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Zweistufiger Fliehkraft-Staubabscheider mit vorwiegend in der Achsrichtung
fortschreitender Rotationsströmung Zum Entfernen fester Verbrennungsrückstände aus
Gasen, hauptsächlich zum Abscheiden von Flugasche aus den Abgasen von Kohlenstaubfeuerungen,
finden überwiegend Flielikraft-Staubabscheider Verwendung. In diesen Abscheidern
wird dem die Flugasche tragenden Gasstrom ein Drall erteilt. Die Asoheteilchen werden
durch die Fliehkraft ,aasgeschleudert und reichern sich in den äußeren Randschichten
des Wirbelstromes an, die von der Rotationsachse den größten Abstand haben und demzufolge
die geringste Umfangsgeschwindigkeit aufweisen. Dort werden die Ascheteilchen durch
die Wandreibung abgebremst; sie folgen dann der Schwerkraft und werden durch eine
oder mehrere im Boden des Abscheiders vorgesehene Öffnungen abgeführt. Die Gasschichten
in der Nähe des Wirbelkernes mit der größten Umfangsgeschwindigkeit werden auf diese
Weise wirksam entstaubt und verlassen den Abscheider mit noch starkem Drall durch
eine zentral im Deckel der Schleuderkammer angeordnete Abströmöffnung.
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Bei üblichen Bauarten solcher Abs.cheider dient als Schleuderkammer
ein zylindrisches Wirbelrohr mit einem axialen Einströmleitwerk etwa gleich großen
Außendurchmessers. Es ist auch eine abgewandelte Ausführungsform bekannt, bei der
das Wirbelrohr einen wesentlich größeren Durchmesser hat als der I:inlaßstutzen
und das den Drall erzeugende Eintrittsleitwerk, welches den Staubgasstrom zugleich
radial nach außen lenkt. Dabei ist koaxial im Wirbelrohr ein walzenartiger Kernkörper
angeordnet, so daß die Schleuderkammer die Form eines zylindrischen Ringraumes aufweist.
Das an die Wirbelrohrwand geschleuderte Staubgut fällt infolge der Schwerkraft nach
unten in einen Sammeltrichter, aus dem es dann entnommen werden kann. Der auf eine
solche Weise nur mäßig entstaubte Gasstrom wird am Ausströmende des Ringraumes durch
einen spiegelbildlich zu der Eintrittsleitvorrichtung angeordneten Leibapparat wieder
radial nach innen gelenkt, gleichzeitig entdrallt und in axialer Richtung aus dem
Abscheider abgeleitet.
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Bei den Vorrichtungen mit einer derartigen Arbeitsweise ist die Abscheideleistung
eingeschränkt durch die Notwendigkeit, für den Austrag und Abtransport der durch
die Wandreibung gebremsten Staubteilchen die Schwerkraft heranzuziehen. Aus diesem
Grunde sind Fliehkraft-Staubabscheider entwickelt worden, bei denen in der Wand
des von dem rotierenden; Staubgasstrom in der Längsrichtung durchströmten Wirbelrohres
Auffangvorrichtungen angebracht sind, durch die das in der davorliegenden Abscheidezone
aaszentrifugierte und an der Wand entlangwandernde Staubgut gestaut und nach außen
abgeführt wird. Hierbei sowie bei den sonst für den gleichen Zweck noch bekannten
Ringspalten, Abschälschlitzen und dergleichen Wandöffnungen wird zum Trennen des
Staubmantels von dem Gasstrom die Schwerkraft nicht mehr benötigt. Die Gefahr des
Wiederaufwirbelns bereits abgeschiedenen Staubes durch die Strömung ist vermindert.
Darüber hinaus sind Vorrichtungen bekannt, bei denen durch Hintereinanderschaltung
mehrerer derartiger Abscheidestrecken mit stetig oder stufenweise verringertem Durchmesser
oder durch Kombination einer derartigen Abscheidestrecke mit einem im ersten Absatz
beschriebenen Fliehkraftabscheider eine weitere Verbesserung des Staubabscheidegrades
angestrebt wird.
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Voraussetzung für die gute Wirkung eines Fliehkraft-Staubabscheiders
mit in der Wand des Wirbelrohres angebrachten Staubauffangvorrichtungen und Austragöffnungen
ist neben genügend starkem Drall eine hinreichend hohe Axialkomponente der Staubgasströmung
in der Abscheidezone. Die kinetische Energie der Strömung ist aus diesem Grunde
hoch und bedingt große Druckverluste im Wirbelraum selbst sowie auch im Auslaß des
Abseheiders. Man hat deshalb in oder hinter dem -Auslaß Leitvorrichtungen vorgesehen,
welche die kinetische Energie des abströmenden Reingasstromes, insbesondere seine
Drallenergie, wieder in Druck umsetzen.
