VDI-Wissensforum Feinstaub Charakterisierung, Minderung und Abscheidung. Praxisberichte zum Einsatz von Oberflächenfiltern 01. bis 02.

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1 Intensiv-Filter GmbH & Co. KG VDI-Wissensforum Feinstaub Charakterisierung, Minderung und Abscheidung Praxisberichte zum Einsatz von Oberflächenfiltern 01. bis 02. September 2009 Theo Schrooten, Dr.-Ing. Gunnar-Marcel Klein, Tim Neuhaus Intensiv-Filter GmbH & Co. KG Kontaktadresse Intensiv-Filter GmbH & Co. KG Voßkuhlstraße Velbert-Langenberg Dr. Gunnar-Marcel Klein Leiter Technik Phone Fax Mobile Theo Schrooten Leiter Technologie Phone Fax Mobile Tim Neuhaus Leiter Entwicklung Phone Fax Mobile

2 Inhalt Filtermedien Filtermaterialien Innovative Filtermedien Filtertypen Injektortechnologie Prinzip Messungen Verbesserung Abreinigungssteuerung JetBus-Controller Praxisbeispiele Trockensorptionsanlagen Anlagen in der Zementindustrie Elektrofilterumbau in der Zementindustrie Konstruktive Optimierung der Filterkomponenten Energieeffiziente Schlauchfilteranlagen Praxisbeispiele Elektrofilterumbau in der Zementindustrie Equipment für die Lebensmittelindustrie Schlussbetrachtung 3 Filtermaterialien Filterschläuche Einbausituation mit Stützkorb 4 2

3 Filtermaterialien Einsatztemperaturen verschiedener Filtermaterialien Ausgangsmaterial Temperaturbeständigkeit [ C]** Dauer Spitzen Polypropylen Polyacrynitril Polyester Polyamid, alphatisch Polyamid, aromatisch Polyphenylensulfid Polyimid Polythetrafluorethylen* Glas mit *PTFE ** Richtwerte; die Einsatztemperaturen sind abhängig von Staub- und Gaskomponenten Hinweis auf VDI-Richtlinie 3677 Blatt 1 5 Innovative Filtermedien ProTex Ergebnisse Technikumsanlage Druckverlustkurven bei Verwendung unterschiedlicher Filtermedien (PES Nadelvlies, Technikumsanlage, 10 Schläuche, 160x4000 mm) 6 3

4 Innovative Filtermedien ProTex Daten und Einsatzbereiche 7 Filtertypen Kopffilter Bunkerfilter Reihenfilter Doppelfilter Kopffilter Silofilter Rundfilter CIP-Rundfilter 8 4

5 Injektortechnologie Funktionsweise der Druckstoßabreinigung Filtrationsphase Abreinigungsphase 9 Verbesserung der Injektortechnologie Konzeptvergleich verschiedener Injektorsysteme Lochdüse mit Einlaufdüse Ideale Düse mit Einlaufdüse Coanda Injektor mit Einlaufdüse 10 5

6 Verbesserung der Injektortechnologie Aufbau des Intensiv-Filter Coanda Injektors Funktionsprinzip Coanda Injektor mit Einlaufdüse 11 Verbesserung der Injektortechnologie 0 Druckverlauf während der Abreinigung (Coanda Injektor, 0,5 MPa) 20 Piezoresistive Drucksensoren Messbereich: -50/50 mbar Messfrequenz: 1 ms p [hpa] z / mm t [ms] 12 6

7 Verbesserung der Injektortechnologie Auswertung des Impulsverlaufes Druck p 0 p max p D t 1 t 2 Zeit t p max [Pa]: dp/dt [Pa/s]: p D [Pa s]: Maximaler Überdruck Maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit Druckstoß (Flächenintegral unterhalb des positiven Teils des Druckverlaufs) p D t 2 = p( t) dt t 1 13 Verbesserung der Injektortechnologie 14 7

8 Verbesserung der Injektortechnologie Staubemission (PES Nadelvlies, Technikumsanlage, 10 Schläuche, 160x4000 mm): Coanda vs. Nozzle 100 5,0 Staubemission [%] Staubemissionen Coanda Staubemissionen Nozzle Reingaskonzentration Zeit t 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Mittlere Reingaskonzentration [mg/m³] 15 Verbesserung der Injektortechnologie Diskussion der Wirkmechanismen 1. Geringeres mittleres Flächengewicht des Filterkuches durch effizientere Abreinigung Reduzierung p FK 2. Reduzierung des zur Abreinigung notwendigen Tankdrucks Reduzierung Druckluftverbrauch 3. Geringere mechanische Belastung des Filterschlauchs Reduzierung Emissionen Verlängerung Serviceintervall 16 8

