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Vorrichtung zur Abscheidung von Schwebstoffen aus Gasströmen
Es ist bekannt, Gase durch Einwirkung der Fliehkraft zu reinigen, indem die Gase durch Vorrichtungen geleitet werden, die eine mehrfache Änderung oder Umkehrung der Strömungsrichtung der Gase erzwingen. So sind Vorrichtungen zur Abscheidung von Tröpfchen aus Gasen bekannt, die im Querschnitt V-, U- oder halbkreisförmige Profilstäbe als Bauelement für die Umlenkvorrichtung verwenden, wobei mindestens zwei gegeneinander versetzte Reihen von Profil-Stäben in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Die Abmessungen dieser Profile sind ausserdem genügend gross, um die Innenflächen, gegen die die Tröpfchen durch die Fliehkraft prallen, mit Filz, Wolle oder andern flüssigkeitsaufsaugenden Stoffen zu beschichten.
Zur Niederschlagung von sehr feinen Tröpfchen, wie sie in Nebeln vorliegen, verwendet man oft poröse Filterschichten. Vorwiegend aus der Schwefelsäureindustrie ist die Verwendung von Filterkerzen aus keramischem Material mit einem Porendurchmesser von 0, 1 bis 0, 3 mm bekannt.
Insbesondere aus nordamerikanischen Veröffentlichungen ist die Verwendung von dichten Drahtmatten unter dem Namen "knitted wire" bekannt. Es werden auch Kombinationen aus Draht und Glasfasern verwendet. Wenn man mit solchen Vorrichtungen feine Nebel abscheiden will und wenn ein sehr niedriger Endgehalt im Abgas erreicht werden muss, sind relativ dichte Filterschichten erforderlich. Falls das Gas neben Flüssigkeiten, die aus der Filterschicht abfliessen können, noch feste Stoffe enthält, tritt nach einiger Zeit eine Verstopfung der Filterschicht ein, die nur sehr schwer behoben werden kann. Trotz dieses Nachteiles haben solche Filterschichten weite Verbreitung gefunden, da man kein anderes in der Anschaffung ähnlich billiges und ebenso wirksames Abscheidungsverfahren kannte.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Vorrichtungen zur mechanischen Abscheidung von Schwebestoffen, d. h. von Nebeln und/oder Stäuben, deren Teilchengrösse im Bereich von 1. 10 -4 cm im Durchmesser und darunter liegen und die von den meisten bekannten mechanischen Trocken-oder Nassabscheidern nicht mehr erfasst werden, aus Gasströmen zu schaffen. Ein besonderes Ziel der Erfindung ist diese Abtrennung der sehr kleinen Teilchen allein durch Ausnutzung der Druckenergie des Gasstromes zu erreichen und so eine weitgehende Reinigung des Gases zu erzielen.
Als Energie für die Abscheidung der Schwebestoffe wird der Druckabfall des Gases beim Durchgang durch die Abscheidevorrichtung ausgenutzt, u. zw. arbeitet die Vorrichtung nach der Erfindung in an sich bekannter Weise unter Anwendung eines Drucksprunges von mindestens 50 mm WS.
Unter dem Drucksprung wird ein Messwert verstanden, der die Differenz des statischen Druckes des zu reinigenden Gases vor und nach der Niederschlagung der Schwebestoffe darstellt und z. B. in Millimeter Wassersäule ausgedrückt werden kann. Die Reinheit des behandelten Gases wird umso besser, je grösser der Drucksprung ist. Ein Vorteil der Vorrichtungen nach der Erfindung ist es, dass sie keine bewegten Teile enthalten. Der Energieaufwand kann wie z. B. bei Zyklonen von Gebläsen aufgebracht werden ; er liegt in vielen Fällen nicht höher als der Energieaufwand eines Elektrofilters bei gleichem Gasreinigungsproblem. Die Erstellungskosten, die Grösse und das Gewicht der neuen Vorrichtungen betragen nur einen Bruchteil der entsprechenden Werte für einen Elektrofilter.
