4 GREENING THE GAS
4 GREENING THE GAS UmweltJournal /November 2017 Ölnebelabscheider bei Biogasanlagen oder Blockheizkraftwerken Brown’sche Zitterbewegung hilft im Filter Foto Quelle: IFT GmbH Effizient und wartungsfrei erreicht die geschichtete Tiefenfiltration Öl-Abscheidegrade von mehr als 99,9 Prozent konstant über 30.000 Betriebsstunden. Filter lassen sich auch spezifisch an Kundenanforderungen anpassen. Um einen möglichst lang andauernden und wartungsfreien Betrieb bei Stationärmotoren in energieerzeugenden Unternehmen wie bei Biogasanlagen oder Blockheizkraftwerken gewährleisten zu können, müssen Ölnebelabscheider hohe Abscheidegrade von nahezu 100 Prozent erreichen. Andernfalls führen die nicht abgeschiedenen Öltröpfchen im Blow-by-Gas zu Koksablagerungen und verursachen einen erheblichen Leistungsabfall. Die bisher auf dem Markt befindlichen Geräte erfüllen diese hohen Anforderungen jedoch nur unzureichend und erreichen eine Lebensdauer von etwa 8.000 Betriebsstunden. Die österreichische IFT GmbH hat deshalb einen Ölnebelabscheider entwickelt, der nach dem Prinzip der geschichteten Tiefenfiltration arbeitet und zuverlässig mehr als 99,9 Prozent des Ölnebels aus dem Blow-by- Gas abscheidet. Dabei können wartungsfreie Betriebszeiten von über 30.000 Stunden garantiert werden. Bei den meisten der heute eingesetzten Motoren ist eine geschlossene Kurbelgehäuse-Entlüftung vorgeschrieben, da das Öl-Gas-Gemisch nicht in die Umwelt gelangen darf. Das Blow-by-Gas wird deshalb nach dem Verdichten wieder in den Ansaugtrakt zurückgeführt. Dieser Vorgang ist jedoch nicht ganz unproblematisch: „Häufig enthält das Gemisch noch einen geringen Ölnebelanteil. Doch dieser kann bereits zu Ölkoksablagerungen an der Gehäusewand, auf dem Laufrad oder im Diffusor führen“, erklärt Friedrich Gruber, Geschäftsführer der IFT GmbH. „Da die Turbolader sehr empfindlich auf Schmutzbeläge an diesen Komponenten reagieren, kommt es häufig zu einem verminderten Wirkungsgrad und einem Leistungsabfall.“ Zudem ist es wichtig, die Lamellen des Ladeluftkühlers sowie die Einlassventile von Ölkoks-Ablagerungen freizuhalten. Diese Anforderungen können nur dann erfüllt werden, wenn der Restölgehalt im Blow-by – ausgehend von einem Ölgehalt am Kurbelgehäuse-Austritt von etwa 500 Milligramm je Kubikmeter – nach dem Passieren des Filters unter circa 0,5 Milligramm je Kubikmeter liegt. Hieraus ergibt sich, dass der Ölabscheidegrad mindestens 99,9 Prozent betragen muss. Gleichzeitig fordern Betreiber des Motors eine maximale wartungsfreie Filterstandszeit, niedrige Investitionskosten, geringen Bauraumbedarf, ausreichende Schwingungsfestigkeit sowie eine hohe Betriebssicherheit. Entwicklung in enger Zusammenarbeit mit MCI Gewässerschutzfilter ViaGard Zur Entfernung von feinen AFS, Schwermetallen, Pestiziden, PAK und MKW n Einfacher Filtertausch n Einfacher Filteraufbau n Geringer Wartungsaufwand ÖNORM B2506-3 geprüft und registriert Sorptionsmaterial ViaSorp ViaSorp sorgt für eine dauerhafte Aufnahme und Rückhaltung von n Abfiltrierbaren Stoffen (Partikelretention) n Schwermetallen in gebundener und gelöster Form n mineralischen Kohlenwasserstoffen www.mall-umweltsysteme.at info@mall-umweltsysteme.at Herkömmliche Ölnebelabscheider konnten die hohen Anforderungen bisher nur unzureichend erfüllen, wodurch sich kurze Wartungsintervalle und geringe Standzeiten ergaben, die