EP4046721A1

EP4046721A1 - Staubzyklon mit sekundärabscheidung, verfahren zur verstärkung einer rotationsströmung innerhalb eines tauchrohres und verwendung des staubzyklons sowie anlage

Info

Publication number: EP4046721A1
Application number: EP22156409.9A
Authority: EP
Inventors: Ralf Abraham; Domenico Pavone
Original assignee: Gidara Energy BV
Current assignee: Gidara Energy BV
Priority date: 2021-02-13
Filing date: 2022-02-11
Publication date: 2022-08-24
Also published as: DE202021000545U1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Staubzyklon mit Sekundärabscheidung dadurch gekennzeichnet, dass im Tauchrohr Einbauten zur Verstärkung der Wirbelströmung vorgesehen sind.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Staubzyklon zur Sekundär- bzw. Feinstpartikelabscheidung, ein Verfahren zur Verstärkung einer Rotationsströmung innerhalb eines Tauchrohres eines solchen Staubzyklons und eine Verwendung eines solchen Staubzyklons innerhalb einer Anlage zur Durchführung eines Wirbelschichtprozesses, welcher insbesondere als eine Wirbelschichtvergasung, z.B. eine Hochtemperatur-Winkler-Vergasung (HTW), betrieben wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Anlage zur Durchführung eines Wirbelschichtprozesses, welche einen solchen Staubzyklon umfasst.

Beschreibung

Die Fliehkraftentstaubung ist im Vergleich zu anderen Technologien wartungsarm, relativ unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen und wenig kostenintensiv. Sie stellt sowohl in der Luftreinhaltung als auch bei der Produktrückgewinnung bei technischen Prozessen einen wichtigen und interessanten Verfahrensschritt dar. Beispiele mit besonderer wirtschaftlicher Bedeutung ist die Entstaubung diverser abgesaugter Gasströme in der Aufbereitungs- und Stahlindustrie sowie Rückführzyklone (in der Folge auch als Staubzyklon bezeichnet) bei der Wirbelschichtvergasung und -verbrennung.
Zyklone bzw. Staubzyklone werden seit langem zur Trennung von Feststoffpartikeln aus Gasen verwendet. Der Zyklon besteht im Wesentlichen aus einem zylindrischen Oberteil und einem konischen Unterteil. Das staubhaltige bzw. feststoffhaltige Gas (auch als Gas-Feststoff-Gemisch bezeichnet) tritt tangential, radial oder spiralförmig in einem rotationssymmetrischen Abscheideraum ein. In Rotationsströmung wird der Gasstrom spiralförmig nach unten bis hin zum Feststoffaustritt geführt und steigt in einem weiteren inneren Wirbel im Zyklon wieder hoch. Ein solcher Wirbelverlauf ist bekannt und zu Illustrationszwecken in Fig. 9 gezeigt. Das gereinigte Gas strömt über das zentral, im zylindrischen Oberteil angeordnete Tauchrohr wieder aus dem Zyklon.
Infolge der Rotationsströmung und der dadurch entstehenden Zentrifugalkräfte werden die spezifisch schwereren Feststoffteilchen des Gas-Feststoff-Gemischs an die Mantelfläche gedrängt. Aufgrund ihres Eigengewichts, sowie durch die wandnahe Grenzschichtströmung, die spiralförmig in Richtung Staubaustrag gerichtet ist, wird der Staub über den Feststoffaustrag in den Staubsammelbehälter ausgetragen. Der radial nach innen strömende Gasstrom übt auf die Partikel eine Widerstandskraft aus, die der Zentrifugalkraft entgegenwirkt. Ist die Fliehkraft größer als die Widerstandskraft, bewegt sich ein Partikel zur Mantelfläche des Zyklons bzw. Staubzylkons und wird abgeschieden. Ab einer gewissen Partikelgröße überwiegt die nach innen gerichtete Widerstandskraft die Zentrifugalkraft. Diese Partikelgröße wird "Grenzpartikelgröße" genannt. Die Grenzpartikelgröße beträgt im Allgemeinen 30 bis 50 µm, wobei der genaue Wert in diesem Bereich beispielsweise von der Zyklongeometrie, der Strömungsgeschwindigkeit, der Partikelform- und Dichte sowie der Gasviskosität abhängig ist. Wird diese Partikelgröße unterschritten, hat dies zur Folge, dass dieser Partikel nicht mehr aus dem Gasstrom separiert wird, sondern der Strömung folgend das Tauchrohr verlässt. Typischerweise liegt der Abscheidegrad eines solchen Fliehkraftabscheiders bei 95%, z.B. im Falle einer HTW-Vergasung. Mit anderen Worten verlassen für gewöhnlich 5% der Partikel, welche üblicherweise die Grenzpartikelgröße unterschreiten, den Fliehkraftabscheider mit dem Gasstrom über das Tauchrohr. Dies bedeutet, dass mit zunehmender Staubfeinheit der Abscheidegrad des Fliehkraftabscheiders schlechter wird, so dass eine weitere kostenintensive Nachabscheidung mittels Filterkerzen oder Elektrofilter benötigt wird.
