Grundlagen der Staubabscheidung Einfluss der ... · Grundlagen der Staubabscheidung Schwerkraft- /...

Grundlagen der Staubabscheidung

Grundlagen der Staubabscheidung Einfluss der Partikeleigenschaften

Ruedi FreyVon Roll Umwelttechnik AG, Zü[email protected]

FGT / Har / 04.07.2005 2R:\SG-FGT\Schulung\TPL-Schulung\Systeme\Elektrofilter_Har


Inhalt Übersicht, Grundlagen• Entstehung der Stäube• (Schwerkraft / Fliehkraft-Abscheider)• Elektrostatische Abscheider• Filtrierende Abscheider• (Nassabscheider)Vergleichende Betrachtung

Elektrostatische Abscheider• Einfluss der Partikeleigenschaften und der Gaszusammensetzung • Aufbau / Dimensionierung• Normalbetrieb, An-/Abfahrbetrieb, Staubaustrag

Filtrierende Abscheider• Einfluss der Partikeleigenschaften und der Gaszusammensetzung• Aufbau / Dimensionierung• Normalbetrieb, An-/Abfahrbetrieb, Bypass, Staubaustrag



Bildung von Stäuben bei Verbrennungs-prozessen

Wann wird Asche zu Flugasche (primärer Staub)?

Geschwindigkeit Partikel / Gas

Kondensierende Stoffe / Aerosole (sekundärer Staub)

Beispiel NH4Cl



Bildung von Stäuben bei Verbrennungs-prozessen: Primäre Staubbildung I

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 0.5 1 1.5 2

Partikel- Durchmesser [mm]

Sink

gesc

hwin

digk

eit [

m/s

]

Einzelpartikel

Agglomerat(Volumenkonzentration =0.1)

Agglomerat(Volumenkonzentration =0)

RG-Geschwindigkeit NBKGeschwindigkeitsbe-reich RG-Austritt aus Müllbett



Bildung von Stäuben bei Verbrennungs-prozessen: Primäre Staubbildung II

0

1

2

3

4

5

6

7

0 500 1000 1500 2000

Primärluft Hauptverbrennungszone [m3

i.N./ h / m2]

Stau

b [g

/m3 i.N

.]

Buchs

Moerdijk

Bonn



Bildung von Stäuben bei Verbrennungs-prozessen: Sekundäre Staubbildung

Beispiel:Bildung von NH4Clin Abhängigkeit der Temperatur



Schwerkraft- / Fliehkraft - Abscheider

• Staubpartikel werden aufgrund der Fliehkraft abgeschieden

• Abscheidegrad abhängig von Beschleunigung (Geometrie, Geschwindigkeit Druckverlust), Partikeldichte, Partikelgrösse; empfindlich auf Lastschwankungen

• „Trennschärfe“: kaum Abscheidung von sehr kleinen Partikeln, Reingas-Staubgehalte < 50 mg/m3

N kaum realisierbar

• Einfach, robust, temperaturunempfindlich

Schematische Darstellung aus:

LOHRENGEL, 2004



Elektrostatische Abscheider I• Staubpartikel werden durch Sprüh-

elektrode negativ aufgeladen und im elektrischen Feld zur Niederschlags-elektrode transportiert

• Abreinigung der Elektroden durch Klopfen (oder Wasser/Schwerkraft beim Nass-E-Abscheider)

• Abscheidegrad abhängig von Geometrie des Abscheider und der Wanderungsgeschwindigkeit der Partikel im elektrostatischen Feld

• Reingas-Staubgehalte < 20 mg/m3N

realisierbar• Geringer Druckverlust, weitgehend

temperaturunempfindlichSchematische Darstellung Fa. ELEX



Elektrostatische Abscheider II

w – Wert (Wandergeschwindigkeit)

η = −−

⋅⋅1 e

w Lv d

Abscheidegrad nach "Deutsch":

Legende:η = Abscheidgrad [%]w = Wandergeschwindigkeit [m/s]L = Feldlänge [m]v = Gasgeschwindigkeit [m/s]d = Gassenbreite [m]



Filtrierende Abscheider I

• Staubpartikel werden durch Massenkräfte(Trägheitskraft beim umströmen von Fasern resp. im Kuchen), Stosskräfte oder elektrostatische Kräfte (Reibung Partikel / Faser) auf dem Filter abgeschieden

• Ziel: Filtration im Staubkuchen, nicht direkt im Filtermedium

• Optimal: Schutz des Filtermediums durch pre-coating


realisierbar• Filtermedium bestimmt

Temperaturbereich• Druckverlust unumgänglich



Filtrierende Abscheider II

• Üblich: hängend angeordnete Filterschläuche mit Stützkörben

• Abreinigung durch Druckluftstoss entgegen der Strömungsrichtung ohne Unterbrechung der Filtration (pulse-jet „on-line“) Druckverlust = „Sägezahn-Kurve“

Filtration

Pulse-jet



Nassabscheider (Venturi)

• Staubpartikel werden durch hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Wassertropfen und Partikel eingebunden

