10 Jahre EMC-Filtertechnologie

1 Das Patent EMC

Durch die Summe der Vorteile im Vergleich zu anderen Systemen gilt die EMC-Filtertechnologie als Maßstab. Sie vereint die Vorteile von Online- und Offline-Abreinigung. Mit ähnlichen Lösungen, z.B. Semi-Offline, wird versucht, EMC zu kopieren, jedoch werden gleichwertige Resultate nicht erreicht.

Die Offline-Abreinigung bietet zwar gegenüber der Online-Abreinigung zwei wesentliche Vorteile: einen deutlich geringeren Filterdifferenzdruck sowie höhere Standzeiten der Filterschläuche aufgrund der schonenderen Abreinigung im strömungslosen Zustand. Als Nachteil ergeben sich jedoch starke Schwankungen des Filterdifferenzdruckes durch das Öffnen und Schließen der Absperrorgane für die Kammern bzw. bei sogenannter Semi-Offline-Abreinigung für die einzelnen Module, da die aktive Filterfläche ständig variiert. .

Bei der Online-Betriebsweise hingegen ist der Filterdifferenzdruck aufgrund einer kostanten Filterfläche stabil, wenn auch auf höherem Niveau. Da bei Prozessfiltern die Einhaltung eines konstanten Filterdifferenzdruckes wichtige Voraussetzung für vor- und nachgeschaltete Prozesse sowie für die Produktqualität ist, können Offline- wie auch Semi-Offline-Filter nicht bzw. nur eingeschränkt eingesetzt werden.

Die EMC-Filtertechnologie jedoch vereint die Vorteile von Online und Offline. Einzig mit ihr ist es möglich, durch die patentierte, gegengleiche Steuerung der Absperrorgane einzelner Module die Druckschwankungen im Filter so zu minimieren, um die bekannten Vorteile der Offline-Abreinigung zu nutzen. Ausschlaggebendes Kriterium ist dabei nicht der Speicherdruck im Drucklufttank, sondern vielmehr der am Filterschlauch einwirkende Überdruck während des Abreinigungsvorganges. Dies ist das reale, herausstechende Differenzierungsmerkmal gegenüber anderen in der Zementindustrie eingesetzten, sogenannten Niederdruck-Abreinigungssystemen. (Bild 2)

2 Der richtige Auslegungspunkt

Je genauer und umfassender die Grundparameter, wie der zu reinigende Volumenstrom (abhängig prozessbedingt oder von Gegebenheiten der Absaugung), Gaszusammensetzung und -temperatur, Staubbeladung, Filterflächenbelastung, Differenz­druck sowie Abscheidegrad bzw. einzuhaltender Reingasstaubgehalt bereits bei Planungsbeginn definiert werden, umso einfacher ist es, die Filteranlage richtig auszulegen.

Zur punktgenauen Auslegung der Filteranlage steht Scheuch ein fein abgestuftes Baukastensystem zur Verfügung. Durch den zusätzlichen Einsatz der sog. Finite Elemente Methode (FEM) lassen sich weitere Optimierungen von Anfang an unter Berücksichtigung der kundenspezifischen Anforderungen erzielen. Daraus resultieren u.a. die richtige Dimensionierung bei optimaler Ausnutzung der Konstruktion, der statische Nachweis und letztlich reduzierte Gewichts- und Fertigungskosten. (Bild 3)

3 Der optimale Betriebspunkt

Der richtige Auslegungspunkt ist nur die „eine Seite der Medaille“. Die laufende Anpassung an den optimalen Betriebspunkt in Abhängigkeit der vorgeschalteten Prozesse und der Blick auf die zu erwartenden Betriebskosten während der gesamten Lebensdauer ist die „andere Seite der Medaille“. Dem kann nur ein Filtersystem gerecht werden, das mit flexiblen Eigenschaften den variablen Betriebsweisen folgen kann. Und über eine Steuerung verfügt, die automatisch Kontrolle und Anpassung an den optimalen Betriebspunkt vornimmt.

Speziell für die Abreinigungssteuerung von Prozessfiltern wurde von Scheuch das Steuergerät EMC-PulseMaster entwickelt. Durch die Integration von Sensoren im Filter werden laufend prozessspezifische Werte – wie Temperatur, Gasvolumenstrom, Druck – zur Einstellung des optimalen Filter-Betriebspunktes erfasst. Über vier verschiedene Modi ist die EMC-PulseMaster-Steuerung in der Lage, selbst bei schwankenden Betriebsbedingungen den minimal erforderlichen Abreinigungsdruck automatisch einzustellen.

Zu den bekannten Abreinigungsprogrammen „Zeitabhängig“ bzw. “Zeit- und Differenzdruckabhängig“ gibt es zusätzlich die Programme „Volumenstrom und Differenzdruckabhängig“ sowie „Abreinigungsdruck und Differenzdruckabhängig“. Letzteres Programm regelt in Abhängigkeit des Druckverlustes des Filterschlauches automatisch den Abreinigungsdruck und die Abreinigungsfrequenz. Ein optimaler Filterdifferenzdruck bei schonender Filterschlauchabreinigung erhöht somit wesentlich die Schlauchstandzeiten.

