DE3036448C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abscheider für Festkörperpartikel enthaltende Fluide bzw. Fluidgemische der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Derartige Abscheider dienen beispielsweise zur Abtrennung von Festkörperpartikeln aus den Abgasen von Kohlekraftwerken. Dadurch, daß zwischen jedem Ringelement Fluid abgezogen wird, steigt die Konzentration an Festkörperpartikeln im Hauptstrom stromabwärts von Ringelement zu Ringelement, so daß am Abscheiderausgang ein Fluidstrom mit stark angereichertem Festkörperpartikel-Gehalt vorliegt, der dann einer weiteren Verarbeitung unterworfen wird. Durch die vertikale Anordnung des Abscheiders wird erreicht, daß die Festkörperpartikel durch die Schwerkraft auf die Innenwände der Ringelemente aufprallen und dort abgelagert werden oder die Innenwand beschädigen.

Der eigentliche Abscheideprozeß bei diesem Abscheider findet im Übergangsbereich von einem Ringelement zum anderen statt. Dort wird die Trägheit der Festkörperpartikel ausgenutzt, um diese vom Fluid zu separieren. In diesem Übergangsbereich wird vor allem das im Wandbereich der Regelemente strömende Fluid schlagartig nach außen umgelenkt, so daß zumindest die Mehrzahl der Festkörperpartikel aufgrund ihrer Trägheit der Bewegung des umgelenkten Fluids nicht zu folgen vermag, sondern vielmehr dem Hauptstrom in Richtung zum nächsten Ringelement folgt. Damit die Festkörperpartikel auf der Bahn des Fluidhauptstroms gehalten werden, muß der Abscheider mait einer relativ hohen Einlaufgeschwindigkeit betrieben werden.

Bei dem aus der GB-PS 3 88 637 bekannten Abscheider der eingangs genannten Art sind keinerlei Maßnahmen getroffen, um von der hohen Einlaufgeschwindigkeit herrührende Turbulenzen innerhalb des Abscheiders zu unterbinden. Zur Ausbildung von Turbulenzen kommt es dabei insbesondere im Innenwandbereich der einzelnen Ringelemente sowie im Übergangsbereich zwischen diesen. Aufgrund der starken Verwirbelung der Festkörperpartikel innerhalb des Fluids in diesen kritischen Bereichen läßt es sich bei diesem bekannten Abscheider nicht vermeiden, daß ein bestimmter Prozentsatz an Festkörperpartikeln zusammen mit dem Fluid abgezogen wird, so daß die Abscheideleistung zu wünschen übrig läßt.

Von Nachteil bei diesem bekannten Abscheider ist es außerdem, daß die einzelnen Ringelemente endseitig unter Ausbildung eines Zwischenraums ineinandergesetzt sind, so daß im Laufe des Abscheidebetriebs diese Zwischenräume, in denen die Umlenkung des Fluids stattfindet, progressiv mit Festkörperpartikeln zugesetzt werden. Damit eignet sich dieser bekannte Abscheider nicht für einen wartungsfreien Langzeitbetrieb.

Bei einem aus der DE-PS 4 81 941 bekannten Ölabscheider durchströmt ein ölteilchenhaltiger Luftstrom eine Vielzahl von dicht aufeinandergesetzte Ringelemente mit nach innen vorstehenden, kranzförmig angeordneten Leisten, wobei jeder Leistenkranz ein kegelförmiges Blechelement zur Stoßabscheidung der Öltröpfchen trägt. In dieser Anordnung wird die öltröpfchenhaltige Luft zickzack-artig durch das Abscheiderinnere geführt und das an den kegelförmigen Abscheideblechen aufgefangene Öl fließt in eine Sammelkammer ab. Dieser Ölabscheider eignet sich aufgrund der gewählten Fluidführung nicht als Abscheider für Festkörperpartikel.

