Drehkolbenverdichter Neuartiger Drehkolbenverdichter erlaubt völlig neue Anwendungen

Autor / Redakteur: Stéphane Itasse / Matthias Back

Mit herkömmlichen Drehkolbengebläsen ließen sich bisher nur Drücke bis 1 bar erzielen. Für höhere Drücke mussten Schraubenkompressoren eingesetzt werden, die einstufig aber für Drücke zwischen 2 und 3,5 bar ausgelegt sind. Ein völlig neu konzipierter Drehkolbenverdichter füllt jetzt die Lücke.

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Bild 1: Transportieren, lockern, mischen: Im Zementwerk Karsdorf von Lafarge geht nichts ohne Druckluft. Für den Druckbereich zwischen 1 und 1,5 bar setzt das Unternehmen jetzt Delta-Hybrid-Drehkolbenverdichter ein.
Bild 1: Transportieren, lockern, mischen: Im Zementwerk Karsdorf von Lafarge geht nichts ohne Druckluft. Für den Druckbereich zwischen 1 und 1,5 bar setzt das Unternehmen jetzt Delta-Hybrid-Drehkolbenverdichter ein.
(Bild: Aerzener Maschinenfabrik)

Bei diesen Drehkolbenverdichtern namens Delta Hybrid handelt es sich um eine Neukonzeption der Aerzener Maschinenfabrik. Mit herkömmlichen Drehkolbengebläsen ließen sich bisher nur Drücke bis 1 bar erzielen. Darüber mussten Schraubenkompressoren eingesetzt werden, die einstufig aber für deutlich höhere Drücke von 2 beziehungsweise 3,5 bar ausgelegt sind. Sie sind damit für sehr niedrige Drücke bauartbedingt viel zu schade und in der Investition zu teuer.

Kombination von Drehkolbengebläse und Schraubenkompressor

Mit den neuen, ölfrei verdichtenden Delta-Hybrid-Aggregaten wurde eine Kombination aus Drehkolbengebläsen und Schraubenkompressoren geschaffen, welche die Vorteile beider Systeme vereinigt, weshalb für diese Aggregate in Aerzen der neue Begriff Drehkolbenverdichter geprägt wurde. Dabei tendieren die Anlagen für niedrigere Drücke eher zu einem Gebläse, für höhere Drücke eher zu einem Schraubenverdichter.

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Die neuen Delta Hybrid-Aggregate wurden für alle Einsatzfälle geschaffen, bei denen Luft und neutrale Gase im Druckbereich bis 1,5 bar gefördert werden müssen. Diese neue Drehkolbenverdichter-Baureihe wurde bereits seit drei Jahren in einem groß angelegten Feldversuch in verschiedensten Branchen bei Aerzener-Kunden mit Neubedarf unter Praxisbedingungen getestet und zur Marktreife entwickelt. Alle Feldtestanlagen wurden über die Aerzener Fernüberwachung RAT detailliert und kontinuierlich überwacht.

Zementwerk unter den Pilotanwendern für neuen Drehkolbenverdichter

Einer dieser Pilotanwender war das Zementwerk Karsdorf der französischen Lafarge-Gruppe. Mit einer jährlichen Produktionskapazität von 2,3 Mio. t ist es eines der größten und modernsten Werke von Lafarge in Mitteleuropa. Es verfügt über drei Ofenlinien, wovon die werksintern mit Linie 3 und 4 bezeichneten Drehöfen zurzeit aktiv sind.

In der Produktionskette übernimmt die Druckluft zwei zentrale Aufgaben: Das Rohmehl wird in den Siloanlagen durch Druckluft pneumatisch aufgelockert und homogenisiert, über Dosieranlagen in Fördersysteme eingetragen und – ebenfalls pneumatisch – über Rohrleitungssysteme zu den Brennöfen transportiert. Die in beiden Arbeitsbereichen erforderliche Druckluft wird durch luftgekühlte Anlagen der Aerzener Maschinenfabrik erzeugt, die in einer großen Halle gemeinsam aufgestellt sind.

