DE4308907A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung partikelförmiger Verunreinigungen aus einem strömungsfähigen Medium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Ein­ richtung zur Abscheidung partikelförmiger Verunreinigungen aus einem strömungsfähigen Medium gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5.

Wenn man Filter mit granulatartiger Filterschicht mit einem Rohgas beaufschlagt, welches Staubanteile <30 µm enthält, ist die Entstaubungswirkung sehr stark beeinträch­ tigt. Aus diesem Grunde werden derartige Filter grundsätzlich mit Vorabscheidern ausgestattet. Bei den hierbei meistens verwendeten Zyklonabscheidern wird die zur Trennung der Staub­ fraktionen notwendige Zentrifugalkraft durch geeignete Gas­ führung in einem statischen Gehäuse erreicht.

Es sind bereits zahlreiche Vorschläge gemacht wor­ den, partikelbeladene strömungsfähige Medien, z. B. staubhal­ tige Gase, mittels granulatförmiger Filterschichten zu rei­ nigen (vgl. z. B. DE-PS 12 95 521 und 867 343, DE-AS 24 18 003, DE-AS 25 52 298, DE-OS 27 19 544, DE-AS 11 55 307 und DE-OS 16 07 716). Die bisher vorgeschlagenen Anordnungen sind je­ doch durchwegs kompliziert im Aufbau und auch dementspre­ chend kostspielig in der Anschaffung und im Betrieb; eine zufriedenstellende Lösung konnte daher trotz großer An­ strengungen der Fachwelt noch nicht gefunden werden.

Die DE-AS 11 95 307 zeigt beispielsweise einen für heiße Gase und Dämpfe vorgesehenen Staubabscheider mit einer aus zwei konzentrischen Zylindermänteln bestehenden Filtertrommel. Der Ringraum zwischen den beiden Zylinder­ mänteln ist etwa zur Hälfte mit einem Granulat gefüllt. Das Einströmen des staubbeladenen Gases in den oberen, ungefüll­ ten Trommelsektor ist durch einen Abdeckschirm gesperrt, welcher als vollwandiges, gasundurchlässiges Zylindersegment ausgebildet ist.

Bei dieser bekannten Anordnung wird zwar bei der Drehung der Filtertrommel eine Lockerung des Granulates er­ reicht, doch fällt der dabei sich vom Granulat ablösende Staub lediglich der Schwerkraft folgend nach unten auf die Innenfläche des äußeren Zylindermantels, dessen feine Öffnungen sich binnen kurzem verstopfen und den Staubabschei­ der funktionsunfähig machen. Noch schwerwiegender ist aller­ dings, daß die erzielte Möglichkeit der Granulatlockerung mit einer praktisch 50%igen Leistungseinbuße erkauft wer­ den muß, da der Abdeckschirm dem Staubgas mindestens die Hälfte der effektiven Durchgangsfläche versperrt.

Die DE-OS 16 07 716 zeigt eine Anordnung mit einem starren Innenmantel und einem flexiblen Außenmantel, wobei sich im oberen Trommelbereich eine Minderung der Schüttschichtdicke ergeben soll. Auch hier wird durch die Anordnung einer Abdeckplatte (Fig. 3) bzw. eines Abdeck­ trichters (Fig. 1) der effektive Durchtrittsquerschnitt für das Rohgas erheblich verringert. Das größere Problem dürfte aber die stirnseitige Abdichtung des flexiblen, um­ laufenden Außenmantels sein, der während der gesamten Regenerierphase an den Stirnwänden bzw. einer Verlängerung derselben mittels speziellen Dichtungen abgedichtet werden muß und dem dort ständig anfallenden Staub ausgesetzt ist, was zur Folge hat, daß die Anordnung insbesondere beim Einsatz zur Reinigung heißer Gase von beispielsweise 500°C nicht brauchbar ist.

In der DE-PS 8 67 343 ist eine Vorrichtung zum Reinigen staubhaltiger Gase beschrieben, wobei innerhalb einer Gewebetrommel eine Vielzahl von Füllkörpern lose ein­ gelegt sind. Die Füllkörper sind Gewebeabschnitte, die sich während der Rotation der Trommel an deren Innenwand anlegen und vom Staubgas durchströmt werden. Ein besonderes Problem dürfte bei dieser Füllkörperform deren Abreinigung darstel­ len. Ein poröser Füllkörper, wie Stahlwolle oder Aluminium­ watte, nimmt die beim Durchströmen des staubbeladenen Gases sich ablagernden Staubpartikel bekanntlich innerhalb seiner zahlreichen Poren und gewundenen, von dem Gewebe gebildeten Labyrinth auf. Das bloße Abrollen bzw. Abwälzen der Gewebe­ abschnitte bewirkt daher nur eine teilweise Reinigung des Filtermaterials, da eine vollständige Reinigung nur durch Schlag- oder Druckeinwirkung (Vibration) und nachfolgendes Ausschwemmen oder Ausblasen erzielbar wäre. Da sich ferner die vorgeschlagenen Gewebeabschnitte schon nach kürzester Betriebs zeit mit Staub zusetzen und dadurch ihre Porosität verlieren, können die Abschnitte dann nicht mehr als Filter­ gewebe angesprochen werden.

