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•1
Intensiv-Filter GmbH & Co. KG
VDI-WissensforumFeinstaub – Charakterisierung, Minderung und Abscheidung
Praxisberichte zum Einsatz von Oberflächenfiltern01. bis 02. September 2009Theo Schrooten, Dr.-Ing. Gunnar-Marcel Klein, Tim Neuhaus
Intensiv-Filter GmbH & Co. KG
2
Intensiv-Filter GmbH & Co. KG
Voßkuhlstraße 63
42555 Velbert-Langenberg
www.intensiv-filter.com
Theo Schrooten
Leiter Technologie
Phone +49 2052 910-373
Fax +49 2052 910-489
Mobile +49 160 90561470
Email [email protected]
Kontaktadresse
Tim Neuhaus
Leiter Entwicklung
Phone +49 2052 910-442
Fax +49 2052 910-489
Mobile +49 175 4369636
Email [email protected]
Dr. Gunnar-Marcel Klein
Leiter Technik
Phone +49 2052 910-320
Fax +49 2052 910-329
Mobile +49 160 90157114
Email [email protected]
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•2
Inhalt
• Filtermedien
• Filtermaterialien
• Innovative Filtermedien
• Filtertypen
• Injektortechnologie
• Prinzip
• Messungen
• Verbesserung
• Abreinigungssteuerung
• JetBus-Controller ®
• Praxisbeispiele
• Trockensorptionsanlagen
• Anlagen in der Zementindustrie
• Elektrofilterumbau in der Zementindustrie
3VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
• Konstruktive Optimierung der Filterkomponenten
• Energieeffiziente Schlauchfilteranlagen
• Praxisbeispiele
• Elektrofilterumbau in der Zementindustrie
• Equipment für die Lebensmittelindustrie
• Schlussbetrachtung
Filterschläuche Einbausituation mit Stützkorb
Filtermaterialien
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub 4
•3
Einsatztemperaturen verschiedener Filtermaterialien
Ausgangsmaterial Temperaturbeständigkeit [°C]**
Dauer Spitzen
Polypropylen 90 95
Polyacrynitril 115 120
Polyester 150 150
Polyamid, alphatisch 110 115
Polyamid, aromatisch 150 220
Polyphenylensulfid 160 200
Polyimid 160 260
Polythetrafluorethylen* 250 280
Glas mit *PTFE 260 285
** Richtwerte; die Einsatztemperaturen sind abhängig von Staub- und Gaskomponenten
Hinweis auf VDI-Richtlinie 3677 Blatt 1
Filtermaterialien
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub 5
6
Innovative Filtermedien ProTexErgebnisse Technikumsanlage
Druckverlustkurven bei Verwendung unterschiedlicher Filtermedien
(PES Nadelvlies, Technikumsanlage, 10 Schläuche, 160x4000 mm)
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•4
7
Innovative Filtermedien ProTexDaten und Einsatzbereiche
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
Kopffilter Silofilter Rundfilter
Kopffilter Reihenfilter Doppelfilter
CIP-Rundfilter
Bunkerfilter
Filtertypen
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub 8
•5
9
Funktionsweise der Druckstoßabreinigung
Filtrationsphase
Injektortechnologie
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
Abreinigungsphase
Coanda Injektor mit
Einlaufdüse
10
Lochdüse mit
Einlaufdüse
Konzeptvergleich verschiedener Injektorsysteme
Ideale Düse mit
Einlaufdüse
Verbesserung der Injektortechnologie
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•6
Funktionsprinzip Coanda Injektor mit Einlaufdüse
11
Aufbau des Intensiv-Filter Coanda Injektors
Verbesserung der Injektortechnologie
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
12
770
1755
2760
3760
0
4000
z / mm
Piezoresistive Drucksensoren
Messbereich:-50/50 mbar
Messfrequenz:1 ms
t [ms]
0 100 200 300 400
0
10
20
p [hP
a]
0
10
20
0
10
20
0
10
20
Druckverlauf während der Abreinigung (Coanda Injektor, 0,5 MPa)
Verbesserung der Injektortechnologie
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•7
13
pmax [Pa]: Maximaler Überdruck
dp/dt [Pa/s]: Maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit
pD [Pa·s]: Druckstoß
(Flächenintegral unterhalb des positiven Teils des Druckverlaufs)
Auswertung des Impulsverlaufes
∫ ⋅=
2
1
)(
t
t
D dttpp
Verbesserung der Injektortechnologie
t1 t2Zeit t
Dru
ck p
0pD
pmax
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
14
Verbesserung der Injektortechnologie
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•8
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Mit
tler
e R
ein
gas
kon
zen
trat
ion
[mg
/m³]
Sta
ub
emis
sio
n [%
]
Zeit t
Staubemission (PES Nadelvlies, Technikumsanlage, 10 Schläuche, 160x4000 mm): Coanda vs. Nozzle
15
Verbesserung der Injektortechnologie
Staubemissionen Coanda
Staubemissionen Nozzle
Reingaskonzentration
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub 16
Verbesserung der Injektortechnologie
Diskussion der Wirkmechanismen
1. Geringeres mittleres Flächengewicht des
Filterkuches durch effizientere Abreinigung
���� Reduzierung ∆∆∆∆pFK
2. Reduzierung des zur Abreinigung notwendigen
Tankdrucks
���� Reduzierung Druckluftverbrauch
3. Geringere mechanische Belastung des
Filterschlauchs
���� Reduzierung Emissionen
���� Verlängerung Serviceintervall
