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Verfahren und Vorrichtung zum Abtrennen
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von Teilchen aus einem fließfähigen Medium, insbesondere zum Entstauben
von Gas 3e schreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von Teilchen
aus einem gasförmigen oder flüssigen Medium, insbesondere zum Entstauben von Gas,
wobei in einer oder mehreren Abscheiderstufen ein von den Teilchen im wesentlichen
befreiter Teilstrom des Mediums als Reinprodukt abgezogen und der mit Teilchen angereicherte
Reststrom des Mediums einer weiteren Abscheidung zugeführt wird.
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Ein Verfahren dieser Art, bei dem Abscheidung in den Abscheiderstufen
durch Wirbelkammerabscheidung erfolgt,
ist bekannt (Passavant-Prospekt
~Fliehkraftabscheidung") und wird vorzugsweise zur Entstaubung von Gas verwendet
und daher im folgenden in diesem Zusammenhang beschrieben. Die Erfindung ist jedoch
auch anwendbar für andere Arten der Abtrennung von Teilchen aus einem fließfähigen
Medium, z. B. zur Abtrennung von Tröpfchen aus einem Gas oder zum Abscheiden der
Trägerflüssigkeit aus einer Emulsion. Wesentlich ist jedoch, daß bei allen diesen
Verfahren angestrebt wird, im wesentlichen die gesamte Menge des Mediums als von
den Teilchen befreites Reinprodukt zu gewinnen, wobei der Restgehalt an Teilchen
im Reinprodukt sehr gering sein soll und insbesondere z. B. beim Entstauben von
Luft durch gesetzliche Vorschriften auf eine sehr geringe Reststaubmenge begrenzt
ist.
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Bei dem bekannten Verfahren erfolgt die Teilchenabtrennung durch
Fliehkraftabscheidung in Wirbelkammern spezieller Bauart, die eine kreiszylindrische
Wirbelkammer mit zwei von den Stirnwänden her bis in Nähe der Achsmitte vorstehenden
Tauchrohren für den Abzug des Reingases sowie einen mit der Wirbelkammer über deren
ganze axiale Länge mittels einer rechteckigen Öffnung in Verbindung stehenden, gekrümmten
Strömungskanal von flach rechteckigem Querschnitt für die Zuführung des Rohgases
und die Abführung des Restgases. Das Volumenverhältnis des durch die Tauchrohre
abgezogenen Reingases zu dem zuströmenden
Rohgas wird auf einen
relativ kleinen Wert (z. B. 20 -25 5') eingestellt, was bedeutet, daß sich in der
Wirbelkammer ein stabiler Kreiswirbel mit hoher Verweilzeit des Gases ausbildet,
der zusammen mit der gekrümmten Form des Strömungskanales eine sehr vollständige
Abscheidung auch feiner Feststoffteilchen gewährleistet.
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Es hat sich gezeigt, daß in einer solchen Wirbelkammer eine Abscheidung
auch feinen Staubes mit einem Wirkungsgrad von z. B. 90-99,5 96 möglich ist und
daß man durch Hintereinanderschaltung von Stufen nach und nach den überwiegenden
Teil des Trägermediums als Reingas abziehen kann, so daß nur noch ein relativ geringes
Restvolumen, in welchem sich die abgeschiedenen Partikel angesammelt haben, auf
das nachgeschaltete Filter aufgegeben werden muß.
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Die Wirksamkeit dieser Fliehkraft-Teilchenabtrennung hängt selbstverständlich
von der Teilchengröße und der Homogenität der Größenverteilung der Teilchen ab.
Es hat sich gezeigt, daß bei sehr,feinem Stäuben mit einem erm heblichen Korngrößenanteil
unter 0,2 tdie vorstehend genannten optimalen Abscheidungswerte bzw. die gesetzlich
für das Ausblasen der Gase vorgeschriebenen Höchstgrenzen des Staubgehaltes im Reingas
nicht immer erzielt werden können. Man kann versuchen, den Abscheidewjrkungsgrad
der
einzelnen Stufen zu verbessern, indem man das Absaugeverhältnis des abgezogenen
Reingases zum zuströmenden Rohgas verrringert. Die hierdurch erzielbare Steuerung
des Wirkungsgrades ist aber begrenzt, und um insgesamt die erforderliche Gasmenge
zu reinigen, muß die Zahl der Stufen bzw. die Zahl der Wirbelkammern in jeder Stufe
erhöht werden, was zu einem höheren Investitionsaufwand und Platzbedarf und außerdem
zu einem unerwünscht hohen Druckverlust in der Anlage führt.
