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Zyklonabscheider mit zwei Abscheideräumen und statischen Leitvorrichtungen
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Die Erfindung betrifft einen Zyklonabscheider mit zwei Abscheideräumen
und statischen Leitvorrichtungen zur Verbesserung des Abscheidevermögens bezüglich
feinstdisperser Partikeln aus strömenden Gasen und Reduzierung des Druckverlustes
bzw. zur Beeinflussung des Strömungsfeldes eines herkömmlichen Fliehkraftabscheiders
mit tangentialem, spiralförmigem oder schraubenförmigem Einlaufkanal, mit einem
zylindrischen und konischen Zyklongehäuse, sowie einem darunter angeordnetem Feststoffsammelbehälter,
wobei in den zylindrischen Abscheideraum von oben zentrisch in das Zyklongehäuse
ein zylindrisches Tauchrohr zum Abführen des Reingasstromes hineinragt.
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In einem Fliehkraftabscheider wird das einströmende Aufgabegut aufgrund
der in einer Drallströmung auftretenden Zentrifugalkräfte abgeschieden, die an die
auf Kreis- oder Spiralbahnen strömenden Partikeln wirkt. Infolge einer axialen Geschwindigkeitskomponente
des Strömungsfeldes gleitet das abgeschiedene Grobgut spiralförmig an der Zyklonaußenwand
in den Feststoffsammelbehälter, der den unteren Abschlul3 des Zyklongehäuses bildet.
Das nicht abgeschiedene Feingut gelangt mit dem durch das Tauchrohr austretenden
Gasstrom in den Reingaskanal.
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Die einfache Bauweise eines herkörnlichen Fliehkraftabscheiders gewährleistet
wie bekannt, eine hohe Betriebssicherheit, geringen Wartungsaufwand, geringe Anschaffungskosten
und einen kleinen Platzbedarf. Die Grenzen seines weiten Anwendungsbereiches liegen
bei einem Betriebsdruck von 100 bar und Gastemperaturen von über 1000 °C.
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Den anwendungstechnischen Vorteilen eines herkömmlichen Zyklons stehen
die Nachteile des hohen Druckverlustes und des geringen Abscheidevermögens bezüglich
der Trennschärfe in Vergleich zu anderen Abscheidern gegenüber.
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Die bekannten herkömmlichen Zyklone zeigen als Hauptursachen des geringen
Abscheidevermögens eine unregelmaßige axiale Geschwindigkeitsverteilung entlang
der Trennfläche, Sekundärströmungen, Kurzschlußströmungen und starke Turbulenzen
innerhalb des Abscheideraumes. Hauptursache des hohen Druckverlustes ist die Nichtumsetzung
der zur Abscheidung erforderlichen Rotationsenergie in Druckenergie, infolge Umlenkverluste
und Drosselwirkung am Tauchrohreinlauf, so daß bis zu 9 des Gesamtdruckverlustes
im Wirbel kern (Zyklonauge) unterhalb des Tauchrohres entsteht.
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Durch die Forderungen nach Emissionsabgrenzung lungengängigen Staubes,
Wiedergewinnung wertvoller Produkte bzw. maximale Abscheidung von Abriebstaub aus
Prozeßgasen und ebenfalls aus energetischen Gründen, muß daher der herkömmliche
Zyklon in zunehmendem Maße mit anderen Abscheidungsapparaten kombiniert werden,
die im feindispersen Partikelgrößenbereich unterhalb 20 pm klassierfähiger sind.
Diese Forderungen und die Tatsache, daß der Zyklon für die Entstaubung heißer Gase
oberhalb 800 °C der einzige großtechnisch einsetzbare Abscheider ist, verlangen
nach zusätzlichen konstruktiven Maßnahmen zur Verbesserung des Abscheidevermögens
und Reduzierung des Druckverlustes.
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Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse, Leitvorrichtungen
in den Abscheideraum oder innerhalb des Tauchrohres zu installieren, wobei jedoch
die derzeit vorliegenden Patentanmeldungen nicht sämtliche Ursachen des geringen
Abscheidevermögens und hohen Druckverlustes berücksichtigen und keine Zyklon-Neuentwicklung
einen zweiten Abscheideraum konstruktiv innerhalb eines einzigen Apparates realisiert.
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Bei einer bekannten Zyklonausführung (deutsche Patentschrift Nr. 23
61 995) weist ebenfalls das zylindrische,herkömmliche Tauchrohr außer seiner axialen
Uffnung an der unteren Stirnseite zusätzlich geschlitzte Gaseintrittsöffnungen im
Tauchrohrmantel auf, die durch eingedrückte Laschen des Tauchrohrmantels gebildet
werden. Die Wirksamkeit der Entstaubung kann nicht gefördert werden, da diese geschlitzte
Tauchrohrausführung mit dem wesentlichen Nachteil behaftet ist, daß weder die starke
Senkenströmung unterhalb des Tauchrohres noch die Feststoffschichtströmung entlang
der äußeren Tauchrohrmantelfläche reduziert werden und keine Vorrichtungen für eine
nachgeschaltete Feststoffabscheidung vorgesehen sind.
