Zum Einfluss einer zudosierten Fraktion von hygroskopischen Salzpartikeln auf das Betriebsverhalten von Oberflächenfiltern zur Gasreinigung durch feuchteinduzierte Deliqueszenz und Effloreszenz
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei der vorliegenden Forschungsarbeit wurde erstmals nachgewiesen, dass unter Nutzung der speziellen Eigenschaften von hygroskopischen Salzpartikeln eine gezielte Kohäsionssteigerung innerhalb eines Staubkuchens ohne Erhöhung der Adhäsion zwischen dem Kuchen und dem tragenden Filtermedium möglich ist. Es wurde sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht welche Effekte eine hinzudosierte Fraktion von hygroskopischen Salzpartikeln in einem Staubkuchen aus nicht hygroskopischen Partikeln auf das Betriebsverhalten von Oberflächenfiltern aufweist. Zunächst wurden grundlegende, bis dahin in der Literatur nicht genauer beschriebene, Informationen zur Deliqueszenz- und Effloreszenz hygroskopischer Salzpartikeln in Kontakt mit anderen Oberflächen, wie Fasern, anderen Salzpartikeln im Kollektiv oder zu anderen, nicht hygroskopischen Partikeln mittels ausführlicher Basisexperimente in einem ESEM gewonnen. Die hierbei erstmals beobachteten mikroskopischen Effekte, wie die lokale partielle Deliqueszenz sowie Bewegungen von Partikeln aufgrund von durch Flüssigkeitsbrücken wirkenden Kräften, die bis zu einer Restrukturierung von Partikelschichten führen, ist von großer Bedeutung für das Verständnis der daraus resultierenden makroskopischen Einflüsse auf das Betriebsverhalten von Oberflächenfiltern. Mithilfe eines eigens entwickelten Ansatzes zur Kraftmessung an Staubkuchen konnte die Erhöhung der Festigkeit eines Staubkuchens durch die Konditionierung mit den Salzpartikeln nachgewiesen und quantitativ beschrieben werden. Anhand weiterer Basisexperimente an Pulvermischungen mit variierenden Salzanteilen sowie Salzpartikelgrößen wurden Erkenntnisse zu den Wassermengen, die in einem Gemisch aus hygroskopischen Salzpartikeln und nicht hygroskopischen Partikeln aufgenommen werden, gewonnen. Die vermutlich wichtigsten Erkenntnisse waren hierbei zum einen, dass die durch eine mögliche Kapillarkondensation im Schüttgut aufgenommene Feuchte angesichts der großen Wassermengen, die durch eine feuchteinduzierte Deliqueszenz aufgenommen werden, vernachlässigbar ist. Zum anderen legen die Versuche nahe, dass die stark ausgeprägte Hysterese zwischen Deliqueszenz und Effloreszenz – die nach aktuellem Wissensstand in erster Linie aufgrund des Mangels eines Nukleationskeims für freischwebende Salzpartikeln auftritt – in Salzlösungen, die in Kontakt mit einem Feststoff stehen sehr wohl deutlich geringer ausfällt. Eine vorhandene Labor-Filterprüfapparatur wurde für die Screening- und Standardtests zum Einfluss der feuchteinduzierten Deliqueszenz und Effloreszenz auf den Kuchenaufbau und auf die Regenerierung durch eigens entwickelte Konstruktion erweitert. Bei den Screeningtests wurde unter anderem der charakteristische Verlauf der Druckverlustentwicklung während der Konditionierungsphase beobachtet und mit einer entsprechenden Modellvorstellung erläutert. Darüber hinaus wurde die Existenz einer optimalen Dosiermenge des Salzes hinsichtlich der begünstigenden Wirkung auf die Regenerierung für einen gegebenen Staubkuchen erkannt. Basierend auf den Kenntnissen aus den Screeningtests wurden Standardtests unter ausgewählten Prozessbedingungen zur Beeinflussung des Betriebsverhaltens von Oberflächenfiltern durch periodische Dosierung von hygroskopischen Salzpartikeln unter Ausnutzung von Deliqueszenz- und Effloreszenz-Eigenschaften durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass eine merkbar günstigere Druckverlustentwicklung infolge verbesserter Regenerierungsergebnisse durch Einsatz dieses innovativen Konditionierungskonzeptes im Vergleich mit einem Filtrationsbetrieb ohne Konditionierung des Staubkuchens realisierbar ist. Variation der Versuchsparameter, wie der Oberflächenbeschaffenheit des Filtermediums, der hydrophilen/hydrophoben Eigenschaften der Filtermedienoberfläche, der