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Verfahren zur Naßentstaubung von Gasen Es ist bekannt, sehr feine
suspendierte Materie (Stäube, Nebel, Aerosole) aus Gasen in Kanälen wie Venturi-Scrubbern,abzuscbeiden.
Das wird desto schwerer, je-kleiner die auszuwaschenden Partikel sind. Das deutsche
Patent 970 433 beschreibt als Lösung einen Venturi-Scrubber, bei dem das Gas in
der Kehle des Venturiströmungskanales, d.h. in dessen engstem Querschnitt, mit der
höchsten Geschwindigkeit, die es erreicht, auf die in einer Querschnittsebene durch
mehrere getrennte Lochdüsen etwa quer zum Gasstrom eingedüste Waschflüsesigkeit
- meist Wasser ~ aufprallt. Dieses Wasser wird beim Aufprall des Gases nach der
Patentschrift zu feinen Tröpfchen zerschlagen, die die Auswaschung der Scwebstoffe
aus dem Gas bewirken. In einem nachgeschalteten Tropfenabscheider wird das mit den
Schwebstoffon beladeii Wasser
dann aus dem Gas abgetrennt und das
so naß entstaubte Gas verläßt die Waschanlage.
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Ferner gilt bisher als allgemein anerkannt, daß nur Tröfchen, die
kleiner als der 100 - 200-fache Durchmesser der auszuwaschenden Partik-el sind,
fur den Vorgang der Naßentstaubung von Gasen wirksam werden. Da Rauch, Nebel oder
Dunst eine große Zahl von Teilchen mit einem Durchmesser unter 1 /um aufweisen,
f-olgt daraus, daß zur Behandlung von Gasen, die mit derartigen Stoffen verunreinigt
sind, der Tröpfchendurchmesser der Waschflüssigkeit vorzugsweise weniger als 100
um betragen muß.
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Außerdem' ist allgemeiner Stand der Technik, daß zur naßmechanischen
Entfernung von Schwebstoffen aus Gasen die Relativ-Geschwindigkeit zwischen dem
Gas und den Waschflüss'igkeitstropfen so groß wie möglich sein soll. Diese Erkenntnisse
wurden bisher bei allen Schwebstoff-Naßentstaubern angewendet (vgl.
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VDI- Fortschrittsbericht Riehe 3, Heft 13, Hans Güntheroth: 1Schwebstoff-Naßabscheidung
aus Gasen mit dem Venturi-Scrubber'1, Seite 25, Absatz 2).
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Man strebte also eine N'aßentstaubung an unter Verwendung von Wassertröpfchen,
deren Durchmesser möglichst kleiner als 100 µm war und unter Anwendung möglichst
hoher Gasgeschwindigkeiten.
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Für die Feinsteinigung technischer Gase werden heute Reinheitsgrade
von 1 - 5 mg/Nm3, d.h. also faat um eine Zehnerpotenz
geringere
Werte verlangt als dies noch vor wenigen Jahren der Fall war.
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Die Gründe für diese wesentliche Verfeinerung kamen im wesentlichen
durch Impulse aus der chemischen Industrie, d.h. aus den verschiedenen Gassynthesen
mit Rticksicht auf die Wirkungsweise und Lebensdauer der Katalysatorent die höhere
Reinheitsgrade erfordern. In vielen Fällen war eine Xompression die erste Stufe,
wie z.B. bei den Spaltgasen, wodurch sich automatisch eine Anreicherung der Schwebstoffe
im Sffektiv-m3 ergab.
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Bei der Abgasreinigung handelte es sich ursprilaglich im wesentlichen
um die Staubabscheidung der relativ groben St,äube,-bis herab zu 10 - 5 micron,
während es gerade die feinsten Anteile von unter 1 /um sind, die mit den früheren
Anlagen meist nicht erfasst wurden, aber als industrielle Emissionen medizinisch
am gefährlichsten, andererseits infolge ihrer Schwebe fähigkeit sich am weitesten
ausbreiteten.
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Untersuchungen unter Verwendung eines mikrofeinen Testaerosoles und
unter Einsatz der Hochgeschwindigkeitsfilmtechnik mit Belichtungszeiten von 1 millionstel
Sekunde erbrachten den Beweist daß die Vorstellung der Wirksamkeit feiner Tröpfchen
bei der Schwebstoff-Naßentstaubung in Venturi-Scrubbern dieser Bauart mit Quereindtisung
irrig ist.