• Energieeintrag über Wasserphase (Umwälzung der Waschflüssigkeit) und Gasphase (Druckverlust)


realisierbar• System relativ aufwendig (Pumpen,

Rohrleitungen, Waschturm, Abwasserbehandlung)

Waschflüssigkeit

Reingas

Wasserstrahl

Rauchgas mit Feinstäuben undAerosolen



Vergleichende Betrachtung I: Abscheidegrade



Vergleichende Betrachtung II

Abscheider Abscheide-Leistung

Vorteile Nachteile

Zyklon Un-genügend

Einfach, Robust Abscheidegrad, Lastabhängigkeit

Elektrostat. Abscheider

gut GeringerDruckverlust, rel. robust

Abscheideleistungbetriebsabhängig

Gewebefilter Sehr gut Ad-/Absorptionen an Additiven zusätzlichmöglich

TemperaturbereichDruckverlust

Nass-abscheider

gut Mit Absorptions-Reaktionenkombinierbar

Komplexität, Druckverlust



Elektrostatische Abscheider: Auslegungskriterien

Wanderungsgeschwindigkeit (als Mittelwert) ist abhängig von:• Staubwiderstand ( Betriebstemperatur, Zusammensetzung des

Partikels, Taupunkt des Gases)• Güte der Gasverteilung• Maximal erreichbare Feldstärke ( Gaszusammensetzung,

Konstruktion des Abscheiders, Regelung)

Gesamtabscheidung ist daneben weiter abhängig von:• Dimensionierung des Abscheiders (Länge, Abstand Elektroden)• Anzahl (unabhängig regulierbarer) Felder• Rücksprüheffekte, Rück-Aufwirbelung von der Niederschlagselektrode

oder vom Staubaustrag

η= −−

⋅⋅1 e

w Lv d



Elektrostatische Abscheider: Einfluss der Temperatur und der Gasfeuchte

20 Vol% H2O

5 Vol% H2O

10 Vol% H2O



Typische Kennzahlen Elektrostatische AbscheiderAspekt Einheit Bereich Typischer Wert

(Flugasche-MVA)

Strömungsgeschwindigkeit m/s 1 - 4 2

Abstand Sprüh-/ Niederschlagselektrode

mm 100 - 500 150

Feldlänge m 1 - 5 5 (x 2 oder 3)

Wanderungsgeschwindigkeit cm/s 2 - 20 10



Aufbau elektrostatischer Abscheider

Bild: ELEX AG,CH-Schwerzenbach

Elemente:• Platten- oder

Röhrenabscheider• Gaseintritts/Austrittshaube,

Lochblech oder Gitter zurHomogenisierung derStrömung

• Klopfung der Elektroden• Bunker mit Heizung• Staubaustrag• Hochspannungs-

Versorgung, Isolatoren



Beispiel Bauart ELEX

Niederschlagselektroden

2

3

1

1 Niederschlagsplatten2 Niederschlagsplatten -Aufhängung3 Klopfstange

9 5 4

8

3

1

2

7

6

10

Sprühelektroden

1 Tragisolator2 Getriebemotor3 RS-Elektroden



Beispiel Bauart ELEX

• NS-Klopferei4

1

2

3

1 Klopfhammer2 Loslager3 Klopfstange4 NS-Platte



Beispiel: HVC Alkmaar L4 (NL)

• Montage Unterstützung und Bunker



Beispiel HVC Alkmaar L4 (NL)• Montage Seitenwände



Beispiel HVC Alkmaar L4 (NL)• Gasverteilung

Eintrittshaube



Betriebsweise Elektrostatische Abscheider

Normalbetrieb:• HS-Aggregat: automatisch geregelt, möglichst knapp unter

Ueberschlagspannung• Elektroden regelmässig geklopft zwecks Abreinigung der

Staubschicht• Bunker leer, ev. Füllstandsüberwachung / Klopfung; Austrag

Staub möglichst gasdicht (Falschluft, Rückaufwirbelung Staub)

Anfahren:• Bunker ( indirekt gesamtes Gehäuse) elektrisch beheizt zur

Vermeidung von Kondensation• Einschaltung HS-Aggregat wenn Taupunkt sicher überschritten



Gewebefilter: AuslegungskriterienFilterflächenbelastung ( Volumenstrom pro Filterfläche) : • Tiefer Wert = gute Reingas-Staubgehalte, längere Pausen zwischen

Abreinigungszyklen ( Standzeit Filterschläuche), Reserve bei Lastspitzen und grossen Staubbeladungen

• Übliche Grössenordnung für Gewebefilter mit pulse-jet Abreinigung: 0,6 … 2 m/min (= Bm3/m2 min; Bereich Abgasreinigung MVA‘s: 0,8 … 1,0)

Differenzdruck ( Bandbreite Filtration / Abreinigung) :• Ziel: Oberflächen / Kuchenfiltration; Kuchendicke einige mm • Uebliche Grössenordnung 10 … 20 mbar (Bereich Abgasreinigung

MVA‘s: 14)Filtermedium ( Materialwahl)• Temperatur (nominal / maximal)• Ev. chemische und mechanische Beständigkeit • (Reingas-Staubgehalte)



Fasermaterial Abk Markenname (Beispiele)

