DE4107983C2

DE4107983C2 - Mehrwegsorptions-Filteranlage zur Reinigung von Gasen, insbesondere von Abgasen aus Verbrennungsanlagen

Info

Publication number: DE4107983C2
Application number: DE19914107983
Authority: DE
Inventors: Manfred Ohlmeyer; Hans Martinsteg; Juergen Wilhelm
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1991-03-13
Filing date: 1991-03-13
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2011-03-14
Also published as: ATA10692A; AT399295B; CH688267A5; DE4107983A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrwegsorptions-Filteranlage gem. dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine Filteranlage dieser Bauart, auch als MWS-Wanderbettfilter bezeichnet, ist aus der PS 25 40 141 bekannt. Damit kann die Beladekapazität des Filtermaterials optimal ausgenutzt werden. Dabei liegen die Oberkante der Gaseintrittskammer und die Un terkante der Gasaustrittskammer so weit auseinander, daß auch die Teilgasmenge, die den direkten Weg durch das Filtermate rial unter Umgehung der Umlenkkammer nimmt, mindestens die selbe Verweilzeit im Filtermaterial dieses Übergangsbereichs zwischen dem oberen und dem unteren Teil der Filterkammer hat wie der Hauptgasstrom. Andererseits sollen die Strömungsge schwindigkeiten in dem Übergangsbereich bestimmte, kritische Werte an keiner Stelle unterschreiten, damit keine örtlichen Überhitzungen infolge von exothermen Abscheidungsprozessen sowie von Oxidationen des Kohlenstoffs aus dem Filtermaterial (Aktivkoks, Aktivkohle) eintreten. Um diesen zuletzt genann ten, unerwünschten Effekten entgegenzuwirken, wird in der DE 36 09 164 A1 vorgeschlagen, zwischen zwei Wanderbetten eine Strecke verengten Querschnitts mittels trichterförmiger Ein schnürungen mit zwischen den Trichtern liegender Druckwider standsstrecke einzubauen. Die Einschnürung zwischen den Wan derbetten kann auch asymmetrisch durch eine schräge Verengung zu einer definierten, verengten Widerstandsstrecke eingezogen sein; die der Einschnürung gegenüberliegende Seite besteht bei dieser Ausführungsform aus einer gasdurchlässigen Wandung in Form von Jalousieblechen, Netzwerken, Lochblechen etc., die das körnige, kohlenstoffhaltige Material stützt. Dadurch soll die Verweilzeit des kohlenstoffhaltigen, körnigen Materials in der Strecke verengten Querschnitts zwischen den beiden quer durchströmten Wanderbetten minimiert werden, indem aufge heiztes Material schnell von einem in das andere Wanderbett überführt wird, um sodann durch das querströmende Gas gekühlt zu werden. Dabei wird jedoch übersehen, daß sich in der Praxis die Verweilzeit des Filtermaterials primär nach der geforder ten Reinheit des Gases am Ausgang der Filteranlage richtet und nicht so sehr nach der Temperatur des Filtermaterials bzw. der Strömungsgeschwindigkeit des Gases in der Strecke verengten Querschnitts. Auch ist für die Bildung sogenannter "Wär menester" oder "hot spots" nicht allein die mittlere Strö mungsgeschwindigkeit des Gases entscheidend, sondern die Strö mungsgeschwindigkeit einzelner Strömungspfade; deren Geschwin digkeiten können je nach der Strömungspfadlänge erheblich un terhalb der mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Gases in einem Übergangsbereich wie z. B. der Strecke verengten Quer schnitts liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Filteran lage der gattungsgemäßen Art den Übergangsbereich zwischen zwei quer durchströmten Zonen der Filterkammer so zu gestal ten, daß unabhängig von der Wandergeschwindigkeit des Filter materials die Entstehung von Wärmenestern in diesem Bereich, die zu einer Entzündung des Filtermaterials führen können, verhindert wird.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen von Pa tentanspruch 1 gelöst. Die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Lösung.

Da in dem gefährdeten Übergangsbereich und in den darüber und darunter liegenden Zonen der Filterkammer alle Strömungspfade des Gases annähernd gleiche Längen haben, werden auch gleiche Gasgeschwindigkeiten für alle Strömungspfade erreicht, wodurch örtliche Überhitzungen vermieden werden. Da die Verweilzeit des Gases mit dem Quadrat der Strömungspfadlänge zunimmt, werden umso homogenere Temperaturbedingungen erzielt, je geringer die Längenabweichungen der Strömungspfade voneinander sind.

Es wird weiterhin erreicht, daß durch die Vergleichmäßigung aller Strömungspfade - und damit der Strömungsgeschwindigkeiten bzw. der Verweilzeiten und letztlich der Abscheidegrade - eine gleichmäßige Beladung des Filtermaterials gewährleistet ist. Dies bedeutet eine weitere Reduzierung des Filtermaterialbe darfs.

