Erfolgreiche Inbetriebnahme einer KREISEL Keramik-Zellenradschleuse bei PPC Hercules
1 Vorwort
Der pneumatische Transport von feinen Schüttgütern, wie Zement, Rohmehl, Flugasche oder Kohle erfolgt bei komplizierten Förderwegen i.d.R. pneumatisch. D.h. dass das Schüttgut mit Fördergas durch ein Rohrleitungssystem transportiert wird. Die dabei auftretende Reibung zwischen Schüttgut und der Rohrleitungswand, sowie dem Hub des Schüttgutes bei Vertikal verlaufenden Förderleitungen entsteht ein Druckverlust des Fördergases. Folglich muss für den Produkttransport Fördergas mit einem anlagenspezifischen Druck zur Verfügung gestellt werden. Gegen diesen Anlagendruck muss das Schüttgut in den Luftstrom der Förderleitung eingeschleust werden. Hierfür sind unterschiedliche Einschleus-Systeme anwendbar. In der Vergangenheit wurden hierfür aufwendige Druckgefäßssysteme oder Schneckenpumpen eingesetzt. Seit nunmehr einem halben Jahrzehnt werden diese Systeme durch hoch verschleißfeste Keramik-Zellenradschleusen Typ ZSV-H der Firma KREISEL GmbH & Co.KG ersetzt. Das wichtigste Kriterium für den Einsatz der KREISEL-Keramik-Schleuse ist die Energieeinsparung im laufenden Anlagen-Betrieb sowie die erhebliche Verschleißfestigkeit der Komponente.
PPC entschied sich in Südafrika für ihr Werk in Hercules, ebenfalls zum Austausch einer Schneckenpumpe FK4 durch eine KREISEL ZSV-H 700, um eine Leistungsaufnahme von 130kW für den Antrieb der Schneckenpumpe einzusparen.
2 Anlagenbeschreibung
Bild 1 zeigt den prozesstechnischen Ablauf der Zementmahlanlage. Im Werk Hercules betreibt PPC eine Walzenschüsselmühle zur Zementvermahlung. Der Zement wird im anschließenden Baghouse abgeschieden. Als Abschluss unterhalb des Baghouse sitzt unter jeder der beiden Zitzen eine Austragszellenradschleuse. Diese gibt den abgeschiedenen Zement in eine Luftförderrinne ab, die das Material zum Verteiler DV22 führt.
Bild 2a zeigt die Installation zweier Schneckenpumpen vor dem Anlagenumbau. Der Rinnenverteiler bedient von oben her zwei Einschleussysteme Bild 2b für die pneumatische Förderung:
• die KREISEL Keramik-Zellenradschleuse (Bild 2b, rechts)
• eine Standby-Schneckenpumpe (Bild 2b, links)
Mit Hilfe der pneumatischen Förderung wird das Duo-Cell Silo und die Packerei beschickt. Die KREISEL ZSV-H ist soinstalliert worden, dass sie alle drei Empfangspunkte beschicken kann. Der pneumatische Transport verläuft über ca. 260 m mit 53 m vertikaler Förderhöhe. Die notwendige Förderleistung beträgt 150 Tonnen pro Stunde. Mit der Schneckenpumpe konnten seit deren Installation 2008 i.d.R. max. 100 – 130 t/h gefördert werden.
Die vorhandenen Druckerzeuger finden beim Einsatz der ZSV-H weiter Verwendung. Die Keramik-Zellenradschleuse und deren Vorlagebehälter wurden so in die bestehende Anlage eingepasst, dass keine Umbauten am Stahlbau oder der Förderrohrleitung notwendig waren.
