Wirtschaftlicher Hydrotransport von Flug- und Bodenasche aus Kraftwerken mittels Schlauchmembranpumpen

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1 VULKAN-VERLAG ESSEN Ausgabe 2/2012 Wirtschaftlicher Hydrotransport von Flug- und Bodenasche aus Kraftwerken mittels Schlauchmembranpumpen Heinz M. Nägel Sonderdruck aus Industriepumpen + Kompressoren 18. Jahrgang, Heft , Seiten VULKAN-VERLAG HUYSSENALLEE ESSEN

2 Wirtschaftlicher Hydrotransport von Flug- und Bodenasche aus Kraftwerken mittels Schlauchmembranpumpen Als Bodenasche werden die bei der Verbrennung anfallenden, nicht brennbaren größeren aufgeschmolzenen Rückstände bezeichnet, die zusammen mit der nicht weiterverwerteten Flugasche in so genannte Absetzanlagen entsorgt werden müssen. Im Sinne von Umweltschutz und Energieeffizienz kommt für diese Aufgabe in zunehmendem Maße Hydrotransport zum Einsatz. Dabei wird die Flug- und Bodenasche in Pipelines zum Bestimmungsort gepumpt häufig über mehrere Hundert Kilometer. Als Trägerflüssigkeit dient Industrie-, See- oder Meerwasser. Die Förderaufgabe übernehmen Verdrängerpumpen, wie zum Beispiel Kolbenpumpen, hydraulisch aktivierte Kolbenpumpen oder hydraulisch angelenkte Membranpumpen. HEINZ M. NÄGEL Angesichts der begrenzten Verfügbarkeit natürlicher Ressourcen und drastisch steigender Energiekosten stellt der globale Energiebedarf nicht nur für Energieversorgungsunternehmen eine große Herausforderung dar. Auch Industriebetriebe und Verbraucher müssen ihren Beitrag zu einer verantwortungsvollen Nutzung der Energie leisten, so dass bestehende und geplante maschinelle und elektrotechnische Ausrüstungen in zunehmendem Maße einer kritischen Untersuchung unter dem Aspekt der Energieeffizienz unterzogen werden. Dies gilt vor allem für Kraftwerke. Spätestens seit der Kernschmelze in Japan scheint der Ausstieg aus der Kernenergie langfristig unumgänglich, so dass neben Solar- und Windenergieanlagen auch Kohlekraftwerke wieder an Popularität gewinnen. Bei der Verbrennung von Kohle fallen jedoch große Mengen an Flug- und Bodenasche an, die entweder entsorgt oder der Weiterverwertung zugeführt werden müssen. Flugasche entsteht bei der Verbrennung der fein gemahlenen Kohle unter hoher Temperatur und wird in den Elektrofiltern des Kraftwerkes aus dem Rauchgas abge- Bild 1: Entsorgung von Flugasche aus Kohlekraftwerken schieden. Sie setzt sich hauptsächlich aus Silicium-, Aluminium- und Eisenoxiden zusammen und kann teilweise unter anderem als Betonzusatzstoff verarbeitet werden. Als Bodenasche werden die bei der Verbrennung anfallenden, nicht brennbaren größeren aufgeschmolzenen Rückstände bezeichnet, die zusammen mit der nicht

3 weiterverwerteten Flugasche in so genannte Absetzanlagen entsorgt werden müssen. Im Sinne von Umweltschutz und Energieeffizienz kommt für diese Aufgabe in zunehmendem Maße Hydrotransport zum Einsatz. Unter Verwendung neuester maschineller und elektrotechnischer Anlagen wird die Flug- und Bodenasche dabei in Pipelines zum Bestimmungsort gepumpt häufig über mehrere Hundert Kilometer. Als Trägerflüssigkeit dient in der Regel Industrie-, See- oder Meerwasser. Die Förderaufgabe übernehmen Verdrängerpumpen, wie zum Beispiel Kolbenpumpen, hydraulisch aktivierte Kolbenpumpen oder hydraulische Membranpumpen (Bild 1). HYDRAULISCHER TRANSPORT NICHT SEDIMENTATIONSSTABILER SUSPENSIONEN Hydraulischer Feststofftransport bezeichnet die Förderung von zweiphasigen Gemischen, in denen das Wasser (Fluid) den hydraulischen Träger darstellt, der die Feststoffe in der Druckleitung