Die Abscheidewirkung derartiger aus Gewebeab­ schnitten erstellter Filtermaterialien kann somit den heu­ tigen Abscheidekriterien nicht mehr entsprechen, die grund­ sätzlich - wenn man nicht auf elektrische Abscheider oder die bekannten Sackfilter ausweichen will - nur durch fein­ körniges Filtermaterial zu erfüllen sind.

Auch dürfte die gleichmäßige Verteilung der re­ lativ großen Gewebestücke an der Innenwand der rotieren­ den Trommel kaum realisierbar sein, da derartige, watte- oder gestrickförmige Abschnitte in Anbetracht ihrer großen Oberflächenreibung sehr schlecht aneinander gleiten, so daß radiale Stege (Fig. 10) eingebaut werden müssen, die einer gleichmäßigen Verteilung aber entgegenstehen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zu dessen Durchführung vorzuschlagen, welche die erwähnten Mängel der bekannten Systeme vermeiden und insbesondere eine intensive, auf eine kurze Reinigungsperiode beschränkte Regenerierung der Schütt­ schicht auf unkompliziertem und kostengünstigem Wege gestat­ ten. Auf die Unkompliziertheit der technischen Anordnung muß im vorliegenden Zusammenhang besonderer Wert gelegt wer­ den, zumal die bekannten Verfahren bei Inkaufnahme relativ großer Leistungseinbußen einen hohen Aufwand zur Herstel­ lung komplizierter Konstruktionen erfordern, was angesichts des robusten, im Industrie-Abluftsektor geforderten Dauerbe­ triebs wenn immer möglich vermieden werden soll. Die Ein­ richtung soll sich außerdem durch eine kompakte Konstruk­ tion auszeichnen und durch Verringerung der Durchflußwiderstände eine Verringerung des Energieaufwandes bewirken.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im kennzeich­ nenden Teil des unabhangigen Patentanspruchs 1, die zu des­ sen Durchführung dienende Vorrichtung in der Kennzeichnung von Patentanspruch 5 definiert.

Es wird demgemäß vorgeschlagen, die Zentrifugal­ kraft zur Abscheidung der Grobstäube mittels einer horizon­ tal angeordneten rotierenden Trommel zu erzeugen, an deren Außenfläche sich eine als Zyklon wirkende Mediumwalze auf­ baut (zur Zyklonwirkung vgl. Manfred Weber, Strömungs-För­ dertechnik, Krausskopf-Verlag, Seiten 310 und 311). Gleich­ zeitig ist die Trommel gasdurchlässig ausgebildet und be­ sitzt an der Innenseite eine Granulatschicht zur Abschei­ dung der Feinstäube. Bei einem Trommeldurchmesser von 1000 mm, einer Umfangsgeschwindigkeit von 6 m/s und einer radialen Gasgeschwindigkeit von 0,7 m/s am Umfang, ergibt sich eine Abscheideleistung definiert als Grenzkorngröße von ca. 30 µm, bei einem spezifischen Gewicht von 3000 kg/m³. Gleichzeitig ermöglicht es die bei der Umfangsge­ schwindigkeit von 6 m/s resultierende Zentrifugalkraft, am inneren Mantel der horizontalen gasdurchlässigen Trommel eine Granulatschicht aufzubauen, die beim radialen Durch­ tritt der Gase den Feinstaubanteil herausfiltert.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des Er­ findungsgegenstandes unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten Vertikalschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung im Fil­ terbetrieb;

Fig. 2 einen Vertikalschnitt der gleichen Ein­ richtung in der Reinigungsphase;

Fig. 3 ist ein entsprechender, gegenüber Fig. 1 um 90° versetzter Vertikalschnitt dieser Einrichtung und

Fig. 4 zeigt eine Variante.

