Hygroskopische Schüttgüter lagern, fördern und dosieren

1 Einleitung
Harnstoff gilt wegen seiner sehr hohen Fähigkeit Wasser aufzunehmen und zu binden als stark hygroskopisch. Harnstoff ist ein bedeutendes Stickstoffdüngemittel und erfährt seine indust­rielle Verwendung als Binder z. B. in Dämmplatten oder auch Spanplatten. In jüngerer Zeit wird er verwendet zur Reduktion von Stickoxyden im Abgas von Kraftwerken oder beim Einsatz von Ersatzbrennstoffen, z.  B. in der Zementindustrie. Nach Verbrennungsmotoren wird Harnstoff als Lösung in den heißen Abgasstrom eingespritzt, wo er im nachgeschalteten Katalysator die Stickoxyde reduziert.

Die Lagerung in größeren Behältern (Silos) galt vor 30 Jahren als riskant. Verklumpungen und Verkrustungen bis zur Blockbildung waren bekannt und gefürchtet. Die Meinung, Harnstoff ist in Silos – insbesondere metallischen Außensilos – nicht lagerbar, war weit verbreitet. Nach sorgfältiger Analyse der Einflussfaktoren wurden von der solids solutions group im Jahre 1978 die ersten metallischen Außensilos für Harnstoff und Kristallzucker gebaut, jeweils mit pneumatischer Förderung und Dosierung. Die damals getroffenen Vorkehrungen führten zu einem störungsfreien Betrieb und gelten bis heute. Auch an so exponierten Stellen wie in unmittelbarer Meeresnähe (hohe relative Luftfeuchtigkeit) oder in Gebieten mit sehr hohen Tag-Nacht-Temperaturunterschieden hat sich diese Lösung bewährt.
2    Anlieferung im Silofahrzeug oder Bulk-Container für pneumatische Entleerung
Bei der Anlieferung im luftdicht geschlossenen Silofahrzeug oder Bulk-Container befindet sich das hygroskopische Produkt im Feuchtegleichgewicht mit seiner umgebenden Luft. Der Wasserdampfdruck an der Oberfläche des Schüttgutpartikels ist gleich dem Wasserdampfdruck der ihn umgebenden Luft. Der Ausgleich der Feuchten hat durch die Verweildauer in dem entsprechenden luftdichten Behältnis stattgefunden. In diesem Zustand ist der Harnstoff stabil und rieselfähig. Jetzt kommt es darauf an, dass für die pneumatische Förderung in das Vorrats­silo getrocknete Druckluft verwendet wird – mit einer Temperatur, die etwa der Produkttemperatur entspricht. Bei abriebempfindlichen Produkten hat sich dafür das ­solids Truck-Discharge-System nach dem solids PULS-PNEU-Verfahren bewährt.

3    Das PULS-PNEU®-Förderverfahren
Durch Druckluftimpulse wird die kontinuierliche Materialsäule am Senderausgang in Luftpolster und Materialpfropfen aufgeteilt (Bild 1). Die Luftpolster wirken als Energiequelle zum Verschieben des jeweils vor ihnen liegenden Materialpfropfens. In die Förderleitung sind Relaisstationen eingebaut, die die Pfropfen auf Distanz halten. Die Relaisstationen werden durch eine Nebenleitung mit Druckluft versorgt und sind mit einem Regler ausgerüstet, der nur dann zusätzliche Druckenergie in die Förderleitung einspeist, wenn dies erforderlich ist.

Damit ist ein Verstopfen der Förderleitung praktisch unmöglich. Durch den Einsatz der Relaisstationen wird außerdem das problemlose Anfahren der Förderung gegen die volle Förderleitung nach einem evtl. Strom- bzw. Druckluftausfall sichergestellt. Jede Relaisstation arbeitet in diesem Fall wie ein kleiner Sender, wobei in Förderrichtung gesehen die letzte mit der Förderung beginnt.

