Afzuiging uit een vallende materiaalstroom: opbouw, dimensionering en praktijk

Afzuiging uit een vallende materiaalstroom scheidt lichte, herbruikbare bestanddelen gericht van zware stoorstoffen, doordat een zuigmond direct in de valschacht reikt en de luchtrijke fractie pneumatisch opvangt. Dit principe wordt toegepast bij overdrachtspunten in cementfabrieken, recyclinginstallaties, kalkfabrieken en stortgoedbedrijven.

In verticale valtrajecten bereiken deeltjes afhankelijk van dichtheid en korrelgrootte snelheden tussen 3 en 12 m/s. De afzuiging benut dit dichtheidsverschil om zonder bewegende delen in de materiaalstroom een betrouwbare scheiding en schone proceslucht in het werkgebied te bereiken.

‍

Waarom ontstaat er bij valtrajecten bijzonder veel stof?

Vallend stortgoed verdringt bij het binnenkomen in een schacht of bunker grote hoeveelheden lucht omhoog, die fijne deeltjes meevoert en als stofwolk uit elke open plek uitstroomt. Dit effect versterkt naarmate de valhoogte, de materiaalsnelheid en het fijnaandeel toenemen.

Drie fysische mechanismen werken samen bij het vrije vallen van stortgoed:

• Luchtverdringing: het vallende materiaal neemt volume in de schacht in en perst de aanwezige lucht omhoog. Hoe sneller het materiaal valt en hoe nauwer de schachtdoorsnede, hoe sterker het verdringingseffect. Bij een schacht met 1.200 × 1.200 mm doorsnede en een materiaalstroom van 50 t/h ontstaan luchtsnelheden van meerdere meters per seconde.
• Meegevoerde grensvlaklucht: elk vallend deeltje trekt een dunne luchtlaag mee. Bij hoge deeltjesconcentraties tellen deze grensvlaklagen op tot een merkbare luchtstroom die fijnstof uit het materiaalverband losmaakt en omhoogvoert.
• Oppraaleffect: bij het stoten op de bunkerspiegel, een goot of een transportband worden agglomeraten verbrijzeld. Fijndeeltjes worden vrijgegeven en door de opstijgende verdringingslucht naar de omgeving gedragen.

De combinatie van deze drie effecten maakt valtrajecten tot de stofintensivste plaatsen in elke stortgoedinstallatie. Conventionele omkastingen verminderen de stofuitstroom, maar lossen de oorzaak niet op. Een gerichte afzuiging direct in de valschacht vangt de stofbeladen lucht op waar ze ontstaat en kan tegelijk een materiaalfractie selectief scheiden.

‍

Hoe werkt de afzuiging uit een vallende materiaalstroom?

Een zuigmond reikt onder een gedefinieerde hoek in de valschacht en genereert door onderdruk een gerichte luchtstroom die lichte deeltjes uit het vallende materiaal trekt, terwijl zware bestanddelen door hun hogere valsnelheid ongehinderd passeren. Het afgezogen materiaal wordt via een cycloon van de transportlucht gescheiden.

Het principe berust op een eenvoudig gegeven: lichte deeltjes hebben een grote verhouding van oppervlak tot massa. De luchtweerstand remt ze sterker dan zware, compacte deeltjes. Wanneer de zuigsnelheid bij de sonde de sinksnelheid van de lichte fractie overtreft maar onder de sinksnelheid van de zware fractie blijft, vindt selectieve scheiding plaats.

De opbouw van zo’n afzuiginstallatie bestaat uit vijf functionele onderdelen:

1. Zuigmond in de valschacht: de zuigmond is het centrale element. Positie, hoek en openingsdoorsnede bepalen de scheidingsscherpte. Praktijkproeven tonen aan dat een steile insteekhoek in de vallende materiaalstroom de selectiviteit verhoogt, omdat zware deeltjes met hoge verticale snelheid langs de mondopening vallen.
2. Transportleiding: een leidingsysteem voert het lucht-materiaalgemisch van de sonde naar de afscheider. De nominale doorsnede is afhankelijk van de volumestroom en de materiaalbelading. Typische diameters liggen tussen DN 60 en DN 150, afhankelijk van de doorzet.
3. Afscheidingscycloon: de cycloon scheidt via centrifugaalkracht het materiaal uit de luchtstroom. De gereinigde lucht verlaat de cycloon naar boven, het afgescheiden materiaal valt naar beneden in een sluis. Volumestroom en onderdruk moeten op elkaar zijn afgestemd zodat de cycloon op het optimale bedrijfspunt werkt.
4. Vacuümgenerator: een zijkanaalkompressor of radiale ventilator levert de vereiste onderdruk. De keuze van het aggregaat hangt af van het drukverval over de gehele leidinglengte. Bij toepassingen in gebieden met een explosieve atmosfeer moet de ventilator ATEX-conform zijn uitgevoerd.
5. Nafilter en afvoer: een patronen- of zakkenfilter reinigt de restlucht na de cycloon. De materiaalafvoer uit de cycloon vindt stofdicht plaats via een cellenradsluis of dubbele pendulumklep in de vervolgtransportinstallatie.