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Abweichend von dem Stand der Technik und die ihm zugrunde liegende
Tröpfohenvorstellung
beruht die neue Erfindung auf der Erkenntnis, daß die Erzeugung, Aufrechterhaltung
und Anwendung einer Wasserlamellen - Wasserfetzen- und Wasserblasenfilterschicht,
die sich in ständiger Bewegung und Veranderung befindet, für die Naßentstaubung
wesentlich wirksamer ist als der Einsatz von Mikrotröpfohen. Wie die Untersuchungen
weiter ergeben haben, sind die Voraussetzungen zum Entstehen einer solchen Filterschicht
andere als die zur bisherigen Naßentstaubung nach dem Stand der Technik -unter Einsatz
von Tröpfchen oder ähnlichen Gebilden.
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Diese Erkenntnis wird deutlich aus Figur 1. Sie zeigt das Ergebnis
von Entstaubungsversuchen, die an einem Venturi-Scrubber nach DP 970 433 mit einem
Mikrotestaerosol durchgeführt wurden.
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Das Waschwasser wurde in einer Querschnittsebene der Kehle durch mehrere
Lochdüsen quer zum Gasstrom eingespritzt. Dabei wurden, um eine einseitige Orientierung
zu vermeiden, die Lochdüsen nach Zahl und Durchmesser variiert. Figur 1 ist gültig
für,einen bestimmten Lochdurchmesser und eine bestimmte Lochzahl bei gegebenem Kehlendurohmesser.
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Außerdem wurde einerseits der Arbeitsaufwand zur Überwindung des Venturi-Differenzdruckes
und zur Wassereinspritzung als Bilanzkreis um die Scrubbereinheit schrittweise um
500 mkp/m3 erhöht (ausgezogene Kurven) und andererseits die Gasgeschwindigkeit in
der Venturikehle, zwischen 50 und 120 m/sec. in 5 gleiche Stufen unterteilt, angewendet
(gestrichelte Kurven). So haben die in
Fig. 1 angegebenen Größen
folgende Bedeutung: Tabelle I Gasgeschwindigkeit Arbeitsaufwand für die Naßentstauin
der Venturi-Kehle bung (zur Gas- und Wasserförderung) c1 = 51,44 m/sec. A1 = 500
mkp/m3 C2 = 68,58 m/sec. A2 = 1000 mkp/m3 c3 = 85,72 m/sec. A3 - 1500 mkp/m3 c4
= 102,86 m/sec. A4 = 2000 mkp/m3 c5 = 120,00 m/sec. A5 = 2500 mkp/m3 Längs der Parameterkurven
A A = konstant in Fig. 1 wurde der gesamte Arbeitsaufwand für die Naßentstaubung
konstant gehalten, der erforderlich ist zur Überwindung des Gas-1)ifferenzdruckes
beim Durchgang durch den Venturi-Scrubber und zum Einspritzen des Wassers. Längs
der Parameterkurven c = konstant, die die Parameterkurven mit konst. Arbeitsaufwand
kreuzen, ist die Geschwindigkeit des Gases in der Kehle konstant. Figur 1 zeigt
überraschend, daß sämtliche Kurven für konstanten Gesamtarbeitsaufwand ein ausgeprägtes
Maximum für den Entstaubungsgrad haben, und daß diese Maxima durch einen Kurvenzug
1 verbunden werden können, dem eine konstante Gasgeschwindigkeit in der Venturikehle
entspricht, welche zwischen 50 und 60 m/sec.' liegt. Die zugehörigen Wasser- Gas-
Verhältnisse liegen sämtlich oberhalb 2 1 Wasser/m3 Gas. Demgegenüber wurde frtiher
entsprechend dem Stand der Technik für die Feinstententsdaubung im Venturi-Scrubber
bevorzugt
das Gebiet unterhalb von 1,5 1 Wasser/m3 Gas in Fig.1 eingesetzt.
