Es gibt zwei Hauptwege der Entstaubung: trocken und nass. Bei der trockenen Methode unterscheidet man zwischen Staubabscheidern mit Filterschicht (Schlauchfilter, Taschenfilter, Patronenfilter), mechanischen (Zyklone) und elektrostatischen (Elektrofilter); die feuchte Methode umfasst Wäscher, Venturi-Wäscher, Blasensäulen und feuchte Elektrofilter. Die Wahl eines Staubabscheiders richtet sich nach den Kriterien der erwarteten Leistung, den Budgetbeschränkungen, den zu entstaubenden industriellen Prozessen und insbesondere der Größe der emittierten Partikel.
Sommaire
Staubabscheider mit Filterschichten (Schlauchfilter, Taschenfilter, Patronen)
Das Prinzip: Die staubhaltige Luft strömt durch ein poröses Filtermedium, das alle Partikel zurückhält, die größer sind als die Porosität des Mediums.
Die Vorrichtung besteht aus einem Kasten mit einem Staubfangtrichter an der Unterseite. Das Gehäuse enthält (vertikale oder horizontale) Reihen von Filterelementen (Schläuche, Taschen, Patronen), durch die die staubige Luft strömt. Die Luft wird am Eingang der Kammer auf einen Deflektor treffen. Durch Trägheitsimpaktion trennt er die größeren Partikel aus dem Luftstrom, die in den Trichter fallen.
Der verbleibende Staub wird sich dann auf der Oberfläche der Filtermedien absetzen. Der Luftstrom verlässt staubfrei die Filterschicht, die durch die poröse Wand der Filterelemente gebildet wird. Die Partikel werden kontinuierlich abgelagert und verklumpen zu einer Schicht, die zur Luftfilterung beiträgt: dem Filterkuchen. Dieser erhöht die Effizienz der Staubbindung. (Die Verschmutzung wird durch den statischen Druckunterschied zwischen der Ober- und Unterseite des Filtermediums gemessen). Dies erfordert: entweder den Austausch des Mediums (Einwegpapier, Filz, …) oder eine regelmäßige Reinigung (während des Betriebs oder im Stillstand), um das Filtermedium zu regenerieren.
Um die Kontinuität des Betriebs zu gewährleisten, werden die Abreinigungsvorgänge in der Regel automatisch und sequentiell für einen Teil der Filtermedien durchgeführt, während der andere Teil die Filtration fortsetzt. Im Gegensatz dazu muss bei der manuellen Reinigung am Ende des Prozesses eingegriffen werden, wenn der Prozess nicht gestoppt werden soll. Die Dauer der Filterverstopfung bis zum Erreichen eines kritischen Druckverlustes muss mit der Dauer des Prozesses übereinstimmen.
Die wichtigsten Methoden zur Reinigung von Filterelementen sind :
- Mechanisches Schütteln, das eine Welle verursacht, die das Gewebe der Schläuche verformt und den Filterkuchen zum Fallen bringt.
- Abreinigung durch Umkehrung des Luftstroms in den Poren des Filtermediums. Er wird automatisch ab einem bestimmten Grenzwert für den Ladungsverlust oder einer bestimmten Zeitdauer durchgeführt.
- Pneumatische Filterschlauchreinigung durch Einblasen von Druckluft (Jet-Pulse), die die Filtration vorübergehend unterbricht und den Staub vom Filter löst. Dies hat den Nachteil, dass der Staub aufgewirbelt wird und sich zum Teil an den benachbarten Medien festsetzt, weshalb eine gruppenweise Reinigung zur Begrenzung dieses Phänomens erforderlich ist.
Schlauchfilter benötigen eine niedrige Filtrationsgeschwindigkeit, um die Regeneration der Filter zu erhalten. Die Aufwärtsgeschwindigkeit des Flusses darf bei der Reinigung während des Betriebs nicht der Sedimentationsgeschwindigkeit der gereinigten Partikel entgegenwirken. Die Filtergeschwindigkeit variiert zwischen 0,6 und 6 cm/s, abhängig von den zu behandelnden Stäuben und Gasen und dem Typ des Filtermediums. Die Filtrationsgeschwindigkeit oder Filtrationsrate wird auch in m3/h.m² ausgedrückt.