4    Das solids PULS-PNEU-Truck-Discharge-System
Durch die langsame Förderung in Pfropfenform wird vermieden, dass Feinanteile entstehen, die zwischen den Körnern als Bindemittel auftreten könnten. Bei Beendigung des Füllvorgangs wird die Füllleitung verschlossen und der Silofüllstand mit trockener Druckluft überlagert, sodass auch bei Abkühlung bzw. größeren Temperaturunterschieden zwischen Tag und Nacht kein Kondensat im Silokopf entsteht. Bei Entnahme von Produkt aus dem Silo wird trockene Druckluft entsprechend der Vorkehrung „kein Feuchtigkeitseintritt z. B. durch atmosphärische Luft“ nachgeführt. Das Silo selbst wird streng nach Massenflussgesichtspunkten gestaltet, um zu gewährleisten, dass keine toten Zonen entstehen und der Materialspiegel bei der Entnahme gleichmäßig absinkt.

Die entscheidende Voraussetzung für den Erhalt der Riesel- und Fließfähigkeit hygroskopischer Produkte in Lager-, Förder- und Dosiersystemen ist ein geschlossenes System (Bild 2) mit der Sicherheit, dass unter keinen Umständen Feuchtigkeit in das Produkt eingetragen wird.

Stahl-, Edelstahl- und Aluminiumsilos haben sich bewährt. Wenn es zulässig ist, werden GFK-Silos bevorzugt, weil glas­faserverstärktes Polyester eine mehr als 150-fach geringere Wärmeleitfähigkeit als Stahl besitzt und somit in den meisten Fällen kein besonderer Sonnenschutz bzw. keine besondere Isolierung erforderlich ist.
Für die sichere Entnahme im Massenfluss hat sich der Vibrationsboden solids Extra-Vib (Bild 3) bewährt. Angetrieben von einem Vibrationsmotor – bei größeren Geräten auch von ­zweien –, wird er in horizontale Schwingungen versetzt, die sich auf das Teilchenkollektiv übertragen. Die Partikel der Schüttung werden beschleunigt, sie stoßen aneinander und separieren sich. Dadurch wird das Schüttgut fließfähig. Bei richtiger Dimensionierung entsteht im Silo Massenfluss ohne tote Zonen mit gleichmäßiger Materialbewegung über den gesamten Siloquerschnitt, als Voraussetzung für entmischungsfreien Austrag. Selbst schwierige, kohäsive Schüttgüter werden sicher ausgetragen. Durch die besondere Formgebung werden Kornzerstörung vermieden und Abrieb und Verschleiß minimiert.

Bei hygroskopischen Produkten, die dazu neigen Agglomerate, Knollen oder Verkrustungen zu bilden, kommt ein integrierter Vibrationsrost zum Einsatz (Bild 4), der Agglomerate auflöst und Knollen und Krusten auf ein Maß zerkleinert, dass nachgeschaltete Geräte in ihrer Funktion nicht beeinträchtigt werden. Nachgeschaltete Dosierorgane, wie z.  B. Dosierschnecken, sind ebenfalls vollkommen geschlossen und werden je nach Übergabesituation an den anschließenden Prozess mit trockener Luft gespült.

5    Anlieferung in Big-Bags
Auch bei der Anlieferung in Big-Bags (Bild 5) kann davon ausgegangen werden, dass zwischen dem Produkt und der es umgebenden Luft Feuchtigkeitsausgleich besteht, d. h., die Situation ist stabil und bleibt so, wenn sie nicht durch Feuchtigkeits- und/oder Temperatureinwirkung gestört wird. Verfestigungen durch äußere Kräfte bzw. Verklumpungen sind häufig. Als Austragshilfe haben sich Vibrationsböden und Walkvorrichtungen bewährt. Die Bedingung „kein Feuchtigkeitseintritt durch atmosphärische Luft“ verlangt bei diesem System besondere Aufmerksamkeit. Beim Big-Bag-Wechsel entsteht zumindest teilweise ein offenes System mit Zutritt von atmosphärischer Luft. Durch gezielte Überlagerung mit trockener Luft wird auch diese Situation beherrscht.

