DE19809685C2 - Festkörperfilter auf der Basis von Quarzsand - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Festkörperfilter, auf der Basis von Quarzsand sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Festkörperfilter.

Für die Reinigung von Abluft und Rauchgasen werden verschiedene Filtermedien verwendet. Für die Reinigung heißer Medien werden dabei Gewebeschläuche aus Aluminoborosilikatglas, Faserelemente aus Aluminiumsilikatfasern oder Sinterkerzen aus keramischen Feingranulaten bevorzugt eingesetzt. Diese allgemein aus dem Stand der Technik bekannten Filtermaterialien weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Die wesentlichsten sind dabei die bei allen diesen Filtermaterialien vorhandene mangelnde mechanische Stabilität und die teilweise recht komplizierte und aufwendige Herstellung.

Aus der EP 0 489 218 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Filtern bekannt, gemäß dem aus Siliziumdioxid durch Formguß Filtermittel in Form von Rohren hergestellt, der jeweilige Rohabguß getrocknet, bei 1020°C gebrannt und gegebenenfalls mehrere solche Filtermittel in einem Filtermittel-Gehäuse zu dem Filter zusammengesetzt werden. Bei der Herstellung des Filtermittels kann eine 37% Lösung Natriumsilikat verwendet werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Festkörperfilter sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, wobei der Festkörperfilter insbesondere einfach herstellbar sein soll und darüberhinaus beständig gegen aggressive Umgebungen.

Diese Aufgabe wird durch einen Festkörperfilter gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperfilters gelöst, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

• a) Vermischen von Quarzsand, Metall- und/oder Keramik-, Glas- bzw. Mineralfasern und Bindemittel,
• b) Einbringen der Mischung aus Schritt a) in eine Form mit anschließendem oder gleichzeitigem Verdichten,
• c) Vor-Aushärten des Filterkörpers durch Beheizen der Form und
• d) Nachhärten des Filterkörpers.

Der erfindungsgemäße Festkörperfilter ist chemisch gegen Säuren, Alkalien und Oxidation sehr beständig, ist auf einfache und wirtschaftliche Weise herstellbar und besitzt eine vergleichsweise hohe mechanische Stabilität, insbesondere auch gegen Abrasion.

Bei Verwendung eines thermisch stabilen Bindemittels besitzt der erfindungsgemäße Festkörperfilter eine Temperaturbeständigkeit bis 600°C.

Dieser Festkörperfilter ist dann allgemein auch für Filtrationen im Temperaturbereich bis mindestens 500°C geeignet, so z. B. als Filter für die Reinigung der Abluft von Trocknungsanlagen oder für die Entstaubung von Rauchgasen, z. B. aus Biomasse- oder anderen Verbrennungsanlagen, wobei sich insbesondere der Aufbau aus nicht brennbaren Ausgangsmaterialien vorteilhaft bemerkbar macht. Selbstverständlich ist der erfindungsgemäße Filter auch für die allgemeine Reinigung von Abluft, so z. B. für Arbeitsstätten verwendbar, als lebensmittelgeeigneter Reingasfilter, für die Fest- /Flüssigtrennung sowie zur Verwendung als Schalldämpfer.

Bei dem erfindungsgemäßen Festkörperfilter wird bevorzugt ein Polymerharz oder Wasserglas als Bindemittel verwendet, so daß in der fertigen Filterschicht die einzelnen Quarzsandpartikel entsprechend mit Polymerharz oder Wasserglas als Bindemittel aneinander gebunden sind. Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der Bindemittelanteil 2% oder weniger von der Masse des eingesetzten Quarzsandes beträgt.

Grundsätzlich bestehen keinerlei Beschränkungen hinsichtlich der Korngröße des zur Herstellung des Festkörperfilters verwendeten Quarzsandes. Es ist allerdings bevorzugt, daß der verwendete Quarzsand Korngrößen im Bereich von 10 µm bis 2 mm besitzt, wobei sich die Auswahl in diesem Bereich für den Fachmann grundsätzlich aus dem vorgesehenen Einsatzbereich und den daraus resultierenden Anforderungen, z. B. hinsichtlich der Porengröße, des Druckverlusts, sowie der bei der Herstellung des Festkörperfilters angestrebten Verdichtung, abhängt.

