Eine trockene Angelegenheit

Schlammtrocknung und -verdichtung mit Verdrängerpumpen

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12.05.2016 Gewicht fällt ins Geld: In vielen technischen Prozessen fallen Stoffe in wässrig-schlammiger Form an, denen Betreiber den flüssigen Anteil entziehen müssen. Dies kann einerseits in Produktionsprozessen sein – beispielsweise bei der Filtration von Speiseölen oder Hefelösungen – noch häufiger aber am Ende eines Prozesses bei Abfallschlämmen aus verschiedensten Industriezweigen von der Oberflächenveredelung bis zur Abwasserbehandlung.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Betreiber, die anfallende Schlämme nicht ausreichend entwässern, zahlen drauf. Denn diese Prozessabfälle werden nach Volumen und Gewicht bepreist.
  • Doch auch wer Schlämme trocknet, kann unnötig viel Geld zahlen. Denn nicht alle Verfahren sind auch gleichermaßen effizient.
  • Die besten Ergebnisse erhalten Anwender mit einer Pumpe mit interner Druckübersetzung. Applikationen dieser Art eignen sich auch für große Mengen Klarwasser und benötigen keine externe Verstärkungen für hohe Drücke.

Da das Entsorgen solcher Schlämme nach Gewicht und Volumen berechnet wird, ist eine Verdichtung und Trocknung besonders lukrativ: Mit chemischen und/oder physikalischen Prozessen ist es Anwendern möglich, die Schlämme so zu behandeln, dass die Inhaltsstoffe als meist flockenähnliche Feststoffe anfallen. Nach der neutral oder alkalischen Einstellung mit Kalkmilch, trennt eine Entwässerung günstig zu entsorgendes Wasser ab, und die verbleibende Schlammmenge ist deutlich reduziert.

Kein Mangel am Optionen
Die einfachste Technik dazu stellt das Sammeln und Verdichten via Schwerkraft dar. Jedoch ist das technische Trocknen über Verfahren wie Zentrifugen, Verdampfern und Ähnlichem deutlich effektiver, ebenso wie die weit verbreiteten Kammerfilter-Pressen. Das Prinzip einer solchen Presse: Das System presst verschiedene Kunststoffrahmen mit großem Druck zusammen. In diesen Rahmen befinden sich Hohlräume – die namensgebenden Kammern – die durch Filtertücher begrenzt werden. Fördert die Anlage Schlamm mit Druck in die Kammern, sammelt sich dort der sogenannte Filterkuchen, und das Filtrat fließt durch die Filtertücher hindurch in Kanäle ab. Sind alle Kammern komplett gefüllt, beendet das System die Förderung. Nun kann der Anwender die Presse öffnen und den stichfesten Filterkuchen entfernen. Nach dem Schließen ist die Presse für einen neuen Pressvorgang bereit. Zum Füllen dieser Pressen benötigt der Anwender somit Filtriergut und Druck. Der Druck – meist in der Spitze zwischen 8 und 15 bar – sollte recht gleichmäßig sein, um die erzeugten Flocken beim Fördern nicht zu zerstören. Auch genügend Freiraum im Förderbereich schont die Flocken. Weiterhin zu beachten ist – neben dem stetig wachsenden Gegendruck bis hin zum Ende der Pressung – der Umstand, dass ein leerlaufender Schlammbehälter oder blockierte Zuleitungen zum Trockenlauf der in der Regel als druckerzeugendes Element eingesetzten Pumpe führen kann.