den Betriebsablauf negativ beeinflussen können. Aus diesem Grund hat die IFT GmbH in Zusammenarbeit mit der Universität für angewandte Wissenschaften in Innsbruck (MCI) und unterstützt durch die österreichische Forschungs-Förderungsgesellschaft (FFG) 2011 damit begonnen, ein neues Filtersystem zu entwickeln. Basis für die Entwicklung war ein zweijähriges Forschungsprogramm. Während der Entwicklungsphase kristallisierte sich heraus, dass die bisher auf dem Markt befindlichen, zylinderförmigen Filtereinheiten noch Optimierungspotenzial aufweisen. Meist verfügen diese über ein- oder zweistufige Filtereinheiten mit anliegenden oder getrennten Filtermedien. Das Blow-by wird dabei von unten zugeführt und passiert anschließend die Filtermedien in seitlicher Richtung. Hierbei ergeben sich mehrere Problemzonen: „Bei zweistufigen Filtereinheiten mit getrennten Medien gibt es in der Vorstufe eine relativ geringe Eintrittsfläche bei hohem Öleintrag. Das führt zu einem großen Stau-Niveau und in der Folge zu einem hohen Druckverlust“, erklärt Gruber. „Zudem ist das Filtermedium in der Feinstufe extrem feinporig, sodass das adsorbierte Öl nicht oder nur teilweise und sehr langsam wieder aus dem Filtermedium ausfließt. Deshalb muss die Feinfilterstufe periodisch ausgetauscht werden.“ Höherer Wirkungsgrad durch Parallel- Anströmung Das Unternehmen sah diese Ergebnisse als Anstoß, die gesamte Konstruktion des Ölnebelabscheiders zu überdenken. In zahlreichen Tests setzte sich schließlich ein System durch, das als Koaleszenz- Tiefenfiltration bezeichnet wird. Hier tritt das Blowby-Gas nicht wie bisher von unten ein, sondern wird seitlich zugeführt. „Das Besondere an dem Konzept ist die zweistufige Parallel-Anströmung der Faserfilamente der Filtermedien. Die mittleren Faserabstände werden durch Kompression auf ein für Vorund Feinfilterstufe unterschiedliches Maß gebracht. Dabei verfügen die Ein- und Austritts-Oberflächen der Filterstufen über ein spezielles Stufen-Profil“, führt Gruber aus. Durch dieses sogenannte Kammprofil am Ein- und Austritt der Vor- und Feinfilterstufe wird eine große Oberfläche geschaffen, die Staueffekte verhindert. Zudem werden, anders als bei herkömmlichen Filtern, circa 40 Prozent der Fasern in Strömungsrichtung ausgerichtet. Dadurch kann der Druckabfall bei maximaler Abscheidewirkung auf ein Minimum reduziert werden. Zunutze macht sich das System die Brown’sche Zitterbewegung: Während das Blow-by-Gas an den Fasern des Filtermediums entlang strömt, werden die mikroskopisch kleinen Öltröpfchen durch die Brown’sche Molekularbewegung aus der Bahn gelenkt und erreichen die Faseroberfläche, wo sie vom bereits vorhandenen Ölfilm adsorbiert werden. Der Ölfilm bewirkt den Abtransport des adsorbierten Öls zur Drainage in der Austrittskammer. Abscheideraten von über 99,9 Prozent Das Zusammenspiel dieser Komponenten bewirkt hohe Abscheideraten von über 99,95 Prozent – unabhängig von der Ölfracht, die den Filter passiert. Auch bleibt der Druckverlust über die gesamte Betriebszeit des Motors unverändert. So sind Betriebszeiten von über 30.000 Stunden möglich, während denen der Ölnebelabscheider nicht gewartet werden muss. Die Filtereinheit ist an jeden Einsatzzweck individuell anpassbar und zeichnet sich durch hohe Vibrationsfestigkeit sowie maximale Betriebssicherheit aus. „Die Filter wurden über die Dauer von drei Jahren im Rahmen