Nassgewinnung | 18.01.2018

Der moderne Saugbagger

Gibt es ihn, den perfekten Saugbagger? Natürlich kann diese Frage nicht pauschal beantwortet werden, denn jeder Einsatzfall hat seine eigenen Auswahlkriterien, aber dennoch gibt es einige Punkte, die einen modernen Saugbagger charakterisieren.

 - Abbildung 2: Düsenkopf eines Saugbaggers
Abbildung 2: Düsenkopf eines Saugbaggers
Foto: Prof. Dr.-Ing. Albert Daniels

Es gilt, zwischen den technisch-mechanischen Komponenten, den Steuerungskomponenten und den Überwachungskomponenten zu differenzieren. Für jede dieser drei Komponenten soll in zwei Beiträgen dargestellt werden, welche Technologien aktuell zur Verfügung stehen und welche Einsatzkriterien dafür gelten. In dem ersten, hier vorliegenden Beitrag, sollen die grundsätzlichen Bauarten von Saugbaggern, bezogen auf die Lösesysteme, und deren Einsatzkriterien, der Betrieb der Baggerpumpe und die Positionierung der Pumpe auf dem Bagger vorgestellt werden.

Grundbauarten von Saugbaggern (Lösesysteme)
Für den Einsatz in der Nassgewinnung von lockeren bis halbfesten Kiesen und Sanden stehen zahlreiche Arten von Lösesystemen auf dem Markt zur Verfügung, differenzieren kann man dabei mechanische Systeme und hydraulische Systeme. Die mechanischen Lösehilfen bzw. Lösesysteme sind Schneidräder, Schneidköpfe und Reißketten. Bei den hydraulischen Systemen handelt es sich um Wasserkanonen, sogenannte Jetanlagen. Hier unterscheidet man zwischen Hochdruckanlagen (>> 200 bar) und Niederdruckanlagen (6-20 bar).

Abbauböschung nicht innerhalb einer angemessenen Zeit von alleine nachbricht. Nur dann kann und muss das anstehende Material schneidend bzw. reißend aus seinem Kornverband gelöst werden. Wirtschaftlich vertretbar ist der Einsatz solcher Baggersysteme i.d.R. nur bei hochwertigen und damit entsprechend hochpreisigen Rohstoffen. Um aus einer anspruchsvollen Lagerstätte eine angemessen hohe Produktionsleistung mechanisch heraus zu lösen, müssen leistungsfähige Löseeinrichtungen eingesetzt werden, die eine entsprechende Schneidleistung in die Lagerstätte einbringen können. Das wiederum bedeutet, dass die Konstruktion der Löseeinrichtungen und vor allem die des Gewinnungsgerätes entsprechend für die dabei auftretenden Reißkräfte bzw. Drehmomente ausgelegt sein müssen. Daher sind solche Saugbagger um ein vielfaches schwerer als normale Saugbagger mit Jetanlagen und deshalb auch entsprechend kostenintensiv, in der Finanzierung und im Verschleiß (Lösewekzeuge). Eine weitergehende Betrachtung dieser Systeme soll an dieser Stelle nicht erfolgen, da sie, bezogen auf die Anzahl der Geräte im Markt als auch über deren Gewinnungsmenge keine ausgeprägte Marktbedeutung haben.

 - Abbildung 1: Darstellung verschiedener Löseeinrichtungen. Von links nach rechts: Schneidkopf, Reißkette, Schneidrad, Jetanlage.
Abbildung 1: Darstellung verschiedener Löseeinrichtungen. Von links nach rechts: Schneidkopf, Reißkette, Schneidrad, Jetanlage.
Quelle: Döpke Saugbagger

Die Niederdruck Jetanlage
Für die „normale“ Kies- und Sandindustrie ist der Saugbagger mit einer Niederdruck-Jetanlage ein weit verbreitetes Gewinnungsgerät, seit etwa 10 Jahren auch als das Standardgerät zu betrachten. In Abbildung 2 ist ein Saugkopf mit den entsprechenden Jetdüsen dargestellt. Der vorgeschaltete Korb verhindert das Ansaugen von Steinen, die nicht durch die Kiespumpe gefördert werden können (Überkorn). Das Schutzrohr um die Düsen herum soll in diesem Fall die Düsen vor nachbrechendem Material schützen. In Abbildung 3 ist ein Düsenkopf in Aktion zu sehen.

