Absaugung aus fallendem Materialstrom: Aufbau, Auslegung und Praxis

Die Absaugung aus einem fallenden Materialstrom trennt leichte, verwertbare Bestandteile gezielt von schweren Störstoffen, indem eine Ansaugsonde direkt in den Fallschacht ragt und die luftgängige Fraktion pneumatisch erfasst. Dieses Verfahren kommt an Übergabepunkten in Zementwerken, Recyclinganlagen, Kalkwerken und Schüttgutbetrieben zum Einsatz.

In vertikalen Fallstrecken erreichen Partikel je nach Dichte und Korngröße Geschwindigkeiten zwischen 3 und 12 m/s. Die Absaugung nutzt diesen Dichteunterschied, um ohne bewegliche Teile im Materialstrom eine zuverlässige Trennung und saubere Prozessluft im Arbeitsbereich zu erreichen.

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Warum entsteht an Fallstrecken besonders viel Staub?

Fallendes Schüttgut verdrängt beim Eintritt in einen Schacht oder Bunker große Mengen Luft nach oben, die feine Partikel mitreißt und als Staubfahne aus jeder offenen Stelle austritt. Dieser Effekt verstärkt sich mit zunehmender Fallhöhe, Materialgeschwindigkeit und Feinanteil.

Drei physikalische Mechanismen wirken beim freien Fall von Schüttgut zusammen:

• Luftverdrängung: Das fallende Material nimmt Volumen im Schacht ein und presst die vorhandene Luft nach oben. Je schneller das Material fällt und je enger der Schachtquerschnitt, desto stärker der Verdrängungseffekt. Bei einem Schacht mit 1.200 × 1.200 mm Querschnitt und einem Materialstrom von 50 t/h entstehen Luftgeschwindigkeiten von mehreren Metern pro Sekunde.
• Mitgerissene Grenzschichtluft: Jedes fallende Partikel zieht eine dünne Luftschicht mit sich. Bei hohen Partikelkonzentrationen addieren sich diese Grenzschichten zu einem spürbaren Luftstrom, der Feinstaub aus dem Materialverbund löst und nach oben trägt.
• Aufpralleffekt: Beim Auftreffen auf den Bunkerspiegel, eine Schurre oder ein Förderband zerschlagen sich Agglomerate. Feinpartikel werden freigesetzt und durch die aufsteigende Verdrängungsluft in die Umgebung getragen.

Die Kombination dieser drei Effekte macht Fallstrecken zu den staubintensivsten Stellen in jeder Schüttgutanlage. Konventionelle Einhäusungen reduzieren den Staubaustritt, beseitigen aber nicht die Ursache. Eine gezielte Absaugung direkt im Fallschacht erfasst die staubbeladene Luft dort, wo sie entsteht, und kann gleichzeitig eine Materialfraktion selektiv abtrennen.

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Wie funktioniert die Absaugung aus einem fallenden Materialstrom?

Eine Ansaugsonde ragt in definiertem Winkel in den Fallschacht und erzeugt durch Unterdruck einen gerichteten Luftstrom, der leichte Partikel aus dem fallenden Material abzieht, während schwere Bestandteile durch ihre höhere Fallgeschwindigkeit ungehindert passieren. Das abgesaugte Material wird über einen Zyklon von der Förderluft getrennt.

Das Verfahren basiert auf einem einfachen Prinzip: Leichte Partikel haben ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Masse. Der Luftwiderstand bremst sie stärker als schwere, kompakte Partikel. Wenn die Sauggeschwindigkeit an der Sonde die Sinkgeschwindigkeit der leichten Fraktion übersteigt, aber unter der Sinkgeschwindigkeit der schweren Fraktion bleibt, erfolgt eine selektive Trennung.

