Entstehung diffuser Staubemissionen während des Fallens von Schüttgütern

Abstract

Feinstaubemissionen rücken innerhalb der verfahrenstechnischen Industrie immer mehr in den Mittelpunkt des Interesses. Der Anteil der von diffusen Staubquellen erzeugten Staubemissionen an den Gesamtstaubemissionen erhöht sich jährlich. In den letzten Jahrzehnten beschäftigten sich Forschung und Industrie hauptsächlich mit gefassten Staubquellen. Es gibt verschiedene Arten diffuser Staubquellen wie z.B. Straßenverkehr, Winderosion, Hausfeuerungsanlagen und die Schüttgutmanipulation.<br />Innerhalb des Bereichs der Schüttgutmanipulation kommt es sehr oft zum Abwurf von Schüttgütern und infolge dessen zu Staubemissionen. Schüttgüter sind oftmals zusammengesetzt aus sehr groben Teilchen gemischt mit feinen. Die feinen Partikel entstehen durch Abrasionsvorgänge während primärer Bearbeitungsschritte. Zur Verminderung von Staubemissionen wird der Schüttgutfallvorgang oft eingehaust und es werden Absauganlagen installiert.<br />Diese Dissertation hat zur Aufgabe physikalische Mechanismen, welche beim freien Fall von Schüttgut in eingehausten Anlagen zu diffusen Staubemissionen führen, aufzuklären. An diese Problemstellung wurde schrittweise herangegangen.<br />Im ersten Schritt wurde eine geeignete Versuchsapparatur aufgebaut, mit welcher es möglich ist, den Fallvorgang in einem Schüttrohr näher zu untersuchen. Der Fallvorgang wurde mit einer digitalen Spiegelreflexkamera aufgezeichnet. Dazu kam Bronzepulver als Schüttgut zur Anwendung. Da dieses Schüttgut eine hohe Materialdichte aufweist wurden die Partikel kaum von Luftströmungen beeinflusst. Mit einer eigens entwickelten Software konnte die Bildanalyse geeignet durchgeführt werden.<br />Es stellte sich heraus, dass es zur Ausbildung einer Kernströmung kam welche durch eine Strähnenlänge charakterisiert werden kann. Die Strähnenlänge kennzeichnet jenes Gebiet, in dem eine sehr dichte Partikelströmung vorliegt. Die Länge der Kernströmung hängt vom Massenstrom ab.<br />Als nächster Schritt wurde die Strömungssituation im Fallrohr durch eine Druckmessung erfasst. Aus diesen Versuchsergebnissen sieht man, dass der Schüttgutmassenstrom eine Treibwirkung besitzt. Welche Strömungsverhältnisse im Fallrohr bzw. in der Staubkammer tatsächlich vorherrschen hängt sehr stark von den Randbedingungen (wie der Geometrie der Fallapparatur und dem Absaugvolumenstrom)ab.Wird dem fallenden Partikelmassenstrom ein Absaugvolumenstrom überlagert so bildet sich innerhalb des Fallrohres ein Drucksprung aus. Dieser Drucksprung kennzeichnet jenes Gebiet, welches den Einsaugbereich (Unterdruckgebiet) vom Rückströmbereich (Überdruckgebiet) trennt.<br />Innerhalb des Fallrohres entsteht bei einer genügend hohen Treibwirkung des fallenden Schüttgutes eine Kreislaufströmung, die vom Boden der Staubkammer bis zur Stelle des Drucksprungs reicht. Der Drucksprung wird bei Erhöhung des Absaugvolumenstroms in Fallrichtung nach unten verschoben. Im Einsaugbereich des Fallrohres kann somit kein Staub entstehen. Nach dem Drucksprung werden feine Partikel durch turbulente Luftströmungen aus dem fallenden Massenstrom wegtransportiert. Diese feinen Partikel treten als Staub auf.<br />Im Anschluss an die Druckmessungen wurde das Verhalten eines Feinanteils im Schüttgut beim Abwurf untersucht. Dafür wurde ein Modellschüttgut (Mischungen von groben - nicht staubenden - und feinen - staubenden - Partikeln) defi- niert, um Versuche im Labor reproduzierbar durchführen zu können. Durch Herstellung einesModellschüttguts kann der Einfluss der groben Partikel auf die Emission der feinen während des Fallvorgangs untersucht werden.<br />In der Realität kommen solche Schüttguter vor, wenn primäre Bearbeitungsvorgänge kleine Partikel infolge von Abrasion erzeugen. Die Versuchsdurchführung erfolgte, indem zu einem konstanten Massenstrom an feinen Partikeln unterschiedliche Massenströme an groben Partikeln hinzu dosiert wurden. Dabei wurde die Korngrößenverteilung des Staubes im Absaugvolumenstrom gemessen. Durch die Einführung einer Separationsfunktion konnte eine Abhängigkeit der Korngrößenverteilung des Staubes im Absaugvolumenstrom vom Massenstrom der groben Partikel angegeben werden.<br />Die Separationsfunktion wies ein Minimum für einen Korngrößenbereich um ca. 2 µm auf. Darunter und darüber steigen die Emissionen gegenüber dem alleinigen Abwurf von feinen Partikeln.<br />Abschließend wurde die Auswirkung des Massenstroms, der Partikelgröße und der Partikeldichte auf die Treibwirkung untersucht. Mit steigendem Massenstrom wird die Treibwirkung des fallenden Schüttgutstromes vergrößert, wobei hier durch die sich ausbildende Kernströmung kein linearer Zusammenhang besteht. Wird der Partikeldurchmesser vergrößert, sinkt die Treibwirkung. Das kann mit der abnehmenden Partikelgesamtquerschnittsfläche, welche der umgebenden Luft ausgesetzt ist, begründet werden. Wenn diese Querschnittsfläche sinkt steht weniger Fläche zur Verfügung um Schleppströmungen zu induzieren.<br />Ein ähnliches Verhalten wie bei der Erhöhung des Massenstroms ergibt sich, wenn die Partikeldichte verringert wird. Auch hier steigt die Treibwirkung mit sinkender Dichte, da sich als Folge daraus die Partikelanzahl erhöht.<br />Diese Arbeit klärte grundlegende Zusammenhänge - welche schlussendlich zu diffusen Staubemissionen führen - auf. Für die Praxis ist dieses Wissen von großer Bedeutung, denn nur so können mögliche Staubminderungsmaßnahmen gezielt eingesetzt werden.