DE202016102385U1

DE202016102385U1 - Zyklon und Tauchrohr zur Separation von Partikeln aus einem Gas

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Publication number: DE202016102385U1
Application number: DE202016102385.8U
Authority: DE
Original assignee: Outotec Finland Oy
Current assignee: Metso Finland Oy
Priority date: 2016-05-04
Filing date: 2016-05-04
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2026-05-05
Also published as: WO2017191242A1; AU2017260663A1; BR212018072086U2; AU2017260663A2; CN209663527U; RU191344U1; AU2017101842A4; UA138563U

Abstract

Tauchrohr (2) zum Abziehen eines Gases aus einem Zyklon (1), wobei Gas im Betrieb durch einen Gaseintritt (8) in das Tauchrohr (2) ein- und aus einem Gasaustritt (9) wieder ausströmt, dass das Tauchrohr (2) einen ersten Bereich (10) aufweist, der als eine Düse (13, 16) ausgebildet ist, die sich von einem Düseninnendurchmesser (Dinnen) konvergent zu einem kleinsten Innendurchmesser (d) verjüngt, und dass das Tauchrohr (2) einen im Betrieb nach dem ersten Bereich (10) durchströmten zweiten Bereich (11) aufweist, der als Diffusor (12) ausgebildet ist, der sich von einem Diffusorinnendurchmesser in Richtung des ersten Bereichs konvergent zu dem kleinsten Innendurchmesser (d) verjüngt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Tauchrohr zum Abziehen eines Gases aus einem Zyklon, wobei das Gas im Betrieb durch einen Gaseintritt in das Tauchrohr ein und aus einem Gasaustritt aus dem Tauchrohr wieder ausströmt. Die Erfindung betrifft ferner einen Zyklon zur Separation von festen Partikeln und/oder wenigstens einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom, mit einem Gehäuse, einer Öffnung in dem Gehäuse zur Einbringung des Gasstroms zusammen mit den festen Partikeln und/oder der wenigstens einen Flüssigkeit in das Gehäuse, einen Auslassstutzen für die festen Partikel und/oder die Flüssigkeit und mindestens einem erfindungsgemäßen Tauchrohr zur Gasabfuhr aus dem Gehäuse.
Für verschiedenste Anwendungen wie beispielsweise einer zirkularen Wirbelschichtverbrennung (CFB combustion), der Kalzinierung, Ölgewinnung und für andere Prozesse ist es nötig, heiße Rauchgase oder Produktgasmischungen von darin enthaltenen Feststoffen zu befreien bzw. zu trennen, bevor das Gas der nächsten bzw. der letzten Stufe der Reinigung, beispielsweise einem Elektrofilter (ESP), zugeführt wird, um Umweltauflagen oder besondere Produktspezifikationen zu erfüllen.
Im Anwendungsbereich dieser Prozesse werden typischerweise Gaszyklonen eingesetzt, um Feststoffe in Form von Partikel aus dem heißen Rauchgas oder aus dem Produktgasgemisch zu filtern. Derartige Zyklone finden auch in Dampfkraftwerken zur Wasserabscheidung von Frischdampf zwischen Dampferzeuger und Turbine oder zur Kondensatabscheidung in Gaskühlern Verwendung.
Viele wichtige Parameter, die für die Funktion und die Leistung eines derartigen Zyklons von Relevanz sind, wurden bereits ausführlich untersucht. Zu den diesen Parametern zählen der Druck, die Temperatur, die Geschwindigkeit und die Partikelbelastung des Gases genauso wie der geometrische Aufbau des Zyklons. Dabei sind vor allen Dingen die Abdeckplatte beziehungsweise der Deckel des Zyklons, das Tauchrohr, welches auch als Vortexfinder bezeichnet wird, und der Auslassstutzen zur Abfuhr der festen Partikel von Relevanz.
Ein Nachteil eines Zyklons, verglichen mit anderen Technologien zur Trennung von Feststoffen und Gasen, ist die relativ geringe Effizienz dieser Trennung, insbesondere für sehr feine Partikel mit Größen kleiner als 10 µm. Die Effizienz für Partikel dieser Größe ist meist limitiert auf 90 bis 95 % oder sogar darunter.
Seit Ende des 19. Jahrhunderts wurden viele Untersuchungen durchgeführt, um den Einfluss einzelner Betriebsparameter bzw. geometrischen Parameter auf die Separationseffizienz des Gaszyklons zu bestimmen.
Diese Effizienz wird von einer Reihe von Parametern beeinflusst, wie etwa der Partikelbeladung und der Partikelgröße. Auch die Gasgeschwindigkeiten innerhalb des Zyklons und seiner Unterkomponenten haben einen entscheidenden Einfluss auf die Leistung des Zyklons. Die einzelnen Gasgeschwindigkeiten in den Unterkomponenten des Zyklons werden direkt durch die Geometrie dieser Teile des Zyklons beeinflusst. Zusätzlich haben die inneren Bestandteile des Zyklons, wie etwa das Tauchrohr (Vortexfinder), der Apex (kegelförmige untere Spitze), die Form des Einlasskanals, Belüftung etc. einen direkten Einfluss auf die Staubmitnahme und die Separationseffizienz.
Um verschiedenen industriellen Anforderungen zu entsprechen, existieren zudem verschiedene Designs der Zyklone (vertikal oder horizontal) in Bezug auf die Orientierung des Einlasses (reverse und uniflow). Designs für hohen Durchsatz sind durch einen kürzeren Körper gekennzeichnet und zusätzlich durch größere Öffnungen, die es erlauben, dass ein großes Volumen durchgesetzt wird. Der Druckverlust bei solch einem Design ist meist relativ niedrig, wobei auch die Abscheidungsrate niedriger ausfällt. Designs für eine höhere Effizienz haben hingegen lange Körper und kleine Öffnungen. Ein solches Design führt zu hohen Abscheidungsraten allerdings auch zu hohen Druckverlusten.
Aus der EP 0 972 572 A2 ist ein Hocheffizienzgegenstromzyklon bekannt, der einen zylindrischen Vortexfinder aufweist. Das Dokument offenbart Zusammenhänge zwischen den Größen und Geometrien der einzelnen Elemente des Zyklons, welche zu einer besonders hohen Effizienz des Zyklons führen.
