Staubkontrolle mit Sockelleisten und Vorhängen

Förderbänder, die trockene Abfälle für das Recycling transportieren, weisen häufig Materialverluste durch Verschütten, Leckagen, Staub und Rückstände auf, insbesondere an Übergabestellen. Die Ursachen für diese Materialverluste sind in der Regel offensichtlich, werden jedoch selten angegangen. Allerdings erhöht die Behebung dieser Probleme durch praktikable, langfristige Lösungen nachweislich die Betriebszeit, senkt die Kosten, verbessert die Sauberkeit und steigert letztendlich die Rentabilität.

Die Reduzierung sichtbarer Staubemissionen (in der Regel definiert als ≥ 40 μm) von Förderbändern ist verständlicherweise ein vorrangiges Ziel für Betreiber, insbesondere weil sie die Aufmerksamkeit von Mitarbeitern, Anwohnern und Inspektoren auf sich ziehen. Doch gerade der mit bloßem Auge nicht sichtbare Staub ist eher für langfristige Gesundheitsprobleme verantwortlich.

In geschlossenen Betriebsstätten wird die Verwendung von Atemschutzmasken manchmal als akzeptable Alternative angesehen, aber da sie ganz unten in der Hierarchie der Kontrollmaßnahmen stehen, sollten PSA nur als letztes Mittel eingesetzt werden. Außerdem zeigt eine genauere Untersuchung, dass Atemschutzmasken die Produktivität um bis zu 19 % verringern können und dass eine längere Verwendung die kognitiven und sensorischen Fähigkeiten erheblich beeinträchtigen kann [1]. Allein diese Verringerung der Produktivität rechtfertigt einen differenzierteren Ansatz zur Eindämmung von Staub, der an der Ursache ansetzt. 

Ablagerungen an Übergabestellen

Sobald Material aus einer Rutsche oder einem Trichter auf ein sich bewegendes Förderband fällt, bildet die Seitenwandverkleidung im Wesentlichen eine Absetzkammer. Das Grundkonzept besteht darin, dass sich Staubpartikel aus einem laminaren Luftstrom absetzen, basierend auf der Geschwindigkeit des Luftstroms, V_Luft, und der Endgeschwindigkeit, V_t, der Staubpartikel (Bild 2).

Es gibt viele „Faustregeln” und traditionelle Verfahren zur Berechnung der Größe der Seitenwandverkleidung und der Platzierung des Staubvorhangs, um den Staub in der Einhausung zurückzuhalten. Jahrzehntelange Praxiserfahrung zeigt, dass die meisten dieser Verfahren keine Leistungsnachweise haben, außer „wir haben es schon immer so gemacht”. 

Die derzeitige bewährte Praxis für Förderband-Seitenwandverkleidungen besteht jedoch darin, diese für V_Luft ≤ 1,0 m/s auszulegen, indem die Höhe der Verkleidung erhöht wird. Zwei gängige „Faustregeln“ für die Länge der Verkleidung sind 2 x Bandbreite oder 0,6 m pro 1,0 m/s Bandgeschwindigkeit. Dabei ist zu beachten, dass sich mit zunehmender Höhe H auch die Strecke (L) erhöht, die ein durchschnittliches Staubpartikel zurücklegen muss. 

Um diese Vorgehensweise zu untermauern, wurden detaillierte Konstruktionsstudien zum Luftstrom und zur Partikelabscheidung unter Verwendung einer Strömungssimulationssoftware durchgeführt. Als Ausgangsbasis für die Studie wurde ein „typischer” Förderer festgelegt – ein 1200 mm breites Band mit einem Muldungswinkel von 35° und einer Geschwindigkeit von 2,0 m/s. Zur Ermittlung der Basisdaten wurde ein generisches Material mit einer Schüttdichte von 1442 kg/m³ und einer nominalen Partikelgrößenverteilung von 50 mm minus mit einer Überladung von 20° verwendet. Die Größe der Auslaufrinne wurde auf der Grundlage eines Materialvolumens von maximal 40 % des Querschnitts der Rinne festgelegt. Zur Berechnung des induzierten Luftvolumens wurden eine Fallhöhe von 3 m, eine offene Fläche von 0,9 m², eine durchschnittliche Partikelgröße von 25 mm und ein Schüttgutdurchsatz von 1680 t/h verwendet. 

Zur Vereinfachung der Analyse wurden mehrere Variablen untersucht (die Kombination der untersuchten Variablen ist in Tabelle 1 aufgeführt). Der komplette Förderer mit Abgabe- und Aufnahmebändern wurde modelliert, und obwohl es im oberen Abgabebereich erhebliche Bereiche mit Rückführung gab, war der Luftstrom in der Rutsche relativ gleichmäßig. Daher wurde die Rutsche – wie in Bild 3 dargestellt – vereinfacht, wobei das Luftvolumen und die Staubpartikel in die letzten 2 m der Rutsche eingeblasen wurden. 

