RW Umwelt und Filtertechnik
RW Umwelt und Filtertechnik

Grundlagen der Filtertechnik

Filtermedienherstellung

 

1. Methode: Vernadeln 

 

Die Nadelmaschine besteht aus einem Nadelbrett, welches sich in schnellen Hüben vertikal bewegt, wobei die Nadeln in der unteren Vertikalbewegung in einen Nadelrost einstechen. Das Faservlies wird horizontal zwischen einem Niederhalter und dem Nadelrost in einer definierten Geschwindigkeit durchgezogen. Widerhaken an den Nadeln bringen die Fasern von der Vliesoberfläche durch dieses hindurch, was eine vertikale Verfilzung der Fasern innerhalb des Faservlieses erzeugt.

2. Methode: Wasserstrahlverfestigen

 

die Fasern (nicht als einzelne Faser, sondern in Form von sehr 
dünnen Vliesen) gelangen durch dünne Wasserstrahlen 
mit 300 – 400 bar in das Stützgewebe. 

 

Vorteile: 
es entstehen keine Nadelgassen 
höhere Abscheideleistung bei
höherem Luftdurchlass möglich
       
Für jedes Material gilt folgendes:
Die Faserzwischenräume sind zwingend erforderlich um die Luftdurchlässigkeit zu ermöglichen.
  
Definition Abscheideleistung: 
Menge des Staubes, die vom Filtermedium zurückgehalten wird im Vergleich zur Staubmenge, die aufgegeben wird.
  
Das Produktionsverfahren hat keinen Einfluss auf die physikalischen oder chemischen Eigenschaften.

Abscheidemechanismen

 

Siebeffekt 
Die Partikel sind größer als die Zwischenräume des Filters und können daher nicht in das Filtermedium eindringen. Es handelt sich hierbei um Großpartikel.
 
Trägheitseffekt
Aufgrund ihrer Trägheit können die Partikel der Strömung nicht folgen und sie treffen auf das Filtermaterial, an dem das Medium tangential vorbeiströmt. Es handelt sich hierbei um mittelgroße Partikel.
 
Diffusionseffekt
Aufgrund der Brownschen Molekularbewegung schwankt die Partikelbahn statistisch um die Stromlinie auf der sich das Partikel bewegt, wodurch es zum Kontakt der Partikel mit dem Filtermaterial kommen kann. Es handelt sich hierbei um Feinstpartikel. (wenige hundert Nanometer)

 

Sperreffekt
Im aufgebauten Filterkuchen kommt es zum sogenannten Sperreffekt. 
Der Partikel kann aufgrund seiner geometrischen Ausdehnung 
das Filtermaterial nicht passieren und wird abgeschieden.

1 Meter in 1000 Teile geteilt = 1 Millimeter
1 Millimeter in 1000 Teile geteilt =

1 Mikrometer oder ein µm ,Mü‘ 
1 µm in 1000 Teile geteilt = 1 nm (Nanometer)
 
Partikel von 40 bis 50 µm sind mit dem bloßen Auge zu erkennen (kleinere nicht)
in der Filtration ist ein Millimeter ein „Backstein“
in jedem Raum befinden sich Millionen von Staubpartikeln
 
Feinstaub
Partikel die kleiner als ca. 2-3 µm sind können nur bedingt von den Schleimhäuten im Nasen- und Rachenraum bzw. den Nasenhärchen zurückgehalten werden. Partikel dieser Größe lagern sich vorwiegend in den tieferen Atemwegen (Lunge) ab. Zu diesen so genannten lungengängigen Partikeln gehören Schadstoffe wie Bakterien und Pilzsporen, Industriestäube, feiner Abrieb sowie Ruß. 


Diese Partikel sind besonders gesundheitsschädlich, weil sie Entzündungen in der Lunge auslösen können und auch toxische Stoffe transportieren. Feinstaub gilt als Ursache für Atemwegserkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Asthma. Auch eine krebserregende Wirkung wird ihm zugeschrieben. 

Filteranlage

Die Aufgabe einer Filteranlage besteht darin, Staubpartikel aus den Rohgasen abzuscheiden. Die Staubpartikel lagern sich hierbei vornehmlich außen am Filtermaterial an und bilden einen sogenannten Filterkuchen, der dann selbst als hocheffizienter Abscheider wirkt. Aufgrund des Filterkuchens erhöht sich der Differenzdruck in der Filteranlage und damit der Energieverbrauch kontinuierlich, wodurch eine regelmäßige Regenerierung notwendig ist.

 

Die Regenerierungsintervalle liegen je nach Staubkonzentration zwischen wenigen Sekunden über Minuten bis hin zu einigen Stunden. Diese erfolgt meist durch einen entgegen der Strömungsrichtung eingebrachten Druckluftimpuls bzw. Luftstrom, der für einen Abwurf des Filterkuchens sorgt. 

