HSP - Herrenknecht Separation Plants: Separationsanlagen für Microtunnelling, Rohrvortrieb und verwandte Verfahren

06.09.2007

Wie die Vergangenheit immer wieder bewiesen hat, ist für den Bereich der Tunnelvortriebstechnik die Separation ein wichtiger und sensibler integrativer Baustein. Beim Einsatz von Tunnelbohrmaschinen mit hydraulischer Förderung hat die Separationsanlage die Aufgabe, die Trennung der Bestandteile - Feststoff und Flüssigkeit - der geförderten Suspension sicherzustellen, um zum einen das Trägermedium erneut dem Förderkreislauf zur Verfügung zu stellen und zum anderen den gewonnenen Feststoff deponierbar zu machen. Bezüglich der Feststoffkonzentrationen und der Korngröße sind dem hydraulischen Transport Grenzen gesetzt. Nur eine leistungsfähige Separation kann folglich auch eine hohe Vortriebsleistung gewährleisten. Eine unzureichende Separation führt zwangsläufig zu Schwierigkeiten beim Abtransport des Materials von der Ortsbrust an die Oberfläche und somit zu Vortriebsunterbrechungen und Minderleistung.

Die Aufnahmefähigkeit einer jeden Flüssigkeit, so auch die der Bohrspülung oder auch Slurry genannt, ist begrenzt. Erhöht sich die spezifische Dichte der Slurry auf ca. 1,3 - 1,35 t/m3, nimmt die Tragfähigkeit der Spülung ab und eine vollständige Sättigung wird erreicht. Eine weitere Materialaufnahme ist dann nicht mehr möglich und ein vollständiger Austausch der Slurry wird erforderlich. Eine ungenügende Separation schafft es nicht, die fortschreitende Anreicherung von feinsten Feststoffpartikeln in der Slurry zu verhindern.
Die klassischen Sieb- und Zyklonenverfahren versagen bei der Trennung der Feinstanteile schon nach kurzer Zeit, da diese nicht ausreichend entzogen werden und es in der Folge zu einer sukzessiven Eindickung des Fördermediums kommt. Wie bei Zucker in einer Tasse Kaffee, der ab einer bestimmten Sättigung nicht mehr in der Lage ist weiteren Zucker zu lösen, kann beim Erreichen der Sättigung in der Slurry kein zusätzliches Material mehr aufgenommen und transportiert werden. Die Erfahrungen haben gezeigt, dass zum einen der Verschleiß durch die in der Slurry enthaltenen Feinanteile an allen Anlagenteilen extrem ansteigt und zum anderen durch erhöhten Rohrleitungswiderstand und Druckverluste auch die Pumpenleistung und folglich auch die Betriebskosten zunehmen.
Herrenknecht bietet mit der neuen, innovativen und modularen HSP Technologie ein Separationskonzept, das durch seinen sequentiellen Aufbau diesem Problem Abhilfe schafft. An jeder Separationsstufe werden so viele Feststoffe wie möglich erfasst. Die speziell auf die Erfordernisse des Microtunnelling angepasste Systemtechnologie garantiert einen kontinuierlichen und schnellen Vortrieb und reduziert Ausfallzeiten auf ein Minimum. Eine moderne Siebtechnologie in Verbindung mit Hydrovakuumzyklonen (Hydro-VAC’sTM), dem Vertikalklärer HVC 27 und der Zentrifuge HKD 46150F bildet ein geschlossenes Recyclingkonzept, das auch die Entsorgung der kritischen Feinanteile optimal gewährleistet und konstante Slurry-Eigenschaften sicherstellt.
BHX Stahlsiebe zur Grobabscheidung und Entwässerung