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Aber auch bei den zuletzt beschriebenen Ausführungsformen besteht
keine Gewähr, daß sämtliche Staubteilchen der Fraktionen mit über Grenzkorngröße
innerhalb der Abscheidestrecke die Wand erreichen. Ein solches Staubteilchen mit
der Masse m unterliegt auf seinem Wege durch die Absgheidestrecke der Zentrifugalkraft-,
die sich aus der Drallströmung des tragenden Gasstromes ergibt. Nimmt
man
für die Drallströmung das Bewegungsgesetz des Potentialwirbels c" - r=K an, worin
K die Drallkonstante, r der Abstand eines Massenelementes von der Wirbelachse und
c" die Umfangsgesch`vindigkeit des Gasstromes beim Radius r ist, und setzt man voraus,
daß die Umfangsgeschwindigkeiten des Gasstromes und der Staubteilchen gleich sind,
so ist die auf das Staubteilchen wirkende Fliehkraft
Unter dem Einfluß dieser Massenkraft bewegt sich das Teilchen auf einer gekrümmten
Bahn von der Wirbelachse weg nach außen; es erhält also eine radiale Relativgeschwindigkeit
c,., gegenüber dem Gasstrom, der eine axiale, eine tangentiale und. bei Kontraktion
des Umfanges auf einen kleineren Ausströmquerschnitt noch eine zentripetale Geschwindigkeitskomponente
aufweist. Der Gasstrom übt aus diesem Grunde auch eine radial nach innen gerichtete
Schleppkraft S,. auf das Teilchen aus, welche der Geschwindigkeit c,.d angenähert
proportional ist. Im Gleichgewichtsfall F= ST ist die Bahnkurve des Teilchens eine
zylindrische Wendel mit konstantem Radius; d. h., das Teilchen behält - theoretisch
-seinen radialen Abstand von der Wirbelachse bei, wandert also weder nach außen
noch nach innen, solange die Gleichgewichtsbedingung F=S, nicht gestört ist. Bei
FAS,. ergibt sich somit für jedes der nach Größe, Kornform und Wichte unterschiedlichen
Teilchen eine andere Radialgeseh-vwindigkeit c,., mit der es sich innerhalb der
Abscheidestrecke radial zur Schleuderkammerwand hinbewegt, während es gleichzeitig
vom Gasstrom in as-ialer Richtung weitertransponiert wird. Die radiale Geschwindigkeit
verringert sich mit zunehmendem Abstand von der Längsachse der Schleuderkammer und
ist für feine und leichte Staubteilchen überhaupt nur klein. Solche kleinen bzw.
leichten Teilchen können deshalb aus dem Innern der Strömung heraus nur dann bis
an die Umfangswand gelangen, wenn ihre Verweilzeit in der Abscheidestrecke genügend
groß ist, d. h. wenn die Abscheidestrecke entsprechend lang ist oder mit sehr kleiner
A_xiälgeschwindigkeit durchströmt wird. Die von der zeitlichen Gasdurchsatzmenge
abhängige Axialgeschwindigkeit darf aber bei den üblichen axial durchströmten Wirblern
mit Auffangvorrichtungen und,/oder Austrittsöffnungen für den Staubmantel an der
Schleuderkammerwand nicht beliebig verringert werden, weil sonst der rasche und
vollständige Austrag des Staübigutes nicht gewährleistet ist. Deshalb haben bei
den erwähnten bekannten Fliehkraftabscheidern die Schleuderkammer und im Falle der
Durchinesserabstufung auch die einzelnen Abscheidestrecken eine rohrartig langgestreckte
Form.
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Gemäß der Erfindung wird nun eine von den bekannten Bauarten von Fliehkraft-Staubabscheidern
abweichende Ausführungsform "vorgeschlagen, durch die bei kurzer Baulänge und verhältnismäßig
geringem Druckverlust eine vollständige Abscheidüng des gesamten Staubes, der eine
bestimmte Grenzkorngröße überschreitet, gesichert ist. Es handelt sich hierbei um
einen zweistufigen Fliehkraft-Staubabscheider, insbesondere zum Abscheiden fester
Verbrennungsrückstände aus den Abgasen von Kohlenstauhfeuerungen, in i 't einer
n axialen Einströmringkanal und einem darin als Drallerzeuger für die vorwiegend
in der Achsrichturig fortschreitende Rotationsströmung angeordneten Eintrittsleitapparat.
Die Erfindung besteht darin, daß die Schleuderkammer zwei hintereinander angeordnete
scheibenförmige Abscheideräume aufweist, deren zweiter einen erheblich geringeren
Durchmesser hat als der erste, wobei ein flachkegelförmig ausgebildeter Zwischenboden
als übergang zwischen .den beiden Abscheiderstiifen vorgesehen ist und in den Mantelflächen
beider Abscheideräume Staubaustragschlitze angeordnet sind.
