-
Technisches
Gebiet
-
Die
schematisch in 1 dargestellte vorliegende Erfindung
betrifft ein Rezirkulationssystem, bei dem Zyklone verwendet werden,
und sie gehört
zu der Gruppe von Einrichtungen, die zur Entstaubung und zur Trockengasreinigung
verwendet werden
-
Tatsächlich sind
Zyklone Staubabscheider, die auf vielen industriellen Gebieten mit
zwei Zielen verwendet werden: Entfernen von aus Verfahren emitierter,
partikelförmiger
Materie, bevor sie in die Atmosphäre freigegeben wird (Umweltschutz
gegen Verschmutzung und/oder Rohstoffrückgewinnung), oder als Reaktoren zum
Abscheiden von sauren Komponenten aus Abgasen durch Trockeninjektion
geeigneter Sorbentien. Auf diese Reaktoren folgen häufig Beutelfilter
zur Feinstaubrückgewinnung.
-
Gegenwärtiger Stand
der Technik
-
Industrielle
Zyklone variieren hinsichtlich ihrer Größe und Form, wobei die häufigsten
solche vom Gegenstromtyp sind.
-
Die
ersten Gegenstromzyklone datieren aus dem 19. Jahrhundert, und ihre
Konstruktion hat sich meistens aus empirischer Beobachtung entwickelt.
-
Theoretisch
wächst
der Zyklonwirkungsgrad mit der Gasströmungsgeschwindigkeit, aber
in der Praxis gibt es eine Grenze, nach deren Überschreiten der Wirkungsgrad
abnimmt. Dieses beruht auf Saltation oder Abscheideumkehrung (Licht,
1980), ist häufig ähnlich dem
Effekt, der in Sanddünen
auftritt, die von einem starken Wind angeblasen werden.
-
Um
diesem Problem zu begegnen, ist eine teilweise Gasrezirkulation
vorgeschlagen worden, indem ein Gebläse oder ein geeigneter Ejektor
(2, Berezowski und Warmuzinski, 1993) verwendet
wurde. Ähnliche
Beispiele lassen sich dem US-Patent 3254478 entnehmen.
-
Um
den Zyklonwirkungsgrad zu erhöhen,
können
diese in Serie geschaltet werden, sofern sie genau ausgelegt sind,
jedoch auf Kosten von erhöhtem
Druckabfall und erhöhten
Betriebskosten (Salcedo, 1993).
-
Demzufolge
wurden Zyklonrezirkulationssysteme entwickelt, die zusammengesetzt
sind aus einem Geradeaus-Zyklon (von jetzt an als Konzentrator bezeichnet),
und einem stromaufwärts
liegenden Gegenstromzyklon (von nun an bezeichnet als der Kollektor)
mit partieller Rezirkulation zu dem Konzentrator, wobei eine Art
von Gebläse
verwendet wird. Diese sind schematisch dargestellt in 3 (Crawford,
1976; Svarovsky, 1981; Wysk u.a. 1993). Für das von den zuletzt genannten
Autoren vorgeschlagene System wurde das US-Patent 5180486 erteilt. Das zu behandelnde
Gas tritt in den Konzentrator durch einen tangentialen Einlass ein, steigt
in einer Wirbelströmung
nach oben und wird in zwei Teile aufgeteilt; einen der in die Atmosphäre austritt, und
den anderen, der ebenfalls durch einen tangentialen Einlass in den
Kollektor eintritt. Hier folgt das Gas einer nach unten gerichteten
Wirbelströmung,
bis es seine Richtung aufgrund des sich aufbauenden Druckfeldes ändert (daher
die Bezeichnung Gegenstrom) und nach oben durch ein zylindrisches
Rohr, das Vortex-Austrittsrohr, geeigneter Länge austritt. Die Feststoffpartikel
werden, während
sie der nach unten gerichteten Wirbelströmung folgen, infolge Zentrifugalkräften gegen
die Wand geschleudert und fallen dann auf den Zyklonboden, so dass
sie von dem Gas getrennt werden. Das Gas und restliche Partikel,
die den Kollektor verlassen, werden durch ein Zentrifugalgebläse zu dem
Konzentrator zurückgeführt.