Bei dem aus der US-PS 23 45 859 bekannten Abscheider für Festkörperpartikel enthaltende Fluide ist der Fluidstrom durch axial aufeinanderfolgende, sich in Strömungsrichtung konisch erweiternde Ringelemente geführt, deren Durchmesser vom Einlaß zum Auslaß hin zunimmt. Das stromabwärtige Ende jedes dieser Ringelemente ist mit einem sich in Strömungsrichtung konisch erweiternden Flansch versehen, der jeweils in den Bereich des darauffolgenden Ringelements eingreift. Auch bei diesem bekannten Abscheider für Festkörperpartikel kommt es zur Ausbildung von starken Turbulenzen im Übergangsbereich zwischen den Ringelementen, bei dem zudem die Gefahr besteht, daß er im Laufe des Abscheidebetriebs mit Festkörperpartikeln zugesetzt wird.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Eerfindung die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Abscheider mit verbesserter Abscheideleistung zu schaffen, der sich auch problemlos für einen wartungsfreien Langzeitbetrieb eignet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Im Gegensatz zur axial ineinandergesetzten Anordnung der Ringelemente der bekannten Abscheider ist es beim erfindungsgemäßen Abscheider vorgesehen, die Ringelemente mit axialem Abstand zueinander anzuordnen, wodurch sich zwischen den aufeinanderfolgenden Ringelementen eine wesentlich größere Menge an festkörperpatikelfreiem Fluid abziehen läßt.

Durch die spezielle Strömungsführung in den Ringelementen mit zylindrischem Anströmabschnitt, darauffolgendem, sich in Strömungsrichtung verjüngenden Abscheiderabschnitt, an den sich eine nach innen vorstehende Lippe anschließt, wird eine Fokussierung der Festkörperpartikel gegen die Längsachse der Ringelemente erreicht. Durch die strömungstechnische Maßnahme der Spülgaseinleitung über die Innenwand jedes Ringelements erhalten die im durchströmenden Fluid enthaltenen Festkörperpartikel einen nach innen gerichteten Impuls, durch den sie zumindest aus der Fluidschicht nach innen verdrängt werden, die an die Ringelement-Innenwand anschließt. Diese partikelfreie Fluidschicht wird im Bereich jeder Ringelement-Lippe noch vergrößert. Durch die erfindungsgemäß gewählte Strömungsführung sowie durch die Spülgaseinleitung wird damit gewährleistet, daß das im Übergangsbereich zwischen den Ringelementen umgelenkte Fluid praktisch keine Festkörperpartikel mehr enthält, so daß die Abscheideleistung also im Vergleich zum gattungsgemäßen Abscheider erheblich verbessert ist. Da der kritische Übergangsbereich frei von Festkörperpartikeln gehalten wird, besteht auch nicht die Gefahr, daß dieser Übergangsbereich im Lauf des Abscheidebetriebs zugesetzt wird. Damit können bisherige Reinigungsarbeiten entfallen, so daß sich der erfindungsgemäße Abscheider für einen wartungsfreien Langzeitbetrieb eignet.

Vorteilhafterweise sind die Ringelemente insgesamt porös ausgelegt und der Spülgasstrom wird diesen Rringelementen mittels einer Verzweigungsleitung über eine konzentrische äußere Kammer zugeführt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind im zylindrischen Anströmabschnitt jedes Ringelements Wirbel verhindernde Flügel ausgebildet, um sicherzustellen, daß sich eine reine Axialströmung ergibt. Die Anordnung solcher Flügel ist notwendig, wenn am Abscheidereinlaß Wirbelströmungen existieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Abscheider nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Teildarstellung des Abscheiders nach Fig. 1, und

Fig. 3 einen Teillängsschnitt durch ein Blasdüsen- Reinigungssystem.

Der Abscheider nach Fig. 1 ist säulenartig aufgebaut und besteht aus drei miteinander verbundenen Abschnitten. Der untere Abschnitt ist ein trichterförmiger Sammelbehälter 10, der eine Absetzkammer 12 umschließt, in der Grobpartikel niedergeschlagen werden sollen. In die Absetzkammer 12 führt seitlich ein Einlaßkanal 14, durch den die Feststoffpartikel mitführenden Gase in das Gefäß 10 nach unten gerichtet eingeleitet werden. Dabei fließt das Gas zunächst durch einen ringförmigen Kanal 11 nach unten und dann nach oben in die Anströmzone 13 des Abscheiders. Ein Steuerventil 18 im Boden des Sammelbehälters 10 kann manuell oder automatisch zu bestimmten Zeitpunkten geöffnet werden, um niedergeschlagene Feststoffpartikel abzuziehen.