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Ähnliche Schwierigkeiten ergeben sich, wenn man für die Abscheidung
des Reinproduktes andere Abscheidereinrichtungen verwenden will. So sind z. B. Zyklone
theoretisch zur Direktabscheidung von Teilchen aus einem Gas geeignet, versagen
aber bei der Abscheidung von feineren Stäuben, da in diesem Fall der Reststaubgehalt
im abgezogenen Reingas unzulässig hoch ist, und daher die gesamte Reingasmenge nochmals
durch ein Filter geleitet werden müßte. Filter, wie z. B. Sackfilter oder Elektrofilter,
sind zwar ebenfalls zur Entstaubung von Gas geeignet, stellen aber sehr aufwendige
und auch kostenintensive Einrichtungen dar, insbesondere, wenn sie so groß dimensioniert
werden müssen, daß sie die gesamte Abgasmenge z. B. eines tauberzeugenden Produktionsprozesses
verarbeiten können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirksamkeit eines Verfahrens
der eingangs genannten Art, insbesondere beim Vorhandensein von Teilchen mit sehr
kleiner Korngröße und/oder einer sehr inhomogenen Korngrößenverteilung, zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der insgesamt
zu behandelnde Strom des Mediums in einer vorgeschalteten Sichterstufe in einen
eine Feinfraktion der Teilchen und einen eine Grobfraktion der Teilchen enthaltenden
Teilstrom aufgeteilt und nur der die Grobfraktion enthaltende Teilstrom der Abscheiderstufe
zugeführt und der die Feinfraktion enthaltende Teilstrom anderweitig gereinigt wird.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, daß der für die nachfolgende
Abscheidung besonders problematische Feinkornanteil der Feststoffteilchen mittels
Sichtung ausgeschieden und mit einem relativ geringen Teilvolumen des Mediums direkt
einer Reinigung, z. B. mittels Filter, zugeführt und daher mit Sicherheit ausgeschieden
werden kann, wofür wegen der kleinen Teilstrommenge kein übermäßig großer Aufwand
nötig ist. Andererseits wird hierdurch der Abscheidewirkungsgrad der nachgeschalteten,
mit der Grobfraktion der Teilchen und der Hauptmenge des Mediums beaufschlagten
Abscheiderstufen ganz erheblich, so
daß man entweder bei unverändertem
Betrieb und unveränderter Zahl dieser Stufen den Reststaubgehalt im Reingas stark
herabsetzen kann oder bei unverändertem Reststaubgehalt die aus jeder Stufe abgezogene
Reingasmenge erhöhen und damit die Zahl der Stufen bzw. die Kapazität jeder einzelnen
Stufe verringern kann.
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Der in der Sichterstufe abgezweigte Teilstrom des Trägermediums soll
möglichst klein sein, um das Filter nicht unnötig zu belasten, während der mit diesem
Teilstrom abgezogene Feinkornanteil der Feststoffteilchen möglichst groß sein soll,
um die nachgeschalteten Wirbelkammer-Abscheiderstufen möglichst zu entlasten. Dies
wird erfindungsgemäß vorzugsweise dadurch erreicht, daß die Sichtung in der Sichterstufe
durch Wirbelkammerabscheidung erfolgt, wobei jedoch der Abscheidewirkungsgrad in
der Sichterstufe durch unterschiedliche Dimensionierung und Absaugeverhältnisse
auf einen niedrigeren Wert als in den nachfolgenden Wirbelkammer-Abscheiderstufen
eingestellt ist. Mit anderen Worten, die als Sichterstufe vorgeschaltete Wirbelkammer
oder Wirbelkammerkombination wird bewußt als schlechter Abscheider" betrieben, um
daraus eine möglichst geringe Gasmenge mit möglichst hoher Beladung an feinkörnigem
Staub abzuziehen, im Gegensatz zu den nachfolgenden Abscheiderstufen, wo man bestrebt
ist, eine möglichst große Reingasmenge mit möglichst geringem Reststaubanteil abzuziehen.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher
beschrieben.
