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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Entfernen
von Feststoffteilchen aus Gasen. In vielen industriellen Verfahren,
insbesondere bei erhöhten
oder hohen Temperaturen, hohen Verfahrensdrücken, werden gasförmige Ströme erhalten,
die Feststoffteilchen enthalten, die entfernt werden müssen, bevor
die gasförmigen
Ströme
verwendet, weiterbehandelt oder freigesetzt werden. Beispielsweise
erzeugt die gewöhnliche
Verbrennung von Kohle ein Abgas, das Flugascheteilchen enthält, die
nicht in die Atmosphäre
abgegeben werden dürfen.
Auf ähnliche
Weise erzeugt die Vergasung oder teilweise Oxidation von Kohle häufig einen Produktgasstrom,
der nach der Grobentfernung von Feststoffen verschiedene Feststoffteilchen
zwischen 0,1 Gew.-% und 5 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht
des Gases und der Feststoffe, enthält, die Flugschlacke oder Flugasche
und in manchen Fällen
unverbrannte Kohle enthalten können.
Die fluidkatalytischen Crackverfahren (FCC) erzeugen ebenfalls gasförmige Ströme, die
feine Katalysatorteilchen enthalten, welche die Umwelt nicht verschmutzen
dürfen.
Andere Verfahren, die Vorrichtungen anwenden, um Gas zu reinigen,
sind Pressurised Fluid Bed Combuster (PFBC) und Integrated Gasification
Combined Cycle (IGCC) Energiesysteme, die auf Kohle basieren.
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Wenn
heiße
Gase bei hohen Temperaturen gefiltert werden, werden heutzutage
Filterelemente eines keramischen Typs in vielen verschiedenen Ausführungsformen
angewendet. Bei einem Ausführungsbeispiel
können
die Filter aus einer großen
Anzahl von Filterelementen in einem großen Filterbehälter zusammengesetzt
sein. Dieser Behälter
ist in seinem oberen Teil mit einem Auslaß für gereinigte Gase versehen
und in seinem unteren Teil mit einem Sammelraum für Feststoffe,
die in dem Filter abgeschieden werden und von den Filterelementen
nach unten fallen. Ungereinigtes Gas tritt in den Raum unterhalb
der Filterele mente an der unteren Seite des Behälters ein. Die Filterelemente
können
von einer Platte herunterhängen,
die mit Öffnungen
im oberen Teil des Behälters
versehen ist, wo die Platte die einzelnen Filterelemente trägt. Jede Öffnung in
der Platte ist mit einem Filterelement ausgestattet, das unterhalb
der Öffnung
aufgehängt
ist. Die Filterelemente, die gelegentlich auch als Filterkerze bezeichnet
wird, reinigen die Gase, die durch das Filterelement strömen, und
weiter durch die Öffnung
in der Platte hinaus, die dem entsprechenden Filterelement zugeordnet
ist. Das Gas oberhalb der Platte wird somit von Feststoffen befreit
und zum Auslaß des
Filterbehälters
gebracht. Feststoffe aus dem ungereinigten Gas werden an der Außenseite
der verschiedenen Filterelemente anhaften. Diese Feststoffe werden
gelöst, wenn
ein Gas während
periodisch wiederkehrender Reinigungsvorgänge des Filterelementes durch
die Filterelemente in umgekehrter Richtung strömt, was auch als Spülung bezeichnet
werden. Die Feststoffe aus dem Sammelraum können im unteren Teil des Behälters abgegeben
werden.
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Keramische
Materialien, die in ihren Filterelementen der vorstehend beschriebenen
Art enthalten sind, haben vom Festigkeitsstandpunkt aus eine stochastische
Zusammensetzung, die durch die Tatsache verursacht wird, daß in jeder
erzeugten keramischen Komponente Unvollkommenheiten der inneren
Struktur der Keramik vorhanden sind. Dies kann zu einem Brechen
der Komponente führen,
wenn sie Spannungen, beispielsweise in Form von Temperaturübergängen, ausgesetzt
ist.
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In
einem Filter mit vielen Filterelementen, gelegentlich bis zu 800,
besteht immer die Gefahr, daß eines
oder mehrere Filterelemente bricht. Die Folge dieses Brechens des
Filterelementes ist, daß ein
bestimmter Teil des Gases, der durch das gebrochene Filterelement
strömt, über dieses
Element in ungereinigtem Zustand eingelassen wird. Bei einigen Anwendungen könnte der
Verlust an Abscheidewirksamkeit infolge der Tatsache, daß nur eines
oder eine kleine Anzahl von Filterelementen bricht, hingenommen
werden. Beispielsweise kann eine Staubbelastung von zwischen 2.000
und 20.000 ppm im Zeitpunkt des Filterversagens toleriert werden.
