Kombiniertes Gleichstrom-Trocknen und Gegenstrom-Kühlen mittels Drehrohr

Die Trommeltrockner/-kühler von Allgaier sind weltweit bekannt als qualitativ hochwertige, leistungsstarke und effiziente Trocknungs- und Kühlsysteme (Bild 1). Sie finden ihre Verwendung insbesondere bei der Verarbeitung rieselfähiger Schüttgüter, werden jedoch auch für klebende, klumpende oder stark abrasive Materialien eingesetzt [1; 2]. Da die Trommeln stets individuell und aufgabenbezogen ausgelegt und entsprechend gefertigt werden, eröffnet sich in der Anwendung ein außergewöhnlich weites Einsatzspektrum. Ergänzt durch Spezialausführungen werden Durchsatzleistungen von 1 t/h bis über 350 t/h erreicht, wobei mit der Trocknung kombinierte Prozessschritte integriert werden können.

Ein Großteil der Trockner und kombinierten Trockner/Kühler des Mozer-Systems wird in der Mineralstoffindustrie eingesetzt, ebenso wie in den Sparten Sand-Steine-Erden und Mining. Konvektive Verfahren wie auch Aufgaben in den Bereichen Kalzinieren, indirektes Erhitzen, Trocknen und Kühlen bis hin zum Coating und zur Granulierung [5] deckt Allgaier durch Sonderlösungen ab.

Mit dem neuen Trommeltrockner/-kühler TK-D (Bild 2) präsentiert Allgaier eine Weiterentwicklung der schon bisher äußerst erfolgreichen Allgaier-Trockner/Kühler der Baureihen TK und TK+ (TKplus). Mit diesen ist bereits eine Kühlung des Produktes auf ca. 50 bis 60 °C erreichbar [3]. Mit der Entwicklung des Modells TK-D wird der Tatsache Rechnung getragen, dass in einigen Anwendungsfällen wie z.B. bei Gießereisanden oder bei der Herstellung von Ready-Mix-Produkten, wie Bauklebern, und auch bei der Aufbereitung von Stoffen für weitere Behandlungsstufen in Recyclingprozessen zunehmend besonders niedrige Temperaturen der abgegebenen Trockenstoffe gefordert werden. Diese liegen bei etwa 30 bis 45° C bzw. nahe an der Umgebungs- oder der Kühllufttemperatur.

1 Ausführung als einschaliges Drehrohr

Die bisher bekannten Trockner/Kühler-Kombinationen sind als zweischalige Drehrohre ausgeführt. Dabei erfolgt in deren Innenrohr die Trocknung und im Außenrohr die Kühlung. Bei der Ausführung TK-D werden die Trocknung als auch die Kühlung des Feststoffes durch eine einschalige Bauweise des Drehrohres ermöglicht, wobei innerhalb des Drehrohres getrennte Bereiche für Trocknung und Kühlung vorhanden sind. Durch dieses Verfahren werden Berührungspunkte zwischen dem abkühlenden Trockengut und der inneren, heißen Trockentrommel im Eintrittsbereich des Trockners vermieden, wie dies beispielsweise bei zweischaligen Drehrohren der Fall ist. Bild 3 stellt die prinzipielle Funktionsweise des TK-D dar.

Der speziell gestaltete Zentralbereich des TK-D lässt die Abluftströme aus Trocknung und Kühlung durch den Trommelmantel austreten und sorgt gleichzeitig für einen raschen Transport des getrockneten Feststoffs von der Trockenzone in die Kühlzone. Unfreiwilliges Austreten des Trockengutes durch die Öffnungen für die Abluft wird durch ein spezielles Design des Zentralbereiches vermieden. Der warme Feststoff wird über den Zentralbereich in die Kühlzone geleitet, wo er im Gegenstrom gekühlt wird. Anschließend verlässt der Feststoff das Drehrohr in trockenem und gekühltem Zustand über einen Feststoffauslass (Bild 4). Die Abluftmengen, sowohl aus der Trocknung als auch aus der Kühlung, durchlaufen eine nachgeschaltete Schlauchfilteranlage, wo sie zunächst entstaubt und dann durch einen Saugventilator in die Umgebung abgeführt werden.

Standardgemäß erfolgt die Kühlung warmer, zuvor getrockneter Produkte mittels Umgebungsluft, wobei Temperaturen von bis ca. 10 K oberhalb der Umgebungstemperatur erreicht werden. Unter Verwendung optional zuvor gekühlter Luft lassen sich Trockengut-Temperaturen von bis zu 10° C realisieren. Umgebungsluft oder konditionierte Kühlluft werden über dasselbe Gehäuse zugeführt, über welches auch der Feststoffaustrag erfolgt. Die Länge der Kühlzone kann hierbei, unabhängig von der Länge der Trocknungszone, entsprechend den Anforderungen an den optimalen Kühleffekt ausgelegt werden.

