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Industrielle Entstaubung durch Schlauchfilter

Die Evolution der Jet-Pulse Schlauchfiltertechnologie

Dipl.-Ing. Theo Schrooten, Astrid Kögel, Dr.-Ing. Gunnar-Marcel Klein,
Intensiv-Filter GmbH & Co. KG, Velbert-Langenberg

Die älteste Abreinigungsmethode für Schlauchfilter - heute noch in mobilen Filter genutzt - besteht aus motorischen oder manuell zu betätigenden Rüttelvorrichtungen. Bei der automatisierten Regenerierung wird zeitabhängig oder bei Erreichen eines maximalen Filterwiderstandes ein Motor gestartet, der das Filterelement in Schwingung versetzt. Bei der sich daraus ergebenden Bewegung löst sich der angelagerte Staubkuchen von der Filteroberfläche und fällt nach unten in einen Staubsammelrumpf (oder –behälter), der in der Regel durch Staubaustragsorgane geleert wird. Die mechanische Abreinigung wird nach Unterbrechung des Filtrationsbetriebs durchgeführt. Die Filterschläuche werden bei der Abreinigung durch Rütteln mechanisch beansprucht und weisen dementsprechend relativ kurze Standzeiten auf. Ein wesentlich schonenderes Abreinigungsverfahren besteht in der periodischen Umkehrung der Strömungsrichtung (Rückspülfilter). Hierbei ist die Filteranlage in mehreren separaten Kammern ausgeführt und wird kammerweise abgereinigt. Vielfach wurde auch die Kombination beider Abreinigungsmethoden realisiert. Seit einigen Jahrzehnten hat sich jedoch das Jet-Pulse-Verfahren (Druckstoßverfahren) weitgehend als Standard durchgesetzt. Die Regenerierung der Filtermedien erfolgt durch einen zyklischen, intensiven Druckluftstoß. Dieser versetzt den Filterschlauch bei der Abreinigung kurzzeitig in Überdruck. Die Filterschläuche werden kurz aufgebläht, die Strömungsrichtung umgekehrt und der Filterkuchen abgelöst (Bild 1). In der Filtrationsphase gibt ein Stützkorb dem Schlauch die entsprechende Stabilität. Die Abreinigungszyklen hängen u.a. von der Filterflächenbelastung (Volumenstrom pro Filterfläche und Zeiteinheit), der Gasdichte, der Rohgasbeladung und den Partikeleigenschaften ab. Die Regenerierung kann zeitabhängig oder über festgelegte Filterdifferenzdrücke gesteuert werden.

Bild 1: Filtrier- und Abreinigungsstellung eines druckluftabgereinigten, außen beaufschlagten Filterschlauches