In einem Gehäuse 1, dessen Oberteil einen Einlaßstutzen 2 für das zu entstaubende Rohgas aufweist, ist eine gasdurchlässige zylindrische Trommel 3 drehbar angeordnet und mit einem Antriebsaggregat 4 gekoppelt. Das Antriebsag­ gregat 4 ist für zwei unterschiedliche Drehzahlen n₁ und n₂ ausgelegt, deren eine n₁ dem Filterbetrieb, die andere n₂ dem Reinigungsbetrieb des Filtermaterials entspricht.

Die Trommel 3, welche beispielsweise als Sieb­ trommel aus gelochtem Stahl ausgebildet und auf der Innen­ seite mit einem Siebgewebe belegt sein kann, enthält ein granulatförmiges, rieselfähiges Filtermaterial 5, z. B. Quarz­ sand, dessen Volumen so gewählt ist, daß es die Innenfläche der Trommel mit einer kontinuierlichen Schicht von beispiels­ weise 5 bis 20 mm Dicke überdecken kann.

Das Gehäuse 1 weist in seinem Unterteil einen Auf­ fangtrichter 6 auf. Ins Innere der Trommel 3 mündet ein Stutzen 7, durch welchen das gereinigte Gas in einen Rein­ gaskanal 8 entweichen kann. Ein in den unteren Abschnitt des Reingaskanals 8 mündender Spülgas-Eintrittsstutzen 11 ist mit einer Absperrklappe 9, der Reingaskanal 8 mit einer Ab­ sperrklappe 10 versehen.

Im Filterbetrieb, der in Fig. 1 schematisch dar­ gestellt ist, rotiert die Trommel 3 mit einer Drehzahl n₁, die so gewählt ist, daß auf mechanischem Wege an der Trom­ melaußenfläche eine mitrotierende Gaswalze W erzeugt wird, die entsprechend der Zyklontheorie eine Abscheidung der grobkörnigen Staubpartikel bewirkt, insofern sie sich nicht zur Filterung durch eine Granulatschicht eignen. Gleichzei­ tig wird das rieselfähige granulatförmige Filtermaterial durch die Zentrifugalkraft in einer durchgehenden Schicht 5 von praktisch gleichmäßiger Dicke an die Trommelinnenseite verteilt. Da die Trommel 3 an beiden Stirnseiten durch gas­ undurchlässige Scheiben 12a und 12b verschlossen ist, durch­ strömt das staubbeladene Rohgas das Filtermaterial von außen nach innen, wobei der mitgeführte restliche feinkornige­ re Staubanteil sich an das Granulat anlagert und die Ein­ richtung über den Austrittsstutzen 7 und den Reingaskanal 8 verläßt.

Eine optimale Abscheidewirkung wird überraschender­ weise nur dann erzielt, wenn die Trommeldrehung nicht unmit­ telbar auf die Zentrifugaldrehzahl (bei welcher die gleich­ mäßige Granulatschicht entsteht) gebracht wird. Vom Still­ stand oder einer geringen Trommeldrehzahl ausgehend soll die letztere zunächst langsam hochgefahren werden. Das anfänglich in der unteren Trommelpartie angehäufte Granulat (z. B. Quarz­ sand von ca. 1 mm mittlerem Durchmesser) wird bei allmählich steigender Drehzahl zunächst durch Reibung nach oben befördert, fällt dann mit weiterem Drehzahlanstieg nach unten und bildet, wie der Versuch zeigt, einen den Trommelraum vorübergehend ausfüllenden lockeren, herabrieselnden "Granulatnebel", in welchem die unzähligen Granulatteilchen beim Drehzahlanstieg mit stetig abnehmender Fallgeschwindigkeit den Trommelraum ausfüllen, bis schließlich die Grenzdrehzahl erreicht ist und die damit verbundene Zentrifugalkraft die auf die Granu­ latteilchen wirkende Schwerkraft aufhebt, so daß sich die erwähnte gleichmäßige Granulatschicht bildet.

Bei einem Ausführungsbeispiel wurde die Trommel­ drehzahl mittels Potentiometer stufenlos innerhalb 20 Sekun­ den auf 100 UpM gebracht. Generell läßt sich feststellen, daß eine gute Abscheidung erzielbar ist, wenn die Trommel­ drehzahl innerhalb 3 bis 50 Sekunden von 0 auf ca. 3 bis 9, vorzugsweise 5 bis 6 m/s hochgefahren wird.

Der Füllungsgrad der Trommel betrug etwa ein Zehn­ tel des Trommelvolumens und sollte drei Viertel desselben nicht übersteigen.