3 Inbetriebnahme der KREISEL Keramik Zellenradschleuse
Im Dezember 2014 lud KREISEL die Anlagen-Ingenieure von PPC nach Deutschland zur Vorstellung der KREISEL Keramik Zellenradschleuse ein. Nach detaillierten, konstruktiven Gesprächen entschied sich PPC für den Austausch der Schneckenpumpe durch die KREISEL Keramik Zellenradschleuse. Nach 5-monatiger Lieferzeit wurde das Einschleusorgan Anfang September 2015 planmäßig installiert. Bild 3 zeigt die KREISEL ZSV-H vor der Verpackung im Werk in Deutschland.
KREISEL plante (siehe 3D Planungsauszug in Bild 4) die Einbindung der KREISEL ZSV-H in die bestehende Anlagenkonfiguration (siehe Bild 5). Zur Montage konnten die bestehenden Unterstützungskonstruktionen der Schneckenpumpe weiter verwendet werden.
In einem minimalen Zeitfenster wurde die existente Schneckenpumpe demontiert und die KREISEL ZSV-H montiert.
Die Anlagenplanung wurde so durchgeführt, dass die Luftleitungen der Druckerzeuger, der Zementzulauf und die Förderleitung prozesstechnisch optimal angebunden werden konnte. Die Montageüberwachung, sowie die Inbetriebnahme wurden durch KREISEL durchgeführt. Nach Montageabnahme erfolgte die Inbetriebnahme. Nach der halbtägigen Kalt-IBN folgte die Warm-IBN. Die Mahlanlage wurde mit 100 t/h gestartet. Nach kurzer Zeit wurde die Anlagenleistung auf 110 t/h gesteigert. Diese Leistung wurde über Nacht konstant gehalten. Im Verlauf der kommenden zwei Betriebstage wurde der Mühlendurchsatz auf die erwartete Förderleistung der Keramik-Schleuse von 150 t/h angepasst. Der Förderleitungsrückdruck stellte sich dabei auf ca. 1,1 bar(ü) ein.
Die Steigerung der Mühlenleistung im Verlauf der IBN ergab in der Auswertung der Ergebnisse, dass die ZSV-H mindestens 180 t/h Zement in die bestehende Förderleitung einschleusen konnte. Durch die strömungstechnische Weiterentwicklung der Zulaufgeometrien des Leckagegas-Sammlers erreicht KREISEL maximale Füllungsgrade in der Zellenradschleuse. Leckagegas wird gezielt abgeführt und somit eine optimale, konstante Förderung ermöglicht.
4 Vergleich der KREISEL Keramik-Zellenradschleuse vs. Schneckenpumpe
Mit der KREISEL ZSV-H besitzt die KREISEL GmbH & Co.KG ein Einschleusorgan, welches die zeitgemäßen Kundenanforderungen mit hoher Präzision erreicht. Nach jahrzehntelanger Weiterentwicklung und Optimierung sind die Zellenradschleusen von KREISEL für ihre hochwertige Fertigungsqualität bereits branchenübergreifend bekannt und deren Zuverlässigkeit bewiesen. Die keramische Auskleidung der produktberührenden Flächen lässt es heute zu, dieses Traditionsprodukt nun auch gefahrlos als Einschleusorgan in pneumatischen Fördersystemen mit schleißendem Fördergut zu verwenden.
Lange Zeit war der durch die Strömungen verursachte Verscheiß der Grund, die Zellenradschleusen nicht als Einschleusorgan für schleißende Fördergüter einzusetzen. Durch die Verwendung modernster Keramikelemente werden die notwendigen Anforderungen an Einschleusorgane bei weitem übertroffen.
Die KREISEL ZSV-H kann nicht nur Ihre hervorragenden Eigenschaften in die pneumatischen Förderanlagen einbringen, sondern verweist die etablierten Eintragssysteme ebenfalls in Standzeit, Wartung und Ersatzteilbedarf auf die hinteren Plätze.