Drehkolbenverdichter als Versuchsanlage bewährt sich seit Jahren

Die Druckluft zur Auflockerung des Rohmehls im Vorratssilo und zur Homogenisierung wird von zwei Aggregaten im Dauerbetrieb geliefert, einem Aerzener-Drehkolbengebläse und einem Aggregat aus der neuen Aerzener-Baureihe Delta Hybrid. Ein drittes Gebläse steht als Redundanz, ein viertes Aggregat für andere Aufgaben zur Verfügung. Alle vier Aggregate arbeiten im Druckbereich von 0,6 bis 0,8 bar.

Die Druckluft für den Rohmehltransport und eine erneute Homogenisierung wird von vier großen, ölfrei verdichtenden, luftgekühlten Aerzener-Schraubenkompressoren des Typs VM 537 produziert: Ein Kompressor liefert die Druckluft für den Transport, zwei weitere Anlagen produzieren die Druckluft für die gleichmäßige Vermischung der Materialien (Homogenisierung) und ein Schraubenkompressor wird als Redundanz vorgehalten.

Seit Testbeginn wurde im Zementwerk Karsdorf ein Delta-Hybrid-Drehkolbenverdichter für eine möglichst hohe Auslastung in eine Ofenlinie integriert, wo für den Havariefall die Versorgung auf ein Redundanzaggregat umgerüstet werden konnte. Dieses neue Versuchsgebläse ist seit seiner Inbetriebnahme vor bereits mehr als drei Jahren problemlos im Dauerbetrieb aktiv und liefert Druckluft mit einem Höchstdruck von 0,8 bar.

Drehkolbenverdichter macht Druckluftversorgung effizienter

Auch der Chemiekonzern BASF setzt die Delta-Hybrid-Drehkolbenverdichter für den Transport ein. Statt staubiges Kalkmehl befördert der Chemiekonzern allerdings gröberes Polyamidgranulat auf diesem Weg. Im Werk Rudolstadt erfüllt Druckluft als Transportmedium für den gesamten Fertigungsablauf sehr zentrale Aufgaben: Zunächst werden die Granulate pneumatisch in einem 450 m langen Rohrleitungssystem von Produktionsbereich 1 zu Produktionsbereich 2 transportiert. Im Produktionsbereich 2 werden Granulate dann pneumatisch aus Silos zu Verpackungsanlagen transportiert. Bei Letzterem transportiert die Förderluft Granulate aus Silos über Zellenradschleusen und Wiegeeinrichtungen zu Verpackungsanlagen. Dafür wird ein Druck von 0,95 bar (Mindestdruck 0,5 bar) benötigt. Er wird deshalb nicht von Schraubenverdichtern, sondern von Aerzener-Drehkolbengebläsen erzeugt. Dafür standen bis 2007 drei Aggregate mit folgenden Leistungen zur Verfügung, die seit ihrer Inbetriebnahme 1992 im Verbund gefahren wurden:

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  • Ein größeres Aggregat des Typs GM 35S mit einer konstanten Liefermenge von 30 m³/min und
  • zwei kleinere Aggregate des Typs GMa 11.2 mit einer konstanten Liefermenge von jeweils 6,2 m³/min.

Mit der Anforderung von Förderluft startete zunächst das große Aggregat. Bei nicht ausreichender Leistung wurde über Druckschalter mit versetzten Schaltgrenzen zusätzlich ein kleines Aggregat und bei weiter steigendem Bedarf auch noch das zweite kleine Aggregat zugeschaltet. Mit diesem Konzept konnten bis 2007 jeweils zwei der drei vorhandenen Förderstrecken versorgt werden.

Dieses Erzeugungskonzept besteht zwar im Prinzip noch heute – allerdings mit einem Unterschied: 2007 wurde ein zusätzlicher Aerzener-Drehkolbenverdichter aus der Baureihe Delta Hybrid (Typ D 62 S) installiert und auch sofort als überwiegend alleiniger Förderluftlieferant in Betrieb genommen. Durch die deutlich größere Leistung dieses Gebläses von 36 m³/min konnte BASF erstmalig alle drei Förderstrecken gleichzeitig mit Druckluft versorgen.

