ZYKLONABSCHEIDER MIT ZWEI ABSCHEIDERÄUMEN UND STATISCHEN LEITVORRICHTUNGEN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Zyklonabscheider mit zwei Abscheideräumen und statischen Leitvorrichtungen zur Verbesserung des Abscheidevermögens bezüglich feinstdisperser Partikeln aus strömenden Gasen und Reduzierung des Druckverlustes mit tangentialem, spiralförmigen oder schraubenförmigen Einlaufkanal, mit einem oben zylindrischen und unten konischen Zyklongehäuse sowie einem darunter angeordneten Feststoffsammelbehälter, wobei in den zylindrischen Abscheideraum von oben zentrisch in das Zyklongehäuse ein zylindrisches Tauchrohr zum Abführen des Reingasstromes hineinragt und an das Tauchrohr nach unten ein in der zylindrischen Trennfläche des Zyklonabscheiders liegendes geschlitztes Spalt-Tauchrohr mit einem in ein Drallrohr einlaufenden Spaltkanal mit schraubenförmiger oder gerader Eintrittskante anschließt.

[0002] In einem Fliehkraftabscheider wird das einströmende Aufgabegut aufgrund der in einer Drallströmung auftretenden Zentrifugalkräfte abgeschieden, die auf die auf Kreis- oder Spiralbahnen strömenden Partikeln wirken. Infolge einer axialen Geschwindigkeitskomponerite des Strömungsfeldes gleitet das abgeschiedene Grobgut spiralförmig an der Zyklonaußenwand in den Feststoffsammelbehälter, der den unteren Abschluß des Zyklongehäuses bildet. Das nicht abgeschiedene Feingut gelangt mit dem durch das Tauchrohr austretenden-Gasstrom in den Reingaskanal.

[0003] Die einfache Bauweise eines herkömmlichen Fliehkraftabscheiders gewährleistet, wie bekannt, eine hohe Betriebssicherheit, einen geringen Wartungsaufwand, geringe Anschaffungskosten und einen kleinen Platzbedarf. Die Grenzen seines weiten Anwendungsbereiches liegen bei einem Betriebsdruck von 100 bar und Gastemperaturen von über 1000°C.

[0004] Den anwendungstechnischen Vorteilen eines herkömmlichen Zyklons stehen die Nachteile des hohen Druckverlustes und des geringen Abscheidevermögens bezüglich der Trennschärfe im Vergleich zu anderen Abscheidern gegenüber. Die bekannten herkömmlichen Zyklone zeigen als Hauptursache des geringen Abscheidevermögens eine unregelmäßige axiale Geschwindigkeitsverteilung entlang der Trennfläche, Sekundärströmungen, Kurzschlußströmungen und starke Turbulenzen innerhalb des Abscheideraumes. Hauptursache des hohen Druckverlustes ist die Nichtumsetzung der zur Abscheidung erforderlichen Rotationsenergie in Druckenergie, infolge Umlenkverlusten und Drosselwirkung am Tauchrohreinlauf, so daß bis zu 90% des Gesamtdruckverlustes im Wirbelkern (Zyklonauge) unterhalb des Tauchrohres entstehen.

[0005] Durch die Forderung nach Emissionsabgrenzung lungengängigen Staubes, Wiedergewinnung wertvoller Produkte bzw. maximaler Abscheidung von Abriebstaub aus Prozeßgasen und auch aus energetischen Gründen muß daher der herkömmliche Zyklon in zunehmendem Maße mit anderen Abscheidungsapparaten kombiniert werden, die im feindispersen Partikelgrössenbereich unterhalb 20 11m leistungsfähiger sind. Diese Forderungen und die Tatsache, daß der Zyklon für die Entstaubung heißer Gase oberhalb 500°C der einzige großtechnisch einsetzbare Abscheider ist, verlangen nach zusätzlichen konstruktiven Maßnahmen zur Verbesserung des Abscheidevermögens und zur Reduzierung des Druckverlustes.

[0006] Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse, Leitvorrichtungen in den Abscheideraum oder innerhalb des Tauchrohres zu installieren, wobei jedoch die bislang veröffentlichten Patentanmeldungen nicht sämtliche Ursachen des geringen Abscheidevermögens und hohen Druckverlustes berücksichtigen und keine Zyklon-Neuentwicklung einen zweiten Abscheideraum konstruktiv innerhalb eines einzigen Apparates realisiert und zusätzlich Rückströmungen rings der Zyklonachse für eine Partikelabscheidung nutzbar macht.

[0007] Zwar ist es bekannt (US-A-2 604 956), zwei Zyklonabscheider konzentrisch ineinander anzuordnen, die jeweils an einen gesonderten, sich nach unten an den konischen Teil des jeweiligen Zyklonabscheiders anschließenden Feststoffsammelbehälter angeschlossen sind, wobei die Feststoffsammelbehälter ebenfalls konzentrisch ineinander angeordnet sind. Der äußere Zyklonabscheider weist einen tangentialen Einlauf auf und steht an seinem oberen Ende über einen drallgebenden, sich verengenden Verbindungskanal mit dem inneren Zyklonabscheider in Verbindung, in welchen das beiden Zyklonabscheidern gemeinsame Tauchrohr zum Abführen des Reingasstromes hineinragt. Hinsichtlich der Strömungs- und Druckbedingungen verhält sich daher wenigstens der innere Zyklonabscheider weiterhin wie ein herkömmlicher Zyklon.

[0008] Bei einem anderen bekannten Zyklonabscheider (DE-A-2 361 995) weist das zylindrische, herkömmliche Tauchrohr außer seiner axialen Öffnung an der unteren Stirnseite zusätzlich geschlitzte Gaseintrittsöffnungen im Tauchrohrmantel auf, die durch eingedrückte Laschen des Tauchrohrmantels gebildet werden. Die Wirksamkeit der Entstaubung kann nicht gefördert werden, da diese geschlitzte Tauchrohrausführung mit dem wesentlichen Nachteil behaftet ist, daß weder die starke Senkenströmung unterhalb des Tauchrohres noch die Feststoffschichtströmung entlang der äußeren Tauchrohrmantelfläche reduziert werden und keine Vorrichtungen für eine nachgeschaltete Feststoffabscheidung vorgesehen sind. Vorrichtungen zur Rückgewinnung der kinetischen Energie sind ebenfalls nicht vorhanden.

[0009] Es ist weiterhin ein Zyklonabscheider mit geschlitztem Tauchrohr bekannt (EP-A-41 106), das zwar den Effekt einer doppelten Abscheidung innerhalb eines einzigen Apparates ausnutzt, ohne jedoch den innerhalb des Tauchrohres zusätzlich abgeschiedenen Feststoff in einem zweiten Abscheideraum zu sammeln. Ein geschlitztes herkömmliches Tauchrohr mit axialem Auslaufspalt ermöglicht durch die Saugwirkung aus der Umgebung infolge eines Spaltes, der zwischen Einlaufkanal und Tauchrohr angeordnet ist, die Rückführung von bereits ausgetragenem, an der Innenwand des Tauchrohres angereicherten Feingut in den Abscheideraum des Zyklonabscheiders. Nachteile dieser Ausführung sind jedoch sowohl die noch bestehende axial ungleichmässig verteilte Senkenströmung unterhalb des Tauchrohres als auch die Ansaugung von Umgebungsluft in den Abscheidungsprozeß, wodurch sich der Druckverlust erhöht.