Nachteilig ist zudem noch, dass der Betriebsbereich von Fliehkraftabscheidern eng begrenzt ist.
Schaut man sich die Strömung im Tauchrohr eines Zyklons an, so stellt man fest, dass innerhalb des Tauchrohres noch eine starke Wirbelbildung existiert und die im Gas noch vorhandenen Teilchen an die Tauchrohrwand bewegt werden. Der zentrale Bereich des Tauchrohres ist nahezu staubfrei.
In DE 2058674 wird vorgeschlagen, dass "es zweckmäßig ist, den staubfreien zentralen Reingasstrom durch ein im Innern des Tauchrohres angeordneten Zusatzrohr kleineren Durchmessers abzuziehen. Somit benötigt man für die Nachreinigung des noch vorhandenen partikelbehafteten Gasstromes weniger Filterfläche. Nachteilig ist hierbei, dass, falls es sich um einen Produktgas handelt die Handhabung sich komplex gestaltet.
In DE 1245267 wird vorgeschlagen, dass man innerhalb des Tauchrohres über mehrere separate Hilfsgasdüsen eine Nachabscheidung der Feinstpartikeln anstrebt. Auch hier ist die Umsetzung umständlich, außerdem möchte man in vielen Fällen kein Fremdgas (Hilfsgas) haben.
In DE 2361995 wird vorgeschlagen, dass man das Tauchrohr, außer der axialen Öffnung, noch mit weiteren Gaseintrittsöffnungen am Rohrumfang versieht. Nachteilig ist hierbei, dass ein Teil der partikelbehafteten Grenzschichtströmung sofort vom Zyklondeckel in die seitlichen Öffnungen des Tauchrohres eindringen würde, somit ist diese Maßnahme als nicht Zielführend zu bewerten.
In DE 6805593 wird ferner vorgeschlagen, dass das Tauchrohr außen eine Versteifung aufweist, die schraublinienförmig ausgebildet ist. Hiermit kann man aber kein Feinstaub, welches sich noch im austretenden Gasstrom befindet, abscheiden.
Muschelknautz et al. schlagen in VGB Power Tech 04/2014 vor, dass man das Tauchrohr eines Rückführzyklons mit einem Leitapparat ausstattet. Dieser besteht aus einem rotationssymmetrischen Kern mit aufgeschweißten gekrümmten Leitschaufeln. Die Leitschaufeln wandeln, die in das Tauchrohr eintretende Wirbelströmung, verlustarm in eine rein axiale Strömung um.
Bei allen hier vorgeschlagenen Maßnahmen möchte man, zur Minderung des Druckverlustes des Fliehkraftabscheiders, die Rotationströmung im Tauchrohr eliminieren, ohne aber die noch vorhandenen Feinstpartikel, d.h. Partikel unterhalb der Grenzpartikelgröße, welche kleiner als 50 µm, bevorzugt kleiner als 30 µm und besonders bevorzugt kleiner als 10 µm sind, separieren zu können. Bei vorbekannten Zyklonen, die beispielsweise im Bereich der Wirbelschichtvergasung, insbesondere in einer HTW-Vergasung, zum Einsatz kommen, können Partikel welche kleiner als 30 µm sind, nicht durch einen herkömmlichen Zyklon abgeschieden werden. Diese müssen dann in nachgeschalteten zusätzlichen Apparaturen (Kerzenfilter, Elektrofilter usw.) kostenintensiv abgeschieden werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Staubaustrag im Zyklon zu verbessern.
Diese Verbesserung wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass im Tauchrohr eines Zyklons Einbauten zur Verstärkung der Wirbelströmung vorgesehen sind. Daher betrifft die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt einen Staubzyklon mit Sekundärabscheidung dadurch gekennzeichnet, dass in dessen Tauchrohr Einbauten zur Verstärkung der Wirbelströmung vorgesehen sind. Mit anderen Worten sind die Einbauten im Tauchrohr dazu ausgelegt, eine Wirbelströmung zu verstärken, oder - in noch anderen Worten - eine tangentiale Komponente der Geschwindigkeit der Wirbelströmung zu erhöhen. Der erfindungsgemäße Staubzyklon besteht im Wesentlichen aus einem zylindrischen Oberteil und einem konischen Unterteil. Das staubhaltige Gas tritt tangential, radial oder spiralförmig in einem rotationssymmetrischen Abscheideraum ein. In Rotationsströmung wird der Gasstrom spiralförmig nach unten in den konischen Unterteil bis hin zum Feststoffbunker bzw. einem Auslass geführt und steigt in einem weiteren inneren Wirbel im Staubzyklon wieder hoch. Ein solcher Wirbelverlauf wird auch schematisch in Fig. 9 in innerhalb eines Staubzyklons ohne Einbauten im Tauchrohr dargestellt. Das die Feinstpartikel enthaltende Gas-Feststoff-Gemisch wird durch das zentral, im zylindrischen Oberteil angeordnete Tauchrohr des Staubzyklons geführt, wobei das Gas-Feststoffgemisch auf die Einbauten im Tauchrohr zur Verstärkung der Wirbelströmung trifft. Das Tauchrohr ist üblicherweise entlang einer vertikalen Achse, die zentrisch in Bezug auf den zylindrischen Oberteil des Staubzyklons verläuft, angeordnet. Das Tauchrohr ragt hierbei in den Innenraum des zylindrischen Oberteils hinein, ist im Wesentlichen gerade und das Innenvolumen des Tauchrohres ist mit einem Reingas-Auslass des Zyklons in Stromaufwärtsrichtung, d.h. an einem oberen Ende des zylindrischen Oberteil, fluidisch verbunden. Das Tauchrohr kann z.B. zylindrisch oder konisch sein.