Abreinigungmechanismen

Bei der mechanischen Trennung von Staubpartikel und Gas am Filterelement entsteht durch die wachsende Staubschicht an der Oberfläche des Filterelementes ein Differenzdruck (Filterwiderstand). Um die Überschreitung eines bestimmten Differenzdruckes (normalerweise zwischen 1.500 Pa – 2.000 Pa) zu vermeiden, müssen die Filterelemente periodisch gereinigt werden.

 

Die Art der Abreinigung ist neben der Form und Anordnung der Filtermedien das zentrale Konstruktionsmerkmal eines Filters. Als Abreinigungsmechanismen kommen die mechanische Bewegung des Filtermediums (Rütteln), die Umkehrung der Gasströmung (Spülluft), die Impulsübertragung auf den Filterkuchen (Druckluft) und die Kombinationen aus diesen Mechanismen zum Einsatz.

Staubkuchen
Der Luftdurchlass nimmt durch die

Staubschicht (Filterkuchen) ab.  
Die Staubpartikel werden an der Oberfläche

abgeschieden (aufgehalten wie durch ein Sieb). 


Der Staubkuchen bildet ggf. die tatsächlich filtrierende Schicht, damit Submikronenpartikel nicht durch das Filtermaterial gelangen (der Kuchen darf jedoch nicht zu dick werden).
 
Daraus resultiert ein klassischer Optimierungseffekt (bezogen auf die Abreinigungshäufigkeit), da weder zu häufig noch zu selten gereinigt werden darf. Der Filterkuchen (auch Hilfsfilterschicht genannt) darf auch nicht komplett abgereinigt werden, das würde zum so genannten „Overcleaning“ führen.

 

Luftdurchlässigkeit 
Es strömt ein Liter Luft durch ein Quadratdezimeter Filterfläche in einer Minute. 

L/dm² (Quadratdezimeter) min = bei einer Druckdifferenz von 200 Pascal (Konstante) 

 

Angabe bei neuem Filtermaterial:
LDL : 260l/dm²/min@200Pa (bei 2 mbar)

Der angegebene Wert gilt für das unbenutzte, trockene Filtermaterial, sobald das Filtermaterial mit Staub beaufschlagt wird, ändert sich dieser ,Anfangswert‘ sofort. 

Precoating (Schutzschicht)
Wird eingesetzt bei Problemen mit feuchten, öligen und klebrigen Stäuben.
Precoating kann die Leistung von textilen und plissierten Filterelementen erhöhen und schützt das Filterelement durch seine Beschaffenheit als Filterschutzschicht.

Das Precoating Pulver wird nach der Installation neuer Filterelemente in die Filteranlage eingebracht und bildet auf der Oberfläche der neuen Filterelemente eine Filterhilfsschicht. Diese erste Filterhilfsschicht verhindert das Eindringen von Staubpartikeln in das Filtermedium und beugt so einer Verstopfung oder Verbackung mit dem Filtermedium effektiv vor. 

 

Empfohlene Dosierung:
250 g/m² Filterfläche bei Filterschläuchen/Filtertaschen
150 g/m² Filterfläche bei plissierten Filterpatronen/Filterplatten

 

Coating-Verfahren (Kontinuierliche Additiv Aufgabe)

Mit konventionellen Filterelementen werden diese Prozessnebenprodukte nicht effizient genug bzw. nicht unter wirtschaftlichen Kriterien entfernt, da
sehr feine (<1 µm) und klebrige Partikelemissionen die Filtermedien verstopfen und somit in starkem Maße die Standzeiten der Filter verringern oder keine ausreichende Abscheidung von gasförmigen Kohlenwasserstoffemissionen erfolgt.

 

Zur Lösung dieses Problems werden mit dem sogenannten Coating-Verfahren die Filterelemente kontinuierlich zu jedem Filtrationszyklus mit einem Hilfsstoff (Additiv) beaufschlagt. An dieser Additivschicht werden die Partikelemissionen nahezu vollständig abgeschieden (>99,95%) und (je nach Zusammensetzung) gleichzeitig die gasförmigen Emissionen adsorbiert.

 

Der sich ausbildende Filterkuchen wird in regelmäßigen Intervallen durch die Druckstoßabreinigung abgelöst. Anschließend wird die regenerierte Filteroberfläche wieder mit frischem Precoatingmittel beaufschlagt, so dass Verstopfungen des Filtermaterials weitgehend unterdrückt und lange Standzeiten der Filterelemente erzielt werden. 

