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Quarzstaub den Kampf angesagt

Wärmetauscher mit Abreinigungsfunktion
Quarzstaub den Kampf angesagt

Bei der Verbrennung siloxanhaltiger Abgase entsteht unter anderem Siliziumdioxid. Um die feinen Quarzpartikel aus dem Abgasstrom zu entfernen, muss dieser zunächst abgekühlt werden. Mithilfe eines Wärmetauschers mit Abreinigungsfunktion lässt sich zudem die Abwärme zurückgewinnen. Durch die permanente Abreinigung wird eine dauerhafte Belegung der Wandflächen mit dem feinen Staub wirksam verhindert und ein über die Zeit konstanter Wärmeaustausch gewährleistet.

Der Autor: Michael Walter Geschäftsführer, Metalltechnik Walter

Siloxane sind Grundbausteine für Silikonprodukte. Sie besitzen aufgrund ihrer vielen verschiedenen Eigenschaften ein sehr breites Anwendungsspektrum. Sie können schmierfähig, weich, biegsam, wasserabweisend und lange haltbar sein und auch sehr hohen oder sehr niedrigen Temperaturen unbeschadet ausgesetzt werden. Sie sind Bestandteil in vielen Körperpflegeprodukten wie Haarpflegemittel, Deodorants, Lippenstift oder Hautcreme, werden als Hilfsstoff, Weichmacher oder Oberflächenbeschichtungsmittel, zum Reinigen und Ausrüsten von Fasern, als Entschäumungsmittel und zum Hydrophobieren von Baustoffen wie Beton oder Gips verwendet. Bei der Herstellung siloxanhaltiger Produkte entstehen in den Produktionsanlagen Abgasströme, die Siloxane enthalten und strengen Grenzwerten bei der Emission (aktuelle TA Luft: 20 mg/m³ im Abgas) unterliegen. Durch die Verwendung von Siloxanen unter anderem in Kosmetika, Deodorants, Seifen und Waschmitteln gelangen Siloxane zudem ins Abwasser, sodass entsprechende Abgase nicht nur in der silikonverarbeitenden Industrie, sondern auch in Deponieabgasen auftreten können.
Staubbildung als Problem
Die effektivste Art der Behandlung siloxanhaltiger Abgase ist die Verbrennung. Deponieabgase werden dabei zur Energiegewinnung in Blockheizkraftwerken (BHKW) verbrannt, silo-xanhaltige Prozessgase aus der chemischen oder papierverarbeitenden Industrie werden über eine thermische Nachverbrennung (TNV bzw. RNV) verbrannt. Siloxane verbrennen zu Kohlendioxid, Wasser und Siliziumdioxid. Die bei der Verbrennung entstehenden Quarzpartikel sind nicht nur sehr fein, sondern auch sehr abrasiv. Sie bilden auf Teilen, auf denen sie sich ablagern, dichte Schichten aus, die sich schwer entfernen lassen. Es zeigen sich zwei Problembereiche bei der Verbrennung von Siloxanen:
  • Siloxanhaltiges Deponiegas: Die Standzeit des Gasmotors eines BHKWs kann sich durch Ablagerung von SiO2 im Zylinder auf 25 % der normalen Zeit verringern. Eine aufwendige Reinigung des Rohgases zur Entfernung der Siloxane vor der Verbrennung (meist über Aktivkohlefilter) ist notwendig. Dieses Reinigungsverfahren gilt technisch als weitgehend beherrscht und wird in dieser Ausarbeitung nicht weiter verfolgt.
  • Siloxanhaltiges Prozessgas: Das in einer TNV bei der Siloxanverbrennung entstehende SiO2-haltige Reingas darf nicht direkt emittiert werden, hier liegen gemäß TA Luft die Grenzwerte für staubhaltige Abluft bei 20 mg/m³. Durch die relativ hohen Temperaturen am Austritt der Brennkammer einer TNV (650 bis 750 °C) ist eine direkte Filtration mit industrieüblichen abreinigbaren Gewebefiltern nicht möglich, da deren maximale Temperaturbeständigkeit bei max. 250°C liegt. Der Einsatz von Heißgasfiltern mit dem erforderlichen Abscheidegrad bei Temperaturen von >650 °C ist nicht möglich, da sich diese Filter in kürzester Zeit zusetzen würden; eine Abreinigung oder Rückspülung ist nicht möglich.
Aufgabe ist es daher, das staubhaltige Reingas abzukühlen, um in den Arbeitsbereich von abreinigbaren Gewebefiltern zu gelangen, wobei die obere Temperaturgrenze von etwa 250 °C durch den Filterwerkstoff begrenzt wird und die untere Grenze den Taupunkt des im Reingas enthaltenen Wassers nicht unterschreiten darf, da auskondensierendes Wasser die Filter unmittelbar verkleben würde.
Behandlung des Abgases
In der Praxis haben sich verschiedene Verfahren für das Herunterkühlen bzw. Abscheiden des staubbelasteten Reingases etabliert: Bei der Verdünnung wird der heiße Reingasstrom mit Frischluft so weit verdünnt, bis er sich auf 200 °C abgekühlt hat. Durch das stark vergrößerte Volumen werden jedoch große Rohrleitungsquerschnitte und große Filterflächen benötigt. In einem Wäscher lassen sich die Staubpartikel binden und der Gasstrom abkühlen. Allerdings ist eine aufwendige Behandlung des SiO2-Schlamms im Sumpf notwendig. Rohrbündelwärmetauscher sind nur redundant zu betreiben, da sie durch die Belegung mit SiO2-Partikeln in kurzer Zeit verstopft sind und abgereinigt werden müssen.
Mit dem hier vorgestellten Wärmetauscher sollen diese meist aufwendigen, kosten- und wartungsintensiven Verfahren ersetzt werden. Es handelt sich um einen Wärmetauscher mit Abreinigungsfunktion, der durch seine einfache Zwei-Punkt-Temperaturregelung das staubhaltige Reingas von >700 °C auf 120 bis 250 °C abkühlt. Durch die permanente Abreinigungsfunktion wird eine dauerhafte Belegung der Wandflächen verhindert und ein über die Zeit konstanter Wärmeaustausch gewährleistet. Im nachgeschalteten Gewebefilter wird der Staub abgeschieden, ohne dass es zu Verklebungen kommt. Durch eine geeignete, an die hohen Temperaturen angepasste Werkstoffauswahl und die einfache und robuste Bauart des Wärmetauschers kann im Drei-Schicht-Betrieb das Inspektionsintervall auf über sechs Monate ausgedehnt werden. Die Wartung ist denkbar einfach und in sehr kurzer Zeit ausführbar.
Der Wärmetauscher kann sowohl vertikal als auch horizontal installiert und betrieben werden, die Anschlüsse werden ein- und ausgangsseitig den örtlichen Gegebenheiten angepasst. Grundsätzlich kann mit der erwärmten Kühlluft aus dem Wärmetauscher der Rohgasstrom vorgewärmt oder an anderer Stelle in den Prozesswärmekreislauf eingespeist werden.
prozesstechnik-online.de/cav0213441
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