Aus dem Dokument DE 10 2013 207 724 A1 ist eine Verbrennungsanlage bekannt, wobei die Hauptverbrennung in einer zyklonartigen Kammer stattfindet. Das Tauchrohr oder Vortexfinder dieser zyklonartigen Kammer hat die Form eines Venturikanals.
Ein Tauchrohr oder Vortexfinder welcher aus einem metallischen Gitter gefertigt ist, ist aus dem Dokument EP 0 447 802 A2 bekannt. Dieses besteht aus mehreren honigwabenartigen Teilen.
Generell kann die Effizienz eines gut designten Zyklons dadurch verbessert werden kann, dass die Tangentialgeschwindigkeit erhöht wird, was aber auch zu einer Erhöhung des Druckverlustes über den Zyklon führt. Ein solcher höherer Druckverlust über den Zyklon führt jedoch unweigerlich zu einem höheren Druckverlust über dem gesamten System, und dadurch zu einem erhöhten Bedarf an elektrischer Energie. Außerdem resultiert ein höherer Druckverlust auch in einer stärkeren Beanspruchung des Tauchrohrs auf Grund des sich einstellenden hohen Druckgradienten zwischen Innen und Außenseite des Tauchrohrs.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein neues Tauchrohr zu schaffen, das einen Zyklon mit einer hohen Separationseffizienz in Kombination mit moderaten Druckverlusten ermöglicht. Dies wird dadurch realisiert, indem der hohe Verlust am Eintritt von Tauchrohren mit kleinem Durchmesser vermieden wird. Die hohe Tangentialgeschwindigkeit wird trotzdem erzielt durch eine Hinführung auf einen kleinen Querschnitt innerhalb der Düse. Da dieser kleine Querschnitt nur über einen relativ kurzen Bereich vorhanden ist und die Hinführung zu ihm weniger druckverlustbehaftet erfolgt, wird der Gesamtdruckverlust gesenkt bei nahezu gleichbleibender Tangentialgeschwindigkeit. Durch das Gleichrichten der Strömung und den nachfolgenden Diffusor wird ein Teil des Druckverlustes zusätzlich rückgewonnen.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch ein Tauchrohr mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einem Zyklon mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Dabei weist das Tauchrohr zum Abziehen eines Gasstroms aus dem Zyklon einen Gaseintritt und einen Gasaustritt auf. Während des Betriebs strömt das Gas durch den Gaseintritt in das Tauchrohr ein und strömt durch den Gasaustritt aus dem Tauchrohr wieder aus. Dadurch entsteht innerhalb des Tauchrohrs ein Gasstrom vom Gaseintritt in Richtung des Gasaustritts.
Das erfindungsgemäße Tauchrohr weist zudem einen ersten Bereich auf, der als Düse ausgebildet ist. Diese Düse weist auf einer Seite einen Düseninnendurchmesser auf, wobei sich der Durchmesser der Düse in Strömungsrichtung und von dort in Richtung des Gasaustrittes konvergent bis zu einem kleinsten Innendurchmesser verjüngt.
Das Tauchrohr weist außerdem einen zweiten Bereich auf, welcher im Betrieb durch das Gas nach dem ersten Bereich durchströmt wird. Dieser Bereich ist als Diffusor ausgebildet, wobei der Diffusor an seiner, dem ersten Bereich abgewandten Seite, einen Diffusorinnendurchmesser aufweist. Der Innendurchmesser des Diffusors verjüngt sich von dort in Richtung des ersten Bereichs konvergent zu dem kleinsten Innendurchmesser.
Der durchströmte Querschnitt des Tauchrohrs verkleinert sich also von einem durch den Düseninnendurchmesser definierten Querschnitt konvergent zu einem kleinsten Querschnitt, welcher durch den kleinsten Innendurchmesser definiert ist. Von dieser Engstelle des Tauchrohrs erweitert sich das Tauchrohr in Strömungsrichtung des Gases wieder bis zu einem größeren Querschnitt, der durch den Diffusorinnendurchmesser bestimmt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Düseninnendurchmesser der Düse das 1,2- bis 8-fache, insbesondere das 1,4- bis 2,85-fache des kleinsten Innendurchmessers betragen. Außerdem kann in einer bevorzugten Ausführungsform die Länge der Düse, die sich von dem Bereich mit dem Düseninnendurchmesser bis zu dem Bereich mit dem kleinsten Innendurchmesser erstreckt, das 0,14- bis 4,0-fache des kleinsten Innendurchmessers betragen. Ansonsten ergibt sich die Länge aus dem gewählten Winkel und dem Innendurchmesser. Bei einer derartigen Geometrie tritt der erfindungsgemäße Effekt besonders stark zu Tage, sodass bereits bei moderaten Druckverlusten über den Zyklon eine sehr gute Separationseffizienz erreicht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Düse die Geometrie einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweisen. Eine derartige Mantelfläche ist rotationssymmetrisch zu einer Achse, der Symmetrieachse des Kegelstumpfes. Der Öffnungswinkel dieser Mantelfläche bezogen auf die Achse kann dabei einen Wert zwischen 1° und 88°, insbesondere 15° bis 65° aufweisen. Dieses Design der konvergenten Düse ist besonders einfach und dadurch besonders kostengünstig in der Herstellung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Düse als Schalldüse ausgeführt sein. Eine Schalldüse hat ebenfalls eine um eine Achse rotationssymmetrisch ausgerichtete Mantelfläche, die allerdings im Gegensatz zur Mantelfläche eines Kegelstumpfes konkav ausgeformt ist. Der Durchmesser dieser trompetenartigen Form nimmt in Längsrichtung nicht linear zu oder ab, sondern bildet eine Form, deren Querschnitt einem Kreisbogen entspricht. Der Krümmungsradius dieses Kreisbogens kann dabei das 1,0- bis 8-fache oder insbesondere das 1,7- bis 2,3-fache des kleinsten Innendurchmessers betragen. Mit anderen Worten kann das Tauchrohr als Lavaldüse ausgeführt sein, nämlich als Strömungsorgan mit einem zunächst konvergenten und anschließenden divergenten Querschnitt, wobei der Übergang von einem zum anderen Teil allmählich erfolgt. Die Querschnittsfläche an jeder Stelle kann kreisförmig ausgebildet sein, wodurch ein durchströmendes Fluid theoretisch auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden kann. Die Schallgeschwindigkeit kann genau im engsten Querschnitt der Düse erreicht werden. Damit führt ein solches Design zu einem besonders hohen Abscheidungsquotienten bei einem moderaten Druckverlust über den Zyklon.