Process filter trends in the cement industry

Special Filtration
Bag filter for kiln dedusting
at Qassim Cement (FLS Airtech)
Schlauchfilter zur Ofenentstaubung
bei Qassim Cement (FLS Airtech)
Process filter trends in the cement industry
Trends bei Prozessfiltern in der Zementindustrie
Joachim Harder
OneStone Consulting Group GmbH, Buxtehude/Germany
1 Introduction
In 1950 the dust emission level of cement factories in the
­leading western countries was still around 3.5 kg/t of cement.
In other words, cement production lines with an output of
3000 tpd had an annual emission rate of 3500 t of dust. For local
residents, hanging white washing out to dry was not without
risk. Nowadays, the maximum annual emission rate of modern
5000 tpd lines is 250 t and it is no longer possible for local residents to see cement dust on their white washing with the naked
eye. Emission limit values of less than 20 mg/Nm3 can be easily
observed with available technology. The best plants meanwhile
achieve emission rates of less than 5 mg/Nm3. In Germany,
for example, a country that does not exactly have a reputation
for lax environmental laws, practically all cement factories have
dust emissions below the level relevant for ­environmental data
registration. Their output levels are below the threshold value
of 50 t/a of particulate matter (PM10 = Particulate ­ Matter
< 10 µm).
Despite this achievement, the environmental authorities still
view the situation with some suspicion because the particulate
matter emitted nowadays is partially respirable and has a content
of up to 1 % heavy metal and other non-volatiles. Environmental authorities are guided by the concept of best available technology [1], relatively independent of the cost involvement. For
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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/dLinien 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
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Special Filtration
instance, the US environmental authority EPA (Environmental Protection Agency) has moved to further reduce the PM
limit value of the cement industry from the present 0.15 kg/t
of clinker to 0.04 kg/t as from 2013. The Portland Cement
­Association (PCA) expressed the reservation that such low limit
values are not yet attained by US cement factories. It also argues that a further toughening of environmental regulations
will ­result in an exodus of cement producers to countries with
lower requirements. This article has the intention of outlining
process filter trends and discussing the extent to which limit
values below 0.05 kg/t of clinker can actually be attained.
2 Situation of the cement industry
It is obvious that the cement industry and especially the leading cement producers are making considerable efforts to further reduce dust emissions in coming years. The sustainability
reports of cement producing companies and national cement
associations provide a large amount of relevant information on
this subject. The dust emission figures of individual companies
largely depends on the proportion of their output capacity in
“emerging markets”, on what emission limit values exist in the
countries involved and on the state of technology of the old
plants. When purchasing such plants, the declared aim of global
producers was to bring them up to the state of the art.
In China for instance, Lafarge - who operates approx. 50 cement
kilns in a joint venture – succeeded in reducing dust emissions
by 57 % between 2005 and 2007. In addition, 16 kilns were totally shut down. Also in countries like Russia, the Ukraine and
Greece, emissions were drastically cut by installing modern filters. 60 % of Lafarge‘s kiln plants emit dust quantities of lower
than 50 mg/Nm3. In 2010, Lafarge aims to achieve this figure
in all of its cement factories. The specified company standard is,
however, 30 mg/Nm3. On average, the dust emission of Lafarge
factories dropped from 241 g/t of clinker in 2005 to 208 g/t
of clinker in 2007. This corresponds to a reduction of 13.7 %.
The company‘s voluntary commitment programme provides
for a dust emission reduction of 30 % over the period from
2005 to 2012.
In the case of Holcim, the dust emission in 2005 was 150 g/t
of cement material, while in 2007 it was 110 g/t of cement ma­
terial. As is customary on the cement sector, dust quantities are
referred to the emissions at the kiln stack. Figure 1 shows how
Holcim’s specific dust quantities have changed in recent years.
The total emissions of all the company’s factories have fallen
from 18.4 kilotons/year to 17.7 kt/year, while cement output
has risen to 155.9 Mta and the clinker factor was reduced from
75.2 % in 2005 to 72.6 % in 2007. Holcim thus achieved a reduction from 199 g to 152 g per tonne of clinker. Among the
global players of the cement industry, Holcim thus has one of
the lowest dust emission figures. Cemex reduced its dust emissions from 219 g/t of clinker in 2006 to 162 g/t of clinker in
2008. Taking account of a decrease in the company’s production output, the absolute emission figure dropped from 12.85
to 9.1 kt/year. Cemex aims to reduce the specific emission rate
to 155 g/t by 2015.