Das in der Vergangenheit oft angebrachte Argument eines hohen Energieverlustes durch das in den Aufgabebereich entweichende Leckage-Gas wird durch die Verwendung von Seitenscheiben und durch die Präzision geringster Spaltmaße entkräftet. Eine solide Bauweise und das Schleifen der Keramikelemente garantieren geringe Spalte und definiert voraussagbare Leckagegas-Mengen. Diese lassen sich gern mit dem Energieverlust von, in anderen Systemen verwendeten, Düsen vergleichen.
Nachdem die KREISEL ZSV-H nun die Kundenanforderungen Zuverlässigkeit und Energieeffizienz erfüllt hat, ist die Integrierbarkeit noch zu prüfen.
Auch hier kann die KREISEL Keramik-Zellenradschleuse Ihr Potential durch geringen Platzbedarf und geringes Gewicht entfalten und selbst Sicherheitsbeauftragte bedenkenlos zufrieden stellen. Reglementierte Platzverhältnisse sowie die statischen Grenzen des vorhandenen Stahlbaus für Lasten und Schwingungen grenzen den Handlungsspielraum des Anlagenbauers stark ein. In diesen Punkten macht es erst die Zellenradschleuse möglich, die von Kunden gewählten Übergabestellen zu realisieren.
Zum Vergleich der KREISEL ZSV-H mit einer Schneckenpumpe wird die Funktion der Schneckenpumpe kurz Anhand der Prinzipskizze in Bild 6 erläutert.
Das Schüttgut fällt durch den Einlauf (1) in den Pumpenaufsatzkasten (2). Dieser dient zur Abführung des Sperrgases und der aus dem Schüttgut verdrängten Luft. Durch die hochtourig laufende Pressschnecke (1000 rpm) wird das Schüttgut erfasst und zum Auslauf transportiert. Dort erfolgt eine starke Komprimierung des Schüttgutes. Diese Kompression wird durch eine Rückschlagklappe (4) unterstützt. Die Kompression erzeugt einen hoch verdichteten Schüttgutpropfen der alleinig der Abdichtung gegen den Förderleitungsdruck dient. Der Schüttgutpfropfen fällt anschließend in den Auslaufbereich der Schneckenpumpe. Dort wird er vom Fördergas erfasst und in die Förderleitung transportiert. Das Fördergas muss im Auslaufgehäuse eine Düse, oder je nach Ausführung, mehrere Düsen passieren. Diese Düse erzeugt einen Druckverlust von ca. 0,30 bar und dient der Fördergas- und Schüttgutbeschleunigung.
Die Unterschiede zwischen KREISEL Keramik Zellenradschleusen und den Schneckenpumpe sind wie folgt:
Fremdkörper:
Werden mit den Schüttgütern auch unbeabsichtigt Fremdkörper, wie z.B.: Mahlkugelreste, mitgeführt, so müssen auch Diese das Einschleusorgan passieren. Am Beispiel PPC hat die Schneckenpumpe eine Umfangsgeschwindigkeit von > 15 m/s, wohingegen die Zellenradschleuse mit < 0,70 m/s arbeitet. Bei Schneckenpumpen kann dieses zum Bruch der Verschleißschalen oder des Endflügels der Schnecke führen. Bei der Zellenradschleuse ist es unwahrscheinlich, dass dieser Fremdkörper gerade in solch einer Lage auf den Rotor trifft, dass es zum Klemmen führt. Auch dieser Klemmer führt i.d.R. nicht zu einer Beschädigung der Zellenradschleuse.
Schüttguteigenschaften:
Die Schüttguteigenschaften Feinheit (Blaine), Korngrößenverteilung, Schüttdichte und Feuchtigkeit sind zur Dimensionierung einer Schneckenpumpe notwendig. Diese Parameter beeinflussen, neben dem Förderleitungsrückdruck, die Dimensionierung des Antriebsmotors. Ändern sich diese Eigenschaften durch schwankende Prozessbedingungen, so kann dieses zum Versagen der Schneckenpumpe führen. Leistungseinbußen, Motorüberlastungen und Abdichtschwierigkeiten sind die Folge. Zu feine oder zu grobe Schüttgüter können nur noch mit geringen Drücken (<0,5 bar) eingeschleust werden, da die Stopfenbildung nicht ausreichend ist.
