Einsatz eines Gewebefilters für die Sorption

Einsatz eines Gewebefilters für die Sorption

– Auf was sollte man achten? Erfahrungen und Lösungen –

Rüdiger Margraf

1. Einleitung ...649

2. Chemisorption und Adsorption am Beispiel der konditionierten Trockensorption ...650

2.1. Vorbemerkung ...650

2.2. Verfahrensbeschreibung der konditionierten Trockensorption ...651

2.3. Chemisorption saurer Schadgaskomponenten ...653

2.4. Adsorption von Dioxinen/Furanen und Quecksilber ...656

3. Beachtenswerte Aspekte bei Einsatz filternder Abscheider bei Einsatz für die Sorption ...657

3.1. Genereller Aufbau eines filternden Abscheiders ...657

3.2. Verfahrenstechnische Anforderungen an einen filternden Abscheider bei Einsatz für Sorptionsaufgaben ...658

3.2.1. Homogene Partikelschicht auf den Filterschläuchen ...658

3.2.2. Sicherstellung eines niedrigen Restpartikelgehaltes im Reingas ...661

3.3. Beachtenswerte konstruktive Aspekte bei Einplanung von filternden Abscheidern für Sorptionsanlagen ...662

3.3.1. Anlagenverfügbarkeit ...662

3.3.2. Vermeidung von Korrosionen ...664

4. Wertung ...664

5. Literaturverzeichnis ...665

1. Einleitung

Quasitrockene und konditioniert trockene Sorptionsverfahren unter Verwendung von Ca-basierten Additiven sowie die Trockensorption bei Einsatz von NaHCO₃ haben in den letzten Jahren für das Anwendungsgebiet Verbrennungsanlagen zunehmend an Bedeutung gewonnen. So wurde der überwiegende Anteil der Neuanlagen für Ab- fall- und EBS-Verbrennungen in Deutschland in dem Zeitraum beginnend mit dem

Deponierungsverbot im Jahr 2005 bis heute mit einer dieser Verfahrenstechniken ausgerüstet. Dieser Trend setzt sich bei den Neuplanungen für WtE-Anlagen in Europa und anderen Teilen der Welt fort.

Durch kontinuierliche Weiterentwicklungen haben diese Verfahren ihre Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und nicht zuletzt auch ihre Wirtschaftlichkeit gegenüber anderen auf dem Markt verfügbaren Technologien unter Beweis gestellt. Gerade auch in den letzten Jahren waren technische Optimierungsschritte notwendig, um mit den wach- senden Anforderungen, hervorgerufen durch höhere Schadstofffrachten und durch die Forderung nach niedrigeren Emissionswerten Schritt halten zu können. Ein weiterer Aspekt als Antrieb für Verfahrens-optimierungen ist der ständige Zwang, die Wettbe- werbsfähigkeit der Anlagen zu steigern. Es gilt sinkende Erlöse für die Abfallannahme durch Optimierung der Betriebskosten zu kompensieren.

Ein zentrales Bauteil der vorgenannten Sorptionsverfahren ist der filternde Abscheider.

Als wesentliche Aufgaben dieses Aggregates sind zu nennen:

• Weitestgehende Abscheidung der im Gas befindlichen Partikel und partikelförmigen Schwermetalle.

• Chemisorption und Adsorption gasförmiger Verunreinigungen in der auf den Filterschläuchen aufgebauten Partikelschicht, die zumindest zum Teil

aus Additivpartikeln besteht.

Nachfolgend werden die Aufgaben des filternden Abscheiders im Sorptionsprozess am Beispiel der konditionierten Trockensorption erläutert. Auf wichtige Aspekte bei Auslegung und Konstruktion des filternden Abscheiders wird eingegangen. Die Aussa- gen lassen sich großteils auch auf den Einsatz von filternden Abscheidern bei anderen Sorptionsverfahren übertragen.

2. Chemisorption und Adsorption

am Beispiel der konditionierten Trockensorption

2.1. Vorbemerkung

Filternde Abscheider können generell nur Partikel aus einem Gas abscheiden. Zur Ab- scheidung gasförmiger Stoffe müssen diese Stoffe durch eine Reaktion mit zugegebenen Additiven in die Partikelform überführt werden (Chemisorption) oder an die innere Oberfläche geeigneter Additive angelagert werden (Adsorption).

Als Beispiel sind zu nennen:

• Chemisorption von sauren Schadgaskomponenten wie HF, HCl und SO_x durch Zugabe von Additiven auf Basis Ca- oder Na-Verbindungen.

• Adsorption von Dioxinen, Furanen sowie Quecksilber (Hg) und Hg-Verbindungen durch Zugabe von Additiven mit großer innerer Oberfläche, wie z.B. Aktivkoks, Aktivkohle oder spezielle Tonmineralien.