HeidelbergCement’s dust emission figure remained practically
unchanged in the years 2005 and 2006 with 275 and 278 g/t of
clinker. Its absolute dust emission was 16.6 kt/year. Italcementi
was only able to reduce its specific dust emission rate from
199 to 187 g/t of clinker from 2006 to 2007. In the so-called
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, wo-
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No. 9-2009 (Volume 62)
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Dust emissions [g/t]
[g/t cement]
[g/t clinker]
[kt/a dust]
199
200
170
150
152
150
125
20.2
20
110
100
18.4
17.7
50
0
2005
2006
Year
2007
Absolute dust emissions [kt/t]
25
250
15
1 Development of dust emissions at Holcim (Holcim)
Entwicklung der Staubemissionen bei Holcim (Holcim)
Special Filtration
0.75
300
Mature (M)
Emerging (E)
Relation M/E
250
0.5
200
306
304
Relation of absolute dust emissions
Dust emissions in different markets [g/t cl.]
350
0.50
186
150
100
101
0.3
50
0
0.25
84
26
2005
2006
Year
0.1
2007
0.00
2 Development of dust emissions at Italcementi (Italcementi)
Entwicklung der Staubemissionen bei Italcementi (Italcementi)
“­ mature markets” Italcementi’s specific dust load is only 26 g/t
of clinker, but in the “emerging markets” it is more than ten
times higher, at 304 g/t of clinker (Fig. 2). It is particularly interesting that in 2005 Italcementi‘s dust emission figure for the
“emerging markets” was already 126 g/t of clinker, but then deteriorated considerably due to subsequent acquisitions in 2006.
While Italcementi‘s dust emission in the “mature ­markets” was
only 0.63 kt/year in 2007, the figure for the “emerging markets” was 7.8 kt/year.
In the cement industry, the subject of dust emission is increasingly
being coupled with the question of the extent to which dangerous wastes are burnt as secondary materials. On the one hand,
cement factories have the advantage vis à vis conventional incineration plants that their combustion temperatures are extremely
high and that the retention times in the kiln system are relatively
long. However, on the other hand it is possible for concentrations
of non-volatile substances, particularly heavy metals such as arsenic, lead, cadmium, thallium etc., to occur in the emitted particulate matter. For cement projects that are partially financed, for
example by the IFC (International Finance Corporation), this is
taken into consideration in the stipulated limit values. Whereas
the normally permitted particulate matter emission is 30 g/
Nm3, the limit value is lowered to 10 g/Nm3 if more than 40 %
of the employed fuel is made up of dangerous waste material.
3 Process filters in cement factories
It is inherent in the cement manufacturing process that dusts
are produced during the quarrying of material, and the grinding, burning, cooling, conveying, storage, packing and dispatch
processes. In order to prevent the occurrence of uncontrolled
dust emissions, filter systems are installed in the individual
machines of the various process stages. However, this has the
disadvantage that enormous quantities of exhaust gas have to
be dedusted during the cement manufacturing process. In the
process equipment there are three main dedusting tasks: raw
mill/kiln system, clinker cooler/kiln bypass and cement grinding plant. The filters employed in all of these cases have to satisfy the following main requirements:
a)ensure compliance with the emission limit values
b)minimize the created pressure drop
c)operate with a low kWh and compressed air consumption
d)have a long service life and high availability
e)involve the lowest possible capital cost.
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bei 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 Staub­
emissionen 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
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Special Filtration
3 Illustration of a Jet Pulse filter (Scheuch)
Illustration eines Jet Pulse Filters (Scheuch)
To fulfil these requirements, the filters are equipped with internal flow guidance systems that ensure a uniform gas distribution over the filter elements and minimize the gas inlet
velocities. That this is not an easy undertaking becomes clear
when one considers that the dedusting systems for kiln and raw
mill have to deal with an exhaust gas volume of over 2 million
Am3/h. The exhaust gas volume fed to the dedusting systems
for the cement mill, and for the cooler and bypass is somewhat
lower, at 1 and 0.5 million Am3/h respectively. But these systems, too, are equipped with compact filters with net filter area
loadings of 1–1.5 m3/m2 min for gas dust loads of 1000 g/Am3.
­Another critical aspect for the filters is the very high exhaust
gas temperatures in some sections of the plant. For this reason,
especially the kiln and cooler exhaust air filters are provided
with gas conditioning systems or air/air-heat exchangers.
In the cement industry, electrostatic precipitators and fabric filters (bag filters), or combinations of the two processes, have
established themselves as the most important types of process
filter. There is a clear trend towards bag filters, which enable
compliance with lower emission limit values than electrostatic
precipitators and are practically independent of operating conditions and plant starting and stopping phases. In the case of
electrostatic precipitators, the separation efficiency, i. e. the dust
collection rate, depends on the raw gas temperature and the
electrical resistance of the dust particles, which can fluctuate
depending on, for instance, the temperature or humidity. A further problem is presented by the high process-related CO concentration, which can even cause emergency shutdown of the
electrostatic precipitator [1]. Gravel bed filters are sometimes
still used as preliminary filters for clinker cooler dedusting systems. If used as the sole filter, the collection efficiency of a gravel bed filter does not correspond to the state of ­technology.
c) einen
geringen
KWh-Bedarf bzw.
