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Die
vorliegende Erfindung betrifft sowohl die Verbesserungen, die für Partikelabscheider
gemacht wurden, als auch die Trennung von Sand mit breiter granulometrischer
Verteilung, der aus einem Verfahren zur thermischen Regeneration
stammt, und sich in einem Gasstrom mit hoher Temperatur befindet.
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Die
US-Patentschrift Nr. 5.626.651 sowie die internationale Patentanmeldung
W097/27928 (vgl. ebenfalls die am 25. Mai 1995 veröffentlichte
englische Patentschrift) beschreiben eine bestimmte Anzahl von Formen
von Partikelabscheidern, die der Trennung von Partikeln dienen,
die in einem turbulenten Gasstrom bewegt werden. Diese Offenbarungen
werden hier als Referenz aufgenommen.
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In
der folgenden Beschreibung wird die vorliegende Erfindung im Rahmen
der Trennung von Sandpartikeln erläutert, die sich in einem turbulenten Gasstrom
bei hoher Temperatur befinden, und eine granulometrische Verteilung
zwischen etwa 1 Mikron (untere Grenze) und etwa 100 Mikron (obere
Grenze) aufweisen. Ein solches Gas, das mit Partikeln beladen ist,
ist ein Nebenprodukt, das im Rahmen von Verfahren zur Regeneration
von Gießereiformsand erhalten
wird.
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Es
versteht sich jedoch, dass diese Illustration der vorliegenden Erfindung
bezüglich
der Trennung der festen Partikel, die in einem turbulenten Gasstrom
enthalten sind, nicht dazu dient, den weiteren Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu begrenzen, wobei die Erfindung auch auf die Trennung
anderer fester Teilchen in Lösung
in einem turbulenten Gasstrom anwendbar ist.
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Es
wurde entdeckt, dass die Sandkörner
mit einer Größe von mehr
als etwa 30 Mikron die Neigung haben, auf den Auffangplatten einer
Vorrichtung zur Präzipitation
abzuprallen, wie in der US-Patentschrift Nr. 5.626.651 oder der
entsprechenden europäischen
Patentschrift EP-B 1-626 880 beschrieben; was den Wirkungsgrad ihrer
Elimination außerhalb
von Gasströmen
reduziert. Es wurde auch beobachtet, dass die Intensität des Abprallens
der Sandkörner
auf den Auffangplatten und der Wirkungsgradverlust, der daraus resultiert,
mit der Korngröße ansteigt.
Aus diesem Grund würde
die Elimination der Sandfraktion, die aus Sandkörner mit einer Größe von mehr
als etwa 30 Mikron besteht, die Konstruktion von Vorrichtungen zur
Präzipitation
erfordern, die Platten von sehr großer Länge aufweisen, deren Kosten
aufgrund der sehr großen
Zahl der benötigten
Auffangplatten untragbar wären.
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Das
andere, mit der Trennung von großen Sandkörnern mittels Vorrichtungen
zur Präzipitation mit
Platten verbundene Problem, besteht in der Tendenz dieser Sandkörner, die
Auffangplatten zu erodieren, was ungerechtfertigte Ausgaben mit
sich bringt, um die Platten zu ersetzen und die damit einhergehende
Unterbrechung des Prozesses zur Elimination der Sandladung, die
sich in dem Gasstrom befinden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist insbesondere, die vorgenannten Nachteile
zu beheben, indem ein Verfahren und eine Gruppe von Partikelabscheidern
vorgeschlagen werden, die es erlauben, die Sandkörner mit einer Größe von mehr
als etwa 30 Mikron zu eliminieren, die sich in einem Gasstrom befinden,
vor ihrem Eintreten in eine andere Vorrichtung, zum Beispiel zur
Präzipitation.
