Stäube pneumatisch fördern und präzise dosieren

Jedem Feuerungstechniker ist bewusst, dass eine Feuerung nur so flammenstabilitätsbezogen gut sein kann, wie seine Brennstoffzufuhr selbst. Bei Einsatz der genormten flüssigen bzw. gasförmigen Brennstoffe wie Heizöl oder Erdgas ist die Brennstoffzufuhr nahezu unproblematisch lösbar – man schafft mit den Hilfsaggregaten Pumpe bzw. Verdichter entsprechende Rohrleitungsstaudrücke und geeignete Regelarmaturen lassen das Medium mit hoher Mengenkonstanz zum Brenner strömen oder fließen. Damit sind die Grundvoraussetzungen für einen hochqualitativen Brennerbetrieb gegeben.

Anspruchsvolles Handling fester Brennstoffe

Ganz anders dagegen muss mit festen Brennstoffen umgegangen werden. Liegen diese als staubförmiges Produkt in einem Vorratssilo vor, ist die direkte Staubverwertung in Form eines „einfachen“ pneumatischen Weitertransportes zum Brenner - bei Anspruch an ein stabiles Flammenverhaltens - nicht geeignet. Der Grund hierfür ist, dass die einzelnen Staubpartikel sich gegenseitig an den Oberflächen berühren und damit Reibungswiderstände/Haftreibung verursachen, welche das Fließverhalten des Staubes entscheidend beeinflussen.

Aus dem Betreiben eines Staubvorratssilos heraus ist bekannt, dass für einen zuverlässigen Staubaustrag Hilfseinrichtungen unverzichtbar sind – vorzugsweise werden entweder Vibrationsplatten oder eine pneumatische Auflockerung angewendet. Beide Einrichtungen verfolgen das gleiche Ziel – die Haftwiderstände unter den Staubpartikeln aufzulösen und den Staub somit zum Fließen zu bringen.

CARBOTECHNIK nutzt bei der CT-Dosiermaschine (Bild 1 und 2) nicht den mechanischen, sondern den pneumatischen Fließeffekt. Der Staubinhalt des CT-Dosiermaschinenbehälters wird mit Luft fluidisiert und somit in flüssigkeitsähnliche Eigenschaften versetzt. Die Grundlage für eine präzise Dosierung ist somit geschaffen.

Funktionsprinzip

Die CT-Dosiermaschine besteht aus einem zylindrischen Behälter, der brennstoffbedingt in der Regel bis zu 10 bar druckstoßfest (nach Brennstaub-Spezifikation) ausgeführt wird. Im unteren Behälterteil befindet sich ein Fließboden, auf dem das zu fördernde Produkt lagert. Drückt man über ein Gebläse Luft mit geringer Geschwindigkeit von unten durch den Fließboden, so fluidisiert das Produkt, d. h., es dehnt sich um ca. 1/3 gegenüber den Grundvolumen aus und nimmt dabei flüssigkeitsähnliche Eigenschaften an.

In dieser Form fließen Stäube wie eine Flüssigkeit durch Öffnungen, füllen Hohlräume etc. Bei Luftdurchsätzen im vorbestimmten Volumenstrombereich nimmt das Produkt jetzt eine sehr konstante Dichte an.  In diesem so fluidisierten Staub tauchen von oben je nach Anlagenausführung eine oder mehrere horizontal angeordnete Lochscheiben (Bild 3), auch Tauchscheiben genannt, ein. Die Löcher einer solchen Lochscheibe füllen sich im Fließbett mit dem fluidisierten Staub. Die Scheibe dreht in eine Förderleitung ein, in der die mit Staub gefüllten Löcher ausgeblasen werden. Der Staub in der Förderleitung wird nunmehr pneumatisch zum Zielpunkt getragen. Die Förder- und gleichzeitige Trägerluft hierfür wird von einem Gebläse erzeugt. Um die höhere Druckstufe der Förderluftseite gegenüber der im Behälterinnenraum herrschenden zu trennen, sind an der Förderleitung beidseitig der Lochscheibe spezielle Gleitringe als Dichtelement angebracht, die mit Federkraft angedrückt für eine optimale Systemdichtheit sorgen.