Die Filterwirkung des erfindungsgemäßen Festkörperfilters läßt sich insbesondere dadurch steigern, daß auf der ersten, aus Quarzsand mit beigemischten Metall- und/oder Keramik-, Glas- bzw. Mineralfasern und Bindemittel gebildeten Filterschicht wenigstens eine weitere Filterschicht angeordnet wird. Vorteilhafterweise besteht diese wenigstens eine weitere Filterschicht aus Metall- und/oder Keramik-, Glas- bzw. Mineralfasern.

In einer anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Festkörperfilters ist als zweite oder dritte Filterschicht, d. h. mit oder ohne die zuvor beschriebene Faserfilterschicht, wenigstens eine weitere Filterschicht aus mit einem Bindemittel aneinander gebundenen Quarzsandpartikeln vorgesehen, wobei sich diese Schicht von der ersten Schicht aus Quarzsand und Bindemittel wenigstens in einer der Eigenschaften Korngröße, Porendurchmesser, Druckverlust und/oder Dicke der Filterschicht unterscheidet.

Mit dieser Ausgestaltung ist es insbesondere möglich einen Festkörperfilter bereitzustellen, der aus wenigstens zwei Filterschichten aus Quarzsand und Bindemittel besteht, wobei sich jedoch die Porengrößen voneinander unterscheiden.

Bei der vorliegenden Erfindung enthält wenigstens eine Filterschicht aus Quarzsand und Bindemittel zur Verstärkung Metall- und/oder Keramik-, Glas- bzw. Mineralfasern. Hierdurch wird die mechanische Festigkeit des Festkörperfilters, insbesondere die Abrasionsbeständigkeit und die Bruchfestigkeit besonders gut erhöht, ohne daß andere Eigenschaften, wie die thermische Stabilität oder die Stabilität gegenüber aggressiven Medien darunter leiden. Die Faserbeimischung beträgt bevorzugt 1 bis 2,5% der Masse des für die Filterschicht verwendeten Quarzsandes.

Wie bereits erwähnt, besitzt der zur Herstellung des erfindungsgemäßen Festkörperfilters verwendete Quarzsand allgemein Korngrößen im Bereich 10 µm bis 2 mm. Durch die engere Wahl der Korngröße sind dabei hinsichtlich Form und Anzahl unterschiedlich definierte Poren im fertigen Filter erhältlich. Besonders bevorzugt sind dabei grundsätzlich Korngrößen im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm und im Bereich von 0,315 bis 0,63 mm, um z. B. unterschiedliche Filterschichten herzustellen. Zur Abscheidung besonders feiner Partikel kann es zweckmäßig sein auf einer Filterschicht, deren Quarzsand in einem der genannten Größenbereiche liegt, eine weitere, rohgasseitig angeordnete Feinschicht aufzubringen. Hierbei reicht eine Schichtdicke von 1 mm aus und der hierfür verwendete Quarzsand besitzt vorzugsweise Korngrößen in einem Bereich von 10 bis 200 µm. Schließlich ist noch eine Tragschicht zu erwähnen, die grundsätzlich als Basis für andere Filterschichten dient und bei der der Quarzsand vorzugsweise Korngrößen im Bereich von 0,1 bis maximal 2 mm aufweist.

Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung des hier beschriebenen Festkörperfilters gemäß dem zuvor angegebenen Verfahren, wobei im Schritt a) Metall- und/oder Keramik-, Glas bzw. Mineralfasern beigemischt werden. Der besondere Vorteil liegt dabei darin, daß durch eine derartige Faserverstärkung die Dicke der jeweiligen Filterschicht ohne nachteilige Nebeneffekte herabgesetzt werden kann. Aufgrund derartiger Faserverstärkungen lassen sich Filterschichten mit einer maximalen Dicke von 5 mm ohne Einbußen an Festigkeit realisieren. Ohne eine solche Faserverstärkung ist eine Dicke von 10 mm erforderlich, um eine vergleichbare Festigkeit der Filterschicht zu erreichen. Es ist offensichtlich, daß hieraus nicht nur eine Material- und Gewichtseinsparung von fast 50% resultiert, sondern weiterhin auch der Druckverlust am Filter niedriger gehalten wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Einbringen der Mischung aus Quarzsand und Bindemittel und Metall- und/oder Keramik-, Glas- bzw. Mineralfasern gemäß Schritt a) in eine Form und anschließendem Verdichten, d. h. nach Schritt b), und vor dem Vor-Aushärten des Filterkörpers durch Beheizen der Form, d. h. vor Schritt c), eine Schicht aus Metall- und/oder Keramik-, Glas- bzw. Mineralfasern auf die in Schritt b) erzeugte Schicht aufgebracht.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen unmittelbar vor Schritt c) eine weitere Schicht aus Quarzsand und Bindemittel, die gegebenenfalls Metall- und/oder Keramik-, Glas- bzw. Mineralfasern enthält, in die Form einzubringen, wobei das Vorhandensein einer Filterschicht ausschließlich aus Metall- und/oder Keramik-, Glas- bzw. Mineralfasern nicht erforderlich ist und das Vorhandensein derartiger Fasern in der zweiten Filterschicht aus Quarzsand und Bindemittel optional ist, wobei der Fachmann die Auswahl entsprechend den geforderten Eigenschaften, wie z. B. hinsichtlich der mechanischen Beständigkeit oder Belastbarkeit treffen wird. Eine Beimengung der genannten Fasern kann sich dabei insbesondere erübrigen, wenn in der ersten im wesentlichen aus Quarzsand bestehenden Filterschicht bereits Fasern zur Erhöhung der Stabilität enthalten sind.