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Fig. 1 zeigt ein Fließschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Fig. 2 zeigt in perspektivischer, teilweise weggebrochener Ansicht
eine Wirbelkammer für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Fig. 3 zeigt das Schema einer mehrstufigen Entstaubungsanlage gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung.
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Gemäß dem Fließschema nach Fig. 1 gelangt der zu reinigende Gesamtstrom
30 des zu reinigenden Mediums, z. B. Gas, der mit Teilchen, z. B. Staub, von sehr
inhomogener Korngrößenverteilung beladen ist, in eine Sichterstufe 31, und wird
dort durch einen Sichtungs- oderKLassiervorgang aufgeteilt in einen geringen Teilstrom
32 (z. B. 10 5' des Gesamtstroms), der nur die Feinfraktion der Teilchen enthält,
und in einen großen Teilstrom oder Hauptstrom 33 (z. B. 90 5' des Gesamtstroms),
der die Grobfraktion der abzutrennenden Teilchen enthält. Dieser Teilstrom 33 wird
einer Reihe von
hintereinander geschalteten Abscheiderstufen A1,
A2, A3 zugeführt, wobei in jeder Stufe ein Teilstrom 34 des von den Teilchen im
wesentlichen vollständig befreiten Mediums als Reinprodukt abgezogen und ein entsprechend
kleinerer Reststrom 35 des Mediums, der mit den Teilchen angereichert ist, zur nächsten
Abscheiderstufe weitergeleitet wird. Der Reststrom 35' aus der letzten Abscheiderstufe
A3 wird einem Filter F zugeführt, dem auch der in der Sichterstufe S abgezweigte
Teilstrom 32 mit der Feinfraktion der Teilchen zugeführt wird. In dem Filter F werden
die beiden Teilströme 32 und 35', die zusammen nur einen kleinen Teil (z. B. 20
5') des ursprünglichen Gesamtstroms 30 darstellen, die aber noch praktisch die Gesamtmenge
der ursprünglich vorhandenen Teilchen enthalten, von diesen Teilchen befreit, so
daß der Rest des Mediums als Reingasstrom 36 aus dem Filter abgezogen werden kann,
während die abgeschiedenen Teilchen 37 völlig vom Gas bzw. sonstigem Trägermedium
befreit sind.
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Man erkennt, daß die Abscheiderstufen A1, A2, A3, die auf die Verarbeitung
großer Gasmengen ausgelegt sein müssen, durch das erfindungsgemäße Verfahren von
der problematischen Abscheidung des Feinstaubanteils befreit sind und daher mit
optimalem Abscheidewirkungsgrad arbeiten können und ein auch strengen Anforderungen
genügendes Reinprodukt ergeben. Andererseits wird das Filter F, welches
zur
vollständigen Abscheidung von sowohl feinem als auch grobem Staub geeignet ist,
nur mit einem geringen Bruchteil der insgesamt zu reinigenden Gasmenge beaufschlagt
und kann daher entsprechend kosten- und betriebsgünstig ausgestaltet sein.
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Die Vorteile der Erfindung zeigen sich insbesondere dann, wenn sowohl
für die Sichtung als auch für die Abscheidung Wirbelkammern spezieller Bauart verwendet
werden. Solche Wirbelkammern sind an sich bekannt und werden daher im folgenden
nur wegen des besseren Verständnisses anhand von Fig. 2 kurz erläutert. Die Wirbelkammer
gemäß Fig. 2 besteht aus einem gekrümmt verlaufenden, flach rechteckigen Strömungskanal
1, mit dem eine kreisförmig zylindrische Kammer 2 über die ganze Höhe durch eine
rechteckige Öffnung, die von zwei Kanten 3, 4 begrenzt ist, in Verbindung steht.
Von den Stirnwänden der Kammer 2 her erstrecken sich axial zwei Tauchrohre 5 bis
nahe zur Achsmitte der Kammer 2. Im Betrieb wird staubbeladenes Rohgas entsprechend
den Pfeilen 6 von links her durch den Strömungskanal 1 zugeleitet und nach rechts
entsprechend den Pfeilen 7 abgeleitet. Durch die Krümmung des Strömungskanals 1
ergibt sich ein erster Fliehkrafteffekt, durch den gröbere Staubteilchen an der
Kammer 2 vorbeigeleitet werden und sich im abgezogenen Reststrom ansam-
meln.
