Druckluft gehört zu den teuersten Betriebsmitteln in einer Anlage, ist jedoch bei der Gaskühlung und beim Abschrecken oft ein fester Bestandteil des Prozesses. Zweistoffdüsen nutzen sie, um Flüssigkeit in feine Tröpfchen umzuwandeln, die schnell verdampfen und das Gas kühlen, bevor es die nachgeschalteten Anlagen erreicht. Dieser Artikel erläutert, wodurch der Druckluftverbrauch bei der Gaskühlung bestimmt wird und wie neuere Düsenkonstruktionen, wie beispielsweise die 3D-gedruckte FloMax® ECO, diesen senken, ohne Abstriche bei der Tröpfchengröße zu machen.
Warum die Gaskühlung auf Druckluft angewiesen ist
Die Gaskühlung und -aufbereitung regelt Temperatur, Volumen und Feuchtigkeit eines Prozessgases. Bei ordnungsgemäßer Durchführung schützt sie Anlagen wie Filteranlagen, Elektrofilter (ESP) und Wärmetauscher und trägt dazu bei, dass eine Anlage ihre Emissionsgrenzwerte einhält. Wird sie schlecht durchgeführt, verursachen Tröpfchen, die nicht rechtzeitig verdampfen, Benetzung und Schlammablagerungen. Der Prozess ist in Zement-, Stahl-, Chemie-, Energieerzeugungs-, Müllverbrennungs- sowie Zellstoff- und Papierwerken weit verbreitet.
Entscheidend ist die Tröpfchengröße. Kleinere Tröpfchen haben eine größere Oberfläche pro Flüssigkeitsvolumen, sodass sie schneller verdampfen und Wärme über eine kürzere Strecke aufnehmen. Zweistoffdüsen (Luftzerstäubungsdüsen) erzeugen diese kleinen Tröpfchen, indem sie die Flüssigkeit mit Druckluft oder Dampf zerstäuben. Daraus ergeben sich auch die Kosten. Das Komprimieren von Luft verbraucht viel Strom, und nur ein Bruchteil dieser Energie wird an der Düse als nutzbare Arbeit umgesetzt. Jeder Kubikmeter Luft, den eine Düse nicht benötigt, ist Energie, die die Anlage nicht kaufen muss.
Was den Druckluftverbrauch bei einer Zweistoffdüse bestimmt
Der Luftverbrauch ist nicht feststehend. Fünf Faktoren haben den größten Einfluss:
- Zerstäubungswirkungsgrad: Wie viel Luft die Düse benötigt, um eine bestimmte Tröpfchengröße zu erreichen. Die Auslegung der inneren Luft- und Flüssigkeitskanäle macht den Unterschied.
- Regelbereich: das Verhältnis zwischen maximalem und minimalem Flüssigkeitsdurchfluss. Die Gas-Kühllasten ändern sich je nach Prozessbedingungen. Eine Düse mit einem hohen Regelbereich kann der Last folgen, während der Luftdruck konstant bleibt, sodass bei Teillast keine Luft verschwendet wird.
- Regelungsstrategie: Eine Regelung, die den Flüssigkeits- und Zerstäubungsluftstrom in Abhängigkeit von der Gastemperatur anpasst – wie beispielsweise das AutoJet®-Gaskühlsystem –, verhindert ein Übersprühen.
- Anordnung und Sprühwinkel: Tröpfchen benötigen ausreichend Abstand und Verweildauer, um zu verdampfen. Simulationen wie CFD helfen dabei, Lanzen und Injektoren korrekt zu positionieren. Ein DeNOx-Anwendungsfall in einem Glaswerk in Pisa zeigt, wie eine begrenzte gerade Rohrlänge von 13 Metern die Düsenauswahl beeinflusste.
- Düsenkapazität: Ein höherer Durchfluss pro Düse bedeutet, dass für die gleiche Leistung weniger Düsen benötigt werden.
Wie der 3D-Druck das Düsendesign verändert
Die FloMax® ECO ist eine im 3D-Druck hergestellte Hohlkegel-Luftzerstäubungsdüse. Die additive Fertigung ermöglicht interne Strömungswege, die mit herkömmlichen Verfahren nur schwer zu bearbeiten sind, und die Düse besteht aus einem einzigen Teil sowie einer Dichtung. Das Ziel ist eine effiziente Nutzung von Druckluft bei gleichzeitiger Erzeugung der feinen Tröpfchen, die für die Gaskühlung erforderlich sind. Wichtige Leistungsdaten:
- Tropfengröße: 5 bis 250 µm
- Luftverbrauch: rund 20 % geringer
- Regelbereich: 10:1
- Sprühbild: Hohlkegel, Sprühwinkel 20° bis 55°
Einen umfassenden Überblick über die Produktpalette, einschließlich der Ausführungen mit Anti-Bearding-Funktion, X- und Dampfzerstäubung, finden Sie im Datenblatt zu den FloMax®-Zweistoffdüsen.