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Düse an der Position des Düseninnendurchmessers einen Düsenaußendurchmesser aufweisen, der kleiner ist als die Summe aus Düseninnendurchmesser und dem 4-fachen des kleinsten Innendurchmessers (D_außen< D_innen+ 4·d). Mit anderen Worten ist am Ende der Düse, also an der Position an der die Düse den Düseninnendurchmesser aufweist, ein Ring angeordnet, dessen Breite kleiner als 4-fache des kleinsten Innendurchmessers (< 4·d). Die Anordnung eines Rings mit diesen Dimensionen wird insbesondere für eine Düse verwendet, welche die Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist. Durch einen solchen Ring kann auf besonders einfache Weise die Geometrie des Tauchrohrs auf deren der Lavaldüse angepasst werden. Ein solcher Ring eignet sich insbesondere für nachträgliche Änderungen, um das Tauchrohr beispielsweise an geänderte Betriebsparameter anzupassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Düsenaußendurchmesser kleiner als die Summe aus Düseninnendurchmesser und dem 4-fachen des kleinsten Innendurchmessers (D_außen< D_innen+ 4·d) sein und der Düseninnendurchmesser das 1,2- bis 8-fache des kleinsten Innendurchmessers betragen. Besonders bevorzugt kann der Düsenaußendurchmesser kleiner als die Summe aus Düseninnendurchmesser und dem 0,25-fachen des kleinsten Innendurchmessers (D_außen < D_innen+ 0,25·d) sein und der Düseninnendurchmesser das 1,4- bis 2,85-fache des kleinesten Innendurchmessers betragen. Auch diese Geometrie hat die Form eines Ringes, welcher am Ende der Düse, also an der Position des Düseninnendurchmessers, angeordnet ist. Eine derartige Konstruktion wird auch für eine Düse verwendet, die in Form einer Schalldüse ausgeführt ist. Auch mit einem Ring dieser Geometrie lässt sich, insbesondere nachträglich, besonders einfach Einfluss auf die Gasströmung durch das Tauchrohr nehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Diffusor als Mantelfläche eines Kegelstumpfes bzw. Zylinders ausgeführt. Eine solche Geometrie ist rotationssymmetrisch um eine Achse, der Symmetrieachse des Kegelstumpfes bzw. Zylinders. Der Öffnungswinkel zwischen der Mantelfläche und der Achse beträgt dabei zwischen 0° und 45°, bevorzugt 3° bis 15°. Die Symmetrieachse des Kegelstumpfes bzw. des Zylinders bildet gleichzeitig die Symmetrieachse des Diffusors und kann mit der Symmetrieachse der Düse zusammenfallen. Da der Diffusor oftmals ein besonders großes Bauteil ist, können durch diese besonders einfache Konstruktion des Diffusors erhebliche Kosteneinsparungen realisiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann zwischen der Düse und dem Diffusor ein Verbindungszylinder angeordnet sein. Der Verbindungszylinder verbindet daher die Düse, an der Stelle an der die Düse den kleinsten Innendurchmesser aufweist, mit der Stelle des Diffusors, an dem der Diffusor den kleinsten Innendurchmesser aufweist. Der Verbindungszylinder weist deshalb bzw. an einer Verbindungsstelle einen Verbinderinnendurchmesser auf, der mit dem kleinsten Innendurchmesser identisch ist. Die Länge des Verbindungszylinders bzw. Kegelstumpfes, die sich von Düse zu Diffusor erstreckt, ist vorzugsweise kleiner als das 8-fache des kleinsten Innendurchmessers (L < 8·d). Ein Verbindungszylinder weist eine extrem einfache Geometrie auf, wodurch der Übergang von Diffusor zu Düse sanfter erfolgt. Dadurch kann die Durchströmung des Tauchrohrs weiter verbessert und somit ein besonders niedriger Druckverlust erzielt werden.
Eine weitere Variante sieht vor, dass in Durchströmungsrichtung vor der Düse und/oder nach dem Diffusor wenigstens eine weitere Düse bzw. ein weiterer Diffusor vorgesehen ist. Ein Design bestehend aus mehreren aufeinander angepassten konvergenten Düsen ist einfach und dadurch kostengünstig in der Herstellung. Mehrere, aufeinander angepassten Düsen und/oder Diffusoren, bieten eine große Flexibilität das Tauchrohr an Betriebsparameter am besten anzupassen an. In einem solchen Design kann sich der Krümmungsradius über die Längsrichtung der Düse verändern, wobei den kleinsten Krümmungsradius an der Stelle der größten Krümmung anzusetzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Verbindungsstelle zwischen der Düse und Diffusor und/oder den einzelnen Düsen und/oder Diffusoren geglättet. Beispielsweise kann die Verbindungsstelle poliert sein. Durch diese Glättung wird ein negativer Einfluss auf das Strömungsverhalten des Gases vermieden. Ist zwischen Düse und Diffusor ein Verbindungszylinder angeordnet, so ist es aus demselben Grund vorteilhaft, wenn die Verbindungsstelle zwischen dem Verbindungszylinder und der Düse bzw. die Verbindungsstelle zwischen dem Verbindungszylinder und dem Diffusor geglättet, also beispielsweise poliert ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Teil des Tauchrohrs, wie beispielsweise das negative Profil einer Düse, des Verbindungszylinders und/oder des Diffusors bzw. einer Laval-Düse, aus einem Einbauteil bzw. mehreren Einbauten. Um das Gewicht der Einbauten zu reduzieren, können diese als Hohlkörper ausgeführt werden. Mit anderen Worten ist das Tauchrohr mit Einbauten von innen so ausgekleidet, dass ein negatives Profil der Düse, Verbindungszylinder und/oder Diffusors bzw. einer Laval-Düse entsteht. Eine solche Geometrie ist rotationssymmetrisch um eine Achse, der Symmetrieachse des negativen Profils. Da die Einbauten oftmals leichter als Stahl sind, können durch die Gewichtreduzierung bzw. besonders einfache Konstruktion z.B. zur Befestigung des Tauchrohrs erhebliche Kosteneinsparungen realisiert werden. Es besteht dadurch die besonders einfache Möglichkeit die Zyklone bzw. Tauchrohre an den funktionierenden Anlagen ohne große Umbauten zu verbessern.