Die Wirkungsweise einer Jetanlage ist, das anstehende Material aus seinem Kornverband zu lösen und aufzuwirbeln. Dabei entsteht um den Saugkopf herum eine dichte Wolke von gelöstem Material, welches vom Bagger über seinen Saugmund abgesaugt wird. Ohne Jetanlage müsste das am Saugmund zur Verfügung stehende Saugvakuum das Material lösen, gegen den Strömungswiderstand des Wassers bis zum Saugmund heben und dann absaugen. Dabei ist keine auch nur annähernd ausreichende Feststoffkonzentration zu erreichen, daher sind Saugbagger ohne Löseeinrichtung, sogenannte Grundsauger, nahezu völlig vom Markt verschwunden.

Über die Auslegung und Dimensionierung solcher Jetanlagen kann im Rahmen dieser Veröffentlichung nicht im Detail berichtet werden. Selbstverständlich muss die Auslegung sich an die Erfordernisse der Lagerstätte orientieren, nur das ist ausschlaggebend. Für eine „normale“ Kieslagerstätte sollte der Leistungsbereich einer Jetanlage für etwa 6-10 bar und einem Volumenstrom, der etwa 25-35 % des Volumenstroms der Baggerpumpe entspricht, ausgelegt sein. Die Regelmöglichkeiten dieser beiden Parameter (Druck und Volumenstrom) sind einerseits der Wirkdurchmesser der Düsen und die Drehzahl der Jetpumpe. Eine Erhöhung der Pumpendrehzahl bewirkt, entsprechend der Kennlinien der Düsen und der Pumpe, eine Zunahme von Druck und Volumenstrom. Für die betriebliche Praxis gilt es hier zu beachten, dass die Düsen einem Verschleiß unterliegen, wodurch sich ihr Wirkdurchmesser langsam vergrößert. Das hat zur Folge, dass der Volumenstrom zunimmt, bei reduziertem Druck, was wiederum zu einer Zunahme der Motorleistung führt. Die erhöhte Motorleistung führt aber nicht zu einer Leistungssteigerung, im Gegenteil, sie führt zu einer Verschlechterung der Energiebilanz und ist daher durch das Bedienpersonal oder noch besser durch eine Baggerautomatik zu beobachten.

 - Abbildung 3: Jetanlage in Aktion
Abbildung 3: Jetanlage in Aktion
Foto: Prof. Dr.-Ing. Albert Daniels

Im Zusammenhang mit der Auslegung der Jetanlage muss entschieden werden, ob sie mit einem fixen Betriebspunkt gefahren wird oder ob der Antrieb geregelt erfolgt. Bei einem geregelten Antrieb kann das Bedienpersonal oder die Baggerautomatik die Pumpenleistung durch Drehzahländerung mittels Frequenzumformer am Antriebsmotor stufenlos einstellen. Nach welchen Kriterien das zu erfolgen hat, ist nicht allgemein zu beschreiben, auch das ist individuell auf die jeweilige Lagerstättensituation abzustimmen. Grundsätzlich gilt es jedoch für einen modernen Saugbagger, dass die Jetanlage regelbar ist und die erforderliche Leistungsabgabe der Jeteinrichtung im Rahmen eines Energiemanagementsystems automatisch auf das jeweils nötige Maß eingeregelt wird. Hierzu sind für jeden Einsatzfall die entsprechenden Regelroutinen festzulegen. Im Falle eines automatisierten Betriebes des Baggers ist die Steuerung mit den erforderlichen Mess- und Entscheidungskriterien einzurichten.
Am Saugmund des Saugbaggers wird die Leistungsfähigkeit des Gerätes und somit auch seine Wirtschaftlichkeit entschieden! Hier entscheidet sich, welche Gemischkonzentration in das System eingesaugt wird. Alle nachgeschalteten Prozessstufen haben dann keinen bedeutenden Einfluss mehr auf den Baggererfolg, bezogen auf die Gewinnungsleistung und die Gewinnungskosten. Deshalb entscheidet sich an diesem Punkt die Wirtschaftlichkeit oder Unwirtschaftlichkeit der Anlage. Zwei Dinge müssen für einen wirtschaftlichen Betrieb des Saugbaggers erfolgreich durchgeführt werden. Erstens muss eine ausreichend hohe Menge an Material pro Zeiteinheit gelöst und als Materialwolke verwirbelt werden. Zweitens muss diese Wolke mit einem möglichst hohen Vakuum (Saugleistung) abgesaugt werden.

