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Wirbeltrocknung Trocknen von Schlämmen mit feinen Feststoffanteilen

Autor / Redakteur: Dr. Christian Struve / Sabine Mühlenkamp

Als Nebenprodukt fallen in industriellen (Fertigungs-)Prozessen signifikante Mengen an Schlamm an, die getrocknet werden sollten, um Wertstoffe wiederzugewinnen und hohe Entsorgungskosten zu vermeiden. Mittels einer Wirbeltrocknung können auch feine, klebrige und strukturlose Stoffe extrem effizient getrocknet werden.

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Wirbeltrockner mit drei Tocknungskammern und vorgeschaltetem Zwangsmischer
Wirbeltrockner mit drei Tocknungskammern und vorgeschaltetem Zwangsmischer
(Bild: Segler)

Schlämme bringen unterschiedlichste Zusammensetzungen und Eigenschaften mit sich, beispielsweise was die Struktur und Korngrößenverteilung sowie die chemische Zusammensetzung und chemisch/physikalisch/biologischen Eigenschaften anbelangt. Gemeinsam haben alle Schlämme einen sehr hohen Wasseranteil von häufig 70 bis 90 %. Sollen Wertstoffe aus dem Schlamm gewonnen werden, muss man das Wasser in der Regel verdampfen. Eine Trocknung bietet sich auch häufig bei Schlämmen an, die als Abfall entsorgt werden müssen. Entsorgungskosten sowie die Anzahl an Entsorgungsfahrten können so drastisch reduziert werden.

Besonders anspruchsvoll wird es, wenn man Schlämme mit besonders feinen Feststoffanteilen trocknet. Es fehlt dann strukturgebendes Material für den Trocknungsprozess. Dieser wird im Allgemeinen benötigt, um Oberfläche zu erzeugen, eine ausreichende Durchmischung im Rework-Verfahren zu ermöglichen und somit Klumpenbildung zu vermeiden. Um feines und klebriges Material homogen zu trocknen, stellt ein Wirbeltrockner eine effiziente Möglichkeit dar. In einem zweiwelligen Zwangsmischer wird der Nassschlamm mit bereits vorgetrocknetem Material zu einer krümeligen Struktur vorgemischt und anschließend über eine Eintragsschnecke in den Wirbeltrockner gefördert. Die Vor­mischung ist dabei entscheidend. Über die Länge der Mischstrecke, Paddelgeometrie und Anordnung sowie über die Umdrehungszahl kann eine optimale Vormischung ohne größere Klumpen erzielt werden. Über eine Eintragsschnecke wird das Material in den Trockner gefördert.

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Der Wirbeltrockner selbst besteht aus drei Trocknungskammern. Das vorgemischte Material wird in der ersten Trocknungskammer durch gegenläufig laufende Paddelwellen permanent im heißen Trocknungsluftstrom „in Schwebe“ gehalten. Durch die Vormischung auf eine krümelige Struktur ergibt sich eine maximale Trocknungsoberfläche für das Trockengut. Die Trocknungstemperatur kann entsprechend der Anforderungen unter Beachtung der Schmelztemperatur des Trockenguts variable eingestellt werden. Betrieben als Hochtemperaturtrocknung wird das Zellwasser in den Schlämmen aufgebrochen und es kommt zur spontanen Verdampfung, was einen sehr hohen thermischen Wirkungsgrad bedeutet. Nach einer definierten Verweilzeit in der ersten Trocknungskammer öffnet sich das Schott zur zweiten Kammer, alle Wellen drehen in Richtung der zweiten Kammer und das Material wird in kürzester Zeit in die zweite Kammer gefördert, getrocknet und im Anschluss analog in die dritte Kammer gefördert, von wo es über eine Austragsschnecke ins Lager transportiert bzw. ein Teilstrom für den Rework-Prozess eingesetzt wird. Durch entsprechende Feuchtesensoren kann über die Anlagensteuerung ein gewünschter Trockensubstanzgehalt für das fertige Trockengut festgelegt werden. Abhängig vom Ausgangsschlamm und dem Wärmeeinsatz können Trocknungsgrade über 90 % erzielt werden.

Material zu- und abführen

Der Wirbeltrockner stellt den Kern einer kompletten Trocknungsanlage dar. Je nach Schlamm, Standort und Betreiberwünschen wird der Schlamm aus einem Vorlagebunker über Förderschnecken zum Zwangswellenmischer gefördert. Bei größeren Distanzen kann der Einsatz von Pumplösungen interessant werden. Das Trockengut wird ebenfalls über Förderschnecken zu einem (Zwischen-)Lager gefördert. Zum Einsatz kommen können Kühlvorrichtungen zur Reduzierung der Temperatur des Trockenguts sowie Siebvorrichtungen zum Ausschleusen von Überkorn und Störstoffen im Trockengut, wie beispielsweise Steine, Bänder, Fasern usw.