Es wurde gefunden, dass bei Aufwand der gleichen Energie wie bei bekannten mechanischen Apparaten in Vorrichtungen, die nur eine einzige scharfe Umlenkung des Gasstromes erzwingen, eine bessere
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Abscheidung erreicht wird als in porösen Schichten oder Prallplattenapparaten, in denen das Gas vielmals oder zumindest mehrmals druckverbrauchenden Richtungsänderungen ausgesetzt ist. Erfindungsgemässe Vorrichtungen mit einmaliger Umlenkung lassen sich so konstruieren. dass Verstopfungen vermieden werden, indem die festen Teilchen zusammen mit dem flüssigen Kondensat abfliessen. Wenn das Gas zu wenige flüssige Bestandteile enthält, muss vor der Filtration eine geeignete Flüssigkeit eingesprüht werden.
Die Erfindung hat nicht nur Vorrichtungen zur Abscheidung von Schwebstoffen aus Gasströmen zum Gegenstand, sondern auch Verfahren für eine solche Gasreinigung, denn es wurde überraschenderweise gefunden, dass mit den Vorrichtungen gemäss der Erfindung nicht nur schwefelsaure Nebel u. ähnl. Nebel niedergeschlagen werden können, deren Abtrennung aus Gasströmen an sich auch mit bekannten Abscheidevorrichtungen möglich ist, sondern dass es gemäss der Erfindung auch möglich ist, andere Nebel und Stäube aus Gasströmen abzuscheiden, deren Entfernung bisher aussergewöhnliche Schwierigkeiten bereitete. So ist es gemäss der Erfindung z.
B. möglich, Gase, die radioaktive Schwebstoffe wie angereichertes Uran oder pyrophores Urancarbid enthalten, soweit zu reinigen, dass die Radioaktivität der Gase in der Grössenordnung von 10* Mikrocurie/cm und darunter liegt. Ferner lassen sich gemäss der Erfindung Abgase in befriedigender Weise reinigen, die Stäube enthalten, welche durch Abkühlung von gasförmigen Substanzen entstanden sind. Insbesondere ist die Erfindung anwendbar auf Abgase aus metallurgischen Anlagen, z. B. einen Schmelzereibetrieb, in welchem Aluminiumabfälle oder sonstiges Leichtmetall in Drehrohrofen mit Gasfeuerung eingeschmolzen wird. Die in einem solchen metallurgischen Betrieb entstehenden Abgase enthalten Metall- und Salzdämpfe, und das Metall oder Salz bildet beim Abkühlen einen ausserordentlich feinen Staub.
Ebenso haben bekanntlich diejenigen Stäube eine sehr kleine Teilchengrösse, die aus gasförmigen Stoffen durch Zusatz eines Reaktionsgases entstehen, wie beispielsweise die sauren Abgase eines Beizereibetriebes, denen gasförmiges Ammoniak vor dem Waschturm zugesetzt wird, um die Säureteilchen in Ammoniumsalze umzuwandeln. Auch derartige besonders feine Stäube lassen sich gegebenenfalls nach Einspritzung einer geeigneten Flüssigkeit gemäss der Erfindung mit grossem Vorteil in bequemer Weise reinigen.
Gemäss dem Grundgedanken der Erfindung besteht eine Vorrichtung zur Abscheidung von Schwebstoffen durch Anwendung eines Drucksprunges von mindestens 50 mm WS im Gasstrom aus ein oder mehreren aus aneinandergereihten, in sich geschlossenen Bauteilen bestehenden Hohlkörpern, die in den Gasstrom eingeschaltet sind und bei denen zwischen den ringförmigen Bauelementen Schlitze freigelassen sind, die im Axialschnitt eine derartige Richtungsänderung aufweisen, dass kein Durchtritt des Gasstromes durch den Schlitz auf einem geradlinigen Stromfaden möglich ist.
