DE19606647A1 - Fallstrom-Zyklon - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fallstrom-Zyklon bestehend aus gleichachsig angeordnetem Kopfteil, zylindrischem Abscheideraum und konischer Absetzkammer sowie Rohgaseinlauf und Gasauslaßrohr. Bei diesem Zyklon verlassen Gasstrom und Feststoffstrom den Abscheideraum gleichgerichtet nach unten, d. h. fallend.

Die Zyklone funktionieren nach dem Gleichgewichtsprinzip, wobei staubhaltiges Gas (Rohgas) mit Drall in einen etwa zylindrischen Abscheideraum strömt, ihn wieder radial nach innen durch die Trennfläche, eine gedachte Verlängerung des Gasauslaßrohrs, verläßt und dann axial durch das Gasauslaßrohr nach außen strömt. Auf die Staubteilchen wirkt dabei eine Zentrifugalkraft, die grobe Teilchen radial nach außen an die Wand schleudert. Der Ausdruck Gas wird hier für jedes Gas sowie für Nebel und Dämpfe gebraucht. Der Ausdruck Staub soll alle Arten von partikelförmigen Verunreinigungen umfassen, die aus dem Rohgas zu entfernen sind. Die Durchströmung des Zyklons ist mit einem Druckverlust verbunden. Ursache ist die Energiedissipation beim Einströmen des Gases in das Gasauslaßrohr, das als Drossel wirkt. Zudem stellen sich neben den Hauptströmungen auch noch Sekundärströmungen ein, die in erster Linie die Trennergebnisse verschlechtern. So kommt es zu einer Kurzschlußströmung entlang des Gasauslaßrohrs, hervorgerufen durch das Zusammenwirken der Quetschströmung hinter dem meist vorhandenen tangentialen Gaseinlauf und der Reibung am Deckel des Zyklons.

Zur Verminderung dieser Kurzschlußströmung wurde vorgeschlagen, den Gaseinlauf vom Deckel wegzuführen oder den Zyklon als Doppel-Zyklon auszubilden. Nachteilig bei diesen Bauarten ist es, daß mit dem Wegrücken des Gaseinlaufs eine Zunahme des Druckverlusts und mit der Ausbildung als Doppel-Zyklon ein zusätzlicher konstruktiver Aufwand verbunden ist. Als eine weitere konstruktive Maßnahme wurde eine Ausbildung als Durchfluß-Zyklon mit einem inneren Austragsspalt und einer Abschirmplatte oder mit einem Spalttauchrohr, äußerem Austragsspalt und Grenzschicht-Gegenspirale am Boden beschrieben. Diese konstruktiven Maßnahmen sollen ein direktes Eindringen von Staub an der Trennfläche am Deckel in das Reingas verhindern (Paul Schmidt, "Ungewöhnliche Zyklonabscheider", Chemie-Ingenieur-Technik, 62 (1990), S. 536 bis 543). Die oben beschriebenen Formen von Zyklonabscheidern weisen den Nachteil eines hohen Bauteilaufwands und einer erhöhten Verschleißanfälligkeit auf, und sie können bei hohen Betriebstemperaturen nicht mehr sicher eingesetzt werden.

Zur Verbesserung der Ausscheidung feiner Staubteilchen wurde in der DE-PS 8 89 544 vorgeschlagen, bei einem Zyklon mit sich in der Strömungsrichtung der Staubluft konisch erweiterndem Gehäuse konische Einsätze anzuordnen. Der durch ein tangentiales Rohr eintretende Rohgasstrom verläßt den Abscheideraum in gleicher Richtung durch ein gebogenes Gasauslaßrohr.

In der DE-PS 5 98 423 ist ein Zyklon mit tangentialem Gaseinlauf beschrieben, der ein axial in den Abscheideraum hineinragendes Gasauslaßrohr besitzt, das abwärts gerichtet ist. Das Gasauslaßrohr weist an seinem Ende einen Ansatz auf, der flanschartig ist oder einen kleineren Winkel als 90° mit der Rohrwandung bildet.