[0010] Weiterhin werden geschlitzte Tauchrohre in den Zeitschriften Chem.-Techn. 22 (1970) Nr. 9, S. 525/532 und Maschinenbautechnik 7 (1958) Nr. 8, S. 416/421 vorgestellt. Es handelt sich aber bei diesen Tauchrohr-Ausführungen lediglich um Längsschlitze, die gleichmäßig am Tauchrohrumfang angeordnet sind, und nicht um hochkantige Spaltkanäle, die eine Strömungsumlenkung oder eine Energierückgewinnung bewirken.

[0011] Von Prof. Dr.-ing. Schmidt wird ein geschlitztes Spalt-Tauchrohr vorgestellt, (Staub-Reinhaltung der Luft 45 (1985), Nr. 4, S. 163/165 und DE-A-3 223 374) das einen schraubenförmigen Eintrittsspalt und einen dreidimensionalen Diffusorkanal mit Umlenkeigenschaften aufweist. Dieser sogenannte Schraubendiffusor ist an der unteren Stirnfläche mit einer Bodenplatte verschlossen und ist unterhalb eines herkömmlichen Tauchrohres angeordnet. Dieses geschlitzte Tauchrohr reduziert den Druckverlust eines Zyklonabscheiders bis zu 50% und verbessert das Abscheidevermögen eines Zyklons, da ein Übergang von der Kreislochsenkenströmung zur Liniensenkenströmung erfolgt. Jedoch kann dieses neuentwickelte Tauchrohr als alleinstehende konstruktive Maßnahme die Kurzschluß- und Sekundärströmungen nicht verhindern und ermöglicht nicht die Abführung des sekundär innerhalb des Tauchrohres abgeschiedenen Feststoffes. Infolge des im Tauchrohr eingebauten Diffusorkanals kann weiterhin eine kritische Drallströmung mit Rückströmungen nicht erzielt werden.

[0012] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der beschriebenen Mängel von herkömmlichen Zyklonen im allgemeinen und der Mängel bekannter verbesserter Zyklonausführungen mit doppelter Abscheidung und verbesserten Absaugbedingungen im besonderen, einen Zyklonabscheider der eingangs genannten Art konstruktiv so auszubilden, daß er sich bei einfacher Grundkonstruktion und zusätzlichen Einbauten von statischen also nicht rotierenden Leit- und Abscheidevorrichtungen durch einen stark verbesserten Gesamtabscheidegrad und Fraktionsabscheidegrad auszeichnet, so daß die Trennschärfe des Zyklonabscheiders wesentlich verbessert wird, wobei sich zusätzlich der Druckverlustgegenüber der herkömmlichen Ausführung reduziert.

[0013] Bei dem Zyklonabscheider gemäß der Erfindung bilden das Tauchrohr, das Spalt-Tauchrohr und ein an dieses nach unten in der zylindrischen Trennfläche des Zyklonabscheiders anschließendes Zentral-Tauchrohr eine Tauchrohrsäule, die die Zyklonachse auf der gesamten Abscheiderraumhöhe (h) umgibt, den Feststoffsammelbehälter (2a) durchdringt und an einem zweiten Feststoffsammelbehälter (2b) gasdicht angeschlossen ist, wobei das Spalt-Tauchrohr (6) das allein absaugende Teiltauchrohr ist.

[0014] Der Erfinder schlägt demnach vor, die Tauchrohr- Säule als zweiten Abscheider nach Art eines Drallrohres innerhalb des eigentlichen Zyklons vorzusehen, so daß auf diese Weise in einem einzigen Entstaubungsapparat eine zweistufige Abscheidung bewirkt wird, wobei allerdings im Vergleich zum äußeren Abscheidungsprozeß der Massenaustausch innerhalb des Drallrohres durch Energieübertragung über den um die Zyklonachse präzidierenden Wirbelkern erfolgt und Rückströmungen den Feststofftransport in den sekundären Feststoffsammelbehälter unterhalb des Zentral-Tauchrohres bewirken, falls innerhalb des Drallrohres eine überkritische Drallströmung herrscht.

[0015] Bei der erfindungsgemäßen Entwicklung des Zyklonenabscheiders ist grundsätzlich zu beachten, daß die am Außenmantel des Zyklons abwärts gerichtete Axialströmung im äußeren Strömungsfeld der Drallströmung das gute Austragsverhalten des Feststoffes in Kombination mit der Grenzschichtströmung an der Konuswand bewirkt. Zur Realisie- . rung einer axialen Geschwindigkeitskomponente muß daher das Spalt-Tauchrohr unterhalb des Zyklon-Einlaufkanals angeordnet werden.

[0016] Das geschlitzte Spalt-Tauchrohr wird zwischen herkömmlichem Tauchrohr und Zentral-Tauchrohr in den zylindrischen und nicht in den konischen Teil des Zyklongehäuses zentrisch eingebaut, um Sekundärströmungen von der Abscheidewand des Zyklonmantels zu vermindern. Das Spalt-Tauchrohr ermöglicht den Übergang von der ansonsten unterhalb eines herkömmlichen Tauchrohres vorliegenden Lochsenke mit ungleichmäßiger axialer Verteilung der Radialgeschwindigkeit zur Liniensenke mit vergleichsmäßigter axialer Verteilung der Radialgeschwindigkeit an der Trennfläche. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch einen Spa)"- kanal mit schraubenförmiger Eintrittskante odedurch mehrere schraubenförmig angeordnete Spaltkanäle mit gerader Eintrittskante innerhalb des Spalt-Tauchrohres die Wirbel-Senkenströmung im äußeren Abscheideraum nicht gestört wird bzw. die Strömungsturbulenzen im Abscheideraum reduziert werden und der Volumenstrom des Gases mit hoher Geschwindigkeit über einen den Stromlinien angepaßten gekrümmten Spaltkana mit beschleunigender Wirkung auf die Strömung axial gleichmäßig aus dem äußeren Abscheideraum angesaugt wird, so daß sich zum einen ein vergleichmäßigtes Geschwindigkeitsprofil entlang des Absaugspaltes einstell1, zum anderen die noch im Gasstrom vorhandenen Staubpartikeln im Totwasserkern um die Zyklonachse infolge von Druckkräften konzentriert werden und mit Hilfe von Rückströmungen in den sekundären Feststoffsammelbehälter abgeführt werden, wodurch der abgeschiedene Grobgutanteil des Aufgabegutes zunimmt, was einer Verbesserung des Gesamt- und Fraktionsabscheidegrades entspricht.

[0017] Zur Stabilisierung des zweistufigen Abscheidungsprozesses wird die Tauchrohr-Säule um die Zyklonachse in den Wirbelkern des herkömmlichen Zyklons derart angeordnet, daß sie den äußeren zylindrischen und konischen Abscheideraum, den zylindrischen Abschirmbehälter und den primären Feststoffsammelbehälter durchdringt.

[0018] Vorzugsweise ist ein Leitblech zwischen dem Einlaufkanal und dem Spalt-Tauchrohr unterhalb des Zyklon-Einlaufkanals in der horizontalen, zum Zyklondeckel parallelen Ebene derart im äußeren Abscheideraum installiert, daß Kurzschlußströmungen der Drallströmung direkt in den Absaugspaltkanal des Spalt-Tauchrohres unterbunden werden und die axiale Geschwindigkeitskomponente der Drallströmung im äußeren Abscheideraum bezüglich des Feststoffaustragsverhaltens positiv beeinflußt wird. Ein Abreißen der Zykloneinlaufströmung an der Eintrittskante des zylindrischen Zyklonmantels wird somit verhindert, wodurch gleichzeitig die Startpositionen der in dem eintretenden Gasstrom suspendierten Partikel eindeutiger festgelegt werden. Somit ermöglicht das Leitblech eine gleichmäßigere Zuströmung in den Spaltkanal des Spalt-Tauchrohres.