-
Derartige
Systeme können
bei weitem wirkungsvoller sein als einzelne Gegenstromzyklone (Kollektoren),
und ihr Abscheidungswirkungsgrad wird bestimmt durch:
wobei η
con und η
co1 jeweils die Konzentrator- und Kollektorwirkungsgrade
sind. Diese Gleichung zeigt, dass für η
con ≤ η
co1 der Systemwirkungsgrad immer niedriger
ist als für
einen Einzelkollektor (η
co1), aber für η
con > η
co1 ist der
Systemwirkungsgrad immer größer. Demzufolge
sind diese Systeme nur dann von Interesse, wenn der Konzentratorwirkungsgrad
beträchtlich
höher ist
als der Kollektorwirkungsgrad. Dieses Konzept ist schematisch in
4 dargestellt.
-
Zusammengefasst
gibt es auf dem Markt Zyklonrezirkulationssysteme, die unter bestimmten
Bedingungen signifikant effizienter sind als einzelne Gegenstromzyklone,
die einen Konzentrator stromaufwärts
vom Kollektor verwenden, mit Rezirkulation von dem Kollektor zu
dem Konzentrator mittels eines geeigneten Gebläses oder Ejektors. Wie dargestelt
sind sie jedoch nicht immer effizienter als einzelne Kollektoren.
-
Es
gibt auch Gasreinigungseinrichtungen, die eine Trockensorbensinjektion
von fein zerteilten Pulvern verwenden, wobei diese jedoch noch hohe
Investitionskosten bedingen (Carminati u.a., 1986; Heap, 1996; Fonseca
u.a., 1998).
-
Aufgaben der
Erfindung
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Hauptaufgabe zugrunde, die Abscheideeffizienz
von Zyklonentstaubungseinrichtungen mit Rezirkulation zu verbessern,
selbst wenn der Konzentratorwirkungsgrad unter den Kollektorwirkungsgrad
sinkt.
-
Es
ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hoch
effizientes System zum Entstauben und zur Sauergasreinigung von
Abgasen zu schaffen.
-
Weitere
Aufgaben ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus den
vorgeschlagenen Patenansprüchen
-
Beschreibung
der Erfindung
-
Die
anstehenden Aufgaben werden gelöst,
indem ein System von Rezirkulationszyklonen ins Auge gefasst wird,
bei denen der Kollektor stromaufwärts von dem Konzentrator positioniert
ist, und wobei die Rückführung bewerkstelligt
wird durch ein geeignetes Gebläse,
ein Venturi oder einen Ejektor.
-
Im
Hinblick auf die Aufgabe, Zyklonsysteme zu erhalten, die bei ähnlichen
Investitions- und Betriebskosten wirkungsvoller sind als die auf
dem Markt vorhandenen, und die bei hohen Temperaturen und Drücken oder
für die
Trockengasreinigung angewandt werden können, wurde zu Beginn eine
Studie im Hinblick auf die am meisten effiziente Konfiguration durchgeführt.
-
Es
hat sich bestätigt,
dass, obwohl die Systemkomponenten im wesentlichen diejenigen des
Standes der Technik sind, die Umkehrung ihrer Relativposition das
vorgeschlagene System stets wirkungsvoller macht als einzelne Gegenstromzyklone
oder als Rezirkulationssysteme, bei denen der Konzentrator stromaufwärts von
dem Kollektor positioniert ist. Wenn der Konzentrator und der Kollektor
in Reihe liegen, sind die Investitions- und Betriebskosten ähnlich denjenigen
von Rezirkulationssystemen, bei denen der Kollektor stromabwärts von
dem Konzentrator liegt. Die Verwendung eines Venturi für die Rezirkulation
macht es möglich,
dieses System bei sehr hohen Temperaturen (> 1000°C)
zu betreiben. Für
größere Strömungsgeschwindigkeiten
können
geeignete Gebläse
oder Ejektoren verwendet werden. Diese Systeme können auch für die Sauergastrockenreinigung
verwendet werden, da Gegenstromzyklone ausgezeichnete Reaktoren
für diesen
Zweck sein können.
