DE2060617A1

DE2060617A1 - Verfahren zum Entfernen von Schwebeteilchen aus einem Gas

Info

Publication number: DE2060617A1
Application number: DE19702060617
Authority: DE
Inventors: Horsley Caperton Braxton
Original assignee: Braxton Corp
Current assignee: Braxton Corp
Priority date: 1969-12-10
Filing date: 1970-12-09
Publication date: 1971-06-16
Also published as: CA947671A; GB1330870A; US3681009A; JPS5016543B1

Description

U.S. Ser. Fo. 883,782

einger.: 10. Dezember 1969

BEAXTON CORPORATION Medfield, Mass. (USA)

Verfahren zum Entfernen von Schwebeteilchen aus einem Gas

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Schwebeteilchen aus einem Gas, welches der Einwirkung von Schallwellen ausgesetzt wird.

Die Erfindung ist insbesondere auf die Entfernung unerwünsch ter gasartiger Bestandteile und Schwebeteilchen mit einem Durchmesser unterhalb von ein Mikron aus einem Gasstrom gerichtet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in das Gas Sekundärteilchen eingebracht und in der Schwebe gehalten werden, daß das Gas danach einem Schallfeld ausgesetzt wird, welches Teilchen unterschiedlicher Größe unterschiedliche Bewegungen erteilt, derart, daß die Teilchen miteinander kollidieren und sich mit den zu entfernenden Schwebeteilchen zu größeren Partikeln zusammensetzen, und daß diese Partikel anschließend aus dem Gas entfernt werden.

In bevorzugter Weise dient das erfindungsgemäße Verfahren der gleichzeitigen Entfernung von Schwefeldioxyd und Teilchen einer Größe unterhalb ein Mikron, wobei das Gas einem Schallfeld innerhalb einer Resonanzkammer ausgesetzt wird, der Energie durch eine schwingende Wand zugeführt wird und an die ein Schwerkraft-Auffangbecken angepaßt ist. Perner ist ein Teilcheninjektor vorgesehen, welcher mit Hilfe einer

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Sprühdüse das Gas mit Wasser sättigt und welchem eine Turbine zur Vergrößerung des G-asvolumens und zur Erzeugung von Kondensationsvorgängen im Gas nachgeschaltet ist. Dabei werden Sekundärpartikel aus Ammoniaklösung gebildet, welche mit dem Schwefeldioxyd reagieren. Die Turbine treibt weiterhin einen Kompressor an, mit Hilfe dessen der Gasdruck wieder erhöht wird, und schließlich werden die gebildeten Teilchen mit Hilfe eines Zyklonenscheiders entfernt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

i*ig. 1 eine schematische Darstellung eines Gerätes zur Entfernung von Teilchen; und

S¹Ig. 2 eine teilweise weggebrochene Darstellung der Agglomerationskammer.

In Pig. 1 ist ein Einlaßstrom 20 veranschaulicht, welcher zu entfernende Teilchen und Gase, wie Plugasche und Schwefeldioxyd, mit sich führt und in die insgesamt mit 22 bezeichnete Vorrichtung durch eine Einlaßleitung 24 einströmt und in eine Sättigungskammer 26 eintritt, welche an ihrer Oberseite mit Sprühdüsen 28 versehen ist.

Über eine Zufuhrleitung 32 und ein automatisches Steuerventil 36 gelangt Wasser zu den Sprühdüsen 28. Eine Ablaufleitung _; 27 am Boden der Kammer läßt das überschüssige Wasser wieder austreten. Die Kammer hat eine Auslaßlellung 38, an der übli- | ehe Fühler 33 die Temperatur und Feuchtigkeit des durch die Auslaßleitung 38 fließenden Gases feststellen und entsprechende Informationen an das üblich aufgebaute Steuergerät 30 geber welches das automatische Steuerventil 36 betätigt. Aus Ammoniakvorratßbehältern 35 gelangt ein Ammoniakgasstrom durch ein Ventil 37 und eine Leitung 39 in die Auslaßleitung 38.