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Die -Zeichnung zeigt in Fig. 1 einen Längsschnitt durch. einen Fliehkraft-Staubabscheider
gemäß der Erfinung und in Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II durch den
vorderen Abscheideraum mit dem großen Durchmesser und einem sich außen anschließenden
Grobstaubsammelraum.
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An den Staubgaseinlaß 1 schließt sich ein etwa achsparallel in die
Schleuderkammer 3 mündender Einströmringkanal mit dem drallerzeugenden Eintrittsleitapparat
2 an. Das Staubgas strömt durch den Ringkanal und den Leitapparat 2 mit starkem
Drall in den ersten scheibenförmigen Abscheideraum 12 der Schleuderkammer, der in
der Längsrichtung einerseits durch eine Stirnwand 15 und andererseits durch einen
flachkegelförmig ausgebildeten Zwischenboden 14 begrenzt ist. Die Drällströmung
wird in diesem Raum 12 zwischen der Ausströmfläche des Leitapparates 2 und dem Zwischenboden
14 in radialer Richtung einwärts zur Mittelachse der Schleuderkammer 3 hin gelen1ct,
wobei sich die Umfangsschicht des Gaswirbels mit Staub anreichert. Grobe oder spezifisch
schwere F eststoffteilchen werden durch die Zentrifugalkraft nach außen geschleudert
und gelangen durch die Stauhausträgsschlitze 4 in der zylindrischen Mantelfläche
des Abscheideraumes 12 in den Grobstaubsammelraum 5, aus dem sie abgezogen werden.
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Die feineren bzw. leichteren Staubteilchen dagegen -,=erden durch
die zentripetale Schleppkraftkomponente des Gasstromes in Richtung auf die Schleuderkammerachse
mitgeführt. Da, wie eingangs erläutert ist, mit der Annäherung an die Wirbelachse
die Umfangsgeschwindigkeit c" zunimmt (c" - r=K), wächst auch die Fliehkraft,
so daß diese Teilchen schließlich in Ringzonen gelangen, in denen die ihrer Größe
und Masse entsprechende Gleichgewichtsbedingung F = S,. erfüllt ist. In diesen Zonen
folgen die Teilchen dem S tromfadenlauf der Gasströmung, durch die sie in den zweiten
scheibenförmigen Abscheideraum 13 getragen werden, der sich an den flachkegelförmigen
Zwischenboden 14 anschließt und einen erheblich geringeren Durchmesser hat als der
erste Abscheideraum 12. In dieser zweiten Abscheidestufe werden infolge der größeren
Umfangsgeschwindigkeit in Verbindung mit einer erneuten, nach innen zu der axialen
Ausströmöffnung 8 mit noch kleinerem Durchmesser gerichteten radialen Ablenkung
der Drallströmung auch die feineren und leichteren Teilchen abgeschieden und durch
die in der Mantelfläche dieses Abscheideraumes 13 vorgesehenen Austragsschlitze
6 in den Feinstaubsammelraüm 7 geschleudert.
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Staubteilchen, die auf dem Wege zum zweiten Abscheiderum 13 aus ihrer
Gleichgewichtszone nach innen heraustreten müssen, werden durch die dann die radiale
Schleppkraft S,. überwiegende Fliehkraft F immer wieder nach außen beschleunigt
und in ihre Gleichgewichtszone zurückgetrieben. Sie können nur auf die Weise in
den zweiten Abscheideraum vordringen, däß sie schließlich in die Grenzschicht längs
dem Zwischenboden 14 gelangen, wo ihre Umfangsgeschwindigkeit abgebremst wird. Am
Zwischenboden
werden sie dann durch die Schleppkraft des Gasstromes
nach innen bis zum Übergang in die zweite Stufe geschleift.
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Durch die zentrale Ausströmöffnung 8, deren Durchmesser noch kleiner
ist als der Außendurchmesser des zweiten Abscheideraumes 13, strömt das staubfreie
Gas in einen zum ersten Abscheideraum 12 spiegelbildlich gleichen Diffusor 9 und
weiter durch einen Austrittsleitapparat 10 zum Reingasauslaß 11. Das abströmende
Reingas wird nur noch allerfeinste Schwebteilchen mitführen, deren Gleichgewichtszonen
einen kleineren oder doch nicht wesentlich größeren radialen Abstand von der Schleuderkammerachse
haben .als der Umfangsrand der zentralen Ausströmöffnung 8 der Schleuderkammer.
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Im Diffuser 9 wird die Umfangsgeschwindigkeit zu einem großen Teil
wieder in Druck umgesetzt. Der Austrittsleitapparat 10, der dem Eintrittsleitwerk
2 spiegelbildlich gleicht, beseitigt in der bekannten Weise den restlichen Drall,
so daß das Reingas mit zur Längsachse parallel gerichteter Strömung den Ab->cheider
verläßt.