Der Aufbau einer solchen Absauganlage gliedert sich in fünf Funktionsbereiche:

1. Ansaugsonde im Fallschacht: die Sonde ist das zentrale Element. Position, Winkel und Öffnungsquerschnitt bestimmen die Trennschärfe. Praxisversuche zeigen, dass ein steiler Eintauchwinkel in den fallenden Materialstrom die Selektivität erhöht, weil schwere Partikel mit hoher Vertikalgeschwindigkeit an der Sondenöffnung vorbeifallen.
2. Förderleitung: ein Rohrsystem transportiert das Luft-Material-Gemisch von der Sonde zum Abscheider. Die Nennweite richtet sich nach dem Volumenstrom und der Materialbeladung. Typische Durchmesser liegen zwischen DN 60 und DN 150, abhängig vom Durchsatz.
3. Abscheidezyklon: der Zyklon nutzt Fliehkraft, um das Material aus dem Luftstrom zu trennen. Die gereinigte Luft verlässt den Zyklon nach oben, das abgeschiedene Material fällt nach unten in eine Schleuse. Volumenstrom und Unterdruck müssen aufeinander abgestimmt sein, damit der Zyklon im optimalen Betriebspunkt arbeitet.
4. Vakuumerzeuger: ein Seitenkanalverdichter oder Radialventilator liefert den erforderlichen Unterdruck. Die Wahl des Aggregats hängt vom Druckverlust der Gesamtstrecke ab. Bei Anwendungen in Bereichen mit explosionsfähiger Atmosphäre muss der Ventilator ATEX-konform ausgeführt sein.
5. Nachfilter und Austrag: ein Patronen- oder Schlauchfilter reinigt die Restluft nach dem Zyklon. Der Materialaustrag aus dem Zyklon erfolgt staubdicht über eine Zellenradschleuse oder Doppelpendelklappe in die nachfolgende Fördertechnik.

Die gesamte Anlage arbeitet ohne bewegliche Teile im Materialstrom selbst. Verschleiß entsteht nur an der Zyklon-Innenwand und an den Umlenkungen der Förderleitung. Diese Eigenschaft macht das Verfahren besonders wartungsarm im Vergleich zu mechanischen Probenehmern oder Abstreifern. Entscheidend für die Funktion ist die korrekte Positionierung der Ansaugsonde im Fallschacht.

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Welche Faktoren bestimmen die Position der Ansaugsonde?

Die Trennleistung der Absaugung hängt primär vom Eintauchwinkel, der Eintauchtiefe und der Höhenposition der Ansaugsonde im Fallschacht ab, weil diese drei Parameter das Zusammenspiel von Sauggeschwindigkeit und Partikelfallgeschwindigkeit definieren.

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Eintauchwinkel

Der Winkel zwischen Sonde und Materialstrom ist der wichtigste Einzelparameter. Praxisversuche in Zementwerken bestätigen: Je steiler die Sonde in den fallenden Materialstrom ragt, desto besser gelingt die Trennung der leichten von den schweren Bestandteilen. Bei einem steilen Winkel (60–80° zur Horizontalen) trifft der Saugstrom fast senkrecht auf die Fallrichtung. Schwere Partikel passieren die Sondenöffnung mit hoher Vertikalgeschwindigkeit und werden nicht erfasst. Leichte Partikel mit geringer Sinkgeschwindigkeit folgen dem Saugstrom in die Sonde.

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Eintauchtiefe

Die Sonde muss weit genug in den Materialstrom ragen, um eine repräsentative Erfassung zu gewährleisten, darf aber den Materialfluss nicht blockieren. Bei einem Schachtquerschnitt von 1.200 × 1.200 mm beträgt die typische Eintauchtiefe 200–400 mm. Eine zu geringe Tiefe erfasst nur die Randzone des Materialstroms, die ohnehin staubreich ist. Eine zu große Tiefe erzeugt Materialstau oberhalb der Sonde.