Druckluftverbrauch
aufzuweisen
d) eine lange Lebensdauer und Verfügbarkeit zu haben
e) möglichst geringe
Investitionskosten zu
haben.
Um diese Anforderun­
gen zu erfüllen, werden
die Filter mit Strömungseinbauten versehen, die eine gleichmäßige Gasverteilung auf
die Filterelemente bewirken und möglichst 4Energy flux diagram for an energyefficient Jet Pulse filter (Intensiv-Filter)
niedrige Anströmgeschwindigkeiten lie- Energieflussbild für ein energieeffizientes Jet Pulse Filter (Intensiv-Filter)
fern. 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 Kühlerund 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 Ofenund 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)
For use as process filters, the cement industry prefers jet-pulse
filters to filters cleaned by rapping or shaking. The dust particles
are collected on the surface of the filter medium or on the filter
cake formed on the surface. A jet-pulse filter (Fig. 3) is divided
into compartments for the raw gas and for the clean gas [3].
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-PulseFilter (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
62
No. 9-2009 (Volume 62)
3.1 Bag filters (fabric filters)
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Special Filtration
5Diagram of a kiln/raw mill dedusting system, simplified (IntensivFilter)
Schema der Ofen-/Rohmühlenentstaubung, vereinfacht (IntensivFilter)
The raw gas flows into the inlet housing with a velocity of
more than 10 m/s and special internal systems then uniformly
distribute it in longitudinal and transversal directions at velocit­
ies of 1–1.2 m/s to the filter bags. The gas flows through the
bags, which have standard lengths of 6–8 m, from the outside
to the inside [4]. Inside the filter bags the gas flow rate is only
about 0.02 m/s. After flowing through the filter bags, the clean
gas leaves the filter at the head. The dust particles are deposited in the collecting cone, from which the material is usually
evacuated by screw conveyors. The filter media are cleaned by
pulses controlled either by time interval or by differential pressure. Changing of the filter bags is carried out at the head of
the filter unit.
The pressure drops of the filter results from a portion Δp1 for
the filter cake, Δp2 for the filter medium and Δp3 for the filter
housing, which also includes all other pressure drops. The residual pressure drop Δp0 after the pulse cleaning is employed
as the pressure drop for the filter medium. Improvements in
the pulse cleaning process have successfully reduced the energy
consumption of bag filter units in recent years. Shutoff devices
on the raw gas and/or on the clean gas side switch the individual filter modules into an offline or semi-offline condition for
cleaning. This prevents immediate deposition of the detached
dust on neighbouring filter bags and additionally enables the
cleaning system to operate with a compressed air pulse of lower
intensity than that of conventional jet-pulse filters.
Low-pressure systems with pressure differences of 1 to 3 MPa
and relatively long cleaning cycle times have proven effective
for the pulse cleaning process.These provide the particular benefits of longer bag service lives and lower energy requirement.
In conjunction with special propulsion jet nozzles with sec­ondary air injection, these measures reduce the compressed air
consumption significantly and also lower the energy requirement (LPVP process = low pressure - low volume) [4]. However, the energy required for the production of compressed air
is relatively low in relation to the total energy requirement of
the filter, so that other processes focus on reducing the pressure drop of the filter medium and filter cake. For instance, the
Three E process (Fig. 4), which stands for “Enhanced Energy
Efficiency”, makes use of new filter media and also employs
cycle times of < 150 s [5]. This results in energy savings of up
to 40 %.
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6 Filter for kiln/mill system dedusting at Dyckerhoff (Intensiv-Filter)
Filter zur Ofen-/Mühlenentstaubung bei Dyckerhoff (Intensiv-Filter)
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 DruckNo. 9-2009 (Volume 62)
63
Special Filtration
8Clinker cooler filter with air/air heat exchanger at Buxton Lime
(FLS Airtech)
Klinkerkühlerfilter mit Luft-/Luft-Wärmetauscher bei Buxton Lime
(FLS Airtech)
7 Kiln filter at the Cesla Works of HeidelbergCement (Scheuch)
Ofenfilter im Werk Cesla von HeidelbergCement (Scheuch)
luft 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
Kiln filters are usually designed to handle interconnected operation of kiln and raw mill. In this mode of operation, the kiln
and preheater exhaust gases with temperatures of 250 to 350 °C
are either partially or completely utilized for combined grinding and drying in the raw mill. Vertical mills are mainly used for
this purpose [6]. In many grinding circuits a mill bypass with
exhaust gas conditioning is installed, so that the kiln exhaust
gases can be completely passed through the bypass duct if the
mill is not in operation (Fig. 5). In this configuration, the mill
must be equipped with a separate mill system fan that can overcome the differential pressure of the mill and the pressure drop
of the collection cyclone downstream of the mill. Whether or
not interconnected operation is in use, the exhaust gas enters
the filter at a temperature of around 120 to 230 °C. If the kiln
exhaust gas is not used for combined grinding and drying, the
operating mode is called mill bypass operation.