Zweckmässig beträgt die Richtungsänderung der Schlitze im Axialschnitt mindestens 300. vorzugsweise mehr als 450. Bei den besonders bevorzugten Vorrichtungen nach der Erfindung beträgt diese Rich tungsänderung im Axialschnitt mehr als 900. vorzugsweise etwa 1200.
Die mit einer Vorrichtung nach der Erfindung erreichte abscheidende Wirkung beruht darauf, dass beim Durchgang der Stromfäden durch die einzelnen Schlitze der Vorrichtung den Schwebstoffen einehohe Zentrifugalbeschleunigung infolge der Richtungsänderung erteilt wird, durch die die Nebeltröpfchen oder Staubteilchen koagulieren und gegen die Wandung der Schlitze geschleudert werden und dort zur Trennung von dem Gasfadeh kommen. Um eine wirksame Abscheidung der Schwebstoffe zu erreichen, sollen deshalb die Schlitze quer zur Strömungsrichtung eine Breite von weniger als 5 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm, haben. Wie praktische Erfahrungen gezeigt haben, liegt der besonders zweckmässige Bereich der Schlitzbreite, insbesondere bei schwer abzuscheidenden Nebeln oder Stäuben, zwischen 0, 3 und 2 mm.
Ausserdem ist zu betonen, dass es für die Erzielung optimaler Abscheidungseffekte wichtig ist, dass die Schlitze im Axialschnitt eine Querschnittsverengung an der Stelle der stärksten Krümmung aufweisen, also beispielsweisevon der Eintrittsstelle bis zur Stelle der stärksten Krümmung eine diffusorartige Verengung und von dieser Stelle bis zur Austrittsstelle eine diffusorartige Erweiterung aufweisen.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist der Aufbau der von'den Gasen durchströmten Hohlkörper aus aneinandergereihten, in sich geschlossenen Bauelementen. Vorzugsweise haben diese Bauelemente Ringform ; sie können jedoch auch polygonale prismatische Form besitzen. Derartige Bauelemente lassen sich unter Berücksichtigung der chemischen Natur der abzuscheidenden Schwebstoffe aus jedem geeigneten Material, beispielsweise Metall, wie Eisen, Stahl, insbesondere nichtrostender Stahl, Leichtmetall, Messing, Bronze, aber auch aus organischen Materialien, wie giessfähigen, spritzfähigen oder durch Pressverformung zu verarbeitenden Kunststoffen in Serienfabrikation herstellen und unter Einschaltung von Distanzstücken entsprechend der gewünschten Schlitzbreite zu den erforderlichen Hohlkörpern vereinigen.
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Solche Hohlkörper, wie insbesondere Zylinder, haben den grossen Vorteil, dass sie eine relativ sehr grosse Schlitzlänge aufweisen, und anderseits die Ringe oder prismatischen Bauelemente selbst bei relativ gro- ssem Durchmesser ihre genaue Gestalt behalten und sich z. B. nicht durchbiegen, wie dies bei stabförmigen Bauelementen verhältnismässig grosser Länge der Fall sein würde. Die Steifigkeit der ringförmigen Bauelemente ist aber von wesentlicher Bedeutung, damit die zwischen ihnen eingeschlossenen Schlitze auf ihrer ganzen Länge und in der ganzen Höhe des Hohlkörpers genau gleiche Breite behalten und infolgedessen in allen Schlitzteilen die Schwebstoffe die gleiche Zentrifugalbeschleunigung infolge der Richtungsänderung erhalten und nicht an Stellen einer grösseren Schlitzbreite Kurzschlüsse auftreten können.
Je dünner die Schichten gewählt werden, umso besser ist die Niederschlagung der Schwebstoffe. Feine Schwebstoffe erfordern Schichtdicken unter 2 mm, extrem feine Schwebstoffe benötigen Schichtdikken zwischen 0,3 mm und 1, 2 mm.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung beispielshalber dargestellt, jedoch soll die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt sein.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, u. zw. Fig. 1 im Längsschnitt durch die gesamte Vorrichtung, während Fig. 2 die Einzelheit C im vergrösserten Schnitt zeigt.