Konstruktive Merkmale moderner Jet-Pulse Schlauchfilter

Das Rohgas wird idealerweise im Kreuzstrom zu den Filterschläuchen geführt, um eine Aufströmung entgegen der Partikelsedimentationsrichtung zu vermeiden. Das Rohgas wird über eine Verteilerplatte gelenkt, an der eine Vorabscheidung stattfindet und der Rohgasstrom im Filtergehäuse vergleichmäßigt wird. Die Abscheidung der Partikel findet an der Oberfläche des Filtermediums, bzw. an der Oberfläche des sich darauf abscheidenden Filterkuchens statt. Die entsprechenden Strömungswiderstände resultieren aus den Druckverlusten des Filterkuchens DpFK und des Filtermediums direkt nach der Jet-Pulse Abreinigung (Restdruckverlust Dp0). Das gereinigte Gas strömt nach oben aus dem Schlauch ab. Speziell bei langen Schläuchen (z.B. Schlauchlänge 8 m bei einem Schlauchdurchmesser von 160 mm) und hohen Filterflächenbelastungen ist der Druckverlust über den Schlauchboden, d. h. bei Austritt aus dem Schlauch über die Einlaufdüse in den Reingasbereich, ebenfalls von Bedeutung. Dieser und sämtliche weiteren Strömungswiderstände des Filtergehäuses (Rohgaseintritt bis Filterkuchenoberfläche, Reingasströmung ab Schlauchaustritt bis Austritt Reingaskanal) werden im Gehäusedruckverlust DpG zusammengefasst. Nach der Abreinigung der Filterschläuche sedimentieren die Staubpartikel in den Staubsammelraum und das Material wird von dort zumeist über Förderschnecken und Zellenradschleusen abtransportiert. In der online Betriebsweise werden die in der Rohgaskammer befindlichen Partikel kontinuierlich anfiltriert. Direkt nach der Jet-Pulse-Abreinigung ist die Partikelkonzentration in der Nähe des Filterschlauchs sehr hoch. In diesem Zustand kommt es, insbesondere bei feindispersen Stäuben mit geringer Agglomerationsneigung, zum Wiederanfiltrieren abgereinigter Partikel. Diese „innere“ Staubzirkulation kann einen erheblichen Anteil an der Filterkuchenmasse verursachen und trägt damit zum Druckverlust bei. Zur Steigerung der Energieeffizienz werden daher Filtermodule durch roh- und/oder reingasseitige Absperrorgane während der Abreinigung in einen strömungslosen Zustand versetzt. In diesem sogenannten offline-Modus (bei alleiniger reingasseitiger Kammerabschaltung semi-offline) wird die sofortige Wiederanlagerung des Staubes an benachbarten Filterschläuchen unterbunden. Als weiterer Vorteil kann die Abreinigung durch einen Druckluftimpuls von wesentlich niedrigerer Intensität als bei konventionellen Jet-Pulse Filtern erfolgen. Aktuelle offline-Schlauchfilteranlagen sind modular aufgebaut und decken einen Volumenstrombereich von 50.000 m3/h i.B. bis über 2 Mio. m3/h i.B. ab. Moderne offline Jet-Pulse Filter weisen strömungsoptimierte Komponenten, z.B. wandbündige Rohgasklappen auf und eine mittels CFD strömungsoptimierte Gestaltung der Gasführung im Filter.

Evolution der Injektortechnologien

Das Druckluft-Injektorsystem zur periodischen Regenerierung der von außen nach innen durchströmten Filterschläuche ist für einen energieeffizienten Betrieb von entscheidender Bedeutung. Die Abreinigung hat so zu erfolgen, dass sich der Filterkuchen über die gesamte Schlauchlänge vollständig ablöst. Parallel ist das Zurückschlagen des Mediums auf den Stützkorb („Teppichklopfeffekt“) durch entsprechende Modulation des Druckverlaufs zu minimieren. Viele Injektorsysteme bestehen aus einem Blasrohr mit einfachen Bohrungen, aus denen die Druckluft ausströmt. Durch die nachgeschaltete Venturidüse (Bild 2.1) wird Sekundärluft angesaugt und eine Erhöhung des statischen Drucks im Filterschlauch erzielt. Die Einlaufdüse (Bild 2.2) stellt eine Optimierung mit verminderten Strömungsverlusten dar. Durch Aushalsung der Düsen zu einer „Idealen Düse“ (Bild 2.3) wird eine weitere Effizienzsteigerung bei Umwandlung der Druckluftenergie in einen Abreinigungsimpuls erreicht. Eine sehr effiziente Abreinigungstechnologie stellt der Coanda-Injektor dar. Dieses Abreinigungssystem nutzt den sogenannten Coanda-Effekt, bei dem die Druckluft aus einem Ringspalt austritt und über eine gewölbte Oberfläche geführt wird. Die Primärluft folgt dabei der Grenzschicht, die durch die Geometrie des Coanda-Injektors nicht ablöst. Dabei entsteht innerhalb der ersten Injektorstufe ein extrem hoher Unterdruck, der weitere Sekundärluft ansaugt und einen Treibstrahl ausbildet, der gegenüber den zuvor beschriebenen Varianten eine deutlich erhöhte Luftmenge aufweist (Bild 2.4). Dieser Treibstrahl tritt in die Einlaufdüse als zweite Injektorstufe ein, in der weitere Sekundärluft angesaugt wird. Ein Benchmark der beschriebenen Systeme auf Basis des mit piezoresisitiven Drucksensoren gemessenen, lokalen effektiven Schlauchinnendrucks belegt, dass mit dem Coanda-Injektor bei Tankdrücken von 0,2 bis 0,5 MPa im Vergleich zu allen anderen Injektoren immer der maximale Druckstoß erzielt wird.

