Vom Taschenfilter zum Flachschlauchfilter LÜHR FILTER. Entwicklung, Bauformen, Abscheideleistung. von Dipl. - Ing. Rüdiger Margraf

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1 LÜHR FILTER Vom Taschenfilter zum Flachschlauchfilter von Dipl. - Ing. Rüdiger Margraf Filteranlagentechnik Essen, 16. / 17. Mai 2006 Essen, 16./17. Mai

2 Inhaltsverzeichnis 1 Vom Taschenfilter zum Flachschlauchfilter Konstruktion des Flachschlauchfilters Allgemeiner Aufbau Abreinigungssysteme Druckluft on line Abreinigung (Bild 3) Kammerweise Druckluft off line Abreinigung Verfahrende Druckluft off line Abreinigung (Bild 5) Verfahrende Mitteldruck off line Abreinigung (Bild 6) Vorteilhafte Besonderheiten zur Erzielung niedriger Restpartikelgehalte im bei überdurchschnittlich langer Filtermaterialstandzeit Stützkorbkonstruktion Länge der Flachschlauch-Filterelemente Filterzuströmung zu den Filterelementen (Bild 9) Abreinigungsverfahren Auswirkungen auf die Filtermaterialauswahl Abscheidung nicht partikelförmiger Gasinhaltsstoffe Anwendungsbeispiel Wertung Essen, 16./17. Mai

3 1 Vom Taschenfilter zum Flachschlauchfilter Mit Entwicklung der Nadelfilze standen als filternde Abscheider neben den Schlauchfiltern auch Taschenfilter für die Partikelabscheidung aus Luft und Gasen zur Verfügung. Es wurden Filtertaschen eingesetzt bis zu einer Größe von x mm. Diese Filterkonstruktion wies neben einigen Vorteilen im Vergleich zu den Schlauchfilterkonstruktionen gravierende Nachteile auf: Geringere Durchsatzleistung aufgrund eines schlechteren Abreinigungsverhaltens Kürzere Filtermaterialstandzeit, begründet durch hohe mechanische Beanspruchungen der Nadelfilztaschen in Teilbereichen der Taschen Schlechtes Handling der großen Taschen bei Aus- und Einbau Basierend auf den nachweislich vorhandenen physikalischen Vorteilen der Taschenfilterkonstruktion wurde von Firma LÜHR FILTER in mehreren Konstruktionsschritten das Flachschlauchfilter entwickelt. Diese Variante des filternden Abscheiders kombiniert die Vorteile der Schlauchfilterkonstruktion mit denen der Taschenfilterkonstruktion, wobei die oben genannten Nachteile der Taschenfilter vermieden werden. Flachschlauchfilter werden seit mehr als 25 Jahren für die Abscheidung von Partikeln die Absorption saurer Schadgaskomponenten wie HF, HCl und SO x die Adsorption von Dioxinen/ Furanen und Schwermetallen wie Quecksilber und Quecksilberverbindungen erfolgreich in unterschiedlichsten Anwendungsfällen eingesetzt. Diese Variante des filternden Abscheiders zeichnet sich aus u. a. durch: Hohe Abscheideeffizienz Überdurchschnittlich lange Filtermaterialstandzeiten durch geringe mechanische Belastung des empfindlichen Nadelfilzes Gute Regenerierbarkeit des Filtermaterials bei der Filterflächenabreinigung Einfaches Handling bei Ein- und Ausbau der Filterschläuche Nachfolgend wird die Konstruktion des Flachschlauchfilters vorgestellt, die vorteilhaften Besonderheiten werden aufgeführt und die vielseitige Einsetzbarkeit erläutert. Essen, 16./17. Mai

