Trends bei Prozessfiltern in der Zementindustrie

Zusammenfassung: Die Prozessfiltration in der Zementindustrie hat sich in den letzten Jahren dynamisch entwickelt. Für die nächsten Jahre ist damit zu rechnen, dass sich die Staubemissionsgrenzwerte weiter verschärfen und insbesondere Filtermedien der neuesten Generation von Marktanteilen von etwa 10 % auf über 40 % zunehmen. Gleichzeitig wird der Bedarf für reine Elektrofilter weiter sinken und stattdessen werden neben Schlauchfiltern Hybridfilter ihre Marktanteile ausbauen. Dies wird auch aufstrebende Zementmärkte in China, Indien und in Afrika betreffen. Im vorliegenden Beitrag wird ein Überblick über die Entwicklung von Emissionen in der Zementindustrie und aktuelle Trends in der Filtrationstechnologie gegeben.

1 Einleitung

1950 haben die Staubemissionen von Zementwerken in den führenden westlichen Ländern noch bei etwa 3,5 kg/t Zement gelegen. Zementlinien mit einer Produktion von 3000 t/d lieferten dabei Jahresfrachten von 3500 t Staub. Anwohner konnten ihre weiße Wäsche nicht ohne Risiko im Freien trocken. Heute betragen die Jahresfrachten von modernen 5000 t/d-Linien maximal 250 t und Anwohner können den Staub aus dem Zementwerk auf ihrer weißen Wäsche mit bloßen Augen nicht mehr erkennen. Emissionsgrenzwerte von weniger als 20 mg/Nm³ sind mit der vorhandenen Technologie ohne weiteres einzuhalten. Beste Anlagen kommen inzwischen auf Emissionen von weniger als 5 mg/Nm³. In Deutschland beispielsweise, das nicht gerade den Ruf genießt, in seiner Umweltgesetzgebung lax zu sein, fallen bei den Staubemissionen praktisch keine Zementwerke mehr in das Umweltkataster. Die Zementwerke befinden sich unterhalb des Schwellenwertes von 50 t/a Feinstaub (PM10 = Particulate matter < 10 µm).

Trotzdem ist aus Sicht von Umweltbehörden die Lage immer noch trügerisch, weil die heutigen Staubfrachten Feinstaub ausmachen, der teilweise lungengängig ist und sich mit nichtflüchtigen Schwermetallen mit Anteilen bis zu 1 % anreichert. Umweltbehörden orientieren sich an der besten verfügbaren Technologie [1], relativ unabhängig davon was es kostet. So kommt von der US-Umweltbehörde EPA (Environmental Protection Agency) einen weiterer Vorstoß, die PM-Grenzwerte der Zementindustrie von derzeit 0,15 kg/t Klinker ab 2013 auf 0,04 kg/t abzusenken. Die Portland Cement Association (PCA) gibt zu bedenken, dass diese niedrigen Grenzwerte von den US-Zementwerken heute noch nicht erreicht werden. Es wird auch argumentiert, das bei einer weiteren Verschärfung der Umweltauflagen mit einer Abwanderung der Zementproduktion zu Ländern mit geringeren Auflagen zu rechnen ist. Der vorliegende Beitrag soll die Trends bei Prozessfiltern aufzeigen und inwieweit Grenzwerte unterhalb von 0,05 kg/t Klinker erreichbar sind.

2 Situation der Zementindustrie

Seitens der Zementindustrie und insbesondere bei den marktführenden Zementproduzenten sind erhebliche Anstrengungen erkennbar, in den kommenden Jahren die Staubemissionen weiter zu reduzieren. Eine Fülle von Informationen dazu kann aus den Nachhaltigkeitsberichten der Unternehmen bzw. der Zementverbände in den Ländern entnommen werden. Die Staubemissionen der Unternehmen hängen weitgehend von dem Anteil der Kapazitäten in „Emerging Markets“ ab, welche Emissionsgrenzwerte in den Ländern existieren und welchen Stand der Technik die Altanlagen aufweisen. Das erklärte Ziel zu den akquirierten Anlagen war es insbesondere, sie auf den Stand der Technik zu bringen.

So konnte Lafarge beispielweise in China, wo man in einem Joint-Venture etwa 50 Zementöfen betreibt, die Staubemissionen von 2005 bis 2007 um 57 % vermindern. Dazu wurden 16 Öfen vollständig stillgelegt. Aber auch in Ländern wie Russland, der Ukraine und Griechenland wurden die Emissionen durch den Einbau moderner Filter drastisch gesenkt. Bei Lafarge emittieren 60 % der Ofenanlagen Staubmengen unterhalb von 50 mg/Nm³. In 2010 soll dieser Wert in allen Lafarge-Zementwerken erreicht werden. Als Standard wird allerdings ein Wert von 30 mg/Nm³ vorgegeben. Durchschnittlich verringerten sich die Staubemissionen bei Lafarge von 241 g/t Klinker 2005 auf 208 g/t Klinker in 2007. Das entspricht einer Verminderung um 13,7 %. Das Selbstverpflichtungsprogramm des Unternehmens sieht eine Verringerung der Staubemissionen um 30 % in dem Zeitraum von 2005 bis 2012 vor.

