Filterkuchenabwurf bei der Gasreinigung

Das Abtrennen von feinen Partikeln aus Gasen gelingt sehr effizient durch Kuchenfiltration. Dabei strömt das partikelhaltige Gas durch einen porösen Filter. Die Partikel werden an der Filteroberfläche zurückgehalten,wo sieeinen Filterkuchen bilden. Dieser Filterkuchen erhöht den Strömungswiderstand.Deshalbwird der Filterkuchen periodisch, häufig durch kurze Hochdruckluftpulse entgegen der normalen Strömungsrichtung, vom Filter abgelöst. Der abgelöste Kuchenzerfällt dabeiund bildetBruchstücke, die durchSedimentation vonder Filterflächenumgebung abtransportiert werden, damit es zu keiner Wiederanlagerung der Bruchstücke bei der nachfolgend einsetzenden Kuchenfiltration kommt. Damit die Sedimentation der Bruchstücke rasch erfolgt, ist es vorteilhaft, wenn vorzugsweise große Bruchstücke und keine Einzelpartikel gebildet werden, die in Sedimentationsrichtung ausgerichtet sind. Die Filterreinigung wird untersucht, um die Auswirkungen der Reinigungsbedingungen und der Kucheneigenschaften auf das Ablösen des Filterkuchens und die Bruchcharakteristik zu verstehen. Besonderes Augenmerk wird auf die Größenverteilung der Kuchenbruchstücke und ihre zeitlich abhängige Lage beziehungsweise Ausrichtung in Bezug auf die Filteroberfläche gelegt. Unterschiedliche Kucheneigenschaften werden erzeugt, indem während der Kuchenbildung unterschiedliche Bedingungen wie zum Beispiel Gasfeuchten eingestellt werden. Zudem werden unterschiedliche Filtermedien verwendet, die teilweise gezielt mit einer Struktur versehen werden, damitlokalunterschiedliche Kucheneigenschafteninsbesondere der interpartikulären Bindungskräfte gegeben sind. Diese Kuchen werden einer Pulsreinigung ausgesetzt und die sich ergebenden Kuchenbruchstücke werden optisch mit hoher zeitlicher Auflösung verfolgt. Basierend auf existierenden Modellen, die erweitert und angepasst werden, werden die Experimente mathematisch abgebildet. Mithilfe von Modellsimulationen werden Parameter hinsichtlich der aufgeprägten Struktur, aber auch Kuchenbildungs- und Reinigungsparameter identifiziert und Experimente durchgeführt, von denen zu erwartet ist, dass die Reinigung optimal hinsichtlich der Bruchcharakteristik, d.h. die Größe der Bruchstücke aber auch ihre örtliche Verteilung und Ausrichtung ist. Damit wird das Optimierungspotential im Bereich des Filterbetriebs und des Filterdesigns aufgezeigt.

Filterkuchenabwurf bei der Gasreinigung Bei vielen technischen aber auch natürlichen Prozessen, zum Beispiel bei der Verbrennung von Holz, der Bodenerosion oder der Zementherstellung gelangen feine Feststoffpartikel in die Luft. Diese Feststoffpartikel können wertvolle Produkte oder gesundheitsgefährdende Schadstoffe darstellen, die es gilt, aus der Gasphase abzuscheiden. Dies gelingt sehr effizient dadurch, dass das partikelbeladene Gas durch ein poröses Material, auch als Filtermedium bezeichnet, geblasen wird, wobei die Feststoffpartikel am Filtermedium zurückgehalten werden. Die abgeschiedenen Feststoffpartikel, die schließlich einen sogenannten Filterkuchen bilden, erhöhen zunehmend den Strömungswiderstand und deshalb wird das Filtermedium periodisch gereinigt. Das periodische Entfernen des Filterkuchens gelingt, indem für einen kurzen Augenblick die Strömungsrichtung des Gases umgedreht wird und sich der gebildete Filterkuchen vom Filtermedium löst, wobei der Kuchen in Fragmente zerbricht. Zudem muss gewährleistet sein, dass diese Kuchenfragmente rasch, der Schwerkraft gehorchend, sedimentieren und gesammelt entfernt werden. Diese kurzzeitige Strömungsumkehr wird als Druckpuls bezeichnet und dieser muss einerseits stark genug sein, damit der Kuchen tatsächlich abgelöst wird und andererseits so lange vorhalten, dass auch genügend Zeit für die Sedimentation und das Entfernen gegeben ist. Wenn allerdings der Druckpuls zu stark ist, reißt das Filtermedium und der Filterkuchen zerbricht in viele sehr kleine Fragmente, was sich für die nachfolgende Sedimentation nachteilig auswirkt. Wenn hingegen der Druckpuls zu lange ist, dann wird unnötig Energie vergeudet und die Fragmente auf die Oberfläche eines benachbarten Filters geblasen, der dadurch stärker belastet wird. Dieser Abreinigungsvorgang wird noch dadurch unterstützt, dass sich das Filtermedium unter Krafteinwirkung selbst elastisch verformt. Dabei wird der Filterkuchen regelrecht weggeschleudert, wenn das Filtermedium plötzlich an seiner Elastizitätsgrenze ankommt. Mithilfe von zwei, synchronisierten Hochgeschwindigkeitskameras wird, ausgehend von einem gebildeten Filterkuchen auf einer kreisrunden, eingespannten Probe eines elastischen Filtermediums, der Vorgang der Kuchenabreinigung experimentell verfolgt: Wenn der Druckpuls sehr rasch ansteigt, dann bewegen sich das Filtertuch und der Filterkuchen synchron und erst zum Zeitpunkt, an dem die Elastizitätsgrenze des Filtertuchs erreicht ist, löst sich der Filterkuchen ab. Es bilden sich dabei viele, sehr kleine Fragmente, die sich vom Filtermedium wegbewegen. Wenn der Druckpuls hingegen eher moderat ansteigt, dann löst sich der Filterkuchen bereits vor dem Erreichen der Elastizitätsgrenze des Filtermediums bei einem kritischen Druckniveau, welches von den Eigenschaften des Filterkuchens und des Filtermediums abhängig ist. Es entstehen größere Fragmente, die leichter sedimentieren können. Die Praxis wie auch diese experimentellen und theoretischen Erkenntnisse bestätigen, dass es effizienter für die Filterkuchenreinigung ist, wenn das maximale Druckniveau nur knapp über dem kritischen Druckniveau liegt und die Druckanstiegsgeschwindigkeit nicht zu hoch ist, sodass eine Kuchenablösung bereits vor Erreichen der Elastizitätsgrenze des Filtertuchs erfolgt.