Diese Aufgabe wird durch die Verwendung eines speziell konzipierten
Mittels zur wirksamen Trennung von Partikeln, wie etwa Sandkörner mit
einer Größe von mehr
als etwa 30 Mikron erreicht, die sich in einem Gasstrom befinden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Trennung von festen
Partikeln mit einer breiten granulometrischen Verteilung, die sich
in einem turbulenten Gasstrom befinden, gekennzeichnet dadurch,
dass es umfasst:
- – an erster Stelle die Eliminierung
der größten Partikel
in einer Kammer zur Trennung mit einem erhöhten Wirkungsgrad, wobei besagter
Strom besagte Kammer passiert, wobei diese eine bestimmte Größenordnung
aufweist, die die Durchströmungsgeschwindigkeit
des besagten Stromes reduziert und besagte Partikel dazu bringt,
sich unter der Einwirkung der Schwerkraft auf einer geringen Höhe abzulegen
und dann gegen eine Rückwand
der besagten Kammer zu prallen und entlang der Wand in den tieferen
Teil der besagten Kammer zu fallen,
- – die
Eliminierung der feineren Partikel mit einem erhöhten Wirkungsgrad, wobei diese
in einer Vorrichtung zur Präzipitation
aus Platten oder aus einer porösen
Struktur mit Kanälen
verbleiben.
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Die
vorliegende Erfindung kann also einerseits als Verfahren zur Trennung
von Sandkörnern mit
großer
granulometrischer Verteilung definiert werden, die sich in einem
turbulenten Gasstrom befinden, das an erster Stelle die Elimination
der aus großen
Sandkörnern
bestehenden Sandfraktion, in einer dafür vorgesehenen Trennkammer
dann die Elimination der feinen Sandkörner umfasst, die in einer
Vorrichtung zur Präzipitation
aus Platten oder aus einer porösen
Struktur mit Kanälen
verbleiben, mit einer Länge,
die sehr viel geringer ist als jene, die für eine effektive Elimination
des Sands mit großer
Granulometrie notwendig gewesen wäre, wenn der Gasstrom direkt
in eine Vorrichtung zur Trennung, wie etwa eine Vorrichtung zur
Präzipitation
mit Platten, eingeleitet worden wäre.
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Die
Erfindung richtet sich außerdem
auf die Verwendung eines solchen Verfahrens zur Trennung von Sandkörnern, die
von einem Gasstrom mit hoher Temperatur bewegt werden, wobei besagter
Strom einem Verfahren zur thermischen Regeneration von Sand entstammt.
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Die
Erfindung richtet sich ferner auf eine Vorrichtung zur Trennung
von festen Partikeln mit einer breiten granulometrischen Verteilung,
die sich in einem turbulenten Gasstrom befinden, gekennzeichnet dadurch,
dass diese umfasst:
- – Kammer zur Trennung, die
dazu dient, besagten turbulenten Gasstrom bei einer hohen Temperatur aufzufangen,
wobei diese die besagten festen Partikel in Suspensionen auffängt und
die Eliminierung der meisten Partikel größerer Größe des besagten Stromes durch
die Wirkung der Schwerkraft und durch Aufschlagen gegen eine Rückwand der
besagten Kammer eliminiert, und
- – Vorrichtung
zur Präzipitation
aus Platten oder aus einer porösen
Struktur mit Kanälen,
die besagten Storm, der aus besagter Kammer zur Trennung kommt,
abfängt,
um die feineren Partikel des besagten Stromes zu eliminieren.
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Die
Kammer zur Trennung kann eine horizontale Zuleitung umfassen, die
mit einer Einlassöffnung
versehen ist, die dazu dient, den Strom und eine andere Zuleitung
aufzufangen, die zur Entsorgung des besagten Stroms dient, die mit
einem horizontalen Schlitz in der Rückwand der Kammer verbunden
ist, der sich entlang der gesamten Länge der Kammer erstreckt und
sich am oberen Ende der besagten Kammer befindet. Die Kammer zur
Trennung umfasst ebenfalls untere Bereiche, die eine Verjüngung zum
Boden hin aufweisen, wobei die größeren Partikel aufgefangen
werden, nachdem sie durch den Gasstrom eliminiert wurden.
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Aus
der besagten Kammer kann der Sand (die größeren Körner) in Behälter entsorgt
werden.