Bei Holcim betrugen die Staubemissionen 150 g/t Zementmaterial in 2005 und 110 g/t Zementmaterial in 2007, wobei branchenüblich die Staubmengen auf die Emissionen am Ofenkamin bezogen werden. Bild 1 zeigt wie sich bei Holcim die spezifischen Staubmengen in den letzten Jahren verändert haben. Die Gesamtemissionen aller Werke haben sich von 18,4 kt/Jahr auf 17,7 kt/Jahr verringert, wobei die Zementproduktion auf 155,9 Mta gestiegen ist und sich der Klinkerfaktor von 75,2 % in 2005 auf 72,6 % in 2007 verringert hat. Pro Tonne Klinker wurde damit bei Holcim eine Reduktion von 199 g/t auf 152 g/t erreicht. Damit nimmt Holcim bei den international aufgestellten Unternehmen der Zementindustrie bzgl. der Staubemissionen eine führende Stellung ein. Cemex konnte seine Staubemissionen von 219 g/t Klinker in 2006 auf 162 g/t Klinker in 2008 reduzieren. Die absolute Emission wurde dabei mit einer verringerten Produktionsmenge von 12,85 auf 9,1 kt/Jahr reduziert. Bis 2015 soll die spezifische Emission auf 155 g/t Klinker vermindert werden.

HeidelbergCement hatte in den Jahren 2005 und 2006 mit 275 bzw. 278 g/t Klinker praktisch unveränderte Staubemissionen. Die absoluten Staubemissionen betrugen 16,6 kt/Jahr. Italcementi konnte die spezifische Staubemissionsmenge von 2006 bis 2007 nur von 199 auf 187 g/t Klinker reduzieren. In den sogenannten „Mature Markets“ beträgt bei Italcementi die spezifische Staubbelastung nur 26 g/t Klinker, in den „Emerging Markets“ dagegen 304 g/t Klinker, also mehr als das zehnfache (Bild 2). Besonders interessant ist, dass bei Italcementi in 2005 der Wert für die „Emerging Markets“ schon bei 126 g/t Klinker gelegen hatte, durch die anschließenden Akquisitionen in 2006 sich aber deutlich verschlechterte. Während bei Italcementi in den „Mature Markets“ in 2007 nur Staubemissionen von 0,63 kt/Jahr anfielen, betrugen diese in den „Emerging Markets“ 7,8 kt/Jahr.

In der Zementindustrie wird daneben bei den Staubemissionen zunehmend betrachtet, inwieweit gefährliche Abfälle mitverbrannt werden. Auf der einen Seite haben Zementwerke den Vorteil gegenüber herkömmlichen Verbrennungsanlagen, dass die Brenntemperaturen extrem hoch sind und relativ große Verweilzeiten im Ofensystem gegeben sind. Auf der anderen Seite können sich aber insbesondere nichtflüchtige Schwermetalle wie Arsen, Blei, Cadmium, Thallium usw. im Feinstaub anreichern. Für Zementprojekte, die beispielweise von der IFC (International Finance Corporation) mitfinanziert werden, wird dies bei den einzuhaltenden Grenzwerten berücksichtigt. So beträgt die zugelassene Feinstaubemission normalerweise 30 g/Nm³, für den Fall, dass gefährliche Abfallstoffe mit mehr als 40 % des Brennstoffanteils mitverbrannt werden, sind die Emissionsgrenzwerte auf 10 g/Nm³ reduziert.

3 Prozessfilter in Zementwerken

Bei der Zementherstellung fallen systembedingt Stäube beim Materialabbau, dem Vermahlen, Brennen, Kühlen, Transportieren, Lagern, Verpacken und Versand an. Um unkontrollierte Staubemissionen zu vermeiden, wird in den einzelnen Apparaten in den Prozessschritten abgesaugt. Dies hat allerdings den Nachteil, dass bei der Zementherstellung riesige zu entstaubende Abgasmengen anfallen. Auf der Prozessseite gibt es drei wesentliche Entstaubungsaufgaben: Rohmühlen-/Ofensystem, Klinkerkühler/Ofenbypass und Zementmahlanlage. Für alle diese Fälle werden Filter eingesetzt, deren wesentliche Aufgabe ist:

a) die Emissionsgrenzwerte einzuhalten

b) einen möglichst niedrigen Druckabfall zu erzeugen

c) einen geringen KWh-Bedarf bzw. Druckluftverbrauch aufzuweisen

d) eine lange Lebensdauer und Verfügbarkeit zu haben

e) möglichst geringe Investitionskosten zu haben.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden die Filter mit Strömungseinbauten versehen, die eine gleichmäßige Gasverteilung auf die Filterelemente bewirken und möglichst niedrige Anströmgeschwindigkeiten liefern. Das dieses kein leichtes Unterfangen ist, wird deutlich, wenn man von Abluftvolumenströmen von über 2 Mio. Bm³/h für die Ofen-/Rohmühlenentstaubung ausgeht. Für die Zementmühlenentstaubung sowie Kühler- und Bypassentstaubung sind die Abluftmengen mit 1 bzw. 0,5 Mio. Bm³/h nicht ganz so groß. Aber auch hier werden für Staubbeladungen von 1000g/Bm³ kompakte Filter mit Nettofilterflächenbelastungen von 1–1,5 m³/m² min konzipiert. Ein weiterer kritischer Aspekt für die Filter sind die teilweise sehr hohen Ablufttemperaturen. Dazu werden insbesondere Ofen- und Kühlerabluftfilter mit Gaskonditioniersystemen bzw. Luft-/Luft-Wärmetauschern versehen.

Als wichtigste Bauarten für Prozessfilter haben sich in der Zementindustrie Elektro- und Gewebefilter (Schlauchfilter) bzw. Kombinationen der beiden Verfahren durchgesetzt. Ein deutlicher Trend geht hin zu Schlauchfiltern, die im Vergleich zu Elektrofiltern niedrigere Emissionsgrenzwerte ermöglichen und praktisch unabhängig von Betriebszuständen bzw. An- und Abfahrbedingungen der Anlage sind. Bei Elektrofiltern ist der Abscheidegrad bzw. die Staubabscheidung von der Rohgastemperatur und dem Widerstand der Partikel abhängig, der z. B. je nach Temperatur oder Feuchte schwanken kann. Ein anderes Problem sind erhöhte betriebsbedingte CO-Konzentrationen, die sogar zu Notabschaltungen der Filter führen können [1]. Kiesbettfilter, werden teilweise noch bei Klinkerkühlern als Vorfilter eingesetzt. Die Abscheidegrade dieser Filter als alleiniges Filter entsprechen nicht dem Stand der Technik.

3.1 Schlauchfilter (Gewebefilter)

Als Prozessfilter haben sich in der Zementindustrie Jet-Pulse Filter gegenüber Klopf- und Rüttelfiltern bzw. Rückspülfiltern durchgesetzt. Die Abscheidung der Staubpartikel findet an der Oberfläche des Filtermediums bzw. auf dem sich darauf bildenden Filterkuchen statt. Grundsätzlich wird ein Jet-Pulse-Filter (Bild 3) in Kammern für das Rohgas und Reingas aufgeteilt [3]. Das Rohgas strömt mit Eintrittsgeschwindigkeiten von über 10 m/s in das Einlaufgehäuse ein und wird durch spezielle Einbauten gleichmäßig in Längs- und Querrichtung mit Geschwindigkeiten von 1–1,2 m/s auf die Filterschläuche verteilt. Diese haben Standardlängen von 6 – 8 m und werden von außen nach innen durchströmt [4]. Die Strömung in den Filterschläuchen beträgt nur etwa 0,02 m/s. Nach der Durchströmung der Filterschläuche verlässt das Reingas das Filter am Kopf, von wo auch ein Filterschlauchwechsel erfolgt. Die Staubpartikel sedimentieren in den Sammeltrichter, das Material wird von dort zumeist über Förderschnecken abtransportiert. Die differenzdruck- oder zeitgesteuerte Abreinigung der Filtermedien erfolgt durch eine Impulsabreinigung.

Die Druckverluste des Filters resultieren aus einem Anteil Δp₁ für den Filterkuchen, Δp₂ für das Filtermedium und Δp₃ für das Filtergehäuse, welches alle übrigen Druckverluste umfasst. Als Druckverlust für das Filtermedium wird der Restdruckverlust Δp₀ nach der Impulsabreinigung verwendet. Verbesserte Impulsabreinigungsverfahren haben sich in den letzten Jahren als erfolgreiche Maßnahmen zur Energieeinsparung bei Schlauchfiltern erwiesen. Dabei werden durch roh- und/oder reingasseitige Absperrorgane die einzelnen Filtermodule für die Abreinigung in den offline- bzw. semioffline Zustand geschaltet. Hiermit wird die sofortige Wiederanlagerung an benachbarten Filterschläuchen unterbunden und zusätzlich kann die Abreinigung mit einem Druckluftimpuls von niedrigerer Intensität als bei konventionellen Jet-Pulse Filtern erfolgen.