Die Abscheidung gasförmiger Schadstoffe stellt besondere Anforderungen an die Ausführungsform filternder Abscheider sowie Kenntnisse über die maßgeblichen Ab- scheidemechanismen zur Erzielung hoher Abscheidegrade bei gleichzeitig niedrigem Additivmittelverbrauchs.

2.2. Verfahrensbeschreibung der konditionierten Trockensorption

Dieses seit Jahren in den Abfallverbrennungsanlagen zur Einhaltung der Emissions- grenzwerte, z.B. entsprechend 17. BImSchV eingeführte und bewährte Verfahren ist schematisch in Bild 1 dargestellt. Es besteht im Wesentlichen aus den Bauteilen Verdampfungskühler, Additivzugabe, Reaktor, filternder Abscheider sowie Partikel- rezirkulation mit integrierter Partikelkonditionierung.

Dosierschnecke

Doppelwellenmischer H₂0

Reingas

Reaktor Verdampfungs-

kühler

Ca(OH)₂ Aktiv- koks Additiv Additiv Druckluft Rohgas

H₂0

Filter

Der Verdampfungskühler (Gaskonditionierung) hat die Aufgabe, die Reaktionstempe- ratur optimal einzustellen, verbunden mit einer Anhebung der absoluten und relativen Feuchte zur Optimierung der Abscheideeffizienz und der Additivmittelausnutzung. Die Schadgassorption und Abscheidung aller relevanten, nicht im Bereich des Kessels und der Verbrennung reduzierten Schadstoffe erfolgt in der Reaktor-Filterkombination mit Ca(OH)₂-Zugabe und vielfacher Partikelrückführung einschließlich Konditionierung des Rezirkulates.

Bild 1: Chemisorption Gas- und Partikelkonditionierung

Als Aufgaben des Reaktors sind zu nennen,

• Schaffung guter Reaktionsbedingungen durch hohe Additivpartikeldichte

• Verbesserung insbesondere der SO₂-Abscheidung durch Anfeuchtung des Rezirkulates vor Zugabe in den Reaktor

• Weitere, wenn auch geringe Absenkung der Gastemperatur durch die über die Rezirkulatpartikel eingebrachte Feuchte.

Sämtliche Reaktionsprodukte werden in dem filternden Abscheider vom Gasstrom getrennt. Auch erfolgt insbesondere in der auf dem Filtermaterial angelagerten Parti- kelschicht eine weitere Abscheidung der gasförmigen Schadstoffe.

Ergänzende Informationen zu dieser Verfahrenstechnik finden sich u.a. in [1].

Die Leistungsfähigkeit des vor beschriebenen Verfahrens demonstriert die bei der MHKW Ludwigshafen ausgeführte Anlage (Bild 2). Weitere Einzelheiten zu der Anlage sind in [2] beschrieben.

5.000

HCI-, SO₂-Rohgas und SO₂-Reingas mg/m³ i.N.tr.

4.500 4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 0 -1.000 500 -500

-2.000 -1.500

-3.000 -2.500

-4.000 -3.500

-5.000

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 25.05.2006

14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 26.05.2006 -4.500

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 SO₂ nach Kessel

HCI nach Kessel

HCI Kamin SO₂ Kamin

Stöchiometrie

Stöchiometrie

HCI Kamin SO₂ nach Kessel HCI nach Kessel

SO₂ Kamin

HCI-Reingas mg/m³ i.N.tr.

Stöchiometrie

Bild 2: Konditionierte Trockensorption im MHKW Ludwigshafen

2.3. Chemisorption saurer Schadgaskomponenten

Bei der Chemisorption reagieren die sauren Schadgase wie HF, HCl und SO₂/SO₃ mit einem basischen Additiv. Für die konditionierten Trockensorption finden Ca-basierte Additive Verwendung. Es entstehen bei der Reaktion Salze, die partikelförmig in einem filternden Abscheider aus dem Gasstrom abgetrennt werden.

Die für die Reaktion innerhalb einer Anlage verfügbare Zeitspanne beträgt im Allge- meinen nur 2 bis 5 Sekunden und entspricht der Aufenthaltszeit der Gase im System beginnend mit der Additivzugabe bis zum Passieren des Filtermaterials. Die davon auf das Durchströmen der auf dem Filtermaterial angelagerten Partikelschicht entfallende anteilige Zeit ist mit etwa 0,5 Sekunden relativ kurz.

z.B. 6 Sekunden

Rohrleitung etwa 1 Sekunde

turbulent turbulent

z.B. 6/gm³

Kugelrotor - Umlenkreaktor und Filter - Rohrgastaum

etwa 4,5 Sekunden

laminar

< 0,5 Sekunden Partikelschicht auf dem Filtermaterial

z.B. 300 g/m³ Kontakt - Bereiche

in der Anlage Kontaktzeit:

Schadgasmolekül

anteilige Kontaktzeiten Strömungszustand

Rohgas Rohgas

Kugelrotor

Austrag Partikelumlauf

Flugasche 3 g/m³ Partikelgehalt 3 g/m³

Additivzugabe 3 g/m³

Bild 3 zeigt schematisch die Kontaktzeit und -chancen zwischen Schadgasmolekül und Additivpartikel. Sicherlich sind die Reaktionsbedingungen im Filterkuchen auf Grund der hohen Partikeldichte am besten. Allerdings müssen folgende Aspekte berücksichtigt werden, die die Abscheideeffizienz in dieser Kontaktzone beeinträchtigen.