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Die Auslaßleitung 38 führt zu einer Expansionsturbine 40, deren Ausgang über eine Leitung 42 mit dem Eingang einer Schallagglomerationskammer 50 verbunden ist, an welcher ein Schallerreger 51 angebracht ist. Die Kammer 50 ist über eine i Absaugleitung 44 mit einer Pumpe 46 verbunden. Eine Leitung j 48 verbindet die Kammer 50 ferner mit einem Zj^klonenscheider ^; 52, der ebenfalls über eine Absaugleitung 54 mit einer Pumpe 56 verbunden ist. Eine Leitung 58 verbindet ferner den Zyklo-j nenscheider 52 mit einem Kompressor 60, an dessen Ausgang ■-! eine Austrittsleitung 62 angeschlossen ist. Der Kompressor \ 60 und die Turbine 40 sind miteinander und mit dem Motor 64 : gekoppelt (bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ' mit Hilfe einer schematisch gezeichneten gemeinsamen Welle 66

Die Agglomerationskammer 50 ist genauer in Fig. 2 dargestellt^ Sie besteht aus einer zentralen zylindrischen Schallresonanz-' kammer 102, deren Oberwand 104 mit einer vorbestimmten Anregungsfrequenz (vorzugsweise 400 Hz) senkrecht zu ihrer Ober-ifläche innerhalb einer Kreisöffnung 106 schwingen kann. Zur ι Aufhängung und Bewegung der Oberwand 104 sind entsprechende Mittel vorgesehen, wie sie beispielsweise in der US-Patentanmeldung 854 373 vom 2. September 1969 beschrieben sind. Ein Einlaßkrümmer 120 umgibt den unteren Teil der Kammer 102 und steht in Verbindung mit der Leitung 42. Am Boden der Kammer , 102 ist ein Auffangbecken 128 angeordnet, dessen Boden 130 sich zu einer Abflußöffnung 132 neigt, welche mit der Absaugleitung 44 verbunden ist. Ein ringförmiger Binlaßkanal 122, der sich zwischen dem Deckel 124 und der Wand 126 des Auffang+ beckens 128 befindet, stellt eine Verbindung zwischen dem

Krümmer 120 und der Kammer 102 her. ;

Ein ringförmiger Auslaßkanal 140, der zwischen der Wand 142 : der Kammer 102 und dem Auslaßdeckel 144 angeordnet ist, stell"; eine Verbindung zwischen dem oberen Teil der Kammer 102 und

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dem Auslaßkrümmer 146, welcher die Kammer 102 umgibt, dar.

Der Krümmer 146 steht seinerseits mit der Leitung 48 in Ver- I bindung. Die Kanäle 122 und HO haben i/4 Wellenlänge des I Schallfeldes, und sind so angeordnet, daß sie mit der Kammer ι 102 an Stellen minimaler Druckänderungen des in der Kammer j 102 erzeugten Schallfeldes in Verbindung stehen, so daß die ;

Übertragung von Schallenergie durch diese Kanäle minimal gehalten wird.

Im Betrieb tritt ein Einlaßstrom 20, welcher zu entfernende Partikel wie schwebende Flugasche und unerwünschte Gasbestandteile wie Schwefeldioxyd enthält, durch die Leitung 24 in die Sättigungskammer 26 ein. Die Sprühdüsen 28 an der Oberseite der Sättigungskammer 26 werden mit Druckwasser gespeist und erzeugen Strahlen von Wassertropfen, welche durch die Kammer 26 nach unten schweben und in das Gas hinein verdampfen und es kühlen. Normalerweise wird der Wasserzufluß zu den Sprühdüsen so gesteuert, daß fast das gesamte austretende Wasser in den Gasstrom hinein verdampft. Wenn jedoch Gas mit einer übernormalen hohen Temperatur eintritt, dann wird der Wasserzufluß vergrößert, so daß das aus der Sättigungskammer austretende Gas stärker gekühlt ist. Überschüssiges Wasser sammelt sich am Boden der Kammer 26 und fließt j durch die Leitung 27 ab. Der nun mit Wasserdampf gesättigte Gasstrom tritt aus der Kammer 26 in die Leitung 38 ein. Die Temperatur und die relative Feuchtigkeit des in die Leitung 38 austretenden Gases werden von Fühlern 32 abgefühlt, welche über das Steuergerät 30 das Steuerventil 36 steuern und den Wasserzufluß zu den Sprühdüsen 28 regulieren. In die Leitung 38 läßt man Ammoniakgaa einströmen, welches sich mit dem wassergesättigten zu behandelnden Gas vermischt.