Für die Impulsabreinigung haben sich Niederdruck-Systeme mit Differenzdrücken von 1 bis 3 MPa und relativ langen Abreinigungs-Zykluszeiten bewährt. Die Vorteile sind insbesondere höhere Schlauchstandszeiten aber auch ein geringerer Energiebedarf. Im Verbund mit speziellen Treibstrahldüsen mit Sekundärlufteinströmung sorgen diese Maßnahmen für einen deutlich reduzierten Druckluftverbrauch und einen reduzierten Energiebedarf (LPVP-Verfahren = low pressure – low volume) [4]. Der Energiebedarf für die Erzeugung von Druckluft ist aber bezogen auf den Gesamtenergiebedarf des Filters relativ niedrig, so dass andere Verfahren auf einer Reduzierung der Druckverluste für das Filtermedium und den Filterkuchen fokussieren. Mit dem Three E-Verfahren (Bild 4), das für „Enhanced Enegy Efficiency“ steht, werden so neben neuen Filtermedien Zykluszeiten von < 150 s verwendet [5]. Das Ergebnis sind auch hier Energieeinsparungen von bis zu 40 %.

3.1.1 Ofen- Rohmühlenentstaubung

Ofenfilter werden zumeist für den Verbundbetrieb von Ofen und Rohmehlmühle ausgelegt. Die Ofen- bzw. Wärmetauscherabgase mit Temperaturen von 250 bis 350 °C werden dabei teilweise oder auch vollständig für die Mahltrocknung in der Rohmehlmühle eingesetzt. Hauptsächlich kommen dabei Vertikalmühlen zum Einsatz [6]. In vielen Schaltungen wird ein Mühlenbypass mit einer Abgaskonditionierung vorgesehen, so dass die Ofenabgase vollständig über die Bypassleitung gegeben werden können, falls die Mühle nicht in Betrieb ist (Bild 5). Die Mühle muss dazu mit einem separaten Mühlenventilator ausgeführt werden, der den Mühlendifferenzdruck und den Druckabfall des der Mühle nachgeschalteten Abscheidezyklons überwindet. Die Abgase gelangen mit oder ohne Verbundbetrieb mit etwa 120 bis 230 °C in das Filter. Als Direktbetrieb werden Schaltungen ohne Mahltrocknung bezeichnet.

Schlauchfilter sind unempfindlich gegenüber kurzzeitigen Lastspitzen aus dem Ofenbetrieb, die z. B. aus Brennstoffumstellungen oder dergleichen resultieren können. Bild 6 zeigt ein Prozessfilter zur Ofen-/Mühlenentstaubung bei Dyckerhoff. Der Rohgasstrom beträgt maximal 240 000 Bm³/h, die Abgastemperatur < 230 °C, die Filterfläche 4010 m², bzw. 3700 m² netto bei semi-offline Betrieb. Die Filterschläuche werden periodisch und abhängig von Filterdifferenzdruck mit Druckluft von etwa 2,5 bar abgereinigt. Der Druckverlust beträgt 10–11 mbar, der Druckluftverbrauch < 45 Nm³/h. Die Staubgrenzwerte < 10 mg/Nm³ werden vollständig eingehalten [7]. Für das Werk Cesla von HeidelbergCement in Russland wurde ein Ofenfilter (Bild 7) geliefert. Das Filter arbeitet im Direktbetrieb und ist für Gasvolumenströme von 210000 Bm³/h ausgelegt. Filtereingangstemperaturen liegen zwischen 150 und 180 °C. Die Rohgasstaubkonzentration beträgt 78 g/Nm³. Das Filter kommt mit einem Druckabfall von 15 mbar und Druckluftverbrauch von 30 Nm³/h aus. Die Staubgrenzwerte < 10 mg/Nm³ werden vollständig eingehalten [4].