In den Abbildungen gem. den Fig. 1 bis 5 sind Ausführungs beispiele der erfindungsgemäßen Filteranlage dargestellt, die im folgenden näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Filteranlage mit einer Ausbuch tung in der gasdurchlässigen Wand der Umlenkkammer bei einfa cher Umlenkung des Gasstromes,

Fig. 2 die vergrößerte Darstellung des Übergangsbereichs in Fig. 1,

Fig. 3 eine Filteranlage wie bei Fig. 1, jedoch mit einer weiteren Ausbuchtung des Wandabschnitts zwischen Gasein- und Gasaustrittskammer,

Fig. 4 die vergrößerte Darstellung des Übergangsbereichs in Fig. 3 und

Fig. 5 eine Filteranlage wie bei Fig. 3, jedoch mit einer zweifachen Umlenkung des Gasstromes.

Die Filteranlage mit einfacher Umlenkung gem. den Fig. 1 und 2 besteht aus dem Reaktorgehäuse 1 mit Filterkammer 2 zur Aufnahme des Filtermaterials 3 und der daran dicht aufge flanschten Gaseintrittskammer 8, der Gasaustrittskammer 9 so wie der Umlenkkammer 10. Die Kammern 8, 9, 10 sind über gas durchlässige Wände 15, 16, 17 mit dem Innenraum der Filterkam mer 2 verbunden. Zwischen Gaseintrittskammer 8 und der darüber liegenden Gasaustrittskammer 9 befindet sich der gasdichte Wandabschnitt 12, der die Höhe des Übergangsbereichs 11 zwi schen der oberen Zone 4 und der unteren Zone 5 der Filterkam mer 2 bestimmt. Dieser Wandabschnitt 12 ist so gestaltet und/oder bemessen, daß der Kurzschlußgasstrom 30, der unter Umgehung der Umlenkkammer 10 den direkten Weg durch den Über gangsbereich 11 entlang des Wandabschnitts 12 nimmt, die glei che Strömungspfadlänge hat, wie der Hauptgasstrom 29, der die Filterkammer 2 je einmal in der unteren Zone 5 und der oberen Zone 4 durchströmt. D.h. die Strömungspfadlänge, das ist für den Kurzschlußgasstrom 30 der Weg von der Oberkante der Gaseintrittskammer 8 bis zur Unterkante der Gaseintrittskammer 9, soll in beiden Fällen der doppelten Bettiefe "T" der Fil terkammer 2 entsprechen.

Zum Betrieb der Filteranlage wird am oberen Ende der Filter kammer 2 in den Einfüllstutzen 6 frisches Filtermaterial 27, z. B. körnige Aktivkohle, aufgegeben, das nach der Beladung mit Schadstoffen aus dem im Kreuz-Gegenstrom geführten Rohgas 13, das nach dem zweimaligen Durchtritt durch die Filterkammer 2 als Reingas 14 die Filteranlage verläßt, am unteren Ende durch den Entleerungsstutzen 7 als verbrauchtes Filtermaterial 28 abgelassen wird. An die Stutzen 6, 7 sind Aufgabe- und Abzugs einrichtungen (nicht dargestellt) für die Förderung des Fil termaterials 3 anschließbar, die entsprechend der vorgesehenen Betriebsweise eine kontinuierliche bis diskontinuierliche Be wegung des Filtermaterials 3 gestatten. Die Durchlaufgeschwin digkeit des Filtermaterials 3 wird dabei in der Regel durch den vorgegebenen, maximal zulässigen Restschadstoffgehalt des Reingases 14 bestimmt.

Um die Strömungspfadlänge der Teilgasströme 31 im Übergangsbe reich 11 den Strömungspfadlängen des Hauptgasstromes 29 durch die untere und die obere Zone 4, 5 anzugleichen, ist gegenüber dem Wandabschnitt 12 im Übergangsbereich 11 eine entsprechend bemessene Ausbuchtung 18 in die gasdurchlässige Wand 17 auf der Seite der Umlenkkammer 10 eingefügt. Die Neigung der die Ausbuchtung 18 bildenden Tangenten 22 an die Kreisbögen 20 ist dabei durch die erforderlichen Schüttwinkel "α₁" und "α₂" für den Transport und die Andrückkraft des Filtermaterials 3 im Übergangsbereich 11 und den minimal notwendigen Durchlaß für das Filtermaterial 3 zwischen der Spitze 19 und dem Wandabschnitt 12 vorgegeben. Mit Rücksicht auf die Maschen, Jalousien etc. in den gasdurchlässigen Tangentialwänden 22 sollte der Schüttwinkel "α₁" für den Transport etwas steiler bemessen werden als der Schüttwinkel "α₂" für die Andrückkräfte des Filtermaterials. Die Radien "R" der Kreisbögen 20 entsprechen der Bettiefe "T" in den Zonen 4 und 5, wobei deren Mittelpunkte 24 am oberen und am unteren Ende des Wandabschnitts 12 liegen. Durch diese Vorgaben liegt die Spitze 19 der Ausbuchtung 18 nicht zwangsläufig genau in der Mitte des Übergangsbereiches 11, aber stets nahe bei der Mitte. Auch können die Tangenten 22 zur Umlenkkammer 10 hin in die Kreisbögen 20 übergehen.