Durch die patentierte Scheuch-Druckanpassung der Abreinigung an den jeweiligen Betriebspunkt der Filteranlage wird auch der Druckluftverbrauch sehr stark reduziert. In Abhängigkeit von verschiedenen Parametern passt die PulseMaster-Steuerung die Abreinigung auf die größtmögliche Effizienz an. Dadurch kann auch bei stark schwankenden Betriebsbedingungen der Druckluftverbrauch zusätzlich um mehr als 50 % gesenkt werden. Es wird nur so viel abgereinigt wie unbedingt erforderlich ist, und nicht mehr. Über die integrierte Druckluftverbrauchsmessung sind zusätzliche Optimierungen möglich. Auch können damit beispielsweise defekte, geöffnete Abreinigungsventile sofort erkannt werden. (Bild 4)

4 Niedrige Lebenszykluskosten

Um als Gesamtvorteil „niedrige Lebenszykluskosten“ erzielen zu können, bedarf es neben der bestmöglichen Erfüllung grundsätzlicher Kriterien auch des Einsatzes weiterer spezifischer Features, die nachfolgend bei der Bewertung der EMC-Filtertechnologie berücksichtigt werden.

Eine höhere Filterflächenbelastung bewirkt eine Reduktion der Filterfläche und bestimmt somit die Baugröße der Filteranlage zu Gunsten geringerer Investitionskosten. Neben der kompakten und daher auch kostengünstigen Ausführung der gesamten Anlage können durch die höhere Filterflächenbelastung in weiterer Folge die Komponenten des Abreinigungssystems, wie Membranventile und Stützkörbe einschließlich Schlauchmaterial, reduziert werden. Als Nachteil ergibt sich dabei durch den höheren Differenzdruck ein höherer mechanischer Verschleiß beim Filterschlauchmaterial und somit eine Verkürzung der Standzeit. Dies führt zu höheren Betriebskosten. Jedoch spielen diese Auswirkungen bei der EMC-Betriebsweise eine untergeordnete Rolle. Selbst bei einer Filterflächenbelastung über 1,3 m/min ist mit EMC ein stabiler Dauerbetrieb gewährleistet. Dieses Fakt ist vor allem dann von Bedeutung, wenn zwei unterschiedliche Betriebspunkte, wie z.B. bei Verbund- und Direktbetrieb oder eine Kammerabschaltung zu Wartungszwecken, zu berücksichtigen sind (Bild 5).

Zur Zeit der Einführung der EMC-Filtertechnologie im Jahr 2001 wurden seitens der Anwender in vielen Fällen noch 4,5 Meter als maximal zulässige Schlauchlänge vorgegeben. Zwischenzeitlich ist der Einsatz der von Scheuch priorisierten Schlauchlänge von 8 Metern (EMC 8M) bereits Standard - bis zum Jahr 2011 in über 40 Anlagen weltweit eingesetzt. Auch 10-m-Filterschläuche gelangen mittlerweile zur Anwendung (Bild 6).

Da bei neuen Anlagenkonzepten das Klinkerkühlerabgas mit dem Ofenabgas in ein gemeinsames Filter zusammengeführt wird, um Synergieeffekte zu nutzen oder um bei sehr feuchtem Rohmaterial ein höheres Wärmeangebot zur Verfügung zu haben, sind Entstaubungsanlagen für Volumenströme bis zu 3 000 000 Bm/h³ erforderlich.

Zur Überprüfung der Funktion und Beurteilung der Leistungsfähigkeit der EMC-Technologie mit Filterschlauchlängen von 10 Metern für den Einsatz bei Mahlanlagen sowie Ofenentstaubungen in der Zementindustrie wurden von Scheuch Langzeitversuche an einer Full-scale-Versuchsanlage durchgeführt. Ziel dabei war, unter realitätsnahen Betriebsbedingungen eine möglichst hohe Betriebssicherheit im Dauertest zu erreichen sowie Leistungsgrenzen und Auslegungsdaten zu ermitteln.

Die wechselseitige Feinabstimmung und das Zusammenspiel der Einzelkomponenten ergeben ein effizientes Gesamtsystem, das den marktüblichen Lösungen klar überlegen ist und die Abreinigung von 10 m langen Filterschläuchen sicherstellt.

Durch den Abreinigungsimpuls kommt es zu einem schlagartigen Druckanstieg mit einem Druckmaximum im Inneren des Filterschlauches, das zum Schlauchende hin abnimmt. Am Schlauchboden wird die Stoßwelle zurück in Richtung Impuls-Injektor reflektiert. Aufgrund der nachströmenden Luft führt dies zu einem erneuten Druckanstieg mit deutlichem Druckmaximum, welches sich - über die Filterschlauchlänge gesehen – nahezu konstant ausbildet und als ein Maß für die Abreinigungsintensität für eine gleichmäßige und effektive Abreinigung bei 10-m-Filterschläuchen über ihre gesamte Länge sorgt.