• Die Kontaktzeit ist extrem kurz.

• Die Strömung ist laminar.

• Voraussetzung ist eine weitgehend homogene Verteilung der Additivpartikel auf dem Filtermaterial.

Ergänzend ist in Bild 3 der Einfluss der Rezirkulation der im Filter abgeschiedenen Partikel in einem dem Filter vorgeschalteten Reaktor schematisch dargestellt. Die Kontaktchancen erhöhen sich in etwa linear mit dem Rezirkulationsfaktor in dem Zeitfenster von der Zugabe der Rezirkulationspartikel in den Reaktor bis zur Abschei- dung der Partikel auf dem Filtermaterial. Die Kontaktchancen werden weiter verbessert durch eine turbulente Strömung in diesem Anlagenbereich.

Bild 3: Reaktionszeit und Partikeldichte

Die Steigerung der Abscheideeffizienz verbunden mit einer Einsparung an Additiv- mittel bei Einsatz einer Partikelrezirkulation konnte durch Untersuchungen unter zu Hilfenahme einer Demonstrationsanlage nachgewiesen werden (Bild 4) [3]. Bei diesen Untersuchungen wurden bei konstanten Input-Bedingungen in Bezug auf Schadgas- konzentrationen, Gastemperatur, Feuchte im Gas und Additivmittel-Zugabemenge die Partikelrezirkulation variiert. Die Untersuchungen wurden durchgeführt bei in etwa konstantem Filterdifferenzdruck. Dies bedeutet, dass bei geringer Rezirkulationsrate automatisch das Filter mit einem verlängerten Abreinigungszyklus betrieben wurde und damit die durchschnittliche Partikelschicht auf dem Filtermaterial in etwa konstant gehalten wurde.

0 80 90

85 95 100

HCI-Abscheidegrad

%

10 20 30 40 50

Umlauffaktor Untersuchung bei:

- Abgasbedingungen = const.

- i = const.

- ΔPFilter = const.

- Abreinigungszyklus = f {Umfang}

Bild 4:

Einfluss der Partikel-Rückführ- rate auf den Abscheidegrad Die Ergebnisse zeigen, dass eine Verbesserung der Schadgasabscheidung bis zu einer etwa fünzigfachen Rezirkulationsrate erreicht wird. Für die Auslegung einer Sorptions- anlage, die einer Verbrennung von Abfall bzw. EBS nachgeschaltet ist, bedeutet dies, dass bei optimaler Betriebsweise die Partikelkonzentration im Reaktor vor Filter etwa 300 g/m³ i. N. beträgt. Der in dem Prozess integrierte filternde Abscheider muss entsprechend auf diese Partikelkonzentration ausgelegt werden. Die Angabe der Par- tikelkonzentration von 300 g/m³ i. N. basieren auf einer Flugaschekonzentration von 3 g/m³ i. N. und einer Additivzugabe in gleicher Größenordnung (siehe Bild 3).

Der positive Einfluss der Partikelrezirkulation konnte auch an großtechnischen An- lagen nachgewiesen werden. Ein Beispiel ist der Umbau der Gasreinigung bei dem MHKW Rothensee von Sprühsorption ohne Partikelrezirkulation auf Konditionierte Trockensorption mit vielfacher Partikelrückführung.

Bild 5 zeigt die Gasreinigung nach dem Umbau. Der Sprühabsorber wurde als Bauteil beibehalten, fungiert jetzt im Wesentlichen aber als Verdampfungskühler zur Einstel- lung der optimalen Reaktionstemperatur. Eine geringe Menge an Additiv wird zur Absenkung des Säuretaupunktes und für eine gestufte Sorption weiterhin als Suspen- sion eingedüst.

Die Hauptmenge des Additivs wird in Form von Ca(OH)₂ in den Reaktor vor Filter in Abhängigkeit des Schadgas-Inputwertes zugegeben. Das Ca(OH)₂ wird mittels eines Trockenlöschers vor Ort aus CaO erzeugt. Ein wesentlicher Unterschied zu dem vorher eingesetzten Sprühsorptionsverfahren ist die nun installierte vielfache Partikelrezirkulation.

