Ermittlung der optimalen Zykluszeit für Schlauchfilteranlagen durch das Filter-Expertensystem "ProExpertise"

Konzepte für energieeffiziente Filteranlagen von morgen
Im Rahmen der Diskussion über Energiekosten bei industriellen Anlagen hat auch die Optimierung von Filteranlagen eine immer größere Bedeutung. Deren Energiebedarf resultiert insbesondere aus dem Energieverbrauch der Motoren, die den Hauptventilator antreiben sowie dem Druckluftverbrauch zur Regenerierung der Filtermedien. Die Minimierung des Energieverbrauchs der Gesamtanlage und damit auch des Filters, ist heute einer der wichtigsten Punkte bei der Entscheidung, welches Equipment eingesetzt wird. Darüber hinaus haben in der Industrie die mit filternden Abscheidern zu entstaubenden Luft-/Gasmengen in den letzten Jahren erheblich zugenommen, was zu wachsenden Filtergrößen und zunehmend längeren Filterschläuchen führt. Hier spielt die installierte Abreinigungstechnologie und die Betriebsart (online oder offline Betrieb) eine Schlüsselrolle. Eine Entscheidungshilfe für Betreiber von Filteranlagen zur Optimierung der Betriebsparameter ist in diesem Zusammenhang eine zweckmäßige Maßnahme.

Ermittlung der optimalen Zykluszeit für Schlauchfilteranlagen durch das Filter-Expertensystem „ProExpertise“
Auf Basis der Grundgleichung der kuchenbildenden Filtration können mit dem Expertensystem die Druckverluste und damit der Ventilator-Energiebedarf vorausberechnet werden. Der optimale Betriebspunkt eines Schlauchfilters basiert unter anderem auf den geometrischen Parametern des Filters. Hierzu zählen z. B. die Filterfläche, die Schlauchlänge, die Gestaltung der Roh- und Reingaskammern und der Steuerklappen. Ein weiteres Kriterium sind die Prozessparameter wie z. B. der Volumenstrom, die Rohgaskonzentration, die Temperatur, usw.

Durch Versuche im Labormaßstab nach Richtlinie VDI 3926 sowie in einer halbtechnischen Filteranlage wurden die zur Datenermittlung benötigten Filtermedien- und Filterkuchenwiderstände für unterschiedliche Staubarten und Filtermedien empirisch bestimmt. Bei den Stäuben handelte es sich um:

• Pural Sb (Al2O3) Staub: filtrationskritischer Staub, der nicht agglomeriert und mit hoher Tendenz in und durch die Filtermedien dringt
• Drehrohrofen/Rohmehlmühlenstaub: entnommen aus dem Produktstrom in einem Zementwerk, Rohmehlmühlen-Entstaubung (ohne Vorabscheider)
• Zement, 5900 Blaine

In der Versuchsanlage im Technikumsmaßstab (10 Schläuche von 4 m Länge) wurde der Restdruckverlust bestimmt (entspricht dem Widerstand der Filtermedien direkt nach der Jet-Pulse Abreinigung). Der Restdruckverlust ist auch eine Funktion der aufgebrachten Regenerierungsenergie, d.h. eine Funktion des Abreinigungsdrucks (von 0,1 bis 0,5 MPa). Des Weiteren wurden die Ergebnisse durch Betriebsdaten realer Anlagen validiert.

Alle Filtermedien wurden einem definierten Alterungsprozess unterzogen, um quasi stationäre Prüfbedingungen zu gewährleisten. Folgende Filtermedien waren im Einsatz:

• Standard Polyester (PES) Nadelfilz als Referenz
• ePTFE-Membran auf einem Glasgewebe laminiert
• ProTex® PES: eine spezielle Mikrofaser-Nadelvlies Qualität (mit reduziertem Differenzdruck)
• ProTex® m-Ar: eine spezielle meta-Aramid (Nomex) Mikrofaser-Nadelvlies Qualität (mit reduziertem Differenzdruck)
• ProTex® PI, eine spezielle Polyimid (P84) Mikrofaser-Nadelvlies Qualität (mit reduziertem Differenzdruck)