Bild 2: Darstellung unterschiedlicher Druckstoß-Abreinigungssysteme

1 Blasrohr mit Bohrung und Venturi-Einlaufdüse

2 Blasrohr mit Bohrung und Einlaufdüse

3 Blasrohr mit idealer Düse und Einlaufdüse

4 Blasrohr mit Coanda-Injektor und Einlaufdüse

Optimierung der Abreinigungssteuerung

Die Abreinigungssteuerung erfolgt heute über Mikroprozessortechnik und Feldbussysteme, z. B. den JetBus Controller®. Neben Steuerung der Membranventile werden die pneumatisch oder elektrisch betätigten Roh- und Reingasklappen angesteuert und Signale von Feldsensoren, z.B. „broken-bag Wächtern“, verarbeitet. Bei Taktung der Druckstöße wird zwischen einer festen Zeitsteuerung und der Differenzdrucksteuerung mit variablen Zykluszeiten unterschieden. Der JetBus Controller® bietet mit der kontinuierlichen Regelung des Tankdrucks des Druckluftspeichers einen weiteren Steuerungsparameter, mit dem eine bedarfsgerechte Abreinigung vorgenommen werden kann. Über die kontinuierliche Anpassung des Abreinigungsdrucks wird der Druckluftbedarf den jeweils vorherrschenden Betriebsbedingungen angepasst. Als Regelgröße der sogenannten vordruckgeregelten Abreinigung dient der Filterdifferenzdruck. Die Betriebsdaten der Entstaubungsanlage werden bei minimalem Druckluftbedarf im gewünschten Betriebspunkt gehalten und es wird eine Vergleichmäßigung des Staubanfalls sowie eine bessere Ausnutzung der Kapazität der Staubaustragsorgane erzielt. Parallel können durch die geringere mechanische Belastung der Filterschläuche die Serviceintervalle der Filteranlage verlängert werden.

Verbesserte Schlauchfiltermedien mit reduziertem Druckverlust

Der Druckverlust von Filtermedium und angelagertem Filterkuchen hat den mit Abstand größten Anteil an den Energiekosten, die zum Betrieb der Filteranlage anfallen. Aktuelle Entwicklungen zielen auf die Reduzierung des Restdruckverlusts Dp0 und die Reduzierung des Druckanstiegs in der ersten Phase der Filtration (Phase mit nichtlinearem Druckanstieg vor Einsetzen der reinen Kuchenfiltration. Das Ergebnis dieser Entwicklungen sind neue Filtermedien, die zwischen Stützgewebe und Rohgasseite Mikrofasern mit einem Titer ≤ 1,5 dtex aufweisen, die so angeordnet sind, dass sich ein minimaler Restdruckverlust sowie in der ersten Filtrationsphase nach der Druckstoßabreinigung ein nahezu linearer Verlauf der Druckverlustkurve einstellt. Untersuchungen nach VDI 3926 Blatt 1 belegen die Vorteile der neuen ProTex Filtermedien gegenüber heute verwendeten Nadelvliesen und Nadelvliesen mit auflaminierter ePTFE-Membran. Deutlich kostenintensivere Filtermedien mit ePTFE-Membran zeigen zwar ebenfalls einen geringen Druckgradienten im Druckverlustverlauf, beginnen jedoch mit einem sehr hohen Restdruckverlust, der auf die sehr geringe Porenweite der Membran und irreversible Staubeinlagerungen in der Membran zurückzuführen ist. Konventionelle Nadelvliese und Mikrofaser–Nadelvliese weisen im Unterschied hierzu geringe Restdruckverluste auf, haben jedoch eine hohe Steigung der Druckverlustkurve direkt nach der Abreinigung, so dass am Ende des Zyklus etwa das Druckniveau der ePTFE-Membran erreicht wird. Validierungsversuche im halbtechnischen Maßstab (Filteranlage mit 10 Schläuchen, D = 160 mm, L = 4000 mm) belegen, dass mit ProTex im Vergleich zu heute marktüblichen Filtermedien (konventionelle Nadelvliese und Nadelvliese mit Mikrofaserbeimischungen) das Differenzdruckniveau halbiert werden kann (Bild 3).