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Es zeigt sich nun überraschenderweise und erfindungsgemäß, daß innerhalb
des schraffierten Gebietes zu beiden Seiten der Kurve 1 in Fig. 1 und zwar zwischen
den Kurvenzügen 2 und 3 eine quasi stationäre, sich ständig erneuernde und in ständiger
Bewegung befindliche Wasserlamellen - Wasserfetzen - und Wasserblasenfilterschicht
in der Kehle des Venturi-Scrubbers wirksam wird.
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Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Naßentstaubung
von Gasen, die in einem Kanal mit hoher Geschwindigkeit von 45 - 85 m/sec. strömen
und der Besonderheit, daß diese Gase eine aus Wasserlamellen und Blasenfetzen bestehende,
sich ständig erneuernde Filterschicht durchströmen, erzeugt durch den Aufprall des
Gases auf einzelne, etwa quer zum Gasstrom rasterartig in eine Ebene des Kanals
eingedüste, den Kanal bis zur gegenüberliegenden Wandung durchströmende Strahlen
der ReInigungsfldssigkeit und die Durchquerung der Mikroporen dieses Flüssigkeitsrasters
durch das Gas. Dieses Verfahren wird verbessert durch Eindüsung der Strahlen der
Waschflüssigkeit zur Erzeugung der Filterschicht in verschiedenen Ebenen übereinander
mit sich von Ebene zu Ebene kreuzender Elchtun-g in den Wäscherkanal. Außerdem ist
ein solcher Betrieb des Verfahrens vorteilhaft, daß beim Anstieg der Gasdichte der
Vordruck der Waschfldssigkeit abhängig von diesem Anstieg ebenfalls vergrößert wird
und umgekehrt.
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Bei der Anwendung dieses Verfahrens zur Erhöhung des Abscheidegrades
eines Venturi-Scrubbers als Kanal hat sich bewährt, den Druckabbau im Scrubber zu
erhöhen durch Erhöhung des Verhältnisses Waschflüssigkeit - Gas unter Eonstanthaltung
der Gasgeschwindigkeit in der Venturikehle.
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Das neue Verfahren ist in der Zeichnung in einigen bevorzugten Ausführungsformen
schematisch dargestellt: Figur 2 ist ein schematischer, mittlerer Längsschnitt durch
einen üblichen Venturi-Scrubber; Figur 3 ist eine Draufsicht auf die Filterschicht
aus Lamellenstrahlen nach Figur 2; Figur 4 ist ein schematisches Schaubild zur Durchführung
des Verfahrens nach den Figuren 2 und 3.
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Dm einzelnen ergibt sich aus den Figuren der folgende beispielsweise
Ablauf des neuen Verfahrens: Der Venturi-Scrubber möge in bekannter Weise die Wandungen
1, 2 und 3 des konvergenten Teiles 4 der Kehle 5 und des Diffusors 8 enthalten.
Die Waschflüssigkeit, z.B. das Waschwasser, wird im Sinne der Pfeile 6 durch einzelne
Lochdüsen quer zum Gasstrom in die Kehle geführt. Die nach Fig. 1 zwischen den Kurvenzügen
2 und 3 sich aufbauende, entlang des Kurvenzuges 1 besonders gut
ausgebildete
quasi stationäre, sich ständig erneuernde und in ständiger Bewegung befindliche
Wasserlamellen - Wasserfetzen -und Wasserblasenfilterschicht ist in Fig. 2 mit 7
bezeichnet.
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Sie hat in Strömungsrichtung gesehen etwa die Dicke des Kehlendurchmessers
des Venturirohres. Auf Grund der eindeutigen Entstehung einer Trombe in der Achse
des Venturirohres unterhalb der Ebene der Wassereindüsung bei der früher üblichen
Betriebsweise eines solchen Venturi-Scrubbers konnte nicht erwartet werden, daß
eine solche Schicht erzeugt werden kann. Sie ist lediglich in der Achse 9 des Venturi-Scrubbers
etwas nach unten ausgebeult. Im darunter befindlichen Diffusor 8 löst sich die Schicht
auf, wobei sich zunächst einzelne Wasserfetzen bilden, die sich im Diffusor zu Tröpfchen
zusammenziehen. Zwar wurden die eingedüsten Wasserstrahlen im früher fast ausschließlich
verwendeten Betriebsbereich des Venturi-Scrubbers entsprechend dem Gebiet für Wasse,r-Gas-Verhältnisse
unter 1,5 1 Wasser/m3 Gas in Fig. 1 auch zu Lamellen zerrissen, wie ebenfalls kürzlich
durchgeführte fotografische Untersuchungen zeigten.