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Es ist weiterhin ein Zyklon mit geschlitztem Tauchrohr bekannt (europäische
Patentschrift Nr. 0 041 106), das den Effekt einer doppelten Abscheidung innerhalb
eines einzigen Apparates ebenfalls ausnutzt, ohne jedoch den innerhalb des Tauchrohres
zusätzlich abgeschiedenen Feststoff in einem zweiten Abscheideraum zu sammeln. Ein
geschlitztes herkömmliches Tauchrohr mit axialem Auslaufspalt ermöglicht durch die
Saugwirkung aus der Umgebung infolge eines Spaltes, der zwischen Einlaufkanal und
Tauchrohr angeordnet ist, die Rückführung von bereits ausgetragenem an der Innenwand
des Tauchrohres angereichertem Feingut in den Abscheideraum des Zyklons. Weitere
Nachteile dieser Zyklonausführung sind sowohl die noch bestehende axial ungleichmäßig
verteilte Senkenströmung unterhalb des Tauchrohres als auch die Ansaugung von Umgebungsluft
in den Abscheidungsprozeß, wodurch sich der Druckverlust erhöht.
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Ein geschlitztes Spalt-Tauchrohr der eingangs genannten Art (deutsche
Patentschrift Nr. 32 23 374) mit schraubenförmigem Eintrittsspalt, Diffusorkanal
mit Umlenkeigenschaften und geschlossener Bodenfläche, das unterhalb eines herkömmlichen
Tauchrohres eingesetzt wird, reduziert den Druckverlust des Zyklonabscheiders um
40 und verbessert geringfügig das Abscheidevermögen, da ein Uebergang von der Kreislochsenkenströmung
zur Liniensenkenströmung erfolgt, jedoch kann dieses neuentwickelte Tauchrohr als
alleinstehende konstruktive Maßnahme die Kurzschluß- und Sekundärströmungen nicht
verhindern und ermöglicht nicht die Abführung des sekundär innerhalb des Tauchrohres
abgeschiedenen Feststoffes.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der
beschriebenen Mängel von herkömmlichen Zyklonen im allgemeinen und der Mängel bekannter
verbesserter Zyklonausführungen mit doppelter Abscheidung und verbesserten Absaugbedingungen
im besonderen, einen Zyklonabscheider der eingangs genannten Art konstruktiv so
auszubilden, daß er sich bei einfacher Grundkonstruktion und zusätzlichen Einbauten
von statischen also nicht rotierenden Leit- und Abscheidevorrichtungen durch einen
stark verbesserten Gesamtabscheidegrad und Fraktionsabscheidegrad auszeichnet, so
daß die Trennschärfe des Zyklonabscheiders wesentlich verbessert wird, was aus einer
Verschiebung des maximalen Partikeldurchmessers, der zu 99çnc abgeschieden wird,
weit unterhalb der 10 ,um-Grenze ersichtlich wird, wobei sich zusätzlich der Druckverlust
gegenüber der herkömmlichen Ausführung reduziert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Tauchrohr-Säule,
bestehend aus der Reihenschaltung von herkömmlichem Tauchrohr von geschlitztem Spalt-Tauchrohr
mit schraubenförmigem oder geradem Spaltkanal und von Zentral-Tauchrohr, die die
Zyklonachse auf der gesamten Abscheideraumhöhe h umgibt, in der zylindrischen Trennfläche
des herkömmlichen Zyklonabscheiders liegt, den herkömmlichen Feststoffsammelbehälter
durchdringt und an einem zweiten Feststoffsammelbehälter unterhalb des ersten gasdicht
angeschlossen wird, wobei jedes der drei Teiltauchrohre an der oberen und unteren
Stirnfläche geöffnet ist und das allein absaugende Spalt-Tauchrohr durch ein Leitblech
vor Kurzschlußströmungen geschützt wird.
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Der Erfinder schlägt demnach vor, die Tauchrohr-Säule als zweiten
Zyklon innerhalb des eigentlichen Zyklons anzusehen, so daß auf diese Weise in einer
einzigen Entstaubungseinrichtung eine zweistufige Abscheidung bewirkt wird.
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Zur Stabilisierung des zweistufigen Abscheideprozesses wird nach einer
weiteren
Ausbildung der Erfindung ein Abschirmbehälter zwischen
konischem Teil des äußeren Abscheideraumes und herkömmlichen Feststoffsammelbehälter
derart dazwischen geschaltet , daß die äußere Drallströmung auf einem als parabolischer
Abschirmkegel ausgebildeten äußeren Teilstück des Zentral-Tauchrohres innerhalb
des Abschirmbehälters ausläuft und die innere Drallströmung durch einen Abschirmkegel
innerhalb des Zentral-Tauchrohres zentiert wird. Die mit der Erfindung erzielten
Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch diese die Trennfläche fixierende
Tauchrohr-Säule bzw.