Partikelgrößenversteilung des Teststaubs und der Regenerierungsbeanspruchung rundete die Standardtests ab. Es wurde erkannt, dass bei der Suche nach dem Optimum der zudosierten Salzmenge genaue Kenntnisse über die oberflächennahe Struktur des Filtermediums und des daraus resultierenden Aufbaus des Primärstaubkuchens entscheidend sind. Insbesondere sind Informationen zur dreidimensionalen Struktur (darunter Porengröße, Staubschichtdicke und Homogenität) des Staubkuchens notwendig, die wiederum durch Parameter wie Primärpartikelgröße, Anströmgeschwindigkeit und Gesamtdruckverlust beeinflusst werden, relevant. Des Weiteren konnte die Wirkung ungleichmäßiger Dosierungen der Salzpartikeln in dem Staubkuchen mithilfe speziell eingefärbter Salzpartikeln untersucht werden. Parallel zu den experimentellen Arbeiten wurden – unter sehr hohem Rechenaufwand – mithilfe der Simulationssoftware DNSLab die Ablagerungen der dosierten Salzpartikeln in einem ausgebildeten Primärstaubkuchen hinsichtlich Eindringtiefe sowie Mengenverteilung der Salzpartikeln über die Höhe der Kuchenschicht durch CFD-Simulation und anschließende Einzelpartikelbahnberechnung simuliert. Die hier gewonnenen Kenntnisse, dass der Großteil der zudosierten Salzpartikeln in der äußersten Schicht des PFK auf der Rohgasseite abgeschieden werden, fließen gewinnbringend in die vergleichende Bewertung der Ergebnisse aus Experiment und Theorie ein. Die Bearbeitung des Forschungsvorhabens hat neben dem Nachweis einer möglichen gezielten Einflussnahme durch Einsatz des neuartigen Konditionierungskonzeptes auf die Oberflächenfiltration auch grundlegende Kenntnisse geschaffen, die auch in anderen Bereichen der Partikeltechnologie von Relevanz sind. Die Möglichkeit der gezielten Kohäsionserhöhung ist auch für gezielte Agglomerationsprozesse wie dem Granulieren, Tablettieren, etc. von Interesse. Auch sind die Erkenntnisse zur Deliqueszenz und Effloreszenz von Salzen in Kontakt mit anderen Oberflächen für verschiedene Bereiche relevant, in denen Salzablagerungen z.B. durch natürliche Salzaerosole vorkommen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2016). Influence of an added fraction of hygroscopic salt particles on the operating behavior of surface filters for dust separation. FILTECH 2016, conference proceedings, G01-02
Zhang, Q.
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(2016). On the Influence of an added fraction of hygroscopic salt particles on the operating behaviour of surface filters for dust separation by moisture-induced deliquescence and efflorescence. WFC 12, conference proceedings, G4-3
Zhang, Q.
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(2017). Influence of an added fraction of hygroscopic salt particles on the operating behavior of surface filters for dust separation. 2017 AFS Spring Conference, conference proceedings, S1.1.4
Horst, D., Zhang, Q.
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(2018). Deliquescence- and efflorescence-behaviour of hygroscopic salt particles in non-hygroscopic dust cakes, FILTECH 2018, conference proceedings, G10-05
Horst, D., Zhang, Q., Schmidt, E.
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(2018). Influence of an added fraction of hygroscopic salt particles on the operating behavior of surface filters for dust separation. Chem. Eng. Technol., 41(1), 90-95
Zhang, Q.
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(2019). Deliquescence and efflorescence of hygroscopic salt particles in dust cakes on surface filters, Chem. Eng. Technol., 42(11), 2348 - 2357
Horst, D., Zhang, Q., Schmidt, E.
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(2019). Deliqueszenz und Effloreszenz hygroskopischer Salzpartikeln in Partikel-Wand- und Partikel-Partikel-Kontakten, Chem. Ing. Tech., 91(1-2), 46-54
Horst, D., Zhang, Q., Schmidt, E.
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(2019). Influence of the deliquescence and efflorescence of hygroscopic salt particles on the performance of surface filters, FILTECH 2019, conference proceedings, G03-03
Horst, D., Zhang, Q., Schmidt, E.