Eine Fliehkraftabscheidergruppe mit einer Vielzahl in gleicher Höhe angeordnet er parallelgeschalteter und axial durchströmter Zyklone ist in der AT-PS 1 87 516 beschrieben. Die Rohgas- Reingas- und Staubräume erstrecken sich jeweils über die gesamte Fliehkraftabscheidergruppe. Die staubabführenden Leitungen liegen achszentral und das Gasauslaßrohr ist gekrümmt.

Schließlich ist in der DE-PS 32 25 509 ein mit einem Wirbelschichtreaktor direkt verbundener Zentrifugalabscheider bekannt geworden, der einen tangentialen Gaseinlauf und ein von der Wirbelkammer ausgehendes Gasauslaßrohr aufweist. Das Gasauslaßrohr durchsetzt den Boden der Wirbelkammer von unten, und über eine an der niedrigsten Stelle des Bodens befindlichen Öffnung sowie eine daran anschließende Leitung wird der Feststoff in den Reaktor zurückgeführt.

Die zuvor dargestellten Zyklone weisen alle den Nachteil auf, daß sich Sekundärströmungen am Eintritt des Rohgases in den Abscheideraum ausbilden können, wodurch Staub radial durch die Trennfläche nach innen transportiert wird und in den Reingasstrom gelangt. So wird der Abscheidegrad, daß bedeutet der Mengenanteil des abgeschiedenen Staubs aus dem Rohgasstrom, verringert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Abscheidegrad eines Fallstroms-Zyklons zu verbessern. Zudem ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fallstrom-Zyklon bereitzustellen, der bei vergleichsweise hohen Betriebstemperaturen eingesetzt werden kann und bei dem der konstruktive Aufwand und damit die Herstellungskosten gering sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Rohgaseinlauf in der unteren Hälfte des zylindrischen Abscheideraums angeordnet ist, daß das Höhe/Durchmesser-Verhältnis des zylindrischen Abscheideraums im Bereich zwischen 0,2 zu 1 bis 2,5 zu 1 liegt, daß das in den Zyklon hineinragende Gasauslaßrohr seitlich aus der konischen Absetzkammer oder konzentrisch durch eine Feststoffleitung austritt und daß die Eintrittstelle des Gases in das Gasauslaßrohr zwischen zwei gedachten Ebenen liegt, deren untere unterhalb der tiefsten Stelle des Querschnitts des Rohgaseintritts liegt und einen Abstand gegenüber der tiefsten Stelle des Querschnitts des Rohgaseintritts aufweist, der gleich dem zweifachen Gasauslaßrohr-Durchmesser ist und deren obere einen Abstand A gegenüber dem Kopfteil aufweist, der gleich dem einfachen Gasauslaßrohr-Durchmesser ist.

