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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abscheidung fester und/oder flüssiger Partikel aus einem Fluidstrom unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft des in einem Abscheideraum eines Zyklons im Wirbel geführten Fluidstromes und zur Aufteilung des dem Abscheideraum zugeführten Fluidstromes in zumindest zwei Teilströme mit im Vergleich zum zugeführten Fluidstrom verringer- tem Partikelgehalt, wobei die Aufteilung in die Teilströme erfolgt, bevor die Teilströme den Ab- scheideraum verlassen und diese Aufteilung, relativ zum Wirbelzentrum gesehen, in zumindest einen inneren und zumindest einen äusseren Teilstrom erfolgt und der Reinheitsgrad für jeden inneren Teilstrom höher ist als für jeden äusseren Teilstrom. Weiters bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
In verfahrenstechnischen und energetischen Anlagen liegt oft die Aufgabe vor, aus einem aus einer Anlage abgezogenen Fluidstrom, z. B. einem Abgasstrom (Rohgasstrom), feste und/oder flüssige Partikel abzuscheiden und den erhaltenen gereinigten Fluidstrom in zumindest zwei Teil- ströme, z. B. Reingasströme, aufzuteilen. Hierzu ist es bekannt, Zyklone einzusetzen, welche den gesamten Rohfluidstrom von festen oder flüssigen Partikeln befreien. Hinter dem Zyklon (gesehen in Strömungsrichtung des Fluids) bzw. hinter einer Zyklonbatterie wird der erhaltene Reinfluidstrom aufgeteilt. Dies hat jedoch einige Nachteile.
Zunächst richtet sich die geforderte Abscheideleistung nach der Teilmenge mit dem höchsten Erfordernis an Reinheit und dementsprechend hoch sind die Investitionskosten (zumeist ist eine Vielzahl von kleinen Zyklonen mit der geforderten hohen Ab- scheideleistung erforderlich) und die Betriebskosten, da die hohe Abscheideleistung hohe Eintritts- geschwindigkeiten und damit hohe Druckverluste bedingt. Weiters kann es an der Abzweigungs- stelle zu einer Ungleichverteilung der im erhaltenen Reinfluidstrom enthaltenen Restverunreinigun- gen kommen, wodurch die Abscheideleistung der Zyklone teilweise zunichte gemacht wird.
Für einen Nasszyklon ist es auch bekannt (US 2,756,878 A), im eingangs erwähnten Sinn vor- zugehen. Dies gibt Schwierigkeiten bei solchen Anwendungsgebieten, bei denen es auf eine Rezirkulation ankommt. Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, diese Schwierigkeiten zu vermeiden und das erfindungsgemässe Verfahren besteht, ausgehend von dem eingangs erwähnten Stand der Technik, darin, dass der Fluidstrom ein Rohgasstrom ist und zumindest ein innerer Teilstrom einer dem Zyklon nachgeschalteten Anlagenkomponente mit hohem Reinheitserfordernis zugeführt wird, wogegen zumindest ein äusserer Teilstrom einer dem Zyklon nachgeschalteten Anlagenkomponen- te mit niedrigerem Reinheitserfordernis zugeführt wird, wobei der Teilstrom mit niedrigerem Rein- heitsgrad einem Rezirkulationskreis der nachgeschalteten Anlagenkomponente zugeführt wird, z.B.
einer Verbrennungsanlage oder einer Trocknungsanlage. Auf diese Weise können die erwähnten Probleme vermieden werden, z. B. bei Trocknungsanlagen, bei welchen ein Teil des erhaltenen Reingasstromes abgezweigt und dem Trockner wieder zugeführt wird, wogegen der verbleibende Teil des Reingasstromes direkt oder nach einer weiteren verfahrenstechnischen Aufbereitung an die Umgebung abgegeben wird. Für den rückgeführten Teilstrom liegt somit eine Rezirkulierung vor, die zumeist zum Zweck erfolgt, die Eintrittstemperatur in den Trockner herabzusetzen.