Nicht jede Pumpe eignet sich
Für den Druckaufbau kommen häufig Verdrängerpumpen in verschiedenen Variationen zum Einsatz; gerade bei großen Pressen sind das Kolbenmembran-Pumpen. In diesen großen – und kostspieligen – Aggregaten werden eine oder zwei Membranen hydraulisch betätigt und fördern über Ventile den Schlamm in die Presse. Diese Pumpen erfordern auch für kleine Anlagen großen Grundaufwand wie einen Druckwind-Kessel zum Egalisieren der Fördermenge und einen Maximaldruck-Wächter beziehungsweise Bypass. Auch Exzenterschnecken-Pumpen kommen zum Einsatz, entweder als selbstregelnde Pumpen (mit Frequenzwandler elektronisch gesteuerte Motoren) oder als zyklisch arbeitende Systeme, bei denen ein Druckwind-Kessel von der Pumpe „geladen“ wird. Dieses ventillose Verfahren hat seine Stärken beim Anfall großer Schlammmengen und wenn lange Fasern den Einsatz von Ventilen verbieten. Allerdings gibt es in kleinen und mittleren Anlagen Grenzen durch die hohe Empfindlichkeit gegen Abrasion und Trockenlauf. Der Platzbedarf ist erheblich. In dieser unvollständigen Aufzählung sollen noch Schlauchkolben-Pumpen, die ähnlich wie Kolbenmembran-Pumpen, jedoch mit gequetschten Schläuchen statt Membranen arbeiten, und Kolbenpumpen Erwähnung finden. Typisch für Letztere sind starke Pulsation und ständiger Schmierungsbedarf. Alle diese Pumpen zeichnen sich durch einen elektrischen Betrieb bei recht hohem Installations- und Wartungsaufwand aus.

Druckluft-Membranpumpen: das Maß der Dinge
Deutlich einfacher hingegen zeigt sich der Einsatz einer Druckluft-Membranpumpe: Ein solches Aggregat arbeitet wartungsfrei, ist trockenlauffest, selbstansaugend, selbstregelnd und kompakt. Ohne dass der Bediener oder eine Elektronik eingreifen oder steuern muss, regelt sich die Fördermenge selbsttätig am Gegendruck der Kammerfilter-Presse. Die Fördermenge sinkt kontinuierlich mit der sich füllenden Presse, das heißt steigendem Gegendruck. Dieser besondere Effekt dient dem Erkennen der vollen Kammerfilter-Presse. Ist die Presse voll, bleibt die Pumpe quasi stehen – Fördermenge Null – oder macht nur noch gelegentlich einen Förderhub. Weiterhin stellt die Nutzung komprimierbarer Luft als Antriebsenergie zum Bewegen der Membranen einen schonenden, gleichmäßigen, weichen, zyklischen Antrieb dar, durch den die Applikation das Medium sehr schonend fördert. Eine Standard-Druckluft-Membranpumpe erreicht prinzipbedingt maximal den Druck der eingespeisten Luft, was zur Füllung der Presse häufig nicht ausreicht. Daher erfolgt häufig eine Druckerhöhung, wozu es drei sehr unterschiedliche technische Lösungen gibt.

