DE2052530A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Entfer nen von Teilchen aus verschmutzten Gasen - Google Patents

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Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann 2052530 Dr. R. Koenigsberger - Dlpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumstein jun.

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Vorfahren und Vorrichtung zum Entfernen von Teilchen

aus verschmutzten Gasen.

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Teilchen aus verschmutzten Trägergasen, die "bei industriellen und chemischen Prozessen anfallen. Sie ist ebenfalls zum Entfernen löslicher, schädlicher und gifti ger Gase, die in dem verschmutzten Gas enthalten sein können, verwendbar.

Im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung sollen die Ausdrücke "verschmutztes Gas" und "verschmutztes Trägergas" für ein Gas oder Trägergas verwendet werden, das teilchenförmige substanzen enthält, und mit "sauberem Gas" oder "sauberem Trägergas" soll ein Gas bezeichnet werden, aus dem die teilchenförmige Substanz und die löslichen, schädlichen

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oder giftigen Gase entfernt worden sind. Das Wort "verschmutzt" soll nicht notwendig auf eine schädliche Substanz hindeuten und kann Elemente oder Mischungen umfassen, deren Wert die Rückgewinnungskosten des erfindungogemäßen Verfahrene und der erfindungsgemäßen Vorrichtung erheblich überschreiten.

Teilchenförmige Substanzen, die bei industriellen Prozessen erzeugt werden, können von sehr unterschiedlicher Dichte und Größe sein, d.h. zwischen Submikron-Größe und der Größe großer Agglomerate liegen. Auch die chemische Zusammensetzung der Teilchen kann unterschiedlich sein Da die teilchenförmige Substanz und die schädlichen Gase die Atmosphäre und die Gewässer, in die sie entlassen werden können, verunreinigen, ist es vorteilhaft, diese Teilchen und schädlichen oder giftigen Gase durch einfache und wirtschaftliche Einrichtungen und grundsätzlich in einer einzigen Vorrichtung zu entfernen, die an sehr unterschiedliche Trägergase und feste, flüssige und gasförmige Verunreinigungsstoffο über einen weiten Bereich von Arbeitsbedingungen angepaßt ist.

Filter, Naßreiniger, Zentrifugalsammler und elektrische Abscheidevorrichtungen, die bisher verwendet worden sind, weisen bekannte Nachteile auf. Filtern sind Grenzen in bezug auf die Temperatur gesetzt, und sie müssen oft gereinigt werden. Haßreiniger erfordern außerordentlich hohe Wassermengen und Energien zur Entfernung der Teilchen. Zentrifugalsammler können Teilchen unterhalb eines Tausendstel Millimeters Größe nicht wirksam entfernen. Elektrische Abscheidevorrichtungen sind groß und teuer und darüber hinaus nicht für alle Arten von Teilchen wirksam, und sie lassen in bezug auf die Wirksamkeit mit der Zeit nach.

Die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen werden erfindungsgemäß dadurch überwunden, daß ein Fluid vorgesehen wird, das das verschmutzte Trägergas treibt und mit diesem vermischt wird,und daß die Teilchen in dem Trägergas eingekapselt und die eingekapselten Teilchen später in einer Trennvorrichtung von dem

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verbleibenden Trägergas getrennt v/erden. Das erfind imgsgemäße Verfahren zum Abtrennen von Teilchen aus einem verschmutzten Trägergas unter Einwirkung eines Fluids .zeichnet sich dadurch aus, daß das verschmutzte Trägergas durch das Fluid bewegt und mit dem Fluid vermischt wird, das bei einer Temperatur und einem DrucIc eingebracht wird, die in Beziehung zu dem Trägergas stehen, so daß sich Tropfon des Fluids bilden, die die Teilchen einschliessen,und daß die Tropfen aus dem Trägergas abgeschieden werden.

Erfindungsgemäß ist die Behandlung und umwälzung des Fluids vor- | gesehen, das zum Abtrennen der Teilchen au3 dem Trägergas verwendet wird, so daß eine Verschmutzung der Umgebung vermieden wird. Es ist ebenfalls eine Zugabe von Zusätzen zu dem Treibfluid vorgesehen, die die Zerstäubung das Einkapseln der Teilchen, die Bildung von Tropfen, das Wachstum der Tropfen, die Trennung der Tropfen von dem Gas und die Rückgewinnung des Treibfluidc fördern oder erleichtern.

Weiterhin können die Teilchen gesammelt werden, und zwar wegen ihres Wertes als Nebenprodukt, sofern sie einen solchen Wert besitzen, oder zur Rückleitung zum Grundprozeß.

Neben den teilchenförmigen Substanzen, die bei der Durch- ' führung industrieller Verfahren erzeugt werden können, können auch Gase gebildet werden. Diese Gase können unschädlich sein, wie z.B. Kohlendioxyd, oder sie können schädlich oder giftig sein, wie z.B.' Kohlenmonoxyd, Schwefeldioxyd und Schwefelwasserstoff. Viele der üblichen schädlichen oder giftigen Gase, die bei industriellen Verfahren erzeugt werden, sind wasserlöslich. Solche Gase können aus der Zusammensetzung des Trägergases entfernt werden, indem sie in dem Fluid gelöst werden,das zum Einkapseln der teilchenförmigen Substanzen verwendet wird.

Im folgenden werden beispielsweise, bevorzugte Ausführungsformen

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der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt ein Flußdiagramm, das die Verfahrensschritte veranschaulicht, die "bei der thermodynamischen Zyklon-Trennvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.

Fig. Z ist ein Flußdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren in Anwendung auf ein kaltes, verschmutztes Gas wiedergibt.

Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren in Anwendung auf ein heißes, verschmutztes Gas darstellt.

Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm, das die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein heißes, verschmutztes Gas wiedergibt, wobei das Treibfluid gereinigt und zurückgeführt wird.

Fig. 5 ist eine schematische Draufsicht einer thermodynamischen Zyklon-Trennvorrichtung, die zum Abtrennen der Teilchen anη dem verschmutzten Trägergas verwendet wird.

Fig. 6 ist eine schematische Ansicht der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung.

Fig. 7 zeigt einen schematischen Schnitt der in Fig. 5 dargestellten thermodynamischen Zyklon-Trennvorrichtung.

Fig. 8 ist ein Schnitt der thermodynamischen Trennvorrichtung entlang der Linie 8-8 in Fig. 7.

Fig. 9 zeigt einen vergrößerten Teilschnitt des Heißwasser-Düsenelements der thermodynamischen Trennvorrichtung als Schnitt entlang der Linie 9-9 in Fig. 7.

Fig. 1OA bis 10 D zeigen verschiedene Anordnungen der Sprühdüsen-Elemente in bezug auf die Leitung für das verschmutzte Trägergas, wobei die Fig. 1OA einen Schnitt entlang der Linie 1OA-1OA in Fig. 7 darstellt.

I¹Jg. 11 ist eine Ansicht einer erfindungsgemäßen thermodynamischen Trennvorrichtung, wobei das verschmutzte Gas in den unteren Teil der Zyklon-Trennvorrichtung geleitet wird.

Fig. 12 zeigt eine Ansicht einer Abwandlungsform der thermodynamischen Trennvorrichtung, wobei das Treibfluid tangential in den Zyklonbereich der Trennvorrichtung geleitet wird.

Pig. 15 ist ein vergrößerter Schnitt entlang der Linie 13-13 von Fig. 12.

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14, ist ein vergrößerter Schnitt einer Axialsprühdüse,

die entlang der Linie 14-14 der Pig. 13 geschnitten ist.

Pig. 1 veranschaulicht in einem Plußdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen einer teilchenförmigen Substanz, die in einem Trägergaa enthalten ist. V/ie in Pig. 1 dai-gestellt ist, tritt das die teilchenförniige Substanz enthaltende Trägergas 10 in die Antriebseinrichtung 12 der thermodynamischen Zyklon-Trennvorrichtung ein. Dieses Trägergas soll im folgenden als verschmutztes Gas bezeichnet werden. Heißes V/asser 14 tritt ebenfalls unter hohem Druck in die Antriebseinrichtung 12 ein. Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung 12 besitzt eine Heißwasserdüse, die einen Heißwasserstrahl in eine geformte leitung sprüht, die das verschmutzte Gas fördert, und liefert die erforderliche Energie, die das verschmutzte Gas mit gewünschter Geschwindigkeit durch die Leitung bewegt. Das heiße Wasser, das in die Antriebseinrichtung eingebracht wird, wird auf oder nahe seiner Sättigungstemperatur bei einem Druck gehalten, der wesentlich höher als der Druck des verschmutzten Gases ist. Beim Eintritt der Fiederdruckleitung, die das verschmutzte Gas enthält, bildet das Hochdruckwasser eine nebelartige Mischung mit dem verschmutzten Gas. Diese Mischung ist in Pig. 1 mit 16 bezeichnet. Die Mischung aus heißem Wasser und verschmutztem Gas und der Austausch kinetischer Energie führt zu einem Druckanstieg in dem f Mischbereich. Dadurch wird die Antriebskraft für das verschmutzte Gas geliefert, das den Mischbereich mit einer geeigneten Geschwindigkeit verläßt.

In der nebelartigen Mischung aus verschmutztem Gas und heißem Waseer befindet sich ein Teil des Wassers in der Dampfphase. Die Teilchen dienen als Kondensationakerne und werden von Wassertropfen eingeschlossen, wie in Pig. 1 bei 18 angegeben ist. Sobald die Tropfen gebildet sind, beginnen sie durch Kondensation weiteren Dampfes und durch Zusammentreten mit anderen Tropfen zu wachsen.

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Nachdem die Teilchen vollständig von den Tropfen umhüllt sind und sich mit einer gewünschten Geschwindigkeit "bewegen, wird die Mischung aus Gas und Teilchen-enthaltenden Tropfen in eine Trenneinrichtung 20, wie eine Zyklon-Trennvorrichtung, eingeleitet, in der das Gas und die Tropfen entlang einer im wesentlichen schraubenförmigen Bahn geführt werden. Während dieser Verfahrensstufe "bewegen sich die die Teilchen enthaltenden Tropfen in Richtung auf die Wände des Zyklons und sammeln sich an diesen, während das Gas durch eine Leitung abgeleitet wird, wie "bei 22 angegeben ist. Die Teilchen-enthaltenden Tropfen sammeln sich am Boden der Trenneinrichtung und können als ein Schlamm 24, der aus Wasser und teilchenförmiger Substanz besteht, abgezogen werden.

In der bisherigen Beschreibung ist davon ausgegangen worden, daß das verschmutzte Gas durch ein Gas gebildet wurde, das in dem heißen Wasser, das zum Treiben des Gases und zum Einkapseln der Teilchen verwendet wurde, relativ unlöslich ist. Das verschmutzte Gas kann jedoch auch ein schädliches oder giftiges Gas sein, das in Wasser sehr gut löslich ist. In diesem Falle kann ein Teil oder das gesamte schädliche oder giftige Gas im Wasser während der Kondensations-Einkapselungs- und Tropfenwachstumsphase des Verfahrens gelöst werden, wodurch die schädlichen und giftigen Gase in den Schlämm 24 gelangen.