Es wurden sowohl externe als auch interne Analysen durchgeführt, wobei die Förderbänder für den Austrag und die Aufnahme vollständig in Bewegung waren. Die Oberfläche des Schüttguts wurde so eingestellt, dass sie Partikel absorbierte, und die Wände so, dass sie Partikel reflektierten. Die Wirksamkeit der verschiedenen Gehäusevarianten wurde ermittelt, indem die Anzahl der Partikel jeder Größe, die aus dem Gehäuse austraten, mit der Anzahl der eingespritzten Partikel verglichen wurde.

Die Ergebnisse der externen Analyse zeigten, dass die Geschwindigkeit der entweichenden Staubpartikel zunahm, da der Luftstrom durch die Bewegung um das Förderband und die Abwurfrolle beeinflusst wird. Dieses Phänomen ist als Magnus-Effekt bekannt und unterstreicht die Notwendigkeit einer effektiven Förderbandreinigung so nah wie möglich am Abwurf. Zur Simulation von Leckagen wurde ein Abstand von 1 mm zwischen der Unterseite der Seitenwand und dem Förderband verwendet.

Vorhangkonstruktionen

Im Rahmen der Untersuchung wurden mehrere erfahrene Wartungstechniker befragt und ihre bevorzugten Vorhanganordnungen modelliert. Darüber hinaus wurden verschiedene Vorhangkonstruktionen und Anordnungsschemata untersucht – darunter versetzte, geschlitzte, gebogene, abgewinkelte, mit und ohne Schlitze, mit Löchern und ohne Vorhänge. Es wurden mehrere unkonventionelle Einhausungen der Sockelleisten modelliert, um eine Umwälzung in der Einhausung zu erzeugen und die Staubabscheidung zu verbessern. Als optimales Design für den Standardförderer wurde eine konventionelle Einhausung mit einer Höhe von 600 mm, einer Länge von 3,6 m und drei Staubvorhängen an definierten Stellen ermittelt (Bild 7).

Es wurden auch abgenutzte Ausgangsvorhänge modelliert, und mit zunehmendem Abstand über der Last verschlechterte sich die Staubabscheidungsleistung. Die Verwendung eines einzigen Vorhangs direkt am Ausgang erwies sich in allen Fällen als problematisch, da er den Ausgangsluftstrom beschleunigte. Dies wurde noch verschlimmert, wenn der Vorhang nahe am Band angebracht wurde, wodurch Staub in den austretenden Luftstrom zurückgeführt wurde, während die Rückführung innerhalb der Einhausung nicht gefördert wurde. Wenn der am Ausgang angebrachte Vorhang abgenutzt war, war das Ergebnis so, als gäbe es überhaupt keinen Vorhang. Und ein Vorhang, der direkt am Ausgang angebracht und nahe an der Ladung eingestellt wurde, verursachte ein weiteres Problem mit flüchtigen Materialien, das manchmal als „Popcorn-Effekt” bezeichnet wird, bei dem der Vorhang tatsächlich Material vom Band schleudert und so Verschüttungen verursacht. 

Ergebnisse der Studie

Partikeldichte

Die Feststoffdichte hatte kaum Einfluss auf die Absetzung von störenden Staubpartikeln zwischen 100 und 25 μm. In allen Fällen setzten sich die Partikel mit einer Größe von 100 und 40 μm fast sofort ab. Mit zunehmender Schüttdichte kam es zu einer moderaten Verringerung der Emissionen von lungengängigem Staub. 

Austragsrinne und Heckbox

Die Verbindung zwischen der Austragsrinne und den Seitenwänden erwies sich als wichtiges Konstruktionsdetail für die Erzeugung einer Rückführung. Durch die Verringerung der Breite der Austragsrinne gegenüber der Breite der Seitenwand wird der in den ersten Vorhang eintretende Luftstrom umgelenkt, wodurch die Verteilung des Luftstroms eher zur Oberseite der Einhausung als entlang der Materialoberfläche gefördert wird. Die Nachrüstung und die Gehrungsverbindungen waren deutlich effektiver als eine einfache Stoßverbindung und eine Höhe von 300 mm, wie sie beim Standardförderer in Bild 4 zu sehen sind.

Die Heckbox hatte nur einen geringen Einfluss auf die Staubemissionen am Ausgangsende der Sockelleisten. In den meisten Konfigurationen wurde die Höhe der Heckbox auf 300 mm festgelegt. Die Länge der Heckbox wurde auf 600 mm festgelegt, um dem typischen Abstand von 600 mm zwischen den Umlenkrollen zu entsprechen, der von den meisten Förderbandherstellern und Ingenieuren in der Ladezone verwendet wird.