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So zeigt Fig. 3 die Wassereindüsung bei-diesen Verhältnissen.
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D'ie Strahlen 12 behalten ihre strahlenförmige Begrenzung, bestehen
jedoch innerhalb dieser Begrenzungslinien aus Wasserlamellen, Wasserfetzen und Wasserblasen.
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Erst bei Wahl der erfindungsgemäßen Betriebsbedingwigen nach Fig,
1 vereinigen sich diese Strahlen zur genannten Pilterschicht 7 in Fig..2. Außerdem
ist in Fig. 3 erfindungsgemäß die sich kreuzende
Eindüsung in
zwei- oder mehreren - übereinanderliegenden Ebenen dargestellt. Die tochdüsen 10
ergeben die Strahlen der einen Ebene, 11 die der anderen, beide sind angeordnet
in der Wand 2 der Venturikehle 5.
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Vom Aufbau der genannten erfinderischen'Filterschicht war man bei
den früher gewählten Betriebsbedingungen weit entfernt, Dies wird auch klar aus
der Tatsache, daß man diese Art des Strahlzerfalls, die Möglichkeit des Aufbaues
einer derartigen Filterschicht und die dazu erforderlichen Betriebsbedingungen des
Venturi-Scrubbers entsprechend Fig. 1 Kurve 1 bzw. die Fläche zwischen den Kurven
2 und 3 vor dieser Erfindung nicht kannte.
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In der Wirksamkeit dieser Filterschicht, in die die feinsten Teilchen
mit Durchmessern bis unter die Lichtwellenlänge mit mehr oder minder großer Energie
hineingeschossen werden, liegt die Ursache für die hohe Abscheideleistung eines
so betriebenen Venturi-Scrubbers bei der Abscheidung von Stäuben, die so fein sind,
daß man ihre wirtschaftliche mechanische oder naßmechanische Abscheidung noch vor
wenigen Jahren für völlig ausgeschlossen hielt. Die Wirksamkeit dieser Filterschicht
wird noch dadurch unterstrichen, daß Partikel mit Durchmessern unter o, 1 Mikron,
die völlig unbenetzbar, d.h. hydrophob waren, elektrostatisch neutral und auch nicht
agglomeriert waren, ebenfalls fast 100ig abgeschieden werden konnten.
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Tabelle II
| Konventionelle Erfindungsgemäßes |
| Staubfilter Flüssigkeits-Lamellen- |
| Filter |
| Gas- m 0,0133 - 0,0417 45 - 85 |
| geschwin- s |
| digkeit m3 |
| 0,8 - 2,5 2700 - 5100 |
| m2 min |
| spez. |
| Gas- m3 |
| 48 - 150 162000 - 306000 |
| durch- m2 h |
| satz |
| Durchsatz- |
| Vergrößerung 2000 - 34000 |
Tabelle II zeigt einen-Vergleich der Belastung konventioneller Schwebstoffilter
und des erfindungsgemäßen Flüssigkeitslamellenfilters. Während man bei konventionellen
Schwebstoffiltern, d.h.
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Vliesfiltern oder auch Sackfiltern aus Geweben eine Gasbelastung von
o,8 - 2,5 m3 Gas/m2 Filterquerschnitt und Minute üblicherweise zuläßt, erhöht sich
dieser Wert- beim erfindungsgemäßen Flüssigkeitslamellenfilter auf 2700 bis 5100
m3 Gas/m2 Filterquerschnitt und minute entsprechend einer Gasgeschwindigkeit in
der Venturikehle von 45 - 85 m/sec. Entsprechend ergibt sich eine Durchsatzvergrößerung
um das 2000 - 34000-fache. Diese hohe Belastung einer erfindungsgemäßen Filterschicht
ist nur dadurch möglich, daß sie nicht, wie konventionelle Filter stationär ist,
sondern quasi stationär, d.h. sich ständig erneuert
und sich in
ständiger Bewegung befindet. Andernfalls würde eine Filterschicht bei so hoher Belastung
nicht mehr wirksam sein und auch zu schnell verstopfen.