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durch diese statische Leit- und Abscheidevorrichtung der Wirbelkern
des Zyklons (Starrkörperwirbel, Zyklonauge) weiter nach innen um die Zyklonachse
bzw. Drallrohrachse verlagert wird. Der Wirbel kern baut um sich ein zweites Drallfeld
auf, das einen zweiten Abscheidungsprozeß innerhalb der Tauchrohr-Säule bewirkt
und das seinen axialen Endpunkt auf dem zentrierten inneren Abschirmkegel des Zentral-Tauchrohres
hat. In einem zweiten Feststoffsammelbehälter, der an das Zentral-Tauchrohr gasdicht
angeflanscht wird und unterhalb des ersten Feststoffsammelbehälters angeordnet ist,
sammelt sich der zusätzlich abgeschiedene Feststoff, der über das Zentral-Tauchrohr
als zusätzliches Grobgut nach unten transportiert wird und ansonsten bei einer herkömmlichen
Zyklonausführung als Feingut über das herkömmliche Tauchrohr abgeströmt wäre. Durch
die Tauchrohr-Säule wird zusätzlich das dreidimensionale, turbulente Strömungsfeld
stabilisiert, so daß die Zyklonachse mit dem Zentrum der äußeren Drallströmung identisch
ist. Das Zentrum der inneren Drallströmung bildet die zur Zyklonachse parallel verlaufende
innerhalb der Tauchrohrsäule liegende Drallrohrachse, die nur im Fall einer symmetrischen
Zuströmung in das Spalt-Tauchrohr mit der Zyklonachse zusammenfällt.
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Das Zentral-Tauchrohr ermöglicht zusätzlich eine druckseitige Trennung
der Drallströmung im äußeren Abscheideraum von der leicht zirkulierenden Strömung
im herkömmlichen Feststoffsammelbehälter, indem der äußere Abschirmkegel innerhalb
des Abschirmbehälters derart installiert ist, daß ein Eindringen der Drallströmung
in den herkömmlichen Feststoffsammelbehälter unterbunden wird, aber gleichzeitig
ein Eindringen des abgeschiedenen Feststoffes durch eine ringspaltförmige Austragsöffnung
zwischen Unterkante des äußeren Abschirmkegels und Konuswand des Abschirmbehälters
gewährleistet ist. Diese neuentwickelte Austragsvorrichtung verhindert demnach sowohl
eine Wiederaufwirbelung als auch ein Mitreißen bereits abgeschiedener Partikeln.
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Gemäß der zusätzlichen Ausbildung der Erfindung bewirkt die Neuentwicklung
der Feststoff-Austragsvorrichtung, daß der unerwünschte Feststofftransport bereits
abgeschiedener Partikeln aus dem Staubsammelbehälter in den konischen äußeren Abscheideraum
vollständig vermieden und die an der konischen Mantel fläche des äußeren Abscheideraumes
spiralförmig nach unten gleitenden Partikeln störungsfrei in den herkömmlichen Feststoffsammelbehälter
transportiert werden2 ohne turbulente Strömungsbereiche mit Rückströmungen zu durchdringen,
die eine Wiederaufwirbelung verursachen würden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Leitblech
zwischen herkömmlichem Tauchrohr und Spalt-Tauchrohr unterhalb des Zyklon-Einlaufkanals
in der horizontalen zum Zyklondeckel parallelen Ebene derart im äußeren Abscheideraum
installiert wird, daß Kurzschlußströmungen der Drallströmung direkt in den Absaugspaltkanal
des Spalt-Tauchrohres unterbunden werden und die axiale Geschwindigkeitskomponente
der Drallströmung im äußeren Abscheideraum bezüglich des Feststoffaustragsverhaltens
positiv beeinflußt wird. Ein Abreißen der Zykloneinlaufströmung an der Eintrittskante
des zylindrischen Zyklonmantels wird somit verhindert, wodurch gleichzeitig die
Startpositionen der in dem eintretenden Gasstrom suspendierten Partikeln eindeutiger
festgelegt werden. Somit ermöglicht das Leitblech eine gleichmäßigere Zuströmung
in den Spaltkanal des Spalt-Tauchrohres. In vorteilhafter Weise wird das Leitblech
in einem Winkelbereich des Zentriewinkels von = = Do - 1800 als Kreisscheibe ausgebildet
, deren Innendurchmesser gleich ist dem Außendurchmesser des herkömmlichen, zylindrischen
Tauchrohres, wobei die Winkelstellung ç = oO die übergangsstelle vom Zyklon-Einlaufkanal
zum Zyklonaußenmantel fixiert. Diese Formgebung des Leitbleches verhindert, daß
die unerwünschte wandnahe Feststoffströmung (Grenzschichtströmung) am Zyklondeckel
und entlang der äußeren Tauchohrmantelfläche die Partikeln nach innen in den Spaltkanal
transportiert.