befördert. Kleinere Partikel mit einer Größe bis ca. 100 µm können in Abhängigkeit ihrer Stoffdichte als zweites Trägerfluid betrachtet werden. Sie bewirken eine Reduktion der Sinkgeschwindigkeit des zu transportierenden größeren Solids gegenüber dem Fluid (Wasser). Dabei erfolgt eine Differenzierung in homogene und heterogene Mischungen. Homogene Mischungen weisen eine relativ gleichmäßige Verteilung von Feststoffen und Flüssigkeit auf, so dass auch die Geschwindigkeits- und Volumenkonzentrationsverteilung über dem Rohrquerschnitt relativ gleichmäßig ist. Bei heterogenen Mischungen hingegen liegt eine starke Entmischung vor, weshalb der Anteil an Feststoffen im Gemisch in der oberen Hälfte horizontaler Rohrleitungen viel geringer ist als in der unteren. In der unteren Rohrleitungshälfte ist die Gemischgeschwindigkeit aufgrund der höheren Feststoffanteile gegenüber der oberen Rohrleitungshälfte erheblich geringer. Ein höherer Anteil an feinen Feststoffen (ca. 10 %) bedeutet grundsätzlich auch eine Tendenz zu einem nichtnewtonschen Verhalten der Mischung. Da es sich bei Ascheschlamm meist um nicht-newtonsche Flüssigkeiten handelt, gilt es in erster Linie Sedimentationen zu vermeiden. Sedimentationen könnten die Pipeline innerhalb kurzer Zeit so zusetzen, dass ein Freiblasen mit Hilfe der Pumpen nicht mehr möglich wäre. Unter diesem Aspekt muss bei allen Betriebsbedingungen eine konstante Förderung gewährleistet werden, deren Strömungsgeschwindigkeit den kritischen Wert nicht unterschreitet, der zum Absinken der Feststoffe, einer Ablagerung auf dem Rohrboden und damit zur Verstopfung der Rohrleitung führen würde. Zur optimalen Auslegung der Pumpen empfiehlt sich zunächst eine rheologische Untersuchung des Mediums zur Bestimmung der Fließfestigkeit Τ o oder Τ f. Bei Medien mit einer Fließfestigkeit (Τ f) handelt es sich grundsätzlich um nicht-newtonsche Flüssigkeiten. Die ermittelte Kurve Schubspannung zum Schergefälle gibt darüber hinaus Aufschluss über die dynamische Viskosität η. Die Kalkulation der Reynolds-Zahl erfolgt auf der Basis der dynamischen und kinematischen Viskosität sowie der Dichte des Mediums. Die Reynolds-Zahl wiederum dient als Ausgangsbasis zur Berechnung der Druckverluste in der Rohrleitung, die unerlässlich ist um den Druckbereich der Pumpe zu bestimmen. Um eine Sedimentation der Feststoffe zu vermeiden, erfolgt im nächsten Schritt die Ermittlung der kritischen Geschwindigkeit v krit, die von der gewählten Druckleitung im Innendurchmesser, der Dichte der Partikel, der Feststoff-Volumenkonzentration C v und der Kornverteilung abhängig ist. Auf der Basis der errechneten Sinkgeschwindigkeit der Feststoffe kann die Sedimentationsgefahr für die einzelnen Anlagenteile analysiert werden. BESTENS GEEIGNET: DOPPEL-SCHLAUCH- MEMBRANPUMPEN Der Hydrotransport von Flug- und Bodenasche stellt extreme Anforderungen an die Pumpen. Hydraulisch aktivierte Doppel-Schlauchmembranpumpen bieten beste Voraussetzungen für derartige Aufgaben. Das Herz dieser Pumpe bilden zwei Schlauchmembranen, die ineinander angeordnet sind und das Fördermedium vollkommen umschließen, so dass kein Kontakt zum Pumpengehäuse besteht. Darüber hinaus stellen sie eine doppelte, hermetische Trennung zwischen Antriebs- und Flüssigkeitsende dar. Die Schlauchmembranen werden vom Kolben über eine hydraulische Vorlageflüssigkeit aktiviert und machen im Takt des Pumpenhubes lediglich eine mit einer Vene vergleichbare Bewegung. Sie erlauben zudem einen wesentlich besseren Füllungsgrad als Kolbenpumpen und vermeiden gegebenenfalls abrasiv wirkende Partikelablagerungen (Bild 2). Bild 2: Doppel-Schlauchmembranpumpe mit Umkehrförderung

