Emissionsschutz in der Metallindustrie

Kompakt informieren

• Bei der Metallverarbeitung freigesetzte Öl- und Emulsionsnebel haben ein sehr breites Partikelspektrum, die mit dem Auge nicht wahrnehm­baren Feinstpartikel können in die unteren Atemwege und von dort in die Blutbahn und die Organe gelangen.
• Für den Emissionsschutz an spanenden, umformenden und erodierenden Werkzeugmaschinen gibt es unterschiedliche Lösungsansätze. Die Auswahl hängt vom verwendeten Kühlschmierstoff, den auftretenden Schadstoffen und deren Partikelspektrum ab.
• Unterschiedliche Lösungen lassen sich nur vergleichen, wenn die ­Anbieter die Abscheidegrade über das gesamte ­Partikelspektrum aufgeschlüsselt angeben. Wei­tere wichtige Aspekte sind der Strombedarf und der Brandschutz.

Metallverarbeiter, die spanen und umformen, brauchen ausgeklügelte Lüftungseinrichtungen Abb. 1, die weit höhere Ansprüche erfüllen müssen als beispielsweise eine Schweißrauchabsaugung. Der Grund: Für das Abtragen und Formen von Metall sind Kühlschmierstoffe unverzichtbar, die durch die thermische Ein­wirkung – vor allem beim Zerspanen – feinste Öl- und Emulsionsnebel freisetzen.

Das Partikelspektrum der Emissionen ist sehr breit und reicht von Tröpfchen mit mehr als 100 µm Durchmesser bis zu Feinstpartikeln mit weniger als 0,5 µm. Sie verunreinigen nicht nur den Arbeitsplatz und die Fertigungshallen, sondern sind auch ein Gesundheitsrisiko für die Mitarbeiter: Eingeatmete Partikel unter 5 µm Größe gelangen bis in die unteren Atemwege. Tröpfchen mit weniger als 2 µm dringen bis in die Lungenbläschen vor; sie geraten dadurch in die Blutbahn und somit in alle Organe.

Sind die Mitarbeiter den Schadstoffen schutzlos oder unzureichend ausgesetzt, nennt die Arbeitsmedizin als mögliche Schäden toxische, allergische, neurale, krebserzeugende und erbgutverändernde Effekte. Der Emissionsschutz ist also dringend geboten – nicht zuletzt auch aus der Sicht der Raumhygiene und des baulichen Brandschutzes. „Hier liegen noch unausgeschöpfte Umsatzmöglichkeiten für TGA-Planer und Anlagenbauer“, meint Marcus Auer, technischer Leiter des schwäbischen Systemanbieters Rentschler Reven.

Kompakte Abscheider

Für den Emissionsschutz an spanenden, umformenden und erodierenden Werkzeugmaschinen gibt es vielseitige Lösungsansätze. Sie hängen vom verwendeten Kühlschmierstoff (KSS), den auftretenden Schadstoffen und deren Partikelspektrum ab. Für kleinere Werkzeugmaschinen mit einem Arbeitsraum bis etwa 4 m³ und nur geringer Dampf- und Rauchentwicklung haben sich kompakte Öl- und Emulsionsnebelabscheider bewährt, die auf dem Maschinengehäuse aufgesetzt werden Abb. 2. Ihre Luftleistung bewegt sich zwischen 400 und 800 m³/h. Die gereinigte Luft strömt in die Halle zurück.

Moderne Kompaktabscheider sind mit selbstreinigenden Cyclon-Abscheidelamellen Abb. 3 bestückt. Sie arbeiten rein mechanisch – ohne Filtermatten, die sich vollsaugen und periodisch auszuwechseln sind. Die abgefangenen Nebeltröpfchen fließen zurück in den KSS-Tank der Maschine.

Diese Geräteart ist oft als „Rotationsabscheider“ konstruiert, bei der die ganze Filtertrommel rotiert, was Vibrationen und Geräusche verursacht. Bei fortschrittlichen Konstruktionen rotiert dagegen nur der Ventilator und nicht die Abscheidetrommel Abb. 4. Ferner lässt sich hier die Ventilatordrehzahl und somit die Luftmenge stufenlos den Emissionen angleichen. Auf diese Eigenschaften sollte der Planer achten, betont Reven-Sprecher Auer.

