Energieeinsparungsmöglichkeiten bei pneumatischen Förderanlagen in der Zementindustrie

Pneumatische Fördersysteme ermöglichen den Transport von feinen Schüttgütern in geschlossenen Rohrleitungen und haben dadurch oft niedrigere Investitionskosten im Vergleich zu mechanischen Förderanlagen, wobei eine Vielzahl unterschiedlicher Zuführsysteme die Wahl für die beste und wirtschaftlichste Förderlösung erschwert.

Es gibt Systemlieferanten, die verschiedene Zuführsysteme in ihrem Portfolio haben. Jeder Lieferant hat jedoch immer eine Präferenz für „sein Eigenes“ System. Beim Herausarbeiten der besten und wirtschaftlichsten pneumatischen Förderlösung unter Berücksichtigung aller Rahmenbedingungen kann eine unabhängige Beratung oft hilfreich sein.

Einführung

In der Zementindustrie konkurrieren pneumatische Fördersysteme mit mechanischen Fördersystemen. Die pneumatische Förderung hat den Vorteil, feine Schüttgüter in geschlossenen Rohrleitungen zu transportieren. Dadurch können Förderwege an bestehende Anlagen und Konstruktionen angepasst werden. Die Rohrleitung kann in Bögen verlegt und horizontale und vertikale Abschnitte enthalten. Eine derartig einfache und flexible Anordnung ist bei mechanischen Förderanlagen, die geradliniger verlaufen, nicht möglich. Ein weiterer, entscheidender Punkt ist, dass wir bei der pneumatischen Förderung über ein geschlossenes System sprechen. Es gibt keine Übergabepunkte, die entstaubt werden müssen. Die staubfreie Förderung ist hier ein großer Vorteil gegenüber mechanischen Systemen wie z. B. Bandanlagen. Mechanische Systeme haben auch mehr bewegliche Teile, die dem Verschleiß unterliegen und in der Regel viel höhere Anfangsinvestitionskosten für die Ausrüstung als pneumatische Systeme. 

Der Vorteil der mechanischen Systeme ist jedoch ihr geringerer Energieverbrauch. Aber gerade in diesem Punkt unterscheiden sich pneumatische Fördersysteme deutlich und können sogar energieeffizienter sein als mechanische Systeme.

Überblick über pneumatische Förderanwendungen in der Zementindustrie

In der Zementindustrie wird nicht nur Zement pneumatisch gefördert, sondern auch Rohmehl, Filterstaub, Bypass-Staub, Gips, Flugasche, gemahlener Hüttensand (GGBFS), Kohlenstaub und andere Brennstoffe. Die Materialien können sich in Bezug auf Dichte, Partikelgrößenverteilung, Feuchtigkeit, Temperatur und Verschleißverhalten sehr stark unterscheiden - alles Parameter, die sich erheblich auf die pneumatische Förderung und die gewählte Ausrüstung auswirken. Die optimale Wahl des pneumatischen Fördersystem hängt jedoch nicht nur vom Material, sondern auch von Förderleistung und Förderentfernung ab. All dies kann mit einem einzigen pneumatischen Förderprinzip nicht adäquat abgedeckt werden.

Aufbau von pneumatischen Fördersystemen  

Betrachtet werden nur die sogenannten Überdruck-Fördersystemen in Verbindung mit Förderrohrleitungen, die mehrere hundert Tonnen pro Stunde über mehrere hundert Meter transportieren können. Bei diesen Systemen wird durch Kompressoren oder Gebläse Druckluft erzeugt, um das Schüttgut durch die Förderleitung zu bewegen. Durch dieses Prinzip stellt sich eine Druckdifferenz ein, die neben dem Luftstrom dafür verantwortlich ist, das Schüttgut vom Zuführpunkt bis zum Empfangspunkt zu bewegen.

Der Energiebedarf der verschiedenen Systeme ist abhängig vom Fördergut, Förderleistung und der Förderentfernung. Jeder Bogen bzw. Rohraufteilungen oder andere Unregelmäßigkeiten erhöhen den Druckverlust in der Rohrleitung und somit den Energiebedarf. Wenn also pneumatische Systeme energetisch optimiert werden sollen, kommt der Systemauslegung bzw. Förderleitungsauslegung große Bedeutung zu.

Pneumatische Fördersysteme werden grundsätzlich in Dünnstromförderung und Dichtstromförderung eingeteilt, wobei verschiedene Förderphasentypen dazwischen liegen (Abb. 1). Bei der Dünnstromförderung ist die Schüttgutladung im Luftstrom gering und es ist eine bestimmte Luftgeschwindigkeit erforderlich, um das Material am Rohreingang zu erfassen. Dies ist auch der kritischste Teil der Rohrleitung, da hier die Luftgeschwindigkeit am geringsten ist und mit der Ausdehnung zum Rohrende hin die Geschwindigkeit zunimmt und das Material immer in der Luft mitgeführt wird. Bei der Dichtstromförderung wird eine viel höhere Druckdifferenz verwendet, um das Material durch das Rohr zu bewegen. Bei solchen Systemen ist es jedoch wichtig, dass die Materialpfropfen, die sich in der Förderleitung bilden, eine kritische Länge nicht überschreiten, da sonst die Förderung blockiert wird.

