DE2514704B2 - Fliehkraftentstauber - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fliehkraftentstauber mit einer feststehende Leitschaufeln aufweisenden Leiteinrichtung zur Trennung eines Verunreinigungen enthaltenden Unterstromes von einem Hauptgasstrom und Umleitung des Unterstromes zu einer Fangkammer, und einer stromab von der Leiteinrichtung angeordneten Turbine, deren Laufrad der gereinigte Gasstrom zugeführt wird oder einem der Leiteinrichtung zugeordneten Laufrad.

Ein Fliehkraftentstauber der eingangs beschriebenen Art ist bekannt (DE-PS 9 20 704). Bei einer Ausführungsform ist hinter einer Leiteinrichtung ein Laufrad angeordnet, das von einem Motor angetrieben ist, um durch Rektifikation des Drallstromes der Gasströmung Energie mitzuteilen. Bei einer zweiten Ausführungsform ist stromab von der Leiteinrichtung eine Turbine angeordnet, deren Laufrad der gereinigte Gasstrom zugeführt wird.

Im allgemeinen ist es wegen der Gefahr der Erosion der Laufräder von Turbinen nicht möglich, hochgradig

ίο verschmutzte heiße Abgase zur Energiegewinnung heranzuziehen. Bei dem bekannten Fliehkraftentstauber erfolgt die Beaufschlagung des Laufrades zwar mit gereinigtem Gas, eine Energiegewinnung findet jedoch einzig durch das Laufrad der Turbine statt Die im Fliehkraftentstauberteil abgegebene Energie wird hingegen nicht verwendet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fliehkraftentstauber mit Rückgewinnungsturbine so auszubilden, daß eine hervorragende Reinigung des Verunreinigungen enthaltenden Gases und eine Aufbereitung des gereinigten Gases für die Energierückgewinnungsturbine erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das der Leiteinrichtung zugeordnete Laufrad stromauf von der Turbine angeordnet ist, deren Schaufelkanäle in Strömungsrichtung konvergieren und das mit der Welle der Turbine verbunden ist.

Bei der Erfindung ist der feststehenden Leiteinrichtung ein Laufrad zugeordnet, das mit Hilfe konvergierender Schaufelkanäle für eine wirksame Trennung von Staub und gereinigtem Gas sorgt bei gleichzeitiger Expansionswirkung und somit zur Energierückgewinnung beiträgt, indem es mit der Welle der Turbine gekoppelt ist. Gleichzeitig erfolgt die gewünschte Aufbereitung des gereinigten Gases zur Beaufschlagung der Rückgewinnungsturbine. Diese wird im Gegensatz zur bekannten Vorrichtung somit vor hohen Temperaturen bewahrt.

Es ist grundsätzlich bekannt, zur Fliehkraftabscheidung von Verunreinigungen in Gasen Radialschaufeln zu verwenden (DE-PS 5 90 832). Eine Energierückgewinnung ist bei der bekannten Vorrichtung nicht vorgesehen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 das Flußbild einer Energierückgewinnungsanlage mit einem Fliehkraftentstauber nach der Erfindung, Fig.2 einen Teilschnitt durch einen Fliehkraftentstauber nach der Erfindung,

F i g. 3 einen Schnitt durch die Darstellung nach F i g. 2 entlang der Linie 3-3,
F i g. 4 einen Teil der Darstellung nach F i g. 2 in etwas abgeänderter Ausführung,

F i g. 5 eine ähnliche Darstellung wie F i g. 4, jedoch mit einer etwas abgewandten Ausführung,

F i g. 6 eine ähnliche Darstellung wie die F i g. 4 und 5 mit einer dritten abgewandten Ausführung,

bo F i g. 7 ein Geschwindigkeitsdiagramm für einen Fliehkraftentstauber nach F i g. 2.