3.1.2 Klinkerkühler und Ofenbypassentstaubung

Abluftfreie Kühler haben sich bisher nicht durchgesetzt und sind wieder vom Markt verschwunden. Heute werden fast ausschließlich Schubrostkühler verwendet, die über eine Tertiärluftleitung für den Zylonvorwärmer des Ofens verfügen. Die spezifischen Kühlluftmengen betragen etwa 1,7 –1,9 Nm³/kg Klinker, wovon etwa 2/3 rekuperiert werden und 1/3 als Kühlerabluft entstaubt werden müssen. Die Abluft kann je nach System bis zu 0,5 Mio. Bm³/h ausmachen. Die Ablufttemperaturen betragen 250 bis 350 °C, bei sogenannten Upset-Bedingungen können auch Temperaturen von 500 °C auftreten. Entsprechend werden den Filtern Zyklone und Luft-/Luft-Wärmetauscher vorgeschaltet (Bild 8 und 9). Zyklone reduzieren die Staubkonzentrationen von bis zu 75 g/Bm³ um etwa 70 % für den Wärmetauscher. Mit dem Wärmetauscher wird die Ablufttemperatur auf die für Polyesterschläuche bzw. Nomexschläuche möglichen Dauertemperaturen von 135 bzw. 200 °C abgekühlt. Um etwaige Temperaturspitzen abzubauen, wird eine regelbare Frischluftklappe im Wärmetauscher vorgesehen.

Durch die zunehmende Verwendung von Sekundärbrennstoffen gelangen vermehrt Chlor, Schwefel und Alkalien in den Ofenprozess. Mit der Rückführung von Ofenstaub in den Prozess bildet sich dabei ein innerer Kreislauf in Ofensystem aus. Mit einem Bypass von 5 –10 % wird ein Teil des staubbeladenen Ofenabgases aus dem Prozess ausgeschleust. In der letzten Zeit wurden verstärkt Bypasssysteme mit einem gemeinsamen Filter für Bypassgas und Kühlerabluft konzipiert [8]. Bei Castle Cement ist ein Bypass-Filter (Bild 10) für einen Ofengasbypass von 7 % als separates Prozessfilter installiert. Die Rohgasmenge beträgt etwa 107 000 Bm³/h, die Gastemperatur 220 °C (max. 260 °C), die Filterfläche 2375 m² und damit die spez. Filterbelastung 0,75 m³/m² min. Mit dem Filter werden Grenzwerte < 5 mg/Nm³ eingehalten.

3.1.3 Zementmühlenentstaubung

Bei der Entstaubung der Zementmahlanlage arbeitet das nachgeschaltete Filter als Abscheider für das im Luftstrom transportierte Fertiggut. Die sich ergebenden Luftmengen und Staubbeladungen richten sich danach, welches Mahlverfahren verwendet wird. So liefern Vertikalmühlen etwa um den Faktor 2 größere Luftmengen als beispielweise Kugelmühlen oder Walzenpressen, wo separate Sichter verwendet werden. Während die Staubbeladungen bei den Vertikalmühlen bei 200 –500 g/m³ mit Partikelgrößen über das gesamte Fertiggutspektrum liegen, ist die Fertiggutdirektabscheidung aus Sichtern durch extrem hohe Staubbeladungen bis 1000 g/m³ und teilweise niedrigste Partikelgrößen gekennzeichnet, wenn z. B. Zyklonumluftsichter für die Vorabscheidung eingesetzt werden. Die Energieverbräuche für die Vertikalmühlenentstaubung sind zwar verglichen mit Kugelmühlen- und Verbundprozessen aus Kugelmühle/Walzenpresse größer, es können aber relativ einfache Prozessschaltungen verwendet werden.

Bei Kugelmühlen-/Sichterkreisläufen wird zumeist für die Kugelmühle ein separates Entstaubungsfilter und für den Sichter ein Prozessfilter benötigt. Mehrere Sichter werden überwiegend durch separate Filter entkoppelt. Für die Prozessfilter ist bei den hohen Staubbeladungen und Luftmengen eine gleichmäßige Anströmung der Filterflächen wichtig. Bild 11 zeigt ein Mühlenfilter für eine Vertikalmühle bei Atlantica Cement in Spanien. Der Mühlenabluftstrom beträgt 400 000 Bm³/h, die spez. Filterbelastung 0,94 m³/m³ min, die Staubbeladung 350 g/m³. Das Filter hat einen Druckverlust von 9 mbar, einen Druckluftverbrauch von 86 Nm³/h und unterschreitet den Grenzwert von 20 mg/Nm³.

3.2 Elektrofilter

Bis etwa 1980 wurden Ofen- und Kühlerabluftfilter praktisch ausschließlich als Elektrofilter ausgeführt. Heute ist der Einsatz aufgrund der gestiegenen Emissionsgrenzwerte in den meisten Ländern stark rückläufig. Streng genommen handelt es sich nicht um Filter, sondern um elektrostatische Abscheider. „Elektroabscheider“ bestehen im Wesentlichen aus parallelen Gaskanälen, die von metallischen Niederschlagselektroden gebildet werden. Zwischen den Niederschlagselektroden befinden sich Sprühelektroden, an deren Oberfläche durch die angelegte Hochspannung eine Koronaentladung erzeugt wird (Bild 12). Staubpartikel werden dabei durch die Anlagerung von Gasionen elektrisch aufgeladen und an den Niederschlagselektroden abgeschieden. Mit dem Verfahren sind Staubemissionen < 50 mg/Bm³ einzuhalten, in bestimmten Fällen können auch Werte von 20 –30 mg/Bm³ unterschritten werden.