-
Ein neuer
Ansatz
-
Basierend
auf einfachen theoretischen Argumentationen ist die Lösung für dieses
Problem ein System, bei dem der Kollektor stromaufwärts von
dem Konzentrator angeordnet ist. Der gesamte Wirkungsgrad für dieses
System entspricht der Gelichung:
-
-
Da
die Nenner der Gleichungen 1 und 2 die gleichen sind, und da der
Zähler
der Gleichung 2 stets größer ist
als in Gleichung 1, ist der Wirkungsgrad des vorgeschlagenen Systems
immer höher
als derjenige von Rezirkulationssystemen, wie sie derzeit verfügbar sind.
Dieses Konzept ist in 5 dargestellt.
-
Beschreibung der Figuren
-
1 ist
eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems, bestehend aus
einem Gegenstromzyklon (Kollektor), gefolgt von einem Geradeaus-Zyklon
(Konzentrator) und zeigt dessen Hauptdimensionen, und weiterhin
enthaltend bestimmte Rezirkulationseinheiten, die ein Gebläse, ein
Ejektor oder ein Venturi sein können.
-
2 ist
eine schematische Darstellung eines Gegenstromzyklons mit Rückführung mittels
eines Gebläses.
Dieses System ist verwendet worden ebenso wie frühere bekannte Systeme, um die
Partikelrückführung auf
Grund übermäßiger Geschwindigkeiten
zu minimieren.
-
3 ist
eine schematische Darstellung eines Rezirkulationssystems, bestehend
aus einem Geradeaus-Zyklon (Konzentrator), gefolgt von einem Gegenstromzyklon
(Kollektor), wobei wie beim Stand der Technik die Rezirkulation
mittels eines Gebläses bewirkt
wird.
-
4 zeigt
den Gesamtwirkungsgrad für
das in 3 dargestellte System. Der Systemwirkungsgrad ist
nur besser als derjenige eines einzelnen Kollektors, wenn der Konzentratorwirkungsgrad
größer ist
als der Kollektorwirkungsgrad.
-
5 zeigt
den Gesamtwirkungsgrad des in 1 dargestellten
Systems. Der Systemwirkungsgrad ist stets besser als derjenige eines
einzelnen Kollektors.
-
6 vergleicht
die graduellen Wirkungsgrades eines einzelnen Kollektors verglichen
mit dem vorgeschlagenen System für
Kollektoren und Konzentratoren (0,02 m) für eine Gasgeschwindigkeit von
3,3 × 10–4m3s–1 und kugelförmige Partikel
gleichmäßiger Dichte.
-
7 zeigt,
dass ein Venturi in der Lage ist, eine ausgezeichnete Rezirkulation
zu liefern, wenn ein solches als Rezirkulationseinheit verwendet
wird.
-
Vorteile
-
Wie
bereits oben beschrieben, hat, abgesehen davon, dass der Wirkungsgrad
des erfindungsgemäßen Systems
stets größer ist
als derjenige des gegenwärtigen
Standes der Technik (3), bei denen der Konzentrator
stromaufwärts
von dem Kollektor liegt, bei vergleichbaren Geometrien und Größen – wie es
sich oben durch Vergleich der Gleichungen (1) und (2) und auch durch
Vergleiche der 4 und 5 ergibt – das erfindungsgemäße System
einen Wirkungsgrad, der stets größer ist
als der eines einzelnen Kollektors und zwar entgegengesetzt zu dem
was stattfindet, wenn der Konzentrator stromaufwärts von dem Kollektor liegt, wie
es oben zum Ausdruck gebracht ist.