•9
17
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
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
18
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
Optimierung der Abreinigungssteuerung
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•10
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 CaCO3 (Calciumcarbonat)
• Branntkalk CaO (Calciumoxid)
• Aktivkohle / Aktivkoks auf der Basis verschiedener Kohlen
• Natriumbicarbonat (Neutrec–Verfahren)
• Mischung aus unterschiedlichen Additiven
Praxisbericht, TrockensortionsanlagenPROSORP ®
19VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
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
Praxisbericht, TrockensortionsanlagenPROSORP ®
20VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•11
V = 26.000 m³/h (n. c., f.)Temp. = 120 - 140 °CKlärschlammverbrennungs-anlage
Praxisbericht, TrockensortionsanlagenPROSORP ®
V = 85.000 m³/h (n. c., f.)Temp. = 100 °CNE-Metall-Schmelzofen zur Abscheidung polychlorierter Kohlenwasserstoffe
V = 100.000 m³/h (n. c., f.) Temp. = 140 °CAltholzverbrennungsanlage
Schadstoffreduzierung gemäß der 17. BlmSchV
21VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
Prozessfilter in der Zementherstellung
22
7 Ofen-/ Rohmehl-mühlenfilter
11 Alkali-Bypassfilter
16 Kohlemahlanlagenfilter
18 Klinkerkühlerfilter
26 Zementmühlenfilter
Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•12
Filter zur Entstaubung eines Zementdrehrohrofens und einer Rohmehlmahlanlage
V = 1.000.000 m³/h
Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie
23VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
Umbau von Elektrofilteranlagen (I)
Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie
Das Elektrofilter vor dem Umbau
Die Filteranlage, Stand heute
24VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•13
25VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
Gasvolumenstrom 240.000 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
Abreinigungs-steuerung
C41 JetBus Controller®
Vordruckregelung
Tankdruck 0,25 MPa
Druckverlust < 1.000 Pa
Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie
Umbau von Elektrofilteranlagen (I)
Bypassentstaubungsanlage
Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie
Gasvolumenstrom 130.000 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
Abreinigungs-steuerung
C41 JetBusController®
Vordruckregelung
Tankdruck bis 0,40 MPa
Druckverlust < 1.200 Pa
26VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•14
27
Konstruktive Optimierung der Filterkomponenten
Gekammerte Ausführung mit Unterbrechung des Rohgasstroms während der Abreinigung
offline Betrieb:Roh- und Reingasseitige Absperrorgane
semi-offline Betrieb:Reingasseitige Absperrorgane
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
28
Strömungsoptimierte FilterkomponentenBeispiel Vorabscheider und Rohgaskanal
Konstruktive Optimierung der Filterkomponenten
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•15
29
Diskussion der Wirkmechanismen
1. Geringeres mittleres Flächengewicht des Filterkuches durch
Reduzierung der inneren rohgasseitigen Staubzirkulation
� Reduzierung ∆pFK
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 (∆pFK , ∆p0 , ∆pSI ) aufgrund Kammerabschaltung
Konstruktive Optimierung der Filterkomponenten
6. Reduzierter Gehäusedruckverlust durch strömungsseitige Optimierung
von Filterkomponenten
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
Jet-Pulse Schlauchfilter mit verbesserter Energieeffizienz
30
Energieeffiziente Schlauchfilteranlagen (ProJet mega®)
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
1. Injektortechnologie
2. Konstruktive Optimierung
3. Abreinigungssteuerung
• Schnell schaltende Membranventile (tel = 50 ms)
• Zweistufiger Coanda Injektor oder ideale Düse mit Einlaufdüse (Intensiv-Filter-Nozzle)
• Differenzdruckregelung mit variablen Zykluszeiten, Niederdruckabreinigung
• Voll variable Abreinigungssteuerung mit Vordruckregelung (Option)
• Gekammerte Ausführung für offline Betrieb
• In die Filtersteuerung integrierte schaltbare Roh-
und Reingasklappen
• Strömungsoptimierte Filterkomponenten
•16
31VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
Energieeffiziente Schlauchfilteranlagen (ProJet mega®)
ProJet mega® – Modularer Aufbau (Baugruppenstruktur)
32VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
Energieeffiziente Schlauchfilteranlagen (ProJet mega®)
•17
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub 33
ProJet mega®
Filteranlagen für
Volumenströme von
20 Tsd. m³/h - 2 Mio. m³/h
Energieeffiziente Schlauchfilteranlagen (ProJet mega®)
34VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
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 20.000 m3/h – 2.000.000 m3/h abdeckt.