Der Begriff "zylindrischer Abscheideraum" schließt nicht aus, daß in diesem Teil des Zyklons auch schon Staub gesammelt wird; der Begriff "konische Absetzkammer" schließt nicht aus, daß in diesem Teil des Zyklons auch noch Staub abgeschieden wird. Es wurde festgestellt, daß der erfindungsgemäße Zyklon eine deutlich verbesserte Feststoffabscheidung bewirkt. Die Lage des Rohgaseinlaufs in der unteren Hälfte des zylindrischen Abscheideraumes führt dazu, daß sich keine Sekundärströmung am Rohgaseintritt einstellt und so eine Kurzschlußströmung, wodurch Staub in den Reingasstrom gelangen würde, weitestgehend vermieden wird. Der Abscheidegrad des Zyklons ist ferner abhängig von der Reibfläche der konischen Absetzkammer: Je geringer die Konizität (Neigungswinkel gegenüber der Senkrechten) ist, um so höher wird der Abscheidegrad. Die optimalen Neigungswinkel sind jedoch abhängig von den Eigenschaften des abzuscheidenden Materials. Ein optimaler Neigungswinkel kann mit wenigen, einfachen Versuchen ermittelt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Querschnitt des Rohgaseintritts rechteckig ist mit einem Höhe/Breite-Verhältnis im Bereich zwischen 1 zu 1 bis 5 zu 1.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß das Höhe/Durchmesser-Verhältnis des zylindrischen Abscheideraums im Bereich zwischen 1,1 zu 1 bis 1,5 zu 1 liegt. Dies hat den Vorteil, daß die Feststoffabscheidung vergleichsweise hoch ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die konische Absetzkammer zweiteilig ausgeführt ist, mit einem oberen, längeren Teil mit einem Neigungswinkel von 2° bis 10° und einem unteren, kürzeren Teil mit einem Neigungswinkel von 10° bis 45°.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Eintrittstelle des Gases in das Gasauslaßrohr zwischen zwei gedachten Ebenen liegt, deren untere unterhalb der tiefsten Stelle des Querschnitts des Rohgaseintritts liegt und einen Abstand gegenüber der tiefsten Stelle des Querschnitts des Rohgaseintritts aufweist, der gleich dem einfachen Gasauslaßrohr-Durchmesser ist und deren obere oberhalb der tiefsten Stelle des Querschnitts des Rohgaseintritts liegt und einen Abstand gegenüber der tiefsten Stelle des Querschnitts des Rohgaseintritts aufweist, der gleich dem einfachen Gasauslaßrohr-Durchmesser ist. Dadurch ist der Druckverlust des Gases im Zyklon relativ gering.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß in der konischen Absetzkammer ein Abschirmkegel angeordnet ist. Durch den Einbau eines Abschirmkegels wird ein Durchbrechen von Gasblasen aus der Feststoffleitung mit Feststofftransport in den Abscheideraum des Zyklons vermieden. Ein solcher Kegel hat darüber hinaus den Vorteil, daß er das Gasauslaßrohr an der Zyklonwand zusätzlich abstützen kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß am Ende der konischen Absetzkammer eine Feststoffleitung angeordnet ist, wodurch der abgeschiedene Staub aus dem Zyklon austritt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Rohgaseintritt in den zylindrischen Abscheideraum durch einen Spiraleinlauf, Schlitzeinlauf, Rohreinlauf, Axialeinlauf oder Wendeleinlauf erfolgt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Kopfteil des Zyklons aus einer ebenen Platte oder einer Kuppel besteht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß das Gasauslaßrohr gerade ist und mit einem Winkel von 0° bis 15° zwischen Längsachse des Gasauslaßrohrs und Längsachse des Zyklons angeordnet ist. Dies hat den Vorteil einer weiteren Vereinfachung der Konstruktion und einer Kostenersparnis. So ist zum Beispiel eine Mauerung des Gasauslaßrohrs sehr gut möglich.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Eintrittstelle des Gases in das Gasauslaßrohr in der konischen Absetzkammer angeordnet ist. Dies führt insbesondere bei einem Zyklon mit einem relativ geringen Höhe/Durchmesser-Verhältnis des zylindrischen Abscheideraums zu einem vergleichsweise geringen Druckverlust des Gases im Zyklon bei gleichzeitig relativ hoher Feststoffabscheidung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Zyklon zur Reinigung von staubbeladenen Gasen und gasförmigen Stoffen verwendet wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Zyklon als Rückführzyklon in Anlagen mit einer zirkulierenden Wirbelschicht verwendet wird.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen (Fig. 1 und 2) näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Zyklon sowie eine Draufsicht und einen Querschnitt des Eintrittkanals für das Rohgas.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch verschiedene Ausführungsformen des Zyklons mit unterschiedlichen Kopfteilen sowie unterschiedlicher Ausgestaltung von Gasauslaßrohr und konischer Absetzkammer.