Der Gasstrom, der nun mit Wasserdampf gesättigt und mit Ammoniak versehen ist, tritt nun durch die Leitung 38 in die Turbine 40 ein, wo er eine näherungsweise adiabatische

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Ausdehnung erfahrt, bei welcher gleichzeitig Druck und Temperatur erniedrigt werden. Infolge der Ausdehnung in der Turbine 40 wird der Gasstrom mit Wasserdampf übersättigt, und Sekundärteilchen flüssigen Wassers bilden sich und dispergieren infolge von Kondensationserscheinungen in der gesamten Masse des Gases. Das im Strom getragene Ammoniakgas löst sich in den Wasserpartikeln auf und ergibt eine reagierende Ammo- I niaklösung. Der Ausfluß, der Tropfen der Ammoniaklösung in Suspension trägt, wird durch die Leitung 42 zum Einlaßkrümmer 120 der Agglomerationskammer 50 geführt und tritt von diesem in die Schallresonanzkammer 102 durch den Einlaßkanal 122 ein

Die Wand 104 an der Oberseite der Schallresonanzkammer 102 wird mit einer vorbestimmten !Frequenz (beispielsweise 400 Hz) mit Hilfe eines Stimulators 51 (wie er beispielsweise in der vorerwähnten US-Patentanmeldung beschrieben ist) in Schwingungen versetzt. Da die Länge der Kammer 102 als Resonanzlänge für die Schwingungsbewegung der Wand IO4 bemessen ist, entsteht innerhalb der Kammer 102 ein Schallfeld mit stehenden Wellen. Die Amplitude dieses jfeldes ist genügend groß, um Teilchenverschiebungen (beispielsweise 3 mm) hervorzurufen, welche größer als der Durchmesser der Schwebetröpfchen sind. Die Schwingbewegung des Gases, welche von dem Schallfeld angeregt ist, sucht die im Gas schwebenden Partikel in eine entsprechende Bewegung zu bringen. Die kleineren Partikel (von weniger als ein Mikron Durchmesser), die nur eine geringe Trägheit haben, bewegen sich fast genau mit dem Gas, in dem sie suspendiert sind. Die größeren Partikel (von größerem Durchmesser als 10 Mikron) lassen sich wegen ihrer größeren Trägheit nicht so leicht durch das Gas bewegen und schwingen daher mit einer wesentlich geringeren Amplitude als das Gas, in dem sie schweben. Demzufolge ergeben sich Differenzbewegungen zwischen den kleineren Partikeln und sich dem mit

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großer Amplitude bewegenden Gas einerseits und den größeren Partikeln, welche sich nur wenig oder (wenn sie sehr groß sind) praktisch überhaupt nicht im Schallfeld bewegen. Infolge dieser Bewegungsdifferenz treten Kollisionen zwischen den größeren und kleineren Partikeln auf, welche sich daraufhin zu größeren zusammengesetzten Partikeln agglomerieren. Die Bewegungsdifferenz zwischen den größeren Partikeln und dem

Gas führt dazu, daß die Oberfläche der größeren Tropfen dem Gas in stärkerem Maße ausgesetzt wird, so daß eine schnellere und gründlichere Absorption der Schwefeldioxydbestandteile in diese Partikel erfolgt, wobei sie durch das aufgelöste Ammoniakgas durch eine Reaktion neutralisiert werden.

Die Agglomeration von Partikeln unterschiedlicher Größen durch sukzessive Kollisionen führt zum Auftreten so großer zusammengesetzter Partikel, daß sie nicht mehr in der Schwebe gehalten werden können und infolge der Schwerkraft auf den Boden der Kammer 102 absinken, wo sie sich im Auffangbecken 128 sammeln und durch, die Absaugleitung 44 und die Pumpe abgezogen werden. ITach der Behandlung in der Agglomerationskammer 102 strömt das Gas durch den Kanal 140 und den Auslaßkrümmer 146 zur Leitung 40 ab.

