Hochleistungsfilter für die Luftreinhaltung Möglichkeiten und Grenzen Ralf Heidenreich, ILK Dresden ggmbh

Transkript

1 LIAN Kolloquium Energie- &Umwelttechnik WHZ 5. November 2014 Hochleistungsfilter für die Luftreinhaltung Möglichkeiten und Grenzen Ralf Heidenreich, ILK Dresden ggmbh

2 Übersicht Begriffsklärung Hochleistungsfilter? Einsatzgebiete und möglichkeiten Herausforderung ultrafeine Aerosole Leistungsfähigkeit moderner Abscheider Zusammenfassung und aktuelle Tendenzen 2

3 Hochleistungsfilter??? 3

4 Typische Aufgabenstellungen Hohe Rohgasstaubgehalte Sehr niedrige geforderte Reingasstaubgehalte Reingasrückführung an den Arbeitsplatz 0,015mg/m 3 Quarz (A-Fraktion) Gesamtstaub in der zurückgeführten Luft max. 1mg/m 3 (bisher) Neuer AGW für A-Staub 1,25 Dichte 2,5 g/cm³ Nach VDI 2262 Faktor 0,2 für Reinluftrückführung = 0,25 mg/m³ (A-Staub) Kühlschmierstoffe MAK 10 mg/m³ Faktor 0,2 = 2 mg/m³ (Aerosol+Dampf) Nickeloxid AGW 0,5 mg/m³ - kancerogen Faktor 0,1 = 0,05 mg/m³ Emission in die Umwelt Asbest und biopersistente Fasern Fasern/ m³ Problematische Stäube Ultrafein, geringe Konzentration, klebrig 4

5 Aufbau für Betrieb und Test Filternder Abscheider 5

6 Komplexität des Fitrationsprozesses 6

7 Welcher Betriebs/ Teststoff? 99,9 99,5 Fraktionsabscheidegrad - stabiler Messbereich Umwelt DEHS Ruß Fraktionsabscheidegrad in % Partikelgröße in nm Fraktionsabscheidegrade einer Filterprüfung für 3 Aerosole 7

8 Prüfparameter Betriebsweise Strömungstechnische Seite Strömungstechnik Filterelement Strömungstechnische Größen Filterflächenbelastung q Druckdifferenz Filterelement Δp (Abreinigungsdruckdifferenz ΔΔp) Abströmgeschwindigkeit c AB Strömungstechnische Verhältnisse Geschwindigkeitsverhältnisse c AB /q Widerstandsbeiwert (Druckverlustbeiwert) ξ Reynoldszahl Re ( entartete Rohrströmung) ( Zu- oder Einlaufströmung ) 8

9 Druckverhalten im Neuzustand des Filterelementes Druckverhalten im Neuzustand 9

10 Prüfparameter Betriebsweise Staubtechnische Seite Staubtechnik Filterelement Staubtechnische Größen Staubdichte ϱ S Mittlerer Partikeldurchmesser d 50 Staubmassenstrom S Staubtechnische Verhältnisse und Kennzahlen Staubkonzentration C Staubflächenbelastung q S Staubflächenmasse m S,A 10

11 Energetische Betrachtung des Abscheideprozesses Energieverhalten von Filterelementen mit Druckluftregenerierung Parameter Arbeitsprozess: Taktzeit der Regenerierungsimpulse Leistung min. Leistung Arbeitspunkt minimale Gesamtleistung Filtrationsleistung Regenerierungsleistung Gesamtleistung optimale Taktzeit Taktzeit Regenerierungsimpuls 11

12 Optimum im Energieverbrauch 800 Spezifischer Energieverbrauch in W/10 3 m 3 h s 343 W/10 3 m 3 h -1 Energieverhalten bei zeitabhängiger Regenerierung Filterflächenbelastung: 80 m 3 m -2 h s Filterflächenbelastung: 100 m 3 m -2 h W/10 3 m 3 h -1 Optimale Betriebspunkte bei minimalem Energieverbrauch Taktzeit Regenerierungsimpuls in s 12

13 Minimaler Energieverbrauch am Filternden Abscheider Spezifischer Energieverbrauch in W/10 3 m 3 h W/10 3 m 3 h Pa 343 W/10 3 m 3 h -1 Energieverhalten bei druckabhängiger Regenerierung Filterflächenbelastung: 80 m 3 m -2 h -1 Filterflächenbelastung: 100 m 3 m -2 h Pa Optimale Betriebspunkte bei minimalem Energieverbrauch Regenerierungsdruckdifferenz in Pa 13