In Abhängigkeit von geforderter Kapazität und Volumenstrom, Tunneldurchmesser, zu erwartender Geologie und Vortriebsgeschwindigkeit sind die Separationsanlagen HSP 170, HSP 250, HSP 400 und HSP 500 für jeden Tunnelvortrieb bis zu einem Außendurchmesser von 4,50 m die ideale Lösung. Durch den Einsatz unterschiedlicher Siebmaschinen, die linear oder auch kreisförmig angetrieben mit einer Beschleunigungskraft von bis zu 6,3 G arbeiten, werden in Kombination mit den zum Einsatz kommenden, gewebten Stahlsieben optimale Siebleistungen realisierbar.
Im Gegensatz zu Polyurethan-Sieben ist mit den vorgespannten feinmaschigen BHX Stahlsieben mit Hexagonraster auch eine Separierung von Feinanteilen im sonst kritischen Bereich von 100 bis 45 micron möglich. Dadurch kann ein Versanden des Absetzbeckens, die Andickung der Slurry und in der Folge stark reduzierte Vortriebsleistung und erhöhte Entsorgungskosten vermieden werden. Die absolut ebene Oberfläche und das mit Hilfe von Siebpfropfen leicht zu reparierende Sechskantdesign erlauben höchste Durchlässigkeit und Lebensdauer der Siebe. Des Weiteren ermöglicht das Hammerkeil-Befestigungssystem einen schnellen und unkomplizierten Wechsel der Rahmensiebe. In Abhängigkeit der anzutreffenden Geologie können die Siebmaschinen mit unterschiedlichen Sieben von 4 bis 325 mesh Maschenweite (4,76 bis 0,045 mm) schnell und flexibel ausgerüstet werden, um somit durch Anpassung an die tatsächlich vorkommenden Kornfraktionen eine optimale Separierleistung zu erreichen.
Zweite Separationsstufe: Trennung mittels Hydro-VACTM Zyklonen
Weitestgehend unbeeinflusst von Veränderungen der Dichte des Zustroms erzielen die 12" (301 mm) und 15" (381 mm) großen, mit steuerbarem Unterdruck arbeitenden Hydro-VACTM Zyklone im Vergleich zu konventionellen Hydrozyklonen einen gleichmäßigeren und trockeneren Unterlauf und reduzieren durch 76 mm große Ein- und Auslassöffnungen die Gefahr von Verstopfungen durch übergroße Partikel. Als wesentliches Merkmal der Hydro-VACTM Zyklone ist der niedrige Arbeitsdruck von 0,8 bis 1,0 bar zu nennen, welcher sowohl den Energiebedarf der Zentrifugalpumpe als auch den Verschleiß im Zyklonenkörper reduziert. Des Weiteren wird durch den geringen Betriebsdruck eine mechanische Zerkleinerung und Zersetzung der angetroffenen Kornfraktionen und damit Verfeinerung, also Verschlechterung der Feststofffracht vermieden. Die bisher überlicherweise im Tunnelbau häufig ver-wendeten 4'' (100 mm) Hydrozyklone haben einen deutlich höheren Arbeitsdruck von über 2,5 bar und zerlegen das Bohrgut bei jedem Prozessdurchlauf immer weiter in kleinste Partikel. Die gegenüber dem Prozessvolumen der Gesamtanlage erhöhte Kapazität der Hydro-VACTM Zyklone ermöglicht es, nicht nur das durch den Vortrieb erzeugte Bohrklein zu separieren, sondern gleichzeitig auch die im Vorratstank befindliche Slurry im Kreislauf zu reinigen, um somit die Effizienz der gesamten Separationsanlage zu erhöhen.
Durch die Rotation und die entstehende Fliehkraft im Hydrozyklon werden die Teilchen bei gleichzeitiger Abwärtsbewegung nach Außen gepresst. Aufgrund unterschiedlicher Dichte werden die leichteren Teile, die sich näher am Rotationszentrum befinden, in eine gegenläufige Aufwärtsbewegung versetzt und nach oben ausgetragen. Die Form des Zyklons und die Eintraggeschwindigkeit entscheiden dabei über den Trennschnitt, der hier charakteristisch bei 45 micron (D50) liegt. (Anmerkung: D50 bedeutet, dass 50% aller Partikel die Ausgetra-gen werden nicht grösser sind als 45 micron). Die Partikel über 45 micron werden über den Unterlauf abgeschieden. Die Feinpartikel kleiner als 45 micron werden über den Oberlauf in den Vorratstank zurückgeführt. Durch die in den Tankbehältern vertikal angebrachten Flügelräder, auch Agitatoren genannt, wird die Suspension in Bewegung bzw. Schwebe gehalten, so dass einer Absetzung von Feinpartikeln entgegengewirkt werden kann.
