Maass P., Peissker P. (ред.) Handbuch Feuerverzinken
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6 Umweltschutz und Arbeitssicherheit in Feuerverzinkungsbetrieben
Abb. 6.6 Zinkkessel-Einhausung
Abb. 6.5a–b Zinkkessel-Einhausung
a Zinkkessel-Einhausung
b Zinkkessel-Einhausung
210
abzusaugende Volumenströme. Es können Volumenströme bis zu 6000 m
3
(m
2
h)
–1
für die Erfassung der luftfremden Stoffe benötigt werden. Die Verwendung von
Randabsaugungen an Verzinkungskesseln mit einer Breite > 2 m ist nur dann
sinnvoll, wenn ihre Erfassungswirkung durch Zusatzeinrichtungen, wie z. B.
Schwenkflügel mit Blasschleier (s. Abb. 6.4), unterstützt wird.
Einhausungen an Verzinkungskesseln
Aus der betrieblich bedingten Höhe H
E
und der Oberfläche A
z
der Zinkschmelze
resultiert der Rauminhalt bzw. das Volumen E
v
der Einhausung.
Für Planungen kann das Einhausungsvolumen entsprechend der Abhängigkeit
E
v
= A
z
2,12 H
E
(m
3
)
überschlägig berechnet werden.
Für allseitig geschlossene Einhausungen wurde mithilfe einer Regressionsanalyse
aus Messungen an verschiedenen Verzinkungsanlagen die Luftwechselrate L
R
in
Abhängigkeit vom Rauminhalt E
v
der Einhausung ermittelt. Das Ergebnis ist in Abb.
6.7 grafisch dargestellt. Die Darstellung im halblogarithmischen Maßstab ergibt
eine Gerade, die jedoch nur fürEinhausungsvolumenE
v
von 10 m
3
bis 160 m
3
Gültigkeit hat. Zur sicheren Erfassung und zur Ableitung der entstehenden
luftverunreinigenden Stoffe sind Luftwechselraten L
R
zwischen 10 min
–1
und
2min
–1
erforderlich. Der abzusaugende Mindestvolumenstrom V kann wie folgt
berechnet werden:
V
.
= E
v
L
R
(m
3
min
–1
)
Die fremdstoffhaltige Abluft wird an der höchsten Stelle der Einhausung abgesaugt
und zur Reinigung einem Rückhaltesystem (z. B. filternder Abscheider) zugeführt.
6.2 Maßnahmen zur Luftreinhaltung
Tab. 6.1 Abzusaugende Volumenströme im Bereich der Oberflächenvorbehandlung
Behälter Volumenstrom im m
3
h
–1
je m
2
Behälteroberfläche bei Breite/Länge =
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Abschreckbehälter 2000 2400 2600 2750 2900
Beizbehälter
kalt 1550 1800 1950 2050 2150
heiß 2600 3000 3250 3450 3600
Entfettungsbehälter 1300 1500 1600 1700 1800
Wasserbehälter
nicht kochend 1000 1200 1300 1400 1450
kochend 2000 2400 2600 2750 2900
211
6.2.1.3 Rückhaltesysteme
Zur Minderung der verfahrensbedingten, luftverunreinigenden Stoffe finden
Rückhaltesysteme (Abscheider) unterschiedlicher Bauarten und Technologien
Anwendung. Sie haben die Aufgabe feste, flüssige und gasförmigeStoffeaus
Trägergasen möglichst vollständig abzuscheiden. Die VDI-Richtlinien 3677 [6.25]
und 3679 [6.26] geben Hinweise auf Bauarten und die Auslegung unterschiedlicher
Rückhaltesysteme.
Für die Reinigung der mit luftverunreinigenden Stoffen beladenen Abluft aus
dem Bereich der Oberflächenvorbehandlung und der beim Feuerverzinken
entstehenden Abluft ist der Einsatz verschiedener Rückhaltesysteme möglich. Im
Bereich der Oberflächenbehandlung mit Salzsäure wird der Grenzwert von 10 mg/
m
³
HCl eingehalten [6.28], wenn sich der Schnittpunkt der HCL Konzentration und
der Temperatur in der straffierten Fläche der Abb. 6.3 [6.22] befindet. Ist ein solche,
begrenzte Fahrweise der Vorbehandlung nicht gewünscht, ist eine vollständige
Einhausung der Vorbehandlung und Reinigen der Luft über einen Nassabscheider
notwendig: Für die entstehenden Aerosole der Verfahrenslösungen werden
nassarbeitende Abscheider eingesetzt, mit denen die Einhaltung der festgelegten
Grenzwerte möglich ist.