Die sich im Inneren des Tauchrohrs befindlichen Einbauten können vielfältig ausgestaltet sein. Hierbei ist es lediglich von Bedeutung, dass die Einbauten im Inneren des Tauchrohrs dazu ausgelegt sind, die tangentiale Komponente der Geschwindigkeit der auftreffenden Rotationsströmung des nach oben steigenden Gas-Feststoff-Gemisches enthaltend die Feinstpartikel, d.h. beispielsweise ohne die zuvor abgetrennten Grobpartikel, zu erhöhen. Mit anderen Worten sind die Einbauten Widerstände im Inneren des Tauchrohres, welche eingerichtet sind, die tangentiale Komponente der Geschwindigkeit der eintreffenden Rotationsströmung erhöhen bzw. die eintreffende Wirbelströmung verstärken.
Hierbei bedeutet der Begriff "Sekundärabscheidung" insbesondere, dass zusätzlich zur herkömmlichen und oben beschriebenen Partikelabscheidung im unteren konischen Teil des Staubzyklons (d.h. Primärabscheidung der Partikel, d.h. Grobpartikel, welche die Grenzpartikelgröße nicht unterschreiten), eine Partikelabscheidung von Feinstpartikeln im zylindrischen Oberteil nach Passieren des Tauchrohres und dessen Einbauten stattfindet. Die Sekundärabscheidung, wie definiert, kann durchgeführt werden, wenn das Gas-Feststoff-Gemisch einen ausreichenden tangentialen Impuls aufweist. Aus diesem Grund sind axiale und/oder radiale Leitelemente, d.h. "Axial Swirler", im Tauchrohr des Zyklons angeordnet. Die Rolle dieser Leitelemente ist es, die tangentiale Komponente der Geschwindigkeit des Gas-Feststoff-Gemisches innerhalb des Tauchrohres zu erhöhen.
Durch die Erfindung wird erreicht, dass die Wirbelströmung nicht in eine axiale Strömung umgewandelt wird, sondern innerhalb des Tauchrohres verstärkt wird, um eine umfangreiche vollständige Abscheidung von Feinstpartikeln zu erzielen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einbauten im Tauchrohr als tangentiale oder axiale Leitelemente ausgebildet sind. Insbesondere sind "tangentiale Leitelemente" Oberflächenstrukturen an der Oberfläche der Innenwand des Tauchrohres, welche dazu ausgelegt sind, die eintreffende Wirbelströmung wie oben ausgeführt durch eine Erhöhung der tangentialen Komponente der Geschwindigkeit zu verstärken. Insbesondere sind "axiale Leitelemente" zentral im Tauchrohr angeordnete Strukturen, welche dazu ausgelegt sind, die eintreffende Wirbelströmung zu verstärken. Durch tangentiale oder axiale Leitelemente kann eine erhöhte Feinstpartikelabscheidung erreicht werden.
In weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Verstärkung der Wirbelströmung innerhalb des Tauchrohres die Einbauten als Vortexgeneratoren oder Turbulatoren ausgebildet sind. Durch Einbauten in Form von Vortexgeneratoren oder Turbulatoren können erhöhte Feinstpartikelabscheidungen ebenso ermöglicht werden. Die Turbulatoren werden alternativ auch als "Axial Swirler" bezeichnet, was ein dem Fachmann geläufiger Terminus ist.
