DE69304794T2

DE69304794T2 - Filtrationsmodul

Info

Publication number: DE69304794T2
Application number: DE69304794T
Authority: DE
Inventors: Hendrik Arien Dirkse; Petrus Jacobus Adrianus Tijm; Phillip Edward Unger
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1992-05-18
Filing date: 1993-05-14
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2013-05-15
Also published as: DE69304794D1; ZA933409B; EP0572063A1; CA2095189C; JPH0631123A; SG45277A1; CA2095189A1; TW227526B; CN1033424C; DK0572063T3; CN1082453A; AU656854B2; ES2092748T3; EP0572063B1; AU3842193A; US5282877A

Description

Die Erfindung betrifft eine eine Reihe von separaten, vertikal angeordneten mehrstöckigen Filtereinheiten enthaltende Vorrichtung zum Herausfiltrieren von teilchenförmigem Material einer vorbestimmten Mindestgröße aus einem z.B. durch Verbrennungs- oder Teilverbrennungsverfahren hergestellten Trägerfluid.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Hochdruck-Hochtemperatur-Filtereinheit, wie sie bei der Kohlevergasung, bei der mitgeführte Feststoffe, wie z.B. Asche, aus dem hergestellten Synthesegas durch Filtration mit keramischen Kerzen bei Temperaturen von 100-800ºC entfernt werden, und bei der Ölvergasung zur Entfernung von Trockenruß durch Filtration mit keramischen Kerzen bei Drücken bis zu etwa 60 bar eingesetzt wird.
Aus der EP-A-0,129,053 ist ein Verfahren zum Abtrennen von teilchenförmigem Material aus Rauchgasen der Verbrennung und anderer derartiger Verfahren unter Verwendung poröser Filterelemente, die mehrere parallel zueinander durch eine gemeinsame Träger- bzw. Rohrbodenplatte getragene Filterrohre enthalten können, bekannt. Rauchgase sind im allgemeinen ziemlich heiß, beispielsweise 150ºC, und liegen in der Regel unter Normaldruck vor. Unter diesen Bedingungen bestehen die Filterrohre in der Regel aus Polyester, Acryl oder Glas. Aus der Druckwirbelschichtverbrennung können die erhaltenen Gase bis zu 900ºC heiß sein und unter Gasdrücken von 5 bis 15 mal dem Normaldruck stehen; in diesem Fall sind die Filterrohre aus poröser Keramik oder aus hartgesintertem porösen rostfreien Stahl. Die von den verschiedenen Rohren einzufangenden Teilchen variieren in ihrer Größe von 0,2 µm bis 20 µm und können insgesamt bis zu 10 Teile pro tausend Gewichtsteile des Gases oder noch mehr wiegen. Wenn die Staubabscheidung auf einem Filterelement auf 2 oder 3 mm ansteigt, so steigt der Druckverlust stetig an, und die Elemente müssen durch Schütteln der Rohre, durch Umkehr der Gasströmungsrichtung oder durch Hochdruck- Gasimpulse durch die Filterrohre gereinigt werden.
Diese bekannte Vorrichtung zum Herausfiltern von teilchenförmigem Material einer vorbestimmten Mindestgröße aus Rauchgasen der Verbrennung oder anderer derartiger Verfahren in einer verhältnismäßig heißen und sogar unter Druck stehenden Umgebung enthält ein Hauptgefäß, das eine innere Kammer mit Eintragsmitteln, durch die die teilchenbeladenen Rauchgase bzw. ein anderes derartiges zu filtrierendes Trägerfluid in die Kammer eintreten können, umgibt. Das Gefäß enthält weiterhin separate Austragsmittel, durch die das Trägerfluid nach dem Filtrieren aus der Kammer austreten kann. In der Gefäßkammer sind mehrere Filtereinheiten angeordnet, die voneinander und von dem Gefäß selbst beabstandet von einem einzigen, ebenfalls in der Gefäßkammer angeordneten Trägerrohr getragen werden. Dieses vorzugsweise vertikal verlaufende Rohr dient als alleiniges Mittel zum Tragen der Filtereinheiten und wirkt gleichzeitig mit diesen Anordnungen und den Austragsmitteln des Gefäßes zusammen, indem es als Austragsrohr das filtrierte Fluid aus dem Gefäß durch dessen Austragsmittel herausleitet.