Filtermedien bieten eine Vielzahl von Strukturen: Gewebe, Nadelfilz, Verbundstoffe, Membranen, Keramik. Sie werden aus synthetischem (PET, Nylon), mineralischem (Glas) oder organischem (Zellulose) Material hergestellt. Die Behandlung dieser Fasern zielt darauf ab, bestimmte Eigenschaften zu verbessern: chemische Beständigkeit, Leitfähigkeit, Wasser- und Ölabweisung, … Klebrigkeit, Benetzbarkeit.
Die Wahl des Filterelements hängt von der Staubkonzentration im zu behandelnden Strom, der Art des Staubs, der Gaszusammensetzung, der erforderlichen Effizienz, der Abreinigungsmethode, der Temperaturbeständigkeit und den wirtschaftlichen Zwängen ab.
DieAbscheideleistung eines Staubabscheiders hat ein Minimum für Partikel mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 0,5 µm (zu groß, um durch Diffusion abgeschieden zu werden, zu klein, um durch Impaktion oder Interzeption abgeschieden zu werden). Bei 0,1 µm erreicht die Effizienz 95%. Über 0,5 µm liegt sie bei über 99%. Eine HEPA H13 oder H14 Sicherheitsfilterstufe kann bei Bedarf hinzugefügt werden, wenn die zu erreichenden Emissionskonzentrationen besonders niedrig sind.
Diese Entstaubungstechnik erreicht einen hohen Abscheidegrad und eignet sich für eine Vielzahl von Konzentrationen von Staubemissionen. Die Filterschichttechnologie wird in der Industrie am häufigsten für die Trennung von Gas und Feststoffen verwendet, da Staubabscheider mit Schlauch- oder Patronenfiltern eine gute Effizienz mit günstigen Betriebskosten kombinieren.
Mechanische Staubabscheider: Zyklone, Dekantierer
Zyklone
Die Zentrifugalkraft drückt den Staub an die Wand, wo er sich zusammenballt und sich dann im Trichter absetzt. Die gereinigte Luft steigt durch das Zentrum des Zyklons zum Auslass in der Mitte des Scheitels des Zyklons auf.
Die Staubabscheidung ist am effektivsten, wenn :
- Der Radius des Zyklons ist klein (erhöht die Zentrifugalkraft).
- Die Konzentration der Partikel ist hoch (fördert die Agglomeration).
- Die Dichte der Partikel ist hoch (schnellerer Weg zur Wand).
- Die Temperatur des Luftstroms ist niedrig (verringert die Viskosität des Gases, erhöht den Zykloneffekt).
Ein hoher Luftstrom am Eingang des Zyklons fördert die Abscheidung von Feinstaub.
Zyklone erfüllen nicht die Luftverschmutzungsvorschriften. Sie dienen in der Regel als primäre Staubabscheider oder als Vorabscheider für grobe Partikel oder z.B. Schmiere. Die geringen gebundenen Kosten und die Einfachheit des Systems sind für diesen Zweck von Vorteil. Die Zyklone werden so gewählt, dass sie Partikel in der Größenordnung von 10μm und größer auffangen.
Dekanter
Hierbei werden die größeren Partikel in einer Kammer (Entspannungsbox, Dekantierungskammer) durch Dekantieren vorab getrennt. Eine Geschwindigkeit von 5 m/s der staubhaltigen Luft ermöglicht es, Partikel mit einer Größe von mehr als 30 µm zu dekantieren.
Nasse Staubabscheider: Wäscher, Venturi, Blasensäulen
Das Funktionsprinzip: Die staubhaltige Luft wird mit einer Waschflüssigkeit in Kontakt gebracht.