Ein anderes Beispiel ist eine Verbrennungsanlage, z. B. für feste Biomasse, bei welcher ein Teil des Reingasstromes abgezweigt und in die Verbrennungskammer wieder rezirkuliert wird. Der verbleibende Teilstrom wird direkt oder nach einer weiteren Reinigung über einen Saugzug und einen Kamin an die Umgebung abgegeben. Hier erfolgt das Rezirkulieren zum Zweck, zu hohe Verbrennungstemperaturen und damit eine Ascheerweichung und eine Verschlackung zu vermei- den, aber auch, um die thermische Bildung von Stickoxyden zu verringern.
Die abzuscheidenden Partikel können fest (Schwebepartikel) sein, oder flüssig oder eine Mi- schung davon.
Zum Unterschied von den zuvor geschilderten bekannten Anlagen erfolgt erfindungsgemäss die Aufteilung in Detailströme schon bevor die Teilströme den Abscheideraum verlassen. Während bei der bekannten Vorgangsweise die Aufteilung des gereinigten Fluidstromes in die Teilströme erst erfolgt, wenn der gereinigte Fluidstrom den Abscheideraum bereits verlassen hat, ist beim erfin- dungsgemässen Verfahren diese Aufteilung schon in bzw. an den Abscheideraum verlegt. Dadurch lässt sich mit geringerem Aufwand zugleich eine Senkung der Betriebskosten erzielen. Weiters wird die Gefahr einer Ungleichverteilung der Restverunreinigungen beseitigt, da für die aus dem Abscheideraum abströmenden Teilströme eindeutig definierte Verhältnisse bezüglich der Restver- unreinigungen vorliegen.
Hierbei macht die Erfindung Gebrauch vom im Zyklon auftretenden technischen Effekt, dass im Wirbel die inneren Strömungsteile reiner sind als die äusseren Strö-
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mungsteile, sodass also der Reinheitsgrad für jeden inneren Teilstrom höher ist als für jeden äusseren Teilstrom. Wie erwähnt, ist dies von Bedeutung, wenn es darauf ankommt, nachgeschal- tete Anlagen mit Strömen unterschiedlicher Reinheit zu versorgen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geht aus von einer Konstruktion mit einem Gehäuse des Zyklons, das einen Abscheideraum für die Partikel enthält, dem über zumindest eine Eintrittsöffnung das die Partikel mitführende Fluid zuge- führt wird, und mit einer Einrichtung, die einen Wirbel dieses Fluids im Abscheideraum erzeugt, wobei der Abscheideraum mindestens zwei an Kanäle für Teilströme anschliessbare Austrittsöff- nungen aufweist, von welchen um zumindest eine innere Austrittsöffnung zumindest eine äussere Austrittsöffnung, vorzugsweise konzentrisch, angeordnet ist, und wobei ein an eine innere Aus- trittsöffnung angeschlossener Kanal einen Teilstrom führt, dessen Reinheitsgrad grösser ist als der Reinheitsgrad des Teilstromes, der in einem Kanal strömt,
der an eine äussere Austrittsöffnung angeschlossen ist. Ausgehend hievon besteht das Wesen der erfindungsgemässen Vorrichtung darin, dass an die Eintrittsöffnung ein einen Rohgasstrom führender Kanal angeschlossen ist und dass der Kanal, welcher einen Gasteilstrom mit niedrigerem Reinheitsgrad führt, an einen Rezirku- lationskreis einer nachgeschalteten Anlagenkomponente anschliessbar ist.