Temperatur [°C] ChemischeBeständigkeit

Preis (rel.)

nom max

Poly-propylen PPMeraklon, Hostalen 90 100 sehr gut 1

Polyacrylnitril PAN Dralon, Orlon 125 140 gut 1

Polyester PEDiolen, Trevira 150 160 mässig 1

Polyphenyl-sulfid PPS Ryton, Tedur 180 200

gut (NOx ein-geschränkt) 2

Glas 220 250befriedigend(nicht HF) 4

Polyimid PI P84 240 280 sehr gut 4Polytetrafluor-ethylen PTFE

Teflon, Rastex, Gore 260 280 sehr gut 6

Gewebefilter: Filtermedien



Gewebefilter: FiltermedienÜblich: Nadelfilze, ev. mit Stützgewebe

Schläuche, 6 m lang, d = 150 mmStützkorb 2 oder 3-teilig

Anströmung



Alternative FiltermedienKeramikfaser - Kerzen:Vorteile: Temperaturbeständigkeit

katalytische Beschichtungmöglich

Nachteile: starr, Länge begrenzt

Sinter-Metalle oder Sinter-Keramik

Metallgewebe



Gewebefilter: Einfluss der PartikeleigenschaftenStaubemissionen: • Sehr feine Partikel verursachen indirekt höhere Emissionen, da

Staubkuchen kompakter häufigere Abreinigung „nackte Oberfläche nach Abreinigung Gefahr der Durchstaubung

• „klebrige“ Stäube (Russ) können denselben Effekt haben Adhäsion / Kohäsion der Partikel:• Mittlere Adhäsion am Filtermedium und Kohäsion zwischen den

Partikeln ist gewünscht; zu tiefe: kein Kuchenaufbau; zu hohe: Differenzdruckanstieg, ev. Brückenbildung / Austragsprobleme

• Beeinflussung durch pre-coaten und/oder kontinuierliche AdditivzugabeStandzeit Filtermedium• Funkenflug / Glimmbrände• Verbackungen durch Taupunktunterschreitungen ( hohe Cl-Gehalte)• Kondensation aus der Gasphase



Aufbau Gewebefilterkammer

Elemente Einzelkammer:• Deckel für Inspektion /

Wartung• Ev. Penthouse• Druckluft-Tank mit Ventilen• Abreinigungslanzen mit

Düsen der Löchern• Reingasraum, Kopfplatte• Filterschläuche mit

Stützkörben• Rohgasraum mit Bunker und

elektrischer Heizung



Aufbau Gewebefilter

System-Komponenten• Ev. mehrere Kammern• Rohgaskanal / Reingaskanal• Ev. Eintritts-/Austrittsklappen• Ev. Bypass (intern oder

extern)• Ev. Externe Umluft-Heizung• EMSR-Ausrüstung, ev.

Steuerschrank• Staubaustrag



Konstruktive Merkmale Gewebefilter

Rohgaseintritt – Anströmung der FilterschläucheAbstand und Anordnung der Schläuche

Steilheit der FiltertrichterDichtheit des StaubaustragesDichtungssystem Klappen (speziell Bypass-Klappe)



Betriebsweise Gewebefilter

Normalbetrieb:• Abreinigung über Differenzdruckmessung gesteuert (in

Verbindung mit Volumenstrom-Korrektur)• Staubaustrag kontinuierlich, keine Depots im Trichter• Bypass als Anlagenschutz (Temperatur hoch/tief resp. Druck

hoch/tief)

Anfahren:• Beheizung über Trichter und ev. Umluftheizung (bis ca. 120°C)• Anfahren Feuerung über Bypass• Ev. Pre-coating (z.B. mit Trassmehl)• Taupunkt-Unterschreitung unbedingt vermeiden !



Zusammenfassung

• Die Auslegung von Staubabscheidern basiert vorwiegend auf Erfahrungswerten, da Staubeigenschaften je nach Brennstoff, Feuerungsanlage und Betriebsart variieren

• Sowohl mit elektrostatischen wie auch mit filtrierenden Abscheidern können Staubemissionen auf < 20 mg/m3

N begrenzt werden

• Eine Minimierung des Staubaustrages aus dem Feuerraum ist zwar „quantitativ erwünscht“, bringt jedoch bezüglich Abscheidung der Feinsstäube keine Vorteile

• Dem kontinuierlichen Austrag des abgeschiedenen Staubes ist gebührend Beachtung zu schenken

• Die Adhäsionskräfte zwischen zwei Staubpartikeln werden durch Feuchtigkeit um Zehnerpotenzen erhöht … Taupunkt-Unterschreitungen müssen vermieden oder mindestens minimiert werden



„Staub wird oft als nicht schön empfunden,da stets mit viel Dreck verbunden“

www.bgglaskeramik.de/staub-info

Danke für Ihre Aufmerksamkeit !

Grundlagen der Staubabscheidung Einfluss der ... · Grundlagen der Staubabscheidung Schwerkraft- /...

Documents

Transcript of Grundlagen der Staubabscheidung Einfluss der ... · Grundlagen der Staubabscheidung Schwerkraft- /...