Heißgasfiltration

Die Reinigung partikelbelasteter Abgase bei hohen Temperaturen (zwischen 250 und 1000 °C) umfasst einen großen Bereich von Anwendungen. Wesentliche Einsatzgebiete sind die Reinigung von Abgasen aus der Glas- und Zementindustrie, aus Abfallverbrennungsanlagen und der Biomassevergasung sowie die Entstaubung von Gas-, Dampf- und Kombikraftwerken. Weitere wichtige Anwendungen bestehen bei der Wertstoffrückgewinnung von Katalysatoren, pyrogener Kieselsäure und Metallpulvern. Aufgrund der besonderen Filtrationsbedingungen sowie den speziellen Anforderungen an die Eigenschaften und Beständigkeit der Werkstoffe stellt sie einen gesonderten Bereich der Filtration dar.

Ökologische und ökonomische Vorteile der Heißgasfiltration

Die Nutzung hoher Temperaturen bei der Abgasreinigung bietet nicht nur unter umwelttechnischen Aspekten, sondern auch aus ökonomischer Sichtweise vielerlei Vorteile.

Durch die Ausnutzung des hohen Temperaturniveaus können Abkühl- und Wiederaufheizvorgänge für nachfolgende Reaktionen und Anlagenteile vermieden werden. Dieses führt wiederum zu einer vorteilhaften Effizienzsteigerung des Gesamtprozesses und bietet die Möglichkeit zur Prozessvereinfachung. Zum Schutz und zum Erhalt der Effizienz von nachgeschalteten Anlagenmodulen werden Heißgasfilter vorteilhaft eingesetzt. Zum Beispiel werden Wärmetauscher, Katalysatoren, Turbinen und Wäscher vor Staub geschützt und können durch das hohe Temperaturniveau effizient arbeiten. Mögliche Kondensations- und Desublimationsvorgänge können vermieden werden, was die Filter vor Verblockungen und das Endprodukt vor ungewollten Verunreinigungen schützen kann. Manche Prozesse werden erst durch die Nutzung von Heißgasfiltern ermöglicht, wie z.B. die Phosphorrückgewinnung bei der Klärschlammverbrennung sowie die Vergasung und Pyrolyse von Biomasse. Auch kann die Kreislaufführung von Stoffströmen oder Prozessgasen sowie die Produkt- und Stoffrückgewinnung in Hochtemperaturprozessen ohne großen Mehraufwand und hohen Energieeinsatz realisiert werden.

Um die Möglichkeiten und Grenzen weiter auszureizen, forscht und optimiert das Fraunhofer IKTS an Materialien, Technologien und Verfahren auf dem Gebiet der Heißgasfiltration.

Keramische Filtermaterialien

Keramische Heißgasfilterelemente kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn herkömmliche Metall- oder synthetische Gewebefilter bei der Reinigung partikelbelasteter Abgase an ihre Leistungsgrenzen stoßen. Bei Temperaturen oberhalb 800 °C und unter sehr korrosiven Bedingungen sind vor allem Heißgasfilter aus Siliciumcarbid (SiC) aufgrund ihrer hohen thermischen und chemischen Beständigkeit besonders geeignet. Weitere häufig eingesetzte Materialien sind Aluminiumoxid und Cordierit. Gute Wärmeleitfähigkeiten oder geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten bilden die Basis für eine gute Thermoschockbeständigkeit vieler Keramiken, was diese Materialien für den Einsatz unter zyklischen Beanspruchungen prädestiniert. SiC-Heißgasfilter können häufig kostengünstige Alternativen gegenüber teuren Speziallegierungen zur Filterung von Abgasen bis 1000 °C darstellen.

Leistungsangebot

• Entwicklung, Erprobung und Optimierung von Materialien für die Heißgasfiltration (Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Eisen- und Nichteisen-Metalle)
• Filterherstellung vom Pulver bis zum Bauteil (Muster- und Kleinserienfertigung)
• Werkstoffcharakterisierung und Bauteilprüfung von Raumtemperatur bis 1000 °C (Materialzusammensetzung, Porencharakteristik, Differenzdruckverhalten, Filtrationseffizienz, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit)
• Dauerversuche am Heißgasprüfstand zur Alterung, Filterregeneration und Filtereffizienz
• Katalytische und adsorptive Beschichtungen zur Reduktion von Stickoxiden und weiteren Schadgasen
• Post-mortem-Analysen von Heißgasfiltern
• Auslegung und Optimierung von Heißgasfiltern
• Gezielte Abgasnachbehandlung für thermische Verbrennungsverfahren, insbesondere für die Wertstoffrückgewinnung

Technische Ausstattung

Häufig sind die Belastungen im Hochtemperatureinsatz sehr komplex, so dass in den meisten Fällen eine Testung unter Einsatzbedingungen unabdingbar ist. Für die Materialentwicklung der Filterelemente wurden spezielle Hochtemperaturprüfstande aufgebaut, die die Testung der Keramiken unter sehr anwendungsnahen Bedingungen ermöglichen:

• Industrienaher Heißgasfiltrationsprüfstand bis 1000 °C zur Dauererprobung von Filtern bzw. zyklische Untersuchungen zur Lebensdauervorhersage
• Bestaubungs-, Gegendruck- und Partikelprüfstand für Segmente und Filterscheiben bei Raumtemperatur
• Bestaubungs-, Gegendruck- und Partikelprüfstand für Wall-flow-Filter im Heißgas bis 1000 °C
• Gegendruckmessungen bis 12 bar an kleinen Probengeometrien (Porometer)
• Druckverlustprüfstand für Schaumkeramiken bis 20 m/s
• Katalyseprüfstände für die Untersuchung von chemischen Adsorptions- und temperaturprogrammierten Reaktionen an Pulverproben
• Synthesegasprüfstande zur Untersuchung und Alterung von Wabenkörpern und Bohrkernproben im statischen und hochdynamischen Betriebsregime
• Weitere Messgeräte und Analysevorrichtungen zur Charakterisierung von Filtern und Filtersystemen

Beispiele und Referenzen

• Etablierung von Heißgasfiltern und Heißgasfiltration zur Rückgewinnung von Phosphor und Schwermetallen bei der Klärschlammverbrennung (abonocare^®)
• Entwicklung und Demonstration der Heißgasfiltration zur wirtschaftlichen Klärschlammverbrennung und Phosphorrückgewinnung zur Schließung regionaler Nährstoffkreisläufe (DreiSATS)
• Entwicklung und Demonstration einer Heißgasfiltrationsanlage zur Entstaubung der Abgase aus Stahl-, Kalk- und Dolomitwerken (CO₂-Selekt)
• Entwicklung von Heißgasfiltern und Verfahren zur Wieder- und Weiterverwertung von Werkstoffen bis auf molekulare Ebene (Molecular Sorting)