[0019] Das Spalt-Tauchrohr, das in die Tauchrohr-Säule zwischen das herkömmliche Tauchrohr und das Zentral-Tauchrohr eingeschaltet wird, kann mit vier am Tauchrohrumfang gleichmäßig verteilten parallelwandigen Spaltkanälen mit jeweils gerader Eintrittskante versehen sein, so daß die gemeinsame Diagonale dervier um 90° versetzten Aussparungsflächen eine eingängige Schraubenlinie um das Spalt-Tauchrohr bildet, und der jeweilige gekrümmte Spaltkanal im Spalt-Tauchrohr als Einlaufkanal mit beschleunigender Strömungswirkung für ein zur Zyklonachse symmetrisches Drallrohr vorgesehen ist, wodurch sich innerhalb des Drallrohres ein Totwassergebiet mit axialen Rückströmungen in das Zentral-Tauchrohr ausbildet bei entsprechend hoher Drallstärke, die durch die geometrische Gestaltung des Spaltkanals und des Spalt-Tauchrohrs festgelegt wird, und wobei hohe Unterdruckwerte auf der Zyklonachse und starke Druckänderungen in Achsrichtung die intensive Rückströmung in das Zentral-Tauchrohr und anschließend in den sekundären Feststoffsammelbehälter induzieren.

[0020] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch diese die Trennfläche zwischen Wirbelfeld und Wirbelkern fixierende Tauchrohr-Säule bzw. durch diese statische Leit-und Abscheidevorrichtungen der Starrkörperwirbel (Zyklonauge) des herkömmlichen Zyklons weiter nach innen um die Zyklonachse bzw. Drallrohrachse konzentriert wird. Dieser Starrkörperwirbel baut um sich ein sekundäres Drallfeld auf, die die Voraussetzungen zur Aufrechterhaltung des sekundären Abscheidungdsprozesses innerhalb des Drallrohres ist.

[0021] Das geschlitzte Spalt-Tauchrohr bewirkt als Leitvorrichtung, daß der im Zykloneinlauf erzeugte Drall im Zentrum des Drallrohres verstärkt wird. Aus dieser inneren Drallströmung um die Drallrohrachse resultiert ein Totwasserkern um die Drallrohrachse, dessen Radius R mit anwachsendem Drall grösser wird, und in dem die Partikeln «gefangen» gehalten werden. R_o bezeichnet demnach die Grenze zwischen verlustfreier gesunder Strömung im Bereich Rα < r < R und verlustbehafteter Kernströmung im Bereich R_o > r > 0. Im Totwassergebiet herrscht ein starker Unterdruck, so daß die Partikeln in Richtung der Druckkraft zur Zyklonachse transportiert werden und nicht in der Richtung der Zentrifugalkraft zur Drallrohrwand strömen, wie es im äußeren Abscheideraum der Fall ist. Ein großes R_o begünstigt den sekundären Abscheidungseffekt, da bei Erzeugung einer kritischen Drallströmung keine Durchflußströmung innerhalb des Totwasserkerns axial nach oben treibt, die die Partikeln mitreißen würde, sondern eine negative Durchflußströmung um die Zyklonachse besonders innerhalb des Spalt-Tauchrohres vorhanden ist.

[0022] In dem zweiten Feststoffsammelbehälter, der an das Zentral-Tauchrohr angeflanscht wird und unterhalb des ersten Feststoffsammelbehälters angeordnet ist, sammelt sich der zusätzlich abgeschiedene Feststoff, der mit Hilfe von Rückströmung über das Zentral-Tauchrohr als zusätzliches Grobgut nach unten transportiert wird und ansonsten bei einer herkömmlichen Zyklonausführung als Feingut über das herkömmliche Tauchrohr abgeströmt wäre. Durch die Tauchrohr-Säule, die das Drallrohr umgibt, wird zusätzlich das dreidimensionale Strömungsfeld im äußeren Abscheideraum stabilisiert, so daß die Zyklonachse mit dem Zentrum der äußeren Drallströmung identisch ist. Das Zentrum der inneren Drallströmung bildet die zur Zyklonachse deckungsgleiche Drallrohrachse, die nur im Fall einer symmetrischen Zuströmung aus dem Spalt-Tauchrohr mit der Zyklonachse zusammenfällt.

[0023] Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann zur Steigerung der Rotationssymmetrie und der Drallstärke das Spalt-Tauchrohr mit vier schraubenförmig am Tauchrohrumfang verteilten Spaltkanälen durch ein Spalt-Tauchrohr ersetzt werden, das entweder mit mehreren am Tauchrohrumfang in gleicher axialer Höhe gleichmäßig verteilten Spaltkanälen mit jeweils gerader Eintrittskante versehen ist, oder durch ein Spalt-Tauchrohr ersetzt werden mit parallelwandigem schraubenförmigem Spaltkanal, der eine schraubenförmige Eintrittskante und eine schraubenförmige Austrittskante aufweist, wodurch ebenfalls eine überkritische Drallstärke mit Rückströmungen in das Zentral-Tauchrohr erzeugt wird, wenn der jeweilige Spaltkanal als gekrümmter Umlenkkanal mit beschleunigender Wirkung ausgebildet wird und der jeweilige Spaltkanal mit einer oberen und unteren Abdeckplatte versehen wird, wodurch die Absaugung aus dem äußeren Abscheideraum ausschließlich über einen schraubenförmigen Spaltkanal oder über mehrere hochkantige am Tauchrohrumfang gleichmäßig verteilte Spaltkanäle erfolgt.

[0024] In jedem Fall dienen die gekrümmten Spaltkanäle innerhalb des Spalt-Tauchrohres als Einlaufkanäle für das zur Zyklonachse symmetrisch angeordnete Drallrohr innerhalb der Tauchrohr-Säule, wobei das Drallrohr seinerseits bevorzugt als strömungsgünstige Zulaufleitvorrichtung für ein oberhalb des Zyklondeckels angeordnetes Auslaufspiralgehäuse mit Aussparkern ausgebildet ist. Die kinetische Energie der äußeren Drallströmung und die zu ihr gleichsinnige innere Drallströmung kann durch eine weite in bekannter Weise auszulegende Auslaufspirale zurückgewonnen werden, deren Austrittsstutzen in den Reingaskanal mündet und deren Nabentotwassergebiet innerhalb eines erweiterten herkömmlichen Tauchrohres durch einen entsprechenden Aussparkern ausgefüllt werden kann. In vorteilhafter Weise wird die Eintrittsöffnung des parallelwandigen Spaltkanals als geschlitze Öffnung innerhalb des Spalt-Tauchrohrmantels derart ausgebildet, daß sich im Einlaufbereich des Spaltkanals die geforderte Strömungsgeschwindigkeit an der Trennfläche entsprechend der vorhandenen Drehsenkenströmung einstellt, die ihrerseits durch den Verlauf des Spalt-Tauchrohrumfangs als logarithmische Spirale strömungsgünstig an der Trennfläche abgegriffen wird, so daß die gekrümmten Stromlinien der durch den Spaltkanal in das Drallrohr eintretenden Gasströmung entlang der äußeren und inneren Spaltkanalkontur und gleichsinnig mit der Zykloneneintrittsströmung verlaufen.