Bag filters are insensitive to load peaks caused by kiln operation,
e.g. a change of fuel or similar. Figure 6 shows a process filter for
kiln/mill system dedusting at Dyckerhoff.The raw gas stream is
max. 240 000 Am3/h, the exhaust gas temperature < 230 °C and
the filter area is 4010 m2 or 3700 m2 net during semi-offline
operation. The filter bags are cleaned periodically and dependent on differential pressure of the filter with compressed air
with a pressure of approx. 2.5 bar. The pressure drop is 10-11
mbar and the compressed air consumption < 45 Nm3/h. The
filter has no problem meeting dust limit values < 10 mg/Nm3
[7]. A kiln filter (Fig. 7) is installed at the Cesla factory of HeidelbergCement in Russia. This filter works in mill bypass operation and is designed for a gas flow volume of 210 000 Am3/h.
The filter inlet temperatures are between 150 and 180 °C. The
raw gas dust concentration is 78 g/Nm3. This filter operates
Ofenfilter werden zumeist für den Verbundbetrieb von Ofen
und Rohmehlmühle ausgelegt. Die Ofen- bzw.Wärmetauscher­
abgase 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
64
No. 9-2009 (Volume 62)
3.1.1 Kiln and raw mill dedusting
ZKG INTERNATIONAL
Special Filtration
9Clinker cooler filter with air/air heat exchanger at Cementos ­Apasco
(Scheuch)
Klinkerkühlerfilter mit Luft-/Luft-Wärmetauscher bei Cementos
Apasco (Scheuch)
10Kiln bypass filter at Castle Cement (Intensiv-Filter)
Ofen-Bypass Filter bei Castle Cement (Intensiv-Filter)
with a pressure drop of 15 mbar and a compressed air consumption of 30 Nm3/h. Dust limit values < 10 mg/Nm3 are
easily achieved [4]. Druckluftverbrauch von 30 Nm3/h aus. Die Staubgrenzwerte
< 10 mg/Nm3 werden vollständig eingehalten [4]. 3.1.2 Clinker cooler and kiln bypass dedusting
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. Filterbe-
Coolers with no exhaust air failed to establish themselves and
have disappeared from the market. The vast majority of clinker
coolers in use today are of the reciprocating grate type and have
a tertiary air duct connection to the cyclone preheater of the
kiln.The specific cooling air volumes are approx. 1.7–1.9 Nm3/
kg of clinker, of which about 2/3 are recuperated and 1/3 has
to be dedusted as cooler exhaust air. Depending on the system
involved, the exhaust air volume can reach 0.5 million Am3/h.
The exhaust air temperatures are 250 to 350 °C, but can reach
peaks of around 500 °C during so-called “upset conditions”.
To cope with these conditions, cyclones and air/air heat exchangers are installed upstream of the filters (Figs. 8 and 9). The
cyclones reduce the dust concentrations of up to 75 g/Am3
by around 70 % for the heat exchanger. The heat exchanger
cools down the exhaust air to permanent temperatures of 135
to 200 °C that are acceptable for the polyester or Nomex filter
bags. To reduce any temperature peaks, a controllable fresh air
damper is installed in the heat exchanger.
Due to the increasing use of secondary fuels, chlorine, sulphur and alkalis often enter the kiln process. When kiln dust
is ­recirculated into the process, an internal cycle of these substances is created in the kiln system. A bypass of 5 –10 % enables
a portion of the dust-laden kiln exhaust gas to be discharged
from the process. In the recent past, bypass systems have frequently been equipped with a common filter for kiln bypass
gas and cooler exhaust air [8]. The Castle Cement works has a
bypass filter working as a separate process filter (Fig. 10) for a
kiln gas bypass of 7 %. Here, the raw gas flow volume is approx.