Die Kompaktabscheider werden mitunter als steckerfertige Aufsatzgeräte angeboten, die nach oben aufklappbar sind und die Cyclon-Abscheideelemente leicht zugänglich machen. Als Zubehör gibt es einen Elektrostaten. Diese Kombination bietet sich beispielsweise für kleinere Schleifmaschinen an, die mit reinem Öl schmieren und kühlen.

Anwendergerechte Kombinationen

Bei größeren Werkzeugmaschinen und hohen KSS-Drücken sind mehrstufige Abscheidesysteme geboten. Es sind nichtrotierende Geräte mit mehreren hintereinandergeschalteten Cyclon-Abscheideelementen. Die Elemente sind ausziehbar; sie lassen sich zur Grundreinigung zer­legen und beliebig oft wiederverwenden.

Diese mehrstufigen Systeme sind sehr anwendungsflexibel: Ändern sich die Maschinenparameter oder wird von Öl auf Emulsion umgestellt, wird nur die Kombination der Abscheideelemente neu gewählt. Ein Beispiel für ein dreistufiges System: Die erste Stufe fängt nach dem Cyclonprinzip Festpartikel und Öltröpfchen in der Größenordnung 1 µm und darüber ab. Der nachgeschaltete Agglomerator erfasst die Feinpartikel unter 1 µm. Er besteht aus einem mehrlagigen Metallgestrick aus Edelstahl. Die Oberflächen werden von einem Teil des zuvor abgeschiedenen Öls benetzt. Das bewirkt, dass die feinen Aerosole agglomerieren, das heißt, durch Adhäsion und Kohäsion größere Partikel bilden. Diese werden dann durch die ­dritte Stufe – wiederum ein Cyclonabscheider – zuverlässig entfernt.

Je nach Anforderungen des Kunden werden so bis zu fünf Abscheidestufen hintereinandergeschaltet, mithin unter Verwendung eines Schwebstofffilters als Endstufe. Fallweise – bei extrem hohen KSS-Drücken (bis 100 bar) und/oder bei Rauchentwicklung – wird ein Elektrostat nachgeschaltet. Um Gerüche und gefährliche Gase zu entfernen, kommen auch endständige Aktivkohlefilter infrage.

Die hohe Abscheideleistung der mehrstufigen Systeme erlaubt in der Regel die Rückführung der gereinigten Luft in die Werkhalle. Bei einer Partikelgröße von 1 µm beträgt der Abscheidegrad moderner Systeme oft 100 %, bei 0,5 µm immer noch 95 %. Für den Kunden ist es in der Angebotsphase wichtig, die Fraktionsabscheidegrade zu erfahren. Auer: „Seriöse Anbieter schlüsseln die Abscheidegrade ihrer Produkte bzw. Systemkombinationen über dem gesamten Partikelspektrum auf. Die alleinige Angabe gravimetrischer Gesamtwirkungsgrade ist fragwürdig, weil sie die konkurrierenden Systeme nicht vergleichbar macht und zu Fehlinterpretationen führt.“

Mehrstufige Elektrostate

Extreme Schnittgeschwindigkeiten und luftdichte Einhausungen lassen die Schadstoffkonzentration in hochmodernen Werkzeugmaschinen indes überproportional ansteigen. Sie liegt nicht selten um den Faktor 100 über der Konzentration in nur fünf Jahre alten Maschinen. Rein mechanisch wirkende Abscheider sind damit überfordert. Die Industrie hat darum mehrstufige Elektrostate entwickelt, denen meist ein Agglomerator und ein Zyklonabscheider vorgeschaltet sind. Die Vorstufen fangen die groben Verunreinigungen ab; im bis zu dreistufigen Ioni­sationsfeld des Elektrostaten werden Feinstpartikel bis zu 0,01 µm abgefangen. Typische Fraktionsabscheidegrade für solche Hochleistungs-Elektrostate: 93 % bei 0,05 µm und 98 % bei 0,8 µm Partikeldurchmesser.

Laut Reven sollten Planer von Abscheideanlagen neben den Fraktionsabscheidegraden auch den Strombedarf berücksichtigen. Hauptsächlich die Kompaktabscheider weichen aufgrund unterschiedlicher Luftwiderstände in der Stromaufnahme erheblich voneinander ab. Auer: „Die Mehrkosten für ein energiesparendes System amortisieren sich oft binnen anderthalb Jahren. Werden bei betagten Anlagen die Filtereinsätze durch moderne Abscheideelemente ersetzt, liegen die Amortisationszeiten oft noch darunter. Der Austausch ist bei den genormten Filterabmessungen problemlos.“

Einzel- oder Sammelabsaugung?