De gehele installatie werkt zonder bewegende delen in de materiaalstroom zelf. Slijtage treedt alleen op aan het cycloonbinnenoppervlak en aan de ombuigingen van de transportleiding. Deze eigenschap maakt het principe bijzonder onderhoudsarm in vergelijking met mechanische monsternemers of afstrijkers. Beslissend voor de werking is de correcte positionering van de zuigmond in de valschacht.

‍

Welke factoren bepalen de positie van de zuigmond?

Het scheidingsvermogen van de afzuiging hangt primair af van de insteekhoek, de insteekdiepte en de hoogtepositionering van de zuigmond in de valschacht, omdat deze drie parameters het samenspel van zuigsnelheid en partikelvalssnelheid definiëren.

‍

Insteekhoek

De hoek tussen sonde en materiaalstroom is de belangrijkste afzonderlijke parameter. Praktijkproeven in cementfabrieken bevestigen: hoe steiler de sonde in de vallende materiaalstroom reikt, hoe beter de scheiding van lichte en zware bestanddelen lukt. Bij een steile hoek (60–80° ten opzichte van de horizontaal) treft de zuigstroom de valrichting bijna loodrecht. Zware deeltjes passeren de mondopening met hoge verticale snelheid en worden niet gevangen. Lichte deeltjes met geringe sinksnelheid volgen de zuigstroom in de sonde.

‍

Insteekdiepte

De sonde moet ver genoeg in de materiaalstroom reiken om een representatieve opvang te garanderen, maar mag de materiaalstroom niet blokkeren. Bij een schachtdoorsnede van 1.200 × 1.200 mm bedraagt de typische insteekdiepte 200–400 mm. Een te geringe diepte vangt alleen de randzone van de materiaalstroom op, die toch al stofrijk is. Een te grote diepte veroorzaakt materiaalopeenstapeling boven de sonde.

‍

Hoogtepositie in de valschacht

De sonde moet worden gepositioneerd in een zone waar het materiaal zijn volledige valsnelheid al heeft bereikt, maar nog niet op een goot of de bunkerspiegel is opgeprald. In de versnellingszone direct onder het opgavepunt is de scheiding minder selectief, omdat de snelheidsverschillen tussen lichte en zware deeltjes nog gering zijn. Op de optimale positie heeft de zwaartekracht de dichtheidsverschillen al in meetbare snelheidsverschillen vertaald.

Alle drie de parameters moeten worden afgestemd op de specifieke inbouwsituatie. Schachtgeometrie, materiaaleigenschappen en aanwezige inbouwdelen zoals tweewegestuurcomponenten of stootplaten beïnvloeden de stroomverhoudingen in de valschacht. De dimensionering van de sonde is de eerste stap. In de tweede stap volgt de dimensionering van de volumestroom.

‍

Hoe wordt de volumestroom voor de afzuiging gedimensioneerd?

De vereiste volumestroom volgt uit de zuigsnelheid bij de mondopening, die hoger moet zijn dan de sinksnelheid van de doelfractie maar lager dan de sinksnelheid van de stoorstoffen. Typische waarden voor monsternemingsafzuigingen liggen tussen 200 en 500 m³/h.

Vier materiaalparameters bepalen de dimensionering:

• Stortdichtheid: lichte materialen zoals Fluff (100–200 kg/m³) vereisen lagere zuigsnelheden dan kalzinatorbrandstof met 150–300 kg/m³. De stortdichtheid bepaalt hoe snel het materiaal in vrije val versnelt.
• Korrelgrootteverdeling: fijne deeltjes onder 10 mm hebben een lagere sinksnelheid dan grof materiaal. De korrelgrootte van de doelfractie definiërt de ondergrens van de zuigsnelheid.
• 2D/3D-verhouding: platte, folieachtige 2D-materialen hebben een hoge luchtweerstandscoëfficiënt. Compacte 3D-materialen zoals stenen of metaaldelen vallen vrijwel ongehinderd. Hoe groter het 2D-aandeel, hoe eenvoudiger de pneumatische opvang.
• Vochtgehalte: materiaal met vochtgehaltes boven 15 gew.-% neigt tot kleven en vormt agglomeraten met een verhoogde sinksnelheid. De volumestroom moet bij vochtig materiaal hoger worden aangehouden om de opvanggraad stabiel te houden.