In Fig. 1 ist in Abb. 1a ein Querschnitt des Zyklons dargestellt. Der Zyklon besteht aus einem Kopfteil (1), einem zylindrischen Abscheideraum (2) und einer zweiteiligen konischen Absetzkammer mit unterschiedlicher Konizität (Winkel β₁ und β₂) der beiden Teile (3a, 3b). Das staubhaltige Rohgas tritt durch den Einlaufkanal (4) über den Einlauf (5) in den zylindrischen Abscheideraum (2) ein. Das gereinigte Gas fließt über das Gasauslaßrohr (6) mit dem Durchmesser D1 aus dem Abscheideraum (2) ab. Das Gasauslaßrohr (6) ist mit einem Abschirmkegel (7) versehen. Abb. 1b zeigt den rechteckigen Eintrittsquerschnitt (8) des Rohgases mit einem Höhe H1/Breite B1-Verhältnis von 4 zu 1. Abb. 1c zeigt eine Draufsicht auf den rechteckigen Einlaufkanal (4). Der Einlaufkanal (4) kann parallel (gestrichelte Linie) oder mit einer Konizität, daß bedeutet mit einem Winkel α von 0° bis zu 10°, ausgebildet sein. Das Verhältnis der Höhe H2 zum Durchmesser D2 des zylindrischen Abscheideraums (2) beträgt hier 1 zu 1. Die Eintrittstelle in das Gasauslaßrohr ist mit einem Abstand A unterhalb des Kopfteils (1) und mit einem Abstand B unterhalb der tiefsten Stelle des Eintrittsquerschnitts (8) angeordnet. An die Absetzkammer (3a, 3b) schließt sich die Feststoffleitung (9) an.

In Fig. 2 sind verschiedene Ausführungsformen des Kopfteils (1), des Gasauslaßrohrs (6) und der konischen Absetzkammer (3) dargestellt. In Fig. 2a weist der Zyklon eine ebene Platte als Kopfteil (1) auf. Das Gasauslaßrohr (6) reicht bis in die Mitte des Eintrittsquerschnitts für das Rohgas (8) und wird bogenförmig aus der konischen Absetzkammer (3) geführt. In Fig. 2b weist der Zyklon ein kuppelförmiges Kopfteil (1) auf. In Fig. 2c ist das Kopfteil (1) kuppelförmig ausgebildet. Der Eintritt in das Gasauslaßrohr (6) liegt um einen Abstand C oberhalb der tiefsten Stelle des Eintrittsquerschnitts des Rohgases (8). An die konische Absetzkammer (3) schließt sich eine Feststoffleitung (9) an. In Fig. 2d ist das Gasauslaßrohr (6) gerade und wird mit einem Winkel zwischen Längsachse des Gasauslaßrohrs L1 und Längsachse des Zyklons L2 schräg aus der konischen Absetzkammer (3) geführt. Das Gasauslaßrohr (6) ragt nicht bis in den zylindrischen Abscheideraum (2) hinein. Dieser Zyklon weist ein Höhe H2/Durchmesser D2-Verhältnis des zylindrischen Abscheideraums (2) von ca. 0,5 zu 1 auf. Die Eintrittstelle in das Gasauslaßrohr (6) ist mit einem Abstand A unterhalb des Kopfteils (1) und mit einem Abstand B unterhalb der tiefsten Stelle des Eintrittsquerschnitts (8) angeordnet.

Es wurde festgestellt, daß der erfindungsgemäße Zyklon eine verbesserte Feststoffabscheidung gegenüber einem konventionellen Zyklon aufweist. Ein weiterer Vorteil im Zusammenhang mit hoch Feststoff-beladenen Gasströmen ist seine durch die Strömungsführung bedingte Unempfindlichkeit gegen "Falschluft". Unter dem Begriff "Falschluft" ist ein Gas- oder Luftstrom zu verstehen, der im Gegenstrom zum ausgetragenen Feststoff durch die Feststoffleitung (9) in den Zyklon strömt. Solche Falschluftströme entstehen insbesondere dann, wenn unterhalb des Zyklons ein Tauchtopf oder eine stationäre Wirbelschicht angeordnet ist. Ein Teil der Luft, die in diesen Apparaten verwendet wird, um den Feststoff zu fluidisieren, entweicht über die Feststoffleitung (9) und kann dort bereits im Zyklon abgeschiedene Partikel mitreißen und wieder in den Abscheideraum (2) zurücktransportieren. Darüberhinaus bewirkt der Falschluftstrom eine Veränderung der Druckverhältnisse im Abscheideraum, die generell zu einer Verschlechterung der Abscheideleistung führen. Versuche mit einem erfindungsgemäßen Zyklon im Vergleich zu einem konventionellen Zyklon haben ergeben, daß die erfindungsgemäße Ausführung bei Falschluftströmen, wie sie üblicherweise in Anlagen mit einer zirkulierenden Wirbelschicht entstehen, erhebliche Vorteile aufweist.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Zyklons ist daher sein Einsatz in Anlagen mit einer zirkulierenden Wirbelschicht.