4 2 Konstruktion des Flachschlauchfilters 2.1 Allgemeiner Aufbau Den prinzipiellen Aufbau des Flachschlauchfilters mit horizontal eingebauten Filterelementen zeigt Bild 1. Das Filtergehäuse wird mittels Lochplatten in den Roh- und bereich unterteilt. Die Flachschlauch-Filterelemente, bestehend jeweils aus Flachschlauch und Stützkorb, werden von der seite aus eingeschoben. Die Flachschlauch- Elemente sind im Gehäuse exakt fixiert. Im Lochplattenbereich sind sie ohne Verwendung einer Verschraubung staubdicht befestigt. Das textile Filtermaterial wird von außen nach innen durchströmt, Partikel werden zurückgehalten. Schematische Schnittdarstellung ohne Abreinigungsvorrichtung Flachschlauch-Element Flach- schlauch- Element Zuströmhaube Lochplatte raum Rückwand 1-2,5 m Lochplatte Mundstück Staubsammelrumpf Wartungsbühne Partikelaustrag Halterung an der Rückwand Mundstücke und Lochplatte Bild 1: Schematische Darstellung Flachschlauchfilter und Flachschlauch Filterelement (horizontaler Einbau) Ergänzend sei angemerkt, dass alternativ eine Konstruktion mit senkrecht angeordneten Flachschlauchelementen zur Verfügung steht (Bild 2). Auch hierbei sind die Flachschlauch-Elemente im Gehäuse exakt fixiert, allerdings lassen sich die Vorteile des Flachschlauchfilters mit horizontal eingebauten Filterelementen nicht in allen Punkten konsequent nutzen. Essen, 16./17. Mai

5 Schematische Schnittdarstellung ohne Abreinigungsvorrichtung Flachschlauch-Element raum Lochplatte Mundstück Flachschlauch- Element Lochplatte Mundstücke und Lochplatte < = 3,0 m Staubsammelrumpf Partikelaustrag Halterung für Flachschlauch- Elemente Bild 2: Schematische Darstellung Flachschlauchfilter (senkrechter Einbau) 2.2 Abreinigungssysteme Für die Abreinigung der am Filter angelagerten bzw. im Filtermaterial eingelagerten Partikel stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Vier häufig für Flachschlauchfilter eingesetzte Systeme werden nachfolgend ohne Wertung der Vorund Nachteile beschrieben Druckluft on line Abreinigung (Bild 3) Innerhalb des raumes sind vor allen Schlauchöffnungen senkrecht orientierte, leicht herausnehmbare Druckluftverteilungsrohre angeordnet. Druckluft und als Sekundärgas werden nacheinander jeweils zwei benachbarten Schlauchreihen gleichzeitig über aerodynamisch vorteilhaft ausgebildete Injektoren zugeführt, so dass die Schlauchreihen paarweise kurzzeitig kräftig entgegen der Filtrierrichtung von Spülgas beaufschlagt und von der angelagerten Staubschicht befreit werden. Essen, 16./17. Mai

6 Schnittdarstellung Filter X Ventil Einzelheit x Y Einzelheit Y raum raum Druckluftkessel raum raum Anwendungsbeispiel : Mahlanlage für Kalk m³/h i. B. Injektor Düsenstock Primärluft Sekundärluft Bild 3: Druckluft on line Abreinigung Kammerweise Druckluft off line Abreinigung Den grundsätzlichen Aufbau dieses Abreinigungsverfahrens zeigt Bild 4 am Beispiel eines Flachschlauchfilters mit senkrecht angeordneten Flachschläuchen. Der raum des Filtergehäuses ist in mehrere Kammern unterteilt. Jede Kammer ist absperrbar mit dem sammelkanal verbunden. Zu Beginn der Abreinigung einer Kammer wird die zugehörige Absperrklappe auf der seite geschlossen. Die Flachschläuche werden bei unterbrochener Filtrierbeaufschlagung wie vorbeschrieben mittels Druckluft abgereinigt. Bei Bedarf kann der gesamte bereich des Filtergehäuses zusätzlich kammerweise unterteilt werden, so dass sich die Möglichkeit ergibt, einzelne Kammern für Inspektionen bzw. Reparaturen abzuschalten, während die übrigen Kammern weiterhin für die Filtrierung zur Verfügung stehen. Grundsätzlich ist dies auch bei Einsatz einer Druckluft on line Abreinigung möglich. Essen, 16./17. Mai