Ein Teil des zugeführten Gasstromes bildet in der Kammer 2 eine kreiszylindrische
Strömung entsprechend den Pfeilen 8 aus. In dieser Strömung ergibt sich ein starker
Fliehkrafteffekt, der auch feine Teilchen radial nach außen bewegt, so daß sie sich
mit dem im Strömungskanal weitergeleiteten Restgasstrom vereinigen. Ein einstellbarer,
relativ geringer Teil des Gasstromes wird als Reingas durch die Tauchrohre 5 axial
nach beiden Seiten abgezogen. Da dieser Reingasstrom typischerweise nur einen kleinen
Teil des Rohgasstromes (z. B. 20 - 25 5') darstellt, bildet sich die Kreisströmung
8 als stabiler Wirbel mit hoher Verweilzeit aus, was eine gründliche Abscheidung
der Teilchen gewährleistet.
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Der Abscheidewirkungsgrad, d. h. der Reststaubgehalt im Reingasstrom,
hängt außer von den Mengenverhältnissen der Roh-, Rein- und Restgasströme auch von
den Abmessungen der Wirbelkammer ab und kann durch diese beeinflußt werden.
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Fig. 3 zeigt das Schema einer mit liegend angeordneten Wirbelkammern
gemäß Fig. 1 ausgerüsteten mehrstufigen Staubabscheideanlage gemäß der Erfindung.
Es sind vier Abscheiderstufen vorgesehen, die mit I, II, III, IV bezeichnet sind
und jeweils aus einer von Stufe zu Stufe abnehmenden Zahl von parallel geschalteten
Wirbelkammern 10 bestehen. Vorgeschaltet ist eine mit S bezeichnete
Sichterstufe,
nachgeschaltet ist ein Filter F.
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Das staubbeladene Rohgas wird bei 11 aufgegeben und gelangt in den
Strömungskanal der als Sichter betriebenen Wirbelkammer 12, wo über die Tauchrohre
ein Teilstrom mit der Feinfraktion des Staubes abgezogen und über die Leitung 13
direkt dem Filter F zugeführt wird. Die überwiegende Menge des Gases zusammen mit
der darin verbliebenen überwiegenden Staubmenge, die aber von den Feinstanteilen
befreit ist, gelangt in die Eintrittskammer 14 der ersten Abscheiderstufe I, wo
sie in die Strömungskanäle der parallel geschalteten Wirbelkammern 10 eintritt.
Aus den Tauchrohren dieser Wirbelkammern wird eine Teilmenge des Geblase 16 abgezogen.
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gas über die Leitung 15 mittels der Pumpe 16 abgezogen.
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Die restliche Rohgasmenge mit entsprechend angereichertem Staubgehalt
gelangt in die Eintrittskammer 16 der nächsten Abscheiderstufe II, in deren Wirbelkammern
durch weitere Staubabscheidung ein weiterer Teilstrom des Gases als Reingas über
die Leitung 18 abgezogen wird. Entsprechendes erfolgt in den weiteren Abscheiderstufen
III und IV. Der aus der Stufe IV austretende Restgasstrom, der nur einen geringen
Bruchteil des ursprünglichen Rohgasstromes darstellt, aber nach wie vor den überwiegenden
Teil der Staubmenge enthält, tritt
nun in den Filter F ein, an
dessen Filtertüchern 19 od.dgl. dieser Staub mit hohem Wirkungsgrad abgeschieden
wird, in den Sammeltrichter 20 fällt und mittels einer Austragsvorrichtung 21 ausgetragen
werden kann.
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Das im Filter F gereinigte Gas, bestehend aus dem aus der Abscheiderstufe
IV kommenden Restrohgas und aus dem in der Sichterstufe 12 mit der Feinstaubfraktion
abgetrennten und über die Leitung 13 zugeführten Teilstrom, wird bei 22 ebenfalls
mittels der Pumpe 16 abgezogen.
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Die Anzahl der Stufen der Anlage, die Anzahl der Wirbelkammern in
jeder Stufe sowie auch die Anzahl und Anordnung der Wirbelkammern in der Sichterstufe
s sind selbstverständlich nur als Beispiel zu verstehen und können je nach den Bedürfnissen
beliebig verändert werden.