107 000 Am3/h, the gas temperature is 220 °C (max. 260 °C),
ZKG INTERNATIONAL
3.1.2 Klinkerkühler und Ofenbypassentstaubung
No. 9-2009 (Volume 62)
65
Special Filtration
11Cement mill dedusting system at Atlantica Cement (Scheuch)
Zementmühlenentstaubung bei Atlantica Cement (Scheuch)
12Diagram of dust collection in an electrostatic precipitator (Lodge
Cottrell)
Schema der Staubabscheidung im Elektrofilter (Lodge Cottrell)
the filter area is 2375 m2 and the specific filter loading is thus
0.75 m3/m2 min. The filter enables the observance of dust limit
values < 5 mg/Nm3.
lastung 0,75 m3/m2 min. Mit dem Filter werden Grenzwerte
< 5 mg/Nm3 eingehalten.
3.1.3 Cement mill dedusting
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.
In the dedusting system of the cement grinding plant, the
downstream filter has the function of collecting the finished
product that is transported in the air stream. The encountered
air volumes and dust loads depend on the grinding process employed. The air volumes coming from vertical mills are about
twice as high as those from, e. g., ball mills or roller presses,
which are equipped with separate separators. While the dust
load of air from vertical mills is in the range of 200 – 500 g/
m3 and contains particle sizes over the entire spectrum of finished material, the direct collection of finished product coming from separators is typified by extremely high dust loads of
up to 1000 g/m3 and by a portion of ultrafine particle sizes, if
– for instance – closed circuit cyclone separators are used for
the pre-collection. Although the range of energy requirement
for dedusting vertical mills is higher in comparison with ball
mills and combinations of ball mills/roller presses, the required
system configuration is relatively simple.
In the case of ball mill/separator material circuits, a separate
dust collection filter is generally used for the ball mill and a
process filter is needed for the separator. If there are several
separators, they are generally decoupled by the use of separate
filters. For the process filter, uniform intake flow over the entire
filter area is important because of the high dust loads and air
flow volumes involved. Figure 11 shows a mill filter for a vertical mill at Atlantica Cement in Spain. Here, the mill exhaust air
stream is 400 000 Am3/h, the specific filter loading is 0.94 m3/
m3 min and the dust load is 350 g/m3. The filter has a pressure
drop of 9 mbar, a compressed air consumption of 86 Nm3/h
and achieves dust values below the limit of 20 mg/Nm3.
3.1.3 Zementmühlenentstaubung
3.2 Elektrofilter
Up to around 1980, practically all kiln and cooler exhaust dedusting systems employed electrostatic precipitators. Nowadays,
there is a strong downward trend in most countries because
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
66
No. 9-2009 (Volume 62)
3.2 Electrostatic precipitators
ZKG INTERNATIONAL
Special Filtration
13Cooler dedusting system with electrostatic precipitator at Arabian
Cement (FLSmidth Airtech)
Kühlerentstaubung mit Elektrofilter bei Arabian Cement (FLSmidth
Airtech)
14Hybrid filter for kiln/raw mill dedusting at Lafarge (Elex)
Hybridfilter zur Ofen/Rohmühlenentstaubung bei Lafarge (Elex)
of more stringent emission limit values. Strictly speaking, these
electrostatic dust collectors cannot be referred to as filters.
“Electrostatic dust collectors” essentially consist of parallel gas
channels between metallic collecting electrodes. Between the
collecting electrodes there are discharge electrodes which are
supplied with high voltage to create a corona discharge from
their surface (Fig. 12). Due to the corona effect, dust particles are
electrically charged by the adhesion of gas ions and are subsequently deposited on the collecting electrodes.With this ­system,
dust emission rates < 50 mg/Am3 can be achieved and in certain cases it is even possible to observe limits of ­20 –30 mg/Am3.
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
However, in contrast to bag filters, it is not possible to adhere to
absolute dust emission limit values with electrostatic precipitators. There may be problems, for example, during cement plant
starting-up and shutting-down phases and “upset conditions”.
The specific electrical resistance of the dust particles and the gas
temperatures, moisture contents and CO concentration levels
are important factors for the dust collection efficiency. As a result of high field intensities in the deposited layer of dust, a back
corona effect can occur, removing the charge of the negatively
charged particles. In such cases the precipitator voltage has to
be reduced, which results in deterioration of the collection efficiency. High CO concentrations caused by process conditions
may even lead to an emergency shutdown of the precipitator. Set against these system disadvantages are the advantages
of low pressure drop and lower purchase and operating costs in
comparison to bag filters [9]. For this reason electrostatic precipitators are mainly used in countries which have less stringent
environmental regulations.