Das mit der thermodynamischen Zyklon-Trennvorrichtung durchgeführte Verfahren besteht darin, daß man ein verschmutztes Gas mit Hilfe einer Heißfluid-Düse beschleunigt, daß man das verschutzte Gas mit dem Fluid Und Fluiddampf vermischt, daß man die Teilchen in dem verschmutzten Gas mit Fluiddampf einkapselt und Tropfen bildet, daß man die Tropfen wachsen läßt und aus dem Gas durch Zentrifugaleinrichtungen abzieht.

Das Verfahren mit dem thermodynamischen Zyklon kann unter unterschiedlichen Voraussetzungen angewendet werden, wie incfen Fig. 2, 3 und 4 dargestellt ist. V«nw Sufe dcts verschmutzte Gas 30 bei

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einer Temperatur unterhalb der Temperatur des heißen Treibwassers "befindet, wie in Fig. 2 angegeben ist, reicht es aus, eine Quelle für Hochdruck-Heißwasser 32 mit Sättigungstemperatur oder in der Fähe der Sattigungstemperatur zum Antrieb des Systems 34 vorzusehen, wobei die Endprodukte reines Gas 36 und Schlamm 38 sind. Dabei stimmt das System 34 mit dem in Pig. 1 durch gestrichelte Linien eingerahmten Teil überein.

Fig. 3 veranschaulicht die Anwendung des Verfahrens auf den Pail, daß das verschmutzte Gas heiß ist, wie bei vielen metallurgysehen Verfahren, insbesondere bei Schmelz- und Stahlherstellungsverfahren. In diesem Falle strömen die heißen, verschmutzten Gase 40 zunächst durch einen Wärmetauscher 42, wobei Wärme auf einen Wasserbehälter 44 übertragen wird. Wenn es gewünscht wird, kann zusätzliche Wärme durch eine zusätzliche Wärmequelle 46 zugeführt werden. Das Ventil 47 gibt schematisch an, daß die zusätzliche Wärme kontinuierlich oder periodisch in dem bei den besonderen Betriebsbedingungen erforderlichen Maß zugeführt wird. Vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 42 wird das heiße Wasser auf geeignete Weise durch eine Pumpe 48 unter Druck gesetzt. Aus der thermodynamischen Trennvorrichtung 49 treten, wie zuvor beschrieben wurde, ein Schlamm 50, der das Treibwasser und die in dem Fluid gelösten Gase enthält, und reines Gas 52 aus. Wenn das { Schmutzgas v/arm ist, kann ein Teil oder die gesamte Wärme, die zur Erhitzung des Heißwassers erforderlich ist, durch das Schmutzgas selbst geliefert werden.

Fig. 4 veranschaulicht eine weitere Anwendung des Grundprozesses, wobei das Wasser, das zum Antreiben, Mischen, Einkapseln, Vergrößern der Tropfen und Abtrennen der Tropfen verwendet wird, zurückgewonnen, gereinigt und in den Prozeß zurückgeleitet wird. Ein solcher Vorgang kann insbesondere wünschenswert sein, wenn das Wasser während des Verfahrens verschmutzt und nicht ohne Behandlung abgelassen werden kann, oder wenn die Wasserversorgung beschränkt ist. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, strömt das heiße

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Schmutzgas 54 durch den Wärmetauscher 56, in dem Wärme auf einen Wasserbehälter 58 übertragen wird, und sodann in eine thermodynamische Zyklon-Trennvorrichtung 66. Erhitztes Wasser 60 verläßt den Wärmetauscher und kann zusätzliche Wärme von einer Zusatzheizung 62 aufnehmen, die auf geeignete Wärme geregelt sein kann, wie schematisch durch das Ventil 63 angedeutet ist. Der Druck des Heißwassers wird vor dem Einlaß in den Wärmetauscher 56 durch die Pumpe 64 erhöht, bis sich das heiße Wasser nahe seiner Sättigungstemperatur für den jeweils verwendeten Druck befindet. Der Ausstoß der Trennvorrichtung besteht aus Reingas 68 und Schlamm 70, der Wasser 72 und teilchenförmige Substanz 74 enthält, die durch herkömmliche Einrichtungen getrennt werden können. So können die Teilchen aus dem Schlamm durch bekannte Verfahren, z.B. durch Absinken, Koagulation oder Filtration, oder erforderlichenfalls durch eine Kombination dieser Verfahren, entfernt werden. Welches besondere Verfahren verwendet wird, hängt hauptsächlich von der Dichte und der Teilchengröße der zu entfernenden Teilchen ab, wie genauer in den Kapiteln 3 bis 5 des Handbook of Industrial Water Conditioning von Betz, 5.Auflage, veröffentlicht durch die Betz Laboratories, Inc., 1957, beschrieben wird.

Die schädlichen und giftigen Gase, die in dem Schlamm gelöst sind, können aus dem Schlamm durch ebenfalls bekannte Verfahren, z.B. durch Belüftung und Entgasung, entfernt werden, die in dom Kapitel 2 des Water Conditioning Handbood der Permutit Company, veröffentlicht 1943, beschrieben werden.

Nach dem Abtrennen der Teilchen und schädlichen oder giftigen Gase aus dem Schlamm kann das gereinigte V/asser in der Leitung 72, wenn es gewünscht ist, durch bekannte Behandlungsverfahren weiter gereinigt werden. Welches Verfahren verwendet wird, hängt von dem Verwendungszweck des gereinigten Wassers ab. Nach der Abachlußreinigung kann das Wasser zum Wärmetauscher zur Wiederverwendung in dem Verfahren zurückgeleitet werden. Zusatzwasser 18 kann erforderlichenfalls hinzugesetzt werden.