Das Problem besteht jedoch darin, daß die Feststoffteilchen, die
infolge des Versagens eines Filterelementes oberhalb der Platte
vorhanden sind, in das stromabwärtige
Ende bzw. in das Reinende der nichtgebrochenen Filterelemente eintreten.
Feststoffe werden dann zur stromabwärtigen oder Reinseite der nicht-gebrochenen
Filterelemente strömen,
weil sie durch das Spülgas
mitgerissen werden. Die Feststoffe werden die Reinseite der nicht-gebrochenen
Filterelemente verunreinigen, wodurch diese verstopfen, was dazu
führt,
daß die
gesamte Filtervorrichtung oder Filterbank als Filtermittel unwirksam
wird.
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Verschiedene
Vorrichtungen sind beschrieben worden, die darauf abzielen sicherzustellen,
daß keine
Feststoffe die gebrochenen Filterelemente oder eine Gruppe von Elementen
passieren, die eines oder mehrere gebrochene Elemente enthalten. Solche
Vorrichtungen sind beispielsweise im EP-A-551951 und EP-A-642377
beschrieben. Es sind keine Vorrichtungen beschrieben, die gestatten, daß einige
Feststoffe den Filterbehälter
als Ganzes passieren und gleichzeitig sicherstellen, daß die Mehrzahl
der nicht-gebrochenen Filterelemente durch Feststoffe nicht verstopft
werden, welche die gebrochenen Filterelemente passieren. Die vorliegende
Erfindung zielt darauf ab, eine solche Vorrichtung zu schaffen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Filtern von Feststoffteilchen
aus einem Fluid, das Feststoffteilchen enthält, mit einem Filterbehälter, einer
mit Öffnungen
verse henen Platte, die sich quer über dem Filterbehälter erstreckt,
derart, daß die
Platte den Behälter
in einen oberen und einen unteren Raum unterteilt, in einer Anzahl
von Filterelementen, die sich unter den Öffnungen erstrecken, wo eine
Vielzahl von Auslaßleitungen
vorhanden ist, die in Fluidverbindung mit einem oder mehreren Filterelementen
steht, wobei die Auslaßleitungen eine
Auslaßöffnung haben,
die in Fluidverbindung mit dem oberen Raum steht, und wobei um diese
Auslaßleitung
eine Kappe vorhanden ist, die an der Oberseite geschlossen und an
der Unterseite offen und mit Mitteln zum Zuführen eines Spülfluids
versehen ist, um die Feststoffteilchen aus den Filterelementen zu
entfernen, wobei das Volumen zwischen der Kappe und der Auslaßleitung
ausreichend groß ist,
um sicherzustellen, daß vorwiegend
nur das gereinigte Gas zwischen Kappe und Auslaßleitung vom Spülfluid in
das Filterelement mitgerissen wird, wenn die Feststoffteilchen entfernt
werden.
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Die
vorliegende Vorrichtung schafft eine robuste und einfache Ausbildung
zum Filtern von Feststoffen, wobei der Druckabfall der Vorrichtung
klein ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Vorrichtung
leicht in bestehende Filtersystemeinrichtungen hinsichtlich der
Dichtungen, Dichtungskörper,
Montageelemente u.dgl. integriert werden kann. Das Brechen eines
oder mehrerer Filterelemente führt
nicht dazu, daß alle
Filterelemente verstopft werden und aufhören, als Filtervorrichtung
zu funktionieren. Im Normalbetrieb wird das Volumen zwischen der
Kappe und der Auslaßleitung
von gereinigtem Gas eingenommen, welches das Filterelement verläßt. Dies
ist auch die Situation für
Kappen von nicht-gebrochenen Filterelementen, wenn eines oder mehrere
andere Filterelemente brechen oder ihre Funktion als Filtervorrichtung
beenden und Feststoffe sich im oberen Raum ansammeln. Mit der vorliegenden
Vorrichtung sind die Chancen, daß diese Feststoffe in die nicht-gebrochenen
Filterelemente eintreten, wenn die Vorrichtung regelmäßig gespült wird,
klein. Dies deshalb, weil beim Spülen nur das Reingas, das zwischen
der Kappe und der Filterauslaßleitung
des nichtgebrochenen Filterelementes bzw. der Filterelemente vorhanden
ist, in die saubere bzw. stromabwärtige Seite des nicht-geb-rochenen
Filterelementes mitgerissen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 illustriert