Es ist zwar auch bekannt (US 4,011,068 A), einen aussen über einen Kanal zugeführten, pulve- risiertes Brennmaterial führenden Gasstrom durch einen aus hitzebeständigem Material bestehen- den Baukörper in zwei Teilströme aufzuspalten. Der mittels einer Wirbelung im Kanal erzeugte, eine grössere Beladung aufweisende äussere Teilstrom wird zusammen mit über eine Zufuhrleitung zugeführter Sekundärluft in eine Brennkammer eingeführt. Der innere, eine verringerte Brennstoff- teilchenbeladung aufweisende Teilstrom wird über einen mittigen Kanal abgeführt. Hier handelt es sich somit nicht um die Abscheidung von Partikeln aus einem Fluidstrom, so dass diese Bauweise die eingangs erwähnten Probleme nicht lösen kann.
Zwar ist es aus derselben Literaturstelle auch bekannt, eine Abscheidung von Partikeln aus einem über einen Einlasskanal zugeführten Flu- idstrom durchzuführen, jedoch wird der aus dem Wirbel in einem kegelförmigen Gehäuse erzeugte äussere Teilstrom über einen Kanal abgeführt, der innere Teilstrom über einen weiteren Kanal, welcher zurück in den Einlasskanal führt. Hier wird also im Gegensatz zur Erfindung vorgegangen, nämlich es wird der einen höheren Reinheitsgrad aufweisende Teilstrom wieder zurück in den Einlasskanal geführt.
Die erfindungsgemässe Bauweise hat gegenüber der eingangs erwähnten Bauweise den Vorteil wesentlich geringerer Investitionskosten und Betriebskosten und es wird sichergestellt, dass die Verteilung der Restverunreinigungen dem zuvor bestimmten definierten Verhältnis entspricht.
Weitere Kennzeichen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschrei- bung von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind. Fig. 1 zeigt axonometrisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung. Fig. 2 zeigt eine Variante eines Details der Fig. 1. Fig. 3 zeigt in Draufsicht eine weitere Ausführungsvariante.
Die Fig. 4 und 5 zeigen im Vertikalschnitt jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel. Fig. 6 zeigt einen Horizontalschnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 1. Die Fig. 7 zeigt eine Draufsicht zu Fig.1. Fig.8 zeigt eine Ausführungsvariante zu Fig. 6. Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsvariante im Vertikalschnitt, teilweise in Ansicht. Fig.10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel im Vertikalschnitt und Fig.11 zeigt im Vertikalschnitt eine Variante eines Konstruktionsdetails.
Die Ausführungsform nach Fig.1hat ein Gehäuse 1, das einen Abscheideraum 2 begrenzt, der oben durch eine flache, scheibenförmige Deckwand 3, und seitlich durch eine zylindrische Wand 4 und eine daran unten anschliessende konische Wand 5 begrenzt ist. Das zu reinigende Fluid, zumeist ein Rohgasstrom, wird in Richtung des Pfeiles 6 durch einen Eintrittskanal 7 zugeführt, der tangential an das obere Ende des Abscheideraumes 2 derart angeschlossen ist, dass die Deck- wand 8 des Eintrittskanales 7 mit der Deckwand 3 des Abscheideraumes 2 fluchtet.
Die tangentiale Einführung des Rohgasstromes in den Abscheideraum 2 bewirkt, dass sich im Abscheideraum 2 ein Wirbel 9 um die vertikale Achse 10 des rotationssymmetrischen Abscheideraumes 2 ausbildet, der die Abscheidung der vom zugeführten Fluidstrom mitgeführten festen und/oder flüssigen Ver- unreinigungen durch Zentrifugalwirkung bewirkt. Dabei übertrifft die Zentrifugalbeschleunigung für übliche Ausführungen die Erdbeschleunigung um ein Vielfaches, sogar bis zum 10. 000-fachen. Die abgeschiedenen Partikel werden durch eine am unteren Ende des Abscheideraumes 2 befindliche Austragsöffnung 11 abgeführt. Im Bereich der Achse 10 oder in deren Nähe und somit im Bereich
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des Zentrums des Wirbels 9 sind zumindest zwei Austrittsöffnungen 12,13 vorgesehen, die im wesentlichen konzentrisch zur Achse 10 angeordnet sind.