Es wird nach dem Benetzungseffekt des Partikels gesucht. Der Kontakt zwischen Flüssigkeit und Staub wird gefördert:
- oder durch Kondensation des Dampfes um den Partikel herum,
- oder durch Zugabe von Tensiden, um den Staub an den Flüssigkeitstropfen zu binden.
Diestaubfreie Luft wird durch Zentrifugation oder Trägheitvon der staubhaltigen Flüssigkeit getrennt. Die Staubabscheidung ist umso wichtiger, je inniger die Mischung ist oder je kleiner die Tropfen sind (ohne zu fein zu sein, um sich von der Luft abzuscheiden).
In einem Wäscher strömt die Luft von unten nach oben und die Sprühdüsen spritzen die Wassertröpfchen gegen die Strömung aus.
Ein Venturi-Rohrbeschleunigt die Geschwindigkeit der staubhaltigenLuft mit einem Konvergenten, um den Aufprall von Partikeln und zerstäubten Tropfen zu erhöhen. Anschließend verlangsamt ein Divergent die Geschwindigkeit und ermöglicht die Zusammenballung von Staub. Hier wird der Staub durch Zentrifugation und Trägheit abgeschieden. Der staubfreie Luftstrom steigt durch die Mitte des Zyklons zum zentralen Auslass an der Spitze auf.
Wasch- und Spülmaschinen sind für Partikel zwischen 0,5 und 1 μm wirksam. Unterhalb von 0,5 µm ist die Erfassungseffizienz mit einem hohen Druckverlust verbunden, was zu einem höheren Energieverbrauch führt. Die Aufnahme von Partikeln, die größer als ein Mikron sind, steigt jedoch mit zunehmender Staubkonzentration.
DieAufnahmeeffizienz steigt auch mit dem Wasser- und Luftdurchsatz. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts zwischen staubhaltiger Luft und Wasser um ein Vielfaches. Außerdem erhöht sich die Effizienz der Venturi-Waschanlage proportional, wenn die Durchflussraten in der Venturi-Rinne erhöht werden. Die Sammlung von Partikeln wird hauptsächlich durch die Geschwindigkeit des Sprühwasserstrahls beeinflusst.
Bis zu einer Größe von 200 µm verbessert die Zugabe eines oberflächenaktiven Stoffes und die Erhöhung der Fallhöhe die Staubaufnahme bei Tröpfchengrößen von ca. 3 mm. Denn das Tensid erhöht die Verformung des Tropfens während des Falls und damit die Kontaktfläche.
Die Übertragung von Staub aus einer Gasphase in eine flüssige Phase kann im Vergleich zur trockenen Methode erhebliche Kosten für die Behandlung, den Wasser- und Energieverbrauch verursachen. Wäscher werden eingesetzt, um ein Sicherheitsproblem im Zusammenhang mit explosiven Stäuben und entflammbaren Gasen zu lösen oder wenn die zu behandelnde Luft sich der Wassersättigung nähert.
Die nasse Methode bietet auch Blasensäulen, um die Luft zu entstauben. Das Wasser wird in Form von feinen Blasen gleichmäßig über den Abschnitt der Säule verteilt. Die Effizienz der Staubbindung steigt mit der Höhe der Flüssigkeit und damit der Zeit, die die Blase in der Flüssigkeit verbringt.
Die Reduzierung des Luftstroms führt zu einer Verringerung des Blasendurchmessers und erhöht die Effizienz der Sammlung. Die Effizienz steigt mit der Partikelgröße zwischen 1,5 und 20 µm (stabil über 1 µm, unter 1 µm: geringe Effizienz), der Verwendung von Tensiden und der Größe der Gasverteilungsöffnungen. Die geringere Effizienz bei der Sammlung von Nanopartikeln kann durch die Feinheit der Blasen, die Blasengröße und die Zugabe von Füllmaterial zur Verbesserung der Verweilzeit der Blasen verbessert werden.
Der Bau und die Installation von Blasensäulen ist recht einfach und relativ kostengünstig. DieAbscheideleistung ist jedoch im Vergleich zu Schlauchfiltern oder Elektrofilterngering.