Ein Frequenzumrichter zur Veränderung der Lochscheibendrehzahl – und damit der Fördermenge – dient zur Leistungsregelung austragseitig.

Die Lochscheiben sowie ein zentrales Rührwerk im fluidisiertem Staubbett, welches Luftkanalbildung wirkungsvoll verhindert, werden von senkrechten Wellen angetrieben, deren Getriebemotore auf dem Deckel des Dosiermaschinengehäuses angeordnet sind. Die Wellendurchführungen werden mit Spülluft beaufschlagt, wodurch sie einfach und wirkungsvoll abgedichtet werden.

Das Produktniveau in der CT-Dosiermaschine wird mittels elektrischer Niveausonden gesteuert. Sinkt das Niveau bis zur Nachfüllsonde (MIN) ab, wird die Nachfüllung des Dosierbehälters, zum Beispiel mittels Zellenradschleuse am Siloauslauf oder externer Förderschnecke, eingeleitet und bei Ansprechen der darüber liegenden MAX-Sonde abgeschaltet. Eine zusätzliche Sicherheitssonde sichert eine Mindestproduktmenge im Dosierbehälter.

Für die austretende staubbeladene Fluidisierluft gibt es zwei Entsorgungswege. Der eine Weg ist die Ableitung über eine Aspirationsleitung in den Staubvorratssilo, der ein entsprechendes Filter standardmäßig besitzen sollte. Der andere Weg wäre die Abreinigung der Fluidisierluft über ein eigens dafür bestimmtes Aufsatzfilter, welches direkt auf den Dosiermaschinenedeckel platziert ist.

Inspektionen des Dosierbehälterinnenraumes können über Mannlöcher ausgeführt werden, wodurch alle Inneneinbauten zugänglich sind.            

Dosierqualität

Die Lochscheibendosierung ist prinzipiell eine volumetrische Dosierung. Wegen einer nahezu konstant bleibenden Dichte des fluidisierten Produktes im dazugehörig relevanten Luftdurchsatzbereich entspricht dies mit sehr guter Annäherung auch einer gravimetrischen Dosierung.

Betrachtet man die Lochscheibe allein, ist eine Dosiergenauigkeit von 100% theoretisch gegeben. Das Bohrbild ist derart gewählt, dass jede Scheibenposition in der Förderleitung einen gleichen freien Lochquerschnitt aufweist. Dazu wird die Lochscheibe stufenlos frequenzgeregelt. Abweichungen von der 100%igen Dosiergenauigkeit können daher nur vom fluidisiertem Produkt selbst erzeugt werden. Dies zeigt sich auch tatsächlich in der Praxis so. Stäube mit einem breiten Körnungsband haben auch beim Fluidisiereffekt, betrachtet man hier das Lufthaltevermögen der Schüttung, einen breiten Effektbereich, wie auch die veränderten Schüttungshöhen im Dosierbehälter, die den Gebläsegegendruck beeinflussen und damit die Fluidisierluftmenge veränderbar machen.

Ist verfahrenstechnisch eine hochpräzise Dosierung erforderlich, werden an den  CT-Dosiermaschinen die Fluidisierluftmengen gemessen und geregelt.

Ein zweiter Punkt, der die Dosiergenauigkeit vorübergehend beeinflussen kann, ist der Nachfüllprozeß des Dosierbehälters. Ein zu schnelles Einbringen des Folgestaubes kann das Fließbett kurzeitig stören. Frequenzgeregelte Zellenradschleusen oder Förderschnecken schaffen hier die erforderliche Dämpfung.