Erzeugung von Warmluft

Als Wärmeenergie werden die heißen Abgase aus einer Wärmequelle genutzt. Neben Abwärme aus einem Industrieprozess können das die Abgase eines BHKW oder eines Hackschnitzelofens sein. Auch der Einsatz von Thermoöl zur Heißlufterzeugung ist möglich. Vor dem Eintritt in den Trockner werden die Abgase mit Frischluft so weit vermischt, dass die gewünschte Trocknungstemperatur erreicht wird. Je nach Schlamm kann die variabel eingestellt werden. Typische Temperaturen liegen zwischen 300 und 450 °C. Der Rauchgasventilator ist so ausgelegt, dass die Rauchgase und die Frischluftzufuhr im Unterdruck angesaugt und dabei die passende Temperatur gehalten und in den Trockner geführt wird. Damit in den Trocknungskammern kein Überdruck entsteht, halten FU-gesteuerte Absaugventilatoren, die vor der Abluftwäsche montiert sind, über eine Unterdruckmessung angesteuert, im Trockner einem konstanten Unterdruck. Über eine Zuluftleitung wird die heiße Mischluft in die jeweiligen Kammern gefördert. In dem aufgewirbelten Material mit seiner großen Oberfläche kommt es zu einer schlagartigen Verdampfung der einzelnen Wassermoleküle. Die jetzt wassergesättigte Luft wird in einer über der Kammer stehenden Beruhigungszone einem Staubfilter zugeführt. Mitgerissene Staubpartikel werden hier abgeschieden.

Filtern von Stäuben

Werden feine Schlämme getrocknet, entsteht automatisch bei der Trocknung eine Staubfracht. Der Einsatz herkömmlicher Zyklone ist dann meist nicht ausreichend. Alternativ bzw. ergänzend kann ein Gewebefilter eingesetzt werden, der es ermöglicht, die gesetzlichen Vorgaben einzuhalten. Auch der Einsatz von Elektrofiltern ist möglich, was durchaus Vorteile beim Stromverbrauch mit sich bringt. Zudem können Anbackungen aufgrund von Kondensation im Staubfilter leichter gereinigt werden.

Weitere Abluftbehandlung

Bei Schlämmen mit organischen Komponenten müssen meist noch Stickstoffbestand­teile und Gerüche reduziert werden. Zur Stickstoffelimination wird ein chemischer Wäscher eingesetzt. Die den Staubfilter verlassende Abluft wird im Wäscher vor der ersten Filterwand, die als Wärmetauscher fungiert, intensiv mit feinsten Wassertropfen in Verbindung gebracht. Eventuell noch vorhandene Staubpartikel werden von den Tropfen erfasst. An der zweiten Filterwand wird der flüchtige Ammoniumstickstoff durch die im Spülwasser befindliche Schwefelsäure gebunden und in Ammoniumsulfat umgewandelt. Die Wabenstruktur dieser Filterwand unterstützt dabei die Ammoniakfällung. Durch die große Oberfläche der Filterwand können sich die einzelnen noch in der Abluft befindlichen Feststoffanteile sehr gut absetzen. Gleichzeitig wird die weitergehende Rückhaltung des im Abluftstrom enthaltenen Wassers sichergestellt.

Die dritte Filterwand dient abschließend der Abscheidung von Feinsttropfen, was durch die Wabenstruktur dieser Wand sichergestellt wird. Ein Abluftwäscherventilator hinter dieser saugt die Luft vom Staubfilter kommend durch den kompletten Wäscher. Anschließend wird die Abluft einem Biofilter zugeführt, um die Gerüche aus dem Abluftstrom zu reduzieren. Das System der Abluftwäsche, kombiniert mit dem Betrieb des Biofilters, sichert im Abluftstrom die Einhaltung der nach TA-Luft geltenden Immissionsgrenzwerte. Alternativ zum Einsatz eines Biofilter kann auch eine UV-Ionisation samt Aktivkohlefilter die Gerüche reduzieren.

Überwachung des Prozesses

Die untergeordnete Steuerung für die Bereiche Wärmebereitstellung, Trockner und Abluftreinigung sind steuerungstechnisch zu einer Gesamtanlage verknüpft. Alle Informationen fließen im Zentralrechner zusammen und können vor Ort oder über Fernwartung bedient werden. Brand- und Gasmelde­systeme werden in das vorhandene System eingebunden. Neben der sensorischen Überwachung gibt es auch eine visuelle Überwachung mit Alarmfunktion.

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