Aufgrund der Tatsache, dass die beim Verzinkungsvorgang entstehenden
luftverunreinigenden Stoffe zu etwa 80% aus sehr feinen Partikeln bestehen
[6.27], haben sich von den erwähnten RückhaltesystemeninderFeuerverzinkungs-
industrie für die Abgase vom Verzinkungskessel Abreinigungsfilter, insbesondere
Schlauchfilter, durchgesetzt. Da es beim Einsatz von Nassabscheidern im Bereich
der Oberflächenvorbehandlung keine Probleme gibt, wird in den folgenden
Ausführungen insbesondere auf die Feststoffabscheidung mit filternden Ab-
scheidern und die damit zusammenhängenden Probleme eingegangen.
6 Umweltschutz und Arbeitssicherheit in Feuerverzinkungsbetrieben
Abb. 6.7 Luftwechselrate L
R
in Abhängigkeit vom Rauminhalt
bzw. Volumen E
υ
der an einem Verzinkungskessel zu
installierenden Einhausung
212
6.2.1.3.1 Filternde Abscheider Filternde Abscheider sind Einrichtungen zur
trockenen Staubabscheidung, bei denen das zu reinigende Gas ein Filtermedium
durchströmt und die Partikeln zurückgehalten werden. Als Filtermedien unter-
scheidet man einerseits aus Fasern aufgebaute Faserschichten (Filze, Vliese und
Gewebe) und andererseits körnige Schichten. Je nach konstruktivem Aufbau und
Wirkungsweise des Rückhaltesystems kann man die Filtrationsabscheider in
I
Tiefen- oder Speicherfilter (Mattenfilter) und
I
Abreinigungsfilter (Schlauch-, Taschen-, Patronen- und
Schüttschichtfilter)
unterscheiden, die als Druck- oder Saugfilter ausgeführt werden können.
Tiefen- oder Speicherfilter werden bei niedrigen Partikelkonzentrationen eingesetzt.
Die Gasreinigung erfolgt durch die Abscheidung der Partikeln in der Faserschicht.
Die Filtermatten werden erneuert, wenn die Speicherfähigkeit erschöpft, d. h., wenn
Staubsättigung erreicht ist. Bei Sonderbauarten ist die Regeneration der Filte-
relemente möglich.
Abreinigungsfilter sind für Staubkonzentrationen bis zu mehreren g m
–3
geeignet.
Die Gasreinigung erfolgt beim Durchströmen eines oder mehrerer Filterelemente,
z. B. Schläuche, Taschen, Patronen, oder einer körnigen Schüttschicht.
Die Staubabscheidung erfolgt vorwiegend an der Oberfläche (innen oder außen)
des Filtermediums; es bildet sich eine Staubschicht, die die eigentliche, hoch-
wirksame Filtrationsschicht darstellt. Infolge der zunehmenden Schichtdicke an der
Oberfläche des Filterelements steigt der Druckverlust während der Filtrationsphase
an. Zur Aufrechterhaltung der Filterfunktion muss das Filtermedium periodisch
oder in festgelegten Intervallen regeneriert werden. Es gibt verschiedene Bauarten
filternder Abscheider. In Feuerverzinkereien sind bisher vorwiegend Rückhalte-
systeme, z. B. Schlauchfilter, Patronenfilter und Taschenfilter zum Einsatz ge-
kommen, bei denen das Filtermedium während der Filtrationsphase von außen
nach innen durchströmt wird, der Rohgasstaub also auf der Außenfläche
abgeschieden wird. Den Aufbau und die Funktion solcher Filtrationsabscheider
(Schlauch- und Patronenfilter) zeigen die Abb. 6.8 und 6.9.
Die Regeneration der Filterelemente (Schlauch oder Patrone) erfolgt durch
Druckluftimpulse beim Erreichen bestimmter, vorzugebender Differenzdrücke.