Die Ergebnisse bestätigen, dass die bekannten Vorteile der EMC-Filtertechnologie beim Einsatz von 10-m-Filterschläuchen uneingeschränkt gegeben sind. Wie Bild 7 verdeutlicht, zeigen sich beim Impuls-Abreinigungssystem keine Einbußen im Wirkungsverhalten bei der EMC 6M, 8M und 10M-Filtertechnologie. Unabhängig von der Schlauchlänge wird ein nahezu konstanter Überdruck in allen Filterschläuchen erreicht (Bild 7).

Diese Schlauchlängen sind primär ausschlaggebend für die deutlich geringeren Investitionskosten. Die dadurch mögliche kompakte Bauweise wirkt sich in einer Gewichtsreduktion von bis zu 30 % - Vergleich EMC 6M : EMC 10M – aus.

Der Einsatz von EMC 10M ist bereits ab Volumenströmen von 500 000 Bm³/h interessant und kann  einen Leistungsbereich von bis zu 3 000 000 Bm³/h abdecken.

Die EMC-Filtertechnologie eröffnet auch für bestehende Filtersysteme mit 6 m Schlauchlänge die Möglichkeit zum kostengünstigen Upgrade auf 8 oder 10 Meter zur Leistungs- bzw. Effizienzsteigerung. Oftmals lassen sich dadurch die Filterflächen um 30 bis 60 Prozent vergrößern, ohne die Grundkonstruktion erweitern zu müssen.

Die Betriebskosten werden in erster Linie von der Ventilatorenergie, den Ersatzfilterschläuchen sowie vom Druckluftverbrauch bestimmt, wobei sich die Betriebskostenarten Ventilatorenergie zu Schlauch- und Druckluftkosten in Abhängigkeit des Filterdifferenzdruckes interdependent verhalten.

Je nach Anwendung steigen die Gesamt-Betriebskosten mit abnehmendem Filterdifferenzdruck wieder. Also ist die Annahme, minimale Betriebskosten über einen möglichst geringen Filterdifferenzdruck erreichen zu können, ist also nicht Ziel führend.

Der Anstieg der Gesamt-Betriebskosten mit zunehmendem Filterdifferenzdruck ist geringer. Daher wirkt sich ein Filterdifferenzdruck oberhalb des optimalen Bereiches weniger negativ aus als ein Betriebspunkt darunter.

Ist ein niedriger Filterdifferenzdruck gewährleistet, kann der Ventilator mit geringerer Gesamtdruckerhöhung und Antriebsleistung ausgelegt werden. Mit abnehmendem Filterdifferenzdruck sinkt der Energieaufwand für den Ventilator. Daneben wirkt sich auch die Verbesserung der Strömungsführung im Filtergehäuse positiv auf den Ventilatorenergieverbrauch aus, sodass zum Beispiel bei einer üblichen Filterflächenbelastung von 1,0 m/min der prozentuelle Anteil des Gehäusedruckverlustes bei nur 15 % des Filterdifferenzdruckes liegt.

Der zweitgrößte Anteil an den Betriebskosten einer Filteranlage entfällt auf den Ersatz der Filtermedien. Da die Abreinigung im strömungslosen Zustand erfolgt, genügt zur Regeneration des Schlauches ein Druck von nur 15 mbar anstelle von 45 bis 55 mbar beim Online-Betrieb. Durch den niedrigen Abreinigungsdruck wird der Schlauch sanft und schonend abgereinigt und das Rückschlagen des Filterschlauches auf den Stützkorb verhindert. Zudem reduziert sich durch die EMC-Technologie die Anzahl der Abreinigungsimpulse auf die Hälfte. Das Resultat ist eine erheblich längere Lebensdauer der Filterschläuche, die je nach Anwendung und eingesetzter Schlauchqualität bis zu 8 Jahre betragen kann.

Die patentierte IMPULS-Abreinigung vermindert den Druckluftverbrauch durch den geringen Primärluftbedarf. Aufgrund dieser Einsparung und des geringen Abreinigungsdruckes von 15 mbar am Filterschlauch sowie der Reduktion der Abreinigungsimpulse um die Hälfte werden die Kosten für den Druckluftverbrauch um 60 bis 80 % gesenkt.

5 Ausblick

Durch die Auswertung einer Vielzahl von in einer Datenbank erfassten Betriebsdaten über installierte EMC-Filteranlagen sind nachweislich bisher branchenübliche Standardwerte für Filterflächenbelastung, Filterdifferenzdruck, Schlauchstandzeit sowie bei der Schlauchlänge nicht mehr als „verbindlich“ anzunehmen. Ebenso lässt sich ableiten und prognostizieren, dass das Potenzial der EMC-Filtertechnologie in Bezug auf die bisher maximale Schlauchlänge von 10 Metern noch nicht ausgeschöpft zu sein scheint. (Bild 8)