 

Druckgefäßanlagen sind typische Dichtstromförderanlagen. Mit allen anderen Systemen, wie z.B. der konventionellen Zellenradschleuse, der Hochdruck- (Keramik-) zellenradschleuse sowie mit der Schneckenpumpe ist nur die Förderung in der mageren Phase möglich. Druckgefäßanlagen können für Gegendrücke von 7,5 bar und mehr ausgelegt werden und ermöglichen einen sehr flexiblen Dichtphasentransport über längere Strecken von mehr als 2 km. Durch dieses Zuführsystem entsteht eine diskontinuierliche Förderung. Selbst beim Zusammenschalten von mehreren Druckbehältern wird immer nur eine „quasi“ kontinuierliche Förderung erreicht. Im Vergleich zu anderen pneumatischen Fördersystemen ist ein hoher Prozess und Automationsaufwand zu bewerkstelligen, um eine optimale Förderdung zu erreichen. Durch das zeitversetzte Befüllen und Entleeren der Druckbehälter wird einiges an Klappen- und/oder Quetsch-Ventil-Technik benötigt. Verschleiß- und Ersatzteilhaltung und dementsprechende Kosten sind hierbei zu berücksichtigen. Bezüglich Energieverbrauch hat die Druckgefäßanlage deutliche Vorteile im Vergleich zu den anderen Zuführsystemen und kann sich auf veränderte Förderrohrleitungsverläufe besser anpassen. Dies ist z.B. der Fall, wenn solche Systeme auf selbstentleerenden Schiffen installiert sind und unterschiedliche Häfen angelaufen werden.

Um kritische Bedingungen bei der Dichtstromförderung zu überwinden, gibt es eine Kombination von Luftförderrinne mit Überdrucksystemen. Diese sogenannte „FLUIDCON“ oder „Fpipe“ Systeme bieten alle Vorteile der pneumatischen Fördersysteme, jedoch mit einem deutlich geringeren Energiebedarf. Die Nutzung des Transportprinzips einer Luftförderrinne im Förderrohr ermöglicht eine Dichtstromförderung mit einer erhöhten Schüttgutladung.  Solch ein System kann mit unterschiedlichen Zuführsystemen kombiniert werden und eine Verstopfung des Materials im Rohr wird vermieden, indem das Material im Rohr über ein luftdurchlässiges Gewebe transportiert und Belüftungsluft über die gesamte Rohrlänge oder nur an den kritischsten Abschnitten des Rohrs eingeblasen wird. Die Belüftungsluft wird nicht zum Transport der Feststoffe verwendet, sondern hält das Schüttgut im Rohr in einem fluidisierten Zustand mit minimaler innerer Reibung. Diese Art der Förderung ermöglicht den Transport von feinen Schüttgütern bei geringen Differenzdruck und niedrigen Luftgeschwindigkeiten.

Zellenradschleusen und Schneckenpumpen sind die am häufigsten verwendeten Zuführsysteme in der Zementindustrie. Bei herkömmlichen Zellenradschleusen sind leider keine höheren Gegendrücke aufgrund der hohen Leckluftmengen über die Zellenradschleusen und der damit verbundenen Verschleißprobleme möglich. Der Gegendruck sollte unterhalb von 1 bar bleiben. Mit keramischen Zellenradschleusen und bis zu 1,5 bar Gegendruck wird die Leckluftmenge noch viel größer, aber der Verschleiß kann durch die Keramikauskleidung auf einem niedrigeren und noch akzeptablen Niveau gehalten werden. Die Antriebsleistung der Zellenradschleuse ist, im Vergleich zur Schneckenpumpe, deutlich geringer. Jedoch sollte ein Augenmerk auf den Verschleiß der Schleuse gelegt werden. Hier gibt es durchaus Möglichkeiten diesen Nachteil in Grenzen zu halten z.B. durch Drehen des Gehäuses, da der Verschleiß hauptsächlich Leckluftanschlussbereich entsteht.

Schneckenpumpen erlauben Gegendrücke von bis zu 2 bar. Der Nachteil von Schneckenpumpen ist zum einen die höhere Motorleistung, die für den Antrieb der Schnecke erforderlich ist. Zum anderen muss durch eine konstante Materialaufgabe der Materialpfropfeneffekt am Ende der Zuführschnecke, also im Übergangsbereich vom drucklosen in den Druckbereich, gewährleistet werden. Dieser Pfropfen dient der Abdichtung und verhindert das Rückströmen von Förderluft.  Nur eine pulsationsfreie, stetige und gleichbleibende Einspeisung des Materials in die Förderleitung gewährleistet einen geringen Verschleiß des Förderschneckenendes. Die Schneckenpumpe als Zuführorgan hat auch Nachteile bei sich verändernden Förderleitungsverläufen, da sich dadurch die Druckverhältnisse ändern. Diese Rahmenbedingen sind zum Beispiel bei selbstentleerenden Zementschiffen, die unterschiedliche Entladehäfen anfahren, gegeben. Förderschneckensystem sind jedoch, bei richtiger Auslegung, sehr langlebig und wartungsarm und kommen mit einer geringen Bauhöhe aus.

Zusammenfassung

Pneumatische Fördersysteme sind in der Zementindustrie sehr weit verbreitet. Oft gibt es keine Alternative zu diesen Systemen, obwohl sie als energieintensiv gelten. Es sind jedoch deutliche Energieeinsparungen bei den unterschiedlichen pneumatischen Fördersystemen möglich. Natürlich in Abhängigkeit an die Anforderungen, die an den Transport gestellt werden. Es ist also ratsam, sich nicht nur auf einen Lieferanten zu verlassen, sondern die Aufgabenstellung als Ganzes zu betrachten und zu vergleichen. Auch wenn die Prioritäten von Kunde zu Kunde unterschiedlich gesetzt werden, sollte ein Vergleich angestrebt werden, der alle Aspekte berücksichtigt. Neben den Investitionskosten, Ersatzteil- und Wartungskosten sollten die Energiekosten von allen Verbrauchern, die für die Förderung zum Einsatz kommen, gegenübergestellt werden. Erst eine Gegenüberstellung der Betriebskosten über mehrere Jahre bringt Sicherheit, welches System wirklich das Beste bzw. Wirtschaftlichste ist.