Bei einem Trommeldurchmesser zwischen 500 und und 2500 mm sollte die Umfangsgeschwindigkeit der Trommel 3 bis 9 m/s betragen, wobei das Filtermaterial ein Quarz­ sand mit einer mittleren Körnung von 0,25 bis 10 mm sein kann. Als granulatförmiges Filtermaterial hat sich der Quarzsand bewährt, wenn auch andere Materialien wie Glas­ partikel, Stahlkugeln, geschmolzene Aluminiumoxidpartikel etc. in Frage kommen. Die Partikel des Filtermaterials soll­ ten jedoch keinesfalls porös bzw. gasdurchlässig sein, son­ dern eine glatte, nicht gasabsorptionsfähige Oberfläche auf­ weisen.

Soll nun das staubbeladene Filtermaterial im Sinne einer Regenerierung gereinigt werden, so wird zu­ nächst über die Steuerorgane 10 und 9 der Rohgaszustrom unterbrochen und gleichzeitig in Gegenrichtung Spülgas eingeleitet (Schließen der Klappe 10 und Öffnen der Klap­ pe 9). Danach wird die Drehzahl des Antriebsaggregats 4 so stark reduziert, daß durch den Wegfall der Zentrifugal­ kraft das Filtermaterial nach innen fällt und an der Trom­ melinnenwand abrollt (vgl. das in Fig. 2 und 4 mit F be­ zeichnete Filtermaterial). Bei dieser Rollbewegung löst sich der Staub vom granulatförmigen Filtermaterial und wird von diesem in einer Art Siebvorgang durch den durch­ lässigen Außenmantel der Trommel gepreßt und fällt dann nach unten in den Auffangtrichter 6. Das in Gegenrichtung über den Spülgas-Eintrittsstutzen 11 eingeleitete Spülgas gelangt über den Stutzen 7 in den Innenraum der Trommel 3, unterstützt hier die Reinigung des Filtermateriales und befördert gewisse schwebende Staubpartikel durch den Trom­ mel-Außenmantel in den Rohgasraum 2. Nach wenigen Minuten der Reinigungsphase erfolgt dann die Umschaltung auf die nächste oben beschriebene Betriebsphase durch Erhöhung der Trommeldrehzahl auf n₁ und anschließende Einleitung des Rohgases durch Öffnen der Klappe 10 und Schließen der Klappe 9.

Im praktischen Einsatz des beschriebenen Verfah­ rens wird man sich in den meisten Fällen nicht mit einer einzigen Trommel 3 begnügen, sondern - wie Fig. 4 zeigt - zwei oder mehr solcher Trommeln 3, 13 usw. koaxial inein­ ander anordnen. Dabei wird die Außentrommel 3 das gröbe­ re Korn (beispielsweise 3,0 bis 3,5 mm Korngrößen bei dickerer Filterschicht (beispielsweise 60 mm) aufweisen, während für das Filtermaterial der Innentrommel 13 bei­ spielsweise eine Korngröße von 2,0 bis 2,5 mm bei 20 mm Schichtdichte in Frage kommt. Durch die Anordnung derar­ tiger Mehrfachtrommeln läßt sich das neue Verfahren auch jedem Bedarfsfall, der eine mehrstufige Abscheidung ver­ langt, anpassen.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen die Abscheidung von Staubpartikeln aus einem Roh­ gasstrom. Das gleiche Verfahren ließe sich aber auch zur Abscheidung partikelförmiger Verunreinigungen aus einer Flüssigkeit einsetzen.

Zur Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen, in der Industrie einsetzbaren Filterbetriebs werden in be­ kannter Weise mehrere der vorbeschriebenen Einrichtungen parallelgeschaltet.

Claims (9)