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Pig.5 und 6 sind Drauf- bzw. Ansichten eines Aufbauen der erfind ungsgemäßen thermodynamischen Zyklon-'i'ronnvorrichtung für heißes Schmutzgas. Das in den Pig. 5 und 6 gezeigte System arbeitet nach den in Pig. 3 gezeigten Verfahrencschrittcm und ist zur Verwendung bei metallurgischen Verfahren, wie bei Verfahren mit Cupol-Öfen oder Siemens-Martin-Öfen, geeignet.

Das Schinutzgas strömt vom Entstehungsort durch die Leitung OO in den Wärmetauscher 82, der auf irgendeine herkömmliche Art ausgebildet sein kann. Das gekühlte Schmutzgas strömt anschließend durch eine Sprülikammer 84, in der das Gas durch einen nicht gezeigten Wasser-Sprühvorhang hindurchgeht. Die Sprühkammer bewirkt eine zusätzliche Kühlung und dient dazu, daß große Agglomerate oder Teilchen aus dem Schmutzgas entfernt werden. Wenn der Wärmetauscher allein ausreichende Kühlung für das Gas bringt, kann die Sptrühkamrner 48 weggelassen werden. Am Ausgang der Sprüh-' kammer 84 (oder des Wärmetauschers 82, wenn keine Sprühkammer verwendet wird) strömt das Schmutzgas durch eine Leitung 86, die mit dem Antriebsbereich 88 der thermodynamischen Zyklon-Trennvorrichtung in Verbindung steht. Die Leitung 86 verjüngt sich zu einem recht-eckigen - Bereich 90 kleineren Querschnitts in dem Antriebsbereich 88 der Trennvorrichtung, so daß ein Venturiabschnitt entsteht, der die Geschwindigkeit des Gases, das in den Antriebsbereich 88 einströmt, erhöht. Wie am besten in den Pig. 7 und 8 erkennbar ist, können eine oder mehrere Leiteinrichtungen 92, vorzugsweise mit geeigneter aerodynamischer Porm, in dem sich verjüngenden Bereich der Leitung 86 vorgesehen sein, die den Gasstrom in den Antriebs- bzw. Beochleunigungsbereich 88 leiten.

Mit dem rechteckigen . Bereich 90 der Leitung steht eine Anzahl von Heißwasser-DüDeneleraenten 94 in Verbindung, deren eines in Pig. 9 im Detail gezeigt ist. Wie in den Pig. 7 und 8 gezeigt ist, sind zwei Düsenelemente 94 in jedem Antriebsbereich 88 eingebaut und in den Seiten des rechteckigen Bereis 90 der Leitung angeordnet. Der rechteckige Bereich 90 der Leitung ist leicht abwärts

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gerichtet, do daß dem Gas eine Abwärtsbewegung auferlegt wird.

Aus später zu erklärenden Gründen steht der Antriebsbereieh 88 mit einem Paar von Zyklon-Trennvorrichtungen 96 in Verbindung. Daher ist es wünschenswert, daß zumindest zwei Düsenolemente 94 in dem rechteckigen Bereich 90 der Leitung vorgesehen sind. Diese Anordnung der Sprühdüseneleniente ist in Pig. 1OA öchepiatisch dargestellt. Je nach dor in den Schmutzgasotrom einr.usprühenden Wussermenge und dem Aufbau der Zyklon-Trennvorric titling können eine Anzahl unterschiedlicher Sprühdüsen-Anordnungen verwendet v/erden. Z.B. sind in Fig. 1OB zwei Sprühdüsen auf jeder Seite des rechteckigen Bereichs 90 der Leitung dargestellt. Die I?ig. 1OC und 1OD veranschaulichen Antriebseinrichtungen, wie Pig. 1OB, mit der Ausnahme, daß zusätzliche Düsen am Boden oder auf der Oberseite der Leitung vorgesehen sind, die eine Aufwärts- oder Abwärtsbewegung des Gases bewirken. Die in Pig. 1OG gezeigte Anordnung ist für den in Fig. 11 dargestellten Aufstrom-Zyklon geeignet.

Gemäß Fig. 9 umfaßt die Wassersprühdüse 94 einen zweiteiligen Hauptteil 98,99, der in einer rechteckigen Düse 100 endet, die mit dem rechteckigen Bereich 90 der Leitung in Verbindung steht, so daß ein Wasserstrahl aus der Sprühdüse in den Schmutzgasstrom parallel oder mit kleiner Winkelabweichung zu der Strömungsrichtung des Schmutzgases eingesprüht wird. Der Hauptteil 98,99 der Sprühdüse ist mit einer Axialbohrung 102 versehen, die mit einer Ringkammer 104 über eine Anzahl von Durchlässen 106 in Verbindung steht. Hochdruck-Heißwasser, das aus einer Pumpe oder einem nicht gezeigten Behälter geliefert wird, wird durch eine Heißwasser-Sammelleitung 108 und eine Zuführleitung 110, die die Sammelleitung 108 mit der Ringkammer 104 verbinden, zu der Sprühdüse 94 geleitet. Hinter der Ringkammer 104 verengt sich die Düsenbohrung zu einer Bohrung 112 von kleinem kreisförmigem Querschnitt. Die Bohrung 112 geht in eine rechteckige Düse 100 mit derselben Querschnittsfläche über. Ein Nadelventil 114 ist in den Düsenkörper 98 eingefügt. Daa konvergierende

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Ende 116 der Ventilnadel arbeitet mit dem konvergierenden Bereich der Düsonbohrimg zwischen der Ringkammer 104 und der Bohrung 112 zusammen und bildet einen ein«teilbaren, ringförmigen Durchlaß für das heiße Wasser. Das entgegengesetzte Ende 118 dor Ventilnadel 114 arbeitet mit einer Nadelventil-Steuerung (hier achematisch als Handrad 115 und Spindel 115a dargestellt) zusammen und ermöglicht.eine Einstellung des Nadelventile. Geeignete Dichtungen und Packungen 120 sind zur Verhinderung eines Austritts des Hochdruckwassers hinter dem Nadelventil 114 vorgesehen, Die Düse 94 ist mit der leitung 90 durch geeignete Arme oder Stützen 101 verbunden.