Für die Auslegung der Zellenradschleuse hingegen, ist einzig die Schüttgutdichte ausschlaggebend. Der Antrieb wird ausschließlich durch die Dimensionierung der Zellenradschleuse bestimmt. In der Anlage PPC wurde an der Zellenradschleuse ein 5,5 kW Motor installiert. Dieser absorbiert eine Leistung im Betrieb von unter 1 kW.
Mahlhilfe:
Um den Energieeintrag bei der Vermahlung zu reduzieren, werden Mahlhilfen eingesetzt. Diese verändern jedoch stark das Förder- und Fluidisierverhalten von Schüttgütern, da sie die zwischenmolekularen Kräfte beeinflussen. Die Erfahrungen der letzten Jahre zeigten, dass Mahlhilfen auch das Kompressionsverhalten der Schüttgüter stark beeinflussen können. Für die Schneckenpumpen bei PPC im Werk Hercules führte dieses zu einer Leistungsreduzierung von um 30 %. In diesem Zusammenhang erwies sich der installierte 132 kW Motor als unterdimensioniert. Die Zellenradschleuse erzeugt keine Schüttgutkompression zur Abdichtung. Folglich hat die Mahlhilfe keine negative Wirkung auf die Förder- und Antriebsleistung der Zellenradschleuse.
Überschüttung des Zulaufbereiches:
Ist der Zulauf zur Schneckenpumpe unregelmäßig, und wird die Schneckenpumpe nahe der Leistungsgrenze betrieben, so führen Überschüttungen des Zulaufs zur Leistungsminderung. Läuft der Pumpenaufsatzkasten voll mit Schüttgut, so kann die aus dem Stopfen komprimierte Luft nicht mehr zum Einlauf abgeführt werden. Die Luft wird durch den Stopfen hindurch transportiert. Der Stopfen wird instabil und kann nicht weiter gegen den aktuellen Förderleitungsdruck abdichten. Es kommt zu einer Leistungsminderung. Der konstruktive Aufbau im Zulauf der Zellenradschleuse trennt den Entstaubungsbereich vom Zulaufbereich. Ein Überfüllen des Zulaufes führt somit primär zu einer Leistungssteigerung als zu einer Leistungsminderung.
Verschleiß bei Unterlastfahrweise:
Wird der Schneckenpumpe zu wenig Schüttgut zugeführt, so kann der notwendige abdichtende Stopfen nicht ausreichend aufgebaut werden. Der Stopfen bricht und das Fördergas strömt mit hoher Geschwindigkeit in den Einlaufbereich. Dieses wirkt wie eine Sandstrahldüse auf die Schnecke. Bei der keramisch ausgekleideten Zellenradschleuse hingegen wirkt sich dieses ebenfalls nicht negativ aus. Es bestünde zusätzlich die Möglichkeit der Verschleißminderung durch Drehzahlreduzierung.
Energieverbrauch bei Unterlastfahrweise:
Für die Zellenradschleuse als Eintragsorgan gilt: Sinkt der zu fördernde Massenstrom an Schüttgut, so sinkt ebenfalls der notwendige Förderleitungsdruck. Sinkt der Förderleitungsrückdruck so sinkt auch die Motorstromaufnahme des Druckerzeugers. Anders jedoch bei der Schneckenpumpenförderung: Hier ist abermals das beeinflussende Bauteil die Düse (Bild 6, Pos.9) im Auslaufgehäuse. Wie bei jeder Düse/Blende steigt ihr Druckverlust bei steigender Durchströmungsgeschwindigkeit. Sinkt nun bei der Schneckenpumpenförderung der Druck in der Förderleitung, so steigt das Betriebsvolumen des Fördergases an. Das führt zu einer Geschwindigkeitserhöhung. Der Druck vor der Düse/Blende fällt signifikant ab, der Druck nach der Düse /Blende fällt jedoch nur geringfügig. Somit ist die Unterlastfahrweise energetisch sehr ungünstig bei Schneckenpumpen.