Damit die unerwünschten Schwebeteilchen gründlich entfernt werden, muß eine genügende Anzahl von Sekundärteilchen eingebracht werden, wobei die Eigenschaften des Schallfeldes (wie Frequenz und Amplitude) und die Dauer der Einwirkung des Schallfeldes zu berücksichtigen sind, so daß eine hohe Kollisionswahrscheinlichkeit zur Agglomerierung in zusammengesetzte Partikel erhalten wird.

Von der Leitung 46 gelangt das Gas in den Zyklonenscheider 52, wo restliche Partikel, die nicht in das Auffangbecken gefallen sind, entfernt und durch die Leitung 54 und Pumpe

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abgezogen werden. Das nunmehr von Flugasche und Schwefeldioxyd gereinigte Gas durchläuft den Kompressor 60, wo es auf den Umgebungsdruck komprimiert wird und dann durch die Auslaßleitung 62 ausströmt. Infolge der im Kompressor 60 auftretenden Kompres-r sion erhöht sich die Temperatur des Gases, so daß die relative ' !Feuchtigkeit verringert wird und die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens einer Dampfwolke beim Ausblasen in kalte Luft herab- : gesetzt wird.

Die Turbine 40 und der Kompressor 60 arbeiten auf eine gemeinsame Welle 66, so daß die dem Gas während der Expansion in der Turbine entnommene Energie zur Kompression des Gases im Kompressor ausgenutzt werden kann. Der ebenfalls auf die Welle 66 arbeitende Motor 64 liefert zusätzliche Energie zum Betrieb des Kompressors, da die Turbine üblicherweise weniger Energie abgibt als der Kompressor benötigt.

Nachfolgend sind typische Betriebsbedingungen für eine bevorzugte Ausführungsform angeführt:

Einlaßstrom: Strömungsgeschwindigkeit 566 nr/m (20 000 cfm) Temperatur 204° G (400° 3?)

Zusammensetzung 0,25 1° SO₂, 35,3 gr/m⁵ (0,1 gr/ft⁵) Flugasche mit einer Partikelgröße zwischen 0,1 und 1,0 Mikron

Strömung am
Turbineneingang:

Strömungsgeschwindigkeit 396 171 (14 000 cfm) Temperatur 65° C (150⁰ F) Druck 1,03 kg/cm² (14,7 psia) Relative Feuchtigkeit 100 % Ammoniakgehalt 0,05 °/°

Strömung am

S challkamme r- ρ

eingang: Druck 0,96 kg/cm (13,7 psia)

Temperatur 63° 0 (146° F) Gehalt an flüssigem Wasser

O_gr/ft³)

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Verhältnisse innerhalb der Schallkammer:

Strom am Systemausgang :

Schallfrequenz 400 Hz

Schallintensität ■+ 0,09 kg/cm² (+1,3 psi),

Spitzenwert

Einwirkungsdauer 1,6 sek.

SO₀ Gehalt 0,013 $

Partikelgehalt weniger als 3,53 gr/nr

(0,01 gr/ft³)

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Claims

Patentansprüche

1J Verfahren zum Entfernen von Schwebeteilchen aus einem Gas, welches der Einwirkung von Schallwellen ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in das Gas Sekundärteilchen eingebracht und in der Schwebe gehalten werden, daß das Gas danach einem Schallfeld ausgesetzt wird, welches Teilchen unterschiedlicher Größe unterschiedliche Bewegungen erteilt, derart, daß die Teilchen miteinander kollidieren und sich mit den zu entfernenden Schwebeteilchen zu größeren Partikeln zusammensetzen, und daß diese Partikel anschließend aus dem Gas entfernt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebrachten Sekundärteilchen ilüssigkeitsteilchen sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl und Größe der eingebrachten Sekundärteilchen im Hinblick auf die Eigenschaften des Schallfeldes und seiner Einwirkungsdauer auf das Gas ausreichend ist, um eine hohe !Collisions- und Agglomerationswahrscheinlichkeit der dem S_challfeld ausgesetzten Teilchen in zusammengesetzte Partikel eintritt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebrachten Teilchen dadurch erzeugt werden, daß das Gas zuerst mit einem Dampf gesättigt wird und dann expandiert wird, so daß die Teilchen durch Kondensation des Dampfes entstehen.
5. Verfahren nach Anspruch 4i dadurch gekennzeichnet, daß die Expandierung bei näherungsweise konstanter Entropie erfolgt.

