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Filtration Nanofasertechnologie ermöglicht niedrigere Investitions- und Betriebskosten bei der Entstaubung

| Autor / Redakteur: Wolfgang Schulz / Sabine Mühlenkamp

Dank Nanofasertechnologie gelang es nun, einen verbesserten Abscheidegrad, einen geringeren Druckverlust und eine bessere Abreinigung in der Entstaubung zu erreichen. Der Lohn: niedrigere Investitions- und Betriebskosten.

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Silotop Zero in der Anwendung
Silotop Zero in der Anwendung
(Bild: Wam )

Ob Bau-, Zement- oder Asphaltindustrie, Nahrungsmittel- oder Mischfutterherstellung, Glaserzeugung oder Kunststoffindustrie, in diesen und vielen weiteren Branchen werden Schüttgüter mechanisch oder pneumatisch eingebracht, gefördert, be- oder verarbeitet oder ausgetragen. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um grobkörnige Produkte wie Getreide, Futterpellets, Kaffeebohnen, Kunststoffgranulat oder feinpulvrige wie Weizenmehl, Zement, Quarzmehl, Puderzucker handelt – sobald sie bewegt oder bearbeitet werden, sorgen sie für eine mehr oder weniger starke Staubentwicklung mit negativen Auswirkungen für Mensch und Umwelt. Man sollte dabei nicht den Fehler begehen, nur den toxischen, krebserregenden oder allergisierenden Stäuben die Aufmerksamkeit zu schenken, die Atemwegerkrankungen wie das Bäckerasthma hervorrufen können. Ziel muss es sein, alle möglichen Emissionen zu unterbinden.

Zur Vermeidung bzw. Reduzierung der Staubexpositionen an Arbeitsplätzen sind in der Gefahrstoffverordnung Arbeitsplatzgrenzwerte (AGW, früher MAK) mit den maximal zulässigen Konzentrationen eines Stoffes als Gas, Dampf oder Schwebstoff in der (Atem-)Luft am Arbeitsplatz angegeben. Auch außerhalb des Arbeitsplatzes verlangt die Umwelt nach angemessenem Schutz. Die aktuelle Feinstaubdebatte zeigt, wie hitzig darüber in der Öffentlichkeit debattiert wird. Die Auflagen und Normen werden deshalb künftig eher strenger. So kann man davon ausgehen, dass bei der aktuellen Überarbeitung der TA-Luft (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft) die zulässigen Emissionswerte nach unten korrigiert werden. Diese Grenzwerte sind dann nur noch einzuhalten, wenn eine funktionierende und richtig dimensionierte Entstaubungstechnik eingesetzt wird.

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Bessere Luft mit richtig ausgelegten Hightech-Filtern

Um den passenden Filter auswählen zu können, ist es hilfreich, sich dessen Funktionsweise zu verdeutlichen. Eines der am häufigsten eingesetzten Filtersysteme ist der Siloentlüftungsfilters, dessen Filtrationseigenschaften vor allem beim Einblasen des Produktes von einem Silo-Lkw über eine Förderleitung in ein Silo gefragt sind. Dazu wird der Förderschlauch des Tankwagens an die Steigleitung am Silo angeschlossen, der Kessel des Tankwagens unter Druck gesetzt und das Produkt-Luft-Gemisch mit einem Förderdruck von 1,5 bis 2 bar in den Silo gefördert. Im Silo entsteht ein Überdruck, wodurch die überschüssige Luft in den Filter gedrückt wird. Die verdrängte Luft reißt Produktstaub mit sich und das partikelbeladene Gas durchströmt die Filterelemente von außen nach innen. Durch den Luftstrom setzt sich das Filtrat außen oder in den Filtermedien ab und baut dabei eine Staubschicht, den so genannten Filterkuchen, auf. Die gereinigte Luft passiert das Filtermedium und gelangt ins Freie.

Moderne Filter sind mit einer Gegendruck-Abreinigungsanlage (auch Jet-Pulse-Abreinigung) ausgestattet, bei der durch zyklische Druckluftstöße in die Filterelemente der anhaftende bzw. eingedrungene Staub vom Filterelement gelöst wird und in den Silo zurückfällt. Diese Reinigung des Filters geschieht während des Entstaubungsprozesses, womit gewährleistet ist, dass die Filter kontinuierlich entstauben können.