Länge der Sockelleiste

Es wurde festgestellt, dass in den meisten Fällen eine 3600 mm lange Sockelleiste die besten Ergebnisse erzielte. Eine Verlängerung auf 4800 mm und eine Erhöhung auf 900 mm hatten einen geringfügigen Effekt, rechtfertigten jedoch möglicherweise nicht die zusätzlichen Investitionen.

Höhe der Sockelleiste

Eine Gehäusehöhe von mehr als 600 mm für den Standardförderer mit einem einzigen Auslassvorhang reduzierte zwar die störenden Emissionen, führte jedoch tendenziell zu einer Erhöhung der Ausstoßmenge an lungengängigem Staub, da der durchschnittliche Absetzweg bei einem höheren Gehäuse größer war.

Luftstrom

Wie zu erwarten war, war die durchschnittliche Luftgeschwindigkeit durch die Sockelleisten direkt proportional zum induzierten Luftstrom und zur Querschnittsfläche. Die durchschnittlichen Geschwindigkeiten in den Sockelleisten aufgrund der induzierten Luft lagen zwischen 0,8 und 2,8 m/s. Die Bandgeschwindigkeit hat nur einen geringen Einfluss auf die durchschnittlichen Geschwindigkeiten. Die maximalen Luftgeschwindigkeiten wurden fast immer dort gemessen, wo die Luft unter den Sockelleistenvorhängen strömt. Diese hohen Luftgeschwindigkeiten hielten den lungengängigen Staub in der Schwebe, sodass die Reduzierung der induzierten Luft in der Rutsche ebenfalls wichtig für die Verbesserung der Leistung ist. 

Vorhänge

Die besten Ergebnisse wurden mit drei oder mehr Vorhängen erzielt. Die Gestaltung der Schlitze in den Vorhängen ist wichtig, damit Luft hindurchströmen kann und die Luftströmungswege die gesamte Kammer ausfüllen und nicht nur mit hoher Geschwindigkeit unter den Vorhängen hindurchströmen. Es wurde festgestellt, dass die einzelnen Klappen etwa 50 mm breit sein sollten, mit mindestens 5 mm breiten Schlitzen, und dass die Vorhänge sich über die gesamte Breite des Gehäuses erstrecken sollten.

Bevorzugte Ausführungsformen

Das beste Preis-Leistungs-Verhältnis für die Verkleidung mit Sockelleisten und deren Wirksamkeit wird bei Sockelleisten mit einer Höhe von 600 mm und einer Länge von 3600 mm sowie drei Schlitzvorhängen in voller Breite erzielt, wobei entweder die Nachrüstvariante oder die Verbindung zwischen Auslaufschurre und Sockelleiste mit Gehrungsschnitt verwendet wird. 

Konstruktionsempfehlungen

Breite der Abwurfrinne über den Sockelleisten 200 mm < Breite zwischen den Sockelleisten

Außenbreite der Sockelleisten basierend auf der horizontalen Abmessung der freien Bandkante für die Abdichtung und der Bandwanderungskante ≥ 115 mm pro Seite (Foundations™-Methode) [1]

Höhe der Sockelleisten ≥ 600 mm

Luftvolumenstrom am Einlauf zu den Sockelleisten ≤ 0,50 m³/s

Länge der Sockelleisten für Materialladungs-Turbulenzen ≥ 1000 mm, falls erforderlich

Länge der Sockelleisten für Staubabsetzung ≥ 3600 mm plus zusätzlicher Spielraum für Ladungs-Turbulenzen, falls erforderlich

Staubvorhänge für Sockelleisten:

 Eingangsvorhang (1.) 300 mm hinter dem Ende der zusätzlichen Toleranz für Materialturbulenzen und Verteilung des Luftstroms

 Vorhang (Mitte) mittig zwischen Eingangs- und Ausgangsvorhang

 Ausgangsvorhang (3.) 300 mm vom Ende der Sockelleisten entfernt

 Vorhangabstand über dem Schüttgut: vorzugsweise 25 mm, maximal 50 mm

 Vorhangklappen: ~ 50 mm breite Streifen, getrennt durch Schlitze ≥ 5 mm

Fazit

Aufgrund der Reduzierung von Verschüttungen und Reinigungsaufwand, der längeren Lebensdauer der Anlagen und des Wegfalls der Notwendigkeit einer sekundären Staubabsaugung lohnt sich die Investition in die Bekämpfung von Staubemissionen mit den richtigen Sockelleisten- und Vorhangkonstruktionen sowohl für Neu- als auch für Nachrüstungsanlagen zweifellos. Darüber hinaus reduzieren die Verbesserungen in den meisten Fällen auch die Emissionen von lungengängigem Staub, was nicht nur die Wirtschaftlichkeit erhöht, sondern auch technische Lösungen zur Beseitigung der Ursachen im Interesse der Gesundheit, Sicherheit und Umwelt rechtfertigt [2].