-
Das
vorgeschlagene System kann auch gegenüber vorhandenen Reaktoren für die Trockengasreinigung
(Sprühtrockner
oder Venturi-Scrubber) in verbesserter Weise für die Sauergasreinigung (HCl,
HF, SO2 und NOx)
verwendet werden, wofür
sehr kompakte und höchst
wirkungsvolle Einheiten entworfen werden können.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Das
hier vorgeschlagene Rezirkulationssystem, welches zwei Zyklone und
zwar einen vom Gegenstromtyp (Kollektor) und den anderen als Geradeaus-Zyklon
(Konzentrator) umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor
stromaufwärts
von dem Konzentrator angeordnet wird, und zwar mit einer durch ein Gebläse, ein
Venturi oder einen Ejektor bewirkten partiellen Rezirkulation von
dem Konzentrator zu dem Kollektor. Der Kollektor hat einen rechteckigen,
tangentialen Einlass mit den Abmessungen a und b, von denen die
erste parallel zur Zyklonachse liegt, oder einen kreisförmigen Querschnitt äquivalenter
Fläche;
ein Gehäuse
mit der Höhe
H1 mit einem oberen zylindrischen Abschnitt
des Durchmessers D1 und der Höhe h, mit
einem unteren, umgekehrten Konus mit einem kleineren Basisdruckmesser
Db; und ein zylindrisches Vortexaustrittsrohr
des Durchmessers De1 und der Höhe s1. Der Zyklonkonzentrator hat einen tangentialen
Einlass mit im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt mit einem
Durchmesser De1; ein zylindrisches Gehäuse mit
der Höhe
H2 und dem Durchmesser D2;
ein zylindrisches Vortexaustrittsrohr des Durchmessers De2 und der Höhe s2;
und zwei Ausgänge,
von denen der eine mit einem Durchmesser Dv1 im
wesentlichen kreisförmig
ist und tangential liegt, während
der andere mit einem Durchmesser De2 axial
ausgerichtet ist. Das Venturi, wenn ein solches als Rezirkulationseinheit
verwendet wird, kann ein beliebiger Standardventurityp mit geeigneten
Dimensionen sein, die mittels üblicher
Methoden berechnet werden.
-
Die
drei Komponenten sind wie folgt aneinander angeschlossen: das zu
reinigende Gas tritt in den Gegenstromzyklon ein, der bestimmte
Partikel auffängt;
die austretenden Partikel treten mit dem gesamten Gas in den Geradeaus-Zyklon
(Konzentrator) ein und ein Teil des Gases, das angereichert ist
mit nicht aufgefangenen Partikeln, wird zurückgeführt in den Gegenstromyzklon
mittels eines Hilfsgebläses,
Venturis oder Ejektors.
-
Zum
besseren Verständnis
dieser Phänomene
wurde das vorgeschlagene System simuliert unter Anwendung der Theroie
von Mothes und Loffler (1998), die gegenwärtig das beste Simulationsmodell
ist, um die Zyklonleistung vorherzuberechnen (Clift u.a., 1991;
Salcedo, 1993; Salcedo und Fonseca, 1996; Hoffmann u.a., 1996; Salcedo
und Coelho, 2000). 6 zeigt die vorherberechneten
graduellen Wirkungsgradkurven (Wirkungsgrad für jede Partikelgröße) des
vorgeschlagenen Systems und zwar verglichen mit einem einzelnen Kollektor,
für ein
System im Labormaßstab,
wobei bei beiden Systemen die gleichen Partikel bei gleichen Gasströmungsgeschwindigkeiten
behandelt worden sind, wobei Emissionsverminderungen über 50%
zu erwarten sind.