As a consequence of tougher environmental regulations, meas­
ures to increase the efficiency of existing electrostatic precipi­
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No. 9-2009 (Volume 62)
67
Outlet ESP
field 1 / inlet
group 1 bags
100 mm in front
of group 2 bags
100 mm in front
of group 3 bags
Axial velocity
-0.2 to 2.6 m/s scale bar
Special Filtration
Inlet ESP
field 1
200 downstream screen
between ESP and FF sections
Hopper top plane
15CFD simulation of the gas distribution in a hybrid filter (FLSmidth
Airtech)
CFD-Simulation der Gasverteilung an Hybrid-Filter (FLSmidth Airtech)
16Hybrid filter for the vessel dedusting at Maihar Cement (Elex)
tators have become an important topic in the cement industry
[10]. There are various ways of doing this, the most important
being modification of the cleaning system, new internal fittings,
improved impulse generators and modified operating conditions. The last point often proves difficult, because it is not possible to intervene in certain operating conditions of the cement
production process. The high cost involvement also means that
an increase in the dimensions of an electrostatic precipitator is
seldom desired. The electrostatic precipitator still has significant fields of application in the cement industry. One important domain is cooler exhaust air dedusting and another is kiln
system dedusting. Figure 13 shows an electrostatic precipitator
that dedusts the cooler exhaust air at a 6000 tpd “greenfield”
cement factory owned by the Arabian Cement Co. in Egypt.
The exhaust air volume is 640 000 Am3/h, and the exhaust air
temperature is 330 °C. In such applications, the electrostatic
precipitator fully asserts its advantage of being able to accept
high temperatures.
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.
Hybridfilter bei Maihar Cement zur Kesselentstaubung (Elex)
3.3 Hybridfilter
In order to meet the increasingly stringent environmental
regulations, many existing electrostatic precipitators are being
converted into hybrid filters. Such units combine electrostatic
precipitator technology with bag filter technology. This concept is primarily aimed at improving the performance of existing electrostatic precipitators and permits the retention of
the existing housing and usually the first group of precipitator
fields. Figure 14 shows such a hybrid filter. A hybrid filter can
collect up to 90 % of the quantity of dust with a relatively low
energy consumption in the electrostatic precipitator section,
with subsequent collection of fine dust in the bag filter section.
The ionization and agglomeration effects of the first filter stage
have a beneficial consequence for the dust collection in the bag
filter. Compared to an electrostatic precipitator, a hybrid filter
is independent of plant operating conditions, so that it attains
availability ratings equal to those of bag filters.
Sometimes the term hybrid filter is also used for a combination of electrostatic precipitator and downstream separate bag
filter [11] which are only connected by an air duct. In order
to enable the use and optimization of an existing filter housing, suppliers now use CFD (Computational Fluid Dynamics)
simulation of the flow velocities (Fig. 15) as a standard engi-
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 Druckver-
68
No. 9-2009 (Volume 62)
3.3 Hybrid filters
ZKG INTERNATIONAL
Special Filtration
Fractional filtration efficiency [%]
100
3rd Generation of filter media
95
90
85
PM2
80
2nd Generation of filter media
75
0,1
1
Particle size [μm]
10
17Kiln/raw mill filter conversion at Deuna Zement (Intensiv-Filter)
Ofen-/Rohmühlefilter-Umbau bei Deuna Zement (Intensiv-Filter)
18Particle size fraction collection efficiencies of 2nd and 3rd generation
filter media (OneStone)
Fraktionsabscheidegrade für Filtermedien 2. und 3. Generation
(OneStone)
neering tool. Given proper dimensioning, hybrid filter technology provides the benefits of significantly lower pressure drop
and ­ longer bag service lives compared to bag filters. Correspondingly, hybrid filters are also employed nowadays for new
plants (Fig. 16). The advantage is that the engineering and the
selection of the hybrid filter fan can be tailored to the specific
requirements. One important criterion alongside the compliance with emission limits is the kWh requirement. In properly
dimensioned hybrid filters this can be approx. 40 % lower than
that of a conventional bag filter.
Every filter conversion project has to be precisely adapted to
the dedusting requirements and the economic criteria.The preliminary analysis may even have the consequence that only the
housing of an existing electrostatic precipitator can be sensibly
reused. In such cases, the result is not a hybrid filter, but an
electrostatic precipitator conversion. One example for this is
depicted in Figure 17; a kiln/raw mill filter at Deuna Zement in
Germany. The electrostatic precipitator system was completely
replaced by a jet-pulse bag filter system. The air volume for
dedusting is 550 000 Am3/h, the raw gas dust load is 60–80 g/
Am3 and the raw gas temperature is 240 °C. A filter area of
9300 m2 was accommodated in the existing precipitator housing and achieves emission rates of less than 8 mg/Nm3. The
entire conversion work took about 6 weeks.
4 Filter media for bag filters
In the cement industry a range of different materials have proven effective as process filter media. Since the first generation of
filter media, there have, however, been substantial improvements
in filter bag technology. Filter media development has always focused on the parameters of collection efficiency, air permeability,
resistance to temperatures and chemicals, service lives and capital cost – parameters that are sometimes diametrically opposed.