Wo ein geringerer Luftverbrauch entscheidend ist
Gaskühlung und Abschreckung laufen in vielen Anlagen rund um die Uhr, sodass sich kleine Einsparungen pro Düse summieren. Zu den typischen Branchen gehören:
- Zement und Bergbau: Gaskühlung in Konditionierungstürmen und Klinkerkühlern. Siehe Baustoffe.
- Stahl und Nichteisenmetalle: Abgaskühlung und -aufbereitung. Siehe Übersicht über industrielle Sprühanwendungen.
- Chemische Verarbeitung: Abschreckung und Verdunstungskühlung. Siehe „Chemische Verarbeitung“.
- Energieerzeugung und Müllverbrennung: Abgasabschreckung zum Schutz von Gewebefiltern und Wärmetauschern. Siehe Sprühanwendungen in der Prozesstechnik.
- Zellstoff und Papier: Gaskonditionierung im Zusammenhang mit Beschichtung, Reinigung und anderen Betriebsabläufen in der Papierfabrik. Siehe Zellstoff, Papier und Tissue.
Eine kurze Checkliste zur Überprüfung Ihres Gaskühlsystems
- Erfassen Sie den Druckluftverbrauch pro Düse oder Lanze bei typischer und minimaler Auslastung.
- Prüfen Sie, wie viel Zeit im Jahr das System bei Teillast läuft und ob die Düsen dieser Last folgen können (Regelbereich).
- Vergleichen Sie die Tropfengröße mit der Verdunstungsstrecke und der im Kanal verfügbaren Verweildauer.
- Achten Sie auf Anzeichen unvollständiger Verdunstung, wie z. B. Benetzung, Schlamm oder Ablagerungen stromabwärts.
- Überprüfen Sie jeden Düsenwechsel mittels Simulation oder Sprühtests, bevor die neue Düse in der Anlage zum Einsatz kommt.
Weitere Hintergrundinformationen dazu, warum Tröpfchengröße und Oberfläche wichtig sind, finden Sie im Artikel „Warum Sprühdüsen für einen leistungsfähigen Kühlprozess unverzichtbar sind“.
Häufig gestellte Fragen
Was ist eine Zweistoffdüse?
Eine Zweistoffdüse, auch Luftzerstäubungsdüse genannt, mischt eine Flüssigkeit mit Druckluft oder Dampf, um sehr feine Tröpfchen zu erzeugen. Sie wird häufig zur Gaskühlung, Gasaufbereitung und chemischen Einspeisung eingesetzt.
Warum spielt der Druckluftverbrauch bei der Gaskühlung eine Rolle?
Die Erzeugung von Druckluft ist kostspielig, und Gaskühlsysteme laufen oft im Dauerbetrieb. Ein geringerer Luftverbrauch pro Düse senkt die Energiekosten und unterstützt Nachhaltigkeitsziele.
Was ist ein Regelbereich?
Das Regelverhältnis ist das Verhältnis zwischen dem maximalen und dem minimalen Durchfluss, den eine Düse bewältigen kann. Ein Verhältnis von 10:1 bedeutet, dass der Flüssigkeitsdurchfluss auf ein Zehntel des Maximalwerts reduziert werden kann, während die Düse weiterhin zerstäubt. Dies ist hilfreich, wenn die Prozesslast schwankt.
In welchen Branchen werden Gaskühlungsdüsen eingesetzt?
Gaskühlungsdüsen kommen unter anderem in Zement-, Stahl-, Chemie-, Energieerzeugungs-, Müllverbrennungs- sowie Zellstoff- und Papierwerken zum Einsatz.
Kann eine Düse weniger Luft verbrauchen, ohne dass dabei größere Tropfen entstehen?
Ja. Die Konstruktion der Düse bestimmt, wie effizient Luftenergie in die Tröpfchenzerkleinerung umgewandelt wird. Die FloMax® ECO ist so ausgelegt, dass sie feine Tröpfchen von 5 bis 250 µm bei geringerem Druckluftverbrauch erzeugt.
Möchten Sie erfahren, wie sich die Wahl der Düse auf den Luftverbrauch in Ihrem Prozess auswirken könnte? Sprechen Sie mit einem Sprühexperten vor Ort oder entdecken Sie weitere Sprühanwendungen.