F i g. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Energie-Rückgewinnungsanlage mit einer Expansionsmaschine 10. Diese ist so angeordnet, daß sie Abgase von einer abströmseitig angeordneten Aufbereitungsanlage 11, beispielsweise einer Kohlevergasungsanlage empfängt. Die Gase werden nach Abkühlung und Reinigung in eine Turbine 13 gegeben zur Erzeugung

von Energie. Expansionsmaschine und Turbine sind an eine gemeinsame Welle 15 angekuppelt, die wiederum zum Antrieb eines Energiewandlers 14 diem, z. B. eines Kompressors oder eines elektrischen Generators.

Die Abgase werden vom Auslaß der Aufbereitungsanlage unmittelbar in den axialen Ansaugkanal 16 der als Fliehkraftentstauber wirkenden Expansionsmaschine 10 gegeben. Wie am besten aus F i g. 2 ersichtlich, weist der Ansaugkanal ein ringförmig ausgebildetes Außengehäuse 17 auf mit einer mittig angeordneten, axial fluchtenden konischen Leiteinrichtung 18, die von einer Anzahl Stangen 19 gehalten ist Abströmseitig davon ist als Leiteinrichtung eine Düsenstufe 20 angeordnet, bestehend aus einem Ring von Statorschaufeln, die in bekannter Weise in den Innenwänden des Gehäuses 17 befestigt sind. Die Düsen erzeugen eine volle axiale Drallströmung von 360° in Richtung einer Laufradanordnung 22. Das Laufrad hat eine Reihe von Schaufeln 23, die beispielsweise durch eine Schweißverbindung an einer Scheibe 24 befestigt sind. Die Scheibe 24 wiederum ist durch Schraubverbindungen 25 an der Welle 15 befestigt. Eine Labyrinthdichtung 26 soll ein Lecken von Gas verhindern.

Die Laufradschaufeln 23 sind so angeordnet, daß sie den axial rotierenden Gasstrom aufnehmen und im wesentlichen radial ablenken, wodurch das Gas in eine Auslaßkammer 29 entlassen wird. Die Schaufeln sind so ausgebildet, daß sie konvergierende Kanäle bilden und somit Antriebsenergie für die Welle 15 liefern. Die konvergierenden Schaufelkanäle dienen ferner dazu, die Gastemperaturen und -drücke herabzusetzen.

Das Laufrad wirkt als eine Zentrifuge in bezug auf den Gasstrom. Die Länge der Schaufelkanäle und die Geschwindigkeit des Laufrades sind so geregelt, daß die schweren Substanzen im Gasstrom, insbesondere die festen Abfallpartikel, in Richtung der mit 31 bezeichneten Seite des Schaufelkanals mit dem kleineren Radius gedrückt werden Die Geschwindigkeit des die Laufradspitze verlassenden Gases wird auf oder vorzugsweise unterhalb Schallgeschwindigkeit gehalten, um eine laminare Strömung zu behalten. Die Zentrifugalkräfte, die in der laminaren Strömung erzeugt werden, drücken die schweren Substanzen in einen Unterstrom 27. Dieser bewegt sich mit einer relativ niedrigeren Geschwindigkeit durch die Schaufelkanäle als die nicht verunreinigten Gase und bildet so eine Trennfläche 33 dazwischen.

Es wird nunmehr auf F i g. 7 Bezug genommen. Diese Figur zeigt eine repräsentatives Geschwindigkeitsdiagramm für die in F i g. 2 gezeigte Expansionsmaschine, Es ist festgestellt worden, daß zur Erlangung einer annehmbaren Standzeit die absolute Geschwindigkeit des aus den Schaufelkanälen austretenden Gasstroms wie auch die Relativgeschwindigkeit des die Laufradspitzen verlassenden Stroms reinen Gases in den entsprechenden Engquerschnitten gleich oder geringer als 0,85 Mach sein sollten, wenn die Expansionsmaschine bei dem höchsten oder nahezu höchsten Geschwindigkeitsverhältnis arbeitet. Es sei darauf hingewiesen, daß sich die Bezeichnung »höchstes Geschwindigkeitsverhältnis« auf das isotropische Geschwindigkeitsverhältnis bezieht, bei welchem höchster Wirkungsgrad gegeben ist.