Bild 3: Differenzdrücke zwischen Roh- und Reingasseite, verschiedene Filtermedien, 10-Schlauch-Technikumsanlage

Eine weitere Senkung des Druckverlustes zwischen Roh- und Reingasseite gelingt durch die Optimierung der Zykluszeiten. Da ProTex Filtermedien sehr hohe Feinstaub-Abscheidegrade aufweisen, kann die Zykluszeit - ohne Inkaufnahme eines erhöhten Staubdurchgangs direkt nach der Druckstoßabreinigung - verkürzt werden. Bei einer Verkürzung der Zykluszeit von bisher üblichen 300 s auf 100 s erreicht das ProTex Filtermedium eine Reduktion des mittleren Differenzdruck um den Faktor 4 gegenüber dem bisherigen Stand der Technik.

Senkung der LCC für Prozessfilter: Die neue ProJet mega® Baureihe

Bei der Auslegung von Prozessfiltern ist die Betrachtung der Betriebskosten und demzufolge v.a. der Energiekosten von besonderer Wichtigkeit. Das bei Neuinvestitions- oder upgrade-Entscheidungen von den Betreibern herangezogene Zeitintervall für Kostenvergleiche verschiedener Filterkonzepte beträgt in vielen Fällen 10 Jahre. Bei einer typischen Filtergröße von 1,2 Mio. m3/h i.B.im Abgasstrom übersteigen die Betriebskosten in diesem Bilanzzeitraum bei weitem die Investitionskosten der Filteranlage. Im Lastenheft der Entwicklung der neuen Prozessfilterbaureihe von Intensiv-Filter stand daher die Senkung der Betriebskosten an vorderster Stelle. Ein weiterer Schwerpunkt der Entwicklungsarbeit bestand in der Beherrschung der extrem hohen Varianz bei Prozessfilteranlagen, um den unterschiedlichen prozesstechnischen und baulichen Gegebenheiten Rechnung zu tragen. Zielrichtung des von 2007 bis 2009 durchgeführten Projektes „Standardisierung“ bei Intensiv-Filter war daher die Reduzierung der Teilevielfalt (innere Varianz) bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer maximalen Anzahl möglicher Ausführungen (äußere Varianz). Das Ergebnis ist eine völlig neu entwickelte und baugruppenseitig in 3D CAD ausgeführte modulare Filterbaureihe, der ProJet mega®, dargestellt in Bild  4. Aus einer relativ überschaubaren Anzahl konstruktiver Gundelemente sind alleine für Reihenfilter von 1-12 Filterkammern (mit jeweils 8 Injektorrohren x 8 - 17 Injektoren je Reihe) über 600.000 unterschiedliche Varianten darstellbar. Die Ausführungen reichen vom Einkammerfilter mit 20.000 m3/h i.B. über die Reihenfilter für den mittleren Volumenstrombereich bis zum Doppelfilter mit maximal 12 Metern Schlauchlänge, 64 Filterkammern (x 136 Schläuche) und einem Volumenstrom von 3.000.000  m3/h i.B.. ProJet mega® Filter sind in Schwarzstahl, VA oder in gemischter Ausführung erhältlich. Je nach Anforderungen und Prozessbedingungen werden ProJet mega® Filter in folgenden Grundbauformen der Jet-Pulse Abreinigung ausgeführt: Online, online mit abschließbaren Rein- und Rohgasklappen für online-maintenance, semi-offline (eine Kammer ist kontinuierlich zur Abreinigung durch reingasseitige Strömungsunterbrechung abgetrennt) und offline (wie semi-offline, jedoch zusätzlich automatische rohgasseitige Abschaltung der abzureinigenden Kammer). Die genormten Gehäuseelemente und Wandmodule wurden mittels FEM zur Erreichung einer maximalen Biegesteifigkeit optimiert und sind in Wandstärken von 3, 4 oder 5 mm verfügbar. Die Schweißbaugruppen werden auf automatischen Fertigungseinrichtungen mit Laserrobotern mit hoher Produktivität sowie Genauigkeit vorgefertigt. Die ProJet mega® Baureihe ist sowohl turn-key in Komplettlieferung, als auch als Zeichnungslieferung und in Teillieferung verfügbar (z.B. Filterkopfmodule in Hardware, Gehäuse, Rumpf und komplette Peripherie, d.h. Rohrleitungen, Staubaustrag und Stahlbau in Zeichnungslieferung). Die Referenzliste, der in 2009 erstmals ausgelieferten Baureihe, umfasst bereits zahlreiche Prozessfilter in Europa und Asien, sowohl als Elektrofilter Retrofit, als auch als Neuanlage, incl. turn-key Projekten (Bild 4)