von umfangreichen Langzeitversuchen an Motoranlagen im Bereich zwischen 140 bis 4.000 Kilowatt getestet und erzielten in allen Anwendungsfällen durchgehend sehr gute Ergebnisse. Inzwischen zählen einige Filtertypen bereits zur Serienausrüstung von Neumotoren“, so Gruber. Das Blow-by-Gas wird nach dem Verdichten wieder in den Ansaugraum zurückgeführt und enthält oft noch geringe Ölnebelmengen. Diese reichen jedoch aus, um Ölkoksablagerungen zu verursachen. Dadurch mindert sich die Leistung des Motors stark; regelmäßige und aufwendige Wartungsarbeiten sind die Folge. Der Ölnebel tritt seitlich ein und durchläuft die Filterstufen weitgehend parallel zu den Fasern des Filtermediums. Die Ölpartikel werden während des Entlangströmens an den Fasern vom Ölfilm an der Faseroberfläche adsorbiert. Zum Unternehmen Die IFT GmbH mit Sitz im österreichischen Uderns wurde 2011 als Tochtergesellschaft der ez-isolierungen GmbH von einer auf dem Gebiet der Motoren- und Filtertechnik tätigen Expertengruppe gegründet. Das Unternehmen hat es sich zum Ziel gesetzt, neue und fortschrittliche Lösungen mit bewährten Technologien und Konzepten zu verbinden. Auf diese Weise entstanden leistungsfähige Filtersysteme für die Ölnebelabscheidung, die speziell auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren sowie Gasturbinen eingesetzt werden und die sich bei zahlreichen Anwendern aus verschiedenen Branchen über lange und wartungsfreie Betriebszeiten hinweg bewährt haben. Im Zuge der Entwicklungsarbeit wurden bereits 14 Patente erteilt. Die IFT GmbH beschäftigt sechs Mitarbeiter.
November 2017/ UmweltJournal GREENING THE GAS 5 Was rührt sich im Fermenter? Forschungsbericht aus Münster Ein Blick in die Blackbox Fermenter Die Fachhochschule Münster forscht nach Optimierungspotenzialen für Rührwerke in Biogasanlagen. Foto: FH Münster/Pressestelle Sven Annas untersucht das Rührgetriebe – wie rührt es am effektivsten im nachgebauten Fermenter? Der Laser belichtet den maßstabsgetreu nachgebauten Fermenter einer Biogasanlage – und alle Partikel, die sich innerhalb des Behälters in der Masse befinden. „ Ein Fermenter ist wie eine Blackbox – niemand weiß so richtig, was da drin genau passiert.“ Worüber Sven Annas vom Fachbereich Maschinenbau der FH Münster spricht, sind die Biomassebehälter inklusive Rührwerke einer Biogasanlage. Ungefähr 9.000 davon gibt es in ganz Deutschland, 350 in Österreich. Ihre Betreiber füllen sie mit Materialien von Zuckerrüben bis Schweinemist, installieren ein oder mehrere Rührwerke und hoffen auf möglichst viel Methangas. Im Labor für Strömungstechnik untersuchen Sven Annas und sein Projektteam das Stromfeld und wie schnell sich beispielsweise eine Salzlösung im Fermenter durchmischt. Um allgemeingültige Aussagen treffen zu können und störende Einflussfaktoren zu minimieren, verwendet das Team für die Untersuchung Modellfluide und keine Originalsubstrate. „Denn gerade in der Art und Weise des Rührens und der Position des Rührwerks schlummern Potenziale“, so der wissenschaftliche Mitarbeiter, der am Fachbereich promoviert. Wie können wir möglichst effektiv rühren? „Der Gärungsprozess ist bei allen Anlagen gleich: In einem anaeroben Faulprozess werden Kohlenstoffverbindungen aufgespalten und es entsteht Methangas, aus dem Strom erzeugt werden kann.