Prinzipiell ist es bevorzugt, wenigstens Teile des erfindungsgemäßen Tauchrohrs aus hitze- und/oder erosionsbeständigen Materialien wie keramischen Fasermaterialien, Kohlefaser etc. herzustellen und/oder gegebenenfalls mit einer Oberfläche bzw. Beschichtung gegen Erosion auszuführen.
Die Erfindung umfasst außerdem einen Zyklon zur Separation von festen Partikeln und/oder wenigstens einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom mit einem vorstehend definierten Tauchrohr.
Bei dem eingebrachten Gasstrom kann es sich beispielsweise auch um einen Dampf handeln, der erst durch eine spätere Kondensation eines seiner Bestandteile zu einem Gasstrom mit kleinen Flüssigkeitspartikeln wird. Dies kann beispielsweise erst durch sukzessive Abkühlung innerhalb des Zyklons erfolgen.
Ein erfindungsgemäßer Zyklon weist ein Gehäuse, eine Öffnung in diesem Gehäuse zur Einbringung des Gasstroms, einen Auslassstutzen für die separierten Festkörper oder die Flüssigkeit und ein Tauchrohr zur Abfuhr des Gases auf.
Das Gehäuse kann dabei typischerweise einen zylinderförmigen Bereich aufweisen, in dem die Öffnung zur Einbringung des Gasstroms angeordnet ist. Das Gehäuse kann außerdem einen Bereich aufweisen, der von dem zylinderförmigen Bereich in Richtung der Gravitationsrichtung kegelförmig zusammenläuft. Am Ende dieses kegelförmigen Bereichs, also an der bezüglich der Gravitationsrichtung tiefsten Stelle, ist ein Auslassstutzen angebracht. Der Zyklon weist außerdem ein Tauchrohr auf, welches an der dem Auslassstutzen gegenüberliegenden Seite des Gehäuses an einem Gehäusedeckel angeordnet sein kann. Erfindungsgemäß weist dieses Tauchrohr die vorstehend ausgeführten Merkmale des Anspruchs 1 oder einem der untergeordneten Ansprüche auf.
Die Öffnung im Gehäuse kann derart ausgeführt sein, dass der Gasstrom gemeinsam mit den darin enthaltenen festen Partikeln und/oder der wenigstens einen Flüssigkeit, tangential in das Gehäuse eingeleitet wird. Dadurch wird in dem Gehäuse eine Zirkulationsbewegung initiiert. Der Gasstrom mit den Partikeln bewegt sich daraufhin schraubenförmig nach unten in Richtung des gegebenenfalls kegelförmigen Bereichs. Durch die Verjüngung des Gehäuses nimmt die Zirkulationsbewegung stark zu und führt dadurch zu starken Fliehkräften, welche auf die Partikel wirken. Die Partikel werden hierdurch nach außen getragen und treffen dort auf die Wandung des Gehäuses. Die derart aus dem Gasstrom separierten Partikel fallen im Gravitationsfeld nach unten in Richtung des Auslassstutzens. Das gleiche gilt für eine aus dem Gasstrom separierte Flüssigkeit, welche entlang der Gehäusewand bis zum tiefsten Bereich des Gehäuses, dem Auslassstutzen, fließt und dort aus dem Gehäuse extrahiert werden kann. Der Gasstrom, aus dem die Partikel und/oder die Flüssigkeit extrahiert wurden, kann daraufhin den Zyklon durch das Tauchrohr (Vortexfinder) wieder verlassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das wenigstens ein Tauchrohr so angeordnet, dass es zumindest teilweise in das Gehäuse hineinragt. Dabei kann das Tauchrohr mit seinem Gaseintritt innerhalb des Gehäuses und mit seinem Gasaustritt außerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Das Tauchrohr kann auch vollständig innerhalb des Gehäuses angeordnet sein, derart, dass der Gasaustritt direkt am Gehäuse an einer Öffnung des Gehäuses aufgesetzt ist. Das Tauchrohr kann außerdem außerhalb des Gehäuses angeordnet sein, indem die Eintrittsöffnung des Tauchrohrs von außen auf eine Öffnung des Gehäuses aufgesetzt ist. Damit kann auch durch die Anordnung des Tauchrohrs im Zyklon Einfluss auf das Strömungsverhalten genommen werden. Es ist daher möglich mit einer vorgegebenen Geometrie von Tauchrohr und Zyklongehäuse durch die erfindungsgemäße Anordnung des Tauchrohrs in diesem Gehäuse den Zyklon an die genauen Betriebsparameter anzupassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können mehrere derartige Tauchrohre vorgesehen sein, wobei eine symmetrische oder asymmetrische Anordnung der Tauchrohre möglich ist. Beispielsweise können die Tauchrohre spiegelsymmetrisch zu einer Ebene oder mehreren Ebenen angeordnet sein. Eine weitere Möglichkeit ist eine Achsensymmetrie zu einer Spiegelachse. Dabei kann auch nur die Position der Tauchrohre symmetrisch sein und die Symmetrie beispielsweise durch unterschiedliche Größen, Längen oder Eintauchtiefen der Tauchrohre gebrochen werden. Durch die Verwendung von mehreren Tauchrohren kann der Gasdurchsatz des Zyklons vergrößert werden, ohne ein einziges großes Tauchrohr zu verwenden. Die Herstellung und Montage eines einzigen großen Tauchrohrs ist wesentlich aufwendiger als die Verwendung mehrerer kleiner Tauchrohre. Durch die symmetrische oder asymmetrische Anordnung bestehen viele Freiheitsgrade zur Anpassung des Zyklons an die Betriebsparameter.