Der Abscheidung der Feinstpartikeln dient auch, dass das Tauchrohr am Umfang, insbesondere am Umfang des Tauchrohraustritts, mit Schlitzen versehen sein kann, wie dies die Erfindung in einer Ausgestaltung ebenfalls vorsieht. Derartige Schlitze sind vorzugsweise stromaufwärts der Einbauten angeordnet. Der Begriff "stromaufwärts" bzw. "Stromaufwärtsrichtung" bezieht sich innerhalb dieser Beschreibung auf die nach oben gerichtete Strömungsrichtung des Gases (bzw. des Gas-Feststoff-Gemisches) am Tauchrohrauslass, wie z.B. in Fig. 1 mit Bezugszeichen 3 oder in Fig. 9 durch den inneren Wirbel gezeigt. Die nach unten gerichtet Strömung zum konischen Feststoffauslass im Unterteil des Zyklons, wie in Fig.1 mit Bezugszeichen 4 oder in Fig. 9 gezeigt, bleibt für diese Definition unberücksichtigt. Alternativ oder zusätzlich kann ein Umlenkelement stromaufwärts der Einbauten angeordnet sein. Über das Umlenkelement können die Feinstpartikel des Gas-Feststoff-Gemisches, deren Wirbelströmung bzw. Tangentialkomponente der Geschwindigkeit aufgrund der Einbauten verstärkt wurde, über Zentrifugalkräfte aus dem Tauchrohr entnommen bzw. abgeschieden werden. Zusätzlich oder alternativ kann am oberen Ende des Tauchrohres, d.h. in Stromaufwärtsrichtung, ein Umlenkelement für die Feinstpartikel vorgesehen sein, wobei ein typischerweise zylindrischer Kragen, z.B. in Form eines Rohres, des Umlenkelements in das Tauchrohr unter Freilassung eines Ringspaltes eingreifen kann. Diese Anordnung des Umlenkelements befindet sich stromaufwärts des oder der Einbauten zur Verstärkung der Tangentialkomponente der Geschwindigkeit. Der Ringspalt wird in diesem Fall durch die Wandfläche des Innenraumes des Tauchrohres sowie die äußere Wandfläche des Kragens des Umlenkelements definiert. Mit anderen Worten weist der Kragen einen kleineren Außendurchmesser als der Innendurchmesser des Tauchrohres auf und ragt in das Tauchrohr hinein. In diesem Fall kann das Tauchrohr durch einen Ringraum umgeben sein, welcher Teil des Umlenkelementes sein kann, und fluidisch über den Ringspalt mit einem Innenraum des Tauchrohres in Verbindung steht. Der Ringraum wird durch die äußere Wandfläche des Kragens, die äußere Wandfläche des Tauchrohres sowie weitere Wandflächen definiert, welche einen nach außen - abgesehen von einem Feststoffauslass und dem Ringspalt - geschlossenen Ringraum bilden. Wenn die Feinstpartikel nach Strömungsverstärkung durch die Einbauten durch das Tauchrohr geleitet werden, können diese über den durch das Umlenkelement und dessen Kragen definierten Ringspaltes in den Ringraum geleitet werden und dort abgeschieden werden. Der Ringraum kann hierbei einen Auslass aufweisen, aus welchem die Feinstpartikel entnommen werden können. Weiterhin ist der Kragen des Umlenkelements derart ausgestaltet, dass dieser zusammen mit dem Tauchrohr einen Auslasskanal in Stromaufwärtsrichtung definiert. Mit anderen Worten kann das von den Feinstpartikeln vollständig oder teilweise gereinigte Gas, d.h. das Reingas, den Staubzyklon letzten Endes über diesen Auslasskanal verlassen. Somit betrifft eine erfindungsgemäße Ausführung den Staubzyklon gemäß dem ersten Erfindungsaspekt, dadurch gekennzeichnet dass an einem oberen Ende des Tauchrohres in Stromaufwärtsrichtung des Gasflusses sowie stromaufwärts der Einbauten ein Umlenkelement angeordnet ist, welches dazu ausgelegt ist, Staubpartikel aus dem Aufwärtswirbel abzuscheiden und das Umlenkelement zugleich eine Öffnung definiert, welche dazu ausgelegt ist ein Reingas, d.h. ein Gas nach vollständiger oder teilweiser Abscheidung der Feinstpartikel, aus dem Staubzyklon bzw. dem Ende des Tauchrohres auszuleiten.
An einer Innenwand des Kragens des Umlenkelements ist bevorzugt ein Strömungsgleichrichter angeordnet, welcher dazu eingerichtet sind, die Rotationsströmung des Reingases sowie dessen Druckverlust zu reduzieren. Der Strömungsgleichrichter kann beispielsweise sternförmige und/oder kreuzförmige Strukturen aufweisen, wie sie aus US 6,679,930 B1 bekannt sind. Strömungsgleichrichter sind dem Fachmann im Allgemeinen bekannt. Dies trägt zu einer effizienten Verfahrensführung bei. Der Strömungsgleichrichter ist insbesondere stromaufwärts der Einbauten angeordnet.
Der erfindungsgemäße Staubzyklon kann zum Betrieb innerhalb einer Anlage vertikal, gewinkelt oder horizontal in Bezug auf eine Erdoberfläche angeordnet sein.
Insbesondere kann der erfindungsgemäße Staubzyklon in einem Wirbelschichtprozess, insbesondere in einer Wirbelschichtvergasung, z.B. in einem HTW-Verfahren, eingesetzt werden.
