Wie geschmiert: Speziell ausgelegte Pumpe mit Brückenbrecher und Gleitmitteleinspritzung pumpt selbst nicht-fließfähige Dickschlämme

Wie geschmiert:

Speziell ausgelegte Pumpe mit Brückenbrecher und Gleitmitteleinspritzung pumpt selbst nicht-fließfähige Dickschlämme

Mehr als 1,8 Millionen Tonnen Klärschlamm fielen 2012 in kommunalen Kläranlagen an. Der Großteil davon wird zur Energiegewinnung verbrannt oder als Dünger in der Landwirtschaft verwendet, daneben wird der Schlamm auch in der Kompostierung und im Landschaftsbau eingesetzt. Allen Entsorgungswegen gemeinsam ist die sukzessive Eindickung und Trocknung des Klärschlammes, die sein Volumen reduziert und dadurch Transport- sowie Lagerkosten spart. Für das Klärwerk selbst ist der Dickschlamm allerdings problematisch, da er leicht Fördersysteme verstopfen kann. Die Stadtwerke einer kleinen Stadt in Südhessen nutzen daher spezielle Pumpen der NETZSCH Pumpen & Systeme GmbH, die zusätzlich mit einem Brückenbrecher und einer Gleitmitteleindüsung ausgestattet wurden, um Verklumpungen zuverlässig zu verhindern. Damit kann selbst Schlamm mit 27 Prozent Trockensubstanzgehalt (TS) kontinuierlich und ohne Überdruckgefahr gefördert werden.     

Voreindickung, Nacheindickung, Entwässerung – der Aufwand, den  Kläranlagen in der Schlammbehandlung betreiben, ist enorm. Dabei geht es zum einen darum, die enormen Mengen an Reststoffen, die täglich bei der Wasserreinigung anfallen, zu reduzieren und logistisch besser beherrschbar zu machen. Zum anderen wird der Klärschlamm so auf die Entsorgung vorbereitet: Was nach dem Abbau im Faulturm noch übrig ist, kann nach der Behandlung beispielsweise in Müllverbrennungsanlagen thermisch verwertet werden. Dazu wird der Faulschlamm in Zentrifugen oder Filterpressen von einem Teil des noch enthaltenen Wassers befreit. In dem hessischen Klärwerk entstand dadurch ein Dickstoff mit einem TS-Anteil von 25 bis 27 Prozent, der nicht mehr fließfähig war, jedoch zur Abholung per LKW zu einem Schneckenförderer transportiert werden musste. Die Stadtwerke ließen dafür zwei spezielle Exzenterschneckenpumpen installieren, die unabhängig von der Konsistenz oder Viskosität des Mediums eine druck- und volumenstabile Förderung gewährleisten.

Grundlage dafür ist ihr Förderprinzip, das auf einem Rotor basiert, der sich oszillierend in einem feststehenden Stator dreht. Aus der  Geometriepaarung beider Komponenten ergeben sich zwischen Rotor und Stator Förderkammern, in denen das Medium mit der Drehbewegung des Rotors von der Saug- zur Druckseite transportiert wird. Die verwendete NEMO® BF Trichterpumpe verfügt zudem über eine lagepositionierte Transportschnecke um die Kuppelstange und über einen abnehmbaren, konisch angeformten Stopfraum, die zusammen die Einleitung des schwierigen Substrats in die eigentlichen Förderelemente verbessern. Die Befüllung erfolgt über einen eigens für derartige Einsatzfelder vergrößerten Einlauftrichter. Damit erreicht dieser Pumpentyp je nach Baugröße Förderleistungen bis 200 m³/h und Drücke bis 48 bar.

Schacht mit „beweglichen“ Seitenwänden verhindert Brückenbildung

Allerdings bestand bei dieser Anwendung die Gefahr, dass sich die im Dickschlamm enthaltenen Feststoffe schon im oberen Teil des Trichters verzopfen oder verschränken und somit die Zuführung verstopfen. „Um das zu verhindern, haben wie die Pumpen zusätzlich mit patentierten Brückenbrechern, den aBP-Modulen ausgestattet“, erklärt Thomas Tolksdorf, der projektverantwortliche Außendienstmitarbeiter bei NETZSCH. Die „asynchronous Bridge Preventing“-Einheit besteht aus einem Edelstahl-Schachtaufsatz, der an seinen Langseiten innen jeweils ein großes Speichenrad trägt. Um den Schlammeintritt nicht zu behindern, liegen die Räder sehr eng an der Wandung, gleichzeitig sind sie so angeordnet, dass bei ihrer Drehung die Wirkung einer bewegten Schachtwand entsteht. Dadurch werden Brückenbildungen verhindert beziehungsweise schon im Entstehen aufgelöst. Verstärkt wird dieser Effekt noch dadurch, dass die beiden Laufräder jeweils über einen eigenen 0,18 kW Getriebemotor mit Frequenzumrichter angetrieben werden. Auf diese Weise können sie mit einer variablen Differenzdrehzahl versetzt rotieren, so dass die dabei erzeugten Scherkräfte alle Verklumpungen zuverlässig zerreißen. Die strukturierte Stahloberfläche der Radscheiben unterstützt zudem die Umwälzung des Mediums.         