Mit Elektrofiltern werden aber keine absoluten Grenzwerte wie bei Schlauchfiltern eingehalten. Probleme ergeben sich beispielsweise beim An- und Abfahren bzw. Upset-Bedingungen der Zementanlagen. Der spezifische elektrische Widerstand der Staubpartikel sowie die Gastemperaturen, Feuchten und CO-Konzentrationen spielen für die Staubabscheidung eine wichtige Rolle. Durch hohe Feldstärken in der angelagerten Staubschicht kann es zu einem Rücksprühen mit Entladungen der negativ geladenen Partikel kommen. In einem solchen Fall muss die Filterspannung verringert werden, was einen Einbruch des Abscheidegrades nach sich zieht. Bei betriebsbedingt erhöhten CO-Konzentrationen kann es sogar zu Notabschaltungen kommen. Diesen Nachteilen stehen als Vorteile der niedrige Druckverlust und die geringeren Anschaffungs- und Betriebskosten im Vergleich zu Schlauchfiltern gegenüber [9]. Deshalb werden Elektrofilter meist in Ländern eingesetzt, wo weniger weitreichende Umweltauflagen existieren.

Mit erhöhten Umweltauflagen ist die Leitungssteigerung von bestehenden Elektrofiltern ein wichtiger Aspekt in der Zementindustrie geworden [10]. Die Möglichkeiten dabei sind vielfältig und betreffen im Wesentlichen die Reinigung, neue Einbauten, verbesserte Pulsgeneratoren und veränderte Betriebsbedingungen. Der letzte Punkt gestaltet sich aber meist schwierig, weil in den Zementproduktionsprozess bzw. bei bestimmten Betriebsbedingungen nicht eingegriffen werden kann. Ebenso ist ein Umbau eines Elektrofilters mit größeren Höhen oder Längen aufgrund der damit verbundenen hohen Kosten selten gewünscht. Eine wichtige Anwendung für Elektrofilter in der Zementindustrie ist nach wie vor die Kühlerabluftentstaubung. Aber auch die Ofenentstaubung ist noch eine wichtige Domäne für Elektrofilter. Bild 13 zeigt ein Elektrofilter bei der Arabian Cement Co. in Ägypten zur Kühlerentstaubung in einem 6000 t/d „Greenfield“ Zementwerk. Die Abluftmenge beträgt 640 000 Bm³/h, die Ablufttemperatur 330 °C. Hier kommen die Vorteile der Belastung mit hohen Temperaturen voll zur Geltung.

3.3 Hybridfilter

Um steigenden Umweltauflagen Rechnung zu tragen, werden vorhandene Elektrofilter als Hybridfilter umgebaut. Dabei wird die Elektrofiltertechnologie mit der Schlauchfiltertechnologie kombiniert. Dieses Konzept bietet sich in erster Linie zur Leistungsverbesserung von bestehenden Elektrofiltern an, wobei das existierende Filtergehäuse und zumeist die ersten Elektrofilterfelder weiter genutzt werden. Bild 14 zeigt ein solches Hybridfilter. Mit einem Hybridfilter kann bis zu 90 % der Staubmenge mit einem relativ geringen Energieaufwand im Elektrofilterteil abgeschieden werden, die Feinentstaubung erfolgt im Schlauchfilterteil. Die Ionisierungs- und Agglomerationseffekte aus der ersten Filterstufe wirken sich vorteilhaft für die Abscheidung mit dem Schlauchfilter aus. Ein Hybridfilter ist gegenüber einem Elektrofilter unabhängig von den Betriebsbedingungen, so dass gleiche Verfügbarkeiten wie mit Schlauchfiltern möglich sind.

Teilweise wird mit Hybridfilter auch eine Kombination aus Elektrofilter und nachgeschaltetem separaten Schlauchfilter bezeichnet [11], die nur durch einen Luftkanal miteinander verbunden sind. Um ein vorhandenes Filtergehäuse verwenden und optimieren zu können, ist eine CFD-Simulation (CFD = Computational Fluid Dynamics) der Strömungsgeschwindigkeiten (Bild 15) bei den Lieferanten zum Standard geworden. Bei sachgerechter Auslegung kann die Hybrid-Filtertechnologie gegenüber Schlauchfiltern einen deutlich geringeren Druckverlust und verlängerte Schlauchstandszeiten liefern. Entsprechend kommen Hybridfilter heute auch für Neuanlagen in Frage (Bild 16). Der Vorteil ist, dass das Engineering und die Auswahl des Gebläses für das Hybridfilter gemäß den spezifischen Anforderungen erfolgen können. Ein wichtiges Kriterium neben dem Einhalten der Emissionen ist dabei der benötigte kWh-Bedarf, der bei richtiger Auslegung um etwa 40 % gegenüber einem konventionellen Schlauchfilter vermindert werden kann.

