Charakterisierung des Emissionsverhaltens von Schlauchfiltern im Hinblick auf Optimierungsstrategien für Feinstaub und Energieverbrauch

IGF-Nr. 17827 N

Das Emissionsniveau einer 9-Schlauch-Technikumsfilteranlage wurde für ein breites Parameterfeld von Einflussgrößen (Tankdruck, Zykluslänge, Ventilöffnungszeit, Abreinigungsfolge, Medienalter, Staubart) zeitaufgelöst und größenaufgelöst gemessen. Das Emissionsniveau wurde auf zweierlei Arten betrachtet: als Gesamtemission pro Zyklus (mg pro m²); mittlere Staubkonzentration pro Zyklus (mg/^m3). Anhand dieser Messgrößen konnten das Emissionsverhalten der Gesamtanlage gut beschrieben und erklärt werden.

Generell nimmt die Emission pro Zyklus mit dem Medienalter ab, sowie die Länge der (∆p-gesteuerten) Zyklen. Der Zusammenhang mit der Abreinigungsintensität ist genau umgekehrt. Daraus ergibt sich für eine gegebene Kombination Staubart-Filtermedium und eine fixe Rohgaskonzentration ein optimales Betriebsfenster, wo die emittierte Konzentration minimal wird. Dieses Minimum wird dann erreicht, wenn die Abreinigungsintensität so gering wie möglich, die Zyklusdauer aber so lange wie möglich gewählt wird, und zwar so, dass gerade noch ein stabiler Betrieb erzielt wird. Die Abreinigungsintensität hängt neben dem Tankdruck auch von der Auslegung des Abreinigungssystems und der Abreinigungsfolge der Schläuche ab; die Dauer der Zyklen vor allem vom maximal zulässigen Anlagendruck vor einer Abreinigung. Auf jeden Fall muss die Anlage im ∆p-gesteuerten Betrieb gefahren werden.

Zur Beurteilung des Emissionsniveaus einer Abreinigungsfilter-Anlage, das heißt der kombinierten Emissionen von Schläuchen und Leckage, müssen wichtige Betriebsparameter mit einbezogen werden. Mit anderen Worten, das Emissionsnniveau einer Schlauchfilteranlage ist durch den Einbau der Schläuche allein nicht ein für allemal festgelegt. Identische Filteranlagen erzielen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen unterschiedliche Emissionswerte. Die hierfür wichtigsten Faktoren sind die Staubkonzentration im Rohgas, C_roh, und die Filterflächenbelastung v. Aus der elementaren Filterbeziehung ∆p(t) ~ C_roh ·v²·t folgt automatisch, dass mit steigender Rohgaskonzentration bzw. Anströmgeschwindigkeit die Zyklen entsprechend kürzer werden. Somit ist (bei gleichem Maximaldruck vor der Abreinigung) die medienbedingte effektive Reingaskonzentration C_rein proportional zu C_roh ·v². Wenn also unsere Filteranlage bei c_roh = 10 g/m³ ein Emissionsniveau von rund 0.2 mg/m³ liefert, dann läge dieses Niveau bei einer 100-mal höheren Rohgaskonzentration bei 20 mg/m³, auch wenn die Filter gleich gut arbeiten. Es ist somit im Allgemeinen sinnlos, von einem Filterwirkungsgrad analog zu Tiefenfiltern zu sprechen.

Es wurde ein Messverfahren auf Basis eines optischen Partikelzählers entwickelt, welches (unter gewissen Bedingungen) erlaubt, die Emissionen der Schläuche von der Leckage zu unterscheiden. Als (zunächst unerwartetes) Nebenergebnis wurde festgestellt, dass das Emissionsniveau (ausgedrückt als Konzentration) extrem empfindlich auf geringste Leckagen in der Anlage reagiert. Daher wurde das Projekt erweitert und dieser Einfluss ebenfalls systematisch untersucht anhand von definierten Lecks im Schlauch bzw. Kopfplatte und als Funktion der o.g. Betriebsparameter. Das von der Leckage verursachte kontinuierliche Emissionsniveau  reagiert aber anders auf Änderungen der Betriebsbedingungen c_roh, und v,  als der Staubdurchtritt durch das Filter selber. Unter der Voraussetzung, dass sich das absolute Druckniveau der Anlage nicht wesentlich ändert, ist die leckagebedingte Reingaskonzentration C_rein  proportional zu  C_roh / v. Die äquivalente Leckfläche ist somit umgekehrt proportional zu Filterflächenbelastung v, aber unabhängig von C_roh.

Zwecks Vorhersage des Emissionsverhaltens bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen bzw. des besseren Vergleichs zwischen unterschiedlichen Filteranlagen wurde ein entsprechendes Modell entwickelt. Es berücksichtigt sowohl die transienten Emissionen der Schläuche als auch die quasi-stationäre Emission von Lecks in Abhängigkeit von Rohgaskonzentration und Filterflächenbelastung.

Mit konventionellen Nadelfilzen lassen sich sehr wohl niedrige Grenzwerte erreichen, wenn diese Erkenntnisse entsprechend berücksichtigt werden. Voraussetzung ist allerdings eine weitestgehend leckfreie Filteranlage, eine Bedingung, die in der industriellen Praxis nur selten erfüllt wird.

 

Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 01/14 bis 12/16 am Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik, Lehrstuhl Gas-Partikel-Systeme (Straße am Forum 8, 76131 Karlsruhe) unter der Leitung von Prof. Dr. G. Kasper (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. G. Kasper).

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