Die Massenstrotn-Geschwindigkeit und die Eigenschaften des Schmutzgases, wie die Temperatur und der Druck, können ungleichmäßig sein. Dies ist insbesondere bei metallurgischen Verfahren, wie etwa bei der Stahlherstellung, der Fall, bei der die Menge und die Art des ausgestoßenen Gases von der Verfahrensstufe abhängen. Daher ist es wichtig, eine Einstellung für die Düse vorzusehen, damit die Veränderungen in der Massenstrom-Geschwindigkeit und den Eigenschaften des Schmutzgasstromes ausgeglichen werden können. Wenn die erforderliche Veränderbarkeit des Düsenausstosses groß ist, kann es wünschenswert sein, Vielfachdüsen zu verwenden, wie sie in den Fig. 10B, 100 und 1OD dargestellt sind, so daß die Düsensteuerung vereinfacht wird. ä

Der Antriebsbereich 88 der thermodynamischen Zyklon-Trennvorrichtung steht mit einer Mischleitung 122 in Verbindung, die ihrerseits in die im allgemeinen zylindrische Zyklon-Trennvorrichtung 96 eintritt. Wie in Fig. 7 und 8 gezeigt ist, stellt die Mischleitung 122 ein aerodynamisch geformtes Teil dar, das glatt und ohne Unterbrechungen mit der Antriebseinrichtung 88 verbunden ist und eine aerodynamische Oberfläche 123 aufweist. Das Hochdruck-Heißwasser, das durch das Düsenelement 94 in die das Schmutzgas enthaltende Niederdruckleitung 90 eingeführt wird, unterliegt einem schnellen Druckabfall in den Niederdmckleitungen, der zur Bildung eine3 Strahles fein verteilter Tropfen und

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Dampfe mit hoher Geschwindigkeit führt. Der Strahl hoher Geschwindigkeit wird in den leitungen 90 durch den Schmutzgasstrom gelenkt und wegen des hohen Grades an Ströniungsturbulenz schnell mit diesem vermischt. Während des Mischungsvorganges beginnt die Dampfphase des Treibfluids zu kondensieren. Die Kondensation wird durch die Anwesenheit der über den ganzen Mischbereich vorhandenen, teilchenförmigen Substanz des Schmutzgases gefördert, die der Kondensationskernbildung dient. Der Dampf, der auf der teilchenförmigen Substanz kondensiert, bildet kleine Tropfen, die ihrerseits als Kondensationskerne weiteren Dampfes dienen. Die Teilchen werden so schnell in Tropfen eingehüllt. Wogen der Turbulenz in der Mischkammer und dem Unterschied in der Geschwindigkeit zwischen dem Treibfluid und den Teilchen stoßen die Tropfen zusammen und bilden größere Tropfen.

Da die Antriebseinrichtung 88 die Mischung aus Schmutzgas und Dampf leicht abwärts und tangential in die Mischkammer 122 leitet, wird eine im wesentlichen schraubenartige Strömungsform in der Mischkammer erzeugt. Am Eingang zu der Zyklon-Trennvorrichtung 96 enthält der Strom Tropfen von erheblicher Größe, die die teilchenförmige Substanz aufgenommen haben, sowie Gas, aus dem die Teilchen entfernt worden sind.

Innerhalb der Zyklon-Trennvorrichtung strömen das Gas und die Tropfen weiterhin in einer im wesentlichen schraubenförmigen Bahn, während die Zentrifugalkraft die Tropfen naoh außen in Richtung auf die Wände des Zyklon zieht. Die die Teilchen enthaltenden Tropfen, die an den Wänden des Zyklon 96 angesammelt worden sind, fließen nach unten und verlassen den Zyklon durch einen Auslaß 124 als ein Schlamm aus Wasser und teilchenförmiger Substanz. Das Reingas, das sich entlang der Achse des Zyklon bewegt, tritt durch die Leitung 126 aus. Durch eine Verteilerleitung 128, die den Zyklon 96 umgibt, kann Wasser aus einer Zuleitung 130 eingeleitet werden. Das Wasser kann ringsum in

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den Zyklon 96 von der Verteilerleitung 128 durch Zuführleitungen 132 eingebracht werden, die mit einer Reihe von Einlassen 134 in Verbindung Btehen. Das so eingeführte Wasser trägt mit dazu bei, den Schlamm durch den Auslaß 124 zu spülen und bildet einen Schlamm jeder gewünschten Konzentration für weitere Verwendung.