Jeder Filterumbau ist genauestens den Entstaubungsanforderungen und wirtschaftlichen Rahmendaten anzupassen. So kann es auch erforderlich sein, von einem vorhandenen Elektrofilter nur das Filtergehäuse zu verwenden. Man spricht dann nicht von einem Hybridfilter, sondern von einem Elektrofilter-Umbau. Ein solches Beispiel ist das in Bild 17 gezeigte Ofen-/Rohmühlenfilter bei Deuna Zement in Deutschland. Die Elektrofiltertechnologie ist komplett durch eine JetPulse-Schlauchfiltertechnologie ersetzt. Die Entstaubungsluftmenge beträgt 550 000 Bm³/h, die Rohgasstaubbeladung
60-80 g/Bm³, die Rohgastemperatur 240 °C. In das vorhandene Filtergehäuse wurden 9300 m² Filterfläche untergebracht, die Emissionen liegen unter 8 mg/Nm³. Der gesamte Filterumbau dauerte etwa 6 Wochen.

4 Filtermedien für Schlauchfilter

In der Zementindustrie haben sich als Filtermedien für Prozessfilter die unterschiedlichsten Materialen bewährt. Seit der ersten Generation von Filtermedien sind für Filterschläuche jedoch deutliche Technikverbesserungen erzielt worden. Dabei standen in der Entwicklung schon immer die Parameter Abscheidegrad, Luftdurchlässigkeit, Temperaturempfindlichkeit, chemische Beständigkeit, Standzeiten und Investitionskosten im Mittelpunkt und teilweise diametral zueinander. Während für die 1. Generation von Filtermedien einfache Gewebe und Nadelfilze konfektioniert werden, hat man es bei der 3. Generation mit mehrlagigen, „engineerten“ Membranfiltermedien zu tun. Die 2. Generation von Filtermedien bezeichnet dagegen unterschiedlichste Polymermaterialien und Glasfaser, die auf den jeweiligen Einsatzfall hinsichtlich Temperatur und chemischer Beständigkeit optimiert werden.

In Tabelle 1 sind häufig verwendete Filtermedien der 2. und 3. Generation mit ihren Einsatzgrenzen für die Zementindustrie gegenübergestellt. Als Standard wird überwiegend Nomex^® verwendet, das ein besonders gutes Preis-/Leistungsverhältnis liefert. Nomex^® hat aber insbesondere Grenzen bei seiner Säurebeständigkeit. Dazu gibt es je nach Temperaturklasse diverse Alternativen. Die Tabelle liefert zunächst keine Information über die möglichen Fraktionsabscheidegrade der verwendeten Materialien. Ergebnisse dazu sind in Bild 18 dargestellt. Hier werden die Filtermaterialien der 2. und 3. Generation miteinander verglichen. Man erkennt, dass Filtermedien der 3. Generation im Bereich unterhalb PM10 (10 Mikrometer) und insbesondere bei PM2 ein deutlich besseres Abscheideverhalten für Feinstaub besitzen. Während bei PM2 Filtermedien der 2. Generation nur einen Abscheidegrad von 90 % liefern, beträgt dieser bei Filtermedien der 3. Generation nahezu 100 % (99,99 %).

Filtermedien der 3. Generation können Emissionsgrenzwerte nahe der Nachweisgrenze erreichen [13]. Dies hat mit dem speziellen Aufbau (Bild 19) der Materialien zu tun. Membranfilter der 3. Generation sind zweilagig aufgebaut. Die Anströmseite besteht aus einer sehr dichten, aber ebenso mikroporösen ePTFE-Membran (ePTFE = Expanded Polytetrafluoroethylene) Die zweite Lage besteht aus einem Trägermaterial, das je nach Temperaturanforderung aus den unterschiedlichsten Materialien der 2. Generation hergestellt werden kann. Das Trägermaterial hat nur eine Stütz- und keine Filterfunktion. Die Staubpartikel werden vollständig von der ePTFE-Schicht zurückgehalten. Es handelt sich somit um ein Oberflächenfiltrationsverfahren [14]. Ein Eindringen auch feinster Partikel in die Filterschicht findet praktisch nicht statt. Damit ist ein gleichbleibender niedriger Druckverlust über die Lebensdauer gegeben und die Filtermedien kommen auf längere Gesamt-Betriebszeiten, weil der Verstopfseffekt mit zunehmendem Betrieb entfällt.