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Das Leitblech beeinflußt positiv die radiale Verteilung der Axialkomponente
der Drallströmung in der Weise, daß die maximale Abwärtsströmung am Außenradius
des Zyklonmantels auftritt, um den Feststofftransport in den Sammelbehälter zu garantieren,und
die Aufwärtsströmung stets im übergangsbereich zum Absaugspalt liegt, so daß der
Eintrittsspalt des Spalt-Tauchrohres grundsätzlich von unten und nicht axial von
oben angeströmt wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Entwicklung des Zyklonabscheiders ist grundsätzlich
zu beachten, daß die am Außenmantel des Zyklons abwärts gerichtete Axialströmung
im äußeren Strömungsfeld der Drallströmung das gute Austragsverhalten des Feststoffes
in Kombination mit der Grenzschichtströmung an der Konuswand bewirkt. Zur Realisierung
einer axialen Geschwindigkeitskomponente muß daher das Spalt-Tauchrohr unterhalb
des Zyklon-Einlaufkanals angeordnet werden. Zur Verlängerung der Partikel bahnen
zum Absaugspalt bzw. zur Vergrößerung der Verweilzeit der Partikeln bis zum Erreichen
der äußeren Zyklonmantelfläche muß die zentrale Positionierung des Spalt-Tauchrohres
in Umfangsrichtung in der Weise erfolgen, daß die durch den Verlauf von oberster
Spalteintrittsbreite und Zyklonachse aufgespanntez Ebene,senkrecht auf der Zykloneintrittsebene
des Einlaufkanals steht und die Ebenen um einen Zentriwinkel von ç = 2700 gegeneinander
verdreht sind.
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Das geschlitzte Spalt-Tauchrohr wird zwischen herkömmlichem Tauchrohr
und Zentral-Tauchrohr in den zylindrischen und nicht in den konischen Teil des Zyklongehäuses
zentrisch eingebaut, um Sekundärströmungen von der Abscheidewand des Zyklonmantels
zu vermindern. Das Spalt-Tauchrohr ermöglicht den Obergang von der ansonsten unterhalb
eines herkömmlichen Tauchrohres vorliegenden Lochsenke mit ungleichmäßiger axialer
Verteilung der Radialgeschwindigkeit zur Liniensenke mit vergleichmäßigter axialer
Verteilung der Radialgeschwindigkeit an der Trennfläche. Der Erfindung liegt die
Erkenntnis zugrunde, daß,in Kombination mit einem Leitblech'durch einen Spalt mit
gerader oder schraubenförmiger Eintrittskante innerhalb der Mantelfläche des Spalt-Tauchrohres
die Wirbelsenkenströmung im äußeren Abscheideraum nicht gestört wird bzw. die Strömungsturbulenzen
im Abscheideraum reduziert werden und der Volumenstrom des Gases mit hoher Geschwindigkeit
über einen den Stromlinien angepaßten gekrümmten Einlaufkanal innerhalb des Spalt-Tauchrohres
axial gleichmäßig über der Eintrittskante angesaugt wird, so daß sich zum einen
ein vergleichmäßigtes Geschwindigkeitsprofil entlang der Trennfläche einstellt,
zum anderen die noch im Gasstrom vorhandenen Staubpartikeln an die innere Mantel
fläche des Zentral-Tauchrohres gelenkt werden, wodurch der abgeschiedene Grobgutanteil
des Aufgabegutes zunimmt, was einer Verbesserung des Gesamt- und Fraktionsabscheidegrades
entspricht.
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Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann das Spalt-Tauchrohr
mit schraubenförmiger Spalteintrittskante und diffusorartigem Spaltkanal (DE 32
23 374), ersetzt werden durch ein Spalt-Tauchrohr mit gerader Spalteintrittskante
und gekrümmtem parallelwandigem Spaltkanal, der als Einlaufkanal eines zur Zyklonachse
parallelen Drallrohres,mit der Symmetrieachse innerhalb der Tauchrohr-Säule,ausgebildet
wird, wobei das Drallrohr wiederum als strömungsgünstiger Zulaufkanal für eine oberhalb
des Zyklondeckels angeordnete Auslaufspirale auszulegen ist. Die kinetische Energie
der äußeren Drallströmung und die zu ihr gleichsinnige innere Drallströmung kann
durch eine weite in bekannter Weise auszulegende Auslaufspirale zurückgewonnen werden,
deren Austrittsstutzen in den Reingaskanal mündet und deren Nabentotwassergebiet
innerhalb eines erweiterten herkömmlichen Tauchrohres durch einen entsprechenden
Aussparkern ausgefüllt werden kann. In vorteilhafter Weise wird die Eintrittsfläche
des parallelwandigen Spaltkanals als geschlitzte Uffnung innerhalb des Spalt-Tauchrohrmantels
derart ausgebildet, daß sich im Einlaufbereich des Spaltkanals die geforderte Strömungsgeschwin
digkeit an der Trennfläche entsprechend der vorhandenen Drehsenkenströmung einstellt,
die wiederum durch den Verlauf des Spalt-Tauchrohrumfangs als logarithmische Spirale
strömungsgünstig an der Trennfläche abgegriffen wird, so daß die gekrümmten Stromlinien
der durch den Spaltkanal in das Drallrohr eintretenden Gasströmung entlang der äußeren
und inneren Spaltkanalkontur und gleichsinnig mit der Zykloneintrittsströmung verlaufen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung des Spalt-Tauchrohres kann zur Erzielung
optimaler Absaugbedingungen bzw. zum Zwecke einer Sichtung die Austrittsspaltbreite
ba des Spaltkanals, die über der Höhe der Spaltaustrittskante nicht konstant ist,
gemäß der Beziehung
nach oben zum Reingaskanal hin verkleinert werden, so daß der Zuströmung im äußeren
Abscheideraum zum Spaltkanal hin mit wachsender Axialkoordinate z ein größerer Widersthnfl
entgegengesetzt wird, um konstante Geschwindigkeitsprofile entlang der Trennfläche
zu realisieren, wobei der Spaltkanal mit zueinander parallel verl aufenden Abdeckplatten
versehen wird, die senkrecht zur Drallrohrachse angeordnet sind.