[0025] Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein zylindrischer Abschirmbehälter zwischen konischem Teil des äußeren Abscheideraumes und herkömmlichem Feststoffsammelbehälter derart dazwischengeschaltet, daß die äußere Drallströmung auf einem als Abschirmkegel ausgebildeten äußeren Teilstück des Zentral-Tauchrohres innerhalb des primären Feststoffsammelbehälters ausläuft, wodurch der abgeschiedene Feststoff störungsfrei ohne Mitreißeffekte im Ringspalt zwischen zylindrischem Abschirmbehälter und Zentral-Tauchrohr in den primären Feststoffsammelbehälter eindringen kann und der Feststoff durch die Anordnung eines kegelförmigen Abweiserschirms unterhalb des zylindrischen Abschirmbehälters und um den Abschirmkegel nicht wieder in den äußeren Abscheiderraum hineingewirbelt werden kann.

[0026] Das Zentral-Tauchrohr ermöglicht zusätzlich eine druckseitige Trennung der Drallströmung im äußeren Abscheideraum von der leicht zirkulierenden Strömung im ersten Feststoffsammelbehälter, indem der Abschirmkegel innerhalb des Feststoffsammelbehälters derart installiert ist, daß ein Austreten des abgeschiedenen Feststoffes zurück in den Abscheideraum unterbunden wird, und gleichzeitig das Eindringen des abgeschiedenen Feststoffes durch eine ringspaltförmige Austragsöffnung zwischen zylindrischem Abschirmbehälter und Zentral-Tauchrohr gewährleistet ist. Diese erfindungsgemäße Austragungsvorrichtung verhindert demnach sowohl eine Wiederaufwirbelung als auch ein Mitreißen bereits abgeschiedener Partikel.

[0027] Gemäß der zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung bewirkt die Neuentwicklung der Feststoff-Austragsvorrichtung, daß der unerwünschte Feststofftransport bereits abgeschiedener Partikeln aus dem ersten Staubsammelbehälter in den konischen äußeren Abscheideraum vollständig vermieden und die an der konischen Mantelfläche des äußeren Abscheideraumes spiralförmig nach unten gleitenden Partikel störungsfrei in den ersten Feststoffsammelbehälter transportiert werden, ohne turbulente Strömungsbereiche mit Rückströmungen zu durchdringen, die eine Wiederaufwirbelung verursachen würden.

[0028] Wie nachstehend noch anhand von Meßkurven gezeigt wird, bewirkt die erfindungsgemäße Ausbildung des Zyklonabscheiders eine Steigerung des Gesamtabscheidegrades und des Fraktionsabscheidegrades bei gleichzeitiger Reduzierung des Druckverlustes gegenüber der herkömmlichen Zyklonausführung. Insbesondere wird der Durchmesser der kleinsten Partikel, die zu 99% abgeschieden werden, auf die 5 gm-Grenze verschoben, was einer Trennschärfe des erfindungsgemäßen Zyklons entspricht, die bisher von Zyklonabscheidern in der Praxis nicht erreicht wurde. Der mittlere Durchmesser der Partikel, die zu 50% abgeschieden werden, beträgt 1 µm.

[0029] Zur Verbesserung der Zyklonbetriebsgrößen Gesamtabscheidegrad, Fraktionsabscheidegrad und Druckverlust gemäß der Erfindung ist nicht unbedingt ein spiralförmiger Zykloneinlaufkanal entsprechend der beschriebenen Ausführungsform erforderlich, sondern ein tangentialer oder schraubenförmiger Einlaufkanal des Zyklons kann ebenfalls zur Anwendung kommen.

[0030] Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer Zyklonausführungsform mit erfindungsgemäßer Tauchrohrsäule, wobei das Spalt-Tauchrohr eine schraubenförmige Eintrittskante und einen diffusorartigen Spaltkanal aufweist,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt entlang der Schnittlinie 11-11 in Fig. 1,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt einer Zyklonausführungsform mit erfindungsgemäßer Tauchrohr-Säule, wobei das Spalt-Tauchrohr mit vier schraubenförmig gegeneinander versetzt angeordneten Einlaufkanälen mit jeweils gerader Eintrittskante versehen ist,

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt entlang der Schnittlinie 11-11 in Fig. 3,

Fig. 5 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Spalt-Tauchrohres mit vier schraubenförmig gegeneinander versetzt angeordneten Einlaufkanälen mit jeweils gerader Eintrittskante und um die Zyklonachse zentriertem Drallrohr innerhalb der Tauchrohr-Säule,

Fig. 6 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Spalt-Tauchrohres nach Fig. 5 entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 3,

Fig. 7 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Spalt-Tauchrohres mit zwei parallelwandigen, in gleicher axialer Höhe symmetrisch angeordneten Spaltkanälen, die durch obere und untere Platten axial abgedeckt sind,

Fig. 8 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Spalt-Tauchrohrs mit einem schraubenförmigen parallelwandigen Spaltkanal, der mit schraubenförmiger Eintrittskante und schraubenförmiger Austrittskante als Zulaufkanal für das Drallrohr ausgebildet ist,

Fig. 9 die erfindungsgemäße zweistufige Feststoffvorrichtung mit Abschirmkegel, der um das Zentral-Tauchrohr unterhalb des zylindrischen Abschirmbehälters angeordnet ist,

Fig. 10 eine schematische Darstellung der Strömungsprofile mit axialer und tangentialer Geschwindigkeit _Vz und v_ϕ, die sich im Drallrohr bei unterkritischer und überkritischer Drallströmung ausbilden, und

Fig. 11 Partikelgrößenverteilungen des Feingutes im Reingaskanal des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders (Kurve 25) im Vergleich zur Partikelgrößenverteilung des Feingutes im Reingaskanal des gleichen Zyklonabscheiders ohne erfindungsgemäße Tauchrohr-Säule (Kurve 26).

[0031] Als Grundkonstruktion des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders mit zwei Abscheideräumen und statischen Leitvorrichtungen dient ein herkömmlicher Zyklon. Die in den Figuren 1 und 3 gezeigten vier Grundbauteile, nämlich das Zyklongehäuse 12a, 12b, der spiralförmige Einlaufkanal 11, das zylindrische Tauchrohr 5 und der Feststoffsammelbehälter 2a werden demnach ebenfalls als Bauteile des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders verwendet. Das Zyklongehäuse besteht in an sich bekannter Weise aus einem oberen zylindrischen Außenmantel 12a und einem sich axial nach unten verjüngenden unteren konischen AußenmanteI 12b, wobei allerdings die Höhe des zylindrischen Gehäuses größer ist als die Höhe des konischen Gehäuses. Beide Mantelteile 12a und 12b umschließen den äußeren Abscheideraum 3a. In den zylindrischen äußeren Abscheideraum ragt das um die Zyklonachse 1 zentrierte, zylindrische Tauchrohr 5 hinein, das zum Abführen der entstaubten Zweiphasenströmung (Gas + Feingut) dient. Der tangentiale oder spiralförmige Einlaufkanal 11 ist bestimmt, die in den Zyklon eintretende beschleunigte Zweiphasenströmung (Gas + Aufgabegut) dem äußeren Abscheideraum 3a zuzuführen. Der untere konische Zyktonenmantei 12b endet nach Fig. 3 auf einem zylindrischen Abschirmbehälter 20 mit einer ringspaltförmigen Austrittsöffnung 22 für das abgeschiedene Grobgut, das in dem herkömmlichen Feststoffsammelbehälter 2a unterhalb des Abschirmbehälters 20 abgelagert wird.