14 Kernthema Staubdurchtritt am Filter bei der Abreinigung 14

15 Emissionsspitzen bei Oberflächenfiltern 15

16 Zeitaufgelöste Darstellung der Emissionsspitze 16

17 Zeitraum zwischen den Emissionsspitzen = Nullemission 17

18 Zeitaufgelöste Darstellung der Nullemission 18

19 Abhängigkeit von Reingasstaubgehalt und Umlaufzeit der Druckluftimpulse 19

20 Abhängigkeit von Reingasstaubgehalt und Abreinigungsdruck 20

21 Problemfall Kühlschmierstoffe sehr feine Aerosole, Gasphasenanteil, Kondensationsneigung 21

22 Messtechnik für Kühlschmierstoff- Aerosole 22

23 7x ,5 Rawcounts c [-] 6x10 3 5x10 3 4x10 3 3x10 3 2x10 3 Rohgaskonzentration Reingaskonzentration Fraktionsabscheidegrad Fraktionsabscheidegrad [%] 1x Particle Size x [nm] 23

24 Problemfall Kühlschmierstoff Parameter Mittelwerte in der Messzeit Luftdruck [mbar] 975 Lufttemperatur [ C] 29,0 Feuchtegehalt der Abluft [g/m³n] 38,0 Messung M1 M2 M3 Rohgas Ölaerosol [mg/m³ i.n.tr.] 3,6 2,7 3,3 Rohgas Öldampf [mg/m³ i.n.tr.] 26,6 17,1 25,3 Gesamtölfracht Rohgas [mg/m³ i.n.tr.] 30,2 19,8 28,6 Reingas Ölaerosol [mg/m³ i.n.tr.] 0,07 0,06 0,07 Reingas Öldampf [mg/m³ i.n.tr.] 29,9 20,6 26,9 Gesamtölfracht Reingas [mg/m³ i.n.tr.] 29,1 20,7 27,0 Abscheidegrad, Gesamtmittel [%] 1,7 24

25 Quellen für Nanopartikel in der Produktion Laserbearbeitung Laser- Schweißen Laser- Schneiden Laserbohren Gravieren Sintern Rapid- Prototyping Beschichten Mikrobearbeitung Werkstoffe Metalle Kunststoffe Holz Glas Keramik Stein Textilien Papier

26 Laserschneiden Emissionen hängen ab von: Material Vorschub Frequenz Leistung Pulsation

27 Schneiden von Blech auf Laser - Schneidanlage Schneiden 6mm Aluminium Concentration (#/cm³) Particle Size (nm) Start + 04:20.0 Volts (v) CH1 CH2 27

28 Abscheidegrad und Rohgaskonzentration beim Laser- Schneiden von Edelstahl Fraktionsabscheidegrad η [%] Massenkonzentration c [µg/m³] Laserschneiden Edelstahl (Stärke 8mm), Bypass aus der Untertischerfassung einer Trumph-Laserschneidanlage Abscheidegrad Messung 1 Abscheidegrad Messung 2 Abscheidegrad Messung 3 Rohgaskonzentration Messung 1 Rohgaskonzentration Messung 2 Rohgaskonzentration Messung Partikelgröße x [nm] 0 28

29 Laserablation / Laserbearbeitung Konzentration [#/cm³] Rohgas Reingas Partikelgröße [nm] Absauganlage mittl. Partikelkonzentration #/cm³ ULT 300 serie an Laser- Ablations- Maschine Werkstoff #1 #2 Abluft (Reingas) 6,20E+02 2,87E+02 Hintergrund ohne Bearbeitung Stellplatz Werkhalle - 8,98E+03 29

30 Messaufbau Was kommt hinten raus? 30

31 Messgeräte 31

32 Messung Abscheidegerät an Kunststoff- Laser- Prozess 80,5 Nanometer > 99,9948 % 32

33 Rohgas- Partikelgrößenverteilung für Kunststoff 1 Summe der gesammelten Staubmasse: 2,4 mg 0,9 Konzentration im Betriebszustand: 1,6 mg/m³ 0,8 Konzentration im Normzustand, trocken: 1,8 mg/m³ 0,7 0,6 Dichtefunktion q3,lg Summenverteilung Q ,5 50 0,4 40 0,3 30 0,2 20 0, ,001 0,01 0, Partikeldurchmesser in µm 33