Entsprechend der bereits erwähnten Pig. 5 wird das V/asser für die Düsen 94 von einer nicht gezeigten Hochdruekquelle aus geliefert und durch die Leitung 136 in den Wärmetauscher 82 geleitet. Das Wasser fließt vorzugsweise im Gegenstrom durch den g Wärmetauscher 82 und verläßt den Wärmetauscher durch die Leitung 138, das Ventil 140 und zwecktnäßigerweise durch ein Reservoir, das unter der Bezugsziffer 142 sohematisch dargestellt ist, so daß Heißwasser mit hohem Druck in der Leitung 144 zur Verfügung steht. Wie in Pig. 5 gezeigt ist, teilt sich die Leitung 144 in die Leitungen 146 und 148, die sich ihrerseits zu jeder der Düse 94 hin verzweigen. Wenn zusätzliche Wärme für el ie gewählten Betriebsbedingungen erforaerlish ist, kann ein 'J¹ eil oder das gesamte Heißwasser aus den Wärmetauscher 82 durch eire Zusatzheiaung 150 geführt werden, die parallel zu eier Leitung 138 über Leitungen 152 und 154 angeordnet int. Eine Pteuorung des Stromes durch die Zusaiztiel^ung 150 wird über eir.e geeignete Einstellung der Ventile 140 und. 156 erzielt. *

r einers bestimmten Aufbau des 3 viel on besteht e^-.o v.rir-liehrtf.¹ Beziehung zwischen der. Teilchen- öler i'ropftm^ro,?-.-· v-r.d der Zeit, die erforderlich ist, um einen TropfBn durch den ϊλιΤϊπΙ/όγι hindurch zu der Zyklonwand zu bewegen. Eine äimlicho 323'i;aing besteht zwischen der Seilchengeschwindigkeit und der 5'elt, die erforderlich ist, um eine Teilchen oder einen Tropi'·;- -.lurch den Luftstrom hindurch zur Zyklonwand hin zu bewegen.

Ein wesentlicher Teil der Teilchen, die in der. bei Industriellen Verfahren erzeugten Gaaen enthalten sind, werden im Bereich von 1μ und darunter liegen und schwierig oder ο Γ b &xr nicht durch

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Trockenzentrifugen oder -Zyklontrennvorrichtungen abzutrennen sein. Die erfindungsgemäße thermodynamische Zyklon-Trennvorrichtung ist für solche Trennprobleme ausgezeichnet geeignet, da durch Einhüllen der Teilchen in Tropfen und durch Herbeiführen eines weiteren Tropfenwachstums der effektive Durchmesser der Teilchen auf ein Maß erhöht wird, bei dem eine Zentrifugaltrennung gut durchgeführt werden kann.

Es ist auch bekannt, daß die Trennungs- oder Sammelwirksamkeit der Zyklon-Trennvorrichtung mit abnehmendem Zyklon-Durchmesser ansteigt. Die Verwendung mehrerer Zyklon-Trennvorrichtungen, die in den Pig. 5 bis 8 dargestellt sind, nutzt diesen Umstand aus.

Bei der praktischen Konstruktion einer thermodynamischen Zyklon-Trennvorrichtung werden aerodynamische Methoden angewendet, mit deren Hilfe der Zweikomponentenstron so gelenkt wird, daß die Beschleunigungs-, Misch-, Umhüllungs- und Trennphase so aufeinander abgestimmt werden, daß die Energieanforderungen, die Wirksamkeit der Trennung und die Abmessungen der Einrichtung optimiert werden.

Beispielsweise gestatten hohe Gasgeschwindigkeit en die Verwendung eines großen Zyklon-Durchmessers, erfordern jedoch entsprechend hohe Wassermengen. Wenn die Geschwindigkeit geringer ist, muß der Zyklondurchmesser entsprechend reduziert werden. Dies kann jedoch den Mischbereich so sehr verkürzen, daß die Verweilzeit für das Tropfenwachstum unzureichend wird. Ähnliche Überlegungen gelten z.B. in bezug auf die Einlaßtemperatur, den Heißwasserdruck, die Sprühdüsenanordnung und die Anzahl der Zyklon-Einheiten. Da die Art des eingeleiteten Gases und die Art und Menge der teilchenförmigen Substanz, die in diesem Gas enthalten ist, sehr unterschiedlich sein können, muß die spezifische Ausbildung dex· thermodynamischen Zyklon-Trennvorrichtung an jeden einzelnen Anwendungszweck angepaßt sein.

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Die Ausführungsform der thermodynamicchen Zyklon-Trennvorrichtung, die in den Pig. 5 und 6 gezeigt ist, ist gut geeignet für Einrichtungen unterschiedlicher Größe und mit weitem Arbeitsbereich. Die Grundeinheit der thermodynamischen Trennvorrichtung ist die Heißwasserdüse und das dieser zugeordnete Zylf.lonenpaar, das mit den Düsen durch die Mischkammer verbunden ist. Jeder Zyklon kann einschließlich seines Rohres z.B. einen maximalen Außendurchmesser von 1,5 m (5 feet) und eine Höhe von 7,5 m (25 feet) haben. Die Anordnung ist also sehr viel kompakter als gegenwärtig bekannte Filter- oder Abscheidertypen. In Fig. 5 sind zwei solche Einheiten dargestellt, es liegt jedoch { auf der Hand, daß jede gewünschte Anzahl von Einheiten vorgesehen werden kann, und daß, wenn die Schmutzgasmenge anwächst, zusätzliche thermodynamische Trenneinheiten an den Strom angelegt werden können. Alternativ können eine oder ruchrere thermodynamische Trenneinheiten in Reserve gehalten werden, so daß die Pläne an der Arbeitsstelle eingehalten werden können, ohne daß es auf die Erzeugung von Schmutzgas ankommt.