Die Anströmzone 13 besteht aus zwei äußeren Zylindern 20, die jeweils an ihren Enden Flansche aufweisen. Die Zylinder 20 sind axial aneinandergefügt und miteinander verbunden und der untere Zylinder ist mit einem Flansch am oberen Ende des Gefäßes 10 verbunden. Jeder Zylinder 20 weist einen seitlichen, von einem Ventil gesteuerten Einlaß 22 auf, durch den ein unter Druck stehendes Spülgas eingeleitet wird. Konzentrisch in den Zylindern 20 ist ein poröser Körper 24 angeordnet. Dieser besteht vorzugsweise aus einem Sintermetall, kann jedoch auch aus jedem anderen geeigneten Material, wie lose gepacktem und verschmolzenem Porzellan bestehen. Befriedigende Ergebnisse hat man mit einer Metallplatte erzielt, die mit Löchern versehen ist. Zwischen den Membrankörper und der zylindrischen Wand wird eine Gasverteilungskammer 26 ausgebildet, in der das durch die Einlässe 22 zugeführte Gas gleichmäßig um den Außenumfang des Körpers 24 vereilt wird. Das Spülgas kann dann im wesentlichen gleichmäßig durch den Membrankörper hindurchtreten und wird auf der ganzen Länge desselben in den von dem Membrankörper umschlossenen Innenraum gleichmäßig injiziert. Es wurde festgestellt, daß man eine zufriedenstellende Injektion bei Gasdrücken in der Größenordnung von 25 kPa (0,45 At) erhält.

Das injizierte Spülgas kann Luft oder ein Gasgemisch sein, es kann auch dasselbe Gas sein, das die von dem Abscheider abzuscheidenden Feststoffpartikel trägt. Das injizierte Spülgas hat die Aufgabe, die in der Gasströmung enthaltenen Feststoffpartikel dem Kernbereich der denAbscheider durchströmenden Strömung zuzuführen. Damit ist zugleich der Vorteil verbunden, daß die Wände des Membrankörpers von Kollisionen mit dem Feststoffpartikeln verschont bleiben.

Die obere oder Konvergenzzone des Abscheiders besteht aus einer im wesentlichen konischen äußeren Haube 29, die unten mit einem Flansch versehen ist und an dem zugehörigen Flansch des oberen Zylinders 20 befestigt ist. Über ein Steuerventil 28 wird ein Gas oder Gasgemisch einer Verzweigungsleitung 30 zugeführt, die das Gas in eine Mehrzahl von Ringelementen 31 injiziert, die deutlicher erkennbar in Fig. 2 dargestellt sind. Jedes Ringelement weist Löcher auf oder besteht aus porösem Material, beispielsweise einem Sintermetall oder einer porös verschmolzenen Keramik. Die Ringelemente 31 weisen einen gegenseitigen Abstand auf und tragen sich gegenseitig mittels Haltenasen 35. Zufriedenstellende Ergebnisse hat man mit einem Siliciummdioxid- Chrom-Kobalt-Formpulver, das beim Investmentguß Verwendung findet und manchmal als zerstoßendes Opalpulver bezeichnet wird, erzielt. Eine poröse und feste Struktur erhält man durch einfaches Mischen des Pulvers in Wasser.

Die Außenseite 34 jedes Ringelements ist vorzugsweise undurchlässig gemacht, indem man diese Fläche mit einem härtenden, fixierenden Material umkleidet, womit sichergestellt ist, daß sich ein nur nach innen gerichteter Fluß des injizierenden Spülgases ergibt. Dieses Umkleidungsmaterial kann ein Kunstharz sein, wenn der Abscheider bei normalen Umgebungsbedingungen Einsatz findet, es kann auch ein Silikonharz oder ein Inert-Metall sein, wenn der Abscheider unter Heißgasbedingungen Einsatz findet. Auf jeden Fall wird diese abdeckende Schicht erst aufgebracht, nachdem die Verzweigungsleitung 30 mit den Ringelementen 31, beispielsweise durch Verklebung, verbunden worden ist.