Wenn eine zweite im wesentlichen aus Quarzsand bestehende Filterschicht vorgesehen ist, unterscheidet diese sich bevorzugt in der Korngröße, im Porendurchmesser hinsichtlich des Druckverlusts und/oder der Dicke der Filterschicht von der wenigstens einer anderen im wesentlichen aus Quarzsand gebildeten Filterschicht. Hierbei liegt auf der Hand, daß eine unterschiedliche Korngröße durch Einsatz von entsprechend klassiertem Quarzsand erreicht wird, während Porendurchmesser und Druckverlust durch entsprechend geringeres Verdichten anders eingestellt werden können. Für eine geringere Dicke dieser Filterschicht wird einfach weniger Material eingesetzt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bei der Verwendung von Wasserglas als Bindemittel bevorzugt, wenn bei dem Vor-Aushärten des Filterkörpers in Schritt c) eine Temperatur von 150°C nicht überschritten wird, da bei diesem Schritt ausschließlich das zur Verarbeitung von Bindemittel und Quarzsand erforderliche Wasser entfernt werden soll. Wird eine höhere Temperatur gewählt, so kann möglicherweise die Festigkeit des fertiggestellten Filterkörpers herabgesetzt sein. Die bevorzugte Temperatur für das Vor-Aushärten beträgt etwa 100°C (±5-10°C). Das Vor-Aushärten findet dabei grundsätzlich in der Form statt, während der nachfolgende Schritt des Brennen bzw. Nachhärten ohne Form möglich ist.

Das Beheizen in Schritt c) kann grundsätzlich in jedem geeigneten Ofen erfolgen, der die entsprechende Größe zur Aufnahme von einem oder mehreren Filterkörpern aufweist, so z. B. in elektrisch oder mit Gas beheizten Trocknungsöfen. Bevorzugt ist jedoch das Beheizen in Schritt c) in einem Mikrowellenofen durchzuführen, da auf diese Art und Weise eine gleichmäßige Erwärmung durch den gesamten Filterkörper hindurch erreicht wird und die Trocknung besonders gleichmäßig erfolgt. Die für das Vor-Aushärten erforderliche Zeit, während der die Filterkörper der Wärme- oder Mikrowelleneinwirkung ausgesetzt sind, hängt grundsätzlich von der Leistung des verwendeten Ofens und dem Filterquerschnitt ab. Es bereitet jedoch keine Schwierigkeiten die erforderliche Zeitdauer zu ermitteln, da grundsätzlich nur eine ausreichende Trocknung und kein Überschreiten der Maximaltemperatur sichergestellt werden muß.

Das Brennen bzw. Nachhärten des Filterkörpers gemäß Schritt d) wird bei gegenüber dem Vorhärten des Filterkörpers erhöhten Temperaturen durchgeführt.