Wenn der Zyklon-Durchmesser klein gehalten werden muß, wird durch Fig. 11 eine praktische Alternative gezeigt. Fig. 11 veranschaulicht eine Abwandlung der Form der in den Fig. 5 bis 8 gezeigten thermodynamischen Zyklon-Trennvorrichtung und kann als "Aufstrom- * Zyklon" bezeichnet werden. Wie in Fig. 11 gezeigt ist, wird das heiße Schmutzgas durch die Leitung 160 geführt. Die Leitung 160 verengt sich zu einer engeren Leitung 162 mit rechteckigem Querschnitt, die mit dem Beschleunigungsbereich und dem Mischbereich 164 in Verbindung steht. Druckwasser wird durch eine Leitung zu der nicht gezeigten Düse geführt. In Fig. 11 ist die Mischbereichskammer 168 unterhalb der Zyklon-Trennvorrichtung 170 angeordnet. Wie bei der Ausführungsform der Fig. 5 bis 8 verläßt das Reingas den Zyklon durch die axiale Leitung oder das Abzugsrohr 172, während der Schlamm, bestehend aus Wasser und teilchenförmiger Substanz, vom Boden der Mischkammer 168 durch die Leitungen 174 abgezogen wird.

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Natürlich kann die "Auftrom-Trennvorrichtung", die in Fig. 11 gezeigt ist, sowohl für heißes als auch für kaltes Schmutzgas und zusammen mit den Heißwasserdüsen, deren Form in Fig. 9 gezeigt ist und die wie in den Fig. 1OA Ms 1OC angeordnet Bind, verwendet werden. Die Trennvorrichtung nach Fig. 11 kann auch für jedes der Verfahren nach Fig. 1 bis 4 verwendet werden.

Die Fig. 12 und 13 zeigen eine Form der thermodynamischen Zyklon-Trennvorrichtung mit einer Anzahl tangentialer Düsenantriebe. Schuiutzgas wird durch die Leitung 180 zugeführt und in die Trennvorrichtung geleitet. Die Leitung 180 verengt sich zu einem kleineren, rechteckigen Querschnitt und steht mit dem offenen Ende einer kreis- oder spiralförmigen Verteilerleitung in Verbindung, die eine Anzahl von nach innen gerichteten, aerodynamisch geformten Leitungen 184 aufweist. Wie am besten aus Fig. 13 zu ersehen ist, nimmt die Verteilerleitung 182 nach und nach mit zunehmender Entfernung von der Leitung 180 im Querschnitt ab. Die aerodynamisch geformten Leitungen 184 stehen mit dem oberen. Bereich der Zyklon-Trennvorrichtung in Verbindung. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, treten die Leitungen.184 in die Zyklon-Trennvorrichtung 190 tangential ein und ändern sich im Querschnitt, je näher sie an die Trennvorrichtung herankommen. Die Zyklon-Trennvorrichtung ist grundsätzlich zylindrisch geformt, kann jedoch kegelig zulaufen, so daß sie am Grunde der Trennvorrichtung einen relativ kleinen Durchmesser aufweist. Eine Leitung 192 steht mit dem Grund der Trennvorrichtung 192 in Verbindung und dient der Entfernung des Schlammes, der aus dem Treibfluid und der teilchenförmigen Substanz besteht, die aus dem Schmutzgas entfernt worden ist. Reingas verläßt die Trennvorrichtung 190 durch das Abzugsrohr 194, das sich nach unten in den Mittelbereich der Trennvorrichtung erstreckt.

Ein heißes Treibfluid bei hohem Druck, vorzugsweise V/asser, wird durch eine Leitung 196 und durch eine Zweigleitung 198

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zu einem Wasserverteiler 200 geleitet, der - wie an besten in Fig. 13 zu sehen ist - die Schrautsgasleitung 182 umgibt. Zufuhrleitungen 202 erstrecken sich von der Wasserverteilerleitung 200 aus durch die Gasleitung 182, die leitung 184 und in den Mischbereich der Trennvorrichtung 190. Eine axial zu dem Strom angeordnete Düse, die allgemein durch die Bezugsziffer 204 bezeichnet ist, ist am inneren Ende jeder Zufuhrleitung 202 angeordnet.

V/ie in Pig. 14 gezeigt ist, besitzt die Düse 204 einen Hauptbereich 206 und einen Düsenbereich 208. In dem Hauptbereich 206 sind eine Anzahl von Durchlässen 210 ausgebildet, die den Durchtritt von Treibfluid aus der Zufuhrleitung 202 in einen Raum 212 ermöglichen, der in dem Düsenhauptteil der Düse 204 ausgebildet ist. Der Düsenbereich 208 der Düse 2un ist entsprechend den fluid-dynamischen Grundsätzen ausgebildet und ermöglicht die gewünschte Flußgesehwindigkeit des Treibfluids bei den spezifischen Arbeitsbedingungen. Wie Fig. 14 zeigt, hat die Düse 208 eine konvergierend-divergierende -form. Eine Steuerstange 214 ist konzentrisch in den Hauptbereich 206 der Düse 204 eingefügt und endet als ein nadelventil 216, das so ausgebildet ist, daß es mit der Düse 200 zur Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluids durch die Düse mit dem Düsenbereich 208 zusammenwirkt. Die Steuerstange erstreckt: sich durch die Zuführleitung 202 und endet in einer Steuereinrichtung, die in Pig. 13 scherautisch als Knopf 218 dargestellt ist, 3?'jkannte Steuerrnechani £jrnen können zur Veränderung der ITadclvent ils teilung entsprechend den Arbeitsparacietern des Systems verwendet werden.