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Genauer
umfasst die Vorrichtung zur Präzipitation
mit Platten:
- – einen Eingang für den beladenen
Gasstrom und vorne einen Ausgang für den Gasstrom, aus dem die
Partikel eliminiert sind,
- – ein
Gehäuse,
versehen mit einem oberen horizontalen Bereich und einem ersten
Boden in Form einer Mulde, die eine aufsteigende Neigung aufweist,
die der Durchströmungsrichtung
des Gasstromes entspricht,
- – mehrere
abstandsgleiche Auffangplatten, die in etwa dieselbe Höhe aufweisen,
wobei diese mit dem besagten Boden 7 in Form einer Mulde
zusammenwirken,
- – einen
Durchlass für
die Durchströmung
des Gases, welcher durch die oberen Ränder der Platten, den oberen
Bereich des Gehäuses
und die Seitenwände
des Gehäuses
begrenzt ist,
- – Mittel,
die am tiefsten Punkt des besagten Bodens in Form einer Mulde auf
halbem Wege zwischen den zwei angrenzenden Aufnahmeplatten angeordnet
sind, durch die die feinen aufgefangenen Partikel mit Hilfe der
Platten eliminiert werden,
- – einem
zweiten Boden, der sich in etwa parallel zum besagten Boden befindet,
wobei dieser auch in Form einer Mulde ist, auf den die feinen Partikel,
die durch besagte Mittel beseitigt werden, herabfallen und nach
unten rutschen,
- – mindestens
eine Öffnung
zur Entsorgung des Staubs am unteren Ende des besagten zweien Bodens,
wobei diese mit einer Zuleitung verbunden ist, die an besagte Öffnung für die Entsorgung des
Staubs gekoppelt ist,
- – einen
Entsorgungskanal für
den Staub zwischen den beiden Böden
des Gehäuses,
- – eine
Scheidewand, die den Durchlass für
den Gasstrom und den Entsorgungskanal für den Staub trennt.
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In
der anderen Variante umfasst die Vorrichtung zur Präzipitation
mit poröser
Struktur mit Kanälen
mindestens eine poröse
Struktur, zum Beispiel aus vernetztem Schaumstoff, die von Kanälen durchzogen
ist, durch die das Gas auf turbulente Weise zirkuliert, das mit
den verbleibenden Partikeln beladen ist.
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Die
Vorrichtung zur Trennung gemäß der Erfindung
kann des Weiteren ein Mittel zum Absaugen des Gasstroms umfassen.
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Die
Vorrichtung zur Präzipitation
mit Platten, die Teil der oben genannten Kombination ist, kann die Form
jeder beliebigen Vorrichtung haben, die in den oben zitierten Patentschriften
beschrieben wird, und umfasst gemäß einer bevorzugten Form Platten
gleicher Höhe,
die mit aufsteigenden Neigung in Richtung der Durchströmungsrichtung
des Gasstroms über
dem Boden eines Gehäuses
angebracht sind, das ein oberes horizontales Ende aufweist, woraus sich
eine abnehmende Durchlasshöhe
für den
Gasstrom ergibt. Der Boden weist die Form einer Mulde auf und umfasst
an seinem tiefsten Punkt Löcher
mit geringem Durchmesser, durch die der feine Sand zu einem zweiten
Boden entsorgt wird, auf dem er rutscht bevor er über eine Öffnung in
einer Zuleitung entsorgt wird, die mit einem Behälter verbunden ist. Die regelmäßige Aktivierung
eines Rüttlers,
der an der äußeren Oberfläche des
zweiten Bodens angebracht ist, ist an der Beseitigung des feinen
Staubs beteiligt.
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Die
Vorrichtung zur Präzipitation
mit poröser Struktur,
die mit Kanälen
durchzogen ist, kann jenen gleichen, die in den Patentanmeldungen FR-2777801
und
FR 2769517 beschrieben
werden, die hier als Bezugsdokument zitiert werden.
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1 stellt
die gesamte Anordnung einer Vorrichtung dar, die eine Kammer zur
Trennung und eine Vorrichtung zur Präzipitation mit Platten gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst. 2 ist eine
Schnittansicht der Vorrichtung zur Präzipitation mit Platten gemäß dem Schnitt
AA aus 1.
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3 stellt
eine andere Variante dar, wobei auf die Vorrichtung zur Trennung
eine Vorrichtung zur Trennung mit Präzipitation in einer porösen Struktur, die
mit Kanälen
durchzogen ist, folgt.