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Höhenposition im Fallschacht

Die Sonde sollte in einer Zone positioniert werden, in der das Material bereits seine volle Fallgeschwindigkeit erreicht hat, aber noch nicht auf eine Schurre oder den Bunkerspiegel aufprallt. In der Beschleunigungszone direkt unter der Aufgabestelle ist die Trennung weniger selektiv, weil die Geschwindigkeitsunterschiede zwischen leichten und schweren Partikeln noch gering sind. An der optimalen Position hat die Schwerkraft die Dichteunterschiede bereits in messbare Geschwindigkeitsdifferenzen übersetzt.

Alle drei Parameter müssen auf die spezifische Einbausituation abgestimmt werden. Schachtgeometrie, Materialeigenschaften und vorhandene Einbauten wie Zweiwegeschurren oder Prallplatten beeinflussen die Strömungsverhältnisse im Fallschacht. Die Auslegung der Sonde ist der erste Schritt. Im zweiten Schritt folgt die Dimensionierung des Volumenstroms.

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Wie wird der Volumenstrom für die Absaugung dimensioniert?

Der erforderliche Volumenstrom ergibt sich aus der Sauggeschwindigkeit an der Sondenöffnung, die höher sein muss als die Sinkgeschwindigkeit der Zielfraktion, aber niedriger als die Sinkgeschwindigkeit der Störstoffe. Typische Werte für Probenahme-Absaugungen liegen zwischen 200 und 500 m³/h.

Vier Materialparameter bestimmen die Dimensionierung:

• Schüttdichte: Leichte Materialien wie Fluff (100–200 kg/m³) erfordern geringere Sauggeschwindigkeiten als Kalzinatorbrennstoff mit 150–300 kg/m³. Die Schüttdichte bestimmt, wie schnell das Material im freien Fall beschleunigt.
• Korngrößenverteilung: Feine Partikel unter 10 mm haben eine niedrigere Sinkgeschwindigkeit als grobe Stücke. Die Korngröße der Zielfraktion definiert die untere Grenze der Sauggeschwindigkeit.
• 2D/3D-Verhältnis: Flache, folienartige 2D-Materialien haben einen hohen Luftwiderstandsbeiwert. Kompakte 3D-Materialien wie Steine oder Metallteile fallen nahezu ungebremst. Je höher der 2D-Anteil, desto leichter gelingt die pneumatische Erfassung.
• Feuchtegehalt: Material mit Feuchtegehalten über 15 Gew.-% neigt zum Verkleben und bildet Agglomerate mit erhöhter Sinkgeschwindigkeit. Der Volumenstrom muss bei feuchtem Material höher angesetzt werden, um die Erfassungsrate stabil zu halten.

Neben den Materialparametern beeinflusst die Förderstrecke den Gesamtbedarf. Jeder Rohrbogen, jede Höhendifferenz und jeder Meter Leitungslänge erzeugt Druckverlust. Der Vakuumerzeuger muss diesen Druckverlust kompensieren und gleichzeitig den erforderlichen Volumenstrom an der Sonde aufrechterhalten. Die Auslegung erfolgt über eine Druckverlustberechnung der gesamten Förderstrecke von der Sonde bis zum Nachfilter.

Bei Intervallbetrieb (typisch 3 Zyklen pro Stunde à 3–5 Minuten) kann der Vakuumerzeuger kleiner dimensioniert werden als bei Dauerbetrieb. Die Wechselwirkung zwischen Förderdruck und Luftmenge bestimmt den optimalen Betriebspunkt der Anlage.

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In welchen Branchen wird die Absaugung aus Fallstrecken eingesetzt?

Die pneumatische Absaugung aus fallenden Materialströmen eignet sich für alle Industriezweige, in denen Schüttgüter über Fallschächte, Schurren oder Übergabepunkte transportiert werden und dabei entweder Staubemissionen entstehen oder eine Stofftrennung nach Dichte erforderlich ist.