Verschleißreduzierung durch Drehzahlminderung:
Der Verschleiß an der Keramik-Zellenradschleuse hängt von den Faktoren Schüttguthärte, Form des Schüttgutes, Druckdifferenz über der Schleuse sowie der Drehzahl der Schleuse ab. Durch Anpassung der Drehzahl an den jeweils zu fördernden Schüttgut-Massenstrom kann der Verschleiß reduziert werden. Dieses ist bei Schneckenpumpen nicht möglich. Die hohe Drehzahl der Schneckenwelle ist zur Erfüllung der Abdichtfunktion notwendig.
Einfluss des Rückdruckes auf den Pumpenmotor:
Die Größe des Motors der Schneckenpumpe hängt nahezu linear vom Rückdruck in der Förderleitung ab. Daraus resultieren bereits bei mittleren Förderleistungen Motorgrößen von über 75 kW bis hin zu 250 kW. Der Motor der Zellenradschleuse hingegen wird nur durch die Dimensionierung der Zellenradschleuse bestimmt. Bei einer Zellenradschleuse für z.B. 180 t/h Rohmehl hat der Motor eine Leistung von 5.5 kW, wobei im Betrieb eine Leistung von weniger als 1 kW aufgenommen wird.
Kornzerstörung:
Die starke Kompression des Schüttgutes durch die Relativbewegung der Pressschnecke führt zu einer Kornzerstörung, die je nach Industriezweig (z.B. Aluminiumindustrie) zu vermeiden ist. Die KREISEL Keramik Zellenradschleuse erzeugt keine nennenswerte Kornzerstörung.
Motor Control Centre (MCC):
Dank des kleinen Antriebsmotors der Zellenradschleuse und des kleineren Druckerzeugermotors kann auch das MCC erheblich kleiner und somit kostengünstiger ausgeführt werden. Diese Kosten können bis zu mehrere zehntausend Euro betragen.
Inbetriebnahme (IBN):
Wie in den Kapiteln SCHÜTTGUTEIGENSCHAFTEN und MAHLHILFE bereits angesprochen, reagiert die Schneckenpumpe auf diverse Anlagenparameter. Um die richtige Schneckenpumpenkonfiguration während der IBN zu erreichen, um die Punkte SCHÜTTGUTEIGENSCHAFTEN und MAHLHILFE zu berücksichtigen sind ggf. mehrfache Umbauten notwendig. Schneckensteigung, Stopfenlänge, Düsendurchmesser oder Rückschlagklappendämpfung müssen in zeitaufwendigen Umbauvorgängen ermittelt werden. Die Zellenradschleuse hingegen reagiert nicht auf diese Parameter. Eine Zellenradschleuse ist i.d.R. in ein bis zwei Tagen in Betrieb genommen. • Platzbedarf:
Als letzten Vorteil sei der geringe Platzbedarf der ZSV-H angeführt. Wie dem Bild 2 und Bild 7 zu entnehmen ist, kann die ZSV-H an nahezu alle örtlichen Gegebenheiten angepasst werden. Wo eine Schneckenpumpe mit Pumpenaufsatzkasten Platz gefunden hat, wird eine Zellenradschleuse in jedem Fall eingebaut werden können. Am Beispiel PPC Hercules baut die Schneckenpumpe 4.500 mm lang. Die KREISEL Keramik Zellenradschleuse hingegen benötigt lediglich 2.150 mm inklusive Motor.
Leckage-Gas:
In Zellenradschleusen entstehen aufgrund der anliegenden Druckdifferenzen Leckagegasströmungen entgegen dem Schüttgutstrom. Diese liegen zwischen 5% und 15% der gesamten Fördergasmenge. Sie wird über die Entstaubung abgeführt.