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Gemäß einer zusätzlichen Ausbildung der Erfindung kann zur Verbesserung
der Symmetrieeigenschaften der inneren Drallströmung und damit der Zuströmbedingungen
in die Auslaufspirale das Spalt-Tauchrohr entweder einen schraubenförmigen Spaltkanal
aufweisen oder mit zwei bzw. mehreren am Tauchrohrumfang gleichmäßig verteilten
Spaltkanälen mit jeweils gerader Eintrittskante versehen werden.
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Wie nachstehend noch anhand von Meßkurven gezeigt wird, bewirkt die
erfindungsgemäße Ausbildung des Zyklonabscheiders eine Steigerung des Gesamtabscheidegrades
bei gleichzeitiger Reduzierung des Druckverlustes gegenüber der herkömmlichen Zyklonausführung.
Insbesondere wird der maximale Partikeldurchmesser, der zu 99 % abgeschieden wird,
um den Faktor 3 verkleinert, was einer Trennschärfe des erfindungsgemäßen Zyklons
entspricht, die bisher von Zyklonabscheidern nicht erreicht wurde.
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Zur Verbesserung der Zyklonbetriebsgrößen Gesamtabscheidegrad, Fraktionsabscheidegrad
und Druckverlust gemäß der Erfindung ist nicht unbedingt ein tangentialer Einlaufkanal
entsprechend der beschriebenen Ausführungsform erforderlich, sondern ein spiralförmiger
oder schraubenförmiger Einlaufkanal des Zyklons kann ebenfalls zur Anwendung kommen,
zumal durch eine spiralförmige oder schraubenförmige Zykloneinlaufströmung die Symmetrieeigenschaften
der Drallströmung verbessert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
ErJ findung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsi
beispiele in Verbindung mit den Figuren. Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt
einer Zyklonausführungsform mit erfindungsgemäßer Tauchrohr-Säule, wobei das Spalt-Tauchrohr
eine schraubenförmige Eintrittskante und einen diffusorartigen Spaltkanal aufweist.
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Fig. 2 einen schematischen Querschnitt entlang der Schnittlinie II-II
der Fig. 1.
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Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt einer anderen Zyklonausführungsw
form mit erfindungsgemäßer Tauchrohr-Säule, wobei das Spalt-Tauchrohr eine gerade
Eintrittskante und einen parallelwandigen Spaltkanal aufweist.
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Fig. 4 einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Tauchrohr-Säule entlang
der Schnittlinie III-III der Fig. 3.
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Fig. 5 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Spalt-Tauchrohres mit
gerader Eintrittskante und axial variabler Spaltaustrittsbreite.
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Fig. 6 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes symmetrisches Spalt-Tauchrohr
mit zwei parallelwandigen Spaltkanälen mit gerader Eintrittskante, wobei der Aussparkern
der Auslaufspirale im Schnitt dargestellt ist.
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Fig. 7 den schematischen nachgeschalteten Abscheideprozeß innerhalb
des Zentral-Tauchrohres der erfindungsgemäßen Tauchrohr-Säule.
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Fig. 8 Sedimentationsanalysen des Feingutes im Reingaskanal von einem
herkömmlichen und einem erfindungsgemäßen Zyklonabscheider.
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Fig. 9 den maximalen Partikeldurchmesser dgg, der im herkömmlichen
und erfindungsgemäßen Zyklonabscheider jeweils zu 99 % abgeschieden wird.
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Fig. 10. den Druckverlust von herkömmlichem und erfindungsgemäßem
Zyklonabscheider als Funktion des Volumenstroms.
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Als Grundkonstruktion des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders mit
zwei Abscheideräumen und statischen Leitvorrichtungen dient ein herkömmlicher Zyklon.
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Die in Fig. 1 gezeigten vier Grundbauteile, Zyklongehäuse (12a) (12b),
tangentialer Einlaufkanal (11), zylindrisches Tauchrohr (5) und Feststoffsammelbehälter
(2a) werden demnach ebenfalls als Bauteile des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders
verwendet. Das Zyklongehäuse besteht in an sich bekannter Weise aus einem oberen
zylindrischen Außenmantel (12a) und einem sich axial nach unten verjüngenden unteren
konischen Außenmantel (12b), wobei allerdings die Höhe des zylindrischen Gehäuses
(12.r1) größer ist als die Höhe des konischen Gehäuses (9.r1). Beide Mantelteile
(12a) und (12b) umschließen den äußeren Abscheideraum (3a). In den zylindrischen
äußeren Abscheideraum ragt das um die Zyklonachse (1) zentrierte, zylindrische Tauchrohr
(5) hinein, das zum Abführen der entstaubten Zweiphasenströmung (Gas + Feingut)
dient.