Sechs Branchen setzen das Verfahren ein:

• Zementindustrie: Probenahme und Störstoffabtrennung aus Ersatzbrennstoffen an Bunkerübergaben. Kalzinatorbrennstoff, Fluff und Fesbo werden an Zweiwegeschurren pneumatisch beprobt, ohne dass schwere Fremdkörper den Vorzerkleinerer blockieren.
• Recycling und Abfallwirtschaft: Trennung leichter Folienfraktionen von mineralischen Verunreinigungen an Übergabepunkten von Sortieranlagen. Die Absaugung ergänzt Windsichter und ballistische Separatoren als letzte Trennstufe.
• Bergbau und Steine/Erden: Entstaubung an Brecherabläufen, Siebübergaben und Bunkerbeladungen. Kalkstein-, Gips- und Erzstäube werden direkt am Fallpunkt erfasst, bevor sie sich in der Halle verteilen.
• Kali- und Salzindustrie: Absaugung hygroskopischer Feinstäube an Übergabepunkten der Förderanlagen. Die erfasste Luft wird gereinigt und rückgeführt, um Energieverluste durch Abluft zu minimieren.
• Lebensmittelindustrie: Entstaubung an Silobeüllungen und Mühlenausgängen bei der Verarbeitung von Mehl, Zucker und Stärke. Die Explosionskenngrößen dieser organischen Stäube erfordern bei der Anlagenauslegung besondere Sorgfalt.
• Holz- und Biomasselogistik: Erfassung von Feinstaub bei der Übergabe von Hackschnitzeln, Pellets und Sägespänen in Silos und Bunker. Der Gefährdungsgrad dieser Stäube bestimmt die erforderliche Filterklasse der Absauganlage.

In jeder dieser Branchen ersetzt oder ergänzt die pneumatische Absaugung konventionelle Entstaubungslösungen wie Einhäusungen mit Absaugstutzen. Der Unterschied: Die Absaugung aus dem Materialstrom selbst wirkt selektiv und kann neben der Stauberfassung eine gezielte Stofftrennung leisten. Die Auslegung muss dabei branchenspezifische Anforderungen berücksichtigen, insbesondere im Bereich Explosionsschutz.

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Welche Anforderungen stellt der Explosionsschutz an die Absauganlage?

Absauganlagen an Fallstrecken müssen in explosionsgefährdeten Bereichen nach ATEX-Richtlinie 2014/34/EU ausgeführt werden, wobei die Zoneneinteilung am Einbauort die zulässige Gerätekategorie für jede Komponente festlegt. Nicht jeder Übergabepunkt erfordert ATEX-Ausstattung.

Die Ex-Anforderungen hängen von zwei Faktoren ab: dem Staubtyp und der Zoneneinteilung vor Ort. An Übergabestellen ohne Entstaubungsanlage bestehen in vielen Zementwerken keine Ex-Anforderungen, weil die Staubkonzentration unterhalb der unteren Explosionsgrenze bleibt. An Entstaubungsanlagen gilt typischerweise Zone 21 rohgasseitig und Zone 22 reingasseitig im Bereich von etwa 1 m um die Ausblaseöffnung.

Fällt der Einbauort in eine Ex-Zone, müssen fünf Komponenten ATEX-konform ausgeführt werden:

• Ventilator: Funkenfreie Bauweise mit Gerätekategorie entsprechend der Zone. In Zone 22 genügt Kategorie 3, in Zone 21 ist Kategorie 2 erforderlich. Explosionsgeschützte Ventilatoren verwenden Laufräder aus Aluminium oder funkenfreien Legierungen.
• Rohrleitungen: Leitfähiges Material mit durchgängiger Erdung. Elektrostatische Aufladung in Kunststoffrohren ist eine häufige Zündquelle bei Staubförderung.
• Zyklon: Druckentlastungsfläche oder Druckstoßfestigkeit. Bei Stäuben mit hohen Explosionskennwerten kann zusätzlich eine Löscheinrichtung erforderlich sein.
• Nachfilter: Ableitfähige Filtermedien, Erdung aller metallischen Teile, Druckentlastung oder druckstoßfeste Bauweise.
• Zellenradschleuse: ATEX-zertifizierte Ausführung mit Drehmomentenüberwachung als Rückbrandsicherung zwischen Zyklon und Fördertechnik.

