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wlb - UMWELTTECHNIK 1/2018

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t LUFTREINHALTUNG

t LUFTREINHALTUNG ANLAGENBAU EIN STAUBIGES GESCHÄFT Wer schon einmal ein Zementwerk mit angeschlossenem Steinbruch besucht hat, weiß wie wichtig Luftreinhaltungsmaßnahmen in dieser Branche sind. Um die glutheiße Abluft aus dem Drehrohrofen auf eine für die Luftreinhaltungssysteme verträgliche Temperatur zu bringen, wird häufig eine Wassereindüsung in Kühltürmen verwendet. Diese zu optimieren kann aufwändig sein. Viele verschiedene Faktoren wie die Geometrie des Kühlturms, die richtige Auswahl und Positionierung der Düsen und die Regelungstechnik spielen bei der Sprühkühlung eine Rolle. In einem Schweizer Zementwerk wurden die verschiedenen Faktoren zu einem optimierten Kühlprozess richtig zusammengebracht. Bei Eclépens wurde im Jahr 1953 das erste Zementwerk der französischsprachigen Schweiz in Betrieb genommen. Heute arbeiten dort über 100 Mitarbeiter, die an der jährlichen Produktion von ca. 800 000 t Zement beteiligt sind [1]. Der Kühlturm der Anlage ist einem Elektrofilter vorgeschaltet. Um den empfindlichen Filter zu schützen und eine optimale Staubabscheidung zu gewähr­ Autoren: Anna Stahl, M.Sc., Produktmanagerin Umwelttechnik; Dipl.-Ing. Jochen Paal, Konstruktion/Entwicklung, Spraying Systems Deutschland GmbH, Hamburg leisten, sollte das Rauchgas mithilfe einer Wassereindüsung herunter gekühlt werden. Eclépens verfügte über ein Gaskühlsystem, das allerdings nicht dem aktuellen Stand der Technik entsprach. Es sollte erneuert und optimiert werden. Dazu hatten die Anlagenbetreiber sich einige Ziele gesetzt. Zum einen sollte die Turmgeometrie den optimalen Strömungsverlauf unterstützen, zum anderen sollte eine vollständige Verdampfung des Kühlwassers erreicht und dabei Feuchtigkeit an den Wänden unbedingt vermieden werden. Von der automatisierten Steuerung erhoffen sich die Betreiber schnelle Reaktionszeiten und eine hohe Effizienz des Systems in Bezug auf Wasser-, Luft- und Energieverbrauch. DYNAMISCHE SIMULATION Schnell wurde klar, dass zur Ermittlung der optimalen Lösung eine CFD-Studie (Computational Fluid Dynamics) notwendig war. Eine vorläufige Auslegung ergab, dass eine ausreichende Kühlwirkung mit acht Lanzen und Zweistoffdüsen des Typs FM10A-55 erreicht werden könnte. Diese Düsen sind in der Lage, bei einem Luftdruck von 5,5 bar und einem Wasserdruck von 6,5 bar fast 50 l/min Wasser zu versprühen. Der Druckluftverbrauch blieb in der Analyse unter 150 Nm³/h und die erzeugten Tropfengrößen wiesen einen Sauterdurchmesser von nur 80 µm auf. Auf Grundlage dieser ersten Auslegung wurden Strömungsverhalten und -geschwindigkeit, Temperaturverteilung und Tropfenbahnen untersucht. Die Strömung im Turm erschien größtenteils gleichmäßig. Allerdings zeigte die Simulation zwei Bereiche im Turm, wo es zu Rückströmungen kommen könnte, die einen negativen Einfluss auf die Verdampfung des Wassers hätten. In diesem Fall erwies sich allerdings die dadurch entstehende Wandbenetzung als sehr gering (0,33 l/h). Die Wände des Kühlturms blieben in der Simulation weitestgehend trocken. Die Verdampfung der Wassertropfen war 38 wlb UMWELTTECHNIK 1/2018

t LUFTREINHALTUNG Parameter Wert Rauchgasvolumenstrom 150 000 Nm 3 /h Staubbeladung (Klinker) 130 g/Nm 3 Rauchgastemperatur Einlass 410 °C Gewünschte Temperatur Auslass 160 °C Betriebsbedingungen der Rauchgaskühlung 01 am Ende des Turms vollständig. Auch die vorgegebene Auslasstemperatur von 160 °C konnte mit dieser Lösung erreicht werden. Dem Einbau des neuen Kühlsystems stand nichts mehr im Wege. Im Kühlturm wurden acht Düsenlanzen installiert. Dabei wurde eine Führschiene eingeplant, die das Einsetzen und Ausbauen der Lanze erleichterte. In der rauen Umgebung des Zementwerks sollten die Düsen außerdem vor Staub geschützt werden. Um Anbackungen zu reduzieren, wurden sie von einem Schutzrohr umgeben, das zusätzlich mit Luft durchströmt werden kann. FLEXIBLES REGELUNGSSYSTEM Nachdem die Lanzen an das System angeschlossen waren, konnte die Temperatur im Kühlturm mithilfe zwei verschiedener Kontrollmechanismen reguliert werden: entweder basierend auf der Messung der Temperatur am Auslass oder gestützt auf eine Messung von Rauchgasstrom, Ein- und Auslasstemperatur [2]. Zur Sicherheit wird die Auslasstemperatur von drei Temperatursensoren erfasst. Aus den gemessenen Werten wird ein Mittelwert generiert und der Systemregelung zugeführt. Liegt die gemessene Auslasstemperatur höher als die festgelegte Sprühtemperatur, wird die Wasserkühlung in Gang gesetzt und läuft solange, bis der Bereich der Sprühtemperatur wieder verlassen wird. Alternativ kann der nötige Wasservolumenstrom über folgende Gleichung ermittelt werden: 01 Auf Grundlage einer CFD-Studie werden Strömungsverhalten und -geschwindigkeit, Temperatur verteilung und Tropfenbahnen simuliert 02 Im Kühlturm wurden insgesamt acht dieser Düsenlanzen installiert 02 Sollten einzelne Temperatursensoren ausfallen oder die Messwerte stark voneinander abweichen, kann das System auf Sicherheitsbetrieb umgestellt werden. Die korrekte Funktion der Düsen wird ständig anhand der gemessenen Volumenströme von Wasser und Luft sowie dem Druck überwacht. Bei zu großen Abweichungen von den Referenzwerten, wird eine Warnung ausgegeben, und der Anlagenbetreiber kann die Düsen kontrollieren. Im laufenden Betrieb erweist sich das Gaskühlsystem als sehr zuverlässig. Nach sechs Monaten Laufzeit war neben den Routinekontrollen keine weitere Wartung nötig. Mit der optimierten Gaskühlung wurde das Luftreinhaltungssystem von Eclépens wieder auf den neuesten Stand der Technik gehoben. Bilder: Fotolia (#99873642, Banana Republic), Spraying Systems Q w = berechnete Wassermenge (l/min) Q g = Rauchgasstrom am Einlass (Nm 3 /h) T in = Rauchgastemperatur am Einlass T out = Rauchgastemperatur am Auslass C x = Korrekturfaktor zur Volumenstromänderung Literatur: [1] http://www.cimenterie-eclepens.ch/usine.html, 17.01.18, 15:19 [2] „Instruction Manual, Standard AutoJet VFD FloMax system“, AutoJet Technologies (2013) www.spray.de wlb UMWELTTECHNIK 1/2018 39