassen. So kann es auch erforderlich sein, von einem vorhandenen Elektrofilter nur das Filtergehäuse zu verwenden. Man spricht dann nicht von einem Hybridfilter, sondern von einem Elektrofilter-Umbau. Ein solches Beispiel ist das in Bild 17 gezeigte Ofen-/Rohmühlenfilter bei Deuna Zement in Deutschland. Die Elektrofiltertechnologie ist komplett durch eine Jet- Pulse-Schlauchfiltertechnologie ersetzt. Die Entstaubungsluftmenge beträgt Bm 3 /h, die Rohgasstaubbeladung g/bm 3, die Rohgastemperatur 240 C. In das vorhandene Filtergehäuse wurden 9300 m 2 Filterfläche untergebracht, die Emissionen liegen unter 8 mg/nm 3. Der gesamte Filterumbau dauerte etwa 6 Wochen. 4 Filtermedien für Schlauchfilter In der Zementindustrie haben sich als Filtermedien für Prozessfilter die unterschiedlichsten Materialen bewährt. Seit der ersten Generation von Filtermedien sind für Filterschläuche jedoch deutliche Technikverbesserungen erzielt worden. Dabei standen in der Entwicklung schon immer die Parameter Abscheidegrad, Luftdurchlässigkeit, Temperaturempfindlichkeit, chemische Beständigkeit, Standzeiten und Investitionskosten im Mittelpunkt und teilweise diametral zueinander. Während für die 1. Generation von Filtermedien einfache Gewebe und Nadelfilze konfektioniert werden, hat man es bei der 3. Generation mit mehrlagigen, engineerten Membranfiltermedien zu tun. Die 2. Generation von Filtermedien bezeichnet dagegen unterschiedlichste Polymermaterialien und Glasfaser, die auf den jeweiligen Einsatzfall hinsichtlich Temperatur und chemischer Beständigkeit optimiert werden. In Tabelle 1 sind häufig verwendete Filtermedien der 2. und 3. Generation mit ihren Einsatzgrenzen für die Zementindus- ZKG INTERNATIONAL 69

12 19 Construction of an eptfe membrane filter (Donaldson) Aufbau eines eptfe-membranfilters (Donaldson) 20 Filter for kiln/preheater dedusting at Cimpor (AAF International) Filter für Ofen-/Wärmetauscherentstaubung bei Cimpor (AAF International) cement industry. The most generally used material is Nomex, which has a particularly good price-to-performance ratio. However, Nomex has only limited resistance to acids. There are various alternatives depending on the temperature class. The table does not provide information regarding the possible particle-fraction collection efficiencies of the employed materials. These data are shown in Figure 18, which compares filter materials of the 2 nd and 3 rd generations. It will be noted that filter media of the 3 rd generation have significantly better collection characteristics with regard to the particle range below PM10 (10 micrometer) and a superior collection for particulate matter, especially at PM2. At PM2, filter media of the 2 nd generation only have a collection efficiency of 90 %, while filter media of the 3rd generation remove almost 100 % (99.99 %). Filter media of the 3 rd generation reduce emission rates to nearly the detection limit [13]. This capability results from the special construction (Fig. 19) of the materials. Membrane filters of the 3rd generation have a double-ply construction. The side facing the inlet gas stream consists of a very dense, microporous eptfe membrane (eptfe = Expanded Polytetrafluoroethylene). The second layer consists of a bearer material selected in accordance with temperature demands from the many different materials of the 2nd generation. This bearer material is only a supporting layer and has no filtering function. The dust particles are completely retained by the eptfe layer. A surfacefiltration process is thus involved [14] and there is practically no penetration of the filter layer by even the finest particles. As a consequence, the pressure drop remains consistently low trie gegenübergestellt. Als Standard wird überwiegend Nomex verwendet, das ein besonders gutes Preis-/Leistungsverhältnis liefert. Nomex hat aber insbesondere Grenzen bei seiner Säurebeständigkeit. Dazu gibt es je nach Temperaturklasse diverse Alternativen. Die Tabelle