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das wenigstens ein Tauchrohr zumindest teilweise von einem Zylinder ummantelt. Dabei kann der Zylinder mit seinem Durchmesser an das Tauchrohr angepasst sein und dementsprechend entweder den Düseninnendurchmesser oder den Düsenaußendurchmesser aufweisen. Der Zylinder kann dabei außerdem über den Düseninnendurchmesser, d.h. über die Position, an der die Düse den Düseninnendurchmesser aufweist, hinaus in das Gehäuse hineinragen. Ein derartiger Zylinder ist besonders einfach herzustellen und zu montieren und kann zu einer weiteren Verbesserung der Effizienz des Zyklons führen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann sich von dem Gehäuse ein Zylinder ins Innere des Gehäuses erstrecken, wobei in dem Zylinder mehrere Tauchrohre angeordnet sind. Es ist also möglich, dass einzelne Tauchrohre von einem Zylinder umschlossen werden, oder eine gesamte Tauchrohrgruppe von einem einzigen Zylinder umschlossen werden. Bei mehreren Tauchrohren kann auch die Anordnung eines einzigen Zylinders um die mehreren Tauchrohre zu einer Verbesserung der Effizienz des Zyklons führen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Fläche des Gehäuses, über die das wenigstens ein Tauchrohr in das Gehäuse eintritt oder auf der das wenigstens ein Tauchrohr auf dem Gehäuse aufsitzt, kreisförmig ausgebildet. Das Tauchrohr kann dann zu dieser Fläche zentrisch oder exzentrisch angeordnet sein. Im Falle einer Anordnung von mehreren Tauchrohren, die eine Symmetrieachse aufweisen, kann diese Symmetrieachse zentrisch oder exzentrisch auf dieser Fläche positioniert sein. Während eine zentrische Anordnung eine besonders einfache Montage des Zyklons erlaubt, da beispielsweise die Ausrichtung des Deckels irrelevant ist, kann durch eine exzentrische bzw. asymmetrische Anordnung beispielsweise der Position der Öffnung zur Einbringung des Gasstroms Rechnung getragen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren erläutern. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Zyklons,
2a zeigt schematisch ein Tauchrohr,
2b zeigt schematisch ein Tauchrohr mit Verbindungsstück,
2c zeigt schematisch ein Tauchrohr als Schalldüse,
3a zeigt schematisch ein Tauchrohr mit eingezeichneten Winkeln,
3b zeigt schematisch eine Düse mit einem Ring,
4 zeigt schematisch ein Tauchrohr mit eingezeichnetem Winkel des Diffusors,
5a zeigt schematisch ein Tauchrohr als Schalldüse und eingezeichneten Dimensionen,
5b zeigt schematisch ein Tauchrohr als Schalldüse und daran angebrachtem Ring mit Dimensionen,
6a zeigt eine Anordnung des Tauchrohrs im Zyklon,
6b zeigt eine weitere Anordnung des Tauchrohrs im Zyklon,
6c zeigt eine weitere Anordnung des Tauchrohrs im Zyklon,
6d zeigt eine weitere Anordnung des Tauchrohrs im Zyklon,
7a zeigt eine Anordnung eines Tauchrohrs mit Zylinder am Gehäusedeckel,
7b zeigt eine weitere Anordnung eines Tauchrohrs mit Zylinder am Gehäusedeckel,
7c zeigt eine weitere Anordnung eines Tauchrohrs mit Zylinder am Gehäusedecke,
7d zeigt eine Anordnung von mehreren Tauchrohren innerhalb eines Zylinders,
8a zeigt eine symmetrische Anordnung von Tauchrohren,
8b zeigt eine asymmetrische Anordnung von Tauchrohren,
9a zeigt einen Zyklon mit einem symmetrisch angeordneten Tauchrohr, und
9b zeigt einen Zyklon mit einem exzentrisch angeordneten Tauchrohr.
Der grundsätzliche Aufbau eines Zyklons 1, wie er zur Separation von Festkörpern oder Flüssigkeiten aus einem Gasstrom eingesetzt wird, ist in 1 schematisch dargestellt. Der Zyklon 1 besteht aus einem Gehäuse 3, welches einen zylinderförmigen Bereich 5 und einen konisch zulaufenden Bereich oder kegelförmigen Bereich 6 aufweist. Im zylinderförmigen Bereich 5 befindet sich der Gaseinlass 4 durch den der Gasstrom mit den Partikeln eingedüst werden kann. Der Zyklon 1 ist typischerweise derart angeordnet, dass der konisch zulaufende Teil 6 nach unten in Richtung des Gravitationsfeldes ausgerichtet ist. An dessen tiefsten Punkt befindet sich der Auslassstutzen 7, durch den die Partikel bzw. die Flüssigkeit, welche aus dem Gasstrom extrahiert wurde, abgeführt werden können.
Während des Betriebs wird der Gasstrom mit den Partikeln durch den Gaseinlass 4 in das Gehäuse 3 eingeleitet. Dies erfolgt typischerweise tangential, sodass direkt eine zirkulare Bewegung des Gasstroms erzeugt wird. Der Gasstrom bewegt sich schraubenförmig vom Einlass 4 in Richtung des konisch zulaufenden Bereichs 6. Durch die Fliehkraft werden die Partikel an die Außenwand des Zyklons 1 transportiert und bewegen sich dort durch die Einwirkung der Gravitation in Richtung des Auslassstutzens 7. Das Gas tritt dann durch den Gaseintritt 8 nach oben in das Tauchrohr 2 ein und verlässt dieses durch den Gasaustritt 9 als gereinigtes Gas.
2a zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Tauchrohres 2 mit einem Diffusor 12 in einem zweiten Bereich 11 und einer Düse 13 in einem ersten Bereich 10, die an einer Verbindungsstelle 14 miteinander verbunden sind. Die Düse 13 hat eine breite Öffnung mit dem Düseninnendurchmesser D_innen und eine schmale Öffnung mit dem kleinen Innendurchmesser d. Der Diffusor hat an seiner Verbindungsstelle 14 mit der Düse 13 ebenfalls den kleinsten Innendurchmesser d und läuft zu seinem anderen Ende hin wieder auseinander zu einem breiteren Innendurchmesser.
2b zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Tauchrohres 2 aus einem Diffusor 12, einer Düse 13 und einem Verbindungsstück 15, das an den Verbindungsstellen 14 mit dem Diffusor 12 und der Düse 13 verbunden ist. Das Verbindungsstück 15 weist einen Durchmesser auf, der dem kleinsten Innendurchmesser d entspricht.