Elektrofilter oder elektrische Staubabscheider oder elektrostatische Abscheider
Das Prinzip der Staubabscheidung besteht darin, die Partikel elektrisch aufzuladen und dann die elektrostatischen Wechselwirkungen zu nutzen, um sie von der Bahn des Staubstroms abzulenken. Der geladene Staub bewegt sich dann zu einer Elektrode mit entgegengesetzter elektrischer Ladung, wo er sich zusammenballt.
Das Gerät besteht aus Sendeelektroden (oft Drähte) und Empfangselektroden (Platten). An den Anoden wird eine negative Spannung angelegt, die in ihrer Umgebung Elektronen emittiert. Dadurch werden die Gasmoleküle ionisiert, die von den Kathoden angezogen werden und den Staub auf ihrem Weg treffen und elektrisch aufladen. Der geladene Staub wird wiederum von den Platten angezogen und verklumpt dort. Die Effizienz des Filters wird durch regelmäßige Reinigung der Platten mit verschiedenen Techniken aufrechterhalten: Vibration, Hämmern, Waschen. Der Staub wird in einem Trichter gesammelt und dann abgeleitet.
Die Effizienz eines stationären elektrischen Staubabscheiders hängt ab von :
- der spezifische Widerstand des Staubs (zwischen106 und 1014 Ω.cm).
- die Geschwindigkeit des Luftstroms (1 bis 4 m/s)
- die Physikochemie des Staubs
- die Geometrie der Elektroden
Unter106 Ω.cm verliert der Staub, der die Sammelelektrode erreicht, leicht seine elektrische Ladung und kann vom Luftstrom wieder aufgenommen werden. Über 1014 Ω.cm bildet sich eine isolierende Schicht auf der Kathode und behindert die Wirksamkeit des Filters.
Der Durchgang der Luft durch den Elektrofilter verursacht einen geringen Druckverlust (50-100Pa). Um die Effizienz des elektrischen Staubabscheiders zu erhöhen, können mehrere elektrische Felder (zwischen 2 und 6) in Reihe geschaltet werden, je nachdem, wie weit der Staubabscheider fortgeschritten ist. Dies ist optimal für Partikel, die größer als 100nm sind. Wenn die Partikel jedoch kleiner als 16nm sind, sind mehrere Einfeld-Elektrofilter effektiver. Und bei einer Größe von 0,2 µm wird ein Minimum an Erfassungseffizienz erreicht.
Emittierende Elektroden mit kleinem Durchmesser und sammelnde Elektroden mit großer Oberfläche erhöhen die Effizienz der Staubabscheidung.
Eine falsche Einstellung der Spannung kann zu einem Elektrodendurchbruch führen, was eine Explosionsgefahr darstellt. Ein feuchter Elektrofilter ist die Antwort auf dieses Risiko. Das Funktionsprinzip ist das gleiche wie beim trockenen Elektrofilter. Der Unterschied besteht darin, dass auf den Kollektorelektroden ein feuchter Film vorhanden ist, der durch eine Tropfbewässerung versorgt wird. Die Aufnahme
Das Volumen eines Elektrofilters ist groß, die Investition ebenfalls. Der Stromverbrauch und der Bedarf an qualifiziertem Personal machen die Betriebskosten hoch. Elektrofilter werden für große Gasströme (80.000 m3/h) empfohlen. Sie werden hauptsächlich in der Schwerindustrie eingesetzt: Stahlindustrie, Müllverbrennungsanlagen, Zementwerke, Energieerzeugungsanlagen.
Schlussfolgerung
Bei der Entstaubung kommen verschiedene Effekte zum Einsatz, um die Partikel aus dem Luftstrom zu entfernen: Dekantieren, Impaktion, Zentrifugieren, Benetzen, Filtern, elektrostatische Anziehung. Staubabscheider kombinieren oft mehrere Staubabscheider, um das angestrebte Niveau der Staubabscheidung zu erreichen. In diesem Fall kommen je nach industriellem Kontext weitere Kriterien wie Mobilität, Standort des Staubabscheiders usw. zum Tragen.