Naast de materiaalparameters beïnvloedt de transportbaan het totaalbehoefte. Elke leidingbocht, elk hoogteverschil en elke meter leidinglengte veroorzaakt drukverval. De vacuümgenerator moet dit drukverval compenseren en tegelijkertijd de vereiste volumestroom bij de sonde handhaven. De dimensionering gebeurt via een drukvalberekening van de gehele transportbaan van sonde tot nafilter.

Bij intervalbedrijf (typisch 3 cycli per uur van 3–5 minuten) kan de vacuümgenerator kleiner worden gedimensioneerd dan bij continuebedrijf. De wisselwerking tussen transportdruk en hoeveelheid lucht bepaalt het optimale bedrijfspunt van de installatie.

‍

In welke sectoren wordt afzuiging uit valtrajecten ingezet?

Pneumatische afzuiging uit vallende materiaalstromen is geschikt voor alle bedrijfstakken waar stortgoederen via valschachten, goten of overdrachtspunten worden getransporteerd en daarbij stofemissies ontstaan of een stofscheiding op dichtheid noodzakelijk is.

Zes sectoren zetten het principe in:

• Cementindustrie: monstername en stoorstofsscheiding uit alternatieve brandstoffen bij bunkeroverdrachtspunten. Kalzinatorbrandstof, Fluff en Fesbo worden bij tweewegestuurcomponenten pneumatisch bemonsterd, zonder dat zware vreemde materialen de voorbreker blokkeren.
• Recycling en afvalverwerking: scheiding van lichte foliefracties van minerale verontreinigingen bij overdrachtspunten van sorteerinstallaties. De afzuiging vult windzifters en ballistische separatoren aan als laatste scheidingstrap.
• Mijnbouw en steen/aarde: ontstoffing bij brekeruitleiden, zeefovergangen en bunkerbeladingen. Kalksteen-, gips- en ertsopstanden worden direct bij het valpunt gevangen voordat ze zich in de hal verspreiden.
• Kali- en zoutindustrie: afzuiging van hygroscopische fijnstoven bij overdrachtspunten van de transportinstallaties. De gevangen lucht wordt gereinigd en geretourneerd om energieverliezen door afvoerlucht te minimaliseren.
• Voedingsindustrie: ontstoffing bij silovullingen en molensuitgangen bij de verwerking van meel, suiker en zetmeel. De explosieken­getallen van deze organische stofsoorten vereisen bij de installatiedimensionering bijzondere aandacht conform de Arbowetgeving en het Activiteitenbesluit milieubeheer.
• Hout- en biomassalogistiek: opvang van fijnstof bij de overdracht van houtsnippers, pellets en zaagsel in silo’s en bunkers. De gevaarclassificatie van deze stofsoorten bepaalt de vereiste filterklasse van de afzuiginstallatie.

In elk van deze sectoren vervangt of vult de pneumatische afzuiging conventionele ontstoffingsoplossingen aan zoals omkastingen met afzuigstutsen. Het verschil: de afzuiging uit de materiaalstroom zelf werkt selectief en kan naast de stofopvang een gerichte stofscheiding realiseren. De dimensionering moet daarbij sectorspecifieke eisen in acht nemen, met name op het gebied van explosiebeveiliging.

‍

Welke eisen stelt de explosiebeveiliging aan de afzuiginstallatie?

Afzuiginstallaties bij valtrajecten moeten in explosiegevaarlijke zones worden uitgevoerd conform de ATEX-richtlijn 2014/34/EU, waarbij de zone-indeling op de installatielocatie de toegestane apparatencategorie voor elke component vastlegt. Niet elk overdrachtspunt vereist ATEX-uitrusting.

De Ex-eisen hangen af van twee factoren: het stoftype en de zone-indeling ter plekke. Bij overdrachtspunten zonder stofafzuiging gelden in veel cementfabrieken geen Ex-eisen, omdat de stofconcentratie beneden de onderste explosiegrens blijft. Bij stofafzuigingsinstallaties geldt doorgaans Zone 21 aan de ruwe gaaszijde en Zone 22 aan de zuivere gaaszijde in een gebied van ca. 1 m rond de uitblaasmondopening.