Die Innenseiten der Ringelemente 31 lassen sich in zwei Abschnitte einteilen, nämlich einen ersten Abschnitt, der aus einem ebenen Zylinder 36 besteht, der in den zweiten Abschnitt übergeht, der die Form eines kegelstumpfförmigen Konus 38 aufweist oder kugelförmig ist. Der kegelstumpfförmige Abschnitt estreckt sich mit einem Winkel zwischen 35 und 45°, wobei der gewählte Winkel von dem abzuscheidenden Material abhängt. Der kegelstumpfförmige Abschnitt des Ringelements 31 ist an seiner Oberseite 32 abgeschrägt, um einen sich nach außen erweiternden Strömungsweg für die gereinigten Gase zu bilden, die in den Zwischenräumen zwischen den Ringelementen 31 austreten. Die in der zentralen Gasströmung mitgeführten Festkörperpartikel werden aufgrund ihrer eigenen Trägheit an den Zwischenräumen zwischen benachbarten Elementen 31 vorbeigeleitet. Der Anteil der Feststoffpartikel, der von dem mittleren Abschnitt des Abscheiders zum konvergierenden Abschnitt strömt, kann als gegen die Längsachse des letztgenannten Abschnitts fokussiert gedacht werden, der Gasanteil des Feststoff- Gasgemischs wird von den porösen Bauteilen durch das in diese injizierte Spülgas ferngehalten. Die porösen Bauteile sind so angeordnet, daß sie diesem gasförmigen Gemisch eine möglichst gleichmäßige Geschwindigkeit in den verschiedenen Abschnitten verleihen. Gewünschtenfalls kann eine Mehrzahl von im Abstand angeordneter radialer Flügel (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die sich längs der konvergierenden Abschnitte erstrecken, um eine Gasrotation darin zu vermeiden und den Fokussiereffekt an den Festkörperpartikeln begünstigen.

Die Gasströmung durch den Abscheider wird mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit aufrechterhalten, wobei diese Geschwindigkeit groß genug sein muß, um die Feststoffpartikel in der Gasströmung mitzuführen. Auch derDruck ist im wesentlichen konstant gehalten, während das Gasvolumen während des Durchlaufens des Abscheiders abnimmt, da gereinigtes Gas nach außen aus dem Abscheider abgezogen wird. Die nachfolgende Tabelle zeigt die Ergebnisse von Vergleichsversuchen, die mit einem erfindungsgemäßen Abscheider und einem herkömmlichen Abscheider durchgeführt wurden, der nach demselben Umlenkprinzip arbeitet und in zwei Typen zur Verfügung steht.

Der Luftdurchsatz repräsentiert den Fluiddurchsatz durch jeden Abscheider

Der Druckabfall ist derjenige, der in mmWS zwischen dem Einlaß und dem Auslaß für gereinigte Luft gemessen wurde.

Der Massenwirkungsgrad ist der Prozentsatz der aus dem Fluid abgeschiedenen Feststoffanteile gegenüber der Gesamtmasse der Feststoffe am Einlaß zum Abscheider.

Die Einlaß- und Auslaßkonzentration steht für die Partikelkonzentration im Fluid am Einlaß und am Auslaß.

Die Durchschnittsmasse der Partikel repräsentiert die Durchschnittspartikelgröße in µ.

Die Konstruktion des erfindungsgemäßen Abscheiders der zur Durchführung der Versuche verwendet wurde, war dadurch vereinfacht, daß undurchlässige anstelle von porösen Bauteilen verwendet wurden. Man kann hieraus schließen, daß man bessere Ergebnisse erhält, wenn man poröse Körper für die Ringe und das Anströmrohr verwendet.

Die Zahlen zum erreichten Massenwirkungsgrad sind vergleichbar jenen, die sich mit konventionellen Abscheidern vom Zyklontyp erreichen lassen, sie sind wesentlich besser als die herkömmlichen Abscheider vom Typ 1 und leicht schlechter als jene vom Typ 2. Die Ergebnisse wurden mit relativ geringen Strömungsdurchsätzen und Druckabfällen erzielt.

Nach dem Verlassen des Abscheiders kann das die Feststoffpartikel mitführende Abgas eine weitere Abscheiderstufe durchlaufen, alternativ kann man es auch einem üblichen Abscheider für die weitere Aufbereitung zuführen und dann in die Atmosphäre entlassen. Alternativ kann man einen Teil des schon behandelten Gases rezirkulieren und dazu verwenden, den mittleren Abschnitt des Abscheiders unter Druck zu setzen.