Claims (13)

1. Fallstrom-Zyklon bestehend aus gleichachsig angeordnetem Kopfteil (1), zylindrischem Abscheideraum (2) und konischer Absetzkammer (3) sowie Rohgaseinlauf (4) und Gasauslaßrohr (6), dadurch gekennzeichnet, daß der Rohgaseinlauf (4) in der unteren Hälfte des zylindrischen Abscheideraums (2) angeordnet ist, daß das Höhe H2/Durchmesser D2-Verhältnis des zylindrischen Abscheideraums (2) im Bereich zwischen 0,2 zu 1 bis 2,5 zu 1 liegt, daß das in den Zyklon hineinragende Gasauslaßrohr (6) seitlich aus der konischen Absetzkammer (3) oder konzentrisch durch eine Feststoffleitung (9) austritt und daß die Eintrittstelle des Gases in das Gasauslaßrohr (6) zwischen zwei gedachten Ebenen liegt, deren untere unterhalb der tiefsten Stelle des Querschnitts des Rohgaseintritts (8) liegt und einen Abstand B gegenüber der tiefsten Stelle des Querschnitts des Rohgaseintritts (8) aufweist, der gleich dem zweifachen Gasauslaßrohr-Durchmesser D1 ist und deren obere einen Abstand A gegenüber dem Kopfteil (1) aufweist, der gleich dem einfachen Gasauslaßrohr-Durchmesser D1 ist.

2. Zyklon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Rohgaseintritts (8) rechteckig ist mit einem Höhe H1/Breite B1-Verhältnis im Bereich zwischen 1 zu 1 und 5 zu 1.

3. Zyklon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Höhe H2/Durchmesser D2-Verhältnis des zylindrischen Abscheideraums (2) im Bereich zwischen 1,1 zu 1 bis 1,5 zu 1 liegt.

4. Zyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Absetzkammer (3) zweiteilig ausgeführt ist, mit einem oberen, längeren Teil (3a) mit einem Neigungswinkel β₁ von 2° bis 10° und einem unteren, kürzeren Teil (3b) mit einem Neigungswinkel β₂ von 10° bis 45°.

5. Zyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittstelle des Gases in das Gasauslaßrohr (6) zwischen zwei gedachten Ebenen liegt, deren untere unterhalb der tiefsten Stelle des Querschnitts des Rohgaseintritts (8) liegt und einen Abstand (B) gegenüber der tiefsten Stelle des Querschnitts des Rohgaseintritts (8) aufweist, der gleich dem einfachen Gasauslaßrohr-Durchmesser D1 ist und deren obere oberhalb der tiefsten Stelle des Querschnitts des Rohgaseintritts (8) liegt und einen Abstand C gegenüber der tiefsten Stelle des Querschnitts des Rohgaseintritts (8) aufweist, der gleich dem einfachen Gasauslaßrohr-Durchmesser D1 ist.

6. Zyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der konischen Absetzkammer (3) ein Abschirmkegel (7) angeordnet ist.

7. Zyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der konischen Absetzkammer (3) ein Feststoffleitung (9) angeordnet ist.

8. Zyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohgaseintritt in den zylindrischen Abscheideraum (2) durch einen Spiraleinlauf, Schlitzeinlauf, Rohreinlauf, Axialeinlauf oder Wendeleinlauf erfolgt.

9. Zyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfteil (1) aus einer ebenen Platte oder einer Kuppel besteht.

10. Zyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasauslaßrohr (6) gerade ist und mit einem Winkel von 0° bis 15° zwischen Längsachse des Gasauslaßrohrs L1 und Längsachse des Zyklons L2 angeordnet ist.

11. Zyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittstelle des Gases in das Gasauslaßrohr (6) in der konischen Absetzkammer (3) angeordnet ist.

12. Zyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zyklon zur Reinigung von staubbeladenen Gasen und gasförmigen Stoffen verwendet wird.

13. Zyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zyklon als Rückführzyklon in Anlagen mit einer zirkulierenden Wirbelschicht verwendet wird.