Dieser Abreinigungsvorgang kann durch eine vom Differenzdruck gesteuerte
Regelung den Betriebsbedingungen angepasst werden. Eine weitere Variante ist das
Rückhaltesystem (Schlauchfilter), bei dem das Filtermedium von innen nach außen
durchströmt wird.
Die Abreinigung der innen angeströmten Filterschläuche erfolgt durch Rütteln
und zeitgleiches Rückspülen mit Luft. Das Funktionsprinzip eines solchen
Rückhaltesystems zeigt die Darstellung in Abb. 6.10.
Filternde Abscheider können nahezu unbegrenzt eingesetzt werden, wenn die
physikalischen und chemischen Eigenschaften der partikelförmigen Stoffe und des
Trägergases bei der Auswahl des Filtermediums berücksichtigt worden sind.
Es ist z. B. zu berücksichtigen, ob hygroskopische, öl- oder fetthaltige Stäube
entstehen können. In einer Untersuchung im Jahr 2006 durch die LEOMA GmbH
[6.29] in Zusammenarbeit mit der Effizienzagentur NRW konnte gezeigt werden,
6.2 Maßnahmen zur Luftreinhaltung
213
6 Umweltschutz und Arbeitssicherheit in Feuerverzinkungsbetrieben
Abb. 6.8 Prinzip des Rückhaltesystems mit Abreinigung durch
Druckluftstoß (Impuls), bei dem das Filtermedium in der
Filtrationsphase von außen nach innen durchströmt wird
Abb. 6.9 Prinzip eines Patronenfilters mit Abreinigung durch
Druckstoß (Impuls), bei dem das Filtermedium in der Filtra-
tionsphase von außen nach innen durchströmt wird
214
dass eine funktionierende Entfettung wesentlich den Fettgehalt des Filterstaubes
reduziert. Bei einer Menge von 20 g/kg Fett im Filterstaub können Probleme bei der
automatischen Abreinigung des Filtermediums auftreten und den Luftdurchlass des
Filters frühzeitig vermindern.
DietechnischeAusführung des Rückhaltesystems (Schlauch-, Patronen- oder
Taschenfilter) hat keinen Einfluss auf die Masse der emittierten Stoffe, sondern die
6.2 Maßnahmen zur Luftreinhaltung
Abb. 6.10 Prinzip des Rückhaltesystems mit mechanischer
Abreinigung und Spülluftunterstützung, bei dem das Filterme-
dium in der Filtrationsphase von innen nach außen durchströmt
wird
215
Auswahl des Filtermediums und die Auswahl der Abreinigungsmethode sind
ausschlaggebend für die einwandfreie Funktion des Rückhaltesystems. Die
Konstruktion der Filterelemente (Schlauch, Tasche oder Patrone) sowie die
Regenerationsmethode sind wesentliche Bau-Merkmale filternder Abscheider.
6.2.1.3.2 Filterelemente Filterelemente können in unterschiedlichen Konstruk-
tionen,z.B.alsSchlauch,Tasche,Patrone(s.Abb.6.11a–c), Matten, Kerzen u. ä.
eingesetzt werden.
In der Tabelle 6.2 sind Kennwerte von Filterelementen zusammengestellt, die in
der Feuerverzinkungsindustrie mit Erfolg eingesetzt waren und auch weiterhin
eingesetzt werden. Es handelt sich dabei um Filterelemente, die von innen nach
außen durchströmt (lfd. Nr. 1, 2 und 3) und durch Rütteln mit Spülluftunterstützung
abgereinigt werden, sowie um von außen nach innen durchströmte Filterelemente
(lfd. Nr. 4 und 5), die durch Druckluft abgereinigt werden.