Bild 5:

Gasreinigung im MHKW Rothensee

Bild 6 zeigt die Abscheideeffizienz des Verfahrens an Hand der kontinuierlich gemes- senen Roh- und Reingaskonzentrationen für HCl und SO₂ über einen Zeitraum von 24 Stunden.

Zeit 6:00 8:00

2.000

1.500

1.000

500 Rohgas mg/m³ i.N.tr.

0:00 2:00 4:00 0

2.500

40

30

20

10

0 50 Reingas mg/m³ i.N.tr.

HCI Rohgas SO₂ Rohgas HCI Reingas SO₂ Reingas 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00

Bild 6: Trennkurven MHKW Rothensee

Deutlich erkennbar ist, dass nicht zuletzt durch die vielfache Partikelrezirkulation und die Anfeuchtung des Rezirkulates auch bei HCl- und SO₂-Peaks die Grenzwerte gesichert im Automatikbetrieb eingehalten werden.

Da im ersten Schritt nur 2 der 4 in Betrieb befindlichen Linien umgebaut wurden, bestand die Möglichkeit den Additivmittelverbrauch für die beiden konkurrierend arbeitenden Sorptionsverfahren zu bewerten. In Bild 7 sind die Einsparpotenziale für Additivmittelbeschaffung und Restproduktverwertung bei Betrieb der konditionierten Trockensorption im Vergleich zu der Sprühsorption für etwa einen Monat aufgetragen.

Die Einsparungen sind mit etwa 30 Prozent Minderverbrauch erheblich.

08.10.2012 15.10.2012 22.10.2012 80

100 60 40 20

Reduzierung Kalkverbrauch nach Umbau RRA

%

01.10.2012 0

29.10.2012

08.10.2012 15.10.2012 22.10.2012 80

100 60 40 20

Reduzierung Restproduktanfall nach Umbau RRA

%

01.10.2012 0

29.10.2012 Mittelwert 73 %

Mittelwert 64 %

Auch für die Trockensorption unter Verwendung von NaHCO₃ konnte der positive Effekt bei Betrieb einer Partikelrezirkulation auf die Abscheideeffizienz und den Addi- tivmittelverbrauch nachgewiesen werden [4]. Bei diesem Verfahren wird verständlicher- weise auf den Einsatz eines Anfeuchtmischers für die Rezirkulatanfeuchtung verzichtet.

2.4. Adsorption von Dioxinen/Furanen und Quecksilber

Dioxine/Furane und Hg sowie Hg-Verbindungen werden, sofern sie gasförmig vorlie- gen, aus dem Gasstrom abgeschieden durch Einlagerung der Schadstoffe in Additiven mit großer spezifischer innerer Oberfläche. Die Konzentration dieser Schadstoffe in den Gasen hinter Verbrennungen für Abfall bzw. EBS sind im Vergleich zu den sauren Schadgasen deutlich geringer. Bei Hg beträgt der Faktor etwa 10^-4 bei Dioxinen/Furanen etwa 10^-8. Diese Faktoren gelten in etwa auch für die üblicherweise vorgeschriebenen Reingaskonzentrationen.

Bild 7: Additivmitteleinsparung bei konditionierter Trockensorption gegenüber Sprühsorption

Die vorgenannten Zahlen verdeutlichen, dass insbesondere bei der Abscheidung von Dioxinen/Furanen der Schwerpunkt der Abscheidung im Filterkuchen liegt und damit die Anforderungen an den filternden Abscheider hoch sind.

• Sicherstellung des Kontaktes zwischen Schadgasmolekül und Additivpartikel im Filterkuchen.

• Einhaltung eines niedrigen Restpartikelgehaltes im Reingas im Dauerbetrieb.

Ein niedriger Restpartikelgehalt im Reingas deutlich < 5 mg/m³ i. N. ist bei der Abschei- dung von Dioxinen/Furanen eine Voraussetzung, um den üblicherweise geforderten Reingaswert < 0,1 ng/m³ i. N. gesichert einzuhalten. Bei der Messung von Dioxinen/

Furanen werden nicht nur die Moleküle gemessen, die das Filtermaterial gasförmig passieren, sondern auch diejenigen, die an solchen Partikeln

angelagert sind, welche aufgrund eines erhöhten Restpartikelgehaltes auf die Reingas- seite des Filters gelangen.

3. Beachtenswerte Aspekte bei Einsatz filternder Abscheider bei Einsatz für die Sorption

3.1. Genereller Aufbau eines filternden Abscheiders

Den prinzipiellen Aufbau eines filternden Abscheiders zeigt Bild 8.