7 X Anwendungsbeispiel : Wirbelschichtverbrennung m³/h i. B. Einzelheit x Düsenstock Primärluft raum Sekundärluft Injektor raum Bild 4: Kammerweise Druckluft off line Abreinigung Verfahrende Druckluft off line Abreinigung (Bild 5) Die Abreinigung der Flachschlauchreihen erfolgt schrittweise nacheinander mittels einer im raum verfahrenden mit Druckluftzuführung und Injektoren ausgerüsteten Vorrichtung. Die Vorrichtung überdeckt jeweils drei senkrechte Filterschlauchreihen, von denen die mittlere bei der Abreinigung während ca. 0, 5 sec mit Druckluft und als Sekundärgas beaufschlagt wird. Als Abdichtung längs des Laufwagenweges dient eine im Dauerbetrieb bewährte Lippendichtung. Essen, 16./17. Mai

8 Schnittdarstellung Filter Einzelheit x X Ventil Druckluftkessel Lippendichtung raum Y Spüldüse Einzelheit Y raum Druckluft Rückschlagklappe Anwendungsbeispiel : Sinterband m³/h i. B. Injektor Düsengleitbelag (flexibel) Sekundärgas verfahrende Spüldüse Bild 5: Verfahrende Druckluft off line Abreinigung Verfahrende Mitteldruck off line Abreinigung (Bild 6) Die Abreinigung der Flachschlauchreihen erfolgt schrittweise nacheinander mittels einer im raum verfahrenden Spülluftdüse. Dabei wird die Spülluft von einem Mitteldruckventilator pulsierend jeweils einer Flachschlauchreihe zugeführt, während die beidseitig benachbarten Flachschlauchreihen vom nicht beaufschlagt werden. Als Abdichtung längs des Spülwagenlaufweges dient eine im Dauerbetrieb bewährte Lippendichtung. Druckluft wird bei diesem Abreinigungsverfahren nicht benötigt. Essen, 16./17. Mai

9 Schnittdarstellung Filter X Ventilator Lippendichtung Impulsklappe Einzelheit x Spüldüse raum raum Y raum Einzelheit Y raum Anwendungsbeispiel : Asphalt-Mischanlage m³/h i. B. Düsengleitbelag (flexibel) verfahrende Spüldüse Bild 6: Verfahrende Mitteldruck off line Abreinigung 3 Vorteilhafte Besonderheiten zur Erzielung niedriger Restpartikelgehalte im bei überdurchschnittlich langer Filtermaterialstandzeit Flachschlauchfilter sind im besonderen Maße geeignet, niedrige Restpartikelgehalte im verbunden mit einer vieljährigen Filtermaterialstandzeit sicherzustellen. Dies ist u. a. zurückzuführen auf eine im Vergleich zu anderen Filterkonstruktionen niedrige mechanische Beanspruchung des Filtermaterials. Nachfolgend werden einige Aspekte aufgeführt. 3.1 Stützkorbkonstruktion Es werden Stützkörbe mit einer engen Maschenweite (ca. 25 x 25 mm) verwendet (Bild 7). Hierdurch werden die durch den Filterdifferenzdruck auf die Filterschläuche einwirkenden Kräfte möglichst gleichmäßig auf das gesamte Filtermaterial verteilt. Essen, 16./17. Mai

10 Maschenweite : ca. 25 x 25 mm Bild 7: Stützkorb des Flachschlauch-Filterelementes Die Größenordnung der auftretenden Kräfte lässt sich an einem einfachen Beispiel verdeutlichen: Ein Filterdifferenzdruck von 15 mbar (gleichbedeutend mit 150 mm WS) entspricht einer Belastung von N/m². Diese Flächenkräfte müssen vom Filtermaterial auf die Drähte des Stützkorbes übertragen werden. Je enger die Maschen desto geringer sind somit die Belastungen des textilen Filtermaterials im Bereich der Drähte. 3.2 Länge der Flachschlauch-Filterelemente Bei der Flachschlauch-Filterkonstruktion ist die Länge der Filterelemente begrenzt auf 2,5 m für den waagerechten Einbau und auf 3,0 m für den senkrechten Einbau. Diese Limitierung macht es im Vergleich mit anderen Konstruktionen auf der einen Seite zwar notwendig, im Verhältnis mehr Filterelemente bei gleicher installierter Filterfläche einzusetzen. Andererseits ergeben sich hierdurch gravierende Vorteile. Die eingesetzte Abreinigungsenergie lässt sich besser auf die gesamte Filterfläche verteilen. Die Filtergehäuse können mit bereits eingebauten Filterelementen zur Montagestelle transportiert werden (Bild 8). Die einzelnen Filterelemente lassen sich einfacher handhaben. Es werden keine geteilten Stützkörbe eingesetzt. Essen, 16./17. Mai