9 Optimierung der Abreinigungssteuerung JetBus Controller C41 1 Abreinigung EIN 2 Erhöhung des Abreinigungsdruck (0,05 MPa) und Start der Messzeit 3 Reduzierung des Abreinigungsdruck (0,05 MPa) und Start der Messzeit 4 Abreinigung AUS 17 Optimierung der Abreinigungssteuerung Diskussion der Wirkmechanismen 1. Reduzierung des zur Abreinigung notwendigen Tankdrucks auf das zur Erreichung des gewünschten Betriebszustandes absolut notwendige Minimum Reduzierung Druckluftverbrauch Reduzierung Emissionen Verlängerung Serviceintervall Reduzierung Schallemissionen 18 9

10 Praxisbericht, Trockensortionsanlagen PROSORP Sorptionsanlagen zur trockenen Gasreinigung und Reduzierung von Schadstoffen wie Staub Schwefeldioxid, Chlorwasserstoff, Fluorwasserstoff Schwermetalle wie z. B. Quecksilber, Blei Dioxin, Furan Additive können sein Kalkhydrat Ca(OH) 2 (Calciumhydroxid) Kalksteinmehl CaCO 3 (Calciumcarbonat) Branntkalk CaO (Calciumoxid) Aktivkohle / Aktivkoks auf der Basis verschiedener Kohlen Natriumbicarbonat (Neutrec Verfahren) Mischung aus unterschiedlichen Additiven 19 Praxisbericht, Trockensortionsanlagen PROSORP Sorptionsanlagen zur trockenen Gasreinigung und Reduzierung von Schadstoffen aus: Feuerungsanlagen für feste und flüssige Brennstoffe Anlagen zur thermischen Behandlung von Müll und Sondermüll Klärschlammverbrennungsanlagen Bodensanierungsanlagen Schmelzöfen für Aluminium, Blei, Kupfer, Zink Metallveredelungsanlagen Anlagen der chemischen Industrie 20 10

11 Praxisbericht, Trockensortionsanlagen PROSORP V = m³/h (n. c., f.) Temp. = 100 C NE-Metall-Schmelzofen zur Abscheidung polychlorierter Kohlenwasserstoffe V = m³/h (n. c., f.) Temp. = C Klärschlammverbrennungsanlage V = m³/h (n. c., f.) Temp. = 140 C Altholzverbrennungsanlage Schadstoffreduzierung gemäß der 17. BlmSchV 21 Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie Prozessfilter in der Zementherstellung 7 Ofen-/ Rohmehlmühlenfilter 11 Alkali-Bypassfilter 16 Kohlemahlanlagenfilter 18 Klinkerkühlerfilter 26 Zementmühlenfilter 22 11

12 Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie Filter zur Entstaubung eines Zementdrehrohrofens und einer Rohmehlmahlanlage V = m³/h 23 Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie Umbau von Elektrofilteranlagen (I) Das Elektrofilter vor dem Umbau Die Filteranlage, Stand heute 24 12

13 Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie Umbau von Elektrofilteranlagen (I) Gasvolumenstrom m³/h i. B. Temperatur 120 bis 230 C Rohgasstaubgehalt 100 g /m³ Reststaubgehalt < 10 mg/m³ i. N. tr. Schlauchlänge 7 m Injektor / Betriebsart Ideale Düse semi-offline C41 JetBus Controller Tankdruck 0,25 MPa Druckverlust < Pa Vordruckregelung 25 Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie Bypassentstaubungsanlage Gasvolumenstrom m³/h i. B. Temperatur bis 200 C Rohgasstaubgehalt 25 g /m³ Reststaubgehalt < 10 mg/m³ i. N. tr. Schlauchlänge 4,5 m Injektor / Betriebsart Coanda online Abreinigungssteuerung Abreinigungssteuerung C41 JetBus Controller Tankdruck bis 0,40 MPa Druckverlust < Pa Vordruckregelung 26 13

14 Konstruktive Optimierung der Filterkomponenten Gekammerte Ausführung mit Unterbrechung des Rohgasstroms während der Abreinigung offline Betrieb: Roh- und Reingasseitige Absperrorgane semi-offline Betrieb: Reingasseitige Absperrorgane 27 Konstruktive Optimierung der Filterkomponenten Strömungsoptimierte Filterkomponenten Beispiel Vorabscheider und Rohgaskanal 28 14