Bei der Konstruktion einer technischen Filtereinheit, die mehrere einzelne kleine Filterrohre des oben angegebenen Typs enthält, besteht ein generelles Problem darin, derartige Elemente ohne großen Aufwand richtig in einem einzigen Gefäß unterzubringen. Ein derartiges Gefäß kann erforderlichenfalls viele hundert Rohre enthalten, und das teilchenbeladene Fluid, bei dem es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln kann, muß so in das Gefäß eintreten, daß es um die einzelnen Filterrohre herum gut verteilt ist. Außerdem muß jedes Filterrohr auf dem obenerwähnten oder auf einem beliebigen anderen geeigneten Weg gereinigt und das aus diesen Rohren herausgereinigte teilchenförmige Material gesammelt und schließlich aus dem Gefäß abgezogen werden. Anschließend muß das filtrierte Fluid an einer geeigneten Stelle aus dem Gefäß ausgetragen werden.
Aus allen diesen Anforderungen ergeben sich viele mechanische, thermische und aerodynamische Beschränkungen beim Entwurf und beim Bau der Gesamtfiltervorrichtung.
Bisher enthielt eine typische Filterrohrvorrichtung ein Hauptgefäß mit einer einzigen Platte bzw. einem einzigen Rohrboden zum Tragen der Filterrohre in vertikal herunterhängender Weise. Dieser spezielle Vorrichtungstyp weist eine Reihe von Nachteilen auf. Vor allem besteht der einzige Weg zur Vergrößerung der Filterfläche in der Vergrößerung des Rohrbodendurchmessers zur Aufnahme von mehr Filterrohren. Dies führt jedoch schnell zu einer praktischen mechanischen Grenze.
Da der Rohrboden im allgemeinen nur entlang seines Umfangs gehalten wird, neigt er infolge von erhöhtem Gewicht in der Mitte zum Durchhängen oder muß zur Verhinderung des Durchhängens ausreichend dick ausgeführt sein, was letztendlich unwirtschaftlich wird. Selbst Rohrböden aus hochentwickelten Legierungen können dieses Problem bei hohen Temperaturen nicht beseitigen. Die Lösung dieses Problems durch Anbringen von Trägern in der Mitte ist aufgrund der mit der unterschiedlichen Ausdehnung und Kontraktion aufgrund der verhältnismäßig hohen Temperaturen verbundenen Problemen ebenfalls unzweckmäßig. Selbst wenn dieses Problem unter der Annahme, daß dies wirtschaftlich gerechtfertigt wäre, gelöst werden könnte, gibt es noch andere mit der Vergrößerung des Rohrbodens zur Aufnahme einer größeren Zahl von Filterrohren verbundene Nachteile. Beispielsweise nimmt die Gesamtvorrichtung mit steigender Größe des Rohrbodens eine zu breite Form an und eignet sich letztendlich nicht mehr zum Schiffs-, Bahn- oder Straßentransport. Auch muß mit steigender Größe des Rohrbodens nicht nur der Durchmesser, sondern auch die Dicke das Gefäßes selbst erhöht werden, damit es den Rohrboden und den Innendruck aufnehmen und tragen kann. Natürlich wäre die Bereitstellung eines genügend großen Gefäßes ziemlich kostenaufwendig und wiederum wirtschaftlich untragbar.
Obwohl es eventuell möglich wäre, die Filtrierkapazität einer Vorrichtung des gerade beschriebenen Typs durch Verlängerung der Filterrohre zu erhöhen, hat das natürlich auch seine Grenzen. Ferner sind nun einige ziemlich attraktive neue hochentwickelte keramische Filterrohre im Handel erhältlich, die jedoch nicht in Längen über etwa 1,5 Meter hergestellt werden können.
Zur Erhöhung der Filtrierkapazität der Vorrichtung des obenbeschriebenen Typs würde die Verwendung dieser speziellen Filterrohre somit eine Erhöhung des Rohrbodendurchmessers erfordern und daher zu den gerade geschilderten Problemen führen.
Bei den bekannten Einrichtungen gibt es jedoch immer noch Probleme bei der Übertragung in den technischen Maßstab und Problembereiche hinsichtlich der großtechnischen Anordnung.
Des weiteren besteht die Gefahr des erneuten Mitreißens von Feststoffen, was die Wirksamkeit der Vorrichtung verringert.