Bild 4: ProJet mega® Schlauchfilter in offline Abreinigung

Bild 4: ProJet mega® Schlauchfilter in offline Abreinigung

Zur signifikanten Senkung der Betriebskosten und damit der LCC verfügt die ProJet mega® Baureihe über folgende Eigenschaften:

  • Verteilung des Rohgases über ein CFD optimiertes Strömungsleitsystem zur Erreichung einer crossflow und top-down Strömung im Rohgasraum und zwischen den Filterschläuchen.
  • Neues Design der Rein- und Rohgasklappen mit robustem pneumatischen Drehantrieb und mit minimiertem Strömungswiderstand (CFD optimiert), Rohgasklappen in wandbündiger Anordnung.
  • Intensiv-Filter Ausführung des Ventilblocks mit integrierter Membran mit besonders großem Hub und durchgestecktem geraden Injektorrohr für kürzeste Strömungswege.
  • Modernste Injektortechnologie, wahlweise mit idealer Düse oder mit dem Intensiv-Filter Coanda Injektor.
  • Alle online und offline Betriebsweisen sind im Standard implementiert, z.B. semi-offline mit Niederdruckabreinigung, minimalem Druckluftbedarf und maximalen Schlauchstandzeiten.
  • Abreinigungssteuerung mittels Intensiv-Filter JetBus Controller® und vordruckgeregelter Steuerung, hierbei wird der Filterdifferenzdruck als Regelgröße über die kontinuierliche Steuerung des Tankdrucks als Stellgröße konstant gehalten und damit der erforderliche Druckluftbedarf auf ein Minimum reduziert. Gleichzeitig wird die Belastung der Filterschläuche minimiert und deren Standzeit erhöht.
  • Filterschläuche „made by Intensiv-Filter“ in verschiedener Ausführung: z.B. ePTFE/Glasfaser Membranmedien oder Mikrofasernadelvliese der ProTex Generation mit weiteren Vorteilen bzgl. Energieeffizienz, z.B. ProTex PI und ProTex m-Aramid für Hochtemperaturanwendungen.

Durch Optimierung der Gehäuseströmung, des Abreinigungssystems und der Filtermedien, ist in der ProJet mega® Baureihe der Einsatz von Filterschlauchlängen bis zu 12 m Länge möglich. Die gegenüber konventioneller Bauformen (druckstoßabgereinigtes Schlauchfilter online, konventionelles Nadelfilzmedium, Schlauchlänge 6 m) mit den beschriebenen Neuerungen der Baureihe ProJet mega® erzielbaren Kostenreduzierungen in der industriellen Entstaubung, sind in Bild 5 für einen beispielhaften Fall zusammengefasst. Hierbei werden, bei gleichen Prozessbedingungen, die Investitionskosten um 20 % (v.a. aufgrund der Erhöhung der Schlauchlänge von 6 m auf 10 m), die Wartungskosten um 20 % (erhöhtes Serviceintervall der Filterschläuche wegen geringerer Belastung) und die Energiekosten um 45 % reduziert (kombinierter Effekt der Reduktion des Filterwiderstandes und des Druckluftbedarfs im semi-offline Betrieb und des geringeren Differenzdrucks bei Verwendung des ProTex PI Filtermediums. Insgesamt können mit der neu entwickelten Filtertechnologie die LCC, über eine Bilanzzeit von 10 Jahren, um 40 % gesenkt werden.

Bild 5: Vergleich der Investitions-, Energie-, Betriebs- und LCC–Kosten ProJet mega® Prozessfilter im Vergleich zu einem Jet-Pulse Filter konventioneller Bauart

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