15 Konstruktive Optimierung der Filterkomponenten Diskussion der Wirkmechanismen 1. Geringeres mittleres Flächengewicht des Filterkuches durch Reduzierung der inneren rohgasseitigen Staubzirkulation Reduzierung p FK 2. Reduzierung des zur Abreinigung notwendigen Tankdrucks Reduzierung Druckluftverbrauch 3. Geringere mechanische Belastung des Filterschlauchs Reduzierung Emissionen, Verlängerung Serviceintervall 4. Erhöhter Wartungsbedarf und Antriebsleistung für Klappensteuerung 5. Erhöhter Druckverluste Rohgaseintritt, Reingaskammer und Filterschlauch ( p FK, p 0, p SI ) aufgrund Kammerabschaltung 6. Reduzierter Gehäusedruckverlust durch strömungsseitige Optimierung von Filterkomponenten 29 Energieeffiziente Schlauchfilteranlagen (ProJet mega ) Jet-Pulse Schlauchfilter mit verbesserter Energieeffizienz 1. Injektortechnologie Schnell schaltende Membranventile (t el = 50 ms) Zweistufiger Coanda Injektor oder ideale Düse mit Einlaufdüse (Intensiv-Filter-Nozzle) 2. Konstruktive Optimierung Gekammerte Ausführung für offline Betrieb In die Filtersteuerung integrierte schaltbare Rohund Reingasklappen Strömungsoptimierte Filterkomponenten 3. Abreinigungssteuerung Differenzdruckregelung mit variablen Zykluszeiten, Niederdruckabreinigung Voll variable Abreinigungssteuerung mit Vordruckregelung (Option) 30 15

16 Energieeffiziente Schlauchfilteranlagen (ProJet mega ) 31 Energieeffiziente Schlauchfilteranlagen (ProJet mega ) ProJet mega Modularer Aufbau (Baugruppenstruktur) 32 16

17 Energieeffiziente Schlauchfilteranlagen (ProJet mega ) ProJet mega Filteranlagen für Volumenströme von 20 Tsd. m³/h - 2 Mio. m³/h 33 Energieeffiziente Schlauchfilteranlagen (ProJet mega ) Zusammenfassung und Ausblick: Durch moderne Injektortechnologie, offline Betriebsweise, strömungstechnische Bauteileoptimierung und bedarfsgerechte Niederdruck Abreinigung wurden folgende Verbesserungen erreicht: Reduzierung des Druckluftbedarfs Reduzierung des Druckverlusts Filter (Flansch zu Flansch) Erhöhung des Abscheidegrades und der Standzeit der Filterschläuche Die konstruktiven und verfahrenstechnischen Maßnahmen wurden in einer modular aufgebauten Filterbaureihe (ProJet mega ) umgesetzt, die den Volumenstrombereich von m 3 /h m 3 /h abdeckt. Der Hauptanteil des Energiebedarfs resultiert aus dem reversiblen Druckverlust des Filterkuchens

18 Energieeffiziente Schlauchfilteranlagen (ProJet mega ) Entstaubung eines Zementdrehrohrofens und einer Rohmehlmahlanlage 35 Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie Umbau von Elektrofilteranlagen (II) Das Elektrofilter vor dem Umbau Die Filteranlage, Stand heute 36 18

19 Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie Umbau von Elektrofilteranlagen (II) Gasvolumenstrom m³/h i. B. Temperatur 110 bis 240 C Rohgasstaubgehalt 80 g /m³ Reststaubgehalt < 8 mg/m³ i. N. tr. Schlauchlänge 8 m Injektor / Betriebsart Ideale Düse semi-offline Abreinigungssteuerung C41 JetBus Controller Tankdruck 0,2 0,3 MPa Druckverlust < Pa Vordruckregelung 37 Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie Umbau von Elektrofilteranlagen (II) Das eingesetzte Schlauchpaket 38 19

20 Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie Umbau von Elektrofilteranlagen Vorteile Geringe Emissionswerte unabhängig von Gas- und Staubeigenschaften Nutzung der vorhandenen Gehäuse (nach statischer Prüfung) Verringerung der Umbauzeiten und Nutzung der normalen Revisionszeiten Niedrige Investitionskosten und kurze Amortisationszeiten 39 Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie Filter mit CIP-Technologie sind konzipiert für die Trockenfiltration und zyklisch wiederkehrende Waschvorgänge werden automatisch gereinigt, ohne Ausbau der Filterschläuche. stehen in unterschiedlichsten Größenordnungen zur Verfügung. Die Filter werden eingesetzt in der Lebensmittelindustrie chemischen Industrie pharmazeutischen Industrie bei Prozessen mit häufigem Produktwechsel, wenn Produktalterung erwartet wird, wenn Produktkontaminationen ausgeschlossen werden müssen 40 20

21 Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie Historie der CIP-Filtertechnik Rundfilter mit tangentialem Einlass bis 2001 Rundfilter mit radialem Einlass bis 2007 Rundfilter mit radialem Einlass, strömungs- und sicherheitstechnisch optimiert, Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie Sprühturmtrockneranlage und Intensiv-Filter mit CIP- Einrichtung 42 21