Filterschicht-Technik

Bei der Filterschicht-Technik wird Herdofenkoks (HOK) oder Aktivkohle in unterschiedlichen Anteilen mit Kalkhydrat in den Abgasstrom eingedüst oder mit Kalkmilch (Calciumlauge als wässrige Lösung) im Sprühabsorber (wenn vorhanden) dem Abgasstrom zugeführt.

Im nachgeschalteten Gewebefilter bildet sich eine Filterschicht aus Staub, Gips und Kohlen-Staub. An dieser Filterschicht werden neben Sauerkomponenten
Auch Quecksilber (Hg) und Dioxine/Furane abgeschieden.


Der am Gewebefilter abgeschiedene Staub können teilweise wieder dem Rohgas zugegeben werden (Rezirkulat). Der ausgeschleuste Staub kann thermisch behandelt oder deponiert werden.

 

Bei mittleren Rohgaskonzentrationen und geringen Spitzenbelastungen erfüllt die Filterschicht-Technik die Grenzwerte der 17. BImSchV. 

Abgasreinigunsverfahren

 

Adsorption

Die Adsorption findet ihre technische Anwendung insbesondere bei Trennprozessen.

Bei der adsorptiven Trennung von Gasgemischen beruht die Trennwirkung auf :

unterschiedliche Adsorptionsfähigkeit

unterschiedliche Adsorptionskinetik

 

Da die Adsorption ein Mechanismus der Oberflächen ist, haben i. allg. nur Feststoffe mit großer innerer Oberfläche eine für technische Belange ausreichende Adsorptionskapazität. Man verwendet Adsorben, deren Gefüge von vielen kanalförmigen Hohlräumen durchsetzt sind, so dass eine im Vergleich zur äußeren Oberfläche sehr große innere Oberfläche resultiert. Darüber hinaus muss das Adsorbens die benötigte mechanische Stabilität aufweisen.

Absorption

Als Absorptionsmittel wird wegen seiner geringen Kosten meistens Wasser bevorzugt.

 

Reicht die Absorptionsfähigkeit von Wasser nicht aus, muss die Absorption durch chemische Zusätze ergänzt werden. 

Insbesondere wasserlösliche Verunreinigungen werden aus dem Gas sehr gut herausgelöst.

 

Durch die Absorption von Substanzen aus dem Gas wird die Waschflüssigkeit evtl. verunreinigt. Oft handelt es sich bei den aufgenommenen Stoffen um saure oder basische Chemikalien, wie z. B. Chlorwasserstoff (HCL), Stickoxide oder Ammoniak.

 

Absorber können als Sprühdüsenwäscher, Wirbelstromnassabscheider oder Venturiewäscher aufgebaut sein und erreichen hohe Absorptionsgrade.

 

Eine Sonderstellung nimmt die Rauchgasentschwefelung ein. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Methode zur Entfernung von Schwefeldioxid (SO2) aus Abgasen durch Calciumhydroxid als Absorptionsmittel.

 

Dadurch entsteht REA-Gips welcher in der Bauindustrie ein beliebter Rohstoff ist.

Filterflächenbelastung (FFB)

 

FFB = V (Volumenstrom) : A (Area) (gesamte Fläche)

FFB = 1,67 m³/m²/min -> 1,67 m/min

 

Aussage darüber, mit welcher Geschwindigkeit die Luft durch das Filtermedium gelangt.

 

-273,15 Grad = absoluter Nullpunkt

0 Grad = 273 K(elvin) 

 

Das Volumen ändert sich abhängig von der Temperatur.

  

T1 : V1 = T2 : V2

 

T1 = Normtemperatur = 273 Kelvin

T2 = Betriebstemperatur (z.B. 180°C)

 

V1 = Nm3 = Normkubikmeter

V2 = Bm3 = Betriebskubikmeter

V2 = 1,66 m3

 

Bedeutung des Ergebnisses

Bei Erhitzung eines Kubikmeters Luft auf 180 Grad nimmt die Luft 1,66 Kubikmeter ein.

Druckdifferenz  = Druckabfall (Delta P)

  

Druckdifferenz: p1 – p2 = Delta P (P = Druck)

 

Messung p1 Rohgasseite (vor den Filterelementen)

Messung p2 Reingasseite (nach den Filterelementen)

  

Einheiten, in denen Druck angegeben wird:

 

Einheit: 1 bar = 1 kg/cm2

Einheit: 10.000 mm WS = 1 bar

Einheit: 1 Pascal = 1 Newton/m2

1 bar = 100.000 Pascal

1 mbar = 1 hPa (Hekto-Pascal)

1 mbar = 10 mm WS

 

Bedeutung der Druckdifferenz

je größer der Widerstand, desto höher der Energieaufwand

(und die Kosten)

sehr hohes Delta P verursacht technische Probleme, da Anlagen nur einen bestimmten Unterdruck bzw. eine bestimmte Pressung erzeugen können.