“ Biogasanlagen sind üblicherweise bis zu 30 Meter breit und zehn Meter hoch mit Masse gefüllt – viel Volumen, das gleichmäßig verfaulen soll. Außerdem wird ständig nachgefüllt. „Rührwerke sollen die Materialien des Fermenters durchmischen, um für eine optimale homogene Verteilung von Futter, Wärme und Bakterien zu sorgen, und erleichtern zusätzlich das Aufsteigen der Gasblasen“, erklärt Annas. „Wir beschäftigen uns hier sozusagen mit der Frage, wie wir möglichst effektiv rühren können.“ Gerade steht eine kleine Biogasanlage im Modellmaßstab 1:40 im Fokus seiner Forschungen. Mithilfe eins Lasers untersucht er in dem Fermenter aus Plexiglas Geschwindigkeitsfelder. „Da das Rührwerk fest installiert ist, verrührt es die Masse unterschiedlich stark. Meist wird nur in direkter Rührernähe eine gute Durchmischung erzielt.“ Das kann man sich ähnlich wie beim Kneten mit einer Küchenmaschine vorstellen: Wo sich die Stäbe befinden, wird der Teig schnell vermischt – wo sie gerade nicht sind, sieht das anders aus. Konsistenz der Biomasse spielt große Rolle „Zunächst ermitteln wir die Strömungsgeschwindigkeiten im Modell und stimmen diese dann mit Simulationen ab“, erklärt Annas. Aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment sei es möglich abzuschätzen, wie lange eine komplette Durchmischung dauern wird und welchen Einfluss verschiedene Positionen des Rührwerks haben. Wie beim Teig auch spielt dabei die Konsistenz der Biomasse eine große Rolle. „Deshalb benutzen wir Modellflüssigkeiten mit ähnlichen Eigenschaften der Proben, die die Anlagenbetreiber hier abgeben. Für die Bestimmung der Geschwindigkeit kommen transparente Flüssigkeiten zum Einsatz, die eine ähnliche Konsistenz wie Kleister haben.“ Aus den Bildern der Laserlichtschnittanlage lassen sich konkrete Geschwindigkeiten errechnen und Rückschlüsse auf das Durchmischungsverhalten ziehen. Hierbei werden mittels Laserlicht kleinste Partikel sichtbar gemacht und können so verfolgt werden. Aus der Betrachtung vieler Partikel lässt sich dann auf das Stromfeld schließen. Dabei ist es wichtig, dass die Partikel sehr klein sind, damit sie der Strömung folgen können. In einem nächsten Projektschritt möchte Annas Optimierungen vornehmen und Theorie und Praxis in Übereinstimmung bringen. „Denn wir können nicht pauschal davon ausgehen, dass ein gutes Stromfeld gleichzeitig eine gute Durchmischung bedeutet. Manchmal schiebt das Rührwerk Massebrocken auch einfach nur vor sich her.“ Außerdem hat das Projekt neben der Simulation noch zwei weitere Säulen im Bereich der Sensorik und der Rheometrie, mit der Fluide wie die Biomassen charakterisiert werden. IFT GmbH ∙ Gewerbestraße 9 ∙ 6271 Uderns ∙ Austria +43(0) 5288 622 58-0 ∙ ∙ www.ift-gmbh.com +43(0) 52 laterally compressed fiber medium layered depth filtration Unser Angebot für Sie oil-loaded blow-by gas filtered blow-by gas Systemzertifizierung, Begutachtung und Validierung drain of oil within drainage layer Produktzertifizierung BLOW-BY FILTER THE NEXT GENERATION oil recirculation PARALLEL-FLOW DEPTH FILTRATION - Patented Key Technology Reduces the distance of adjacent fibers by lateral compression Training und Personenzertifizierung Systemmanager Qualität Systemmanager Umwelt Auditor und Lead-Auditor Risikomanager Energiebeauftragter Interner Energieauditor Abfallbeauftragter Gefahrstoffmanagement Zertifi zierungen nach ISO 14001, ISO 50001, PEFC CoC, FSC ® uvm. 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