Durch Einstellung der Teilkreisdurchmesser der Düsenstufe und des Laufrades können die jeweiligen Teilkreisgeschwindigkeiten innerhalb des gewünschten Bereichs erhalten werden. Wenn der Teilkreisdurchmesser der Düsenstufe zwischen dem 0.5- und 0.9fachen desjenigen des Laufrades gehalten wird, tritt die absolute Ausströmgeschwindigkeit der Düsenstufe und die relative Geschwindigkeit des die Spitze des Laufrades verlassenden reinen Gases bei oder unterhalb von 0,85 Mach auf. Das heißt:

ti,

ίο wobei d] und cfe die Teilkreisdurchmesser der Düsenstufe bzw. des Laufrades sind, gemessen an der in F i g. 7 gezeigten Eintrittsötfnung, und

Ui und t/2 die Teilkreisgeschwindigkeitskomponenten des die Düsenstufe bzw. das Laufrad verlassenden gereinigten Gases sind, wie in F i g. 7 gezeigt.

Es sei darauf hingewiesen, daß sich das hier dargestellte Geschwindigkeitsdiagramm auf die Geschwindigkeit des gereinigten Gases bezieht und daß sich demzufolge selbstverständlich der Unterstrom infolge der Hemmfaktoren mit einer leicht geringeren Geschwindigkeit bewegt. Es wird nunmehr wiederum auf Fig. 2 Bezug genommen, bei der eine ringförmige zylinderartige Fangkammer 40 beispielsweise durch Verschweißen oder Gießen an dem Hauptgehäuse

2% angebracht ist. In das Innere 41 strömt der Unterstrom frei ein. In der unteren Wand der Fangkammer 40 ist im Bereiche der Spitze der Laufradschaufeln eine ringförmige Öffnung 43 gebildet, durch welche das Gas in die Fangkammer strömt. Die rechte Wand der Fangkam-

Jd mer (bei Darstellung in F i g. 2) mündet in eine Lippe 45, die sich von der Seite der Laufradschaufeln mit dem kleineren Radius genügend weit nach außen erstreckt, um den Unterstrom voll zu erfassen.

Wie in F i g. 3 deutlicher gezeigt, ist die Fangkammer

j-, 40 mit einem tangentialen Auslaßrohr 48 verbunden, welches sich über den Außenumfang des Gehäuses hinaus nach oben erstreckt. Das Auslaßrohr 48 ist entsprechend der Darstellung in F i g. 1 über eine Leitung 47 mit einem Zyklonabscheider 50 verbunden.

Das schmutzige Gas, das die Laufradspitzen mit einer beträchtlichen Wirbelgeschwindigkeit verläßt, erzeugt in der Fangkammer 40 einen Wirbelstrom, der das Gas in das Auslaßrohr 48 hineindrückt. Die Zeichnung zeigt eine Wirbeldämpfungsschaufel 49 zur Verhinderung einer übermäßigen Erosion der Fangkammer. Zwischen dem schmutzigen Gas innerhalb der Fangkammer und dem in die Kammer 29 hinein abgegebenen sauberen Gas wird ein geringer Druck aufrechterhalten, wodurch das verunreinigte Gas leicht durch das Auslaßrohr 48 hindurchgezogen und in den abströmseitigen Abscheider hinein abgegeben werden kann. Die Feststoffverunreinigungen werden in dem Zyklonabscheider 50 entfernt und das verbleibende Gas an einem geeigneten Punkt abströmseitig in die Turbine 13 eingeführt; dieser

,5 Einführungspunkt ist abhängig von dem Zustand des aus dem Abscheider 50 austretenden Gases.

Nach den F i g. 1 und 2 wird kühlendes Strömungsmittel an irgendeiner Stufe der Turbine 13 abströmseitig vom Einlaß über eine Leitung 67 abgezogen. Der Punkt,

bo an welchem das Strömungsmittel von der Turbine abgenommen wird, ist abhängig von dem Zustand des Gases und dem Ausmaß der erforderlichen Kühlung. Obwohl nicht gezeigt, wird der Druck des Kühlmittels vorzugsweise auf einen Wert etwas oberhalb desjenigen

μ in der Expansionsmaschine angehoben, beispielsweise mittels einer Pumpe.