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D in Fig. 3 im vergrösserten Schnitt.
Die in den Fig. l und 2 dargestellte Vorrichtung kann beispielsweise aus säurefestem Kunststoff hergestellt sein. Der Aussenmantel der Vorrichtung ist mit 1 bezeichnet ; er weist einen Gaseintrittsstutzen 2 und einen Gasaustrittsstutzen 3 sowie Kondensat-Ablassstutzen 4 und 5 auf. Eine Scheibe 6 trägt eine Vielzahl von Ringen 7, die durch Distanzstücke 8 so auf gegenseitigem Abstand gehalten werden, dass zwischen ihnen Schlitze 9 frei bleiben. Aus einer Vielzahl von Ringen 7 ist, wie Fig. 1 erkennen lässt, ein kegelförmiger Hohlkörper gebildet, der den Innenraum des Mantels 1 in zwei Teilräume 10 und 11 aufteilt, von denen ersterer mit dem Gaseintrittsstutzen 2 und letzterer mit dem Gasaustrittsstutzen 3 verbunden ist.
Fig. 2 lässt erkennen, dass die Schlitze 9 im Axialschnitt eine derartige Richtungsänderung aufweisen, dass kein Durchtritt des Gasstromes durch den Schlitz auf einem geradlinigen Stromfaden möglich ist. Jeder Schlitz hat im Axialschnitt eine Querschnittsverengung an der Stelle der stärksten Krümmung, und die Richtungsänderung beträgt im Axialschnitt bei diesem Ausführungsbeispiel etwa 900. Die Schlitze weisen, um einen möglichst geringen Druckabfall zu gewährleisten, ausschliesslich stetige Änderungen des Durchflussquerschnittes auf, und die Schlitzwände sind aus den gleichen Gründen glatt ausgeführt.
In den Fig. 3 - 5 sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in den Fig. 1 und 2. Die Ringe 7 sind bei diesem Ausführungsbeispiel zylindrisch, weisen jedoch gleiche Grösse untereinander auf, so dass sie, wie die Fig. 3 und 4 zeigen, im zusammengesetzten Zustand Hohlzylinder bilden. In den vergrösserten Querschnitt gemäss Fig. 5 ist der Winkel der Richtungsänderung eingezeichnet, die jeder Schlitz im Axialschnitt aufweist. Dieser Winkel ist mit IX bezeichnet. Die beiden Linien, welche die Schenkel dieses Winkels bilden, treffen sich im Scheitelpunkt der Umlenkung und gehen durch den Mittelpunkt der Ein-und Austrittsspalte. Der Winkel beträgt bei dem dargestellten Ausführmgsbei- spiel etwa 1200.
Jeder Schlitz weist von der Eintrittsstelle bis zur Stelle der stärksten Krümmung eine diffusorartige Verengung und von dieser Stelle der stärksten Krümmung bis zur Austrittsstelle eine diffusorartige Erweiterung auf.
Zur Anpassung der Abscheidevorrichtung an wechselnde Gasmengen können für einzelne der Filterzylinder Verschlussglocken 12 vorgesehen werden, die von ausserhalb des Mantels 1 her verstellbar sind. Bei kleiner werdender Gasmenge pro Zeiteinheit werden die Eintrittsöffnungen eines oder mehrerer der zylindrischen Hohlkörper, die aus den Ringen 7 bestehen, verschlossen. Ausserdem befindet sich im Eintrittsraum 10 gegebenenfalls eine Flüssigkeitszerstäubungsdüse 13, die aus der Leitung 14 mit Druckluft oder Dampf betrieben wird. Eine solche Flüssigkeitszerstäubungsdüse ist dann angebracht, wenn das zu reinigende Gas grössere Mengen an Feststoffen und kleinere Flüssigkeitsmengen enthält. Mit 15 ist ein Dosiergefäss für die Flüssigkeitszerstäuberdüse 13 bezeichnet.
Die Vorteile der Erfindung werden im folgenden an Hand mehrerer Beispiele aus der Praxis erläutert.