Valt de installatielocatie in een Ex-zone, dan moeten vijf componenten ATEX-conform worden uitgevoerd:

• Ventilator: vonkvrije uitvoering met apparatencategorie overeenkomstig de zone. In Zone 22 volstaat Categorie 3, in Zone 21 is Categorie 2 vereist. Explosieveilige ventilatoren gebruiken loopwielen van aluminium of vonkvrije legeringen.
• Leidingen: geleidend materiaal met doorlopende aarding. Elektrostatische oplading in kunststofleidingen is een veelvoorkomende ontstekingsbron bij stoftransport.
• Cycloon: drukontlastingsvlak of drukstootvaste uitvoering. Bij stofsoorten met hoge explosiekengetallen kan aanvullend een blusinstallatie nodig zijn.
• Nafilter: geleidende filtermedia, aarding van alle metalen delen, drukontlasting of drukstootvaste uitvoering.
• Cellenradsluis: ATEX-gecertificeerde uitvoering met koppelbewaking als terugbrandbeveiliging tussen cycloon en transportinstallatie.

De volledige Ex-eisen voor de afzuiginstallatie moeten worden vastgelegd in het bedrijfsexplosieveiligheidsdocument. De documentatie omvat zone-indeling, apparatencategorieën en keuringstermijnen voor elke component.

‍

Welke bedrijfsmodi zijn mogelijk?

Afzuiging uit vallende materiaalstromen kan worden geconfigureerd als continuebedrijf voor doorlopende ontstoffing, als intervalbedrijf voor cyclische monstername of als vraaggestuurd bedrijf met automatische activering bij materiaalstroom. Elke modus stelt andere eisen aan de installatietechniek.

‍

Continuebedrijf

In continuebedrijf draait de afzuiginstallatie gedurende de gehele productietijd. Deze modus is geschikt voor doorlopende ontstoffing bij overdrachtspunten met permanente materiaalstroom. De filterelementen moeten zijn gedimensioneerd voor hoge standtijden. De cycloon heeft slijtvaste binnenoppervlakken nodig, doorgaans van Hardox of keramische bekleding. Het energieverbruik is constant, maar is met frequentiegeregelende ventilatoren aan de werkelijke behoefte aan te passen.

‍

Intervalbedrijf

Intervalbedrijf is de typische modus voor monstername. De installatie zuigt in gedefinieerde tijdvensters materiaal af, bijvoorbeeld 3 cycli per uur van 3–5 minuten. Tussen de cycli staat de installatie stil. Deze modus maakt compactere installaties mogelijk met kleinere ventilatoren en filters. De besturing verloopt tijdgestuurd of via een signaal van het procesbesturingssysteem.

‍

Vraaggestuurd bedrijf

Sensoren bij de valschacht detecteren wanneer materiaal valt en activeren de afzuiging automatisch. Deze modus combineert lage bedrijfskosten met volledige opvang. Inductieve sensoren, microgolfsluizen of doorstroommeeters leveren het startsignaal. De afzuiging loopt met een instelbare naalooptijd door om resterende stof na het materiaalpassage op te vangen.

De keuze van de bedrijfsmodus bepaalt de dimensionering van de vacuümgenerator, de filtergrootte en de slijtage aan de cycloon. In intervalbedrijf ligt het energieverbruik op een fractie van het continuebedrijf, wat pneumatische monstername ook economisch aantrekkelijk maakt.

‍

Afzuiginstallaties voor valtrajecten van Kiekens

Kiekens ontwikkelt al meer dan 100 jaar industriële afzuiginstallaties op maat. Voor afzuiging uit vallende materiaalstromen levert Kiekens complete oplossingen uit één hand: zuigmond, transportleiding, afscheidingscycloon, vacuümgenerator, nafilter en stofdichte afvoer in de bestaande transportinstallatie.

De dimensionering is gebaseerd op de concrete materiaaldata, de geometrie van de valschacht en de operationele eisen. Of het nu gaat om monstername in intervalbedrijf of doorlopende ontstoffing bij het overdrachtspunt – Kiekens begeleidt projecten van de haalbaarheidsstudie via de technische dimensionering tot montage en inbedrijfstelling. Neem contact op met Kiekens voor persoonlijk advies.