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Eine
Vorrichtung zur Trennung wird in dem unteren Teil von 1 dargestellt
und besteht aus einer Kammer 1, die mit unteren Bereichen 2 versehen ist,
die eine Verjüngung
zum Boden hin aufweist, eine axial ringförmige Zuleitung zum Eingang
des Gases 3 und einen Ausgang 4 in Form eines
Schlitzes, der sich entlang der gesamten Länge der Kammer 1 erstreckt
und der am oberen Ende einer Rückwand 5 der
Kammer 1 liegt.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung ist die im Verhältnis
zum Boden der Kammer erhöhte
Position des Ausgangs 4 in Form eines Schlitzes mindestens
gleich der Distanz, auf der sich die Sandkörner mit einer Größe von etwa
30 Mikron während
der Verweildauer des Gases in der Kammer 1 ablegen. Die
größeren Teilchen
legen sich auf einer größeren Höhe ab und
eine große
Anzahl von ihnen fällt
in die Trichter 2 bevor sie die Rückwand 5 erreichen.
Der Grossteil der Sandkörner
mit einer Größe von 30
Mikron oder mehr prallt jedoch auf die Rückwand 5 der Kammer.
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Der
Wert von 30 Mikron wird hier nur als Beispiel angegeben.
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Im
Experiment wurde entdeckt, dass mit einer geringen Durchströmungsgeschwindigkeit
des Gases, in einer Größenordnung
von 1 m/s, die in Kammer 1 durchgeführt wurde, die Sandkörner nicht von
der Wand 5 abprallen, nachdem sie auf ihr aufgeprallt sind,
sondern entlang der Wand in den Trichter fallen, der am nächsten am
Ausgang liegt. Der Versuch zeigt auch, dass der Sand, der die Wand 5 entlang
fällt,
von dem Gas nicht wieder aufgenommen oder mitbewegt wird. Der physikalische
Grund dafür ist,
dass das Gas auf der Wand 5 nur eine viskose (nicht turbulente)
Strömung
aufweist, deren Geschwindigkeit sehr viel geringer ist als die Abscheidungsgeschwindigkeit
der Sandkörner.
Der in den Trichtern 2 entsorgte Sand selbst wird auch
weder erneut eingefangen noch erneut mitgerissen, da die Sammelgeschwindigkeit
der Sandkörner
weit höher als
1 m/s ist. Das Volumen der Kammer 1 ist so dimensioniert,
dass die Geschwindigkeit des beladenen Gases ausreichend gering
ist, damit das so beschriebene Prinzip der Ablagerung der schwersten Teilchen
stattfindet.
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Eine
Vorrichtung zur Trennung 20 wird im oberen Teil von 1 dargestellt.
Die Vorrichtung 20 wurde gegenüber den Vorrichtungen zur Präzipitation,
die auf dem Stand der Technik und insbesondere gegenüber den
zu Beginn der Beschreibung beschriebenen Patentschriften weiterentwickelt.
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Sie
umfasst im Wesentlichen ein Gehäuse, das
mit einem oberen horizontalen Ende 8 und geneigten Böden 7 und 13 versehen
ist. Vertikale Auffangplatten 6, die in etwa die gleiche
Höhe aufweisen,
sind auf dem geneigten Boden 7 montiert. Der Eingang des
Gases in die Vorrichtung zur Trennung 20 erfolgt durch
eine ringförmige Öffnung 10.
Die Höhe
des Durchlasses 9 für
die Durchströmung
des Gases in der Vorrichtung zur Trennung verringert sich vom Eingang 10 zum
Ausgang 11. Die feinen Sandkörner, die in dem Gas suspendiert
sind, das in die Vorrichtung zur Präzipitation 20 durch
den Eingang 10 eintritt, werden durch Fluktuationen der
Geschwindigkeit des turbulenten Stroms in Räume mitbewegt, die von den
Platten umfasst werden, wo sie anprallen und sich auf den Platten 6 ablegen.
Dieses Phänomen
wurde bereits in dem zu Beginn der Beschreibung zitierten Stand
der Technik erläutert.