liefert zunächst keine Information über die möglichen Fraktionsabscheidegrade der verwendeten Materialien. Ergebnisse dazu sind in Bild 18 dargestellt. Hier werden die Filtermaterialien der 2. und 3. Generation miteinander verglichen. Man erkennt, dass Filtermedien der 3. Generation im Bereich unterhalb PM10 (10 Mikrometer) und insbesondere bei PM2 ein deutlich besseres Abscheideverhalten für Feinstaub besitzen. Während bei PM2 Filtermedien der 2. Generation nur einen Abscheidegrad von 90 % liefern, beträgt dieser bei Filtermedien der 3. Generation nahezu 100 % (99,99 %). Filtermedien der 3. Generation können Emissionsgrenzwerte nahe der Nachweisgrenze erreichen [13]. Dies hat mit dem speziellen Aufbau (Bild 19) der Materialien zu tun. Membranfilter der 3. Generation sind zweilagig aufgebaut. Die Anströmseite besteht aus einer sehr dichten, aber ebenso mikroporösen eptfe-membran (eptfe = Expanded Polytetrafluoroethylene) Die zweite Lage besteht aus einem Trägermaterial, das je nach Temperaturanforderung aus den unterschiedlichsten Materialien der 2. Generation hergestellt werden kann. Das Trägermaterial hat nur eine Stütz- und keine Filterfunktion. Die Staubpartikel werden vollständig von der eptfe-schicht zurückgehalten. Es handelt sich somit um ein Oberflächenfiltrationsverfahren [14]. Ein Eindringen auch feinster Partikel in die Tab. 1: Parameters for important filter media in the cement industry (OneStone) Parameter für wichtige Filtermedien in der Zementindustrie (OneStone) Filter material Filtermaterial Perm. temp. Dauertemp. C Max. temp. Max. Temp. C Hydrolysis Hydrolyse Mineralacids Mineral- Säuren Organ. acids Organ. Säuren Alkalis Alkali Salts Salze Oxidis. subst. Oxidier. Subst. Price ratio* Preisrelation* Acryl/Acryl (PAN) nd Polyester nd PPS (Ryton) nd Aramide/Aramide (Nomex) nd Polyimide (P84) nd Glass fibre/glasfaser nd eptfe rd ++ = very good resistance/sehr gut beständig; + = good resistance/gut beständig; = limited resistance/wenig beständig; = no resistance/nicht beständig * According to filter media supplier/abhängig vom Filtermedienhersteller Filtergeneration Filtergeneration 70 ZKG INTERNATIONAL

13 throughout the entire service life of the filter bag and the filter media achieve longer operational lifetimes because they do not become clogged up in the course of time. 5 Suppliers of filters and filter media Over the years there have been considerable changes in the range of filter suppliers and filter media manufacturers. Two of the reasons for this are the market dynamics and the displacement of electrostatic precipitators by bag filters. One other aspect is that none of the suppliers is solely focused on the cement industry and that some companies do not supply the cement industry as a core industry. Finally, due to the changed capacity growth trends of recent years, suppliers from China and India have particularly benefited from the market dynamics. However, these companies are not included in the following considerations because not enough relevant and reliable market information is available at present. One relevant point is that the order value for the complete process filter of a 1 Mta cement factory in Asia is around 30 % lower than, for instance, in Europe, and in China the figure is another 10 % lower. Nevertheless, it can be stated that in the last 2 business years an average capital expenditure of US$ 650 million has been spent on the process filter systems of cement factories, of which approx. US$ 270 million (41.5 %) went for filter media alone (excluding spare part and replacement requirements) [15]. In the filter unit construction sector, 3 companies lead the field with regard to their sales to the cement industry: Firstly, FLSmidth Airtech, a member of the FLSmidth Group and therefore beneficiary from FLSmidth s high market share for 21 Bag filter for kiln system dedusting at Wyoming Cement (Mikropul) Schlauchfilter zur Ofenentstaubung bei Wyoming Cement (Mikropul) Filterschicht findet praktisch nicht statt. Damit ist ein gleichbleibender niedriger Druckverlust über die Lebensdauer gegeben und die Filtermedien kommen auf längere Gesamt- Betriebszeiten, weil der Verstopfseffekt mit zunehmendem Betrieb entfällt. 