Lösung für maximalen Druck
Die erste Variante benutzt an einer standardmäßigen Pumpe eine der Membranen zur zusätzlichen Druckerzeugung: Die Kraft dieser nur von Luft und Druckluft umgebenen Membrane wird beim Drücken über die innere Membranverbindung auf die Fördermembrane übertragen, die dann mit doppeltem Druck arbeitet. Diese Methode ist allerdings kaum mehr anzutreffen, da sie zu hoher Pulsation, geringer Fördermenge und hohem Luftbedarf führt. Hinzu kommt ein hoher Ser­viceaufwand, denn die luftseitige Membrane ist sehr empfindlich und bricht schnell. Eine andere Variante ist der Betrieb einer Standardpumpe mit Druckluftverstärker, der die Pumpe mit einem höheren Luftdruck antreibt. Dieses Verfahren hat seine Grenze dadurch, dass hier eigentlich immer eine Standardpumpe zum Einsatz kommt. Diese wird zwar nach außen mit Verstärkungen versehen, technisch gesehen handelt es sich aber um eine Standardpumpe, die für deutlich geringeren Druck ausgelegt und konstruiert ist und somit der hohen Beanspruchung nur begrenzt standhält. Außerdem geschieht die Druckerhöhung aus diesen als „Booster“ bezeichneten Druckluftverstärkern stark pulsierend, was einen Einfluss auf das zu fördernde Produkt haben kann. Zudem scheinen Booster bei der Druckhaltung, sprich beim Nachpressen, an Grenzen zu kommen. Schließlich verwenden Anlagenbauer fast immer zu kleine Geräte, die zwar den Endpressdruck erbringen, aber eventuell eine längere Füllzeit erfordern. Die dritte Variante ist eine Pumpe mit interner Druckübersetzung, wie sie
Almatec mit der Baureihe AHD anbietet. Bei dieser technischen Lösung wird zusätzlich zu den Membranen ein Stufenkolben mit Druckluft beaufschlagt. Durch die vergrößerte – in der Regel zweifache oder auch größere – Fläche bewirkt der Luftdruck eine entsprechend höhere Kraft, der sich bei Rückübersetzung auf die Fördermembranen in entsprechend größerem Druck niederschlägt. Die Nachteile der oben erwähnten Varianten entfallen hier: Die gesamte Konstruktion ist auf die hohen Beanspruchungen durch den maximalen Druck ausgelegt und zusätzlich auf die Beanspruchung durch die in der Regel abrasiven Schlämme. Das gilt auch für die zur Auswahl stehenden Werkstoffe des Pumpengehäuses, beispielsweise Edelstahl oder Polyethylen (PE-UHMW).

Leistungsreserven: ausreichend vorhanden
Durch die spezielle Konstruktion nutzt die Pumpe die verwendete Druckluft sehr gut aus. Sie arbeitet mit minimiertem Totraum, also dem Raum innerhalb der Druckluft-Membranpumpe, der gefüllt werden muss, ohne der eigentlichen Förderung zu dienen. Dadurch sind immer hinreichend Leistungsreserven vorhanden, um auch mit großen Klarwassermengen fertig zu werden. Mit Einführung der neuen Generation dieser Pumpen kommt nun eine Variante hinzu, die das robuste Gehäuse der druckübersetzten Pumpe mit einem Luftbereich ohne Übersetzung kombiniert. Diese Version bietet sich somit für alle Einsatzfälle unter Schwerlast-Bedingungen an, von niedrigen Förderdrücken variabel bis hin zu Hochdruck-Anwendungen mit 15 bar Druck. Betreibt der Anwender eine Pumpe mit solch hohem Luftdruck – egal ob aus einem externen Booster oder direkt aus dem Kompressor – kann er dies im sicheren Gefühl tun, da die Pumpe auch konstruktiv für solche Druckbereiche ausgelegt ist und keine externe Verstärkungen das Aggregat zusammenhalten.
Für beide Versionen der Pumpe gilt, dass die Membranen speziell für die hohe Beanspruchung konstruiert sind. Extrem dicke Elastomerschichten werden durch den einvulkanisierten Membrankern unterstützt. Zum Übertragen der Saugkräfte ist der Membrankern außerdem noch mit einem Spezialtextil hinterlegt, dass in allen Richtungen kaum zu strecken ist. Durch den optionalen Einsatz eines Sensors, der auf die Membranbewegungen reagiert, lässt sich der Zyklus bei beiden Versionen einfach überwachen. Die sich bei voller Presse einstellende langsame Hubfrequenz ergibt entsprechend selten ein Signal. Programmiert der Anwender in einer SPS ein Zeitfenster, in dem ein Hub erfolgen soll, ist Zeichen für eine volle Kammerfilterpresse, dass die seltenen Signale aus diesem Fenster fallen. Die Druckluft kann abgeschaltet und ein Signal für die Bediener zum Entleeren der Presse gesetzt werden. Diese Methode arbeitet rein physikalisch und ist unabhängig von empfindlichen Druckmanometern sowie verschmutzenden Sensoren im Abwasserstrom.

Ifat 2016 Halle A6 – 216

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Heftausgabe: Mai 2016

Über den Autor

Peter Schüten, Almatec Product Manager, PSG Kamp-Lintfort
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