eine Filtervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung. 2 zeigt ein Detail der Auslaßleitung
und der Kappe in einer möglichen
Ausführungsform
der Erfindung. 3 zeigt eine Ausführungsform,
bei welcher mehrere Filterelemente in Fluidverbindung mit einer
Auslaßleitung
und zugeordneten Kappe stehen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt
eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
mit einem Filterbehälter
(1), einer Platte (2), die mit Öffnungen
(3) über
den Filterbehälter
(1) versehen ist. Die Platte (2) unterteilt den
Behälter
(1) in einen oberen Raum (4) und einen unteren
Raum (5) und in eine Anzahl von Filterelementen (6),
die sich unter den Öffnungen
(3) erstrecken. Eine Vielzahl von Auslaßleitungen (7) ist
vorhanden, die in Fluidverbindung mit einem oder mehreren der Filterelemente
(6) stehen. Die Auslaßleitungen
(7) haben eine Auslaßöffnung (8),
die in Fluidverbindung mit dem oberen Raum (4) steht. Um
die Auslaßleitung
(7) herum ist eine Kappe (9) vorhanden. Die Kappe
(9) ist mit Mitteln (10) zum Zuführen eines
Spülfluids
zum Entfernen von Feststoffteilchen aus den Filterelementen (6)
versehen. Der Raum zwischen der Kappe und der Auslaßleitung
(7) ist ausreichend groß, um sicherzustellen, daß vorwiegend
nur Reingas zwischen der Kappe (9) und der Auslaßleitung
(7) durch das Spülfluid
in das Filterelement (6) mitgerissen wird, wenn die Feststoffteilchen
entfernt werden. Der Behälter
(1) ist ferner mit einer Gasauslaßleitung (9) versehen,
um gereinigtes Gas aus dem oberen Raum (4) abzugeben, und
einer Gaseinlaßleitung (12)
, um das Gas-Feststoffgemisch dem unteren Raum (5) Zuzuführen. Der
Behälter
(1) ist auch mit einer Auslaßöffnung (13) für Feststoffe
am unteren Ende (14) des unteren Raumes (5) versehen.
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Die
Auslaßleitung
(7) hat vorzugsweise eine Auslaßöffnung (8), die nach
oben gerichtet ist. Die Kappe (9) hat vorzugsweise eine Öffnung in
Richtung nach unten. Die Höhe
und der Durchmesser der Kappe sollten ausreichend groß sein,
um ein Gasvolumen aufzunehmen, das zur Reinseite des Filterelementes
mitgerissen wird, wenn das Filterelement gespült wird. Die Kappe kann rohrförmige Gestalt
haben, die an der Oberseite geschlossen und am Boden offen ist.
Das geschlossene Ende ist vorzugsweise mit Mitteln (10)
zum Spülen
ausgestattet, wobei die Mittel (10) so angeordnet sind,
daß die
Richtung des Spülgases
derart verläuft,
daß es
leicht zur Reinseite des Filterelementes eintritt.
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Die
Filterelemente sind zweckmäßig vertikal angeordnete,
hohle Rohre, die am unteren, in den unteren Raum (5) des
Filterbehälters
(1) ragenden Ende geschlossen sind, und am oberen Ende
offen sind, damit Reingas in den oberen Raum (4) des Filterbehälters (1)
eintreten kann. Diese Elemente (6) werden gelegentlich
als Filterkerzen bezeichnet.
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2 zeigt
ein Detail der Gasauslaßleitung, wobei
gezeigt ist, daß das
obere Ende eines Filterelementes (6) in Fluidverbindung
mit der Auslaßleitung
(7) steht, welche die Platte (2) durch die Öffnung (3)
durchsetzt. Um die Leitung (7) herum ist eine Kappe (9)
vorhanden, die mit Mitteln (10) zum Zuführen von Spülgas versehen ist. Die Richtung
des Spülgasauslasses des
Mittels (10) muß so
angeordnet sein, daß das
Gas in das Filterelement gerichtet wird. Ein Beispiel eines Spülgases ist
Stickstoff.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei welchem fünf
Filterelemente (6) in Fluidverbindung mit einer Auslaßleitung
(7) stehen. Um die Auslaßleitung (7) herum
ist eine Kappe (9) vorhanden, die mit Mitteln (10)
für die
Zufuhr von Spülgas
versehen ist. Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erhalten, versteht
sich, daß ein
Filterbehälter
mehr als eine Auslaßleitung
(7) und deren zugeordnete Filterelemente (6) hat.
Ausführungsbeispiele,
bei denen 2–60 Filterelemente
(6) mit einer Auslaßleitung
(7) kombiniert werden, sind möglich.