Diese Austrittsöffnungen 12,13 führen zu Kanälen 14,15, durch welche die in die Austrittsöffnungen 12,13 eintretenden Reingasströme in Richtung der Pfeile 16 bzw. 17 abgeführt werden. Da die Zentrifugalbeschleunigung im Bereich der inneren Austrittsöffnung 12 einen höheren Wert aufweist als weiter aussen, ergibt sich für den in Richtung des Pfeiles 16 im an diese Austrittsöffnung 12 angeschlossenen Kanal 14 eine höhere Reinheit des abgesaugten Fluidstromes als für den im Kanal 15 strömenden Fluidstrom. Im Falle einer Staubabscheidung aus dem zugeführten Fluid führt somit der Kanal 14 einen wirksamer entstaubten Reingasstrom als der Kanal 15. In der Regel wird durch die äussere Austrittsöffnung 13 ein im geringeren Ausmass gereinigter Fluidstrom abgeführt, welcher durch Rezirkulierung wieder ausgenützt wird, also etwa wieder einer Verbrennungsanlage, z.
B. für feste Biomasse, wieder zugeführt wird, oder einer Trocknungsanlage. Jener Reingasstrom, welcher durch die innere Aus- trittsöffnung 12 in den Kanal 14 gelangt, kann hingegen, da er eine hohe Reinheit aufweist, durch einen Kamin als Abgas abgeführt, gegebenenfalls abgesaugt werden.
Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, sind die Austrittsöffnungen 12,13 an den unteren Enden von nach unten in den Abscheideraum 2 ragenden Tauchrohren 18 bzw. 19 vorgesehen, wobei das innere Tauchrohr 18 vorzugsweise tiefer in den Abscheideraum 2 ragt als das äussere Tauchrohr 19.
Diese Tauchrohre 18,19 münden in Sammelräume 20 bzw. 21, die zweckmässig so ausgebildet sind, dass sich in ihnen eine spiralförmige Führung für die Fluidströme ergibt, so dass diese Teil- ströme ausserhalb des Zentrums des betreffenden Sammelraumes 20 bzw. 21 in den zugehörigen Kanal 14 bzw. 15 eintreten (Fig. 3,7). Eine hiefür geeignete Anordnung der Sammelräume besteht darin, dass die Kanäle 14 bzw. 15, wie Fig.3 zeigt, annähernd tangential an den betreffenden Sammelraum 20 bzw. 21 angeschlossen sind. Sie können, wie Fig. 3 zeigt, nach verschiedenen Richtungen weisen, da man hinsichtlich dieser Richtungen bei der erfindungsgemässen Konstrukti- on völlig frei ist.
Es ist aus konstruktiven und wärmetechnischen Gründen jedoch häufig zweckmä- #ig, die beiden Kanäle 14,15 in derselben Richtung von den zugehörigen Sammelräumen 20,21 abzuführen, wie dies Fig. 1 zeigt. Dies ergibt die Möglichkeit, die Deckwand des Kanales 15 von der Bodenwand des Kanales 14 zu bilden.
Wie Fig. 1 zeigt, können die Kanäle 14,15 ebenso wie der Eintrittskanal 7 mit Rechteckquer- schnitt ausgebildet sein, was die Ausbildung komplizierter Verschneidungsstellen an den An- schlussstellen vermeidet.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante hat der Eintrittskanal 7 an der Übergangs- stelle in den Abscheideraum 2 einen nach oben ragenden Wandabschnitt 22, zwischen dessen oberem Rand 23 und der Deckwand 8 sich eine verengte Öffnung 24 bildet. Dies hat zur Folge, dass sich zusätzlich zum Primärwirbel 9 im Abscheideraum 2 im Bereich der Öffnung 24 ein zu- sätzlicher Sekundärwirbel 25 bildet, was die Durchwirbelung des zugeführten Fluidstromes und damit die Abscheidewirkung vergrössert.