11 Bild 8: Filter auf Tieflader für Transport über die Straße 3.3 Filterzuströmung zu den Filterelementen (Bild 9) Wichtig für die Erzielung langer Abreinigungszyklen und damit einer geringen Belastung des Filtermaterials ist das möglichst ungestörte Absinken abgereinigter Partikel im Filtergehäuse. Soweit Einkammerfilter zum Einsatz kommen, ist deshalb eine Zuströmung von oben zu bevorzugen. Bei einer Zuströmung von unten oder schräg von unten in Einkammerfiltern kann ein bei der Abreinigung vom Filtermaterial entferntes Partikelagglomerat nur nach unten absinken, wenn dessen Sinkgeschwindigkeit größer ist als die entgegen gerichtete Gaszuströmung. Da die Sinkgeschwindigkeit von Partikelagglomeraten um 200 µm nur ca. 1 m/sec beträgt, ist verständlich, dass bei Einkammerfiltern ausschließlich eine zuströmung von oben eine unerwünschte, unkontrollierte Partikelwiederanlagerung insbesondere von Feinstpartikeln minimiert. Essen, 16./17. Mai

12 Lochplatte raum Lochplatte Flach- schlauch- Elemente Prallplatte Flach- schlauch- Elemente Partikelaustrag zuströmung 100 % von oben Fallstromprinzip begünstigt das Absinken der Partikel in den Sammelrumpf. Partikelaustrag zuströmung von oben und unten Teilweise Zuströmung von unten behindert das Absinken insbesondere der feinen Partikel in den Sammelrumpf. Bild 9: Unterschiedliche zuströmungen zu den Filterelementen Zur Sicherstellung einer möglichst homogenen Zuströmung der Gase zu den Filterelementenreihen und/oder zur Vorabscheidung von Grobpartikeln kann es sinnvoll sein, das Filter mit einer integrierten Zuström- oder Vorabscheidekammer auszurüsten (Bild 10). Zuströmung von oben (möglich nur bei horizontaler Anordnung der Flachschlauch-Elemente) von oben von oben über Zuströmkammer von oben über Grobpartikel- Vorabscheidekammer Bild 10: Verfügbare Alternativen für die zuströmung Essen, 16./17. Mai

13 3.4 Abreinigungsverfahren Bild 11 verdeutlicht den Einfluss des Abreinigungsvorganges auf den Restpartikelgehalt im. Dargestellt ist der kontinuierlich gemessene Restpartikelgehalt im sowie der Filterdifferenzdruck über der Zeit. Die Daten wurden aufgenommen an einem Filter mit relativ kleiner Filterfläche. Reststaub Filterdifferenzdruck Restpartikelgehalt Bild 11: Einfluss des Abreinigungszykluses auf den Restpartikelgehalt im Deutlich erkennbar ist, dass es nach jedem on line ausgeführten Abreinigungsvorgang zu einem Anstieg des Partikeldurchtrittes kommt, der relativ schnell wieder auf ein niedrigeres Niveau absinkt. Dies begründet sich durch den Teppichklopfeffekt. Nach Schließen der Druckluftverteilung wird das Filtermaterial durch den Filterdifferenzdruck in Richtung des Stützkorbes beschleunigt. Bei Auftreffen auf den Stützkorb wird das Filtermaterial schlagartig abgebremst, die lose eingelagerten Partikel werden auf die seite befördert. Eine Reduzierung des Restpartikelgehaltes lässt sich erreichen durch: Die Verlängerung des Abreinigungszykluses (dies ist jedoch verbunden mit einem Anstieg des Filterdifferenzdruckes) Verwendung einer off line Abreinigung. Bei einem off line Abreinigungsverfahren wird der Filterschlauch sanft auf den Stützkorb zurückgeführt. Mit den bereits vorgestellten im raum verfahrenden Mitteldruck und Druckluft off line Abreinigungssystemen stehen bei dem Flachschlauchfilter Essen, 16./17. Mai