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In
der vorstehenden Beschreibung des Filterbehälters scheint es, daß die Orientierung
des Filterbehälters,
der Filtermittel und der Platte die in 1 gezeigte
Orientierung hat. Es versteht sich aber, daß die Vorteile der Erfindung
auch erzielt werden, wenn die Vorrichtung unter einem Winkel zur
horizontalen Orientierung angewendet wird, wobei die Platte vertikal
liegt, und der obere Raum (4) und der untere Raum (5)
nebeneinander liegen.
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Die
besondere Art von Filterelement oder Filterelementen, die bei der
Erfindung angewendet wird, ist eine Sache der Wahl. Die Erfindung
ist jedoch besonders für
Hochtemperaturanwendungen geeignet. Somit kann das primäre Filterelement
oder die primären
Filterelemente aus einem Material zusammengesetzt oder aufgebaut
sein, das sich für Druck-
oder Vakuumanwendung eignet, die auch eine Hochtemperaturanwendung
sein kann. Unter „Hochtemperaturanwendung" wird im Zusammenhang
der Erfindung auf Temperaturen Bezug genommen, die vielleicht von
100°C bis
1.500°C,
vorzugsweise von 200°C
bis 650°C,
betragen können.
Der Betriebsdruck kann zwischen 1 und 50 bar oder größer betragen.
Im allgemeinen kann ein zylinderförmiges Filterelement aus einem
starren oder flexiblen, filzigen oder nicht-filzigen, multiplen oder einlagigen Material
aus Stoff oder porösem,
monolithischem Material (Keramik, Metall oder Kunststoff) verwendet werden.
Die Abstände
zwischen den Filterelementen sind eine Funktion der Teilchenkonzentration
des Fluid-Teilchengemisches.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf das folgende Verfahren:
Verfahren
zum Entfernen von Feststoffteilchen aus einem Gas, das Feststoffteilchen
enthält,
durch abwechselndes Hindurchleiten
- (a) des
Gases aus einem stromaufwärtigen
Raum über
eine Vielzahl von Filterelementen in einen stromabwärtigen Raum über eine
Auslaßöffnung des
Filterelementes, die in Fluidverbindung mit dem stromabwärtigen Raum
steht, und
- (b) Zuführen
eines Spülfluids
zur Auslaßöffnung eines
einzelnen Filterelementes, wobei das Spülfluid einen Teil des gereinigten
Gases mitreißt, das
in dem Filterelement im Schritt (a) erhalten wird, bevor es das
einzelne Filterelement zum stromabwärtigen Raum passiert, wodurch
die Feststoffteilchen von dem Filterelement entfernt werden.
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Im
Falle eines Versagens eines einzelnen Filterelementes bei dem vorstehenden
Verfahren werden im stromabwärtigen
Raum mehr Feststoffe vorhanden sein. Dies führt jedoch nicht dazu, daß mehr Feststoffe
in die noch immer funktionierenden Filterelemente vom stromabwärtigen Raum
her eintreten, wenn ein Spülen
stattfindet. Dies ist darauf zurückzuführen, daß nur Gas
vom Spülfluid
mitgerissen wird, das gerade das noch funktionierende Filterelement
durchströmt
hat. Bevorzugte Bedingungen des Verfahrens sind in der Beschreibung
beschrieben. Vorzugsweise wird das vorstehende Verfahren in einer
Vorrichtung gemäß der Erfindung
durchgeführt, bei
welcher der stromaufwärtige
Teil dem unteren Raum entspricht, und der stromabwärtige Teil
dem oberen Raum der Vorrichtung entspricht.
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Die
Gaschemie kann entweder oxidierend sein, wie beispielsweise in einem
PFBC-Prozeß, oder
reduzierend, wie beispielsweise in einem IGCC-Prozeß. Der nominale
Gasstrom durch ein Filterelement, d.h. eine Filterkerze, beträgt vorzugsweise zwischen
10–100
tatsächliche
Kubikfuß pro
Minute.
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Die
Vorrichtungen gemäß der Erfindung
können
zweckmäßig dazu
verwendet werden, Feststoffe, beispielsweise Teer, aus gasförmigen Prozeßströmen zu entfernen,
die beispielsweise bis zu 4 Gew.-% an Feststoffen enthalten, um
ein gereinigtes Gas zu erhalten, das vorzugsweise zwischen 0 und
2 ppm hat. Zweckmäßige Verfahren,
bei denen die Vorrichtung verwendet werden kann, sind das fluidkatalytische
Cracken (FCC), Kohlevergasungsprozesse, Pressurised Fluid Bed Combuster
(PFBC) und Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC), die auf Kohle
basierenden Energiesystemen beruhen.