[0032] Nach der erfindungsgemäßen Zyklonausführung in den Fig. 1 und 3 wird zunächst das herkömmliche Tauchrohr 5 durch ein geschlitztes Spalt-Tauchrohr 6 axial verlängert, dessen schraubenförmige Eintrittskante 9a (Fig. 1) oder gerade Eintrittskanten 9b (Fig. 3) sich über die Absaughöhe h, hin erstrecken. Zwar ist die Absaugung über ein geschlitztes Spalt-Tauchrohr bekannt (DE-A-3 223 374), die Erfindung liegt aber darin, daß das Spalt-Tauchrohr 6 an seiner unteren Stirnfläche geöffnet ist und einen Spaltkanal 10 aufweist, der als Einlaufkanal für eine Tauchrohr- säule benutzt wird, deren Achse als Zentrum des Wirbelkerns (Zyklonauge) zu betrachten ist. Die Anordnung des unten angeordneten Zentral-Tauchrohrs 7 in axialer Verlängerung des Spalt-Tauchrohres (6) führt dazu, daß die vollständige Tauchrohr- Säule 5, 6, 7 die gesamte Abscheideraumhöhe h umgibt und somit zusätzlich als Stabilisator der äußeren Drallströmung im Abscheideraum 3a angesehen werden kann. Die Erzeugung einer inneren Drallströmung und damit einer nachgeschalteten Abscheidung im inneren Abscheideraum 3b des Zentral-Tauchrohres 7 (Fig. 4) bzw. des Drallrohres 17 (Fig. 3) ermöglichen mehrere am Tauchrohrumfang gleichmäßig verteilte parallelwandige Spaltkanäle 10 (Fig. 3 und 4), ein als gekrümmter Diffusor ausgelegter Spaltkanal 10 (Fig. 2) oder ein schraubenförmiger parallelwandiger Spaltkanal, wobei jeder parallelwandige Kanal eine strömungsbeschleunigende Wirkung hervorruft und eine überkritische Drallströmung erzeugen kann. Die äußere Drallströmung läuft auf einem als Abschirmkegel 4 ausgebildeten äußeren Teilstück des Zentral-tauchrohres 8 aus, und die innere Drallströmung wird um die Drallrohrachse 1 zentriert. Das Zentral-Tauchrohr 7 durchdringt den herkömmlichen Feststoffsammelbehälter 2a und ist an einem zweiten Feststoffsammelbehälter 2b unterhalb des ersten gasdicht angeschlossen, so daß zwischen den beiden Behältern keine Gasführung möglich ist.

[0033] Bei dem in Fig. 2 dargestellten Querschnitt des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders nach Fig. 1 ist unterhalb des tangentialen Einlaufkanals 11 ein Leitblech 27 in der zum Zyklondeckel 15 parallelen Ebene derart vorgesehen, daß eine axial gleichmäßige Zuströmung in den Spaltkanal 10 ohne Kurzschlußströmungen gewährleistet wird. Das Leitblech 27 verläuft von dem Zentriewinkel ϕ = 0⁰, der von der Übergangsstelle der in den zylindrischen Außenmantel 12 des Zyklongehäuses tangential einlaufenden äußeren Wand des Einlaufkanals 11 bestimmt ist, bis zum Zentriewinkel (p = 180° als Ring kragen um das Tauchrohr 5. Von dort verläuft die in Drehrichtung der Drallströmung vordere Kante des Leitbleches etwa tangential zum Außenumfang des Ringkragens bis zu der inneren Wand des Einlaufkanals 11 an dessen Unterseite, während das Leitblech 27 von dort aus den Ringraumquerschnitt zwischen Tauchrohrumfang und Außenmantel 12 bis zu dem Zentriewinkel ϕ = 0° vollständig abdeckt und dort in einer radialen Kante endet, die von dem Ringkragenumfang bis zu dem Außenmantel 12 verläuft. Die Au- ßenmündung des Spaltkanals liegt unter dem letzteren Abschnitt des Leitbleches 27. Der von dem Leitblech ausgebildete Ringkragen verhindert, daß die Partikel in einer wandnahen Feststoffströmung (Grenzschichtströmung) am Zyklondeckel 13 und entlang der Außenumfangsfläche des Tauchrohres 5 unmittelbar in den Spaltkanal transportiert werden.

[0034] Aus dem in Fig. 4 dargestellten Querschnitt des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders aus Fig. 3 ist der Spiraleinlauf 11 des Zyklons und das zur Energierückgewinnung erforderliche Spiralauslaufgehäuse 8a mit zentralem, kegelförmigen Aussparkern 8b ersichtlich, wobei das Spalt-Tauchrohr 6 als Zulaufleitvorrichtung für die Auslaufspirale 8 zu betrachten ist. Die Strömungspfeile verdeutlichen die gleichsinnige Strömungsführung zwischen Zyklon-Eintritt und Zyklon-Austritt.

Fig. 5 zeigt die Ansicht eines erfindungsgemäßen Spalt-Tauchrohres 6 mit vier entlang einer Schraubenlinie gegeneinander versetzt angeordneten Spaltkanälen 10 mit jeweils gerader, axialer Eintrittskante 9b sowie das um die Zyklonachse 1 zentrierte Drallrohr 17 innerhalb der Tauchrohr-Säule 5, 6, 7. Die Aussparungen 15 (siehe auch Fig. 6) im Spalt-Tauchrohr 6 sind jeweils um 90° gegeneinander versetzt.

Fig. 6 zeigt den Querschnitt des erfindungsgemäßen Spalt-Tauchrohres (6) nach Fig. 5 mit zueinander parallelwandiger Außen- und Innenkontur des Spaltkanals 10. Der Einlaufbereich in den Spaltkanal 10 und sein Auslaufbereich in das Drallrohr 17 sind spiralförmig. Die Einströmung in das Drallrohr 17 erfolgt ausschließlich über den Spaltkanal 10, so daß jeder Spaltkanal mit einer oberen und unteren Abdeckplatte 19 für den Ringquerschnitt zwischen Drallrohr 17 und Spalt-Tauchrohr 6 versehen wird.

[0035] Wird das Spalt-Tauchrohr 6 mit zwei Spaltkanälen auf gleicher axialer Höhe entsprechend Fig. 7 versehen oder mit einer schraubenförmig ansteigenden Eintrittskante 9a und Austrittskante 9c ausgeführt entsprechend Fig. 8, so sind Zyklonachse 1 und Drallrohrachse ebenfalls identisch, da eine zur Zyklonachse 1 symmetrische Zuströmung in das Drallrohr 17 erfolgt, wobei sich bei jeder Ausführung des Spalt-Tauchrohres 6 ein Totwassergebiet 16 infolge der Drallströmung ausbildet, in dem Rückströmungen 18 vorliegen.

[0036] 

Fig. 9 verdeutlicht die erfindungsgemäße zweistufige Feststoffaustragsvorrichtung mit Abschirmkegel 4, der um das Zentral-Tauchrohr 7 unterhalb des zylindrischen Abschirmbehälters 20 angeordnet ist, welcher zwischen das untere Ende des Konusmantels 12b und den drsten Feststoffsammelbehälter 2a eingeschaltet ist. Der Abschirmkegel 4 ist mit nach unten weisender Grundfläche rings des Zentral-Tauchrohres 7 an diesem befestigt und innerhalb des primären Feststoffsammelbehälters 2a angeordnet. Ein kegelförmiger, sich nach unten erweiternder Abweiserschirm 21 ist im Anschluß an den zylindrischen Abschirmbehälter 20 an der oberen Wand des Sammelbehälters 4 angeordnet und verhindert eine Wiederaufwirbelung bereits abgeschiedenen Feststoffes. Der sekundäre Feststoffsammelbehälter 2b wird an das Zentral-Tauchrohr 7 unterhalb des primären Feststoffsammelbehälters 2a gasdicht angeflanscht.