Beim Betrieb treibt der Strom heißen, unter hohem Druck befindlichen V/assers, der aus den Düsen 204 austritt, das Schmutzgaa durch die leitung 182 und durch die aerodynamisch geformte Leitung 184. Im Mischbereich wird das Hochdruckv/asser zerstäubt und verdampft teilweise, vermischt sich mit dem Gas und beginnt

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zu kondensieren, so daß die von dem Gas mitgeführten Teilchen eingekapselt werden. Die Mischung aus Gas und wachsenden Tropfen wird mit einer relativ hohen Geschwindigkeit tangential in die Zyklon-Trennvorrichtung 190 eingeführt. Da sich die Mischung in einer grundsätzlich schraubenförmigen Strömungsbahn nach unten bewegt, werden die die Teilchen enthaltenden Tropfen durch Zentrifugalkraft nach außen in Richtung der Wände der Trennvorrichtung gezogen, während das reine Gas im mittleren, axialen Bereich der Trennvorrichtung bleibt. Die die Teilchen enthaltenden Tropfen werden als ein Schlamm durch die Leitung 192 abgezogen, während das gereinigte Gas die Trennvorrichtung durch den Abzug 194 verläßt.

Obwohl in Pig. 13 vier Düsen 204 dargestellt sind, kann diese ^Anzahl der Düsen in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der jeweiligen Düsen und den Parametern des Systems geändert werden. Die Düsen 204 und die zugehörigen Zufuhrleitungen 202 sind vorzugsweise leicht abwärts gerichtet, so daß sie eine Abwärtsströmung in der Trennvorrichtung hervorrufen. Die Düsen sind in Pig. 3 in derselben horzizontalen Ebene dargestellt, können jedoch auch in verschiedenen Ebenen vorgesehen sein, so daß jede Düse im wesentlichen von den ITachbardüsen unbeeinflußt bleibt.

Die thermodynamisch^ Zyklon-Trennvorrichtung mit tangentialer Beschleunigung, die in den Pig. 12 und 13 gezeigt ist, kann in Verbindung mit jedem der in den Pig. 1 bis 4 wiedergegebenen Verfahren verwendet werden. Diese Porm von Trennvorrichtungen kann paarweise verwendet werden, wie in Pig. 12 angegeben worden ist, jedoch können auch einzelne Einheiten ohne Nachteil Verwendung finden.

Die Axialstrom-Düse, die in Pig. 14 gezeigt ist, ist insbesondere für die Tangential-Trennvorrichtung nach Pig. 12 und 13 geeignet, jedoch kann auch eine Düse des Typs, der in Pig. 9 ge-

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zeigt ist, verwendet v/erden. Ebenso kann die Axialstroradüse der in Fig. 14 gezeigten Art für Trennvorriehtungen nacli den Pig. 5 bis 8 herangezogen werden, indem z.B. eine geeignete Biegung oder ein Knick in der Leitung, die zu der Düse führt, zur Anpassung an die Heißwasser-Zufuhrleitung und die Düsensteuervorrichtung vorgesehen sind.

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   Verfahren zum Abtrennen von Teilchenaus einem verschmutzten Trägergas unter Einwirkung eines Fluids, dadurch gekennze ichnet, daß das verschmutzte Trägorgas durch das Fluid "beschleunigt und mit diesem vermischt wird, wobei das Fluid mit einer Temperatur und unter einem Druck eingebracht wird, die zu dem Trägergas in Beziehung steht, so daß Fluidtropfen entstehen, die die Teilchen einhüllen, und daß diese Tropfen von dem Trägergas abgetrennt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Trägergas innerhalb eines geschlossenen Systems mit einem Druck eingespeist wird, der unter dem Druck liegt, mit dem das heiße Druckfluid in das System eingelassen wird, wobei sich die Fluidtropfen durch fein verteiltes und verdampftos Fluid bilden, das durch Einlassen des heißen Hochdruckfluids in das geschlossene System entstanden ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1.oder 2, dadurch gekennze ichnet, daß das eingespeiste Fluid V/asser unter hohem Druck ist, das vor seinem Eintritt in das geschlossene System im wesentlichen bei seiner Sättigungstemperatur entsprechend seinem Druck gehalten worden ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Tropfen, die die Teilchen enthalten, wachsen läßt, bevor man sie von dem Trägergas entfernt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e -

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   kennzeichnet, daß in den Tropfen lösliche Gase, die gegebenenfalls im Trägergas enthalten sind, gelöst werden.
6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verschmutzte Trägergas ein heißes Gas ist, das während des Ablaufs eines industriellen Verfahrens entstanden ist, und daß das heiße Trägergas direkt ohne Umwandlung zum Heizen des Fluids verwendet wird, während dieses sich bei hohem Druck befindet.
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine aerodynamisch geformte leitung (88,90,122,123 oder 184), in die das Trägergas eingeleitet wird, durch Fluiddüsen (94 oder 204) zum Einlassen des Fluids in die Leitung bei einer Temperatur und einem Druck, der so zu dem Trägergas in Beziehung gesetzt ist, daß Fluidtropfen gebildet werden, die die Teilchen einhüllen, und durch Trenneinrichtungen (20,96,170 oder 190), die mit der Leitung in Verbindung stehen und die Tropfen aus dem Trägergas abtrennen.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennze ieh.net, daß die Düsen, die mit der Leitung in Verbindung stehen, vor einem Verbindungsbereich zwischen der Trenneinrichtung und der Leitung angeordnet sind.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Düsen für heißes Hochdruckfluid, die an den entgegengesetzten Seiten der Leitung angeordnet sind.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, d a d u r ch gekennze ichnet, daß die Pluiddüsen (204) axial

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    in der Leitung angeordnet sind, die im wesentlichen tangential mit der Trenneinrichtung in Verbindung steht.

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