2c zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Tauchrohres 2 mit einem Diffusor 12 und einer als Schalldüse 16 ausgebildeten Düse, die mit dem Diffusor 12 an der Verbindungsstelle 14 verbunden ist. Die Schalldüse weist dabei eine trompetenartige Form auf, die sich von der Verbindungsstelle 14 mit dem Diffusor 12 aus in Richtung des Gaseintritts 8 des Tauchrohres 2 zunehmend erweitert.
In den 2a) bis 2d) fällt der Gaseintritt 8 des Tauchrohres mit einem Ende der Düse 13, 16 bzw. mit der Position des Düseninnendurchmessers zusammen. Dies muss nicht zwangsläufig der Fall sein. Vielmehr ist es auch möglich, dass ein weiteres Bauteil, wie beispielsweise ein Zylinder, an der Düse angeordnet ist, dessen eines Ende, anstelle der Düse, den Gaseintritt bildet.
3a zeigt das Tauchrohr 2 der 2a mit eingezeichneten Dimensionen. An der Verbindungsstelle zwischen Diffusor 12 und Düse 13 hat das Tauchrohr den kleinsten Innendurchmesser d. Die Düse 13 ist als Mantelfläche eines Kegelstumpfes ausgeführt, und kann im Falle der gestrichelt eingezeichneten Variante die Länge bzw. Höhe H aufweisen. Mit einer durchgezogenen Linie eingezeichnet ist eine Düse 13 mit einem sehr flachen, d. h. kurzen Aufbau mit einer kleineren Höhe. Die Düse in Form eines Kegelstumpfs besitzt eine Symmetrieachse 20, zu der der Kegelstumpf rotationssymmetrisch ist. Die Düse in Form eines Kegelstumpfes weist außerdem für die gestrichelt eingezeichnete Variante einen kleinen Öffnungswinkel α auf. In der durchgezogen eingezeichneten Variante ist der Öffnungswinkel größer.
3b zeigt eine einzelne Düse 13, an deren Ende ein zusätzlicher Ring 18 angeordnet ist. Durch diesen Ring 18 hat die Düse 13 an ihrem Ende einen Innendurchmesser D_innen und einen durch den Ring 18 vergrößerten Außendurchmesser D_außen.
4 zeigt das Tauchrohr 2 aus 2a mit eingezeichnetem Öffnungswinkel β des Diffusors 12. Der Diffusor 12 des Tauchrohrs 2 ist als Kegelstumpf ausgebildet und besitzt eine Rotationsachse 21.
5a zeigt ein Tauchrohr 2 der 2c mit eingezeichneten Dimensionen. Der Diffusor 12 und die Schalldüse 16 sind an einer Verbindungsstelle 14 miteinander verbunden und weisen dort den kleinsten Innendurchmesser d auf. Die als Schalldüse ausgebildete Düse 16 weist eine Höhe H und einen Düseninnendurchmesser D_innen auf. Die Düse 16 besitzt eine trompetenartige Form mit einem Krümmungsradius R.
Das Tauchrohr 2 der 5b besitzt einen zusätzlichen, an der Düse 16 angeordneten Ring 18. Durch den zusätzlichen Ring 18 weist die Düse an ihrer breitesten Stelle einen Innendurchmesser D_innen und einen Außendurchmesser D_außen auf.
Die 6a bis 6d zeigen verschiedene Eintauchtiefen des Tauchrohres 2 in das Gehäuse 3 des Zyklons.
In 6a ist das Tauchrohr 2 derart angeordnet, dass es vollständig in das Gehäuse 3 hineinragt, so dass der Gaseintritt 8 des Tauchrohres 2 unterhalb der unteren Kante des Gaseinlasses 4 angeordnet ist. Der Gaseintritt 8 des Tauchrohrs 2 befindet sich innerhalb des Gehäuses 3.
In 6b ragt das Tauchrohr 2 nur teilweise in das Gehäuse 3 hinein, sodass sich der Gaseintritt 8 des Tauchrohres 2 an der gleichen Höhe der unteren Kante des Gaseinlasses 4 befindet.
6c zeigt eine Variante, bei der das Tauchrohr 2 nur in etwa zur Hälfte in das Gehäuse 3 hineinragt, so dass der Gaseintritt 8 des Tauchrohres 2 oberhalb der unteren Kante des Gaseinlasses 4 angeordnet ist.
In 6d ist das gesamte Tauchrohr 2 außerhalb des Gehäuses 3 angeordnet. Das Tauchrohr 2 ist mit seinem Gaseintritt 8 von außen direkt am Deckel 17 des Gehäuses 3 angeordnet.
7a zeigt ein Tauchrohr 2, welches vollständig von einem Zylinder 19 umschlossen ist. Zylinder und Tauchrohr sind an einem Deckel 17 des Gehäuses 3 angeordnet. Die 7a) bis 7d) zeigen je nur einen Ausschnitt des Gehäuses 3 mit dem Deckel 17. Dabei stellt der Bereich unterhalb des Deckels 17 das Innere des Gehäuses dar. Daher ragen Zylinder und Tauchrohr 2 vollständig in das Gehäuse 3 hinein.
7b zeigt eine Ausführungsform, bei der das Tauchrohr 2 nur teilweise in das Gehäuse 3 hineinragt, so dass der Gasaustritt 9 des Tauchrohrs 2 außerhalb des Gehäuses 3 angeordnet ist und der Gaseintritt 8 innerhalb des Gehäuses 3. Der Zylinder 19 befindet sich vollständig innerhalb des Gehäuses 3 und ragt über das Tauchrohr 2 hinaus in das Innere des Gehäuses 3 hinein.
7c zeigt eine Ausführungsform, bei der das Tauchrohr 2 von außerhalb des Gehäuses 3 direkt am Deckel 17 angebracht ist. Der Zylinder 19 befindet sich an gleicher Position auf der gegenüberliegenden Seite des Tauchrohrs 2 innerhalb des Gehäuses 3.
7d zeigt eine Draufsicht auf einen Deckel 17 mit einer Anordnung von sieben Tauchrohren 2 und im unteren Bereich eine Seitenansicht derselben Anordnung mit den Tauchrohren 2, die sich gemeinsam in einem Zylinder 19 vollständig innerhalb des Gehäuses 3 befinden.
8a zeigt eine Anordnung von sieben Tauchrohren innerhalb eines Gehäuses 3 eines Zyklons 1, die am Deckel 17 des Gehäuses 3 des Zyklons 1 angeordnet sind. Die Anordnung der Tauchrohre 2 ist dabei symmetrisch zu einer Symmetrieachse, welche durch das mittlere Tauchrohr 2 führt.
8b zeigt die Anordnung der 8a mit zwei zusätzlichen Tauchrohren 2, die asymmetrisch angeordnet sind. Außerdem zeigt die 8b ein mittleres Tauchrohr 2, welches nicht vollständig in das Gehäuse 3 des Zyklons 1 eintaucht bzw. an verschiedenen Höhen bezüglich des Gaseintritts der Düse angesetzt.