6 Umweltschutz und Arbeitssicherheit in Feuerverzinkungsbetrieben
Abb. 6.11a–c Filterelementbauarten [6.25] a Schlauch b Tasche c Patrone
Tab. 6.2 Kennwerte Filterelemente [6.27]
Lfd. Nr. Filterelement Filterelement im Neuzustand Rohstoff und Verarbeitung als
G=Gewebe
N=Nadelfilz
Flächen-
gewicht
Luftdurchlass
1)
1(dm
2
min)
–1
1 Schlauch 180 120 Polyester G
2 Schlauch 330 150 Polyacrylnitril N (beschichtet)
3 Schlauch 350 350 Polypropylen N (kalandriert)
4 Schlauch 500 150 Polypropylen N
5 Patrone 180 72 Micronpapier (imprägniert)
1)
gemessen nach DIN 53 887, bei 196 Pa
216
6.2.1.3.3 Regeneration der Filterelemente Um Druckverlust, Volumenstrom und
Abscheideleistung eines Rückhaltesystems über die gesamte Betriebszeit möglichst
konstant zu halten, werden die Filterelemente durch unterschiedliche Regenera-
tionsmethoden regelmäßig oder in festzulegenden Intervallen vom angelagerten
Staub befreit bzw. abgereinigt.
Die in einem Rückhaltesystem eingesetzten Filterelemente werden, je nach
System, von außen nach innen oder von innen nach außen durchströmt. Zur
Regeneration der Filterelemente gibt es verschiedene Methoden. Es kann prinzipiell
zwischen
I
mechanischer Abreinigung (Rütteln, Vibrieren),
I
Niederdruckspülung (pneumatische Abreinigung) und
I
Hochdruckspülung (Druckstoßreinigung)
unterschieden werden. Häufig wird die mechanische Abreinigung mit einer
Niederdruckspülung kombiniert.
Zur Regeneration von Schlauchfiltern sind in der Feuerverzinkungsindustrie die
in Abb. 6.12 dargestellten Verfahren im Einsatz. Die Regeneration der in der
Feuerverzinkungsindustrie eingesetzten Patronenfilter erfolgt entweder nach dem
Prinzip der Druckstoßabreinigung oder nach dem Prinzip der Rotationsdüsen-
abreinigung. Diese beiden Regenerationsmethoden sind in Abb. 6.13 schematisch
dargestellt.
Abb. 6.13a zeigt das Prinzip der Druckstoßabreinigung und in Abb. 6.13b wird die
Druckluftimpulsabreinigung durch Rotationsdüsen gezeigt. Bei der Regeneration
kannunterschiedenwerdenzwischen
I
Unterbrechen oder Vermindern des zugeführten Gasstromes,
sodasswährend der Regeneration (Abreinigungsphase) keine
Partikeln das Innere des Filtermediums oder durch dieses
hindurch auf die Reingasseite gelangen, oder
6.2 Maßnahmen zur Luftreinhaltung
Fig. 6.12 Schematische Darstellung der Abreinigungsverfahren für Schlauchfilter [6.30]
217
I
Durchspülen des Filtermediums, (im Gegenstrom) ohne
Unterbrechung oder Verminderung des zugeführten Roh-
gasstromes.
In der Feuerverzinkungsindustrie wird überwiegend die Regeneration durch
Druckluftimpulse angewendet. Die Abreinigung erfolgt üblicherweise immer dann,
wenn eine vorher eingestellte Druckdifferenz am Filtermedium erreicht ist. Dabei
wird der Volumenstrom vermindert (Teillastbetrieb). Bei den von innen nach außen
durchströmten Filterelementen, es kann sich dabei um Gewebe oder Nadelfilz
handeln, wird in der Regel mechanisch mit Spülluftunterstützung abgereinigt. Dazu
wird der Volumenstrom verringert (Teillastbetrieb) und die zu regenerierende
Filtereinheit (Kammer) vom Rohgasstrom abgesperrt. Der zeitliche Verlauf des
Restdruckverlustes nach der Abreinigung zeigt an, ob stabile Betriebsbedingungen
eingestellt werden können oder ob das Filtermedium zunehmend verstopft und
damit die Funktion des Rückhaltesystems eingeschränkt wird. In einer Arbeit von
Görnisiewicz [6.32] wird der Zusammenhang des steigenden Filtrationswiderstandes
(Differenzdruck) und des abnehmenden Volumenstroms beschrieben.