Ist die Jetanlage nicht in der Lage, große Mengen an Rohstoff in Schwebe zu bringen, weil entweder die Lagerstätte zu kompakt ist oder die Jetanlage falsch ausgelegt ist, kann und wird sich kein leistungsfähiger Betrieb einstellen. Es ist also in der Regel die Lagerstätte, die die Einsatzmöglichkeit und die Einsatzbedingungen eines Saugbaggers vorgibt. Ist die Lagerstätte kompakt bzw. stellt sich keine Abbruchböschung ein, kann der Saugbagger mit Jetanlage nicht wirtschaftlich eingesetzt werden. Natürlich ist der Begriff „wirtschaftlich“ individuell zu definieren, hier soll aber davon ausgegangen werden, dass eine Gemischkonzentration von mindestens 20-30 % Feststoff im Förderstrom des Baggers aufgenommen wird.

Das entscheidende Kriterium zur Erreichung dieser Gemischkonzentration ist das Saugverhalten des Baggers am Saugmund (nicht an der Pumpe). Dieses Saugverhalten wird im Wesentlichen nicht von dem Typ der Baggerpumpe entschieden, da sind alle bekannten Markenprodukte sehr ähnlich. Allein die Position der Pumpe in Relation zur Wasseroberfläche, die Länge des Saugrohres und vor allem die Kontrolle und Aufrechterhaltung einer optimalen Materialaufnahme sind hier die entscheidenden Faktoren.

Funktions- und Arbeitsweise einer Baggerpumpe

 - Abbildung 4: Baggerpumpe in einem tief gestellten Ponton in trockener Aufstellung.
Abbildung 4: Baggerpumpe in einem tief gestellten Ponton in trockener Aufstellung.
Quelle: Patent „Klappponton“

Bei den eingesetzten Baggerpumpen handelt es sich um Kreiselpumpen. Ein Laufrad mit drei bis vier Schaufeln dreht sich innerhalb eines Gehäuses und überträgt durch seine Drehbewegung mechanische Energie auf eine Flüssigkeit (Wasser). Am Einlass in das Laufrad entsteht ein Unterdruck (Vakuum) und am Ausgang des Laufrades ein Druck. Diese Druckdifferenz wird in Bewegungsenergie übertragen und somit fließt Wasser durch Pumpe und Rohrleitung. Vor der Pumpe wird ein Saugrohr, hinter der Pumpe ein Druckrohr angeschlossen. Dadurch kann Wasser aus einer gewissen Tiefe angesaugt und durch die Förderleitung abtransportiert werden. Wird das Saugrohr nahe genug an lose liegendes Material heran geführt, wird mit Hilfe des Saugunterdrucks und der Trägerflüssigkeit (Wasser) Sand und Kies aufgenommen und gefördert. Aus dem Physikunterich in der Schule erinnert sich jeder wahrscheinlich noch dunkel daran, dass solche Systeme eine Saughöhe von maximal 10,0 m überbrücken können, mehr geht nicht! Druckseitig kann durch Erhöhung der Pumpendrehzahl der Druck theoretisch unendlich gesteigert werden. Von entscheidender Wichtigkeit für die Leistungsfähigkeit eines Saugbaggers ist alleine das am Saugmund (Aufnahme des Wertstoffes am Saugrohr) zur Verfügung stehende Vakuum zur Aufnahme einer möglichst hohen Feststoffkonzentration. Die Baggerpumpen haben auf Grund ihrer sehr robusten Bauart und der damit einhergehenden systematischen Schwächen (Schaufelgeometrie ist auf Verschleißfestigkeit und Durchgang von Steinen ausgelegt, Spaltmaß zwischen Laufrad und Gehäuse ist größer) eine um ca. 2-3 m geringere Saughöhe als theoretisch möglich. Neue Baggerpumpen können ein Vakuum von etwa 0,7 -0,8 bar bzw. 7,0 bis 8,0 m erzeugen. Bei fortschreitendem Verschleiß und nicht optimal eingestelltem Spaltmaß reduziert es sich auf 6,0 bis 7,0 m. Dieses Vakuum steht aber am Saugstutzen der Pumpe an und nicht am Saugmund des Saugrohres. Auf seinem Weg zum Saugmund treten noch einige Verluste auf, die das effektiv nutzbare Vakuum weiter reduzieren. Steht die Pumpe mit ihrer Pumpenwelle oberhalb des Wasserspiegels, geht die Höhe von der Welle (Bezugsniveau der Pumpe) bis zum Wasserspiegel als Saughöhe verloren. Das ist bei den meisten Baggern mit der Pumpe im oder auf dem Ponton etwa 0,5 m. In dem Saugrohr treten Reibungsverluste auf. Bei einem 250er Saugbagger (250 mm Druckrohrleitung) mit einem 300er Saugrohr und einem Volumenstrom von 800 m³/h betragen diese Verluste etwa 5,5 m pro 100 m Rohrleitungslänge. Ein Saugbagger für 20 m Abbautiefe und der Pumpe im Baggerponton hat ein etwa 32 m langes Saugrohr. Das entspricht einem Verlust von etwa 2 m (inkl. einiger Sonderverluste für Krümmer und Schläuche auf dem Bagger). Zuzüglich der Saugverluste wegen der Aufstellhöhe steht am Saugmund noch ein Vakuum von 5,5 m zur Verfügung. Bei fortgeschrittenem Verschleiß der Pumpe reduziert sich der Wert auf etwa 4,0 bis 4,5 m.