2 Abluftrückführung und Wärmerückgewinnung

Die Abführung und Entstaubung der beiden Abluftströme kann beim Übergang von der Trocknungs- in die Kühlzone unter Verwendung einer Trennwand innerhalb des Zentralbereiches des TK-D auch separat erfolgen. Dabei wird die feuchtebeladene Trocknerabluft entstaubt in die Atmosphäre abgegeben, während die entstaubte aber trockene Kühlerabluft als vorgewärmte Trocknungsluft in den Prozess zurückgeführt werden kann (Bild 5).

Die Abluftrückführung bewirkt eine Wärmerückgewinnung, die, optional mit „Evaporative Cooling“ zur Kühlungsunterstützung kombiniert, zu einer weiteren Effizienzsteigerung im Trocknungsprozess führt und dadurch zu einer zusätzlichen Energieeinsparung gegenüber bisherigen Bauformen beiträgt. „Evaporative Cooling“ beschreibt eine durch Verdunstung eines im Feststoff vorhandenen Restfeuchteanteils erfolgende Nachverdampfung im Bereich der Kühlzone.

3 Sonderprozesse

Durch die getrennte Zu- und Abführung der Luftströme werden unterschiedliche Prozessführungen zwischen Feststoff und Luft ermöglicht. So kann eine Trocknung (entweder nach dem Gleichstrom- oder nach dem Gegenstromprinzip) unabhängig mit einer Gegen- oder Gleichstromkühlung kombiniert werden.

Hierbei eignet sich besonders die mögliche Gegenstromführung von Heißgas und Feststoffstrom für verschiedene Sonderformen der Hochtemperatur-Behandlung, wie beispielsweise die Kalzinierung von Feststoffen mit direkt anschließender Kühlung: Heißgas wird durch jenen Stutzen am Zentralbereich zugeführt, durch welchen bei der Standardausführung die Trocknungsluft abgeführt wird. Das verbrauchte Heißgas wird anschließend auf der Seite des Feststoffeintrags ausgeleitet. Auch in diesem Fall ist es möglich, die warme Kühlerabluft, sowohl mit als auch ohne Entstaubung, als vorgewärmte Verbrennungsluft für den Heißgaserzeuger zu verwenden (Bild 6), was wiederum eine signifikante Einsparung bezüglich des Brennstoffverbrauchs bewirkt.

4 Wartungsfreundlichkeit

Die besonders abrasive Wirkung von Mineralstoffen, wie beispielsweise Quarzsanden oder Schlacken, auf die Apparatewandungen und die im Trockner/Kühler befindlichen Einbauten erfordert zur Verarbeitung derartiger Produkte Bauweisen mit einer besonderen Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit.

Aufgrund der einschaligen Bauweise ist der neue TK-D besonders wartungsfreundlich. Zumeist verfügen die Trommeln über einen großen Durchmesser, wodurch sie sich zur Durchführung von Inspektions- und Wartungsarbeiten sehr einfach über die komplette Länge begehen lassen. Unzugängliche Trocknerbereiche, wie bauartbedingt bei mehrzügigen Trommeln der Fall, gibt es beim TK-D nicht (Bild 7).

Der TK-D verfügt zur Inspektion und Wartung sowohl am Trommelkörper selbst als auch an den Trockner-Gehäusen über großzügig dimensionierte Wartungs-Öffnungen, auch „Mannlöcher“ genannt. Diese befinden sich an einfach und sicher zugänglichen Stellen. Auf diese Weise können durch Verschleiß angegriffene Bereiche des Trommelmantels selbst sowie verschlissene Trommeleinbauten rasch identifiziert und unkompliziert instandgesetzt oder erneuert werden. Die besonders einfache Zugänglichkeit ermöglicht auch kurzfristige Optimierungsmaßnahmen im Rahmen eines Produktwechsels bzw. zur Produktionssteigerung. Den notwendigen Service bietet Allgaier durch weltweit agierendes Personal bzw. durch entsprechendes Supervising.