5 Lieferanten für Filter und Filtermedien

Im Laufe der Jahre haben sich erhebliche Veränderungen bei den Filterlieferanten und Herstellern für Filtermedien ergeben. Dies hat u. a. mit der Marktdynamik und der Verdrängung der Elektrofilter durch Schlauchfilter zu tun. Ein anderer Aspekt ist, dass keiner der Lieferanten allein auf die Zementindustrie fixiert ist und einige der Unternehmen die Zementindustrie nicht als Kernindustrie beliefern. Schließlich haben mit den veränderten Kapazitätszuwächsen der letzten Jahre insbesondere Lieferanten aus China und Indien von der Marktdynamik profitiert. In den folgenden Betrachtungen werden diese Unternehmen aber noch ausgeklammert, weil dazu bisher nur wenige wirklich verlässliche Marktinformationen vorliegen. U.a. ist der Auftragswert für die kompletten Prozessfilter für ein 1 Mta Zementwerk in Asien etwa um 30 % niedriger als z. B. in Europa, in China liegt der Wert noch einmal 10 % niedriger. Dennoch lässt sich für die letzten zwei Geschäftsjahre für den Prozessfilterbereich bei Zementwerken ein durchschnittliches Investitionsvolumen von 650 Mio. US$, davon entfallen etwa allein 270 Mio. US$ (41,5 %) auf Filtermedien (ohne Ersatzbedarf) [15].

Bei dem Bau von Filteranlagen sind 3 Unternehmen bezogen auf ihren Umsatz in der Zementindustrie führend: FLSmidth Airtech, die zu der FLSmidth Gruppe zählen und von deren hohen Marktanteil bei Zementanlagen profitieren, AAF International (Bild 20), zu denen u. a. der Filterbauer Beth zählt sowie Scheuch, die insbesondere in den letzten Jahren von ihrem EMC-Konzept (EMC = Energy Minimizing Concept) profitieren. Zu dem Kreis der führenden Unternehmen ist seit 2 Jahren auch die italienische Firma Redecam hinzuzuzählen. Neben diesen Unternehmen gibt es eine relativ große Anzahl von eher mittelgroßen Filterbauern, die alle über hervorragende Referenzen verfügen. Beim Schwerpunkt Schlauchfilter sind u. a. zu nennen: GE (BHA), Intensiv-Filter, Mikropul (Bild 21), Lühr, Fives Solios, Contimpinati, DG-E, Dantherm und Boldrocchi. Im Bereich der Elektro- und Hybridfilter sind in erster Linie zu nennen: Lodge Cottrell und Elex.

Bei den Filtermedien für Prozessfilter gibt es ebenfalls eine relativ große Anzahl von Herstellern. AAF verwendet weitgehend Filtermedien aus eigener Fertigung, FLSmidth Airtech bezieht mit dem Filtermedienhersteller Advanced Filtration Technology (AFT) teilweise Filtermedien aus dem eigenen Hause, ebenso wie Lühr mit seiner Beteiligung an M. G. F. Gutsche. Aber auch FLSmidth Airtech und Lühr bedienen sich wie die anderen Filterbauer je nach Erfordernissen mit den Erzeugnissen der verschiedenen Hersteller. Zu den führenden Unternehmen zählen u. a. AAF, Donaldson, WL Gore and Associates, Evonik Fibres (Inspec), BWF Envirotec, Standard Filter, Norafin, Altair, Primafilter, Albany Filtration sowie Midwesco Filter Resources. Weltweit (ohne China) gibt es über 20 verschiedene Hersteller von Filtermedien für Prozessfilter der Zementindustrie. Die große Anzahl der Hersteller kommt hier dadurch zustande, dass neben der Zementindustrie eine breite Palette von sonstigen Industrien beliefert wird.

6 Ausblick

Die Prozessfiltration in der Zementindustrie hat sich in den letzten Jahren dynamisch entwickelt. Für die nächsten Jahre ist damit zu rechnen, dass sich die Staubemissionsgrenzwerte weiter verschärfen und insbesondere Filtermedien der neuesten Generation von Marktanteilen von etwa 10 % auf über 40 % zunehmen. Gleichzeitig wird der Bedarf für reine Elektrofilter weiter sinken und stattdessen werden neben Schlauchfiltern Hybridfilter ihre Marktanteile ausbauen. Dies wird auch aufstrebende Zementmärkte in China, Indien und in Afrika betreffen.

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