Fig. 10 verdeutlicht die unterschiedlichen radialen Strömungsprofile der axialen Komponente v_z und der tangentialen Komponente v, der Strömungsgeschwindigkeit im Drallrohr 17 bei unterkritischer und überkritischer 23, 24 Drallströmung, wobei die Rückströmung 18 bei überkritischer Drallströmung den Transport der im Totwassergebiet 16 konzentrierten Partikel in den sekundären Feststoffsammelbehälter 2b bewirkt.

Fig. 11 verdeutlicht die erzielte Verbesserung der Abscheideleistung anhand von Partikelgrößenverteilungen des Feingutes im Reingaskanal des herkömmlichen Zyklons 26 ohne erfindungsgemäße Tauchrohr-Säule 5, 6, 7 und des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders 25.

[0037] Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Zyklonabscheiders gemäß der Erfindung arbeitet mit folgendem zweistufigen Abscheidungsprozess:

[0038] Das durch einen Verdichter angesaugte staubhaltige Gas strömt in an sich bekannter Weise in den drallerzeugenden Einlaufkanal 11 des Zyklons und über diesen in den zylindrischen äußeren Abscheideraum 3a. Dabei wird das einströmende Gas im Sinne der Erfindung durch das Spalt-Tauchrohr 6 gleichmäßig über die Absaughöhen h; hin abgesaugt.

[0039] Die Strömung im zylindrischen Abscheideraum ist eine Wirbelsenke. Das Gas strömt auf Spiralbahnen mit zunehmender Geschwindigkeit von außen nach innen. Die erzeugte dreidimensionale Drallströmung ermöglicht, daß einerseits die tangentiale Geschwindigkeitskomponente die zur Abscheidung erforderliche Zentrifugalbeschleunigung erzeugt und andererseits die axiale Komponente der Geschwindigkeit den Feststoff spiralförmig entlang des äußeren Zyklonmantels 12 in den primären Feststoffsammelbehälter 2a transportiert, da selbst feine Staubpartikeln den Stromlinien des Gases nicht folgen, weil sie unter Wirkung der hohen Zentrifugalbeschleunigungen aus der gekrümmten Bahn gegen den Zyklonmantel getragen werden. An der Abscheideraumwand beobachtet man die gleichen Sekundärströmungen wie in einer Teetasse. Diese Sekundärströmung längs der Wand des konischen Abscheideraumes 12b ist aber nützlich, da sie ebenfalls den an die Wand getragenen Feststoff erfaßt und nach unten zum Feststoffsammelbehälter 2a führt. Eine Feststoffsträhne an konkaven Wänden entsteht wegen des gestörten Gleichgewichts von Druck- und Zentrifugalkräften.

[0040] Die tangentiale und radiale Komponente der Wirbelsenkenströmung, deren jeweiliges Geschwindigkeitsprofil am Spalt-Tauchrohr 6 über die Höhe des Absaugspaltes h; hin konstant ist, werden zwischen Außenkontur und Innenkontur des Spaltkanals 10 angesaugt, so daß die Partikel im äußeren Strömungsfeld des Zyklons 3a unter konstanten Trennbedingungen zur Abscheidung gezwungen werden. Da die Dimensionierung der Eintrittsfläche des Spalt-Tauchrohres 6 derart erfolgt, daß die Wirbeisenkenströmung im äußeren Abscheideraum 3a nicht gestört wird, herrscht rings der Tauchrohr-Säule 5, 6, _- 7 stets ein starkes Drallfeld, das hohe Zentrifugalkräfte auf die Partikel im Abscheideraum wirken läßt.

[0041] Die aus dem primären Abscheideraum 3a über den Spaltkanal 10 angesaugte Gasströmung wird anschließend an die äußere Mantelfläche des Drallrohres 17 gelenkt, in dem sich ein zweites inneres Drallfeld mit dem Wirbelkern 16 des Zyklons ausbildet, wodurch der sekundäre Abscheidungseffekt eingeleitet wird. Gemäss Fig. 10 weist diese innere Drallströmung nur ein zweidimensionales Strömungsfeid auf, da eine radiale Geschwindigkeitskomponente (Senkenströmung) nicht mehr vorhanden ist. Durch die Drallströmung innerhalb des Drallrohres 17 werden die noch in der Gasströmung suspendierten Feinstpartikeln im Totwasserkern 16 «gefangen» und mit Hilfe der nach unten gerichteten Axialkomponente 18 in den sekundären Feststoffsammelbehälter 12 transportiert. Infolge des Zentral-Tauchrohres 7 haben die Partikel hinreichend axialen Spielraum, um in Bereiche zu gelangen, in denen sämtliche Durchflusskomponenten abgeklungen sind, aber noch starke tangentiale Geschwindigkeitskomponenten herrschen.

[0042] Im Drallrohr 1 fällt der statische Druck wie in jeder gekrümmten Strömung von außen nach innen stark ab. In der Drallrohrachse bzw. Zyklonachse 1 herrscht der niedrigste Druck des Wirbels. Dadurch ist die Druckkraft, die an den Partikeln angreift, wesentlich größer als die Zentrifugalkraft, so daß starke Sekundärströmungen nach innen zur Zyklonachse 1 den sekundären Abscheidungseffekt begünstigen. Die durch die Drallrohrinnenwand zunächst gebundenen Feststoffschichten werden in Richtung des radialen Druckgefälles verdrängt, während die gereinigte Durchflußströmung 23 entlang der inneren Drallrohrwände strömt.

[0043] Bei starkem Drall, der durch eine entsprechende erfindungsgemäße Tauchrohreinlaufkonstruktion angestrebt wird, konzentriert sich der Durchfluß auf eine schmale äußere Ringzone im Drallrohr 17. Die axiale Geschwindigkeitskomponente v_z und der Radius des Totwasserkerns R_o werden größer, vergl. Fig. 10. Der Drall ist über dem Radius r nicht mehr konstant, es bilden sich Geschwindigkeitsspitzen 23, 24. Entsprechend Fig. 10 tritt eine Einschnürung der Axialgeschwindigkeit _Vz in der Zyklonachse 1 ein.

[0044] Bei konstantem Durchfluß besteht nach den Gesetzen des hydrodynamischen Gleichgewichtes eine physikalische Abhängigkeit zwischen Unterdruckkraft, Axialkomponente v_z und Drallstärke, die nur durch den kritischen Drall verändert wird. Durch Drallsteigerung steht einem Minimum an Unterdruckkraft ein Minimum an kinetischer Energie gegenüber. Diese Drallsteigerung läßt den Unterdruck schließlich soweit anwachsen, daß sich eine Rückströmung 18 der Axialgeschwindigkeit innerhalb des Wirbelkerns 16 einstellt. Dieses Phänomen, bei der die Drallströmung ohne innere axiale Rückströmung im Totwasserkern umschlägt in eine Drallströmung mit axialer Rückströmung 18 entlang der Zyklonachse 1, wird zur Partikelabscheidung innerhalb des Drallrohres 17 ausgenutzt. Dieser angestrebte Strömungsumschlag mit maximaler Rückströmung wird bei hohem Drall erzielt und bewirkt den Abtransport der im Totwassergebiet 16 befindlichen Partikel, die infolge des radialen Druckabfalls im Totwassergebiet 16 gefangen gehalten werden.