Die vorliegende Erfindung löst diese Probleme und stellt einen Feststoffaustrag aus übereinander angeordneten Schichten zur Verfügung, der das erneute Mitreißen von Feststoffen in der Fluidströmung in unteren Schichten vermeidet.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Filtriervorrichtung zur Entfernung von teilchenförmigen Feststoffen aus einem teilchenführenden Fluid, bestehend aus:
(a) einem länglichen Gefäß mit mehreren Mitteln zum Einleiten von teilchenführendem Fluid und mehreren separaten Mitteln zum Ableiten von Fluid, durch die teilchenführendes Fluid in das Gefäß eintreten bzw. filtriertes Fluid aus dem Gefäß austreten kann;
(b) Teilchenaustragsmitteln, durch die teilchenförmige Feststoffe aus dem Gefäß austreten können;
(c) mehreren vertikal beabstandeten Filtereinheiten, enthaltend mehrere Filterelemente tragende Rohrböden, welche so an der Innenwand angebracht sind, daß Kammern entstehen; und wobei das Gefäß zusätzlich noch zum Zentralisieren und Konzentrieren der aus dem Gefäß austretenden Teilchen ein mehrstöckiges trichterförmiges Teilchenausschleusesystem enthält, das so in dem Gefäß angeordnet ist, daß die Ausschleusetrichter (8a, 8b, 8c) des Ausschleusesystems über das trichterförmige Teilchenausschleusesystem miteinander verbunden sind und das Ausschleusen unterhalb eines jeden Rohrbodens mittels eines Aussschleusetrichters in der dem Rohrboden benachbarten Kammer erfolgt.
Die Erfindung wird nun beipielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung ausführlicher beschrieben, in der Fig. 1 einen Konzeptionsentwurf für ein erfindungsgemäßes dreistöckiges Filtriermodul und Fig. 2 einen Ausschnitt von Fig. 1 darstellt.
In Fig. 1 sieht man nun ein längliches Gefäß 1 mit mehreren Einleitungen (2a, 2b, 2c) für "schmutziges" Gas, durch die das feststoffbeladene Fluid hindurchtritt, und Ableitungen (3a, 3b, 3c) für "reines" Gas, durch die die filtrierten Fluide hindurchtreten können.
Das Gefäß 1 enthält in einer beliebigen für den Zweck geeigneten Weise mehrere Rohrböden (4a, 4b, 4c), die jeweils in einer beliebigen für den Zweck geeigneten Weise mehrere Filterrohre 6 tragen. So ergibt sich ein in Kammern aufgeteiltes Gefäß.
Als Filterrohre 6 setzt man zweckmäßig keramische Filterkerzen ein. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung setzt man als Filterkerzen Kerzen aus gesintertem Metall ein.
Das Gefäß 1 ist an seinem Boden mit einem Feststoffaustrag 7 versehen, der mit beliebigen geeigneten Mitteln zur weiteren Verarbeitung der Feststoffe verbunden ist, die der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht gezeigt sind.
Ferner enthält das Gefäß 1 ein mehrstöckiges trichterförmiges Feststoffausschleusesystem zur Konzentration und Bewirkung der Feststoffausschleusung.
Dieses System besteht aus mehreren, an einem Rohrboden (4b, 4c) und der Wand des Gefäßes 1 befestigten Ausschleusetrichtern (8a, 8b), die jeweils über ein im wesentlichen vertikal angeordnetes Ausschleuserohr A, das zu dem darunterliegenden Trichter führt, mechanisch miteinander verbunden sind.
Der unterste Trichter (8c) ist mit dem Feststoffaustrag 7 verbunden.
Fig. 2 zeigt im Detail die Anordnung von Rohrboden 4c, der Rohr A aus dem nächsthöheren Stock mit Ausschleusetrichter 8b verbindet.
In Fig. 1 sind der besseren Übersichtlichkeit wegen nur 3 Rohrböden, 3 Ausschleusetrichter, 3 Gaseinleitungen und 3 Gasableitungen gezeigt. Selbstverständlich kann jedoch jede beliebige, für den Zweck geeignete Zahl von Rohrböden, Ausschleusetrichtern, Gaseinleitungen und Gasableitungen eingesetzt werden.
Ferner kann man Filter in beliebiger Zahl und beliebiger Form und aus jedem Material verwenden.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgende Ausführung nur beispielhaft erläutert:

Ausführungsgrundlage

Filtermedien : Keramische Kerzen
Filterabmessungen : 6 cm Außendurchmesser x 1,5 Meter Länge
Maximalpackungsdichte : 1 Kerze pro 0,125 m² Rohrbodenfläche
Reine Luftraumhöhe : 0,5 Meter
Ausschleusetrichterwinkel : 15 Grad (Halbwinkel, 30 Grad Vollwinkel)

Zweistöckig

Anzahl Elemente : 912
Außendurchmesser des Rohrbodens : 2,9 Meter
Gesamthöhe des Gefäßes : 16,9 Meter

Dreistöckig

Anzahl Elemente : 912
Außendurchmesser des Rohrbodens : 2,4 Meter
Gesamthöhe des Gefäßes : 22,3 Meter

Gefäßwanddicke

Druck : 26 bar
Temperatur : etwa 120ºC
Gefäßmaterial : Kohlenstoffstahl

Zweistöckig

Gefäßwanddicke : 100 mm
Gefäßgewicht : 131 Tonnen

Dreistöckig

Gefäßwanddicke : 83 mm
Gefäßgewicht : 116 Tonnen

Claims

1. Filtriervorrichtung zur Entfernung von teilchenförmigen Feststoffen aus einem teilchenführenden Fluid, bestehend aus:

(a) einem länglichen Gefäß (1) mit mehreren Mitteln (2a, 2b, 2c) zum Einleiten von teilchenführendem Fluid und mehreren separaten Mitteln (3a, 3b, 3c) zum Ableiten von Fluid, durch die teilchenführendes Fluid in das Gefäß eintreten bzw. filtriertes Fluid aus dem Gefäß austreten kann;

(b) Teilchenaustragsmitteln (7), durch die teilchenförmige Feststoffe aus dem Gefäß austreten können;

(c) mehreren vertikal beabstandeten Filtereinheiten, enthaltend mehrere Filterelemente (6) tragende Rohrböden (4a, 4b, 4c), welche so an der Innenwand angebracht sind, daß das Gefäß in Kammern aufgeteilt wird; und wobei das Gefäß zusätzlich noch zum Zentralisieren und Konzentrieren der aus dem Gefäß austretenden Teilchen ein mehrstöckiges trichterförmiges Teilchenausschleusesystem enthält, das so in dem Gefäß angeordnet ist, daß die Ausschleusetrichter (8a, 8b, 8c) des Ausschleusesystems über das mehrstöckige trichterformige Ausschleusesystem miteinander verbunden sind und das Ausschleusen unterhalb eines jeden Rohrbodens mittels eines Ausschleusetrichters in der dem Rohrboden benachbarten Kammer erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das mehrstöckige trichterförmige Teilchenausschleusesystem aus mehreren Ausschleusetrichtern (8a, 8b) und mehreren Ausschleuserohren (A) besteht, wobei jedes Rohr mit dem nächsthöheren Trichter verbunden ist und jedes Rohr außer dem untersten (8c) in den darunterliegenden Trichter führt, jeder Ausschleusetrichter mit der Innenwand des Gefäßes verbunden ist und jeder Ausschleusetrichter außer dem untersten (8c) mit dem darunterliegenden Rohrboden verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Filtereinheiten Filterkerzen enthalten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei es sich bei den Filterkerzen um keramische Kerzen handelt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei es sich bei den Filterkerzen um Kerzen aus gesintertem Metall handelt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, bestehend aus 3 Filtereinheiten enthaltenden Rohrböden und 3 Ausschleusetrichtern.