Reingasraum

Reingas- raum Lochplatte Lochplatte

Reingas

Reingas Wartungs- bühne

Zuström- haube

Rohgas

Rohgas

Staubsammel- rumpf

Staubsammel- rumpf

Partikelaustrag

Partikelaustrag

Senkrechter Einbau der Filterelemente Waagerechter Einbau der Filterelemente Filter-

elemente Filter- elemente

Bild 8: Schematische Darstellung von filternden Abscheidern mit vertikal und horizontal eingebauten Filterschläuchen

Das Filtergehäuse wird mittels Lochplatten in den Roh- und Reingasbereich unterteilt.

Die Filterelemente bestehen jeweils aus Filterschlauch und Stützkorb und werden von der Reingasseite aus eingeschoben. Im Lochplattenbereich sind sie staubdicht befestigt. Das textile Filtermaterial wird von außen nach innen durchströmt. Partikel werden zurückgehalten. Auf dem Markt gibt es unterschiedliche Bauformen, die sich in Bezug auf Schlauchform und Schlaucheinbau unterscheiden. Nähere Einzelheiten nennt hierzu unter anderem [5].

Für die Abreinigung der Filterelemente wird in der Regel eine Druckluft-Online- Abreinigung eingesetzt. Hierbei wird eine Gruppe von Filterschläuchen entgegen der Filtrierrichtung mittels Druckluft und über Injektoren angesaugtes Sekundärgas aus dem Reingas kurzzeitig von Spülgas beaufschlagt. Die Partikelschicht wird vom Filter- schlauch gelöst und fällt zumindest teilweise in den Filtersammelrumpf.

Alternativ steht auch eine kammerweise offline arbeitende Abreinigung zur Verfügung.

Bei diesem Verfahren wird der Reingasraum des Filtergehäuses in mehrere Kammern unterteilt. Jede Kammer ist absperrbar mit dem Reingas-Sammelkanal verbunden. Zu Beginn der Abreinigung einer Kammer wird die zugehörige Absperrklappe auf der Reingasseite geschlossen. Die Filterschläuche werden bei unterbrochener Filtrierbeauf- schlagung wie vor beschrieben, mittels Druckluft gereinigt. Dieses Abreinigungsver- fahren ist effektiver und bedeutet für die Filterschläuche eine geringere mechanische Beanspruchung. Allerdings gibt es in Bezug auf die Abscheidung gasförmiger Schad- stoffe erhebliche Nachteile wie im Folgenden erläutert wird.

3.2. Verfahrenstechnische Anforderungen an einen filternden Abscheider bei Einsatz für Sorptionsaufgaben

3.2.1. Homogene Partikelschicht auf den Filterschläuchen

Wie unter Abschnitt 2 ausgeführt, ist eine möglichst homogene Partikelschicht auf den Filterschläuchen Voraussetzung für eine effektive Abscheidung gasförmiger Schadstoffe.

Dies soll im Folgenden begründet werden.

Alle im Filter angeordneten Filterschläuche sind parallel angeordnet. Damit ist der Volumenstrom durch das mit Partikeln belegte Filtermaterial nicht zwangsläufig homogen. Filterschläuche mit geringer Partikelschicht und damit auch einem gerin- gen Strömungswiderstand werden gegenüber solchen Schläuchen mit einer dickeren Schicht vom Gas bevorzugt durchströmt. Da bei fehlender Additivmittel-Partikelschicht zwangsläufig die Abscheidung gasförmiger Schadstoffe schlechter ist und solche Schläu- che überproportional von Gas durchströmt werden, führen Inhomogenitäten zu einer reduzierten Abscheideeffizienz.

Einfluss auf die Homogenität der Partikelschicht haben im Wesentlichen die Gas- und Partikelzuströmung zu den Filterelementen sowie die Filterabreinigung.

Gas- und Partikelzuströmung

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Gas- und Partikelzuströmung zu den Filterelemen- ten hat sich der Einsatz von dem Filter vorgeschalteten Zuströmkammern bewährt.

Durch Einbau von Leitblechen lässt sich eine ausreichend homogene Verteilung er- reichen. Die Anordnung der Leitbleche wird bei projektbezogener Konstruktion einer Filteranlage häufig durch eine numerische Strömungssimulation (CFD) unterstützt (Bild 9). Ggf. an dieser Stelle ausfallende Partikel werden über ein Austragsystem der Rezirkulation erneut zugeführt.

U Magnitude

U Magnitude 2,5 5,0 7,5 10,0

12

5

60

20 40

70

0 2,5 5,0 7,5 10,0

12 Ebene 3 Geschwindigkeit in m/s

0

Filterabreinigung

Die von Zeit zu Zeit notwendige Abreinigung der Filterschläuche in Gruppen zur Sicherstellung eines ausreichend niedrigen, konstanten Filter-Differenzdruckes kann zu erheblichen Inhomogenitäten bei Durchströmung der parallel geschalteten Filterschläuche führen. Bild 10 zeigt anschaulich die unterschiedliche Durchströ- mungsgeschwindigkeit einzelner Schläuche während des Filterbetriebes. An einem Demonstrationsfilter mit Druckluft-Online-Abreinigung wurden hierzu einzelne Schläuche mit Pitotrohren zur Messung des dynamischen Druckes im Austrittsbereich der Mundstücke ausgerüstet.