Für einen reibungslosen Betrieb eines Staubfilters ist die korrekte technische Auslegung wichtig, für die viele Einflussfaktoren betrachtet werden müssen, wie z.B.

  • 1. die Förderluft mit den Parametern „Volumenstrom”, „Staubbeladung der Luft”, „Förderdruck” und
  • 2. das Produkt mit den Einflussfaktoren Filterflächenbelastungund Granulationsspektrum.

Natürlich gibt es noch andere Parameter von Bedeutung wie Feuchtigkeit, Abrasivität oder die mögliche Explosionsfähigkeit eines Staub-Luft-Gemisches. So ist z.B. ein Filter als Atex-Version mit antistatischen Filterelementen auszustatten, wenn es sich um ein explosionsfähiges Produkt handelt.

Um die Eigenschaften ihrer Filter weiter zu verbessern, hat Wam im Bereich der Nanotechnologie umfassendes Know-how aufgebaut. Nanotechnik befindet sich bereits seit einigen Jahren in vielen Produkten des täglichen Gebrauchs, wie Konsumelektronik, Kosmetika oder Reinigungsmittel, mit der die Beschichtung, Reinigung oder Imprägnierung verbessert werden soll. Auch der von der Natur adaptierte Lotuseffekt beruht auf Erkenntnissen der Nanowissenschaft, die sich mit den Besonderheiten der Oberflächeneigenschaften von Kleinstteilchen befasst. Diese bewegen sich in einer Größenordnung von Einzelatom bis zu 100 Nanometern, wobei ein Nanometer einem Milliardstel Meter und damit dem Verhältnis des Durchmessers einer 1-Cent-Münze mit dem der Erde entspricht. Auch die Abbildung von Nanofasern im Vergleich mit dem menschlichen Haar macht die Feinheit dieser Fasern deutlich.

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Verbesserter Abscheidegrad dank Oberflächefiltration

Während herkömmliche Polyestervliese nach dem Prinzip der Tiefenfiltration funktionieren, liegt der Vorteil von Nanofasern in der Oberflächenfiltration. Bei ersterem werden Partikel im Inneren des Vlieses positioniert und zurückgehalten. Die volle Filterwirkung wird erst erzielt, wenn das Filtermaterial mit Staub durchdrungen ist und sich eine Filterhilfsschicht aufgebaut hat. Nachteil ist das Zusetzen des Mediums, wodurch im Zeitablauf immer weniger staubhaltige Luft verarbeitet werden kann.

Die Nanofaserelemente arbeiten nach dem Prinzip der Oberflächenfiltration. Die Partikel werden auf der Oberfläche des Filters (also dem Nanofasernetz) abgelagert und dringen nicht tief in das Filtermedium ein. Das gelingt, weil das Nanofasernetz wesentlich engmaschiger als das Polyestervlies ist. Durch den deutlich verbesserten Abscheidegrad der Nanofasern gegenüber dem bisher verwendeten Polyestervlies konnten die Emissionswerte stark nach unten korrigiert werden – bei der Zementsiloentstaubung von bisher <10 mg/m3 auf <1 mg/m3 Reststaubgehalt.