Drehkolbenverdichter alleine ersetzt drei ältere Aggregate

Seit der Inbetriebnahme 2007 deckt dieses neue Delta-Hybrid-Aggregat den Bedarf im Betriebsbereich 2 nahezu ausschließlich alleine ab. Nur in Ausnahmefällen wird der Drucklufterzeuger von einem kleinen Aggregat aus dem alten Konzept unterstützt. Das alte große, ebenfalls circa 19 Jahre alte Gebläse wird seit der Installation des Delta-Hybrid-Aggregates im Jahr 2007 nur noch als Redundanz-Anlage und während Wartungsarbeiten am Delta-Hybrid-Aggregat eingesetzt, damit für den Rund-um-die-Uhr-Betrieb immer eine ausreichende Förderluftversorgung sichergestellt ist.

Das Delta-Hybrid-Aggregat bei BASF in Rudolstadt wurde zwar – genau wie das alte Gebläse – mit einem Frequenzumrichter für bedarfsabhängig drehzahlgeregelten Betrieb ausgerüstet. Es wird aber ebenfalls im Dauerbetrieb gefahren. Der Grund liegt in der Kombination aus einem kontinuierlichen Transportzyklus und einem sehr kurz getakteten Verwiegezyklus, der wie folgt arbeitet: Die Förderluft transportiert mit kurzer Taktung das Granulat aus einem Silo über eine Zellenradschleuse in eine Rohrleitung zu einer Waage. Nach deren Befüllung wird dieser Fördervorgang kurzzeitig gestoppt, der Inhalt der Waage wird über eine Zellenradschleuse und ein Rohrleitungssystem zur Abfüllstation transportiert. Gleichzeitig beginnt wieder der Befüllungsprozess der Waage. Daraus folgt:

  • Der Förderluftbedarf für den Transport des Granulates von der Waage zur Abfüllstation steht kontinuierlich als Grundlastbedarf an;
  • der Förderluftbedarf für den Befüllungsprozess der Waage entsteht jedoch intermittierend als kurzfristiger Spitzenlastbedarf mit einer Taktung von circa 20 s.

Diese zwischen dauerndem Grundlast- und sehr kurzfristigem Spitzenlastbedarf kontinuierlich schwankende Bedarfsmenge kann optimal nur mit einem Gebläse abgedeckt werden, welches konstant durchläuft und auf den Maximalbedarf ausgerichtet ist. Das Delta-Hybrid-Aggregat arbeitet mit einem Höchstdruck von 0,95 bar. Nach Erreichen dieses Druckes wird die Überschussmenge kurzzeitig abgeblasen. Eine zwischenzeitliche Stillsetzung oder eine bedarfsabhängige Betriebsweise ist nach der Erfahrung von BASF nicht sinnvoll.

Papierhersteller setzt ebenfalls auf Aerzener-Drehkolbenverdichter

Positive Erfahrungen mit zwei Delta-Hybrid-Drehkolbenverdichtern machte auch die Smurfit Kappa C. D. Haupt Papier- und Pappenfabrik GmbH & Co. KG in Diemelstadt-Wrexen. Hier erzeugen diese Aggregate seit mehreren Jahren Druckluft mit Höchstdruck 0,95 bar, um das aerobe Belebungsbecken der werkseigenen Kläranlage mit Sauerstoff zu versorgen.

Auch ölfreie Druckluft mit Drehkolbenverdichter erhältlich

Das für die Produktion von Wellpappen-Rohpapieren benötigte Wasser wird aus eigenen Brunnen gewonnen, nach dem Einsatz in der Produktion in der werkseigenen Kläranlage aufbereitet und dann mit einem Reinheitsgrad von 95 % in ein Gewässer geleitet. Ein Zehntel der gereinigten Wassermenge wird in die Produktion zurückgeführt und dort erneut eingesetzt. Die Aufbereitung des Wassers vor der Einleitung in die benachbarte Diemel erfolgt nach dem klassischen anaeroben/aeroben Prinzip:

  • Die erste Stufe stellt die anaerobe Aufbereitung (ohne Sauerstoffzufuhr) dar: Zunächst wird das Wasser in einem anaeroben Reaktor durch Bakterien zu 75 % gereinigt. In dieser Phase entstehen aus den im Wasser enthaltenen Kohlenstoffen täglich circa 4500 m³ Biogas, das im werkseigenen Kraftwerk eingesetzt wird.
  • Die zweite Stufe ist die aerobe Aufbereitung (mit Sauerstoffzufuhr): Durch den bereits in der ersten Stufe erfolgten Entzug von Kohlenstoff aus dem Wasser sinkt in der zweiten Stufe, dem Belebungsbecken, die Leistungsfähigkeit der Bakterien, die deshalb durch die Zufuhr von Sauerstoff unterstützt werden muss.
  • Es folgt in der dritten Stufe die Sedimentation: Nach dem Passieren des anschließenden Sedimentationsbeckens hat das Abwasser den vorgeschriebenen Reinheitsgrad von 95 % und kann in das benachbarte Gewässer eingeleitet beziehungsweise mit einem Anteil von 10 % in die Produktion zurückgeführt werden.

Die Rückführung in ein Gewässer erfordert in der zweiten Stufe den Einsatz ölfreier Druckluft, um die Kontamination des Gewässers mit Öl zu verhindern. Diese Aufgabe übernahmen bei Smurfit Kappa am Standort Diemelstadt-Wrexen bis 2007 zunächst drei ölfrei verdichtende Aerzener-Drehkolbengebläse der Baureihe GM 35 S (Typ Delta Blower, Liefermenge maximal 38 m³/min) in einem separaten Gebäude im Klärwerksbereich. Nach der bis heute gültigen Zuordnung fährt ein Aggregat mit konstanter Leistung im Dauerbetrieb die Grundlast. Die zweite Anlage wird für einen gleichmäßigen optimalen Sauerstoffgehalt im aeroben Becken frequenzgeregelt als Spitzenlastanlage betrieben, während das dritte Aggregat als Redundanz vorgehalten wird.

Indstandhaltungskosten mit Delta Hybrid gesenkt

Da Betreiber in der Industrie und speziell in der Papierindustrie aus Platzgründen Belebungsbecken mit einer kleineren Grundfläche als bei kommunalen Kläranlagen bevorzugen, werden sie über der Erde und dementsprechend mit einer Höhe deutlich über 4 m errichtet. Deshalb muss der Druck, mit dem der Sauerstoff in industrielle Becken eingeleitet wird, wegen der höheren zu überwindenden Wassersäule deutlich höher sein als in kommunalen Anlagen. Für das aerobe Becken der Kläranlage von Smurfit Kappa mit seiner beachtlichen Höhe von 8 m sind deshalb bereits 0,8 bar allein für die Überwindung der Wassersäule erforderlich. Rohrleitungen und Armaturen erfordern eine zusätzliche Höherverdichtung, sodass alleine für die Überwindung dieser Widerstände bereits circa 0,9 bar benötigt werden. Deshalb wurden diese drei Aggregate der ersten Ausbaustufe immer mit mindestens 0,95 bar gefahren, was einer Auslastung von mindestens 95 % entspricht. Dieser Dauerbetrieb mit einer so hohen konstanten Auslastung kurz unter dem zulässigen Limit von 1 bar führte jedoch nach über 10-jähriger Betriebszeit zwangsläufig zu steigenden Instandhaltungskosten.

In dieser Situation bot die Aerzener Maschinenfabrik Abhilfe durch ein Aggregat aus der neu entwickelten Drehkolbenverdichter-Baureihe Delta Hybrid an. Der Hersteller garantierte für die Aggregate dieser Baureihe einen Höchstdruck von 1,5 bar und den Einsatz im Dauerbetrieb. Im Gegenzug wurde ein Aggregat der alten Delta-Blower-Baureihe aus der Station entfernt. Inzwischen wird das letzte aus der Anfangsinstallation noch verbliebene Delta-Blower-Aggregat nur noch als Reserveanlage vorgehalten.

* Der Autor ist Textchef bei MM Maschinenmarkt. Email: stephane.itasse@vogel.de

* Weitere Informationen: Stephan Brand, Verkaufsleiter Nordamerika/ Gesamtleitung Marketing, Aerzener Maschinenfabrik GmbH, 31855 Aerzen

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