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Es
wurde experimentell entdeckt, dass sich der Wirkungsgrad der Elimination
erhöht,
wenn die Höhe
des Durchlasses für
den Gasstrom 9 relativ zur Ausbreitungsrichtung des turbulenten
Gasstroms abnimmt. Es wurde beobachtet, dass sich die feinsten Teilchen
auf den Platten in der Nähe
des Ausgangs der Vorrichtung zur Präzipitation ablegen. Außerdem wurde
nach der Bildung einer Schicht aus feinem Staub auf den Platten 6 beobachtet,
dass sich die Ablagerung unter der Wirkung der Schwerkraft selbst ablöst. Der
Staub fällt
dann von den Platten 6 auf den Boden 7 der Vorrichtung
zur Präzipitation,
der die Form einer Mulde hat.
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2 zeigt
einen Durchlass 9, der in vier identische Abschnitte aufgeteilt
ist. Dies ist keinesfalls obligatorisch 2 zeigt,
dass die Form der Platten 6 an die muldenförmige Form
des Bodens 7 angepasst ist. Des Weiteren bilden der Boden 7, zwei
Platten 6 und zwei Scheidewände eine Zelle, die an ihrem
unteren mittleren Punkt ein ringförmiges Loch 12 mit
geringem Durchmesser umfasst, durch das der Staub in einen Abschnitt 17 entsorgt
wird, der mit einem Boden 13 versehen ist. Der besagte
Staub rutscht den Boden 13 entlang, dabei wird er durch
die intermittierende Aktivierung eines Rüttlers 14 unterstützt, der
auf dem Boden 13 angebracht ist. Der Staub gelangt dann
in eine allgemeine Staubentsorgungsleitung 15, die am Boden
der Neigung angeordnet ist, die von den beiden Böden 2 gebildet wird. Der
Abschnitt zur Entsorgung des Staubs 17 ist vom Durchlass
für den
Gasstrom 9 durch die Scheidewand 16 getrennt.
Der Staub kann schließlich
in einen Behälter
(nicht dargestellt) entsorgt werden, der mit der Entsorgungsleitung 15 verbunden
ist.
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Gemäß der Erfindung
durchquert das Gas nacheinander die Kombination, die aus der Kammer zur
Trennung 1 und der Vorrichtung 20 zur Präzipitation
mit Platten besteht, mittels eines Mittels zum Absaugen 18,
das stromabwärts
des Ausgangs 11 angeordnet ist. Die Entsorgung und Elimination
des Sands oder des Staubs, die sich in dieser Kombination befinden,
erfolgt kontinuierlich, ohne Unterbrechung des Gasstroms und Trennung
der Feststoffe aus dem Gas.
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Als
Ausführungsbeispiel
für diese
Erfindung kann die nachfolgende Vorrichtung zitiert werden: eine
Kammer zur Trennung 1 und eine Vorrichtung zur Präzipitation
mit Platten, die der Behandlung einer Gasströmung von etwa 11.000 Am3/h bei einer Temperatur zwischen 500 und
700 °C dient,
in der Gießereiformsand
bewegt wird, weist die folgenden Abmessungen auf: Länge der
Kammer zur Trennung 1: 4,5 m, Höhe (ohne den sich zum Boden
verjüngenden
Boden): 1,6 m, Breite: 1,8 m. Der Schlitz 4 des Gasausgangs
weist eine Höhe
von 15 cm auf. 90 Gew.-% des Sands werden in der Kammer (1)
eliminiert. Die Länge
des Durchlasses für
die Durchströmung
des Gases 9 der Vorrichtung zur Präzipitation mit Platten beträgt 3,2,
seine Breite 1,8 m und seine Höhe
nimmt von 1,5 m am Eingang bis auf 7,6 cm am Ausgang 11 ab.
Die Höhe
der Auffangplatten 6 beträgt 32 cm und die Platten sind
mit 7,6 cm beabstandet. Die Löcher 12 zur
Entsorgung des Staubs weisen einen Durchmesser von 13 mm auf. Der
Wirkungsgrad der Elimination des thermischen Sands durch die Kombination,
die aus der Kammer zur Trennung und der Vorrichtung zur Präzipitation
mit Platten besteht, hatte eine Größenordnung von 99,5 %. Die Vorrichtung
zur Präzipitation
mit Platten allein kann nur etwa 70 Gew.-% des thermischen Sands
eliminieren, woraus sich die Synergie zwischen einer Kammer zur
Trennung vom Typ 1 und einer Vorrichtung zur Präzipitation
mit Platten ergibt. Der physikalische Grund für diese Synergie ist, dass
die großen
Sandkörner
in der Kammer zur Trennung 1 wirksamer eliminiert werden,
dessen Trennungsprinzip als „Schwerkraftabscheidungsprinzip" bezeichnet werden
kann, während
die feineren Partikel in der Vorrichtung zur Präzipitation mit Platten 20 wirksamer eliminiert
werden.