 - Abbildung 5: Pumpenponton in Reparaturstellung.
Abbildung 5: Pumpenponton in Reparaturstellung.
Quelle: Patent „Klappponton“

Ein weiterer, wichtiger Punkt bei dem Betrieb von Baggerpumpen ist deren Anlaufverhalten. Diese Baggerpumpen sind grundsätzlich als nicht selbstansaugend einzustufen. Das Laufrad muss zum Starten der Pumpe mit Wasser gefüllt sein. Lediglich bei noch sehr neuen Pumpen genügt es, das Gehäuse etwa halb voll zu machen, dann laufen die Pumpen mit einer geringen Anlaufzeit hoch (ist mit Glück möglich, wenn die Luft über den Druckstutzen entweichen kann). Inklusive der Füllarbeit und der Anlaufzeit dauert dieser Vorgang etwa drei bis fünf Minuten und muss von erfahrenem Personal durchgeführt werden. Bei Pumpen mit einem fortgeschrittenen Verschleiß reicht eine Teilfüllung der Pumpe oftmals nicht mehr aus, der Prozess dauert dann deutlich länger oder funktioniert gar nicht mehr.
Der Energiebedarf einer Baggerpumpe wird im Wesentlichen durch das geförderte Wasservolumen und der Gesamtförderhöhe beeinflusst (Saughöhe, Druckhöhe, Verlusthöhe). Zum sicheren Transport einer mit Feststoff beladenen Suspension (Gemisch aus Wasser und Feststoff) muss eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Förderrohrleitung vorliegen. Für eine „normale“ Kieslagerstätte mit 30 % Körnung 0 - 63 mm und 70 % Sand liegt diese Geschwindigkeit bei etwa 4,0 bis 4,5 m/s. In einer 250er Rohrleitung entspricht der Volumenstrom bei 4,5 m/s etwa 800 m³/h. Bei einer Förderweite von 200 m, einer Förderhöhe auf ein Schöpfrad von 6 m und etwa 10 % Feststoffanteil im Wasser benötigt eine neue Pumpe hierfür etwa 100 Kw. Erhöht man nun der Feststoffanteil auf 20 % (Verdoppelung der Leistung!) steigt der Energiebedarf auf etwa 120 Kw. Das bedeutet, dass man lediglich 20 % mehr Energie für eine Verdoppelung der Produktionsleistung zu investieren hat. Erfahrungen bezüglich des Verschleißverhaltens von Baggerpumpen und Rohrleitungen haben gezeigt, dass eine Leistungserhöhung zu nur sehr geringen Mehrkosten für den Verschleiß der Pumpen und der Rohrleitungen führt. Hier kann man etwa 5 % Kostensteigung ansetzen. Zusammenfassend bedeutet das, dass eine spürbare Steigerung der Feststoffbeladung zu nur sehr geringen Kostensteigungen führt. Der zusätzlich geförderte Feststoff ist nahezu „geschenkt“. Daher muss zur Leistungsoptimierung dieser Systeme, und damit automatisch auch zur Kostenoptimierung, eine maximal hohe Feststoffbeladung erreicht und gehalten werden. Zum Erreichen dieses Ziels muss die Grundkonstruktion des Saugbaggers, was im Endeffekt die Positionierung der Pumpe auf dem Gerät bedeutet, allein auf dieses primäre Ziel ausgerichtet sein. Das Halten eines hohen Leistungsniveaus kann und muss von einer effektiven Baggersteuerung übernommen werden, das kann über einen längeren Zeitraum nicht durch das Bedienpersonal geleistet werden (Konzentrationsschwäche und Komplexität der zu regelnden Parameter). Die Leistungsfähigkeit eines Saugbagger wird im Wesentlichen nicht von der Baggerpumpe und erst recht nicht vom Antrieb (Keilriemen, Getriebe oder Getriebelos) beeinflusst, nur das Grundkonzept des Baggers ist entscheidend!