5 Lieferanten für Filter und Filtermedien Im Laufe der Jahre haben sich erhebliche Veränderungen bei den Filterlieferanten und Herstellern für Filtermedien ergeben. Dies hat u. a. mit der Marktdynamik und der Verdrängung der Elektrofilter durch Schlauchfilter zu tun. Ein anderer Aspekt ist, dass keiner der Lieferanten allein auf die Zementindustrie fixiert ist und einige der Unternehmen die Zementindustrie nicht als Kernindustrie beliefern. Schließlich haben mit den veränderten Kapazitätszuwächsen der letzten Jahre insbesondere Lieferanten aus China und Indien von der Marktdynamik profitiert. In den folgenden Betrachtungen werden diese Unternehmen aber noch ausgeklammert, weil dazu bisher nur wenige wirklich verlässliche Marktinformationen vorliegen. U.a. ist der Auftragswert für die kompletten Prozessfilter für ein 1 Mta Zementwerk in Asien etwa um 30 % niedriger als z. B. in Europa, in China liegt der Wert noch einmal 10 % niedriger. Dennoch lässt sich für die letzten zwei Geschäftsjahre für den Prozessfilterbereich bei Zementwerken ein durchschnittliches Investitionsvolumen von 650 Mio. US$, davon entfallen etwa allein 270 Mio. US$ (41,5 %) auf Filtermedien (ohne Ersatzbedarf) [15]. Bei dem Bau von Filteranlagen sind 3 Unternehmen bezogen auf ihren Umsatz in der Zementindustrie führend: FLSmidth 71

14 cement plants. Then AAF International (Fig. 20), whose subsidiaries include filter manufacturer Beth as well as Scheuch, who have profited in recent years from their EMC concept (EMC = Energy Minimizing Concept). For the last 2 years the Italian company Redecam has also belonged to this circle of leaders. Apart from these companies, there is a relatively large number of medium-sized filter manufacturers who all possess excellent credentials. Focusing on bag filters, these include: GE (BHA), Intensiv-Filter, Mikropul (Fig. 21), Lühr, Fives Solios, Contimpinati, DG-E, Dantherm and Boldrocchi. In the field of electrostatic precipitators and hybrid filters the main suppliers are: Lodge Cottrell and Elex. There is also a relatively large number of manufacturers of filter media for process filters. While AAF largely uses filter media of its own manufacture, FLSmidth Airtech obtains a portion of its filter media from its member company Advanced Filtration Technology (AFT), as does Lühr via its participation in M. G. F. Gutsche. However, like other filter builders, FLSmidth Airtech and Lühr also purchase the products of various outside manufacturers depending on requirements. Foremost among filter media manufacturers are AAF, Donaldson, WL Gore and Associates, Evonik Fibres (Inspec), BWF Envirotec, Standard Filter, Norafin, Altair, Primafilter, Albany Filtration and Midwesco Filter Resources. Worldwide (but excluding China), there are more than 20 different manufacturers of filter media for process filters used by the cement industry. The large number of manufacturers is due to the fact that in addition to the cement sector a broad range of other industries is served. 6 Prospects Process filtration in the cement industry has shown a dynamic development in recent years. It is to be expected that dust emission limits will be made still tougher in the near future and that as a result particularly the filter media of the latest generation will increase their market share from about 10 % to over 40 %. Simultaneously, the demand for pure electrostatic precipitators will continue to fall and, instead, bag filters and hybrid filters will expand their market shares. This will also affect the upand-coming cement markets in China, India and Africa. Airtech, die zu der FLSmidth Gruppe zählen und von deren hohen Marktanteil bei Zementanlagen profitieren, AAF International (Bild 20), zu denen