5 Durchführung von Versuchen und Auslegung von Trocknungsanlagen

Die Auslegung von industriellen Trocknungsanlagen erfolgt in der Regel auf der Basis umfangreicher Versuche im Technikumsmaßstab. Unter Verwendung der dabei ermittelten Parameter wie Temperaturen, Luft- und Gasmengen, Verweilzeiten, Trockengrade und erreichbare Wasserverdampfungsleistungen kann ein passgenaues, individuelles Anlagendesign erstellt werden. Dadurch wird es dem Hersteller möglich, umfassende Gewährleistungen auf vereinbarte Anlagenleistungen, Produkteigenschaften sowie Energieverbräuche zu bieten.

Allgaier verfügt am Standort Uhingen über ein umfassend ausgestattetes Technikum. Dieses bietet eine große Anzahl von Versuchsanlagen, mit denen alle im Lieferprogramm befindlichen Prozesse abgebildet werden können. Grundsätzlich bringen Versuche in zu kleinen Laboranlagen beim Scale-up Unsicherheiten mit sich, weshalb die Anlagen im Technikum bewusst in einem signifikant großen, halbtechnischen Maßstab ausgeführt sind (Bild 8). Dies ermöglicht die Durchführung repräsentativer Versuche unter realitätsnahen Bedingungen.

Die aus den Versuchen ermittelten Ergebnisse werden bei der Auslegung von Trommeltrocknern mit thermischen Bilanzierungsrechnungen und unter Einbindung eines umfangreichen, aus einer Vielzahl gelieferter Referenzanlagen gewonnenen Know-hows kombiniert [4; 5]. Um energie- und ressourcenschonend zu arbeiten, sowie im Wettbewerb am Markt bestehen zu können, wird eine möglichst genaue Auslegung der Anlagen immer wichtiger.

Zunächst werden über eine thermische Bilanzierung die wichtigen Betriebsparameter wie Luft- und Feststofftemperaturen, Gasgeschwindigkeit, Brennerleistung, sowie Feststoffmengenströme und Heißgastemperatur berechnet. Anschließend kann über den empirischen Parameter der spezifischen Wasserverdampfungsleistung v [kg/(s m³)] das Trocknervolumen und somit die Länge und der Durchmesser des Drehrohres bestimmt werden. Die spezifische Wasserverdampfungsleistung v bezeichnet das Vermögen einer Trocknerkonfiguration, abhängig von der gewählten Heißgastemperatur eine bestimmte Wassermenge je m³ Trommelvolumen zu verdampfen. Dieser Parameter drückt einen Erfahrungswert aus, der aus einer großen Menge gelieferter Anlagen für die jeweiligen Anwendungsfälle ermittelt wurde. Insbesondere ist dieser abhängig von der gezielten und optimalen Gestaltung der Trocknereinbauten. Gleichfalls eine Rolle spielen Produkt und zu erzielende Feststofffeuchte [4].

Bild 9 zeigt die in einem Standard-Trocknungsversuch verwendeten Messpunkte für die Temperaturen, die Luftmenge v_a,mix und die Brennerleistung P_B an der Versuchsanlage. Der feuchte Feststoff gelangt mit dem Massenstrom m˙ _Pr, der Temperatur t_Pr,f und der Feuchte x_Pr,f in den Trockner. Hier kommt er in Kontakt mit den Heißgasen der Temperatur t_e, die durch Mischung der Brennergase mit einem Anteil Umgebungsluft erzeugt werden. Die Brennerleistung wird mit einem Gas-Durchflussmesser ermittelt. Zusätzlich zu den Heißgasen und dem Feuchtgut tritt Umgebungsluft mit der Temperatur t_amb in den Trockner ein. Daraus ergibt sich der Gesamtmassenstrom an Trocknungsluft m˙ _L. Der Feststoff wird im Drehrohr aufgewärmt bis er die Temperatur t_P,tr erreicht hat. Anschließend erfolgt die Trocknung auf den Restfeuchtegehalt x_P,tr.

Im Verlauf des Trocknungsprozesses kühlt die Trocknungsluft auf die Temperatur t_a,real ab. Gleichzeitig steigt die Luftfeuchtigkeit an. Am Trockneraustritt kommt es zu unvermeidlichen Leckagen zwischen dem rotierenden Drehrohr und dem Austrags- bzw. Abluftgehäuse. Daher wird in die Trocknerabluft mit der Temperatur t_a,real ein eher geringer Leckluftstrom aus der Umgebung mit der Umgebungslufttemperatur t_amb eingemischt. Die sich hieraus ergebende Abluftmenge wird durch Messung der Ablufttemperatur t_a,mix sowie der Luftgeschwindigkeit v_a,mix im Abluftrohr ermittelt.