22 Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie Definition Explosion Eine Explosion ist eine Oxidations- oder Zerfallsreaktion mit plötzlichem Anstieg der Temperatur, des Druckes oder beider gleichzeitig (DIN EN :1997). Dabei kommt es zu einer plötzlichen Volumenausdehnung von Gasen und der Freisetzung von großen Energiemengen auf kleinem Raum. Es werden folgende Begriffe in Abhängigkeit von der Expansionsgeschwindigkeit verwendet: Verpuffung (0,1 bis 1 m/s) Explosion (1 bis 1000 m/s) Detonation (ab 1000 m/s) Vergleich: Schallgeschwindigkeit beträgt ungefähr 333 m/s Lit.: BIA-Report 12/97 43 Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie Explosionsschutz, druckstoßfeste Bauweise mit Explosionsunterdrückung Druckstoßfestigkeit für den reduzierten Explosionsdruck (0,04 0,1 MPa) Explosionsunterdrückung beim Anlaufen der Explosion durch spezielle Löschmittel Signal für Aktivierung der Löschmittelbehälter erfolgt über Drucksensoren und/oder Infrarotdetektoren Entkopplung über Löschmittelsperre 1 Löschmittelsperre 2 Löschmittelbehälter 3 Drucksensor 44 22

23 Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie Explosionsschutz, druckstoßfeste Bauweise mit Druckentlastung Druckstoßfestigkeit für den reduzierten Explosionsdruck (0,04 0,1 MPa) Kontrollierter Explosionsablauf über Berstscheiben Freihalten der Entlastungsflächen durch effektives Schlauchrückhaltesystems (Entwicklung mit DEKRA Exam) Entkopplung über Löschmittelsperre 1 Reingasbereich, keine Explosionsausbreitung (Staubkonzentration unter Explosionsgrenze) 2 Berstscheiben 3 Druck- und Flammenausbreitung (Sicherheitsbereich vor Druckentlastungseinrichtung) 4 Druck- und Flammenausbreitung 45 Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie Trocknungsluft vom Turm CIP-Einrichtung Waschvorgang Trocknungsphase 46 23

24 Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie Analyse der Strömungsverhältnisse im Filter mittels CFD-Simulation im Bereich des Eintritts und Prallbleches im Rohgasbereich zwischen den Filterschläuchen während der Durchströmung des Filtermediums innerhalb der Schläuche 47 Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie Ergebnisse der Strömungsuntersuchungen symmetrische Umströmung des Prallbleches sehr gleichmäßige Verteilung innerhalb des Schlauchpakets gleichförmige Einströmung in die Filtermedien gleichmäßige Aufströmung in den Filterschläuchen 48 24

25 Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie Rundfilter für m³/h Gasvolumenstrom m³/h i. B. Staubkonzentration, Rohgas 20 g/m³ Staubkonzentration, Reingas < 10 mg/m³ i.n., tr. Filterfläche m² 49 Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie Zusammenfassung Stillstandzeiten für Reinigung sind durch den automatisierten Prozess auf ein Minimum reduziert Produktrückgewinnung bis zu 99 % keine Produktkontamination Platzgewinn durch Wegfall von Zyklonen Reduzierung Energieverbrauch bis zu 30 % gegenüber Zyklonen hohe Betriebs- und Produktionssicherheit Adäquat für hygroskopische Produkte und Produkte mit hohem Fettgehalt kurze Amortisationszeit 50 25

26 Praxisbericht, Schlussbetrachtung Die im Vortrag vorgestellten Anlagenkonzepte zeigen innovative Staubabscheider, die vielfältige Aufgaben, wie z. B. die simultane Abscheidung von Staub und gasförmigen Bestandteilen, die Anforderungen an Energieeffizienz sowie die Bedingungen an einen hohen hygienetechnischen Standard erfüllen. Ausgehend von den kundenspezifischen Gegebenheiten stellen sie komplexe Abgasreinigungsanlagen dar, in denen verfahrenstechnisch und energetisch optimierte Lösungen gefragt und realisiert werden. Zur Auslegung der Gasreinigungsanlagen und der Realisierung einer optimalen Lösung für die vom Kunden vorgegebene Aufgabenstellung ist es notwendig, das jeweilige Verfahren genau zu kennen und die Randparameter mit dem Betreiber zusammen festzulegen. Die Planung der Gasreinigungsanlage für einen bestimmten Bedarfsfall und vor allem auch für die Übernahme der technischen Gewährleistung ist nur dann möglich, wenn alle Umstände bekannt sind, die für Bemessung, Betriebsweise und Werkstoffauswahl von Bedeutung sind