While the 1st filter media generation employed simple fabrics
and needle felts, the 3rd generation employs multi­layer, “engineered” membrane filter media. The term “2nd generation” is
used for filter media consisting of widely ­differing ­polymer materials and glass fibre, which were optimized to suit the respective
application with regard to temperature and chemical resistance.
Table 1 lists frequently-employed filter media of the 2nd and
3rd generations and states their upper operating limits for the
lust 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 kWhBedarf, 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 Zementindus-
ZKG INTERNATIONAL
No. 9-2009 (Volume 62)
69
Special Filtration
19Construction of an ePTFE membrane filter (Donaldson)
Aufbau eines ePTFE-Membranfilters (Donaldson)
20Filter for kiln/preheater dedusting at Cimpor (AAF International)
Filter für Ofen-/Wärmetauscherentstaubung bei Cimpor (AAF
­International)
cement industry. The most generally used material is Nomex®,
which has a particularly good price-to-performance ratio.
However, Nomex® has only limited resistance to acids. There
are various alternatives depending on the temperature class.
The table does not provide information regarding the possible
particle-fraction collection efficiencies of the employed ma­terials. These data are shown in Figure 18, which compares filter
materials of the 2nd and 3rd generations. It will be noted that
filter media of the 3rd generation have significantly better collection characteristics with regard to the particle range below
PM10 (10 micrometer) and a superior collection for particulate
matter, especially at PM2. At PM2, filter media of the 2nd generation only have a collection efficiency of 90 %, while filter
media of the 3rd generation remove almost 100 % (99.99 %).
Filter media of the 3rd generation reduce emission rates to
nearly the detection limit [13]. This capability results from the
special construction (Fig. 19) of the materials. Membrane filters
of the 3rd generation have a double-ply construction. The side
facing the inlet gas stream consists of a very dense, microporous
ePTFE membrane (ePTFE = Expanded Polytetrafluoroethylene). The second layer consists of a bearer material selected in
accordance with temperature demands from the many different
materials of the 2nd generation. This bearer material is only a
supporting layer and has no filtering function. The dust particles are completely retained by the ePTFE layer. A surfacefiltration process is thus involved [14] and there is practically
no penetration of the filter layer by even the finest particles.
As a consequence, the pressure drop remains consistently low
trie 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
Tab. 1:Parameters for important filter media in the cement industry (OneStone)
Parameter für wichtige Filtermedien in der Zementindustrie (OneStone)
Perm.
Max.
MineralOrgan.
Oxidis.
Price
Filtertemp.
temp.
Hydrolysis
acids
acids
Alkalis
Salts
subst.
ratio*
generation
Dauertemp. Max. Temp. Hydrolyse
MineralOrgan.
Alkali
Salze
Oxidier.
PreisFilter°C
°C
Säuren
Säuren
Subst.
relation*
generation
Acryl/Acryl (PAN)
120
140
++
++
+
–
+
+
0.4
2nd
Polyester
135
150
– –
+
++
–
++
+
0.2
2nd
PPS (Ryton)
180
200
+
++
++
+
+
– –
1.9
2nd
Aramide/Aramide (Nomex)
200
260
–
–
–
+
–
–
1.0
2nd
Polyimide (P84)
210
230
+
+
+
+
+
–
2.0
2nd
Glass fibre/Glasfaser
250
280
++
+
++
–
–
++
1.2
2nd
ePTFE
260
280
++
++
++
++
++
++
3.5
3rd
++ = very good resistance/sehr gut beständig; + = good resistance/gut beständig; – = limited resistance/wenig beständig; – – = no resistance/nicht beständig
* According to filter media supplier/Abhängig vom Filtermedienhersteller
Filter material
Filtermaterial
70
ZKG INTERNATIONAL
No. 9-2009 (Volume 62)
Special Filtration
throughout the entire service
Filterschicht findet praktisch
life of the filter bag and the filnicht statt. Damit ist ein gleichter media achieve longer operableibender niedriger Drucktional lifetimes because they do
verlust über die Lebensdauer
not become clogged up in the
gegeben und die Filtermedien
course of time.
kommen auf längere Gesamt Betriebszeiten, weil der Ver5 Suppliers of filters
stopfseffekt mit zunehmendem
and filter media
Betrieb entfällt.