14 kostengünstige Varianten zur Verfügung. Es lassen sich mit diesen Abreinigungsvarianten die Vorteile der off line Abreinigung nutzen, ohne die aufwändige Konstruktion der kammerweise off line Abreinigung als Nachteil in Kauf nehmen zu müssen. 3.5 Auswirkungen auf die Filtermaterialauswahl Die vorgenannten Besonderheiten des Flachschlauchfilters führen dazu, dass in den meisten Anwendungsfällen hohe Abscheidegrade und extrem niedrige Restpartikelgehalte im sich auch ohne Einsatz von Filtermaterialien mit teuren Oberflächenmembranen oder behandlungen erzielen lassen. Darüber hinaus sind Flachschlauchfilter geeignet für den Einsatz von Filtermaterialien mit geringen spezifischen Flächengewichten und hohem spezifischen Luftdurchlass. 4 Abscheidung nicht partikelförmiger Gasinhaltsstoffe Filternde Abscheider können generell nur Partikel aus einem Gas abscheiden. Zur Abscheidung gasförmiger Stoffe müssen diese Stoffe durch Zugabe von Additiven in die Partikelform überführt werden (Absorption) oder an Additive an- bzw. eingelagert werden (Adsorption). Als Beispiele sind zu nennen: Absorption von sauren Schadgaskomponenten wie HF, HCl und SO x durch Zugabe von Additiven auf Basis Ca- oder Na-Verbindungen Adsorption von Dioxinen/Furanen durch Zugabe von Additiven mit großer innerer Oberfläche, wie zum Beispiel Herdofenkoks, Aktivkohle oder spezielle Tonmineralien Ab-/Adsorption von gasförmigen Schwermetallverbindungen durch eines oder mehrere der vorgenannten Additive Ab- und Adsorption stellen hohe Ansprüche an die Effizienz filternder Abscheider. So lassen sich ausreichende Abscheidegrade nur dann erzielen, wenn ein Kontakt zwischen Schadgasmolekül und Additivpartikel sichergestellt ist (homogene Partikelverteilung) und die Additivpartikel weitestgehend am Filtermaterial zurückgehalten werden. Sehr anschaulich verdeutlicht die Abscheidung von Dioxinen/Furanen die Anforderungen an die Konstruktion der filternden Abscheider. Bild 12 zeigt hierzu ein Anwendungsbeispiel. Die Dioxin-/Furan-Konzentration im Gas vor dem Filter beträgt ca ng/m³ i. N.. Der geforderte wert liegt bei < 0,4 ng/m³ i. N.. Essen, 16./17. Mai