Alle vorgenannten Parameter werden in die Bilanzierungsgleichungen (1), (2) und (3) eingefügt. Hierbei stellt Q˙ _tot den Gesamtwärmebedarf dar, der für den Trocknungsprozess benötigt wird. Die gezeigten Gleichungen (1), (2), (3) sind in für die Bilanzierung zulässiger Weise vereinfacht: h_1+x stellt die Enthalpie der feuchten Luft dar, h_Pr ist die Enthalpie des Produktes, Q˙ _r beschreibt die Strahlungsverluste, und m˙ _LL bezeichnet den Leckluftstrom. Die Berechnung führt zur Heißgastemperatur t_e, welche aufgrund der starken Schwankungen aus Brennerabgas und eintretender Umgebungsluft im Bereich der Mischzone nicht direkt messbar ist.

Q˙ _tot = m˙ _L [(h_1+x)_a – (h_1+x)_e] + m˙ _Pr (h_Pr,a – h_Pr,e) + m˙ _LLc_P,L (t_a,mix – t_amb) + Q˙ _r⇥(1)

Q˙ _tot = m˙ _Lc_P,L (t_e – t_a,real)⇥(2)

P_B = m˙ _Lc_P,L (t_e – t_amb)⇥(3)

Bild 10 und Bild 11 verdeutlichen die Abhängigkeit der Feststoff- und Wasserverdampfungsleistung (Bild 10) sowie des spezifischen Brennstoffbedarfes (Bild 11) von der Eintrittsfeuchte des Trockenguts am Beispiel der Trocknung und Kühlung von Sanden unter Verwendung einer Anlage einer nominalen Trockengutkapazität von 30 t/h bei einer beispielhaft angenommenen Feststoff-Eingangsfeuchte von 6 % im Auslegungspunkt („Point of design“). Dieses Beispiel geht von Sanden mit ausschließlich Oberflächenfeuchte aus.

Ein derartiger Trockner verfügt über die Fähigkeit, auch Sande mit höherer Anfangsfeuchte zu trocknen, allerdings sinkt mit steigender Anfangsfeuchte die Feststoffleistung (feucht und trocken = obere Linien in Bild 10). Wenn die Anfangsfeuchte geringer ist, kann die Feststoffleistung (feed) auf ca. 41 t/h erhöht werden, bleibt bei weiter sinkender Anfangsfeuchte wegen der limitierten Transportfähigkeit der für diesen Fall optimierten Trommeleinbauten unterhalb 4,5 % sowie durch die Begrenzungen des Trockner-Antriebes jedoch auf dem Maximalwert des sog. „Mechanical limit“.

Die untere Linie in Bild 10 markiert die Wasserverdampfungsleistung. Diese bleibt wegen der installierten maximalen Brennerleistung oberhalb der nominalen Anfangsfeuchte des Sandes („Point of design“) konstant, sinkt jedoch bei geringen Anfangsfeuchten und gleichbleibender Feststoffmenge.

Folglich steigen die auf die Trockengutleistung bezogenen, spezifischen Gasverbräuche mit der Anfangsfeuchte der behandelten Sande an. Die drei annähernd parallelen Linien der spezifischen Gasverbräuche in Bild 11 markieren die Differenz des Energiebedarfes ohne und mit Verdunstungskühlung [3] durch Gegenstromführung von zu kühlendem Feststoff und Kühlluft in der Kühlzone eines TK-D (die beiden oberen der drei Linien in Bild 11), bzw. mit Verdunstungskühlung als auch mit zusätzlicher Rückführung der warmen Kühlerabluft (die untere der drei Linien in Bild 11).

Durch die im vorgenannten Beispiel gezeigte Verdunstungskühlung liegen die Brennstoffeinsparungen, abhängig von der Anfangsfeuchte, in Größenbereichen von 5 % bis 20 % gegenüber einer Kühlung ohne Evaporative Cooling. Durch eine zusätzliche, getrennte Abluftführung und Rückführung der warmen, trockenen Kühlerabluft als vorgewärmte Verbrennungs- und Prozessluft (gemäß Bild 5) können weitere ca. 5 bis 10 % Einsparung, wiederum abhängig von der Anfangsfeuchte, realisiert werden. Dadurch ergeben sich insgesamt mögliche Brennstoffeinsparungen um 16 % im Auslegungspunkt.