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Der tangentiale Einlaufkanal (11) ist bestimmt, die in den Zyklon
eintretende beschleunigte Zweiphasenströmung (Gas + Aufgabegut) dem äußeren Abscheideraum
(3a) zuzuführen. Der untere konische Zyklonmantel (12b) endet auf einem Abschirmbehälter
(13) mit einer ringspaltförmigen Austrittsöffnung (14) für das abgeschiedene Grobgut,
das in dem herkömmlichen Feststoffsammelbehälter (2a) unterhalb des Abschirmbehälters
(13) gelagert wird.
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Nach der erfindungsgemäßen Zyklonausführung in Fig. 1 wird zunächst
das herkömmliche Tauchrohr (5) durch ein geschlitztes Spalt-Tauchrohr (6) axial
verlängert, dessen schraubenförmige Eintrittskante (9a) oder gerade Eintrittskante
(9b) sich über die Trennflächenhöhe hi erstreckt. Zwar ist die Absaugung über ein
geschlitztes Spalt-Tauchrohr bekannt (deutsche Patentschrift Nr. 32 23 374), die
Erfindung liegt aber darin, daß das Spalt-Tauchrohr (6) an seiner unteren Stirnfläche
geöffnet ist und einen Spaltkanal (10) aufweist, der als Einlaufkanal für eine Tauchrohr-Säule
benutzt wird, deren Achse als Zentrum des Wirbel kerns (Zyklonauge) zu betrachten
ist. Die Anordnung des Zentral-Tauchrohres (7) in axialer Verlängerung des Spalt-Tauchrohres
( 6) führt dazu, daß die vollständige Tauchrohr-Säule (5) (6) (7) die gesamte Abscheideraumhöhe
h umgibt und somit zusätzlich als Stabilisator der äußeren Drallströmung im Abscheideraum
(3a) angesehen werden kann. Die Erzeugung einer inneren Drallströmung und damit
einer nachgeschalteten Abscheidung im inneren Abscheideraum (3b) des Zentral-Tauchrohres
(7) ermöglicht ein als gekrümmter Diffusor ausgelegter Spaltkanal (10a) oder ein
parallelwandiger Spaltkanal (1Db). Die äußere Drallströmung
läuft
auf einem als parabolischer Abschirmkegel (4a) ausgebildetes Teilstück des Zentral-Tauchrohres
(7) aus,und die innere Drallströmung wird durch einen Abschirmkegel (4b) innerhalb
des Zentral-Tauchrohres (7) zentriert. Das Zentral-Tauchrohr (7) durchdringt den
herkömmlichen Feststoff sammelbehälter (2a) und wird an einem zweiten Feststoffsammelbehälter
(2b) unterhalb des ersten gasdicht angeschlossen, so daß zwischen den beiden Feststoffsammelbehältern
keine Gasführung möglich ist.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Querschnitt des erfindungsgemäßen
Zyklonabscheiders ist unterhalb des tangentialen Einlaufkanals (11) ein Leitblech
(8) in der um die Höhe 2.r. versetzten zum Zyklondeckel (15) parallelen Ebene derart
vorgesehen, daß eine axial gleichmäßige Zuströmung in den Spaltkanal (10a) ohne
Kurzschlußströmungen gewährleistet wird. Im Zentriewinkelbereich ç = 0° - 1800 wird
das Leitblech (8) als Kreisscheibe (16) ausgebildet.
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Fig. 3 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders. Das Spalt-Tauchrohr (6) mit gerader Eintrittskante
(9b) weist einen parallelwandigen Spaltkanal (10b) mit Abdeckplatten (22a) (22b)
auf, der als Einlaufkanal eines zur Zyklbnachse (1) parallelen Drallrohres (17)
mit der Symmetrieachse (18) innerhalb der Tauchrohr-Säule (5) (6) (7) ausgebildet
wird. Zur Rückgewinnung der Drallenergie wird das Drallrohr (17) als strömungsgünstiger
Zulaufkanal tür eine oberhalb des Zyklondeckels (15) angeordnete Auslaufspirale
(19) ausgelegt. In bekannter Weise muß das Drallrohr (17) zum Auslauf erweitert
werden und die Auslaufspirale mit Aussparkern (23) und großem Spiralgehäùse konstruktiv
ausgeführt werden. Die Strömungspfeile verdeutlichen die gleichsinnige Strömungsführung
der Drallströmung zwischen Zyklon-Eintritt und Zyklon-Austritt.
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Fig. 4 zeigt den Querschnitt des Spalt-Tauchrohres (6) mit zueinander
parallelwandiger Außenkontur (21a) und Innenkontur (21b), die durch den spiralförmigen
Verlauf des Spalttauchrohrumfangs (20) gebildet werden. Bei einer unsymmetrischen
Zuströmung in das Drallrohr (17) ist die Drallrohrachse (18) parallel zur Zyklonachse
(1) verschoben.
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Bei der Ausführungsform des Spalt-Tauchrohres (6) nach Fig. 5 kann
zur Erzielung optimaler Absaugbedingungen das Spalt-Tauchrohr (6) mit über der Spalthöhe
hj variabler Spaltaustrittsbreite ba (z) ausgelegt werden, wobei der parallelwandige
Spaltkanal (lOb) mit Abdeckplatten (22a) (22b) versehen wird, die senkrecht zur
Drallrohrachse (18) angeordnet sind.
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Wird das Spalt-Tauchrohr (6) mit zwei Spaltkanälen entsprechend Fig.