Das Kühlmittel tritt an einem Anschluß 52 (F i g. 2) ein und wird durch die Labvrinthdichtune 26 hindurchee-

führt. Das Kühlmittel bildet somit, da es sich unter einem höheren Druck als das Abgas befindet, eine Sperre an der Berührungsfläche von Dichtung und Welle und verhindert ein Entweichen von Gas um die Welle herum. >

Beim Durchgang durch die Dichtung 26 wird das Kühlmittel mittels Einspeisekanälen 53 in eine ringförmige Kammer 55 hinein abgegeben, wo es vorübergehend gespeichert wird, um eine Schleuse zum Abkühlen der Laufradnabe zu bilden. In Laufradendplatten 58 ist in eine Reihe Abgabeöffnungen 56 angeordnet, die sich in radialer Richtung nach oben erstrecken, um das Kühlmittel in den Gaseintrittsbereich 60 vor den Laufradschaufeln hineinzugeben. Hier wird das Kühlmittel mit den relativ heißen Abgasen in genügender ii Menge vermischt, um die Gastemperatur auf einen erwünschten Betriebswert herabzusetzen. Die Betriebstemperatur ist abhängig von dem für den jeweiligen Verwendungszweck nötigen Temperaturausgleich.

Obwohl das Kühlmittel bei dem hier behandelten Beispiel unmittelbar von der abströmseitig angeordneten Energierückgewinnungsanlage erhalten wird, sei darauf hingewiesen, daß es auch von einer beliebigen geeigneten, unabhängigen Quelle bezogen werden kann.

Es ist auch eine sekundäre Kühlung vorgesehen, um die Auswirkungen hoher Temperaturen auf der Expansionsmaschine weiter zu mildern. Wie in F i g. 2 gezeigt, ist ein hohler Kühlmantel vorgesehen, welcher miteinander in Verbindung stehende Kanäle 60 bis 64 jo enthält, durch die ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, hindurchgepumpt wird. Die Kanäle sind an einen gemeinsamen Einlaß 65 angeschlossen, durch den das Kühlmittel mittels einer Pumpe 66 (Fig. 1) von einem Reservoir 68 herangeführt wird. Das Kühlmittel wird im Kreislauf durch den Mantel hindurchgeführt, um die Temperatur der Expansionsmaschine auf einen annehmbaren Betriebswert herabzusetzen. Das Kühlmittel wird dann an einem zweiten gemeinsamen Punkt 69 aus dem Mantel abgegeben und dann durch eine Leitung 70 einem Wärmeaustauscher 71 zugeführt, bevor es zu dem Reservoir zurückgeführt wird.

F i g. 4 zeigt eine zwejte Ausführungsform. In dieser Ausführungsform ist das Laufrad mit einer beweglichen Abdeckung 71 versehen, um der Anlage eine erhöhte Zuverlässigkeit zu verleihen und den Erosionswiderstand der Schaufeln zu verbessern. Die Abdeckung schafft auch eine umlaufende Grenzfläche zur Herabset zung der Geschwindigkeit des Unterstroms relativ zu: einschließenden Grenzschicht. Dieses wiederum ver mindert auch die Erosion an der Grenzschicht sowie die Schaufelerosion in kritischen Bereichen und stell· ebenso sicher, daß laminare Strömung aufrechterhalter wird. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Oberfläche der Abdeckung 71 mit einem relativ harter Überzug versehen sein kann, um dadurch die Erosior erheblich herabzusetzen und die Lebensdauer de; Laufrades zu verlängern.