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Die Aufrechterhaltung der erfindungsgemäßen Filters icht nach Fig.
1 ist auch abhängig von der Dichte des Gases. Ändert sich diese während des Betriebes
des Venturi-Scrubbers, so verändert sich auch die Filterschicht, was dazu führen
kann, daß z.B.
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bei starker Erhöhung der Gasdichte die Filterschicht aufgerissen werden
kann. Derartige Erscheinungen wurden bei Venturi-Scrubbern z.B. bei der Entstaubung
von sauerstoffgeblasenen Stahlwerkskonvertern beobachtet. Bei diesem diskontinuierlich
arbeitenden Prozeß wird während einer Zeitdauer von ca. 20 Minuten ein heißes Gas
emittiert, das anschließend mit Wasser gelöscht, d.h. mit Wasserdampf gesättigt
wird. Es entsteht ein Gas mit relativ hoher Sättigungstemperatur, s.B. 750, dessen
Dichte klein ist. Zu Beginn und am Ende des Blasprozesses ist die Entwicklung der
Reaktionsgase geringer, wodurch erhebliche Mengen kalter Luft mit angesaugt werden.
Die Folge ist eine wesentlich größere Gasdichte der Gasmischung am Eintritt in den
Venturi-Scrubber. Dies führte zu erhöhtem Staubauswurf, d.h.
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der Abscheidegrad des Venturi-Scrubbers war zu Beginn und am Ende
des Blasprozesses geringer, obwohl das dem Venturi-Scrubber zugeführte Gas infolge
der Kaltluftzumisohung einen verminderten Staubgehalt hatte. Diese Betriebsschwierigkeiten
kann man erfindungsgemäß durch Aufrechterhaltung der quasi stationären, sich ständig
erneuernden-und in ständiger Bewegung
befindlichen Wass-erlamellen
- Waqserfetzen - Wasserblasenfiiterschicht vermeiden, indem man beim Anstieg der
Gasdichte den Wasservordruck des Wsssers, welches den T,ochdüsen des'Venturi-Scrubbers
zugeführt wird, in Abhängigkeit von diesem Anstieg der Gas dichte vergrößert und
ihn umgekehrt bei Abnahme der Gasdichte wiederum in Abhängigkeit von dieser Abnahme
reduziert.
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Will man bei einem Venturi-Scrubber den Abscheidegrad erhöhen, so
ist erfindungsgemäß der beste Weg in einer-Erhöhung des Gesamtarbeitsaufwandes bei
Aufrechterhaltung der optimalen Gasgeschwindigkeit in der Kehle (Längskurve 1 in
Wig.1), wobei gleichzeitig das Wasser-Gas-Verhältnis erhöht wird; nur bei dieser
Verfahrensweise wird die günstigste Ausbildung der erfindungsgemässen Filterschicht
erreicht, was auch daraus folgt, daß diese Kurve durch die Abscheidegradmaxima der
Kurven für konstanten Arbeitsaufwand A1 - A5 (Fig.1-) geht. Da im Arbeitsaufwand
derjenige Anteil, der in das Gas hineingesteckt werden muß ,(Gasdifferenzdruck beim
Durchgang des Gases durch den Venturi-Scrubber) den größten Anteil stellt', wohingegen
der andere Anteil auf den Arbeitsaufwand für die Wassereindüsung entfällt (Wasservordruck),
kann matereinfachend den Arbeitsaufwand, ohne-einen allzu grossen Fehler zu machen,
dem Gasdifferenzdruck gleichsetzen. Dann folgt die Forderung daß bei einmal richtig
eingestelltem Venturi-Scrubber im Betrieb bei Erhöhung des Differenzdruckes gleichzeitig
das Wasser-Gas-Verhältnis erhöht werden muß oder, anders -ausgedrückt, daß zur Erhöhung
des Abs6heidegrades der Differenzdruck
durch Steigerung des Wasser-
Gas-Verhältnisses erhöht wird, wobei die Gasgeschwindigkeit konstant auf dem optimalen
Wert gehalten werden muß.