Neben der Beschickung der Pumpe war jedoch auch der Weitertransport des nicht-fließfähigen Schlammgemischs in die anschließende 10 m lange und 5 m hohe DN250-Rohrleitung problematisch: Die Exzenterschneckenpumpen im Klärwerk fördern durchschnittlich bis zu 7 m³ Dickschlamm pro Stunde. Durch starke Schwankungen in der Durchsatzmenge kann das zu fördernde Volumen jedoch auch bis auf 1 m³/h absinken, was zur Überhitzung des Motors hätte führen können. Um dies zu vermeiden, wurden direkt an die Pumpenmotoren Fremdlüfter angebaut, die sie permanent kühlen, wie langsam sie auch drehen. „Damit kann man die Fördermenge sehr weit runterfahren, ohne dass der Pumpenmotor heiß wird und abschaltet“, so Tolksdorf. Betrieben werden die Lüfter über einen separaten, sehr kleinen Motor. Zusätzlich erhielten die Förderanlagen ein Trockenlaufschutz-System, das die Komponenten im Ernstfall vor Schäden bewahrt.     

Polymereindüsung verhindert Druckanstiege und spart Kosten

Gleichzeitig stellten etwaige unerwartete Druckanstiege für die Aggregate und das gesamte Fördersystem eine weitere mögliche Gefahr dar. Gründe für solche Vorfälle gibt es verschiedene, etwa wenn der Schlamm, um Gewichtskosten zu sparen, noch stärker entwässert wird, was ihn schwergängiger macht, oder wenn ein Substratpfropfen die Druckleitung verstopft. „Wird man von den daraus resultierenden hohen Drücken überrascht, kann im schlimmsten Fall die Rohrleitung platzen oder die Pumpe einen schweren Defekt erleiden“, führt der Außendienstmitarbeiter von NETZSCH aus. Zum Schutz gegen solche Überraschungen wurde daher die Dickschlammförderung des Klärwerks um eine Gleitmitteleindüsung sowie um Überdrucksicherungen an den Druckstutzen der Schlammpumpen ergänzt.  

Die Eindüsung selbst sitzt dagegen nicht direkt am Druckstutzen, sondern wurde am Beginn des DN250-Rohres eingebaut, um eine möglichst gute Ausbildung des Gleitfilms zu gewährleisten: Bei einer Vermengung der 0,1-prozentigen Polymerlösung mit dem Medium würde sie ihre schmierende Wirkung verlieren. Durch die weitere Verdichtung des Schlamms im ersten Meter nach der Pumpe bildet sich dagegen eine sehr feste Oberfläche aus, die eine Vermischung verhindert. Die Lösung kann sich daher gleichmäßig auf der Innenwandung des Rohrs verteilen. Dazu trägt auch die spezielle Ringdüse des Einspritzsystems bei, die mit ihrem umlaufenden Ringspalt die vollständige Benetzung der Leitungsoberfläche sicherstellt. Zur Einbringung des Polymergemisches wird eine NEMO® BY-Exzenterschneckenpumpe mit einer Förderleistung von bis zu 100 l/h verwendet, die dank des volumenstabilen, drehzahlgeregelten Förderprinzips sehr exakt dosieren kann.

Reibungswiderstände lassen sich mit diesem Verfahren um bis zu 70 Prozent reduzieren. Gleichzeitig kann damit der Förderdruck verringert werden, im konkreten Fall auf etwa 8 bar. Dies erlaubt einen wesentlich wirtschaftlicheren Transport des Dickschlamms, was letztlich den kommunalen Haushalt entlastet.                    

Autor: Michael Groth, Leiter Geschäftsfeld Umwelt & Energie

NETZSCH Pumpen & Systeme bietet seit mehr als 60 Jahren auf globaler Ebene mit NEMO® Exzenterschneckenpumpen, TORNADO® Drehkolbenpumpen, Zerkleinerungsmaschinen, Dosiertechnik und Zubehör maßgeschneiderte und anspruchsvolle Lösungen für Anwendungen in sämtlichen Industrien. Mit über 1.900 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie einem Umsatz von mehr als 240 Mio. Euro (Geschäftsjahr 2013) ist NETZSCH Pumpen & Systeme neben NETZSCH Analysieren & Prüfen sowie NETZSCH Mahlen & Dispergieren der größte und umsatzstärkste Geschäftsbereich der NETZSCH-Gruppe.