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6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Gas unerwünschte gasartige Bestandteile enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebrachten Teilchen aus einem Material bestehen, welches mit den unerwünschten Gasbestandteilen derart reagiert, daß die unerwünschten Gasbestandteile in den zusammengesetzten Partikeln aufgenommen sind und mit ihnen entfernt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenz des Schallfeldes zwischen 300 und 500 Hz liegt und die Druckänderungen mehr als 0,035 kg/cm (0,5 psi) Spitzenwert überschreiten.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärteilchen Durchmesser vorzugsweise im Bereich von 1 bis 100 Mikron haben.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmasse der Sekundärteilchen für eine vorgegebene Gasmenge größer als die der zu entfernenden Schwebeteilchen ist.
10. Vorrichtung zum Entfernen von Schwebeteilchen aus einem Gas, welches der Einwirkung von Schallwellen ausgesetzt wird, gekennzeichnet durch einen Teilcheninjektor (Sättigungskammer 26), welcher das Gas in unbehandeitern Zustand aufnimmt und Sekundärteilchen in das Gas einbringt und in ihm verteilt, ferner durch eine Schallagglomerationskammer (50), welche die aus dem Injektor kommende Strömung aufnimmt und das Gas einem Schallfeld aussetzt, das den ausgesetzten Schwebeteilchen unterschiedlicher Größe unterschiedliche Bewegungen erteilt, so daß die Teilchen miteinander kollidieren und sich zu größeren Partikeln zusammensetzen, und durch eine Einrichtung (Auffangbecken 128, Zyklonenscheider 52) zum Entfernen der zusammengesetzten Partikel aus dem Strom.

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11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Agglomerationskammer (50) eine mit einer "bestimmten Frequenz hin und her schwingende Wandung (Oberwond 104) hat, welche dem Schallfeld Energie zuführt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Agglomerationskammer (50) so gewählt sind, daß bei einer bestimmten Frequenz Resonanz auftritt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Entfernung der Partikel ein Fangbecken (123) aufweist, welches sich innerhalb der Kammer befindet und mit Schwerkraftwirkung arbeitet.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich4 net, daß die Einrichtung zum Entfernen der zusammengesetzten Teilchen einen Zyklonenscheider (52) aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14» gekennzeichnet durch eine Expansionseinrichtung (Expansionsturbine 40), in welcher das Gas zur Erzeugung kondensierter Partikel expandiert wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionseinrichtung eine Expansionsturbine (40) ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch, eine Sättigungseinrichtung (Sättigungskammer 20), in der das Gas an einer Stelle stromaufwärts von der Expansionseinrichtung (40) mit Dampf gesättigt wird.

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18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10, 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilcheninjektor (Sättigungskammer 26) eine Sprüheinrichtung (Sprühdüse 28) zur Sättigung des Gases mit einem Dampf und eine unterhalb der Sprüheinrichtung angeordnete Turbine (40) zur Expansion des Gases zur Erzeugung von durch Kondensation gebildeten Sekundärteilchen im Gas aufweist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf Wasserdampf ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas unerwünschte gasförmige Bestandteile enthält und daß die Sekundärteilchen aus einem Material bestehen, welches mit den unerwünschten Gasbestandteilen reagiert, so daß diese in den zusammengesetzten Partikeln enthalten sind und mit ihnen entfernt werden.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das reagierende Material eine Ammoniakgaslösung ist und daß die unerwünschten gasförmigen Bestandteile Schwefeldioxyd sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, gekennzeichnet durch einen von der Turbine (40) angetriebenen Kompressor (60) zur Erhöhung des Gasdruckes.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (60) stromabwärts von der Einrichtung (128,52) zur Entfernung der Teilchen angeordnet ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckamplituden des Schallfeldes j

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größer als 0,07 kg/cm (1 psi) sind. |

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