Nach einer Ausgestaltung weist das Umlenkelement einen Kragen auf, dessen Innenfläche die Öffnung des Reingasauslasses zylindrisch umgibt und in das Tauchrohr eingreift oder das Tauchrohr überspannt, sodass durch das Tauchrohr und den Kragen ein Ringspalt definiert wird. Der Kragen ist somit als zylindrisches Element, z.B. ein Rohr, ausgestaltet. Die Anordnung des Kragens befindet sich, wie auch oben ausgeführt, in Stromaufwärtsrichtung zu den Einbauten. Auf diese Weise können die Feinstpartikel als Teil des Gas-Feststoff-Gemisches, welche sich in einer wie zuvor beschriebenen verstärkten Aufwärtsströmung durch das Tauchrohr befinden, das Tauchrohr durch diesen Ringspalt verlassen, während das Reingas den Staubzyklon über die durch das Umlenkelement definierte Öffnung verlassen kann. Bevorzugt ist an einer Innenfläche des Kragens in Stromaufwärtsrichtung zur Partikelabscheidung, d.h. des Ringspalts, ein Gleichrichter angeordnet, welcher dazu eingerichtet ist, die Rotationsströmung eines Reingases sowie einen Druckverlust zu reduzieren. Der Gleichrichter ist somit auch stromaufwärts der Einbauten im Oberteil des Staubzyklons angeordnet.
Nach einer Ausgestaltung kann eine Außenfläche des Staubzyklons von einem Mantelzyklon, d.h. einer Ummantelung in Form eines größeren Zyklons, umgeben sein, wodurch ein Zyklonaußenraum definiert wird, und wobei der Zyklonaußenraum dazu eingerichtet ist, abgeschiedene Feinstpartikel hindurchzuleiten. Mit anderen Worten wird der Staubzyklon von einem weiteren Zyklon umgeben, dessen Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Staubzyklons. Der Staubzyklon wird somit vollumfänglich von dem Mantelzyklon umgeben. Insbesondere kann der dadurch gebildete Zyklonaußenraum eine fluidische Kommunikation zwischen dem oben beschriebenen Ringraum und dem Staubauslass am Unterteil des Zyklons aufweisen. Somit können durch das Tauchrohr und das Umlenkelement abgeschiedene Feinstpartikel durch den Zyklonaußenraum zum Staubauslass am Unterteil des Staubzyklons geführt werden. Normalerweise werden am Staubauslass lediglich Grobpartikel, d.h. Partikel, welche mindestens die Grenzpartikelgröße aufweisen, abgeschieden. In dieser Ausführungsform können mithilfe des Außenzyklons und des dadurch definierten Außenraumes die Feinstpartikel ebenfalls zu diesem Auslass geführt werden. Vorteilhafterweise benötigt man hierzu keine zusätzlichen Rückführleitungen in die Wirbelschicht eines Vergasers. Somit ist ein derartiger Mantelzylkon der Verfahrensökonomie zuträglich und es können auch hier Verfahrenskosten eingespart werden. Beispielsweise können, falls der Staubzyklon in einem Wirbelschichtprozess eingesetzt wird, auf diese Weise im Wesentlichen alle Partikel in die Wirbelschicht zurückgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Zyklonaußenraum derart ausgelegt sein, dass die abgeschiedenen Feinstpartikel über einen Außenauslass, der zwischen dem oberen Ende des Oberteils und dem unteren Ende des Unterteils des Staubzyklons angeordnet ist, ausgetragen werden können.
Die folgenden erfindungsgemäßen Aspekte umfassen die Merkmale sowie die Vorteile des oben beschriebenen Staubzyklons gemäß dem ersten Erfindungsaspekt entsprechend.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verstärkung der Rotationsströmung innerhalb des Tauchrohres umfassend den Schritt eines Leitens eines Gas-Feststoff-Gemischs durch einen Staubzyklon gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung des erfindungsgemäßen Staubzyklons gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung in einer Anlage zur Durchführung einer Wirbelschichtvergasung, insbesondere eines HTW-Verfahrens, bzw. eine Verwendung in einem Wirbelschichtvergasungsverfahren, insbesondere eines HTW-Verfahrens. In diesem Fall ist der Eingang des Staubzyklons stromabwärts des Wirbelschichtvergasers, insbesondere des HTW-Vergasers, angeordnet und direkt mit dem Ausgang des Wirbelschichtvergasers, insbesondere des HTW-Vergasers, verbunden.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Anlage zur Durchführung einer Wirbelschichtvergasung, insbesondere eines HTW-Verfahrens, wobei die Anlage einen Staubzyklon gemäß dem ersten Erfindungsaspekt umfasst.