u. a. der Filterbauer Beth zählt sowie Scheuch, die insbesondere in den letzten Jahren von ihrem EMC-Konzept (EMC = Energy Minimizing Concept) profitieren. Zu dem Kreis der führenden Unternehmen ist seit 2 Jahren auch die italienische Firma Redecam hinzuzuzählen. Neben diesen Unternehmen gibt es eine relativ große Anzahl von eher mittelgroßen Filterbauern, die alle über hervorragende Referenzen verfügen. Beim Schwerpunkt Schlauchfilter sind u. a. zu nennen: GE (BHA), Intensiv-Filter, Mikropul (Bild 21), Lühr, Fives Solios, Contimpinati, DG-E, Dantherm und Boldrocchi. Im Bereich der Elektro- und Hybridfilter sind in erster Linie zu nennen: Lodge Cottrell und Elex. Bei den Filtermedien für Prozessfilter gibt es ebenfalls eine relativ große Anzahl von Herstellern. AAF verwendet weitgehend Filtermedien aus eigener Fertigung, FLSmidth Airtech bezieht mit dem Filtermedienhersteller Advanced Filtration Technology (AFT) teilweise Filtermedien aus dem eigenen Hause, ebenso wie Lühr mit seiner Beteiligung an M. G. F. Gutsche. Aber auch FLSmidth Airtech und Lühr bedienen sich wie die anderen Filterbauer je nach Erfordernissen mit den Erzeugnissen der verschiedenen Hersteller. Zu den führenden Unternehmen zählen u. a. AAF, Donaldson, WL Gore and Associates, Evonik Fibres (Inspec), BWF Envirotec, Standard Filter, Norafin, Altair, Primafilter, Albany Filtration sowie Midwesco Filter Resources. Weltweit (ohne China) gibt es über 20 verschiedene Hersteller von Filtermedien für Prozessfilter der Zementindustrie. Die große Anzahl der Hersteller kommt hier dadurch zustande, dass neben der Zementindustrie eine breite Palette von sonstigen Industrien beliefert wird. 6 Ausblick Die Prozessfiltration in der Zementindustrie hat sich in den letzten Jahren dynamisch entwickelt. Für die nächsten Jahre ist damit zu rechnen, dass sich die Staubemissionsgrenzwerte weiter verschärfen und insbesondere Filtermedien der neuesten Generation von Marktanteilen von etwa 10 % auf über 40 % zunehmen. Gleichzeitig wird der Bedarf für reine Elektrofilter weiter sinken und stattdessen werden neben Schlauchfiltern Hybridfilter ihre Marktanteile ausbauen. Dies wird auch aufstrebende Zementmärkte in China, Indien und in Afrika betreffen. Literaturverzeichnis/Literature [1] Schneider, M. et all: Anwendung der Best Available Techniques (BAT) in der deutschen Zementindustrie. ZKG International 1/2000, pp [2] IFC, Environmental, Health, and Safety Guidelines for Cement and Lime Manufacturing, April 30, 2007, Washington, DC, USA. [3] Marmor, F., Petzold, O.: Modern Filter Plants for Dust Collection in Cement Factories. Cement International 6/2003. pp [4] Hofer, K.: The Current Situation with Dedusting Technology, ZKG International 61 (2008), No. 4, pp [5] Klein, G.M. et al: Verminderung der durch die Partikelablagerung verursachten Druckverluste in industriellen Schlauchfiltern. F&S Filtern und Separieren, 3/2009, S [6] Harder, J.: Entwicklungen bei der Rohmaterial-, Klinker- und Schlackevermahlung. ZKG International 60 (2007), No. 3, pp [7] Esser, R., Schrooten, T.: Two Years of Clean Air. World Cement, 4/2009, pp [8] Harder, J.: Trends bei Ofensystemen für die Zementindustrie, ZKG International 60 (2007), No. 7, pp [9] Walker, T. F.: Cleaning the Air. ICR February 2004, pp [10] Schiøth, M.: Leistungssteigerung von bestehenden Elektrofiltern. ZKG International 56 (2003), No. 2, pp [11] Pedersen, H.V., Rasmussen, C.V.: Converting ESP to Hybrid Filters. Global Cement Magazine, May 2008, pp [12] Marmor, F., Petzold, O.: Wirtschaftliche Entstaubung mit Oberflächenfiltern, Teil 3: Filtermedien, Heißgasfiltration, Kosten der Enttaubung. ZKG International 59 (2006), No. 10, pp [13] Asad, A.: Emirates Filter Upgrade. ICR, February 2005, pp [14] NN: Dusting Down the Media, ICR, February 2006, pp [15] OneStone Intelligence GmbH: Cement Projects Focus 2013, Multi-Client Market Report, in prep., planned release date September 2009, Buxtehude/Germany 72 ZKG INTERNATIONAL