4 Bild 3: Doppel-Schlauchmembranpumpe mit Umkehrförderung im Einsatz Bild 4: Federbelastetes Kugelventil mit geradlinigem Durchfluss Jede der beiden Schlauchmembranen ist auch alleine voll funktionsfähig. Selbst bei Undichtigkeit einer Schlauchmembrane ist daher gewährleistet, dass das Fördermedium nicht mit dem Pumpengehäuse in Berührung kommt. Die redundante Schlauchmembrane sorgt dafür, dass die Pumpe problemlos bis zum nächsten geplanten Stillstand weiter betrieben werden kann. Einer der essenziellen Vorteile der Konstruktion liegt im geraden Durchgang, was sich bei der Förderung von Medien, die aggressiv, abrasiv oder mit Feststoffen durchsetzt sind, strömungstechnisch besonders günstig auswirkt. Zu dieser Kategorie zählen auch Flug- und Bodenasche. VERHINDERT ABSETZEN VON FESTSTOFFEN: UMKEHRFÖRDERUNG Beim Hydrotransport von Flug- und Bodenasche muss mit einem erhöhten Sedimentationsrisiko gerechnet werden. Diese Gefahr betrifft nicht nur die Rohrleitung, sondern in erster Linie auch die Pumpe. Wenn die Sinkgeschwindigkeit der im Medium enthaltenen Feststoffe größer ist als die Fließgeschwindigkeit, besteht bei traditioneller Durchströmung der Pumpe von unten nach oben die Gefahr, dass die Feststoffe während des Saughubes zurück in den unteren Bereich des Fördergutraumes fallen. Infolge der daraus resultierenden Feststoffablagerungen kann die Bewegung der Membrane so stark beeinträchtigt werden, dass sie bricht. Für den Hydrotransport von Medien mit erhöhtem Sedimentationsrisiko wird das Förderprinzip der Doppel- Schlauchmembranpumpen daher auf den Kopf gestellt. Die Strömung erfolgt dabei nicht mehr von unten nach oben, sondern von oben nach unten (Bild 2 und 3). Mit der so genannten Umkehrförderung wird nicht nur das Absetzen von Feststoffen effizient verhindert, sondern gleichzeitig auch ein höherer Wirkungsgrad erzielt. FÖRDERVENTILE Wie beim traditionellen Förderprinzip von unten nach oben erfordert auch das Umkehrprinzip mit Strömung von oben nach unten spezielle, maßgeschneiderte Förderventile. Hierfür empfehlen sich beispielsweise Schwimmkugelventile, federbelastete Kugelventile (Bild 4) oder Kegelventile. Bei Medien mit groben Feststoffen ist darüber hinaus der Einsatz von Doppelventilen von Vorteil. Falls kurzfristig ein Partikel zwischen Kugel oder Kegel und Ventilsitz eingeklemmt wird und so eine Ventilleckage verursacht, sichert das zweite Ventil die Abdichtung und verhindert auf diese Weise den Rückfluss des Mediums und einen daraus resultierenden Mengenverlust. Aufgrund der umgekehrten Anordnung der Förderventile, das heißt das Zulaufventil befindet sich oben und das Druckventil unten, wird das Medium von oben nach unten durch die Pumpe geleitet. Dies erlaubt auch die Förderung von Schlämmen mit schweren Feststoffen, die normalerweise nicht förderbar sind. Die Feststoffe fallen beim Zulaufbetrieb unter ihrem Gewicht nach unten in die gleiche Richtung wie die Strömung; dies verhindert