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Erweiterte Einsatzgebiete

Wam erweitert die Einsatzgebiete für die neuen „Zero“-Filterelemente. Das Nanofasermaterial, mit dem die hauseigenen Filterelemente ausgestattet sind, ist nun auch in einer antistatischen Ausführung erhältlich, wodurch die Filtersysteme die Atex-Zertifizierung für Zone 21 erhalten. Nach dem Start mit dem neuen SiIotop Zero und der Erweiterung der Zero-Serie, um den Entlüftungsfilter Hoppertop, den Entlüftungsstaubfilter Hopperjet, den geflanschte Rundfilter Wamflo und den Rechteckfilter Wamair, sind ab sofort fast alle Systeme auch mit antistatischen Filterelementen erhältlich. Diese erlauben zusätzlich den Einsatz in explosionsgefährdeten Anlagen wie sie in Mühlen, Zuckerfabriken, kunststoff- und metallverarbeitenden Betrieben oder für die Papierherstellung eingesetzt werden. Filtersysteme der Zero-Serie zeichnen sich durch erheblich reduzierte Staub­emissionen (weniger als 1 mg/Nm3 bei Zement­anwendungen) und die Steigerung der aufnehmbaren Luftmenge um 30 % gegenüber dem Vorgängersystem aus. Mit den neuen nanobeschichteten Filtermedien ist es möglich, kleinere Ausführungen der jeweiligen Filterbaureihe zu wählen, ohne dabei Kompromisse bei der Durchsatzleistung eingehen zu müssen. Davon profitieren vor allem Anlagenbauer und -betreiber, die platzsparende Systeme und hohe Leistung benötigen. Die Auswahl einer kleineren Ausführung ist dabei in der Regel auch mit niedrigeren Kosten verbunden. Bestehende Anlagen mit Entstaubungsfiltern, die Polypleat-Elemente oder Filterpatronen enthalten, können ohne Modifikationen problemlos auf die Zero-Filtermedien umgerüstet werden.

Auch bei der Luftdurchlässigkeit ist die Nanofaser dem herkömmlichen Polyestervlies überlegen. Über verschiedene Druckdifferenzen betrachtet ist sie im Durchschnitt um 25 % höher als beim Polyestervlies. Filtersysteme mit Nanofaserfiltermedien verzeichnen außerdem einen langsameren Anstieg des Druckverlustes: Während das Vlies bereits nach einer Stunde den Wert von 20 mmWS erreicht, misst man diesen Wert bei der Nanofaser erst nach 4,5 Stunden. Wird für den Betrieb ein Ventilator eingesetzt, kann er mit einer geringeren Drehzahl betrieben werden und der Energieverbrauch sinkt. Nicht zuletzt sorgt die einfachere Abreinigung der Filterelemente mit der Reduzierung des dafür notwendigen Drucks um 1 bar und längeren Pausenzyklen dafür, dass der Druckluftverbrauch insgesamt halbiert und so eine signifikante Kostensenkung erreicht werden kann.

Eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit erreicht man auch durch die Verringerung der Filterfläche. Die verbesserte Luftdurchlässigkeit erlaubt es, die Filterfläche um bis zu 25 % zu reduzieren, um vergleichbare Werte wie mit herkömmlichem Filtervlies zu erzielen. Der gesamte Filter inklusive Gehäuse kann kleiner ausgelegt werden, was je nach Größe und Ausstattung Einsparungen von 6-10 % bei den Anschaffungskosten bedeutet. Auch bei der Wartung sind Einspareffekte zu erzielen, da sich die Standzeiten um etwa 20 % erhöhen. Neben den wirtschaftlichen Aspekten soll der Umweltaspekt nicht unerwähnt bleiben, denn die Reduzierung von Emissionen wirkt sich umwelttechnisch positiv aus und bietet auch für Genehmigungen von Anlagen durchaus Vorteile.

Innovatives Herstellverfahren der Nanofasern

Zur Herstellung von Nanofasern gibt es mittlerweile verschiedene Verfahren. Wam verwendet ein so genanntes Elektrospinnverfahren, bei dem innerhalb eines starken elektrischen Feldes eine Kunststofflösung oder -schmelze durch eine Düse gezogen und in Richtung einer Unterlage beschleunigt wird, wo sie sich auf der dort befindlichen Elektrode in geschlungener Form als Nanofaser bzw. einem Netz aus Nanofasern niederschlägt. Dieses Netz muss im weiteren Verfahren mit dem Trägermaterial dauerhaft verbunden werden. Anschließend werden die Nanofaservliese zu Filterelementen in unterschiedlichen Längen und Formen (Patronen und Polypleats) gefertigt. Zudem wird fortlaufend an weiteren Verbesserungen der Filtersysteme gearbeitet. So gibt es seit Kurzem auch antistatische Filterelemente für den Einsatz in Atex-Zonen im Lieferprogramm.

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