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Die Wirbelkammern der Abscheiderstufe I, II, III, IV sind so gestaltet
und werden so betrieben, daß sich ein größtmöglicher Anteil an abgezogenem Reingas
bei einem möglichst geringen Reststaubgehalt dieses Reingases ergibt. Typischerweise
kann z.B. in jeder Abscheiderstufe ein Anteil von 20% des jeweils zuströmenden Rohgases
oder Restrohgases als Reingas entnommen werden, wobei die Staubabscheidung z.B.##mit
einem
Wirkungsgrad von 94% erfolgen kann, so daß der Reststaubanteil
im abgezogenen Reingas in der Leitung 15 z.B. 6% der ursprünglichen Staubbeladung
betragen kann.
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Durch die Vorschaltung der Sichterstufe s werden diese Verhältnisse
aber wesentlich verbessert. Die Sichterstufe selbst wird, wie erwähnt, als "schlechter§
Abscheider ausgebildet und betrieben, so daß z.B. nur 10% des zuströmenden Gasstromes
als Teilstrom über der Leitung 13 ausgeleitet werden, wobei jedoch der Abscheidegrad
in der Wirbelkammer 12 nur z.B. 90% beträgt, so daß die abgezogenen 10% Gasstrom
auch 10% des Staubanteils mit sich führen, der aber praktisch den gesamten Feinstkornanteil
der ursprünglichen Staubbeladung des Rohgases darstellt. Hierdurch können die Wirbelkammern
der nachgeschalteten Abscheiderstufen I, II, III, IV mit wesentlich besserem Wirkungsgrad,
z.B. 97%, betrieben werden, so daß sich insgesamt eine deutliche Senkung des Reststaubgehaltes
in der Leitung 15 ergibt.
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Bei einem praktischen Beispiel wurde in einer Entstaubungsanlage
mit sechs hintereinander geschalteten Wirbelkammerstufen und einem nachgeschalteten
Filter bei konventionellem Betrieb (ohne vorgeschaltete Sichterstufe) bei einer
Korngrößenverteilung des Staubes, die
erhebliche Anteile mit Korngrößen
unter 0,2#i aufweist, ein Wirkungsgrad pro Abscheiderstufe von ca. 93%. Bei einer
Startbeladung des zuströmenden Rohgases von 2500 mg/m3 betrug der Reststaubgehalt
des aus den Wirbelkammerabscheiderstufen abgezogenen Reingases 166,5 mg/m3 , und
nach Hinzufügung des durch das Filter F gereinigten Restgasanteiles ergab sich hinter
dem Gebläse 16 ein Reststaubgehalt des Reingases von 128 mg/m3 (sämtliche Werte
bezogen auf Normalzustand des Gases).
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Durch Vorschaltung der Sichterstufe s wurden diese Verhältnisse entscheidend
verbessert: In der Sichterstufe S wurde ein Anteil von 10% des zuströmenden Gases
mit einer Beladung durch die Feinstfraktion des Staubes von 147 mg/m3 abgetrennt
und dem Filter F zugeleitet. Durch diese Entfeinerung des Korngrößenspektrums des
den Abscheiderstufen zugeleiteten Rohgases konnte der Abscheidewirkungsgrad in den
Wirbelkammern der Abscheiderstufen auf 97% gesteigert werden, und der Reststaubanteil
in den aus den Abscheiderstufen abgezogenen Reingasströmen in der Leitung 15 betrug
nur noch 65 mg/m3, was zusammen mit dem im Filter F gereinigten Gasstrom ( der jetzt
ein größeres Volumen durch die zusätzlich aus der Sichterstufe s abgezoge-
nen
10% hatte) ergab einen Reststaubanteil hinter dem Gebläsel6 von 50 mg/m3. Gegenüber
dem Verfahren ohne vorgeschaltete Sichtung ergibt sich somit eine Verbesserung des
Reststaubgehaltes um ca. den Faktor 2,5. Selbstverständlich kann man sich stattdessen
auch mit dem bisherigen Reststaubgehalt begnügen und dafür die Zahl bzw. Größe der
Abscheiderstufen verringern.
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Ähnliche Verhältnisse ergeben sich, wenn nicht Staub aus Gas, sondern
z.B. Flüssigkeitströpfchen aus Gas oder Feststoffteilchen aus Flüssigkeit abgetrennt
werden sollen.
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