5 Bild 5: Top-Entry-Doppelventile mit hydraulischem Quick Change System ein Absetzen. Beim Druckhub öffnet das untere Ventil, und die Feststoffe werden wiederum unter eigenem Gewicht nach unten in Strömungsrichtung abtransportiert. Bei Schwimmkugelventilen wird die Größe der Feststoffe nur durch den Abstand zwischen Kugel und Ventilgehäuse beschränkt, unabhängig von Sink- und Strömungsgeschwindigkeit. Die Schwimmkugeln werden mit einem Strömungsführungssystem versehen, das ein Auspendeln großer Feststoffe beim Kolben-Rückhub und einen schnelleren Kontakt der Schwimmkugel auf dem Ventilsitz erlaubt. Dies ist vor allem für die Erhaltung eines hohen volumetrischen Wirkungsgrades von großer Bedeutung. Alle Ventile der Doppel-Schlauchmembranpumpe sind als montage- und wartungsfreundliche Kassetten konzipiert, die mit Hilfe von integrierten Abdrückvorrichtungen innerhalb kürzester Zeit ohne Demontage von Nachbarelementen ausgebaut werden können. Bei großvolumigen Ventilen kommt außerdem die Top-EntryVariante mit hydraulischem Quick Change System zum Einsatz (Bild 5). Die Verschleißrate der Ventile ist jedoch nicht nur von Betriebsdruck und Korngröße, sondern vor allem auch von Druckpulsationen abhängig. Positive Verdrängerpumpen unterliegen je nach Bauart höchst unterschiedlichen Pulsationen. Die Abweichung vom konstanten Volumenstrom spiegelt sich in der kinematischen Ungleichförmigkeit wider. Die Fördercharakteristik einer Einzylinderpumpe verläuft etwa sinusförmig. Beim Vergleich von einfach- und doppeltwirkenden Ein- und Mehrzylinderpumpen ist zu erkennen, dass der Ungleichförmigkeitsgrad bei ungerader Zylinderzahl bedeutend kleiner ist als bei gerader Anzahl. Daher wer- Bild 6: Doppel-Schlauchmembranpumpe in Quintuplex-Ausführung (Qmax = m³/h, pmax 500 bar) den bevorzugt Pumpen mit ungerader Zylinderzahl ausgeführt. Bei Schlauchmembranpumpen handelt es sich daher überwiegend um einfachwirkende Drillingspumpen. Für große Fördermengen wird der bei weitem höchste Wirkungsgrad und die niedrigste Ungleichmäßigkeit mit einfachwirkenden Fünfzylinderpumpen (Bild 6) erreicht. Die Quintuplex-Konfiguration bietet nicht nur eine mit Kreiselpumpen vergleichbare Gleichförmigkeit, sondern trägt darüber hinaus auch zu einer Reduzierung von Ventilverschleiß bei, die bisher in dieser Form nicht möglich war. Selbst ohne Pulsationsdämpfer wird die Ungleichförmigkeit einfachwirkender oszillierender Fünfzylinderpumpen auf 5,1 % reduziert (gegenüber 23,0 % bei traditionellen einfachwirkenden Dreizylinderpumpen und 32,5 % bei einfachwirkenden Vierzylinderpumpen). Die Ungleichförmigkeit von 5,1 % ist als theoretischer Wert zu sehen, ohne Berücksichtigung der zusätzlichen Dämpfung durch im Hydrauliköl und Medium enthaltene Gasanteile. Die Redundanz der Pulsationsdämpfer ist umso vorteilhafter, weil auf manuell oder automatisch gesteuerte Dämpfungseinrichtungen verzichtet werden kann, die normalerweise bei Betrieb mit variierenden Förderdrücken unerlässlich sind. PULSATIONSDÄMPFUNG Zur Vermeidung der Druckpulsationen wird eine Reihe von unterschiedlichen Pulsationsdämpfern eingesetzt. Je nach den tatsächlichen Betriebsbedingungen finden traditionelle Druckwindkessel mit Luft- bzw. Gaspolster Industriepumpen + Kompressoren Heft 2 /

6 Bild 7: FELUWA PULSORBER mit Windkessel-Funktion und automatischer Anpassung des Gaspolsters an den Betriebsdruck Schaden an der Pumpe um ein Vielfaches übersteigen können. Das Ziel muss daher darin bestehen, sich anbahnende Schäden bereits im Vorfeld zu erkennen und den Austausch von Verschleißteilen im Rahmen einer geplanten Wartung vorzunehmen. Die Pumpendiagnose auf Webbasis ermöglicht auch ein Abweichen von starren Wartungsintervallen. Bei einer ausreichenden Datenbasis ist über die reine Überwachung des ordnungsgemäßen Betriebs hinaus auch eine Diagnose von Fehlern und Schadensursachen möglich. Hierdurch kann nicht nur die Instandsetzung besser vorbereitet, sondern auch die Stillstandszeit der Anlage entsprechend verkürzt