Leistung der CERAFEED ZSV-H:
Die Förderleistung der ZSV-H beträgt, je nach Zellenradschleusengröße, zwischen 0,3 und 250 m³/h. Förderleitungsdrücke von bis zu 2,0 bar können je nach Schüttgut realisiert werden.
5 Energiebilanz am Beispiel PPC Hercules
PPC betreibt am Standort Hercules diverse pneumatische Förderanlagen. Zwei davon dienen dem Transport von Zement von der Mahlanlage zu den Empfangssilos. Die Einschleusung des Zementes in die Förderleitungen erfolgte über Schneckenpumpen. Wiederholte Störungen, Leistungseinbußen und hoher Energieverbrauch gaben PPC hinreichend Anlass eine technische Änderung herbeizuführen. PPC setzte auf den neuesten Stand der Technik – Keramik Zellenradschleusen von KREISEL Germany. Tabelle 1 zeigt die Anlageparameter der pneumatischen Förderanlage mit dem Einschleusorgan Schneckenpumpe.
Die Datenerfassung zeigt eine max. stabile Förderleistung von 100 – 130 t/h je nach Zementsorte. Neben der nicht ausreichenden Förderleistung kam es aus verschiedenen Gründen zu Ausfällen der Schneckenpumpen. Überfüllung und Motorausfälle störten den Betriebsablauf.
Im September 2015 wurde die Reserve-Förderschneckenpumpe durch eine KREISEL ZSV-H der Baugröße 700 ersetzt. Sie wurde innerhalb von 2 Tagen in Betrieb genommen. Bereits während der IBN hat sich eine stabile Förderleistung von 140 t/h ergeben. Durch Optimierungen am Mühlen- & Filterprozess konnte die Anlagenleistung bisher auf 175 t/h gesteigert werden. Es zeigte sich, dass die KREISEL ZSV-H auch hier noch nicht ihre Leistungsgrenze erreicht hat. Die Anlage ist bisher 4 Monate durchgehend im Betrieb. Es kam zu keinen Störungen an der Zellenradschleuse.
Die Bilder 2a+b zeigen den Anlagenaufbau vor Umbau und nach Umbau auf KREISEL ZSV-H. Der Zulauf wurde so angepasst, dass die Trägerkonstruktion für die Unterstützung der Schneckenpumpe weiter verwendet werden konnte. Daraus resultierten kürzeste Umbauzeiten.
Die Antriebsleistung der Zellenradschleuse wird vom Kunden permanent gemessen. Aufgrund der besonderen Lagerung wird die Zellenradschleuse mit einer Antriebsleistung von weniger als 1 kW betrieben.
Mit dem Austausch der Schneckenpumpe in eine Keramik Zellenradschleuse wird ein erheblicher Anteil der Energiekosten der pneumatischen Förderung eingespart. Resultierend beläuft sich der Return on Investment auf unter 1 Jahr.
6 Zusammenfassung
Durch den Austausch ihrer Schraubenpumpe durch eine KREISEL Keramik Zellradschleuse konnte PPC ihre Zementtransportkapazität auf mindestens 175 Tonnen pro Stunde zu erhöhen. Weitere Vorteile sind eine stabile, zuverlässige pneumatische Förderung mit dem niedrigsten Energieverbrauch. Eine jährliche Energieeinsparung von rd. 100.000 € konnten erzielt werden. Dies ist einer von mehr als 2 Dutzend erfolgreicher Projekte mit einer KREISEL Keramik-Zellenradschleuse. In der Zwischenzeit hat PPC in Südafrika eine weitere ZSV-H zum Austausch gegen eine Schneckenpumpe in Auftrag gegeben.
KREISEL ist dankbar für die ausgezeichnete und vertrauensvolle Zusammenarbeit mit PPC und freut sich auf weitere Projekte im Hinblick auf die Energieeinsparung
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