9a und 9b verdeutlichen den Unterschied einer zentralen Anordnung und einer exzentrischen Anordnung eines Tauchrohres 2. Während das eine Tauchrohr 2 in 9a konzentrisch zum Deckel 17 angeordnet ist, befindet sich das Tauchrohr 2 der 9b außerhalb dieses Zentrums. Es ist daher ein exzentrisch angeordnetes Tauchrohr 2. In 9b ist weiterhin durch Pfeile die Richtung und die Größe der Exzentrizität angedeutet. Ausführungsbeispiel: Betriebsdaten:

Volumendurchfluss	1m³/s
Partikelbelastung	0,1kg/kg Gas
Median des Partikeldurchmessera	10µm
Partikeldichte	2600kg/m³
Gasdichte bei 30°C	1,189 kg/m³
Dyn.Viskosität der Luft bei 30°C	1,84·10–5 kg/ms
Einlass Temperatur	30°C
Einlass Druck	1,033bara

Geometrie des Zyklons:

Einlassweite	0,12m
Einlasshöhe	0,6m
Tauchrohr Radius	0,15m
Tauchrohr Länge	0,45m
Zyklon Radius	0,45m
Zyklon Länge	2,25m
zylindrischer Bereich Länge	0,9m
Auslassstutzen Radius	0,15m

Nozzle Design:	Rev0	Rev0A
Düseninnendurchmesser	0,075m	0,105m
Diffusorinnendurchmesser	0,075m	0,105m
kleinster Innendurchmesser	0,04m	0,059m
Düse Länge	0,04m	0,04m
Diffusor Länge	0,4m	0,7m
Verbindungszylinder Länge	0,01m	0,01m
Geschwindigkeit Engstelle	214m/s	100m/s

Ergebnis:

Separationseffizienz η: ~96% (konservativ) bzw. > 96% erwartet mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Druckabfall ∆P: ~22mbar (konservativ) bzw. < 25mbar bei 100m/s erwartet mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

Bezugszeichenliste

1: Zyklon
2: Tauchrohr
3: Gehäuse
4: Gaseinlass
5: zylinderförmiger Bereich
6: kegelförmiger Bereich
7: Auslassstutzen
8: Gaseintritt
9: Gasaustritt
10: erster Bereich
11: zweiter Bereich
12: Diffusor
13: Düse
14: Verbindungsstelle
15: Verbindungszylinder
16: Schalldüse
17: Deckel
18: Ring
19: Zylinder
20: Symmetrieachse Düse
21: Symmetrieachse Diffusor
d: kleinster Innendurchmesser
D_innen: Düseninnendurchmesser
D_außen: Düsenaußendurchmesser
H: Höhe der Düse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0972572 A2 [0009]
DE 102013207724 A1 [0010]
EP 0447802 A2 [0011]