Zeichnungen

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in

Fig. 1 eine vereinfachte Schnittzeichnung durch einen erfindungsgemäßen Staubzyklon;
Fig. 2-4 Tauchrohre mit erfindungsgemäßen Einbauten zur Wirbelbildung;
Fig. 5 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tauchrohrs zur Anordnung in einem erfindungsgemäßen Staubzyklon;
Fig. 6 eine erste Variante des erfindungsgemäßen Staubzyklons mit Mantelzyklon;
Fig. 7 eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Staubzyklons mit Mantelzyklon mit einer zugehörigen Schnittzeichnung A-A sowie B-B;
Fig. 8 eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Staubzyklons mit Mantelzyklon; sowie
Fig. 9 ein Verlauf einer Wirbelströmung innerhalb eines Staubzyklons vor dem Tauchrohr zur Veranschaulichung.

Dem im Fig. 1 allgemein mit (1) bezeichneten Staubzyklon wird das Gas/Feststoff-Gemisch über einen Einlass (2) zugeführt. Nach der Staubabtrennung verlässt das gereinigte Gas den Zyklon (1) über den Auslass (3). Der Staubauslass ist symbolisch mit einem Pfeil (4) bezeichnet.
Im zylindrischen Oberteil des Zyklons (1) ist ein Tauchrohr (5) zentrisch angeordnet, an dessen oberen Ende ein Umlenkelement (6) vorgesehen ist, wobei dessen Kragen (7) unter Freilassung eines Ringspaltes in das Tauchrohr (5) eingreift.
Feinstpartikel, die im Bereich der Tauchrohrinnenwand aufgrund einer Wirbelströmung nach oben gefördert werden, werden über das Umlenkelement (6) in einen das Tauchrohr (5) umgebenden Ringraum (8) gefördert und von dort über einen Auslass (9) entnommen.
Zur Erzeugung und Verstärkung der Wirbelströmung ist das Tauchrohr (5) mit einem Einbauelement (10) ausgestattet. In Fig. 2 ist schematisch ein tangentiales Leitelement (11) angedeutet. Fig. 3 deutet ein axiales Leitelement (12) an, während Fig. 4 ein Turbulator als Leitelement (13) zeigt. Die Strömungsverläufe der Wirbelströmung sind durch entsprechende Pfeile im Innenraum der jeweiligen Tauchrohre (5) angezeigt.
Fig. 5 zeigt eine spezifische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tauchrohrs (5), wie es in einem erfindungsgemäßen Zyklon (1) gemäß Fig. 1 vorgesehen sein kann. Ein Gas-Feststoff-Gemisch aus Gas und Feinstpartikeln (15) tritt in das Tauchrohr (5) ein und passiert Einbauten (10a), welches die Tangentialkomponente der Geschwindigkeit des Gas-Feststoff-Gemisches, bzw. des Gemisches aus Gas und Feinstpartikeln (16), verstärkt. Stromabwärts von den Einbauten befindet sich der Kragen (7) des Umlenkelements (6) (nicht vollständig gezeigt), welcher, wie oben beschrieben, in das Tauchrohr (5) eingreift. Durch die Rotationsströmung werden Feinstpartikel, gekennzeichnet durch die Pfeile (16) am Ringspalt zwischen Tauchrohrinnenwand und Außenwand des Kragens (7) des Umlenkelements (6) (nicht vollständig gezeigt) abgeschieden. Hierbei bleibt Reingas übrig.. Am unteren Ende des Kragens (7) des Umlenkelements (6) befinden sich Gleichrichter (14), welche dazu eingerichtet sind, die Rotationsströmung des Reingases sowie den Druckverlust zu reduzieren. Nachdem das Reingas die Gleichrichter (14) passiert hat, verlässt es den Staubzyklon (1) über den Auslass (3).