In größeren Fertigungsbetrieben mit vielen Bearbeitungsmaschinen haben die einzelnen Maschinen oft ihren eigenen Ölnebelabscheider. Alternativ zu dieser dezentralen Lösung kommt die zentrale Abscheidung mit einem leistungsstarken Luftreiniger im Abluftkanal infrage. Diese Sammelabscheidung hat jedoch einen gravierenden Nachteil:

Die langen waagrechten Luftkanäle können im Laufe der Zeit verölen und so die Brandlast erhöhen. Im Brandfall wirken die Luftkanäle dann wie eine Zündschnur. Feuerschutzklappen können zwar die Brandausbreitungsgefahr verringern; es gibt aber eine Alternative, die wirkungsvoller ist – nämlich die Vorabscheidung der Emissionen an den einzelnen Maschinen.

Die Vorabscheidung Abb. 6 mit hochwirksamen Abscheideelementen hält den Abluftkanal weitgehend ölfrei. Sie ist aber nur sinnvoll, wenn die Vorabscheider auch flammendurchschlagsicher sind. Diese Eigenschaft wird durch ein entsprechendes DIN-Prüfzeichen nachgewiesen. Die Prüfung orientiert sich an der DIN 18869-5¹⁾. Diese Norm schreibt flammendurchschlagsichere Aerosolabscheider für Großküchen vor, weil es dort immer wieder zu verheerenden Luftkanalbränden kam. Sie ist die strengste Prüfnorm für die Flammendurchschlagfestigkeit und gilt zunehmend auch Industrieausrüstern als Richtschnur für die Auswahl von Ölnebelabscheidern an Werkzeugmaschinen.

Das entsprechende DIN-Prüfzeichen auf den Vorabscheidern garantiert dem Betreiber, dass bei einem Schmierölbrand oder einer Ölnebelverpuffung das Feuer nicht in den Luftkanal überschlägt. Einfache Prallbleche erfüllen diese Anforderung nicht; sie sind allenfalls flammhemmend.

Fazit

Aus Gründen des Arbeits- und Gesundheitsschutzes werden hochwirksame Öl- und Emulsionsnebelabscheider in metallverarbeitenden Betrieben immer wichtiger. Der Fokus liegt dabei auf der Abscheidung der Feinstpartikel unter 1 µm Durchmesser. Sie sind mit dem Auge nicht wahrnehmbar und auch mit normalen Handmessgeräten nicht zu registrieren.

Die Lösungsansätze für die Abscheidung sind sehr unterschiedlich und orientieren sich am jeweiligen Anwendungsfall. Moderne Abscheidesysteme sind oft mehrstufig ausgeführt, wobei die Kombination der Abscheidelemente auf das Partikelspektrum und die Schadstoffkonzentration zugeschnitten wird.

Vielfach genügen mechanisch wirkende Cyclonabscheider ohne Wegwerffilter, fallweise ergänzt um einen Elektrostaten. Bei der Systemauswahl sollte sich der Investor die ­fraktionellen Abscheidegrade im Mikrometerbereich aufschlüsseln lassen, da der Gesamt­wirkungsgrad kein Kriterium für die Abscheidequalität ist. Peter Göhringer

1) DIN 18869-5 Großküchengeräte – Einrichtungen zur Be- und Entlüftung von ­gewerblichen Küchen – Teil 5: Abscheider, Anforderungen und Prüfung. Berlin: Beuth Verlag, August 2007

„Der Unternehmer hat dafür zu sorgen, dass bei ­Tätigkeiten mit Kühlschmierstoffen die Gefährdung durch Haut- und Augenkontakt, die Emission in die Atemluft, die Gefährdung durch Aufnahme in den Körper und Brand- und Explosionsgefahren beseitigt oder auf ein Minimum reduziert werden, soweit dies nach dem Stand der Technik möglich ist.“ Quelle: BGR/GUV-Regel 143 „Tätigkeiten mit Kühlschmierstoffen“, März 2011

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