• Der Hauptanteil des Energiebedarfs resultiert aus dem reversiblen
Druckverlust des Filterkuchens.
Energieeffiziente Schlauchfilteranlagen (ProJet mega®)
•18
Entstaubung eines Zementdrehrohrofens und einer Rohmehlmahlanlage
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub 35
Energieeffiziente Schlauchfilteranlagen (ProJet mega®)
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub 36
Die Filteranlage, Stand heute
Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie
Umbau von Elektrofilteranlagen (II)
Das Elektrofilter vor dem Umbau
•19
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub 37
Gasvolumenstrom 550.000 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
Abreinigungs-steuerung
C41 JetBus Controller®
Vordruckregelung
Tankdruck 0,2 – 0,3 MPa
Druckverlust < 1.000 Pa
Umbau von Elektrofilteranlagen (II)
Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie
38VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie
Umbau von Elektrofilteranlagen (II)
Das eingesetzte Schlauchpaket
•20
39
• 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
Vorteile
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
Umbau von Elektrofilteranlagen
Praxisbericht, Schlauchfilter in der Zementindustrie
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
Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie
40VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•21
Historie der CIP-Filtertechnik
Rundfilter
mit tangentialem Einlass
bis 2001
Rundfilter mit radialem Einlass, strömungs- und sicherheitstechnisch optimiert, 2008
Rundfilter
mit radialem Einlass
bis 2007
Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie
41VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
Sprühturmtrockneranlage und Intensiv-Filter mit CIP-Einrichtung
Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie
42VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•22
Definition „Explosion“
Eine Explosion ist eine Oxidations- oder Zerfallsreaktion mit plötzlichem Anstieg der Temperatur, des Druckes oder beider gleichzeitig (DIN EN 1127-1:1997). 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
43Lit.: BIA-Report 12/97
Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
Explosionsschutz, druckstoßfeste Bauweise mit Explosionsunterdrückung
1 Löschmittelsperre
2 Löschmittelbehälter
3 Drucksensor
• 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
Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie
44VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•23
1 Reingasbereich, keine Explosionsausbreitung (Staubkonzentration unter Explosionsgrenze)
2 Berstscheiben
3 Druck- und Flammenausbreitung (Sicherheitsbereich vor Druckentlastungs-einrichtung)
4 Druck- und Flammenausbreitung
• 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
Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie
Explosionsschutz, druckstoßfeste Bauweise mit Druckentlastung
45VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
CIP-Einrichtung
Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie
Waschvorgang Trocknungsphase
Trocknungsluft
vom Turm
46VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•24
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
Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie
47VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
Ergebnisse der Strömungsuntersuchungen
• symmetrische Umströmung des Prallbleches
• sehr gleichmäßige Verteilung innerhalb des Schlauchpakets
• gleichförmige Einströmung in die Filtermedien
• gleichmäßige Aufströmung in den Filterschläuchen
Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie
48VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•25
Rundfilter für 150.000 m³/h
Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie
Gasvolumenstrom 150.000 m³/h i. B.
Staubkonzentra-tion, Rohgas
20 g/m³
Staubkonzentra-
tion, Reingas
< 10 mg/m³ i.N., tr.
Filterfläche 1.290 m²
49VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
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
Praxisbericht, Schlauchfilter mit CIP-Technologie
50VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
•26
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.
51
Praxisbericht, Schlussbetrachtung
VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub
www.intensiv-filter.com
52VDI-Wissensforum 2009, Feinstaub