In einer dritten Ausführungsform, die in Fig. f gezeigt wird, sind Aufteilflügel 73 an den Laufradschau fein befestigt. Sie sind innerhalb der Schaufelkanäle se angeordnet, daß sie den Unterstrom innerhalb de? Laufrades abscheiden und ihn in die Fangkammer 4C hineinführen. Es ist außerdem eine stationäre Teilabdekkung 74 vorgesehen, die mittels Kopfschrauben 75 zurr leichten Austausch an dem Gehäuse befestigt ist. Die stationäre Teilabdeckung ist so angeordnet, daß sie eine relativ große, in die Fangkammer hineinführende öffnung 76 bildet. Die kombinierte Wirkung vor Aufteilflügel 73 und der stationären Teilabdeckung TA ermöglicht es der Expansionsmaschine, einen Unterstrom bei relativ niedriger Geschwindigkeit zu handhaben. Die Aufteilflügel 73 ermöglichen auch eine Lagerung von Teilschaufeln 23a, zwischen den Hauptschaufeln 23, um einen kleineren Ausströmwinkel zi ermöglichen und die Gesamtleistung der Stufe zi erhöhen.

F i g. 6 zeigt eine noch andere Ausführungsform. Wie gezeigt, ist zweckmäßigerweise innerhalb der Auslaßkammer 29 eine schneckenförmige Fangkammer 8Ü angeordnet. Die Kammer 80 wird durch eine nach unter verlaufende radiale Wand 81 begrenzt, die an der Deckwand 82 der Auslaßkammer 29 befestigt ist. In dieser Anordnung wird der Unterstrom im Auslaßbereich der Schaufelkanäle erzeugt; wie gezeigt, wird die öffnung begrenzt durch die angrenzenden Schaufeln 23 und eine austauschbare stationäre Abdeckung 85, die am Gehäuse mittels Schrauben 86 befestigt ist. Die dem austretenden Gas verliehene Wirbelgeschwindigkeit bewirkt ein Hineinschleudern des Unterstroms in die Fangkammer 80, während das leichtere, relativ saubere Gas frei über die radiale Wand 81 hinweg in die Auslaßkammer 29 hineinströmt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Fliehkraftentstauber mit einer feststehende Leitschaufeln aufweisenden Leiteinrichtung zur Trennung eines Verunreinigungen enthaltenden Unterstromes von einem Hauptgasstrom und Umleitung des Unterstromes zu einer Fangkammer, und einer stromab von der Leiteinrichtung angeordneten Turbine, deren Laufrad der gereinigte Gasstrom zugeführt wird oder einem der Leiteinrichtung zugeordneten Laufrad, dadurch gekennzeichnet, daß das der Leiteinrichtung zugeordnete Laufrad (24) stromauf von der Turbine (13) angeordnet ist, deren Schaufelkanäle in Strömungsrichtung konvergieren und des mit der Welle (15) der Turbine (13) verbunden ist.

2. Fliehkraftentstauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gereinigte Gasstrom über eine Auslaßkammer (29) zur Turbine 13) geleitet wird.

3. Fliehkraftentstauber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konvergierenden Schaufelkanäle (23) von einer Länge und einem Teilkreisdurchmesser sind, daß die das Laufrad verlassene Gasströmung eine Geschwindigkeit von weniger als 0,85 Mach hat.

4. Fliehkraftentstauber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitvorrichtung eine Düsenstufe (20) aufweist, wobei der Teilkreisdurchmesser der Düsen zwischen 0,5 und 0,9 des Teilkreisdurchmessers der Laufradschaufeln liegt.

5. Fliehkraftentstauber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine bewegliche Abdeckung auf der den kleineren Radius aufweisenden Seite der Laufradschaufeln angeordnet ist, zur Verlangsamung der Geschwindigkeit und Leitung des Unterstromes in die Fangkammer 40).

6. Fliehkraftentstauber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufteilflügel (73) von den Laufradschaufeln gehalten ist, der sich in den Gasstrom hineinerstreckt und den Unterstrom (33) in die Fangkammer 40) ableitet.

7. Fliehkraftentstauber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömungsmittelleitung von einer hinteren Stufe der Strömungsmaschine (13) zu einem Bereich zwischen den Leitschaufeln (20) und dem Laufrad (24) angeordnet ist.

8. Fliehkraftentstauber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (24) radiale Schaufeln aufweist.