In Tab. 6.3 sind die Resultate von Laboruntersuchungen [6.33] an einem
Filtermedium (Schlauch) mit einem Flächengewicht von 500 g m
2
(Neuzustand)
gegenübergestellt; es wurde im Betrieb bei Voll- und Teillast regeneriert. Es lässt sich
ableiten, dass bei Abreinigung während Vollastbetrieb erhebliche Staubmengen
(1074 g m
2
weniger 500 g m
2
= 574 g m
2
) im Filtermedium an- und eingelagert
werden. Die feinen Staubpartikeln dringen in das Filtermedium ein, die Poren füllen
sich bis in die Tiefe auf; die Gasdurchlässigkeit verringert sich. Damit verbunden
sind die Zunahme des Filtrationswiderstandes und die daraus resultierende
verminderte Effektivität der Regeneration [6.33]. Diese Effekte werden verstärkt,
wenn die Regeneration bei voller Rohgasbeaufschlagung (Vollastbetrieb) erfolgt.
6 Umweltschutz und Arbeitssicherheit in Feuerverzinkungsbetrieben
Fig. 6.13 Schematische Darstellung der Abreinigungsverfahren für Patronenfilter
218
Der Unterschied zur Abreinigung bei Teillastbetrieb wird besonders beim
Ausblasen des Filtermediums deutlich. Bei Vollastbetrieb verbleiben 409 g m
2
am
und im Filtermedium gegenüber 46 g m
2
bei Teillastbetrieb (Tab. 6.3).
Die Regenerationsvorgänge (Filtrationsphase) müssen nicht in gleichen Zeitab-
ständen durchgeführt werden, sondern sind den Betriebsbedingungen anzupassen.
Die Produktpalette und der Durchsatz sind maßgebend für das Intervall (Pausenzeit)
und die Intensität (Druck) der Abreinigung.
Der Teillastbetrieb lässt sich in den Verzinkungspausen realisieren. Die
Anpassung des jeweils erforderlichen Volumenstromes an die unterschiedlichen
Betriebsbedingungen – Verzinken und Verzinkungspausen – kann durch unter-
schiedliche Maßnahmen zur Regelung des abzusaugenden Volumenstromes
erfolgen.
6.2.1.3.4 Filtermedien Bei Filtermedien handelt es sich um ein strukturiertes,
gasdurchlässiges Material, bei dem in der Anfangsphase die Staubabscheidung an
den noch unbedeckten Fasern – bei Filtermedien ohne Zusatzausrüstung – erfolgt.
Nach kurzer Zeit ergeben sich durch Staubablagerungen (Primärschicht =
Filterkuchen oder Filterhilfsschicht genannt) auf dem Filtermedium und durch
Einlagerungen im Filtermedium Strukturveränderungen, die den Abscheidegrad
und den Druckverlust des Filtermediums und damit des Rückhaltesystems
beeinflussen.
Gewebe und Papier sind so genannte zweidimensionale, Nadelfilz und Vlies so
genannte dreidimensionale Filtermedien, die aus verschiedenen Grundstoffen
(natürliche und synthetische Fasern) hergestellt werden können. Abb. 6.14 zeigt den
schematischen Aufbau eines Gewebes (a) und eines Nadelfilzes mit Stützgewebe (b).
Für die Auswahl der Filtermedien beim Einsatz in der Feuerverzinkungsindustrie
ist die Oberflächenvorbereitung der Stahlteile, das verwendete Flussmittel und das
Verzinkungsverfahren (Nass- oder Trockenverzinkung) von Bedeutung. Zu be-
6.2 Maßnahmen zur Luftreinhaltung
Tab. 6.3 Auswirkung der Regenerationsmethode auf die Verfügbarkeit des Filtermediums [6.31]
bezogen auf den Luftdurchlass und die abgeschiedene Staubmenge
Abreinigung Filterelement
Neuzustand Betriebszustand
Flächengewicht
(g m
–2
)
Luftdurchlass (l
[dm
2
min]
–1
)
Flächengewicht
gm
–2
Luftdurchlass
(dm
2
min)
–1
123123
1 500 150 1074 909 599 16 28 87
2 500 150 585 546 531 75 120 136
Abreinigung l Regeneration bei Vollastbetrieb
Abreinigung 2 Regeneration bei Teillastbetrieb
1 Anlieferungszustand (nicht regeneriert)
2 Ausblasen mit Druckluft
3 Auswaschen mit 40 °CwarmerLösung
219