Elektrische Ausrüstung

Die CT-Dosiermaschine ist in allen üblichen Spannungs-ebenen leistungsseitig wie steuerspannungsseitig ausrüstbar. Steuerungsseitig können drei Varianten zur Anwendung kommen:

Ohne Steuereinheit - es werden alle relevanten Steuersignale auf einen an der Maschine befindlichen Klemmenkasten verkabelt. Der Betreiber muss sich hier um die korrekte und sicherheitstechnisch zulässige Ansteuerung selbst bemühen.

Steuereinheit mit Slave-Modul - die Steuereinheit ist in einem Steuerschrank mit allen zugehörigen Steuer- und Leistungselementen untergebracht. Die Hardware basiert dabei auf dem Siemens-Peripheriemodulsystem ET200S sowie Frequenzumrichter vom Typ Synamics G120. Die Stromversorgung und eine Datenleitung muß vom Betreiber bereitgestellt werden.

Das Slave-Modul verfügt über eine Profibus-DP-Anschaltung, über die es an eine Mastersteuerung angeschlossen wird. Dies muss zwingend eine fehlersichere F-Baugruppe sein. Als Softwarebaustein kommt eine Siemens Simatic S7 zu Anwendung.

Stand-Alone-Modul – es verfügt über die gleiche Funktionalität wie das v. g. Slave-Modul. Anstelle der Profibus-Anschaltung wird aber mit einer fehlersicheren CPU gearbeitet. Dadurch ist man als Mastersteuerung nicht an eine Siemens Simatic-SPS gebunden und diese muss auch nicht fehlersicher ausgeführt sein.

Dosiererkonfigurationen

Mit dem CT-Dosiersystem lässt sich aus einem Dosierbehälter nicht nur eine Versorgungsstelle erreichen, sondern eine Vielzahl. Die Dosiereinheiten in einem System können völlig unabhängig voneinander betrieben und leistungsmäßig geregelt werden. In Bild 4 sind einige Auswahlmöglichkeiten einer CT-Dosiermaschinenkonfiguration beispielhaft dargestellt.

Einsatzbereich

Die CT Dosiermaschine ist entwickelt und konstruiert als einzubauende Einzelmaschine in einer komplexen Gesamtanlage im Sinne und unter Anwendung der EG-Richtlinie 98/37/EG.

Die CT-Dosiermaschine ist konzipiert für den Einsatz in Explosionsschutzbereichen. Standardmäßig werden Bauteile und Instrumentierungen verwendet, die im Innenbereich der Maschine (direkter Staubbereich) tauglich sind für den Einsatz nach den Erfordernissen der ATEX-Zone 20 und im Außenbereich nach ATEX-Zone 22. Jede mögliche Konfiguration ist für den speziellen Anwendungsfall ausführbar.

Mit der CT-Dosiermaschine lassen sich Stäube hochpräzise dosieren und fördern (Tabelle 1), die fluidisierbar sind. Das heißt, das Staubkorn muss eine Oberfläche besitzen, welche nicht zur Selbsthaftung untereinander neigt. Hierzu zählen Stäube, erzeugt aus diversen Kohlen, Koks, Biomassen allgemein, Klärschlamm, Kalk, Zement, Kaolin, Kunststoff etc..

Durch das Prinzip der Staubaufbereitung, Dosierung und Förderung in der CT-Dosiermaschine ist diese bestens geeignet, Brennersysteme an Kesselanlagen, Heißgaserzeugern und Industrieöfen zu versorgen. Aber auch für den alleinigen pneumatischen Transport von staubförmigen Gütern ist die CT-Dosiermaschine konzipiert.

Produktaufbereitung durch Fluidisierung und Produktaustrag mittels Lochscheibe bilden die Grundlage bei der CT-Dosiermaschine. Physikalische Vorgänge bei Betrieb des CT-Dosiersystems, die negativen Einfluss auf die Dosiergenauigkeit ausüben, werden durch entsprechende Gegenmaßnahmen weitgehend kompensiert.

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