Das Reaktorgehäuse 1 besteht in der Regel aus einer dicht ver schweißten bzw. mit Flanschverbindungen verschraubten Blech konstruktion. Die Gaseintritts- und Gasaustrittskammern 8 und 9 sowie die Umlenkkammer 10 sind dabei mit Flanschen dicht auf die zugehörigen Öffnungen der Filterkammer 2 aufgeschraubt, in die die gasdurchlässigen Wände 15, 16 und 17 zur Trennung des Filtermaterials 3 von den gasdurchströmten Kammern 8, 9 und 10 eingesetzt sind. Die gasdurchlässigen Wände 15, 16 und 17 be stehen dabei aus Jalousieblechen, Sieb- oder Lochblechen, Na schendrahtgeweben etc. bzw. Kombinationen wie Maschendrahtge webe mit Stützgittern. Die Aufgabe dieser gasdurchlässigen Wände ist es, das Gas ohne großen Widerstand in die und aus der Filterkammer 2 strömen zu lassen, jedoch zu verhindern, daß Filtermaterial aus den Filterkammern ausgetragen wird und die Durchtrittsöffnungen in den gasdurchlässigen Wänden durch Staub verstopfen.

In den Fig. 3 und 4 ist eine Weiterbildung der Erfindung gem. Fig. 1 und 2 in der Form dargestellt, daß auch der gasdichte Wandabschnitt 12 im Übergangsbereich 11 eine keil förmige Ausbuchtung 25 in Richtung der Filterkammer 2 auf weist. Die übrigen Ausführungen und Funktionen entsprechen denen zu Fig. 1 und 2. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß sich der Übergangsbereich 11 gegenüber dem aus Fig. 2 verkürzt hat, da die Länge des Wandabschnitts 12 hier nicht mehr durch eine Gerade mit der Länge 2T = 2R gebildet wird, sondern durch zwei Dreieckseiten mit jeweils der Länge T = R, welche die keilförmige Ausbuchtung 25 mit der Spitze 26 bilden. Die Form für die Ausbuchtungen 18 und 25 ist unter Beachtung der Schüttwinkel und durch den notwendigen Minimalabstand zwischen den Spitzen 19 und 26 bestimmt, der für den Durchlaß des Fil termaterials erforderlich ist.

Eine weitere Ausführung des Reaktorgehäuses 1, das auch mit mehreren Umlenkkammern versehen sein kann, ist in Fig. 5 mit zweifacher Umlenkung des Hauptgasstromes 29, d. h. dreifacher Durchströmung des Filtermaterials 3 durch die Filterkammer in den Zonen 5, 4n und 4 dargestellt. Es ist im Prinzip dasselbe Gehäuse wie in Fig. 1, jedoch mit der Ausbildung der Über gangsbereiche 11 bzw. 11n entsprechend der Fig. 4, wobei der Übergangsbereich 11n gegenüber dem Übergangsbereich 11 seiten verkehrt angeordnet ist. Bei weiteren Umlenkungen würde sich diese Seitenumkehr entsprechend n-mal wiederholen. Die notwen dige Anzahl der Umlenkungen n ergibt sich durch die Form und Länge der sogen. Massentransportzone bzw. Beladekurve des Fil termaterials 3, die sich als empirische Größe aus den abzu scheidenden Schadstoffen und dem Abscheidevermögen des Filter materials ermitteln läßt. Die Zahl der Umlenkungen n kann theoretisch beliebig hoch gewählt werden, ihr sind jedoch durch verfügbare Bauhöhen und wirtschaftliche Überlegungen Grenzen gesetzt.