Bild 9: Beispiel einer numerischen Strömungssimulation

Betrachtet man die Kurve für einen Filterschlauch, ergeben sich folgende Zusammen- hänge:

• Anstieg des dynamischen Druckes direkt nach der Abreinigung

• Abfall des dynamischen Druckes mit zunehmendem Partikelaufbau auf dem Schlauch

• Mit Abreinigung der nächsten Schlauchgruppe reduziert sich der dynamische Druck weiter und bleibt auf einem relativ niedrigen Niveau bis zum nächsten Ab- reinigungsvorgang des betrachteten Schlauches.

Die Strömungsgeschwindigkeit schwankt um den Faktor 2, d.h. Geschwindigkeit ist nach der Abreinigung etwa doppelt so hoch wie vor dem nächsten Abreinigungsvorgang für dieselbe Schlauchgruppe.

Bei Filteranlagen mit Partikelrezirkulationen können solche Inhomogenitäten relativ schnell durch Neubelegung der abgereinigten Schläuche mit Rezirkulationspartikeln ausgeglichen werden. Der Abreinigungszyklus ist sicherlich deutlich kürzer, aber die Partikelschicht auf den Schläuchen homogener.

Es ist verständlich, dass die unter 3.1 erwähnte kammerweise Druckluft-Offline- Abreinigung in Bezug auf die Sicherstellung einer homogenen Partikelverteilung erhebliche Nachteile aufweist. Bei diesem Abreinigungsverfahren wird jeweils eine größere Gruppe von Schläuchen gleichzeitig abgereinigt. Zusätzlich ist die Abreini- gung effektiver, d.h. der Filterkuchen wird weitestgehend entfernt. Damit werden die Inhomogenitäten in Bezug auf die Partikelschicht größer und die Abscheideeffizienz gasförmiger Stoffe schlechter. Aus diesem Grund findet die Offline-Abreinigung bei Sorptionsanlagen kaum Anwendung.

1,5 mm

5 mm 2,5 mm

07:55 08:02 08:09 08:16 08:24 08:31 08:38 08:45 08:52 09:00 09:07 0,5

0,3 0,4

0,2 0,1 0

Schlauchqualität 1 Schlauchqualität 2

Schlauchqualität 3 Schlauchqualität 4

Schlauchqualität 5 Schlauchqualität 6 dynamischer Druck

mbar

19.04.2010

Bild 10: Dynamischer Druck als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit für einzelne Filter- schläuche

3.2.2. Sicherstellung eines niedrigen Restpartikelgehaltes im Reingas Eine Vielzahl von Untersuchungen zeigt, dass der überwiegende Teil der Partikel- emissionen während und kurz nach der Druckluftabreinigung der Filterschläuche ent- steht [6]. Bild 11 verdeutlicht dies eindrucksvoll.

Reststaub

% 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0

23.06.2000

08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00

Filterdifferenzdruck Restpartikelgehalt

Die Untersuchungen wurden durchgeführt an einem relativ kleinen Demonstrations- filter. Deutlich erkennbar ist in Bild 11 bei der Messwertaufzeichnung die Korrelation zwischen Abreinigungsimpuls und Emissionswert. Bei der jeweiligen Abreinigung einer Gruppe von Schläuchen sinkt der Differenzdruck (blaue Kurve), Gleichzeitig steigt die Staubemission sprunghaft an (rote Kurve). Nach Schließen des Abreinigungsventils und Beendigung des Abreinigungsvorganges beginnt der Differenzdruck des Gesamtfilters wieder zu steigen. Die Partikelemission sinkt auf Werte bis nahe 0 Prozent der Skala.

Um die Partikelemission zu minimieren, gibt es verschiedene Ansätze

• Verlängerung der Pausenzeit und/oder Reduzierung des Peaks durch Einsatz einer Offline-Abreinigung. Diese Maßnahme ist wie unter 3.2.1 beschrieben bei Sorpti- onsaufgaben nicht sinvoll.

• Verlängerung der Pausenzeit zwischen einzelnen Abreinigungsvorgängen durch Reduzierung der Filterflächenbeaufschlagung. Dies führt zu höheren Investiti- onskosten und kann gleichzeitig die Inhomogenität der Partikelschicht auf den Filterschläuchen erhöhen.

Bild 11: Einfluss des Abreinigungszyklus auf den Restpartikel-Gehalt im Reingas

• Wahl eines Filtermaterials, das den Partikeldurchtritt nach dem Abreinigungsvor- gang minimiert. Dies kann erreicht werden, durch die Verwendung von Feinst- fasern auf der Anströmseite des Filtermaterials oder auch durch den Einsatz von Oberflächenausrüstungen, wie z.B. in Bild 12 dargestellt.