Parallel zur Entwicklung des Systems des TK-D errichtete Allgaier eine entsprechende Versuchsanlage (Bild 2, 8, 12). Das gesamte Drehrohr ist 6,7 m lang und besitzt einen Durchmesser von 710 mm. Die Gestaltung und die Anordnung der internen Einbauten („Schaufeln“), die für effizienten Stoff- und Wärmeaustausch wichtig sind, können bei dieser Versuchsanlage äußerst flexibel an die Erfordernisse des jeweiligen Prozesses und an das konkrete Rieselverhalten des jeweiligen Schüttgutes angeglichen werden. Im April 2019 wurde die Versuchsanlage der Öffentlichkeit in München auf der weltgrößten Baumaschinenmesse, der bauma, präsentiert. Sie steht mittlerweile allen Interessenten zur Versuchsdurchführung im Allgaier-Technikum zur Verfügung.

Für den TK-D wurden die oben dargestellten Bilanzierungsgleichungen um den Kühlluftstrom ergänzt. Dadurch wird in analoger Weise eine Nachrechnung und Auswertung der Versuche mit dem TK-D ermöglicht.

6 Beispiele für Praxisanwendungen

Das neue System konnte sich bereits in verschiedenen industriellen Anwendungen bewähren. Die Funktionalität ist somit zuverlässig belegt. Auf Bild 13 ist ein bei einem europäischen Kunden installierter TK-D mit einer Gesamtlänge von 12 m und einem Drehrohr-Durchmesser von 1600 mm zu sehen. Diese Anlage wird zur Trocknung und Kühlung von Schlacke im Rahmen der Rückgewinnung von Metallen eingesetzt. Im Bild gut erkennbar ist das Absauggehäuse des Zentralbereiches.

Ausgehend von einer Anfangsfeuchte von ca. 8 % des Schlacke-Granulates (0 … 20 mm) werden 8 t/h Feststoff auf Restfeuchten von weniger als 1 % getrocknet und nachfolgend auf eine Abgabetemperatur von ca. 50 °C gekühlt. Dabei werden Wasserverdampfungsraten bis 800 kg/h erreicht. Im erreichten Zustand eignet sich das Produkt damit optimal für nachfolgende Prozessschritte der Sortierung bis hin zur finalen Lagerung. Die Entscheidung des Kunden für einen TK-D gründete im Wesentlichen auf den guten Inspektions- und Wartungsmöglichkeiten des Drehrohres und der Kombination von Trocknung und Kühlung in einem Apparat.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel bietet ein Trockenbaustoff-Werk in Lateinamerika, wo Natursand der Körnung 0 bis 3 mm mit Anfangsfeuchten um 5 % auf eine Restfeuchte von weniger als 0,4 % getrocknet wird. Die nachfolgende Kühlung erfolgt auf Temperaturen zwischen 40 und 50 °C, je nach aktueller Umgebungslufttemperatur zwischen 20 und 35 °C. Da diese vom Kunden geforderten geringen Trockengut-Temperaturen, auch bei hohen Umgebungstemperaturen, mit mehrzügigen Trocken-/Kühltrommeln nicht erzielt werden können, bildeten diese Anforderungen den Hauptgrund des Kunden hinsichtlich der Entscheidung zur Anschaffung eines TK-D.

Der Trockner/Kühler weist eine Gesamtlange von 13 m bei einem Trommeldurchmesser von 2000 mm auf. Die Feststoffleistungen liegen bei bis zu 30 t/h. Bild 14 zeigt das genannte Drehrohr im Fertigungsprozess.

7 Fazit

Der neue TK-D bietet die Möglichkeit der effizienten Trocknung rieselfähiger Schüttgüter mit unmittelbar nachfolgender, effizienter Kühlung im Gegenstrom. Trocknung und Kühlung werden in einem einzigen Drehrohr durchgeführt, wodurch die Anlage eine besonders gute Zugänglichkeit für Inspektion, Wartung und Reparatur bietet. Der speziell gestaltete Zentralbereich zur Durchleitung der getrockneten Feststoffe in die Kühlzone gestattet die effiziente Rückführung der warmen Kühlerabluft als vorgewärmte Trocknungsluft und bietet Raum für eine Reihe von Sonderausführungen, beispielsweise zur Kalzinierung oder Reaktionsführung.

Durch die Wiedereinströmung der Abluft sowie ein optionales Evaporative Cooling können energetisch besonders effiziente Prozesse realisiert werden. Aufgrund jahrzehntelanger Erfahrungen aus hunderten von Referenzen mit gleichzeitiger Möglichkeit der Durchführung praxisnaher Versuche auf einer sehr flexibel konfigurierbaren Versuchsanlage kann eine sichere Anlagenauslegung gewährleistet werden.