Wenn es im Big-Bag zu Blockbildung gekommen ist, kann man davon ausgehen, dass im verpackten Zustand z.  B. innere Feuchte der Körner an die Kornoberfläche gewandert ist und diese befeuchtet hat. Es bildet sich dann ein Kornverbund, der verkrustet. Eine andere Möglichkeit ist, dass trockenes Granulat durch den Zutritt von atmosphärischer Luft befeuchtet wurde und die zugeführte Feuchtigkeitsmenge ausreichte, um die Oberfläche der Körner zu befeuchten, was wiederum zum Verbund führt. Wandert dann aber die Feuchtigkeit weiter ins Innere des Korns, trocknet es an der Oberfläche ab und die Verbindungsstelle verkrustet. Besonders gefährlich sind Feinanteile zwischen den Körnern, weil diese feucht zum großflächigen „Kleber“ werden. Ein solcher Block kann erstaunlich massiv sein.

Als Entleervorrichtung für solche „Ein-Block-Big-Bags“ hat sich die Vibrationsschüssel (Bilder 6 und 7) mit integrierten Messern bewährt. Der „Ein-Block-Big-Bag“ wird auf die Spitzen der Messer aufgesetzt. Durch die Schwingungen dringen die Messer wie Meißel in den Block ein und zersägen ihn. Ein nachgeschalteter Knollenbrecher erzeugt die gewünschte Korngröße. In diesem Zustand ist das Produkt wieder stabil und bleibt es dann auch, wenn dieser Zustand durch den Zutritt von Feuchtigkeit nicht wieder gestört wird.

6    Industrielle Herstellung von Harnstoff
Eine gänzlich andere Situation herrscht bei der industriellen Herstellung von Harnstoff. Zwischenlagerung in Silos mit hunderten von Tonnen Kapazität sind erforderlich. Der zunächst in einer Lösung anfallende Harnstoff wird in ein Granulat umgewandelt. Es entsteht so genannter „geprillter“ Harnstoff in Form von Kügelchen mit einigen Millimetern Durchmesser. Erst wenn das einzelne Granulatkorn durchgetrocknet ist, kann sich mit der es umgebenden Luft ein Feuchtigkeitsgleichgewicht einstellen, was die Voraussetzung für einen abgeschlossenen chemisch-physikalischen Vorgang und damit Stabilität wäre. Bis zum Eintritt dieser Stabilität muss der Harnstoff in Bewegung gehalten werden, damit Verbindungen zwischen den Granulatkörnern immer wieder zerstört werden.

Für die Zwischenlagerung in Silos heißt die Devise, das gesamte eingelagerte Volumen im Massenfluss ohne tote Zonen in Bewegung zu halten oder in kurzen Abständen immer wieder eine relativ kleine Teilmenge im Massenfluss abzuziehen und wenn nötig zu rezirkulieren. Da der Massenfluss für ­diese Rezirkulierung verständlicherweise relativ klein gehalten werden soll, ist es schwierig die gesamte eingelagerte Masse in Bewegung zu bringen. Für eine derartige Aufgabenstellung hat die solids solutions group vor Kurzem den größten jemals gebauten Vibrationsaustragsboden solids Extra-Vib geliefert. Er wird eingesetzt an einem Silo mit 12 m Durchmesser (Bild 8).

30 Jahre Erfahrung und hunderte störungsfrei von unseren Kunden betriebene Siloanlagen für hygroskopische Produkte, u.a. für Harnstoff, Zucker, Salz, Soda, Waschmittel und viele mehr, beweisen die Kompetenz der solids solutions group für derartige Aufgabenstellungen.