werden. Außerdem können vom Betreiber als unzulässig bezeichnete Betriebsbedingungen zugunsten einer verlängerten Lebensdauer der Komponenten erkannt und korrigiert werden. Im Sinne der Energieeffizienz trägt ein frühzeitiges Erkennen von Verschleiß auch dazu bei, dass schleichende Wirkungsgradverluste bemerkt werden, die sonst unerkannt bleiben, weil die Pumpenregelung sie selbsttätig durch eine höhere Hubzahl ausgleicht. Durch vorgezogene Wartung können dabei beträchtliche Energiekosten eingespart werden. oder sogenannte Schlauchmembran-Pulsationsdämpfer (PULSORBER) mit stickstoffgefüllten Blasenspeichern Verwendung. In einer weiteren Variante wird der Schlauchmembran-PULSORBER zusätzlich als Windkessel genutzt (Bild 7). Diese Kombination stellt eine höchst effiziente Lösung für Einsatzfälle mit variierendem Förderdruck dar, weil das Gaspolster des PULSORBERS automatisch an die jeweiligen Druckbedingungen angepasst und damit auch außerhalb des Wirkungsbereiches des Blasenspeichers eine optimale Pulsationsdämpfung gewährleistet wird (Bild 8). Bild 8: Druckschwankungen bei unterschiedlichen Dämpfungssystemen VERBESSERUNG DER ENERGIEEFFIZIENZ DURCH ZUSTANDSÜBERWACHUNG MIT WEBSERVICE-OPTION Zum rechtzeitigen Erkennen von Verschleißentwicklungen werden die Ventile durch speziell zu diesem Zweck entwickelte Sensoren überwacht, die außen am Ventilgehäuse befestigt werden und nicht mit dem Fördermedium in Berührung kommen. Das Messprinzip basiert auf der Körperschall-Analyse der Förderventile und erkennt Leckagen bereits zu einem frühen Zeitpunkt, wenn der Fördermengenverlust noch unter 1,5 % liegt. Neben den Förderventilen können alle funktionsrelevanten Komponenten und Betriebsparameter der Pumpe mit Hilfe von Touch Panels (Bild 9) überwacht werden, die in den Schaltschrank eingebaut werden. Unplanmäßiger Stillstand führt unmittelbar zu Produktionsausfall und verursacht damit immense Kosten, die den eigentlichen Bild 9: Überwachung aller funktionsrelevanten Komponenten und Betriebsparameter der Pumpe mit Hilfe eines Touch Panels

7 ZUSAMMENFASSUNG Entgegen herkömmlichen Membran- und Kolbenmembranpumpen verzichtet die Doppel-Schlauchmembranpumpe auf die bekannte Flachmembrane. Die stattdessen verwendete doppelte Schlauchmembrane erlaubt schlanke, zylindrische Pumpenköpfe mit höherer Festigkeit und höherem Wirkungsgrad für Fördermengen bis m³/h und Drücke bis 500 bar. Das Fördermedium kommt nicht mit dem Gehäuse in Berührung; es wird von der Schlauchmembrane schonend und geradlinig durch die Pumpe geführt. Doppel-Schlauchmembranpumpen eignen sich daher in besonderer Weise für Medien, die aggressiv, abrasiv oder mit Feststoffen durchsetzt sind. Bei Stoffen mit hoher Sedimentationsgefahr wird das traditionelle Förderprinzip auf den Kopf gestellt und das Medium von oben nach unten durch die Pumpe geführt. Rundum-Diagnosesysteme mit Webservice- Option gewährleisten eine optimale Energieeffizienz, hohe Verfügbarkeit und geringe Lebenszykluskosten. ACHEMA 2012 Halle 8.0, Stand G94 AUTOR HEINZ M. NÄGEL FELUWA Pumpen GmbH Mürlenbach

8 Nur wer anders ist, kann auch hervorstechen. Wir sind spezialisiert auf die Entwicklung, Kons truktion und Fertigung von Doppel-Schlauchmembranpumpen für abrasive, aggressive und toxische Medien. Technische Exzellenz, Qualität und Kundenzu friedenheit sind unsere Basis für eine intensive und langjährige Partnerschaft mit unseren Kunden. Großer Preis des Mittelstandes Premier 2010 Besuchen Sie uns auf FELUWA Pumpen GmbH Beulertweg 10 Mürlenbach Tel. +49 (0)