6 versehen oder mit einer schraubenförmig ansteigenden Eintrittskante ausgeführt,
so sind Zyklonachse (1) und Drallrohrachse (18) identisch, da eine zur Zyklonachse
symmetrische Zuströmung in das Drallrohr (17) erfolgt.
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Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Zyklonabscheiders
gemäß der Erfindung arbeitet mit folgendem zweistufigen Abscheidungsprozeß: Das
durch einen Verdichter angesaugte staubhaltige Gas strömt in an sich bekannter Weise
in den Einlaufkanal (11) des Zyklons und über diesen tangential in den zylindrischen
äußeren Abscheideraum (3a). Dabei werden die im einströmenden Gas suspendierten
Partikeln im Sinne der Erfindung durch das unterhalb des Einlaufkanals (11) in der
horizontalen Ebene liegende Leitblech (8) an die äußere Zyklonmantelfläche gelenkt
und dort angereichert, so daß im Strömungsfeld oberhalb des Leitbleches der Abscheidungsprozeß
in Gang gesetzt wird. Infolge der vernachlässigbaren Radialgeschwindigkeit des Gases
oberhalb des Leitbleches werden zunächst alle grobdispersen Partikeln auf die äußere
Zyklonabscheidewand auftreffen und die feindispersen Partikeln werden bereits beim
Eintritt in den Zyklon ebenfalls im zylindrischen Abscheideraum an der Zyklonmantelfläche
angereichert.
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Die Strömung im zylindrischen Abscheideraum ist eine Wirbel senke.
Das Gas strömt auf Spiralbahnen mit zunehmender Geschwindigkeit von außen nach innen.
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Die erzeugte dreidimensionale Drallströmung ermöglicht, daß einerseits
die tangentiale Geschwindigkeitskomponente die zur Abscheidung erforderliche Zentrifugal
beschleunigung erzeugt und andererseits die axiale Komponente der Geschwindigkeit
den Feststoff spiralförmig entlang des äußeren Zyklonmantels (12) in den primären
Feststoffsammelbehälter (2a) transportiert, da selbst feine Staubpartikeln den Stromlinien
des Gases nicht folgen, weil sie unter der Wirkung der hohen Zentrifugal beschleunigungen
aus der gekrümmten Bahn gegen den Zyklonmantel getragen werden. An der Abscheideraumwand
beobachtet man die gleichen Sekundärströmungen wie in einer Teetasse.
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Diese Sekundärströmung längs der Wand des konischen AbscheiderauSeR
br t ~ ist aber nützlich, da sie ebenfalls den an die Wand getragenen Feststoff
erfaßt und nach unten zum Feststoffsammelbehälter (2a) führt. Eine Feststoffsträhne
an konkaven Wänden entsteht wegen des gestörten GleichgewichtS von Druck- und Zentrifugal
kräften.
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Die tangentiale und radiale Komponente der Wirbelsenkenströmung, deren
Jeweiliges Geschwindigkeitsprofil an der Trennfläche über der Höhe des Absaugspaltes
h konstant ist, werden zwischen Außenkontur (21a) und Innenkontur (21b) des Spaltkanals
(10) angesaugt, so daß die Partikeln im äußeren Strömungsfeld des Zyklons unter
konstanten Absaugbedingungen zur Abscheidung gezwungen werden. Da die Auslegung
der Eintrittsfläche des Spalt-Tauchrohres (6) derart erfolgt, daß sich innerhalb
der Spalteintrittsbreite ungefähr die gleiche Strömungsgeschwindigkeit einstellt
wie die Tangentialgeschwindigkeit an der Trennfläche, herrscht um die Tauchrohr-Säule
stets ein starkes Drallfeld, das hohe Zentrifugalkräfte auf die Partikeln im Abscheideraum
wirken läßt.
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Die aus dem primären Abscheideraum (3a) über den Spaltkanal (10) angesaugte
Gasströmung wird anschließend an die äußere Mantelfläche des Zentral-Tauch rohres
(7) gelenkt, in dem sich ein zweites Drallfeld und der Wirbel kern des Zyklons ausbildet,
wodurch der sekundäre Abscheidungseffekt bewirkt w1Hd.
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Gemäß Fig. 7 weist diese innere Drallströmung nur ein zweidimensionales
Strömungsfeld auf, da eine radiale Geschwindigkeitskomponente (Senkensttömung) nicht
mehr vorhanden ist. Durch die tangentiale Geschwindigkeitskomponente werden die
noch in der Gasströmung suspendierten Feinstpartikeln in die wand nahe Zone der
Tauchrohr-Säule getragen, während die zum inneren Abschirmkegel (4b) nach unten
gerichtete Axialkomponente der inneren Drallströmung den Feststofftransport in den
sekundären Feststoffsammelbehälter (2b) bewirkt.
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Anschaulich zeigt Fig.7 die Strahlausbreitung an einer gekrümmten
Ablenkfläche als Folge der Fliehkräfte. Infolge des Zentral-Tauchrohres (7) haben
die Partikeln hinreichend axialen Spielraum, um in Bereiche zu gelangen, in denen
sämtliche eventuell radialen Geschwindigkeitskomponenten abgeklungen sind, aber
noch starke tangentiale Geschwindigkeitskomponenten herrschen.