Fig. 6-8 zeigen besondere Varianten (1a-1c) des erfindungsgemäßen Staubzyklons. Diese Varianten (1a-1c) enthalten Komponenten, die bereits für die vorigen Figuren erläutert wurden und daher vorliegend keiner weiteren Erläuterung mehr bedürfen. Der große Pfeil in Fig. 6-8 zeigt die Strömungsrichtung des Gas-Feststoff-Gemisches enthaltend Grobpartikel (23) und Feinstpartikel (16) nach dem Eintritt in den jeweiligen Zyklon (s.a. äußerer Wirbel in Fig. 9 ). Hierbei sind auch Feinstpartikel (16) gezeigt, sowie Grobpartikel (23), welche mindestens die Grenzpartikelgröße aufweisen. In Fig. 6-8 ist zudem jeweils gezeigt, dass die Feinstpartikel (16) im oberen Teil der Varianten (1a-1c) aufgrund der Verstärkung der Wirbelströmung durch das axiale Leitelement (12) sowie des Umlenkelements (6) abgeschieden werden. Grobpartikel (23) werden hingegen durch die Abwärtsströmung im konischen Unterteil des jeweiligen Zyklons abgeschieden. Fig. 6 zeigt eine erste Variante (1a) des erfindungsgemäßen Staubzyklons (1). Hierbei ist ein Staubzyklon (1), wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt, von einem Mantelzyklon (21) umgeben, wobei ein Innendurchmesserdes Mantelzyklons (21) an den jeweiligen Stellen größer ist als ein Außendurchmesser des Staubzyklons (1). Dadurch wird ein Zyklonaußenraum (25) zwischen dem Mantelzyklon (21) und dem Staubzyklon (1) definiert, der den Staubzyklon (1) zyklisch umgibt und in welchen die abgeschiedenen Feinstpartikel (16) bei der Abscheidung eingebracht werden. Hierbei ist der Zyklonaußenraum (25) in fluidischer Kommunikation mit dem Feststoffauslass (4) am konischen Unterteil des erfindungsgemäßen Staubzyklons gemäß der ersten Variante (1a). Ferner ist der Zyklonaußenraum (25) in fluidischer Kommunikation mit dem Ringraum (8), in den die Feinstpartikel (16) abgeschieden werden. Somit können die abgeschiedenen Feinstpartikel (16) ebenfalls über den Staubauslass (4) abgeführt werden. Eine alternative und zweite Variante (1b) des erfindungsgemäßen Staubzyklons ist in Fig. 7 gezeigt. Die zweite Variante (1b) unterscheidet sich dadurch von der ersten Variante (1b), dass der Kragen (7) des Umlenkelements (6) nicht in das Tauchrohr (5) eingreift, sondern das Tauchrohr (5) überspannt, um einen Ringspalt zu definieren. Fig. 8 zeigt eine dritte Variante (1c), in welcher der Zyklonaußenraum (25) nicht mit dem Staubauslass (4) am konischen Unterteil fluidisch in Verbindung steht. Allerdings existiert in dem Staubzyklon gemäß der dritten Variante (1c) jeweils ein erster und zweiter Außenauslass (27a, 27b) aus dem Mantelzyklon (25), welcher sowohl als Feststoffauslass für die Feinstpartikel (16) als auch als Gasauslass dienen kann. Der Weg der Feinstpartikel oder des Sekundärgases sind durch gestrichelte Linien gekennzeichnet.
Durch Einbauten innerhalb des Tauchrohres und Abführung der Partikeln am Umfang des Tauchrohres soll die Wirbelströmung nicht in eine axiale Strömung umgewandelt werden, sondern die Wirbelströmung innerhalb des Tauchrohres soll sogar noch verstärkt werden um eine umfangreiche vollständige Abscheidung auch von Feinstpartikeln zu erzielen. Durch diese Maßnahme wird auch der Betriebsbereich der Zyklone erweitert.
Wie eingangs erwähnt, kann durch die Abscheidung von Feinstpartikeln mittels des erfindungsgemäßen Staubzyklons weitgehend, insbesondere im Falle eines Wirbelschichtvergasungsprozesses, z.B. eines HTW-Verfahrens, auf den Einsatz von Filterkerzen oder Elektrofiltern verzichtet werden, welche ansonsten zur Abscheidung von Feinstpartikeln einem Staubzyklon nachgeschaltet sind. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Prozesskomponenten verzichtet werden, was signifikante Kosteneinsparungen zufolge hat.
Fig. 1 zeigt einen Fliehkraftabscheider mit Vorrichtung zur Erhöhung der Wirbelströmung innerhalb des Tauchrohres (Wirbler). Das Tauchrohr kann hierbei sowohl zylindrisch als auch konisch sein, wichtig ist nur die Erhöhung der Rotationsströmung innerhalb des Tauchrohres sowie die Abführung der abgeschiedenen Feinstpartikeln mittels Schlitzen am Umfang des Tauchrohraustritt.
Natürlich sind die beschriebenen Beispiele noch in vielfacher Hinsicht abzuändern und zu ergänzen ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So betrifft die Erfindung auch das Verfahren zur Verstärkung der Rotationsströmung innerhalb des Tauchrohres mit den oben beschriebenen oder ähnlichen Maßnahmen.

Experimente

Es wurden Abscheideversuche mit einem Plexiglaszyklon durchgeführt. Die Anordnung war derart aufgebaut, dass am Eintritt des Zyklons Staub, bestehend aus Partikeln, zur Gasströmung zugegeben wurden. Hierbei sollte untersucht werden, ob der Staub innerhalb des Zyklons vom Gas separiert werden kann. Hinter dem Zyklon, d.h. an dessen Reingasauslass, war ein Feinfilter geschaltet. Eine derartige Anordnung entspricht einem vorbekannten Zyklon aus dem Stand der Technik. Die Partikel bestanden aus Zement mit Teilchengrößen zwischen 1 und 100 µm. Derartige Partikel sind vergleichbar mit Feststoffpartikeln, die in einem HTW-Vergasungsprozess von dem HTW-Vergaser in einen Rückführzyklon eingetragen werden.