-
Das
vorgeschlagene System hat die folgenden Charakteristika, die von
denjenigen vergleichbarer Systeme, wie sie gegenwärtig auf
dem Markt sind, abweichen:
- – Der Wirkungsgrad ist stets
größer als
derjenige eines Gegenstromzyklons mit der gleichen Geometrie und Größe als Kollektor;
- – Der
Wirkungsgrad ist stets größer als
der von Rezirkulationssystemen, bei denen der Konzentrator stromaufwärts von
dem Kollektor liegt, solang die Geometrien und Größen vergleichbar
sind;
- – Rezirkulation
mittels eines Gebläses,
Venturis oder Ejektors;
- – Es
kann verwendet werden entweder als Entstauber oder als Sauergas-Trockenreinigungssystem;
- – Es
kann verwendet werden bei hohen Temperaturen, vorausgesetzt ein
Venturi oder Ejektor wird für
Rezirkulationszwecke verwendet;
- – Fehlen
von beweglichen Teilen, solange ein Venturi oder Ejektor für Rezirkulationszwecke
verwendet wird.
-
Der
mit der vorliegenden Erfindung vorgestellte Vorschlag betrifft damit
ein System mit zwei Zyklonen, welches zum Entstauben oder Trockengasreinigen
verwendet wird, wobei der Kollektor ein Gegenstromzyklon ist, der
stromaufwärts
von einem Geradeaus-Zyklonkonzentrator liegt mit partieller Rezirkulation
durch ein Venturi, ein Gebläse
oder einen Ejektor, ebenso wie das entsprechende Verfahren zum Entstauben
oder Trockengasreinigen.
-
Praktische
Beispiele
-
Ein
Prototyp im Labormaßstab
wurde gebaut, um die Rezirkulationsfähigkeiten eines Venturi zu
demonstrieren, und dieses ist deutlich dargestellt (7).
-
Es
ergibt sich, dass mit dem vorgeschlagenen System Emissionen signifikant
vermindert werden können,
und zwar verglichen mit einzelnen Gegenstromzyklonen oder mit Rezirkulationssystemen,
bei denen der Konzentrator stromaufwärts von dem Kollektor liegt.
Dieses wurde bereits in einem labormäßigen Maßstab dargestellt, wobei ein
Gegenstromzyklon mit einem Innendurchmesser von 0,02m und einer
Geometrie entsprechend PT102166 (auf die in 6 Bezug
genommen ist), einen Auffangwirkungsgrad von 80% für Ca(OH)2, (Calciumhydroxid) mit einem mittleren
Massedurchmesser von 1,3 μm
bei einer Gasströmungsgeschwindigkeit
von 20 lmin–1 hat.
-
Der
Auffangwirkungsgrad erhöht
sich auf 96% wenn an den Kollektor ein Geradeaus-Konzentrator mit einem
Innendurchmesser von 0,02 m angeschlossen wird und eine partielle
Rezirkulation zu dem Kollektor mit einem Venturi von 0,002 m Verengungsdurchmes ser
gemäß 1 erfolgt.
Emissionsreduktionen von 80% (von 20 auf 4%) sind dann möglich. Die
Verwendung von sehr hoch effizienten Geometrien für den Kollektor (beispielsweise
derjenige gemäß PT102166)
ermöglicht
es dem vorgeschlagenen System, mit weit aufwendigeren Entstaubungsanlagen
(Sprüh-
und Absorptionstürme,
Venturis, Impulsstrahlbeutelfilter) in Konkurrenz zu treten, ausgenommen,
wenn es sich um extrem kleine Partikel (< 0,5μm)
handelt, jedoch mit dem zusätzlichen
Vorteil, dass sie eingesetzt werden können bei sehr hohen Temperaturen
und für
die Sauergasreinigung durch Trockeninjektion eines Feststoffsorbens.