15 Herdofenkoks zum Kamin Sinterband in einem Stahlwerk Rückführung [ngte/nm³] Herdofenkoks [mg/nm³] Volumenstrom : m³/h i. N. f. Temperatur : 140 C Bild 12: Anwendungsbeispiel zur Dioxin- / Furanabscheidung Durch Messungen wurde nachgewiesen, dass über 95% der Dioxin-/ Furan- Verbindungen bei diesem Anwendungsfall gasförmig vorliegen und nur durch Zugabe eines Additives mit großer innerer Oberfläche abzuscheiden sind. Der Restpartikelgehalt im betrug während der Messungen 1 mg/m³ i. N.. Der notwendige Abscheidegrad für Dioxine/Furane liegt mit 92 96% im Vergleich zu üblichen Anforderungen für einen filternden Abscheider relativ niedrig. Betrachtet man jedoch die gegebenen Konzentrationen der abzuscheidenden Dioxin-/Furan- Verbindungen wird die Schwierigkeit dieser Aufgabenstellung deutlich. Der wert von 0,4 ng/m³ i. N. entspricht einem Wert von 0, g/m³ i. N.. Es ist verständlich, dass eine Reduzierung der Dioxine/Furane auf einen solch niedrigen Wert nur dann erreicht werden kann, wenn die Additivmittel im Filter homogen verteilt sind und der Restpartikelgehalt im deutlich niedriger als die üblicherweise geforderten Werte liegt. Flachschlauchfilter erfüllen diese Forderungen im besonderen Maße. 5 Anwendungsbeispiel Am Beispiel einer Gasreinigung hinter einer Rostfeuerung mit nachgeschaltetem Kessel zur Verbrennung von Hausmüll lässt sich die universelle Einsetzbarkeit des filternden Abscheiders zur Abtrennung gas- und partikelförmiger Komponenten aus Gasen verdeutlichen. Bild 13 zeigt den Anlagenaufbau, Tabelle 1 die Roh- und werte sowie die geforderten Abscheidegrade. Erwähnenswert ist, dass zur Effizienzsteigerung bei der Abscheidung der gasförmigen Stoffe die im Filter abgeschiedenen Partikel vielfach in den Gasstrom vor das Filter zurückgeführt werden. Der Partikelgehalt vor Filter beträgt durch diese Rückführung ca. 250 g/m³ i. N.. Damit ergibt sich der tatsächlich notwendige Essen, 16./17. Mai

16 Partikelabscheidegrad zur Einhaltung der geforderten Emissionsgrenzwerte zu > 99,996%. Volumenstrom : m³/h i. B. Sprühabsorber Filter Druckluft H 2 O CaO Additiv Additiv Kugelrotor Ca(OH) 2 AK H 2 O H 2 O Bild 13: Anwendungsbeispiel: Hausmüllverbrennung Gasübernahme TMW * HMW ** Doppelwellenmischer Dosierschnecke Emissionsgrenzwerte TMW HMW Abscheidegrad [%] TMW HMW Gesamtstaub [mg/m³ i. N. tr.] > 99,4 > 99,6 HCL [mg/m³ i. N. tr.] > 99 > 97 HF [mg/m³ i. N. tr.] > 93,3 > 86,7 SO 2 [mg/m³ i. N. tr.] > 93,8 > 75 Hg [mg/m³ i. N. tr.] 0,3 0,3 0,015 0,03 > 95 > 90 Cd + TI [mg/m³ i. N. tr.] 1,0 3,0 0,05 *** > 95 > 98,3 Σ (Sb, As, Pb, Cr, [mg/m³ i. N. tr.] ,5 *** > 97,5 > 99 Mn, Ni, V, Sn) Dioxin / Furan [ngte/m³ i. N. tr.] 3,0 5,0 0,1 *** > 96,7 > 98 * Tagesmittelwert ** Halbstundenmittelwert *** Mittelwert über die Probenahmezeit Tab. 1: Anforderungen an einen filternden Abscheider am Beispiel einer Hausmüllverbrennung Essen, 16./17. Mai

17 6 Wertung Filternde Abscheider sind grundsätzlich in der Lage, die heutigen und zukünftigen Anforderungen hinsichtlich der geforderten Abscheidegrade für Partikel und andere gasförmige Komponenten gesichert im Dauerbetrieb zu erfüllen. Bei Auswahl eines filternden Abscheiders für einen vorgegebenen Anwendungsfall müssen die verschiedenen Filterkonstruktionen vergleichend bewertet werden. U. a. sind hierbei zu berücksichtigen: Die entstehenden Investitionskosten Die anfallenden Betriebskosten, wie zum Beispiel Energie- und Druckluftverbrauch, Wartungsaufwand, Filtermaterialstandzeit usw. Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit Referenzen Insbesondere die Betriebskosten und die erreichbare Verfügbarkeit werden beeinflusst durch die Filterkonstruktion. Es gilt, eine Variante auszuwählen, die u. a. die mechanische Beanspruchung des Filtermaterials minimiert, lange Abreinigungszyklen ermöglicht, den Feinstaubanteil im Bereich des Filtermaterials so gering wie möglich hält, einen vergleichsweise niedrigen Filterdifferenzdruck erzielt. Die vorgenannten Ausführungen haben hierzu Hinweise gegeben. Essen, 16./17. Mai

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