Beispiel l : Angereichertes Uran 235, welches als Nitrat in einer flusssäurehaltigen Lösung enthalten ist, wird durch Zusatz von Ammonkarbonat und Ammoniak gefällt. Die Abgase des Reaktionsgefässes enthalten wegen der Gasentwicklung bei der Reaktion feinste Flüssigkeitsteilchen, welche Uran-
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partikel mitreissen. In einer Vorrichtung nach der Erfindung gemäss Fig. 3 mit Spaltbreiten von C. 5 mm und einem Drucksprung von 200 bis 250 mm WS kann das Abgas bis unter 0, 5. 10-11 Mikrocurïelcm3 gereinigt werden. Vor dem Abscheider ist eine Druckluftzerstäubungsdüse eingebaut, durch die Wasser eingedüst werden kann. Die abgeschiedenen uranhaltigen Gasbestandteile befinden sich als Kondensat in der Vorrichtung. Die Menge liegt unter 11 pro 1000 m3 Gas.
Es ist einfach, dieses Kondensat aus dem Filter auszuspülen und mit der Hauptmenge des Urans zu vereinigen.
Der Vorteil der neuen Vorrichtungen beschränkt sich nicht auf die höhere Abscheidungsleistung, sondem besteht auch in der leichten, restlosen Rückgewinnung des abgeschiedenen Stoffes. Bei einer Gaswäsche mit Flüssigkeitskreislauf müsste neben dem Filter die Pumpe und der gesamte Flüssigkeitskreislauf nach jeder Charge gereinigt werden, um die staubförmigen Bestandteile mit der Hauptmenge des Urans wieder zu vereinigen.
Beispiel 2 : Abfälle einer Legierung von hochangereichertem Uran und Aluminium werden zur Aufarbeitung in Natronlauge gelöst. Der entweichende Wasserstoff wird zur Rückgewinnung des mitgeris- senen Urans in einem Filter nach der Erfindung gemäss Fig. l gereinigt. Die Radioaktivität der Abgase beträgt unter 0, 5. 10-11 Mikrocurie/cm3.
Beispiel 3 : In einer Schleifmaschine wird pyrophores Urankarbid unter starker Bespülung mit Öl bearbeitet. Aus der abgedeckten Maschine werden etwa 3 m/min Schleifnebel abgesaugt. Bisher wurden diese Abgase durch Hintereinanderschalten von grob-, fein-und feinstporigen Schichtfiltern gereinigt. Da eine ubliche Ölabscheidung unzureichend ist, verschmierte das Schichtfilter nach kurzer Zeit. Mit der Vorrichtung nach der Erfindung kann bei einem Drucksprung von 250 mm WS und bei einer Schlitzbreite unter 1, 2 mm ein Abgas mit unter 7. 10-11 Mikrocuriefcms erreicht werden. Aus der Vorrichtung fliesst ein durch Uranteilchen schwarz gefärbtes Öl ab. Eine Verstopfung tritt nicht ein.
Eine Nachreinigung in feinstporigen Schichtfiltern ist im Anschluss an die neue Vorrichtung möglich, da das Gas praktisch ölfrei ist.
Beispiel 4 : Abgase einer Schwefelsäureanlage werden in parallelen Versuchsfiltern gereinigt. Ein Filter enthält ein zylinderförmiges Filterelement nach der Erfindung ähnlich Fig. l mit Schlitzen von 0, 6 mm. Ein zweites Filter enthält eine Gasfilterkerze mit einer Wandstärke von 10 mm und einer mittleren Porengrösse unter 0, 1 mm. Die Filterkerze verstopft sich nach einer Woche und lässt kaum noch Gas durchtreten. Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ändert sich während des Betriebes weder die Gasmenge noch der Gaswiderstand. Bei einem Drucksprung von 150 mm WS beträgt der Säuregehalt als SO hinter der Filterkerze 1, 28 g/m3, hinter der neuen Vorrichtung hingegen nur 0,66 g/ms.