Die Fig.4 zeigt eine Variante der Ausbildung der Austrittsöffnungen 12,13, bei welcher nur die innere Austrittsöffnung 12 von einem Tauchrohr 18 gebildet ist, dessen Unterkante mit der Deck- wand 8 des Abscheideraumes 2 bündig liegen kann, gegebenenfalls jedoch auch in den Abschei- deraum 2 hineinragen kann. Die äussere Austrittsöffnung 13 hingegen ist von einer scharfkantigen oder gerundeten Blende 26 begrenzt, die im wesentlichen bündig mit der Deckwand 8 liegt. Die Öffnung 27 des Eintrittskanales 7 in den Abscheideraum 2 liegt tiefer als die Deckwand 8. Diese Anordnung hat den Effekt, dass sich im Abscheideraum 2 nicht nur ein Primärwirbel 9 ausbildet, sondern auch zwei gegenläufige Sekundärwirbel 28,29.
Der untere Sekundärwirbel 29 transportiert die aus dem Fluid abgeschiedenen Partikel zur Austragsöffnung 11, wogegen der obere Sekun- därwirbel 28 den zirkulierenden Rohgasstrom anhebt und ihn entlang des oberen Abschnittes des Abscheideraumes 2, also im Bereich dessen Deckwand 8 zentripedal in die Nähe der äusseren Austrittsöffnung 13 führt. Zwar ist dieser Rohgasstrom noch mit mitgeführten Partikeln beladen, eine Absaugung dieses, gleichsam einen Fehlstrom bildenden Rohgasstromesteiles durch die äussere Austrittsöffnung 13 hindurch führt jedoch dazu, dass dieser Fehlstromanteil von der inneren Absaugeöffnung 12 ferngehalten wird, so dass besonders hohe Abscheidegrade für den durch die innere Austrittsöffnung 12 in den Kanal 14 gelangenden Teilstrom erreicht werden.
Der in Bezug auf die plattenförmige Deckwand 8 abgesenkte Anschluss des Eintrittskanales 7 an den Abschei- deraum 2 ergibt den Vorteil, dass sich eine Zyklonüberhöhung 30 ergibt, was gleichfalls Vorteile in
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Bezug auf den Abscheideeffekt ergibt.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsvariante sind sowohl die äussere Austrittsöffnung 13 als auch die innere Austrittsöffnung 12 von scharfkantigen oder gerundeten Blenden 26 bzw. 31 begrenzt. Bei dieser Ausbildung hat die Formgebung des äusseren Sammelraumes 21, in welchem sich die Austrittsspirale für den im Kanal 15 abgeführten Fluidanteil bildet, eine besondere Bedeu- tung, da dieser Sammelraum 21, aus der Sicht des inneren Sammelraumes 20 gesehen, einen zusätzlichen Abscheideraum 32 bildet.
Während die Fig. 3,6 und 7 zeigen, dass der Eintrittskanal 7 exakt tangential an das Gehäuse 1 des Abscheideraumes 2 angeschlossen sein kann, zeigt Fig. 8 eine Ausführungsvariante hiezu: Hiebei ist der Eintrittskanal 7 so an das Gehäuse 1 angeschlossen, dass der Übergangsabschnitt der Aussenwand 33 spiralförmig verläuft, so dass sich für den im Abscheideraum 2 zirkulierenden Fluidstrom eine Eintrittsspirale ergibt. In Fig. 8 ist die Aussenwand 33 angenähert durch einen Kreis- bogen dargestellt, dessen Radius jedoch grösser ist als der Radius des restlichen Teiles der zylind- rischen Wand 4 und dessen Mittelpunkt exzentrisch liegt zur Achse 10.
Fig.9 zeigt eine weitere Variante für den Eintritt des Rohfluidstromes in den Abscheideraum 2.