3.3. Beachtenswerte konstruktive Aspekte bei Einplanung von filternden Abscheidern für Sorptionsanlagen

Bei Einsatz von filternden Abscheidern zur Gasreinigung von Abfall-/EBS-Verbren- nungen wird von den Betreibern eine nahezu 100 Prozentige Verfügbarkeit für diese Apparate gefordert. Nachfolgend werden wesentliche Aspekte diskutiert, die zur Si- cherstellung einer hohen Anlagen-Verfügbarkeit zu beachten sind.

Vermeidung von Verstopfungen im Filterbereich

Bei Einsatz von Ca-basierter Additive entstehen als Reaktionsprodukte auch hygrosko- pische Salze in Form von CaCl₂. Zur Vermeidung von Problemen durch Feuchtigkeit im Filter muss die Trockentemperatur des Gases in Abhängigkeit der Gasfeuchte eingestellt werden. Die einzuhaltenden Grenztemperaturen zeigt Bild 13 [7].

Bild 12: Filtermaterial mit und ohne Oberflächenbeschichtung auf der Anströmseite Staubstrom

Nadelfilz Oberflächenvergleich

Nadelfilz ohne Beschichtung Nadelfilz mit Beschichtung

Bild 13: Zustandsdiagramm CaCl₂

Bei Anlagenbetrieb im Temperaturbereich links der rot eingezeichneten Soliduslinie kann es zu Verklebungen der Filterschläuche, verbunden mit einem irreversiblen Differenzdruckanstieg kommen. Auch besteht die Gefahr der Verblockung komplet- ter Filterkammern. Anzustreben ist der Filterbetrieb in dem rechts der Soliduslinie gekennzeichneten blauen Temperaturbereich.

Ergänzend ist generell auf eine Filterkonstruktion zu achten, die Partikelablagerungen konsequent vermeidet.

• Steile Sammelrumpfwände

• Keine Versteifungen im Innenbereich der Filter

• Großzügig dimensionierte Austragsorgane

• Installation von Austragshilfen wie pneumatischen Klopfern

• Konsequente Isolierung des gesamten Filters unter Vermeidung von Kältebrücken

• Beheizung von Bauteilen mit geringer Wärmezufuhr, wie z.B. der Filter-Sammel- rümpfe und des gesamten Austragssystems

Filterausführung in Mehrkammerbauweise

Das Filter sollte in Mehrkammerbauweise ausgeführt werden. Es besteht dann die Möglichkeit, einzelne Kammern ohne Beeinträchtigung des Anlagenbetriebes für Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten abzuschalten. Der n-1-Kammerbetrieb muss bei Festlegung der Filtergröße berücksichtigt werden.

Taupunkttemperatur

°C

Bereich der Bildung von Calciumchloridlösung

bevorzugter Arbeitsbereich 70

65 60 55

45 40

30 25 20

20 30 40 50 60 70 80 90

Trockentemperatur °C

Soliduslinie CaCl₂ * 2H₂O Bereichsgrenze A

Bereichsgrenze B Soliduslinie CaCl₂ * 1H₂O

100 110 120 130 140 150 160 170 35

50

Detektion defekter Filterschläuche

Auch bei sorgfältiger Auslegung und Ausführung eines filternden Abscheiders kann nicht zu 100 Prozent ausgeschlossen werden, dass im Laufe der Betriebszeit vereinzelt Filterschläuche durch Schäden Partikel durchlassen. Gerade bei hohen Partikelbela- dungen auf der Rohgasseite von mehreren 100 g/m³ i. N., wie dies bei der konditio- nierten Trockensorption der Fall ist, können bereits kleine Schlauchschäden schnell zu einem unzulässigen Anstieg des Partikelgehaltes im Reingas führen. Auftretende Schäden müssen vom Bedienpersonal in kürzester Zeit und bereits im Entstehen de- tektiert werden. Hier hat sich die Ausrüstung jeder einzelnen Kammer mit einfachen qualitativen Partikelmesseinrichtungen bewährt.

3.3.2. Vermeidung von Korrosionen

Bei Einsatz von filternden Abscheidern hinter Verbrennungen für Abfall bzw. EBS besteht ein erhebliches Korrosionsrisiko. Insbesondere die Reingaskammern zeigen bei nicht konsequenter Beachtung aller notwendigen Maßnahmen bereits nach einer relativ kurzen Betriebszeit starke Korrosionserscheinungen, die bis zur vollständigen Durchrostung führen können. Als Maßnahmen zur Vermeidung von Korrosionen sind zu nennen:

• Vermeidung von Kältebrücken durch konsequente Ausführung der Isolierung.