Claims

Tauchrohr (2) zum Abziehen eines Gases aus einem Zyklon (1), wobei Gas im Betrieb durch einen Gaseintritt (8) in das Tauchrohr (2) ein- und aus einem Gasaustritt (9) wieder ausströmt, dass das Tauchrohr (2) einen ersten Bereich (10) aufweist, der als eine Düse (13, 16) ausgebildet ist, die sich von einem Düseninnendurchmesser (D_innen) konvergent zu einem kleinsten Innendurchmesser (d) verjüngt, und dass das Tauchrohr (2) einen im Betrieb nach dem ersten Bereich (10) durchströmten zweiten Bereich (11) aufweist, der als Diffusor (12) ausgebildet ist, der sich von einem Diffusorinnendurchmesser in Richtung des ersten Bereichs konvergent zu dem kleinsten Innendurchmesser (d) verjüngt.
Tauchrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düseninnendurchmesser (D_innen) der Düse (13, 16) das 1,2 bis 8-fache des kleinsten Innendurchmessers (d) beträgt. und/oder die Länge (H) der Düse (13, 16) von dem Düseninnendurchmesser (D_innen) bis zu dem kleinsten Innendurchmesser (d) das 0,2 bis 4-fache des kleinsten Innendurchmessers (d) beträgt.
Tauchrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (13, 16) die Geometrie einer um eine Achse (20) rotationssymmetrische Mantelfläche in Form eines Kegelstumpfes aufweist, wobei der Öffnungswinkel (α) zwischen der Mantelfläche und der Achse (20) zwischen 1° und 88° liegt.
Tauchrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (13, 16) als Schalldüse (16) ausgebildet ist, wobei die Schalldüse (16) einen um eine Achse (20) rotationssymmetrisch ausgerichtete und konkav ausgeformte Mantelfläche mit einem Krümmungsradius (R) aufweist, der das 1,0 bis 8-fache des kleinsten Innendurchmessers (d) beträgt.
Tauchrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (13, 16) an der Position des Düseninnendurchmessers (D_innen) einen Düsenaußendurchmesser (D_außen) aufweist, der kleiner ist als die Summe aus Düseninnendurchmesser (D_innen) und dem 4-fachen des kleinsten Innendurchmessers (d).
Tauchrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenaußendurchmesser (D_außen < D_innen+ 4·d) beträgt und der Düseninnendurchmesser (D_innen) das 1,2 bis 8-fache des kleinsten Innendurchmessers (d) beträgt.
Tauchrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (12) die Geometrie einer um eine Achse (21) rotationssymmetrische Mantelfläche in Form eines Kegelstumpfes aufweist, wobei der Öffnungswinkel (β) zwischen der Mantelfläche und der Achse (21) zwischen 0° und 45° liegt.
Tauchrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Düse (13, 16) und dem Diffusor (12) ein Verbindungszylinder (15) angeordnet ist, dessen Verbinderinnendurchmesser mit dem kleinsten Innendurchmesser (d) identisch ist und wobei sich der Verbindungszylinder (15) vorzugsweise von Düse (13, 16) zu Diffusor (12) über eine Länge erstreckt, die kleiner als das 8-fache des kleinsten Innendurchmessers (d) ist.
Tauchrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Düse (13, 16) wenigstens eine weitere Düse vorgeschaltet und/oder dem Diffusor (12) ein weiterer Diffusor nachgeschaltet ist.
Zyklon zur Separation von festen Partikeln und/oder wenigstens einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom, mit einem Gehäuse (3), einer Öffnung (4) in dem Gehäuse (3) zur Einbringung des Gasstroms zusammen mit den festen Partikeln und/oder der wenigstens einen Flüssigkeit in das Gehäuse (3), einen Auslassstutzen (7) für die festen Partikel und/oder die Flüssigkeit und mindestens einem Tauchrohr (2) zur Gasabfuhr aus dem Gehäuse (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (2) die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Zyklon nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Tauchrohr (2) so angeordnet ist, dass es wenigstens teilweise in das Gehäuse (3) hineinragt oder das wenigstens eine Tauchrohr (2) außerhalb des Gehäuses (3) angeordnet ist und der Gaseintritt (8) des Tauchrohres (2) auf eine Öffnung des Gehäuses (3) aufgesetzt ist.
Zyklon nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Tauchrohre (2) vorgesehen sind, wobei die Anordnung der Tauchrohre (2) symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet ist.
Zyklon nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Tauchrohr (2) zumindest teilweise von einem Zylinder (19) ummantelt ist, wobei der Durchmesser des Zylinders (19) größer als der kleinste Innendurchmesser (d) und kleiner gleich dem Düsenaußendurchmesser (D_außen) sein kann und oder der Zylinder (19) über den Düseninnendurchmesser (D_innen) hinaus in das Gehäuse (3) hineinragt.
Zyklon nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich von dem Gehäuse (3) ein Zylinder (19) in das Innere des Gehäuses (3) erstreckt, wobei in dem Zylinder (19) mehrere Tauchrohre (2) angeordnet sind.
Zyklon nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Fläche (17) des Gehäuses (3), über die das wenigstens eine Tauchrohr (2) in das Gehäuse (3) eintritt oder auf der das wenigstens eine Tauchrohr (2) auf das Gehäuse (3) aufgesetzt ist, kreisförmig ausgebildet ist und das wenigstens eine Tauchrohr (2) auf dieser Fläche (17) zentriert oder exzentrisch angeordnet ist.