 

Wenn der Druckdifferenz bei 2.500 Pa liegt und der Ventilator 2.500 Pa Pressung erzeugt liegt die Absaugleistung bei 0.

Strömungsgeschwindkeit 

Bei staubförmigen Luftverunreinigungen ist anzustreben,

die Luftleitungen so zu bemessen, dass in allen Leitungsteilen

gleiche Strömungsgeschwindigkeiten vorhanden

und sie strömungsgünstig gestaltet sind.

 

Staubförmige Luftverunreinigungen lagern sich im Allgemeinen

nicht in Leitungsteilen ab, wenn die Strömungsgeschwindigkeit

je nach Dichte des Staubes über 18 m/s liegt.

 

Luftleitungen strömungstechnisch günstig gestaltet

sie kurz, geradlinig und innen glatt sind,

Richtungsänderungen durch Krümmer über große Radien

und stetig erfolgen, z.B. durch mehrere Segmentstücke,

bei gegebenenfalls erforderlichen scharfkantigen Richtungsänderungen Leitbleche eingefügt werden,

Querschnittserweiterungen an Leitungseinmündungen

übergangslose Querschnittsänderungen vermieden sind,

Einzelleitungen in Richtung des Luftstromes unter möglichst

spitzem Winkel in Sammelleitungen einmünden.

 

Flexible Faltrohre sind strömungstechnisch besonders ungünstig.

Strömungsgeschwindigkeit messen

 

Prandtl'sches Staurohr (Messungen auf der Rohgasseite)

Das Prandtl'sches Staurohr ist ein strömungstechnisches Messinstrument zur Bestimmung des Staudrucks. Es stellt eine Kombination aus Pitorohr und statischer Drucksonde dar.

 

Das Prandtlrohr hat eine Öffnung in Strömungsrichtung zur Messung des Gesamtdruckes und ringförmige, seitliche Bohrungen für die statische Druckmessung. Die Differenz dieser beiden Drücke dem dynamischen Druck (Staudruck).

 

Der Staudruck kann durch ein Manometer direkt bestimmt werden, alternativ lässt sich über den Staudruck auch die Geschwindigkeit der die Sonde umströmenden Luft errechnen. 

Flügelrad-Anemometer (Messungen auf der Reingasseite)

Die hindurchströmende Luft bewegt das Flügelrad der steil angestellten Flügelblätter. Der größere Auftrieb der Flügel gleicht lediglich den Strömungswiderstand und die Reibung aus. Für einen niedrigen Anlaufwiderstand ist das Rad sehr leicht gebaut und die Achse dünn; ein umgebender zylindrischer Ring dient dem mechanischen Schutz.

 

Die zu messende Geschwindigkeit der Strömung wird elektronisch aus der Winkelgeschwindigkeit des Flügelrades errechnet.

Hygrometer / Thermometer (einfach, aber ungenauer)

Diese elektrische Sensoren sind unter Anderem Impedanz-Sensoren, hier ist es die elektrische Leitfähigkeit die sich ändert, bei Kapazitiven Sensoren wirkt die Feuchtigkeit auf das Dielektrikum und ändert so die Kapazität des Sensors. Die zu messende Luftfeuchte bzw. Temperatur wird elektronisch

aus einem voreingestellten Messbereich, z. B. ein 0 bis 10 V Signal angezeigt.

Volumenstrom

Gibt die Menge an Luft pro Zeiteinheit an.

 

Laminare Strömung (gleichmäßig, glatt)

Die laminare Strömung ist eine Bewegung bei der keine Verwirbelungen auftreten.

 

Turbulente Strömung (drehen, verwirbeln)

Die turbulente Strömung ist eine Bewegung, bei der zufällige Verwirbelungen in allen Größen auftreten.

 

Der Volumenstrom kann nicht direkt gemesen werden, dafür muss die Strömungsgeschwindigkeit gemessen und der Rohrdurchmesser ermittelt werden.

 

Der Volumenstrom wird dann wie folgt errechnet :

 

pi / 4 x d² 
 

Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit gilt eine Messstelle direkt nach oder vor einem Bogen/Abzweig bzw. sonst einer Größenänderung entlang der Rohrführung als ungeeignet.

 

Die hier auftretenen Verwirbelungen machen eine exakte Messung nahezu unmöglich.

 

Bei einem Abstand des drei bis vierfachen des Rohrdurchmesser geht man im allgemeinen davon aus, dass sich die Strömung einigermaßen beruhigt hat und annähernd einer laminaren Strömung gleich kommt.

 

Um Messfehler weitgehend zu kompensieren, sollten zudem mehrere Messwerte (z.B. 10 Messwerte) aufgenommen und der Mittelwert gebildet werden.

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