Prozessparameter sowie die geometrischen Daten der verschiedenen modularen Intensiv-Filter-Systeme können in der Datenbank direkt eingegeben werden. Auch die herstellerunabhängige Abschätzung und Berechnung von Schlauchfiltern ist möglich, wenn bestimmte geometrische Daten bekannt sind. Die Ergebnisse der Berechnungen mit „ProExpertise“ werden tabellarisch und grafisch dargestellt.
Abbildung 2 zeigt beispielhaft die Betriebskosten für eine Ofen-/Rohmehlmühlen-Entstaubung. Bei sehr kurzen Zykluszeiten ist der Verbrauch an Druckluft der vorherrschende Faktor und führt zu steigenden Betriebskosten. Nach dem Durchschreiten eines Minimalwertes (optimaler Betriebspunkt) steigen die Betriebskosten weiter an. Dieser Austrag ist auf den erhöhten Kuchenwiderstand und dem damit verbundenen erhöhten Stromverbrauch des Hauptventilators zurückzuführen. Niedrige Werte des Anlagendruckverlustes zeigen in der Tendenz niedrigere Betriebskosten aufgrund der geringeren Bedeutung der Druckluftkosten gegenüber den Kosten für die Motorleistung des Ventilators. Dies ergibt einen optimalen Arbeitspunkt bei relativ kurzen Zykluszeiten.

Bei hohen Rohgasstaubgehalten verschiebt sich der optimale Betriebspunkt weiter zu sehr kurzen Zykluszeiten, da der Energiebedarf durch den hohen Widerstand des schnell wachsenden Filterkuchens bestimmt wird. Das Bild verändert sich völlig, wenn wenig Staub abgeschieden werden muss. Der Betriebspunkt der Filteranlage mit der maximalen Energieeffizienz verschiebt sich bei sehr geringen Rohgasstaubbeladungen (z. B. <= 20 g/m³) zu längeren Zykluszeiten der Abreinigung.

Eine weitere Anwendung des Filter-Expertensystems besteht im Vergleich verschiedener Filtergrößen. Hier können Filter mit unterschiedlich langen Schläuchen und mit unterschiedlicher Schlauchanzahl hinsichtlich Energiebedarf und Betriebskosten analysiert werden. Des Weiteren beinhaltet das Filter-Expertensystem die Variationsmöglichkeit hinsichtlich des eingesetzten Filtermediums. So lässt sich z.B. die Energieeinsparung durch Einsatz von Filterschläuchen der ProTex®-Generation im Vergleich zu Standard-Filterschläuchen berechnen. Gleichzeitig wird der für die jeweilige Konfiguration notwendige Druckluftbedarf zur Jet-Pulse-Abreinigung berechnet. Damit kann "ProExpertise" den aus energetischer Sicht optimalen Anlagenbetriebspunkt, das heißt Zykluszeit und Abreinigungsdruck vorausberechnen. Der Anlagenbetreiber kann auch entscheiden, ob eine geplante Erhöhung der Anlagenleistung, d. h. eine Erhöhung der Filterbelastung mit der bestehenden Filteranlage sinnvoll durchgeführt werden kann oder ob upgrade Maßnahmen erforderlich werden. Die Basisdaten von "ProExpertise" werden kontinuierlich durch weitere Staub- und Produkt-, Filtermedien- und Betriebsdaten erweitert. Eine nächste Ausbaustufe wird auch die Kosten für Abschreibung, den Service und Ersatzteilbedarf, wie Schläuche und Einbauteile, enthalten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass "ProExpertise" ein Werkzeug für den Ingenieur ist, das durch Eingabe der wesentlichen Geometrie- und Betriebsparameter des Schlauchfilters die Betriebskosten für bestehende Anlagen und Neuanlagen mit hoher Genauigkeit voraussagbar sind. Durch Einstellung optimaler Betriebsparameter und gegebenenfalls durch upgrade Maßnahmen auf energieeffiziente Filtermedien können die Betriebskosten für die Entstaubung und die Produktabscheidung erheblich gesenkt werden