34 Messung Abscheidegerät an Silizium- Laser- Prozess 143,3 Nanometer > 99,9947 % 34

35 Schweißrauch - Ergebnisse Prüfstandsaufbau Prüfbedingungen Prüfmedium/ Prüfaerosol Aerosoldosierung Filterflächenbelastung in Anlehnung an DIN EN ISO (2005) gemäß DIN EN ISO (2005) Luft/ Schweißrauch Schweißrauchquelle gem. Anhang D DIN EN ISO (2005) m³/m²x h Emissionsrate Prüfaerosol mg/s Abscheidegrad % 99,30 99,63 99,59 Schweißrauchklasse W3 W3 W3 35

36 Partikelgrößenverteilung von Schweißrauch 36

37 Ergebnisse einer Filterprüfung unter Real- Bedingungen für Quarzfeinstaub Rohgaskonzentration Reingaskonzentration Durchlassgrad [mg/m³] [mg/m³] [%] Messung 1 45,9 0,0015 0,003 Messung 2 27,4 0,0005 0,002 Quarzmasse Absaugvolumen Staubkonzentration [mg] [m³] [mg/m³] Messung 1 0,03 20,46 0,0015 Messung 2 0,01 20,46 0,

38 Dosierung von Teststaub und aerosol für Industrie- Abscheider- Test Partikel- Zähler Kalkstaubdosierung Aerosoldosierung DEHS- Testaersol 38

39 Ergebnisse der Partikelmessungen bei der Filterprüfung für Industriesauger Klassifizierung mittlerer Durchlassgrad im Partikelgrößenbereich 0,1 bis 1 µm Staubklasse H 0,0012 % 0,0026 % Mittelwert Mittelwert Partikelgröße (µm) 1 0,5 0,3 0,2 0,1 Messung 3 Messung 2 Messung 1 Partikelgröße (µm) 1 0,5 0,3 0,2 0,1 Messung 3 Messung 2 Messung 1 2E-4 1E-3 0,005 0,01 0,02 Durchlassgrad (%) 2E-5 1E-4 1E-3 0,005 0,01 Durchlassgrad (%) 39

40 Ergebnisse mit DEHS- Aerosol und Teststaub DEHS- Aerosol/ Leckage am Filter Durchlassgrad [%] 0,3 µm 0,5 µm 1,0 µm Messung 1 0,234 0,211 0,183 Messung 2 0,245 0,218 0,171 Mittlerer Durchlassgrad 0,22 % Rohgaskonzentration Reingaskonzentration Durchlassgrad Kalkstaub [g/m³] [mg/m³] [%] Messung 1 0,113 0,002 5,8 Messung 2 0,168 0,003 Mittlerer Durchlassgrad 0,002 % 40

41 Messtechnik EEPS 5 nm 560 nm DMA 10 nm 800 nm Nano-ID Particle Mobility CPC Classifier Konzentration PMC500 (5 nm nm)

42 Grenzen Messtechnisch < 1000 #/ cm³; 0,6 µg/cm³ >> #/ cm³ ; µg/m³ Abscheidegrad > 99,98 % anzahlbezogen Abscheidegrad 99,998 % Dichte 1 g/cm³ 42

43 Staub-Konzentration [mg/m³] Reingasstaubkonzentrationen 1,0 Laser: 50kHz; 20 A 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,22 0,240 0,14 0,050 Metall Si Si Kunststoff 43

44 Zusammenfassung Neue Bearbeitungsverfahren bringen auch neue Emissionen und Gefährdungen am Arbeitsplatz mit sich. Da die Wirkung von ultrafeinen Aerosolen auf den Menschen nach wie vor unklar ist, gilt es, das Vorsorgeprinzip umzusetzen. Dafür sind hochwertige Abscheider einzusetzen. Für die Abscheidung von Laserrauchen können kombinierte Absaugund Filtergeräte eingesetzt werden. Hochleistungsabscheider leisten hier einen wichtigen Beitrag. Derzeit in der Entwicklung sind neue Prüfverfahren für Filternde Abscheider zum Leistungsnachweis. Danksagung: Dem Bundesminsiterium für Wirtschaft und Energie und dem Projektträger Euronorm GmbH wird für die Förderung und Begleitung der Arbeit gedankt. (Förderkennzeichen MF ) 44