Separierung von Kornfraktionen <45 micron
In vielen Fällen ist der Einsatz einer HSP - Anlage ohne zusätzliche Separationsschritte aus-reichend. In schluffigen, tonigen Böden mit einem hohen Feinpartikelanteil ist es jedoch erforderlich, eine Zentrifuge in Verbindung mit einem Vertikalklärer oder auch Eindicker genannt in das System zu integrieren. Dieses Konzept ermöglicht auch die vollständige Entfernung der Anteile bis zu einer Partikelgröße von 0 micron aus der Slurry. Durch das Vorschalten des Vertikalklärers wird gleichzeitig die Leistungsfähigkeit der Zentrifuge stark erhöht.
In diesem Fall wird die von der HSP durch Siebe und Hydrozyklone gereinigte und entsandete Slurry dem Vertikalklärer HVC 27 zugeführt. Vor Eintritt der Slurry in den Vertikalklärer werden der Spülung mittels einer Flockmittelstation Polymere beigemischt. Durch die unterschiedliche elektrische Ladung der Polymere und der Partikel binden die Polymere die Feinpartikel und bilden größere Flocken, die dann durch die Schwerkraft in den unteren Konus des Eindickers absinken. Das durch diesen Flockungsprozess von den Feinpartikeln abgeschiedene Wasser steigt in den oberen Bereich des Eindickers, läuft dort über eine Schwelle über und wird dem Spülkreislauf wieder zugeführt. Der sich im Konus absetzende Schlamm aus geflockten Partikeln wird durch einen Auslass an der Unterseite des Eindickers ausgetragen und über eine Pumpe der Zentrifuge zugeführt.
Die Zentrifuge HKD 46150F mit einem Trommeldurchmesser von 46 cm, einer Trommellänge von 150 cm und einem Volumendurchsatz von 60 bis 70 m3/h arbeitet bedienerfreundlich mit einer festen Drehzahl von 2000 U/min und ist konzipiert, einen Feststoffaustrag von 7-8 t/h zu erzielen. Durch die hohe Zentrifugalkraft von 2004 G wird der Feststoff an die Trommelwand gepresst und mit der Förderschnecke ausgetragen. Das abgetrennte Wasser verlässt kontinuierlich mit laminarer Strömung die Trommel durch den Ringspalt der Schnecke. Der ausgetragene Feststoff weist anschließend nur noch eine Restfeuchte von ca. 25% auf und kann problemlos und umweltfreundlich entsorgt werden.
Mit einem Volumendurchsatz von ca. 160 m3/h im Zentrifugenkreislauf bei einem Gesamt-durchsatz von bis zu 500 m3/h im Entsandungskreislauf kann die Sättigung des Fördermedi-ums auch bei hohen Vortriebsleistungen gering gehalten werden und so ein reibungsloser Arbeitsablauf sichergestellt werden.
Fazit
Mit den innovativen modularen HSP Separationsanlagen bietet Herrenknecht eine auf das Microtunnelling optimal abgestimmte Lösung an. Die Verfahrens- und Regeltechnik der Separationssysteme ist ein integraler Baustein der AVN Vortriebssysteme und garantiert als bewährtes Element einen optimalen technischen und wirtschaftlichen Ablauf.

Kontakt

Dipl.- Ing. Timo Seidenfuß, M.Eng. (Herrenknecht AG)

77963 Schwanau

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