Hierzu zählt auch die Entkopplung im Bereich des Stahlbaus. So darf z.B. in keinem Fall das Penthouse oberhalb der Reingasräume auf den Filterkammern abgestützt werden. Ein separater Stahlbau ist zwingend vorzusehen.

• Verwendung von Edelstählen, wo sinnvoll.

• Aufbringen von Sonderanstrichen im gefährdeten Bereich, wie z.B. den Reingas- kammern.

• Beachtung von Säuretaupunkt und Soliduslinie.

Anlässlich des jährlichen Wartungsstillstandes sollte das Filter sorgfältig auf Korrosions- angriffe untersucht werden. Dazu gehört auch, nach Abschaltung des Filters die auf den Wandflächen verbliebenen Partikelschichten zu entfernen, um die darunterliegenden Stahlteile zu prüfen. Gegenmaßnahmen müssen unverzüglich eingeleitet werden, um größere Schäden gesichert auszuschließen.

4. Wertung

Filternde Abscheider sind ein wichtiges Bauteil für die trockenen und konditioniert-/

quasitrockenen Sorptionsverfahren. Im Filter werden letztendlich alle Schadstoffe in Form von Flugasche, Reaktionsprodukten und freien Restadditiven abgeschieden.

Auch erfolgt im Filter zumindest teilweise die Abscheidung gasförmiger Stoffe durch Chemisorption oder Adsorption.

Filternde Abscheider haben sich in Bezug auf die vorgenannten Aufgaben als sehr zuverlässig und effizient bei hoher Verfügbarkeit bewährt. Dies setzt voraus, dass alle verfahrenstechnischen und konstruktiven Aspekte, basierend nicht zuletzt auf den in den letzten Jahren gesammelten Betriebserfahrungen beachtet werden. Hier sind insbesondere zu nennen:

• Berücksichtigung der Auslegungsvorgaben, die aus dem jeweiligen eingesetzten Sorptionsverfahren abzuleiten sind.

• Verfahrenstechnische Einbindung des filternden Abscheiders auch als Aggregat zur Abscheidung gasförmiger Stoffe in den Sorptionsprozess.

• Beachtung der in Kapitel 3 diskutierten verfahrenstechnischen und konstruktiven Vorgaben.

5. Literaturverzeichnis

[1] Löschau, M.; Thomé-Kozmiensky, K. J.: Reinigung von Abgasen aus der Abfallverbrennung;

In: Thomé-Kozmiensky, K.J.; Beckmann M. (Hrsg.): Energie aus Abfall Band 7. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, Januar 2010

[2] Wradatsch, R.: Entwicklung und Betriebserfahrungen mit der konditionierten Trockensorp- tion des MHKW Ludwigshafen; 3. Fachtagung Trockene Abgasreinigung für Festbrennstoff- Feuerung und thermische Prozesstechnik, Haus der Technik Essen, 2007

[3] Margraf, R.: Biomass to Energy – Pollution Control Lessons Learned in Europe; 10th Research Forum on Recycling, PEERS September 15-18, 2013 Green Bay Wisconsin

[4] Margraf, R.: Trockensorption mit Natriumbikarbonat – wirklich ein ganz einfaches Verfah- ren? Untersuchungen an einer MVA in Frankreich; 5. Fachtagung Trockene Abgasreinigung für Festbrennstoff-Feuerung und thermische Prozesstechnik, Haus der Technik Essen, 2009 [5] Margraf, R.: Vom Taschenfilter zum Flachschlauchfilter – Entwicklung, Bauformen, Abschei-

deleistung; Haus der Technik Fachtagung Filteranlagentechnik, Essen 2006

[6] Margraf, R.: Einfluss von Filterkonstruktion, Filterauslegung und Filtermaterialauswahl auf die Partikelabscheidung; Krematorium – Aktualisierung der VDI - Richtlinie 3891, Veranstaltung von VDI KRdL, DBU & BDB, Osnabrück 2011

[7] Margraf, R.: Conditioning rotor-recycle process with particle conditioning – a simple and effec- tive process for the gas cleaning downstream waste incinerators; NAWTEC 18, Orlando/Florida, 2010

Die Deutsche Bibliothek – CIP-Einheitsaufnahme Energie aus Abfall – Band 11

Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann.

– Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2014 ISBN 978-3-944310-06-0

ISBN 978-3-944310-06-0 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky

Copyright: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky Alle Rechte vorbehalten

Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2014

Redaktion und Lektorat: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Dr.-Ing. Stephanie Thiel, M.Sc. Elisabeth Thomé-Kozmiensky

Erfassung und Layout: Ginette Teske, Fabian Thiel, Cordula Müller, Ina Böhme, Janin Burbott

Druck: Mediengruppe Universal Grafische Betriebe München GmbH, München

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