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In der Tauchrohr-Säule fällt der statische Druck wie in jeder gekrümmten
Strömung von außen nach innen stark ab. In der Drallrohrachse (18) bzw.
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Zyklonachse (1) herrscht der niedrigste Druck des Wirbels. Dadurch
ist die Druckkraft, die an der abgebremsten Feststoffsträhne angreift, wesentlich
größer als die Zentrifugalkraft, so daß starke Sekundärströmungen nach innen ebenfalls
den sekundären Abscheidungseffekt begünstigen. Die durch die Tauchrohrinnenwand
gebundenen Feststoffschichten werden in Richtung des radialen Druckgefälles verdrängt,
während die Durchflußströmung entlang den inneren Tauchrohrwänden strömt.
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Einige Partikeln werden zwar am inneren Abschirmkegel (4b) wieder
hochsteigen, geraten allerdings dann wieder in das im Zentral-Tauchrohr herrschende
Fliehkraftfeld der inneren Drallströmung, bis ihnen schließlich der Obertritt in
den sekundären Feststoffsammelbehälter (2b) gelingt. Auf diese Weise wird eine zweistufige
Abscheidung von in strömenden Gasen suspendierten Partikeln in einem einzigen Apparat
erreicht.
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Die kinetische Energie der Drallströmung wird entweder innerhalb des
als gekrümmten Diffusors ausgelegten Spaltkanals (10a) oder durch eine oberhalb
des Zyklondeckels (15) angeordnete in bekannter Weise auszulegende Auslaufspirale
zurückgewonnen, so daß sowohl die Axialkomponente als auch die Tangentialkomponente
der inneren Drallströmung derart verzögert werden, daß Zykloneintrittsgeschwindigkeit
und Zyklonaustrittsgeschwindigkeit gleiche Werte annehmen bei gleichen Rohrquerschnitten
von Rohgas- und Reingaskanal.
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Die Wirksamkeit des beschriebenen zweistufigen Abscheidungsprozesses
konnte durch umfangreiche Experimente an einer Zyklon-Versuchsanlage unter praxisnahen
Bedingungen bestätigt werden. Die Reduzierung des Spritzkornbereiches bzw. die Reduzierung
des grobkörnigen Massenanteils des Feingutes im Reingaskanal durch Einbau einer
Tauchrohr-Säule in Kombination mit einem Leitblech im Vergleich zu einer herkömmlichen
Zyklonbauweise ohne zusätzliche Leit- und Abscheidevorrichtungen zeigt Fig. 8 anhand
einer Sedimentationsanalyse des Feingutes.
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Als Referenzverfahren ist in Fig. 9 eine optische Partikelgrößenanalyse
des Feingutes dargestellt. Vor allem kann festgestellt werden, daß sich nicht nur
der Gesamtabscheidegrad vergrößert bzw. die Feststoffkonzentration im Reingaskanal
abnimmt, sondern ebenfalls der Fraktionsabscheidegrad entscheidend verbessert wird,
da sich die maximale zu 99 % abgeschiedene Partikelgröße weit in den feineren Partikelgrößenbereich
unter die 10 µm verschiebt.
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Für das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders
nach Fig. 1 ergaben sich im Vergleich zur herkömmlichen Zyklonausfiihrung ohne Tauchrohr-Säule
folgende Versuchswerte:
| herkömmlicher Zyklon erfindangsgemSßer Zyklc |
| Betriebspunkt V = 271 m3/h V = 271 m3/h |
| Eintrittsgeschwindigkeit ve = 20 m/s Ve = 20 m/s |
| Aufgabegut Quarzstaub F 400 F 400 |
| Staubkonzentration im Croh = 0>5 g/m croh = 0,5 g/m² |
| Rohgaskanal |
| Gesamtabscheidegrad 96 % 99 % |
| Trennkorndurchmesser d50 =: 1 pm d50 = 1 Hm |
| Maximaler Partikeldurchmesser dgg = 18 pm dgg = 6 pm |
| Druckverlustbeiwert # = 19,2 5 - 8,4 |
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht nach Fig. 10 darin, daß sich der Energieaufwand
des Abscheidungsprozesses gegenüber der herkömmlichen Ausführung um maximal 50 %
reduziert, da Umlenkverluste, Totwassergebiete und starke Turbulenzen mit Rückströmungen
vermieden werden.
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Durch Anwendung der Erfindung wird das Anwendungsgebiet von Zyklonabscheidern
wesentlich erweitert. Insbesondere könnte als zukünftiges Anwendungsbeispiel der
erfindungsgemäße Zyklon für die Entstaubung aus der druckbetriebenen Wirbelschichtfeuerung
in einer kombinierten Gas/Dampfturbinenanlage eingesetzt werden. Die Gasturbinenschaufeln
unterliegen sowohl einem erosiven als auch korrosiven Verschleiß, wobei sich die
Erosionskraft ab einem Partikeldurchmesser der Größe d > 10 Hm stark auswirkt.
Zusätzlich beeinfluBt der luft-/rauchgasseitige Druckverlust des Kombiprozesses
den Prozeßwirkungsgrad in erheblichem Maße.