Hiebei geht die Aussenwand 33 des Eintrittskanales 7 zwar tangential in den von der zylindrischen Wand 4 begrenzten Abschnitt des Abscheideraumes 2 über, die Deckwand 3 des Abscheiderau- mes 2 ist jedoch als Wendelfläche ausgebildet. Zwar ist diese Bauweise schwieriger herzustellen, bringt jedoch Vorteile in Bezug auf die wirbeiförmige Einführung des Rohfluids in den Abscheide- raum 2.
Bei der Ausführungsvariante nach Fig.10 erfolgt die Zuströmung des Rohfluids vom Eintrittska- nal 7 in Richtung der Achse 10 des Gehäuses 1 über einen Eintrittsdrallapparat 34, der von in der Öffnung 24 angeordneten Schrägflächen 35 gebildet sein kann. Diese Schrägflächen 35 bewirken bereits eine wirbeiförmige Einleitung des zugeführten Rohfluids in den Abscheideraum 2, was durch einen Pfeil 43 angedeutet ist. Diese Bauweise ermöglicht es, mehrere nebeneinander ange- ordnete Gehäuse 1 zu einer Zyklon batterie zu vereinigen, wobei der durch den Eintrittskanal 7 zugeführte Rohfluidstrom zunächst in einen Verteilerkanal 36 gelangt, von welchem die einzelnen Anteile des Rohfluidstromes auf die einzelnen, von den Abscheideräumen 2 der nebeneinander angeordneten Gehäuse 1 gebildeten Zyklonzellen aufgeteilt werden.
In analoger Weise sind die Tauchrohre 18,19, welche mit ihren unteren Enden die Austrittsöffnungen 12 bzw. 13 begrenzen, an Sammelkanäle 37 bzw. 38 angeschlossen, die zu den Kanälen 14,15 für die Reinfluidströme führen. Eine zweckmässige Bauweise liegt darin, die Bodenwand des oberen Sammelkanales 37 von der Deckwand des unteren Sammelkanales 38 zu bilden, also eine gemeinsame Wand vorzu- sehen.
Zweckmässig ist die Zyklonbatterie von einem gemeinsamen Aussengehäuse 39 umschlossen, das mit seinem konisch zulaufenden unteren Endabschnitt 40 einen Sammelraum für die abge- schiedenen Partikel bildet. Von den einzelnen Zyklonen der Zyklonbatterie ist in Fig.10 der Ein- fachheit halber nur ein einziger, vom Gehäuse 1 begrenzter Zyklon dargestellt.
Bei der Ausführungsvariante nach Fig.11 sind die Tauchrohre 18,19, welche die Austrittsöff- nungen 12 bzw. 13 begrenzen, nicht mehr zylindrisch ausgebildet, wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen, sondern konisch nach unten zulaufend. Dadurch wirkt der vom inneren Tauchrohr 18 begrenzte Reinfluidkanal 41 als ein Diffusor mit Kreisquerschnitt, wodurch ein Teil der Strömungsenergie zurückgewonnen wird bzw. ein geringer Druckverlust entsteht. Noch wirk- samer bezüglich des Druckrückgewinns ist der vom äusseren Tauchrohr 19 begrenzte Reinfluidka- nal 42, der ebenfalls als Diffusor, jedoch mit Kreisringquerschnitt, wirkt.
Diese erhöhte Wirksamkeit ist darauf zurückzuführen, dass sich in Richtung vom Abscheideraum 2 weg nicht nur der Quer- schnitt des Reinfluidkanals 42 vergrössert, sondern auch dessen radiale Entfernung von der Achse 10 des Zyklons, wodurch der Drall verzögert und in Druckenergie umgewandelt wird.
Bei allen Ausführungsformen mit Ausnahme jener nach Fig.9 kann die Deckwand 8 auch flach konisch mit nach aussen gerichteter Spitze ausgebildet werden oder nach aussen bombiert. Eine flachkonische Ausbildung eignet sich insbesondere bei thermischer Beanspruchung, eine bombier- te Ausbildung bei starker Beanspruchung durch Innendruck. Diese bombierte Ausbildung kann bis zur Halbkugelform führen.