Over the years there have been
considerable changes in the
5 Lieferanten für Filter
range of filter suppliers and filund Filtermedien
ter media manufacturers. Two
Im Laufe der Jahre haben sich
of the reasons for this are the
erhebliche
Veränderungen
market dynamics and the disbei den Filterlieferanten und
placement of electrostatic preHerstellern für Filtermedicipitators by bag filters. One
en ergeben. Dies hat u. a. mit
other aspect is that none of the
der Marktdynamik und der
suppliers is solely focused on
Verdrängung der Elektrofilter
the cement industry and that
durch Schlauchfilter zu tun.
some companies do not supply
Ein anderer Aspekt ist, dass keithe cement industry as a core
ner der Lieferanten allein auf
industry. Finally, due to the
die Zementindustrie fixiert ist
changed capacity growth trends
und einige der Unternehmen
of recent years, suppliers from
die Zementindustrie nicht
China and India have particuals Kernindustrie beliefern.
larly benefited from the market
Schließlich haben mit den verdynamics. However, these comänderten Kapazitätszuwächsen
panies are not included in the 21Bag filter for kiln system dedusting at Wyoming Cement (Mikropul) der letzten Jahre insbesonde Schlauchfilter zur Ofenentstaubung bei Wyoming Cement (Mikropul)
following considerations bere Lieferanten aus China und
cause not enough relevant and
Indien von der Marktdynamik
reliable market information is available at present. One relevant
profitiert. In den folgenden Betrachtungen werden diese Unpoint is that the order value for the complete process filter of a
ternehmen aber noch ausgeklammert, weil dazu bisher nur
wenige wirklich verlässliche Marktinformationen vorliegen.
1 Mta cement factory in Asia is around 30 % lower than, for inU.a. ist der Auftragswert für die kompletten Prozessfilter für ein
stance, in Europe, and in China the figure is another 10 % lower. Nevertheless, it can be stated that in the last 2 business years
1 Mta Zementwerk in Asien etwa um 30 % niedriger als z. B.
an average capital expenditure of US$ 650 million has been
in Europa, in China liegt der Wert noch einmal 10 % niedriger.
spent on the process filter systems of cement factories, of which
Dennoch lässt sich für die letzten zwei Geschäftsjahre für den
Prozessfilterbereich bei Zementwerken ein durchschnittliches
approx. US$ 270 million (41.5 %) went for filter media alone
(excluding spare part and replacement requirements) [15].
Investitionsvolumen von 650 Mio. US$, davon entfallen etwa
allein 270 Mio. US$ (41,5 %) auf Filtermedien (ohne ErsatzIn the filter unit construction sector, 3 companies lead the
bedarf) [15].
field with regard to their sales to the cement industry: ­Firstly,
FLSmidth Airtech, a member of the FLSmidth Group and
Bei dem Bau von Filteranlagen sind 3 Unternehmen bezogen
therefore beneficiary from FLSmidth’s high market share for
auf ihren Umsatz in der Zementindustrie führend: FLSmidth
71
Special Filtration
cement plants. Then AAF International (Fig. 20), whose subsidiaries include filter manufacturer Beth as well as Scheuch,
who have profited in recent years from their EMC concept
(EMC = Energy Minimizing Concept). For the last 2 years the
Italian company Redecam has also belonged to this circle of
leaders. Apart from these companies, there is a relatively large
number of medium-sized filter manufacturers who all possess
excellent credentials. Focusing on bag filters, these include: GE
(BHA), Intensiv-Filter, Mikropul (Fig. 21), Lühr, Fives Solios,
Contimpinati, DG-E, Dantherm and Boldrocchi. In the field of
electrostatic precipitators and hybrid filters the main suppliers
are: Lodge Cottrell and Elex.
There is also a relatively large number of manufacturers of filter
media for process filters. While AAF largely uses filter media
of its own manufacture, FLSmidth Airtech obtains a portion
of its filter media from its member company Advanced Filtration Technology (AFT), as does Lühr via its participation in
M. G. F. ­Gutsche. However, like other filter builders, FLSmidth
Airtech and Lühr also purchase the products of various outside
manufacturers depending on requirements. Foremost among
filter media manufacturers are AAF, Donaldson, WL Gore
and ­Associates, Evonik Fibres (Inspec), BWF Envirotec, Standard Filter, Norafin, Altair, Primafilter, Albany Filtration and
­Midwesco Filter Resources. Worldwide (but excluding China),
there are more than 20 different manufacturers of filter media
for process filters used by the cement industry. The large number of manufacturers is due to the fact that in addition to the
cement sector a broad range of other industries is served.
6 Prospects
Process filtration in the cement industry has shown a dynamic
development in recent years. It is to be expected that dust emission limits will be made still tougher in the near future and that
as a result particularly the filter media of the latest generation
will increase their market share from about 10 % to over 40 %.
Simultaneously, the demand for pure electrostatic precipitators
will continue to fall and, instead, bag filters and hybrid filters
will expand their market shares. This will also affect the upand-coming cement markets in China, India and Africa.
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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