1. Verfahren zur Abscheidung partikelförmiger Ver­ unreinigungen aus einem strömungsfähigen Medium, das heißt einem Gas oder einer Flüssigkeit, mittels eines granulatför­ migen Filtermaterials, wobei die grobkörnigen Fraktionen der verunreinigenden Substanzen zunächst in einem vorgeschalteten Abscheideprozeß ausgeschieden und anschließend das zu rei­ nigende, strömungsfähige Medium durch eine Schicht des granu­ latförmigen Filtermaterials geleitet wird und dabei die fein­ körnigeren Fraktionen der Verunreinigungen in dieser Schicht zurückgehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß das gra­ nulatförmige Filtermaterial im Inneren einer gas- bzw. flüs­ sigkeitsdurchlässigen, rotierend angetriebenen Siebtrommel angeordnet und die Siebtrommel, die innerhalb eines mit einer Rohgaseinlaßöffnung (2) und einer Reingasaustritts­ öffnung (7) versehenen Gehäuses (1) angeordnet ist, auf eine Drehzahl gebracht wird, bei der sich einerseits am Außenum­ fang der Siebtrommel eine mitrotierende Mediumwalze bildet, die die grobkörnigeren im Medium mitgeführten Verunreini­ gungspartikel in zyklonartiger Weise zur Abscheidung bringt, andererseits das innerhalb der Siebtrommel befindliche gra­ nulatförmige Filtermaterial unter dem Einfluß der Zentri­ fugalkraft an der zylindrischen Innenfläche der Siebtrom­ mel eine zusammenhängende Schicht von mindestens annähernd gleichförmiger Dicke bildet, in der sich beim Durchtritt des Mediums die restlichen, feinkörnigeren Verunreinigungs­ partikel ab lagern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Verwendung eines granulatformigen Filtermate­ rials von 0,25 bis 10 mm mittlerem Durchmesser und einem maximalen Trommelfüllungsgrad von drei Viertel des Trommel­ volumens die Umfangsgeschwindigkeit der Trommel innerhalb 3 bis 50 Sekunden von 0 auf mindestens 3 m/s hochgefahren wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bildung der genannten mitrotierenden Mediumwalze durch am Außenumfang der Siebtrommel radial herausragende oder im Sinne der Drehrichtung rückwärts geneigte Mitnehmerelemente gefördert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reinigungsphase, in welcher das granulatformige Filtermaterial von den anhaf­ tenden Verunreinigungen befreit und dadurch regeneriert wird, die Drehzahl der Siebtrommel soweit reduziert wird, daß das granulatförmige Filtermaterial an der Siebtrommel- Innenfläche abrollt und sich dabei die anhaftenden Verun­ reinigungspartikel ablösen und nach unten fallen und durch das im Gegenstrom durchströmende Spülmedium die regenerie­ rende Reinigung des Filtermaterials intensiviert wird.

5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Trommeldurchmes­ ser von 500 bis 2500 mm die Umfangsgeschwindigkeit der Trom­ mel im Filterbetrieb 3 bis 10 m/s beträgt und in der Reini­ gungsphase des granulatförmigen Filtermaterials auf etwa ein Zehntel der Betriebsdrehzahl reduziert wird.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine horizontale, gas- bzw. flüssigkeitsdurchlässige, zy­ lindrische, rotierend angetriebene, innerhalb eines mit einer Rohgaseinlaßöffnung (2) und einer Reingasauslaßöffnung (7) versehenen Gehäuses (1) angeordnete Siebtrom­ mel (3), welche ein granulatförmiges Filtermaterial (5, F) enthält, wobei Steuerorgane (3, 7, 10) vorgesehen sind, um das zu reinigende Medium durch eine Filterschicht zu lei­ ten, die sich unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft an der Innenfläche der Siebtrommel (3) gleichmäßig verteilt, wobei die Drehzahl (n₁) der Siebtrommel (3) so gewählt ist, daß sich gleichzeitig mit der Bildung der genannten Filter­ schicht (5) an der äußeren Mantelfläche der Siebtrommel (3) eine mitrotierende, als Zyklon-Vorabscheider wirkende Medium­ walze (W) aufbaut.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die genannte Siebtrommel (3) mit zwei unterschiedlichen Drehzahlen (n₁, n₂) antreibbar ist, deren höhere, dem Filterbetrieb entsprechende (n₁) so gewählt ist, daß durch die Rotation am Außenmantel der Siebtrommel (3) die genannte Mediumwalze (W) ausgebildet wird, und sich gleichzeitig das granulatförmige Filtermaterial dank der Zentrifugalkraft in Form der genannten kontinuierlichen Filterschicht (5) gleichmäßig dick an der Trommelinnen­ fläche verteilt und der Abscheidung der feinkörnigeren Staubanteile dient, wohingegen die geringere, der Reini­ gungsphase entsprechende Drehzahl (n₂) so niedrig gehalten ist, daß das Filtermaterial (F) an der Trommelinnenfläche locker abrollt.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe mindestens zwei koaxial in­ einander angeordnete Siebtrommeln (3, 13) aufweist, deren äußere (3) das gröbere Korn und die größere Schichtdicke des Filtermaterials aufweist.

9. Anlage zur Abscheidung partikelförmiger Ver­ unreinigungen aus einem strömungsfähigen Medium, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe mehrere parallel geschalte­ te Einrichtungen gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8 auf­ weist, um den kontinuierlichen Betrieb der Anlage aufrecht­ zuerhalten.