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Die
Leistungen der Kammer zur Trennung können mit jenen eines herkömmlichen
horizontalen Schwerkraftabscheiders verglichen werden. Um einen
Eliminationswirkungsgrad von 100 % der Sandkörner mit einem Durchmesser
von 30 Mikron zu erreichen, muss ein herkömmlicher horizontaler Schwerkraftabscheider
mit der gleichen Höhe
und der gleichen Breite wie die in obigem Beispiel beschriebene
Kammer zur Trennung gemäß der Erfindung
eine Länge
von etwa 48 m haben, was 11 Mal größer ist als die Länge von
4,5 m der Kammer zur Trennung der vorliegenden Erfindung. Wenn beschlossen
wird, dass die Höhe,
die Breite und die Länge
eines herkömmlichen
horizontalen Schwerkraftabscheiders den gleichen Wert haben sollten, wurde
berechnet, dass sich die drei Abmessungen auf 9,4 m beliefen.
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Die
Leistungen der Kammer zur Trennung können ebenfalls verglichen werden
mit jenen von Stossabscheidern mit komplexem Design, die einen Eliminationswirkungsgrad
von 90 % der Sandkörner mit
30 Mikron erreichen können,
aber auf Kosten eines Druckverlusts von sehr viel mehr als den 180
Pa, die in der Trennungskammer gemessen wurden.
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Hochleistungs-Zyklonabscheider
können
einen Eliminierungswirkungsgrad von Sandkörnern mit 30 Mikron von fast
100 % erreichen, aber ebenfalls auf Kosten eines Druckverlusts von
weit mehr als 180 Pa.
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Der
Gesamtwirkungsgrad der Elimination von thermischem Sand durch die
Kombination gemäß der Erfindung
in einer Größenordnung
von 99,5 % wird von keinem anderen bekannten mechanischen Abscheider
erreicht.
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In
der in
3 illustrierten Variante umfasst die Vorrichtung
21 zur
Trennung von feineren Partikeln eine rohrförmige Zuleitung
22,
die mit dem Eingang
10 des Gasstroms, der aus der Kammer
1 austritt
und mit dem Ausgang
26 gekoppelt ist, auf dem ein System
zur Gasabsaugung montiert sein kann. Die Bezugsnummer
23 bezeichnet
mehrere Materialien aus porösen
Stoffen, die mit Kanälen
entsprechend der Hauptachse der Zuleitung
22 durchzogen sind.
Die Vorrichtung zur Trennung kann jener entsprechen, die in der
Veröffentlichung
WO 99/19044 beschrieben ist, die der Patentanmeldung
FR 2769517 entspricht. Die Porosität des Schaumstoffs beträgt mehr
als 90 %, die Größe der Zellen
liegt zwischen 0,5 und 5 mm. Es versteht sich, dass es sich um einen
offenzelligen Schaumstoff handelt, das heißt, dass die Poren miteinander
verbunden sind. Diese Materialien sind von Kanälen mit zum Beispiel einem
Durchmesser zwischen 3 und 100 mm durchzogen. Die Funktionsweise
ist folgende: der turbulente Gasstrom, der mit Partikeln beladen
ist, zirkuliert in den Kanälen,
die untereinander parallel verlaufen, ohne feststellbaren Druckverlust,
und die Partikel dringen in die Wand der Kanäle ein. Ein Rüttelsystem kann
die Partikel aus dem porösen
Material entfernen und sie in Richtung eines Auffangbeckens
24 treiben lassen,
das die Partikel in einem Tank
25 sammelt.
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Abhängig von
der Gasströmung
kann die Zuleitung 21 länger
oder kürzer
sein und mit einem oder mehreren porösen Materialien 23 ausgestattet
sein, die in Serie angeordnet sind.