Bezugszeichenliste

1 Reaktorgehäuse
2 Filterkammer
3 Filtermaterial
4 obere Zone der Filterkammer
4n mittlere Zone (n) der Filterkammer
5 untere Zone der Filterkammer
6 Einfüllstutzen
7 Entleerungsstutzen
8 Gaseintrittskammer
9 Gasaustrittskammer
10 Umlenkkammer
10n Umlenkkammer (n) bei n (hier 2) Umlenkungen
11 Übergangsbereich
11n Übergangsbereich (e)
12 Wandabschnitt
13 Rohgaseintritt
14 Reingasaustritt
15 gasdurchlässige Wand (Gaseintritt)
16 gasdurchlässige Wand (Gasaustritt)
17 gasdurchlässige Wand (Umlenkung)
17n gasdurchlässige Wand (Umlenkkammer (n))
18 Ausbuchtung der gasdurchlässigen Wand (Umlenkkammer)
18n Ausbuchtung der gasdurchlässigen Wand in der Umlenkkammer 18n
19 Spitze der Ausbuchtung zu 18
20 Kreisbögen
R Radien der Kreisbögen 20
22 Tangenten
T Bettiefe der Filterkammer in den Zonen 4 und 5
24 Mittelpunkte der Radien
25 Ausbuchtung des Wandabschnitts
26 Spitze der Ausbuchtung im Wandabschnitt
27 Frisches Filtermaterial
28 verbrauchtes Filtermaterial
29 Hauptgasstrom
30 Kurzschlußgasstrom
31 Teilgasstrom
α₁ Schüttwinkel für den Transport des Filtermaterials
α₂ Schüttwinkel für die Andrückkraft des Filtermaterials (α₁α₂)

Claims

1. Mehrwegsorptions-Filteranlage zur Reinigung von Gasen, ins besondere von Abgasen aus Verbrennungsanlagen, mit einem Reaktorgehäuse, das eine Filterkammer zur Aufnahme von rie selfähigem Filtermaterial, insbesondere körniger Aktivkohle oder körnigem Aktivkoks, enthält;
das Reaktorgehäuse ist ferner mit einer oberen Aufgabeein richtung und einer unteren Abzugseinrichtung für das Fil termaterial, wenigstens einer Umlenkkammer für das Gas, ei ner der Umlenkkammer gegenüber gelegenen Gaseintrittskammer und einer in Abstand über der Gaseintrittskammer angeordne ten Gasaustrittskammer ausgestattet;
die Umlenkkammer und die Gaseintritts- und die Gasaus trittskammer sind mittels gasdurchlässiger Wände von der Filterkammer getrennt;
der der Umlenkkammer gegenüberliegende Wandabschnitt der Filterkammer im Übergangsbereich von der oberen zur unteren Zone zwischen Gaseintritts- und Gasaustrittskammer ist als gasdichte Filterkammerbegrenzung ausgebildet und so bemes sen, daß die Weglänge des Kurzschlußgasstromes entlang dem Wandabschnitt wenigstens der doppelten Bettiefe der Filter kammer außerhalb des Übergangsbereichs entspricht, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
die gasdurchlässige Wand (17) zwischen Umlenkkammer (10) und Filterkammer (2) weist in dem Übergangsbereich (11) eine gegen den Wandabschnitt (12) zwischen Gaseintritts und Gasaustrittskammer (8, 9) gerichtete keil- oder wellen förmige Ausbuchtung (18) auf, die so bemessen ist, daß alle Strömungspfade der Teilgasströme (31) in dem Übergangsbereich (11) und die Strömungspfade des Hauptgasstromes (29) in der unteren und der oberen Zone (4, 5) der Filterkammer (2) annähernd gleiche Längen haben unter Belassen eines minimal notwendigen Durchlasses für das Filtermaterial (3) zwischen der Spitze (19) der Ausbuchtung (18) und dem Wandabschnitt (12), wobei die Spitze (19), bezogen auf die Höhe des Wandabschnitts (12), in oder nahe bei der Mitte des Übergangsbereichs (11) liegt.

2. Filteranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Ausbuchtung (18) von zwei an Kreisbögen (20) angelegten Tangenten (22) bestimmt ist, deren Radien "R" der Bettiefe "T" der Filterkammer (2) entsprechen und die in der Mitte des Übergangsbereichs (11) in eine gemeinsame Spitze (19) oder Abrundung übergehen, wobei die Neigung der Tangenten (22) durch die Schüttwinkel (α₁, α₂) für den Transport und die Andrückkraft des Filtermaterials (3) bestimmt ist.

3. Filteranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte (24) der beiden Radien "R" am oberen und am unteren Ende des Wandabschnitts (12) liegen.

4. Filteranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tangenten (22) zur Umlenkkammer (10) hin in die Kreis bögen (20) übergehen.

5. Filteranlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch der gasdichte Wandabschnitt (12) eine keilförmige Ausbuchtung (25) in Richtung der Filterkammer (2) aufweist, deren Spitze (26) in oder nahe bei der Mitte des Übergangsbereichs (11) liegt.

6. Filteranlage nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgehäuse (1) in Richtung des Hauptgasstromes (29) mit mehreren, hintereinandergeschalteten Umlenkkammern (10, 10n) ausgestattet ist, wobei jeder Umlenkkammer (10, 10n) in den Übergangsbereichen (11, 11n) je eine keilför mige Ausbuchtung (18, 18n) der gasdurchlässigen Wand (17, 17n) zugeordnet ist.