Die vollständigen Ex-Anforderungen für die Absauganlage müssen im betrieblichen Explosionsschutzdokument erfasst werden. Die Dokumentation umfasst Zonenzuordnung, Gerätekategorien und Prüffristen für jede Komponente.

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Welche Betriebsmodi sind möglich?

Die Absaugung aus fallenden Materialströmen lässt sich als Dauerbetrieb zur kontinuierlichen Entstaubung, als Intervallbetrieb für zyklische Probenahmen oder als bedarfsgesteuerter Betrieb mit automatischer Aktivierung bei Materialfluss konfigurieren. Jeder Modus stellt andere Anforderungen an die Anlagentechnik.

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Dauerbetrieb

Im Dauerbetrieb läuft die Absauganlage während der gesamten Produktionszeit. Dieser Modus eignet sich für die kontinuierliche Entstaubung an Übergabepunkten mit permanentem Materialfluss. Die Filterelemente müssen auf hohe Standzeiten ausgelegt sein. Der Zyklon benötigt verschleißfeste Innenflächen, typischerweise aus Hardox oder keramischen Auskleidungen. Der Energieverbrauch ist konstant, lässt sich aber durch frequenzgeregelte Ventilatoren an den tatsächlichen Bedarf anpassen.

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Intervallbetrieb

Der Intervallbetrieb ist der typische Modus für die Probenahme. Die Anlage saugt in definierten Zeitfenstern Material ab, beispielsweise 3 Zyklen pro Stunde à 3–5 Minuten. Zwischen den Zyklen steht die Anlage still. Dieser Modus erlaubt kompaktere Anlagen mit kleineren Ventilatoren und Filtern. Die Steuerung erfolgt zeitgesteuert oder über ein Signal der Prozessleittechnik.

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Bedarfsgesteuerter Betrieb

Sensoren am Fallschacht erkennen, wann Material fällt, und aktivieren die Absaugung automatisch. Dieser Modus kombiniert geringe Betriebskosten mit lückenloser Erfassung. Induktive Sensoren, Mikrowellenschranken oder Durchflussmesser liefern das Startsignal. Die Absaugung läuft mit einer einstellbaren Nachlaufzeit weiter, um Reststaub nach dem Materialdurchgang zu erfassen.

Die Wahl des Betriebsmodus bestimmt die Dimensionierung des Vakuumerzeugers, die Filtergröße und den Verschleiß am Zyklon. Im Intervallbetrieb liegt der Energieverbrauch bei einem Bruchteil des Dauerbetriebs, was die pneumatische Probenahme auch wirtschaftlich attraktiv macht.

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Absauganlagen für Fallstrecken von Kiekens

Kiekens entwickelt seit über 100 Jahren maßgeschneiderte Absauganlagen für die Industrie. Für die Absaugung aus fallenden Materialströmen liefert Kiekens Komplettlösungen aus einer Hand: Ansaugsonde, Förderleitung, Abscheidezyklon, Vakuumerzeuger, Nachfilter und staubdichter Austrag in die bestehende Fördertechnik.

Die Auslegung basiert auf den konkreten Materialdaten, der Geometrie des Fallschachts und den betrieblichen Anforderungen. Ob Probenahme im Intervallbetrieb oder kontinuierliche Entstaubung an der Übergabestelle, Kiekens begleitet Projekte von der Machbarkeitsanalyse über die technische Dimensionierung bis zur Montage und Inbetriebnahme. Kontaktieren Sie Kiekens für eine individuelle Beratung.