In einer andern Schwefelsäureanlage wurden mit einem Abscheider mit Schlitzen nach Fig. 5 25000 m3/h Abgase auf unter 0,09 g SO/m gereinigt. Die Abgase waren praktisch unsichtbar. Der Energieaufwand des Gebläses zur Erzeugung des Drucksprunges lag bei 15 kW.
Beispiel 5: Die sauren Abgase eines Beizereibetriebes werden durch einen Waschturm geleitet.
Die Wirkung des Turmes ist ungenügend, und die Endgase enthalten noch unzulässig grosse Mengen an Säure. Durch Zusatz von kleinen Mengen gasförmigem NH3 vor dem Waschturm gelingt es zwar, die Gase zu neutralisieren, die Abgase des Waschturmes enthalten jedoch einen weithin sichtbaren weissen Nebel.
Mit der Vorrichtung nach der Erfindung gelingt es, mit einem Druckaufwand unter 400 mm WS die Nebel praktisch restlos zu beseitigen. Auch bei einer Schlitzbreite bis hinauf zu 3 mm wird ein nur wenig sicht bares, d. h. nahezu nebelfreies Endgas, erreicht.
Beispiel 6 : In einer Abfallschmelze wird aluminiumhaltiges Leichtmetall in Drehrohröfen mit Gasfeuerung eingeschmolzen. Das flüssige Metall ist durch eine Salzschmelze abgedeckt. Die Abgase, die neben sauren Dämpfen auch Salzteilchen enthalten, werden in einem Waschturm gekühlt. Aus diesem Turm entweicht ein dicker Nebel, der die Umgebung belästigt. Versuche mit verschiedenen bekannten mechanischen Abscheidern führten auch bei einem Druckaufwand bis zu 800 mm WS zu keinem Erfolg, weil ein hoher Anteil der Nebelteilchen einen Durchmesser von unter 10-4 cm hat. Ein Elektrofilter wäre wegen des Korrosionsproblems extrem teuer. Mit einer Vorrichtung nach der Erfindung mit Bauelementen aus Polyäthylen gelingt es, schon bei einem Drucksprung unter 300 mm WS und einer Schlitzbreite von 0, 5 mm den Nebel praktisch vollkommen niederzuschlagen.
Wenn mit den Metallabfällen Öle und andere organische Stoffe in die Drehrohröfen gelangen, entstehen Nebel, die ein teerartiges, zähes Kondensat ergeben. Eine Verstopfung der Schleuderschlitzeder neuen Vorrichtung kann dadurch vermieden werden, dass vor den Filterelementen in das Gas mit einem Druckluftzerstäuber Wasser eingesprüht wird, welches ein geeignetes Netzmittel (z. B. ein sulfoniertes Öl) zur Reinigung von ölhaltigen Verschmutzungen enthält. Durch säurebeständige Netzmittel entsteht auf den Polyäthylenoberflächen, welche, die Schlitze bilden, ein zusammenhängender Flüssigkeitsfilm, welcher
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die Abscheidung der Nebel verbessert und ein Festkleben von Verunreinigungen auf dem Kunststoff verhindert.
Wenn es durch ungenügende Wassereinspritzung zu Verstopfungen von Schlitzen mit teerartigen Stoffen kommt, so kann diese Verstopfung während des Betriebes durch kurzes Einspritzen von Lösungsmitteln, wie z. B. Leichtöl, rasch beseitigt werden.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes an der Umlenkstelle kann derart auf die Schlitzkrümmung abgestimmt sein, dass die Zentrifugalbeschleunigung an der Umlenkstelle mindestens aas 6000fache, vorzugsweise zwischen dem 9000fachen und dem 110 000fachen der Erdbeschleunigung beträgt.
PATENT ANSPRÜCHE :
EMI5.1
bestehen und deren durch die Distanzstücke freigehaltene Schlitze im Axialschnitt eine derartige Richtungsänderung aufweisen, dass kein Durchtritt des Gasstromes durch den Schlitz auf einem geradlinigen Stromfaden möglich ist.