An dem erfindungsgemäßen Abscheider sind verschiedene Modifikationen möglich. Beispielsweise können die Ringelemente einen zylindrischen Bereich mit einer nach innen und oben gerichteten Lippe aus einem festen Material aufweisen, um die mitgeführten Feststoffpartikel besser zur Mitte der Strömung zu lenken.

Auch kann ein Abscheider allein aus dem konvergierenden Bereich, d. h. ohne die Absetzkammer und den Anströmbereich, aufgebaut werden.

Eine weitere Modifikation der Erfindung besteht in der Hinzufügung eines Blasdüsensystems 40, mit welchem periodisch die Oberseiten 32 der Ringelemente 31 von etwa dort niedergeschlagenen Feststoffpartikeln gereinigt werden können. Bei dieser, in Fig. 3 dargestellten Ausführungsart sind die Blasdüsen 42 um die Ringelemente herum angeordnet, um Niederschläge 44 darauf hinwegzublasen. Die Anzahl von Röhrchen 46 kleinen Durchmessers, die die Düsen tragen, ist ungefähr 6 pro Ring. Die Röhrchen sind miteinander mit einer Hauptleitung 48 verbunden, die ihrerseits über ein oder mehrere Ventile mit einer Druckgasquelle verbunden ist. Die Betätigung dieser Ventile kann manuell oder automatisch erfolgen.

Die Erfindung erlaubt die Verwendung sehr viel niedrigerer Einlaßgeschwindigkeiten als die üblichen Zyklonabscheider. Der Wirkungsgrad des Abscheiders nach der Erfindung hängt teilweise von der Einrichtung eines mehr geordneten Strömungsbildes im Bereich der Gasabtrennung ab, d. h. im konvergierenden Strömungsbereich. Turbulenzen werden auch durch geringere axiale Durchschnittsgeschwindigkeiten vermindert. Der Abscheider arbeitet mit geringen Axialgeschwindigkeiten (im Bereich von 2 bis 4 m/sec), wo die Intensität von freien Strömungsturbulenzen im Vergleich zu herkömmlichen Abscheidern drastisch herabgesetzt ist. Im Gegensatz dazu braucht ein solcher Abscheider hohe Geschwindigkeiten, um effektiv arbeiten zu können und hat deshalb auch einen sehr viel höheren Energieverbrauch.

Claims (3)

1. Abscheider für Festkörperpartikel enthaltende Fluide bzw. Fluidgemische, mit einem im wesentlichen vertikal ausgerichteten, konisch geformten Gehäuseteil, in dem eine Vielzahl von unter Ausbildung von Zwischenräumen axial aufeinander folgende und vom Fluid durchströmte Ringelemente angeordnet sind, deren Durchmesser in Strömungsrichtung dieses Fluids abnimmt, wobei Fluid über die Zwischenräume abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelemente (31) mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind, daß die Innenwand jedes Ringelements (31) einen im wesentlichen zylindrischen Anströmabschnitt (36) umfaßt, an den sich stromabwärts ein sich in Strömungsrichtung verjüngender Konus (38) anschließt, an dessen stromabwärtigem Ende eine nach innen vorstehende Lippe ausgebildet ist, daß die Innenwand jedes Ringelementes porös ist und daß über die Innenwand ein nach innen gerichteter Spülgasstrom einströmt.

2. Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich stromaufwärts an das die Ringelemente (31) aufnehmende konische Gehäuseteil ein zylindrisches Gehäuseteil (20) anschließt, in welchem ein zylindrischer Körper (24) aus porösem Material angeordnet ist, der mit einer Einrichtung (22, 26) zum Einleiten eines Injektionsfluids in das Rohrmaterial verbunden ist, und daß der Körper (24) mit einer Absetzkammer (12) zum Niederschlagen von groben Partikeln vor dem Durchleiten des zu filternden Fluids durch den Körper (24) verbunden ist.

3. Abscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der konisch geformten Haube (29) zusätzlich zu einem axialen Auslaß, durch welchen der Kernbereich der Fluidströmung abziehbar ist, ein Querauslaß vorgesehen ist, durch welchen das von Festkörperpartikeln befreite Fluid abziehbar ist.