Hierbei sind Temperaturen bis zu 900°C bevorzugt. Besonders bevorzugt sind dabei Temperaturen von 830 bis 880°C, wobei der Temperaturverlauf, d. h. die Aufheizrate und die Heizdauer, in Abhängigkeit von dem jeweils gewählten Filterquerschnitt einzustellen sind, um Spannungsrisse in den Filterkörpern zu vermeiden. Allgemein kann der erfindungsgemäße Festkörperfilter auf der Basis von Quarzsand sowohl in runder als auch rechteckiger Form hergestellt werden. Rundkörper werden dabei bevorzugt in einer rotierenden Form hergestellt. Hierbei wird die jeweils gewünschte Sandkörnung und/oder die Faserbestandteile kontinuierlich eingedüst, schichtweise aufgetragen und dabei gleichzeitig verdichtet. Weiterhin sind auch Hohlkörper realisierbar, wobei diese vor dem Aushärten durch eine entsprechende mechanische Bearbeitung wie Bohren, Drehen und Fräsen hergestellt werden.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird in eine gegebenenfalls rotierende Form als erstes eine Schicht aus temperaturbeständigen Fasern eingetragen. Hierauf wird eine mit Bindemittel angereicherte Quarzsandschicht angeordnet, wobei sich durch diesen Filteraufbau vorteilhafterweise der Druckverlust bei gleichzeitig hoher Abscheideleistung äußerst gering halten läßt.

Bei der Verwendung eines polymeren Harzes als Bindemittel ist es hingegen bevorzugt, wenn bei dem Vor-Aushärten des Filterkörpers in Schritt c) eine Temperatur im Bereich von 60 bis 80°C nicht überschritten wird, da eine Temperatur in diesem Bereich für eine Initiierung der Reaktion des Polymerharzes ausreicht. Das Nachhärten des Filterkörpers gemäß Schritt d) besteht zur Vervollständigung des Aushärtens nur in einer 5 bis 6 tägigen Lagerung bei Raumtemperatur. Eine besondere Temperaturbehandlung ist bei der Verwendung von Polymerharz als Bindemittel nicht erforderlich.

Insgesamt liegt der Druckverlust des erfindungsgemäßen Festkörperfilters in jeder Ausführungsform unter einem Wert von 120 daPa.

Claims (14)

1. Festkörperfilter, insbesondere zur Reinigung heißer Medien, mit wenigstens einer aus Quarzsand (SiO₂) mit beigemischten Metall- und/oder Keramik-, Glas bzw. Mineralfasern und einem temperaturbeständigen Bindemittel bestehenden Filterschicht, wobei der Quarzsand eine definierte Körnung besitzt, die einzelnen Quarzsandpartikel sowie die beigemischten Metall- und/oder Keramik-, Glas- bzw. Mineralfasern zur Bildung der wenigstens einen Filterschicht mit dem Bindemittel aneinander gebunden sind und die Wandstärke des Filters maximal 5 mm beträgt.

2. Festkörperfilter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel Wasserglas ist.

3. Festkörperfilter gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzsand Korngrößen im Bereich von 10 µm bis 2 mm besitzt.

4. Festkörperfilter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine weitere Filterschicht vorhanden ist.

5. Festkörperfilter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine weitere Filterschicht aus Metall- und/oder Keramik- Glas- bzw. Mineralfasern besteht.

6. Festkörperfilter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine weitere Filterschicht aus mit einem thermisch beständigen Bindemittel aneinander gebundenen Quarzsandpartikeln besteht und sich in wenigstens einer der Eigenschaft Korngröße, Porendurchmesser, Druckverlust und/oder Dicke der Filterschicht von der wenigstens einen weiteren Filterschicht unterscheidet.

7. Verfahren zur Herstellung eines Festkörperfilters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Vermischen von Quarzsand, Metall- und/oder Keramik-, Glas- bzw. Mineralfasern und Bindemittel,
• b) Einbringen der Mischung aus Schritt a) in eine Form mit anschließendem oder gleichzeitigem Verdichten,
• c) Vor-Aushärten des Filterkörpers durch Beheizen der Form und
• d) Nachhärten des Filterkörpers.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach Schritt b) und vor Schritt c) eine Schicht aus Metall- und/oder Keramik- bzw. Mineralfasern auf die in Schritt b) erzeugte Schicht aufgebracht wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor Schritt c) eine weitere Schicht aus Quarzsand und Bindemittel sowie gegebenenfalls Metall- und/oder Keramik- bzw. Mineralfasern in die Form eingebracht wird.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt c) eine Temperatur von 150°C nicht überschritten wird.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt c) eine Temperatur im Bereich von 60 bis 80°C eingehalten wird.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Beheizen in Schritt c) in einem Mikrowellenofen erfolgt.

13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt d) eine Temperatur bis 900°C erreicht wird.

14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt d) bei Raumtemperatur erfolgt.