Ansätze zur Optimierung des Saugverhaltens von Saugbaggern

Wie bereits erwähnt, ist die Verfügbarkeit des Vakuums am Saugmund der wesentliche Faktor für die Leistungsfähigkeit des Saugbaggers. An der Pumpe kann man nur durch eine gute Wartung dafür sorgen, dass das Saugverhalten auf einem dem Verschleiß entsprechend hohen Niveau gehalten wird. Dazu ist einerseits ein geringes Spaltmaß zwischen Laufrad und Gehäuse bzw. Schleißwand einzuhalten und andererseits ein rechtzeitiges Tauschen des Laufrades erforderlich. Welche Pumpe das unter den jeweiligen Bedingungen mit den geringsten Kosten zu leisten vermag, muss fallspezifisch entschieden oder experimentell (try and error) ermittelt werden.
Von entscheidender Bedeutung ist hier die Position der Baggerpumpe in Relation zur Wasseroberfläche. Bei leistungsoptimierten Geräten muss die Pumpe unterhalb des Wasserniveaus positioniert werden. Dadurch werden drei Effekte erzielt:
1. Kein Saughöhenverlust durch die Hebearbeit bis zur Wasseroberfläche
2. Deutlich kürzeres Saugrohr mit weniger Einbauten
3. Jederzeitiger Start der Pumpe, sie ist immer mit Wasser gefüllt

Dafür ist es unerheblich, ob die Pumpe auf einer Pumpenleiter direkt unter Wasser sitzt oder in einem tiefen Ponton unterhalb des Wasserspiegels, aber trocken.
In Abbildung 4 und Abbildung 5 ist ein solches System dargestellt: hier in der Version der trocken aufgestellten Pumpe in einem patentierten Pontonsystem. In der ersten Abbildung ist der Ponton in der Betriebsstellung abgebildet. Die Pumpe befindet sich deutlich unterhalb des Wasserspiegels, das Saugrohr hat keine Einbauten und ist sehr nahe an der Pumpe. In der zweiten Abbildung ist der Ponton in Reparaturstellung geklappt. Es können Wartungsarbeiten an dem Saugrohr im Einlaufbereich zum Ponton durchgeführt werden.
Vorteilhaft gegenüber der nassen Pumpenaufstellung ist die Verwendung von robusteren Systemen (Motor, Kraftübertragung, Pumpe), die nicht durch aufwändige Abdichtungssysteme gegen Wasser geschützt werden müssen. Die oberste Grundregel zum Betrieb von zuverlässigen Baggern ist der Minimalismus. Das bedeutet, dass Komponenten, die nicht verbaut sind, auch nicht kaputt gehen. Je robuster die Komponenten und je standardisierter sie sind, desto weniger Probleme machen sie und desto schneller können sie lokal beschafft und/oder repariert werden.

Für eine automatisierte Bewirtschaftung von Lagerstätten, bei der die Gewinnungsanlagen zu mindestens teilweise ohne Bedienpersonal laufen, sind solche Systeme unumgänglich, denn nur sie erlauben ein Starten des Saugbaggers ohne vorherige Befüllung der Pumpe. Für dieses automatisierte Baggern ist dann eine „Unsinkbarkeit“ des Baggers durch entsprechend dimensionierte und geschottete Pontonsysteme erforderlich. (Prof. Dr.-Ing. Albert Daniels, Beitrag erschienen in GP Gesteinsperspektiven Ausg. 5/17)

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