Die Entwicklung von Entstaubungssystemen mit Auffangwirkungsgraden,
die weit über
denjenigen von einzelnen Gegenstromzyklonen liegen, unter Anwendung
von einfachen und wirtschaftlichen Technologien, insbesondere für Partikelgrößen unter
2–3μm, hat ein
großes
Potential für
die industriellen Anwendung. Verschiedene Industriezweige (Holz,
Metall, Zement, Chemikalien) und Kraftstoffboiler könnten von
wirtschaftlichen und wirkungsvollen Entstaubungsanlagen Nutzen ziehen,
um die Notwendigkeit der Verwendung von weit aufwendigeren Anlagen
zu vermeiden, wie z.B. Impulsstrahlbeutelfilter.
-
In ähnlicher
Weise könnte
die Automobilindustrie, soweit es die Emissionskontrolle von Partikeln
von Dieselfahrzeugen betrifft, von einer einfachen Anlage, wie sie
hier beschrieben ist, Nutzen ziehen, die bei hohen Temperaturen
eingesetzt werden kann und keine beweglichen Teile hat.
-
Das
vorgeschlagene System hat auch deutliche Vorteile gegenüber Reaktoren,
die normalerweise verwendet werden für die Sauergasreinigung (HCl,
HF und SO2), wenn extrem kompakte und wirkungsvolle
Einheiten konzipiert werden können,
sowohl für
das Abtrennen von Sauergasen und in der Anwendungsmöglichkeit
von eingespritzten Feststoffen in Form eines Trockenpulvers, und
zwar aufgrund der partiellen Rezirkulation des nicht reagierten
Sorbens.
-
Referenzen
-
- Berezowski, M. und K. Warmuzinski, 'Recycling as a means of controlling
the operation of cyclones',
Chemical Enineering and Processing, Bd.32, 345–347, 1993.
- Carminati, A., A. Lancia, D. Pellegrini und G. Volpiccelli, 'Spray dryer absorption
of HCl from flue gas',
Proc. 7th World Clean Air Congr., 426, 1986.
- Clift, R., M. Ghadiri und A.C. Hoffman, 'A Critique of Two Models for Cyclone
Performance', AlChE
J., Bd.37, 285–289,
1991.
- Crawford, M., 'Air
Pollution Control Theory',
McGraw-Hill, 1976.
- Fonseca, A.M., José J. Òrfäo und Romualdo
L. Salcedo, 'Kinetic
modeling of the reaction of HCl and solid lime at low temperatures', Ind. Eng. Cem.
Res., Bd.37, 4570–4576,
1998.
- Heap, B.M., 'The
continuing evolution and development of the dry scrubbing process
for the treatment of incinerator flue gases', Filtr. Sep. Bd.33, 375, 1996 Hoffmann,
A.C., M. de Groot and A. Hospers, 'The effect of the dust collection system
on the flowpattern and separation efficiency of a gas cyclone', Can. J. Chem. Eng., Bd.74,
464–470,
1996.
- Licht, W., 'Air
pollution Control Engineering-basic calculations for particulate
collection', Marcel
Dekker, New York und Basel, 1980.
- Mothes, H. und F. Loftier, 'Prediction
of particle removal in cyclone separators', International Chemical Engineering,
Bd.28, 231–240,
1988.
- Salcedo, R.L., 'Collection
Efficiencies und Particle Size Distributions form Sampling Cyclones–Comparison
of Recent Theories with Expermental Data', Can. J. Chem. Eng., Bd.71, 20–27, 1993.
- Salcedo, R.L. und A.M. Fonseca, 'Grade-efficiencies and particle size
distributions from sampling cyclones', Mixed-Flow Hydrodynamics, Kap.23,
539–561,
P. Cheremisinoff (ed.), Gulf Publishers, 1996.
- Salcedo, R.L. und M.A. Coelho, 'Turbulent Dispersion Coefficients in
Cyclone Flow: an empirical approach', Can. J. Chem. Eng., August 2000.
- Svarovsky, L., 'Solid-Gas
separation', Elsvier
Scientific Publishing Co., NY, 1981.
- Wysk, S.R., L.A. Smolensky und A. Murison, 'Novel particulate control device for
industrial gas cleaning',
Filtration & Separation,
Januar/Februar, 29–31,
1993.