Zunächst wurden Versuche mit Tauchrohr ohne Einbauten als Vergleichsversuch durchgeführt; d.h. im Sinne des Standes der Technik. Hierbei fand man hinter dem Zyklon im Feinfilter noch Reste von Partikeln.
Derselbe Versuchsaufbau wurde mit einem erfindungsgemäßen Staubzyklon durchgeführt, mit dem Unterschied, dass bei dem erfindungsgemäßen Staubzyklon erfindungsgemäße Einbauten innerhalb des Tauchrohres angeordnet waren, die dazu ausgelegt sind, die Tangentialkomponente der Geschwindigkeit des Gas-Feststoffgemisches zu verstärken. Bei diesen Abscheideversuchen mit einem erfindungsgemäßen Staubzyklon mit Einbauten gemäß Fig. 3 innerhalb des Tauchrohres war im Feinfilter hinter dem Zyklon kein Staub mehr ersichtlich. Dies bedeutet, dass die Abscheideeffizienz des erfindungsgemäßen Staubzyklons höher ist als die eines im Stand der Technik vorbekannten Zyklons ohne die beschriebenen Einbauten. Der abgeschiedene Staub konnte in einem das Tauchrohr umgebenden Ringraum aufgefunden werden.
Weiterhin ist, ohne an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, aufgrund der obigen Experimente davon auszugehen, dass durch die wesentliche Erhöhung der Gasgeschwindigkeit im Rotationsstrom innerhalb des Tauchrohrs durch die Einbauten Feinstpartikel, die bei der normalen Abscheidung in einem vorbekannten Zyklon die Grenzpartikelgröße unterschreiten, zusätzlich abgeschieden werden.

Claims

Staubzyklon mit Sekundärabscheidung dadurch gekennzeichnet, dass im Tauchrohr (5) Einbauten (10, 11, 12, 13) zur Verstärkung der Wirbelströmung vorgesehen sind.
Staubzyklon nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten im Tauchrohr (5) als tangentiale Leitelemente (11) ausgebildet sind.
Staubzyklon nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten im Tauchrohr (5) als axiale Leitelemente (12) ausgebildet sind.
Staubzyklon nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten im Tauchrohr (5) als Turbulatoren (13) oder Vortexgeneratoren ausgebildet sind.
Staubzyklon nach Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (5) zur Abführung des abgeschiedenen Feinstaubes am Umfang mit Schlitzen (7) versehen ist.
Staubzyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem oberen Ende des Tauchrohres (5) in Stromaufwärtsrichtung eines Gasflusses sowie stromaufwärts der Einbauten ein Umlenkelement (6) angeordnet ist, welches dazu ausgelegt ist, Feinstpartikel abzuscheiden und das Umlenkelement (6) zugleich eine Öffnung definiert, welche dazu ausgelegt ist, ein Reingas nach Abscheidung der Feinstpartikel aus dem Staubzyklon auszuleiten.
Staubzyklon nach Anspruch 6, wobei das Umlenkelement (6) einen Kragen (7) aufweist, dessen Innenfläche die Öffnung zylindrisch umgibt und in das Tauchrohr (5) eingreift oder das Tauchrohr (5) überspannt, sodass durch das Tauchrohr (5) und den Kragen (7) ein Ringspalt definiert wird.
Staubzyklon nach Anspruch 7, wobei an einer Innenfläche des Kragens (7) ein Gleichrichter (14) angeordnet ist, welcher dazu eingerichtet ist, die Rotationsströmung eines Reingases sowie einen Druckverlust zu reduzieren.
Staubzyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Außenfläche des Staubzyklons von einem Mantelzyklon (21) umgeben ist, wodurch ein Zyklonaußenraum (25) definiert wird, und der Zyklonaußenraum (25) dazu eingerichtet ist, abgeschiedene Feinstpartikel (16) hindurchzuleiten.
Staubzyklon nach Anspruch 9, wobei der Zyklonaußenraum (25) eingerichtet ist,
• abgeschiedene Feinstpartikel von einem zylindrischen Oberteil des Staubzyklons zu einem Staubauslass (4) am konischen Unterteil des Staubzykons zu leiten; und/oder

• wobei der Zyklonaußenraum dazu eingerichtet ist, abgeschiedene Feinstpartikel (16) aus einem Außenauslass (27a, 27b) auszuleiten, wobei der Außenauslass (27a, 27b) zwischen dem zylindrischen Oberteil und dem konischen Unterteil des Staubzyklons angeordnet ist.
Verfahren zur Verstärkung der Rotationsströmung innerhalb des Tauchrohres umfassend den Schritt eines Leitens eines Gas-Feststoff-Gemischs enthaltend Feinstpartikel durch einen Staubzyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verwendung des Staubzyklons (1, 1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer Anlage zur Durchführung einer Wirbelschichtvergasung.
Anlage zur Durchführung einer Wirbelschichtvergasung, wobei die Anlage einen Staubzyklon gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.