[0045] Das unterschiedliche Verhalten der Strömungen mit schwachem und starkem Drall längs der Zyklonachse 1, insbesondere innerhalb des Spalt-Tauchrohres 6, läßt sich auf die unterschiedlichen Druckänderungen zurückführen, die bei Strömungen mit starkem Drall eine innere Rückströmung 18 vom Spalt-Tauchrohr 6 in das nachgeschaltete Zentral-Tauchrohr 7 bzw. in den sekundären Feststoffsammelbehälter 2b bewirken. Ein Spalt-Tauchrohr 6, das diese Phänomen der Rückströmungen hervorruft, ist grundsätzlich geeignet, den sekundären Abscheidungseffekt für die Staubabscheidung aus einem strömenden Fluid auszunutzen.

[0046] Während der primäre Abscheidungsprozeß im äußeren Abscheideraum 3a in Analogie zum herkömmlichen Zyklon auf der Wirkung von Zentrifugalkräften auf Partikel beruht, muß zur Realisierung des sekundären Abscheidungsprozesses innerhalb des Drallrohres das Phänomen des Strömungsumschlages für die Partikelabscheidung aus einem strömenden Fluid nutzbar gemacht werden. Auf diese Weise wird eine zweistufige Abscheidung von in Zweiphasenströmungen suspendierten Partikeln in einem einzigen Apparat erreicht.

[0047] Die kinetische Energie der Drallströmung wird durch eine oberhalb des Zyklondeckels 13 angeordnete, in bekannter Weise zu dimensionierende Auslaufspirale 8a mit Aussparkern zurückgewonnen, so daß sowohl die Axialkomponente als auch die Tangentialkomponente der inneren Drallströmung derart verzögert werden, daß Zykloneintrittsgeschwindigkeit und Zyklonaustrittsgeschwindigkeit gleiche Werte annehmen bei gleichen Rohrquerschnitten von Rohgas- und Reingaskanal.

[0048] Die Wirksamkeit des beschriebenen zweistufigen Abscheidungsprozesses konnte durch umfangreiche Experimente an einer Zyklon-Versuchsanlage unter praxisnahen Bedingungen bestätigt werden. Die Reduzierung des grobkörnigen Massenanteils des Feingutes im Reingaskanal durch Einbau der erfindungsgemäßen Tauchrohr-Säule rings der Zyklonachse im Vergleich zu einer herkömmlichen Zyklonbauweise ohne zusätzliche Leit- und Abscheidevorrichtung zeigt Fig. 11 anhand vergleichender Partikelgrößenanalysen des Feingutes, wobei als Aufgabegut Quarzmehl mit einem mittleren Partikelgrößendurchmesser von 6 11m verwendet wurde. Vor allem kann festgestellt werden, daß nicht nur der Gesamtabscheidegrad sich vergrößert bzw. die Feststoffkonzentration im Reingaskanal abnimmt, sondern auch der Fraktionsabscheidegrad entscheidend verbessert wird, da sich die kleinste zu 90% abgeschiedene Partikelgröße von 1511m weit in den feineren Partikelgrößenbereich von 2 11m verschiebt.

[0049] Durch Anwendung der Erfindung wird das Anwendungsgebiet von Zyklonabscheidern wesentlich erweitert. Insbesondere könnte als zukünftiges Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäße Zyklon für die Entstaubung aus der druckbetriebenen Wirbelschichtfeuerung in einer kombinierten Gas/Dampfturbinenanlage eingesetzt werden. Die Gasturbinenschaufeln unterliegen sowohl einem erosiven als auch korrosiven Verschleiß, wobei sich die Erosionskraft ab einem Partikeldurchmesser der Größe d _k 10 µm stark auswirkt. Zusätzlich beeinflußt der luft- /rauchgasseitige Druckverlust des kombinierten Prozesses den Prozeßwirkungsgrad in erheblichem Maße.

Ansprüche

1. Zyklonabscheider mit zwei Abscheideräumen (3a, 3b) und statischen Leitvorrichtungen zur Verbesserung des Abscheidevermögens bezüglich feinstdisperser Partikeln aus strömenden Gasen und Reduzierung des Druckverlustes mit tangentialem (11), spiralförmigem oder schraubenförmigem Einlaufkanal (11), mit einem oben zylindrischen (12a) und darunter konischen (12b) Zyklongehäuse sowie einem darunter angeordneten Feststoffsammelbehälter (2a), wobei in den zylindrischen Abscheideraum von oben zentrisch in das Zyklongehäuse ein zylindrisches Tauchrohr (5) zum Abführen des Reingasstromes hineinragt und an das Tauchrohr nach unten ein in der zylindrischen Trennfläche des Zyklonabscheiders liegendes geschlitztes Spalt-Tauchrohr (6) mit einem in ein Drallrohr (17) einlaufenden Spaltkanal (10) mit schraubenförmiger oder gerader Eintrittskante (9a, 9b) anschließt, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchrohr (5) das Spalt-Tauchrohr (6) und ein an dieses nach unten in der zylindrischen Trennfläche des Zyklonabscheiders anschließendes Zentral-Tauchrohr (7) eine Tauchrohrsäule bilden, die die Zyklonachse (1) auf der gesamten Abscheiderraumhöhe (h) umgibt, den Feststoffsammelbehälter (2a) durchdringt und an einem zweiten Feststoffsammelbehälter (2b) gasdicht angeschlossen ist, wobei das Spalt-Tauchrohr (6) das allein absaugende Teiltauchrohr ist.

2. Zyklonabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einlaufkanal (11) und dem Spalt-Tauchrohr (6) ein dieses vor Kurzschlußströmungen schützendes Leitblech (27) vorgesehen ist.

3. Zyklonabscheider nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitblech (27) an dem _'Tauchrohr (5) unterhalb des Zyklon-Einlaufkanals (11) in der horizontalen, zum Zyklondeckel (13) parallelen Ebene derart im äußeren Abscheideraum (3a) installiert ist, daß Kurzschlußströmungen der Drallströmung direkt in den Absaugkanal (10) des Spalt-Tauchrohres (6) unterbunden werden.

4. Zyklonabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das allein absaugende Spalt-Tauchrohr (6) als strömungsgünstige Zulaufleitvorrichtung für ein oberhalb des Zyklondeckels (13) angeordnetes Auslaufspiralgehäuse (8a) mit Aussparkern (8b) ausgebildet ist.

5. Zyklonabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche des parallelwandigen Spaltkanals (10) des Spalt-Tauchrohrs (6) als geschlitzte Öffnung innerhalb des Spalt-Tauchrohrmantels derart ausgebildet ist, daß sich im Einlaufbereich des Spaltkanals die geforderte Strömungsgeschwindigkeit an der Trennfläche entsprechend der vorhandenen Drehsenkenströmung einstellt, die ihrerseits durch den Verlauf des Spalt-Tauchrohrumfangs als logarithmische Spirale--(15) strömungsgünstig an der Trennfläche abgegriffen wird, so daß die gekrümmten Stromlinien der durch den Spaltkanal (10) in das Drallrohr (17) eintretenden Gasströmung entlang der äußeren und inneren Spaltkanalkontur und gleichsinnig mit der Zykloneintrittsströmung verlaufen.

6. Zyklonabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spalt-Tauchrohr (6) mit vier am Tauchrohrumfang gleichmäßig verteilten parallelwandigen Einlaufkanälen (10) mit jeweils gerader Eintrittskante (9) versehen ist, so daß die gemeinsame Diagonale (14) der vier um 90° versetzten Aussparungsflächen (15) eine eingängige Schraubenlinie um das Spalt-Tauchrohr (6) als Einlaufkanal mit beschleunigender Strömungswirkung für ein zur Zyklonachse (1) symmetrisches Drallrohr (17) vorgesehen ist, wodurch sich innerhalb des Drallrohres (17) ein Totwassergebiet (16) mit axialen Rückströmungen (18) in das Zentral-Tauchrohr (7) ausbildet bei entsprechend hoher Drallstärke, die durch die geometrische Gestaltung des Spaltkanakls (10) und des Spalt-Tauchrohres (6) festgelegt ist, und wobei hohe Unterdruckwerte auf der Zyklonachse (1) und starke Druckänderungen in Achsrichtung die intensive Rückströmung (18) in das Zentral-Tauchrohr (7) und anschließend in den sekundären Feststoffsammelbehälter (2b) induzieren.

7. Zyklonabscheider nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Rotationssymmetrie und der Drallstärke das Spalt-Tauchrohr (6) mit vier schraubenförmig am Tauchrohrumfang verteilten Spaltkanälen (10) durch ein Spalt-Tauchrohr ersetzt ist, das entweder mit mehreren am Tauchrohrumfang in gleicher axialen Höhe gleichmäßig verteilten Spaltkanälen (10) mit jeweils gerader Eintrittskante (9b) oder mit einem parallelwandigen schraubenförmigen Spaltkanal (10) versehen ist, der eine schraubenförmige Eintrittskante (9a) und eine schraubenförmige Austrittskante (9c) aufweist, wodurch eine überkritische Drallstärke mit Rückströmungen (18) in das Zentral-Tauchrohr (7) erzeugt wird, wenn der jeweilige Spaltkanal (10) als gekrümmter Umlenkkanal mit beschleunigender Wirkung ausgebildet ist und der jeweilige Spaltkanal (10) mit einer oberen und unteren Abdeckplatte (19) versehen ist, wodurch die Absaugung aus dem äußeren Abscheideraum (3a) ausschließlich über einen schraubenförmigen Spaltkanal oder über mehrere hochkantige am Tauchrohrumfang gleichmäßig verteilte Spaltkanäle erfolgt.

8. Zyklonabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Abschirmbehälter (20) zwischen dem konischen Teil (12b) des äußeren Abscheideraumes (3a) und dem ersten Feststoffsammelbehälter (2a) derart dazwischengeschaltet ist, daß die äußere Drallströmung auf einem als Abschirmkegel (4) ausgebildeten äuße- . ren Teilstück des Zentral-Tauchrohres (7) innerhalb des ersten Feststoffsammelbehälters (2a) ausläuft, wodurch der abgeschiedene Feststoff störungsfrei ohne Mitreißeffekte im Ringspalt (22) zwischen dem zylindrischen Abschirmbehälter (20) und dem Zentral-Tauchrohr (7) in den ersten Feststoffsammelbehälter (2a) eindringen kann und der Feststoff durch die Anordnung eines kegelförmigen Abweiserschirms (21) unterhalb des zylindrischen Abschirmbehälters (20) und um den Abschirmkegel (4) nicht wieder in den äußeren Abscheideraum (3a) hineingewirbelt werden kann.

Claims

1. Cyclone separator with two separating zones (3a, 3b) and static guide mechanisms for improving the separating capacity with respect to very finely dispersed particles from flowing gases and reducing the pressure drop, with a tangential (11 spiral or helical intake channel (11), an upper cylindrical (12a) and a lower conical (12b) cyclone casing, as well as a solids collecting container (2a) located below it, wherein in the cylindrical separaring zone a cylindrical immersion tube (5) for removing the pure gas flow projects centrally from above into the cyclone casing and a slotted slit immersion tube (6), lying in the cylindrical interface of the cyclone separator, with a slit channel (10) opening into a swirl promoter (17) and having a helical or straight leading edge (9a, 9b) joins to the immersion in tube from below, characterized in thatthe immersion tube (5), the slit immersion tube (6) and a central immersion tube (7) joining to the latter towards below in the cylindrical interface of the cyclone separator form an immersion tube column which surrounds the cyclone axis (1) on the entire separating zone height (h), passes through the solids collecting container (2a) and is connected in gas tight manner to a second solids collecting container (2b), wherein the slit immersion tube (6) is the sole sucking part immersion tube.

2. Cyclone separator according to claim 1, characterized in that between the intake channel (11) and the slit immersion tube (6) is provided a baffle (27) protecting the latter against short-circuit flows.

3. Cyclone separator according to claim 2, characterized in that the baffe (27) on the immersion tube (5) below the cyclone intake channel (11) is installed in the outer separating zone (3a) in the horizontal plane parallel to cyclone cover (13), so that short-circuit flows of the swirling flow directly into the suction channel (10) of the slit immersion tube (6) are prevented.

4. Cyclone separator according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the sole sucking slit immersion tube (6) is constructed as flow-favourable intake guide mechanism for an outlet spiral casing (8a) with recess core (8b) positioned above the cyclone cover (13).

5. Cyclone separator according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the intake face of the parallel-wall slit channel (10) of the slit immersion tube (6) is constructed as a slotted opening within the slit immersion tube jacket in such a way that in the intake region of the slit channel the required flow velocity is set on the interface in accordance with the rotary sink flow present, which is in turn capped by the course of the slit immersion tube circumference as a logarithmic spiral (15) in flow-favourable manner on the interface so that the curved flow lines of the gas flow entering through the slit channel (10) into the swirl promoter (17) pass along the outer and inner slit channel contour and in the same direction as the cyclone entry flow.

6. Cyclone separator according to claim 1, characterized in that the slit immersion tube (6) is provided with four parallel-wall intake channels (10) uniformly distributed around the immersion tube circumference and with in each case a straight leading edge (9), so that the common diagonal (14) of the four recess faces (15) displaced by 90° forms a single helical line about the slit immersion tube (6) as an intake channel with an accelerating flow action for a swirl promoter (17) symmetrical to cyclone axis (1), so that within the swirl promoter (17) a wake area (16) forms with axial return flows (18) into the central immersion tube (7) in the case of correspondingly high swirl intensity, being defined by the geometrical design of the slit channel (10) and the slit immersion tube (6), and wherein high vacuum values on the cyclone axis (1) and strong pressure changes in the axial direction induce an intense return flow (18) into the central immersion tube (7) and subsequently into the secondary solids collecting container (2b).

7. Cyclone separator according to claims 1 and 6, characterized in that for increasing the rotational symmetry and swirl intensity the slit immersion tube (6) with four intake channels (10) helically distributed about the immersion tube circumference is replaced by a slit immersion tube provided either with several slit channels (10) uniformly distributed at the same axial height around the immersion tube circumference and in each case having a straight leading edge (9b) or with a parallel-wall, helical slit channel (10) which has a helical leading edge (9a) and a helical trailing edge (9c), so that a supercritical swirl intensity with return flows (18) into the central immersion tube (7) is produced if the particular slit channel (10) is constructed as a curved deflecting channel with an accelerating action and the particular slit channel (10) is provided with an upper and a lower coverplate (19), so that the suction from the outer separating zone (3a) takes place exclusively by means of a helical slit channel or by means of several slit channels uniformly distributed edgewise on the immersion tube circumference.

8. Cyclone separator according to one of claims 1 to 7, characterized in that a cylindrical shielding container (20) is interposed between the conical part (12b) of the outer separating zone (3a) and the first solids collecting container (2a), so that the outer swirl flow ends on an outer portion of the central immersion tube (7) constructed as a shielding cone (4) within the first solids collecting container (2a), so that the separated solids can penetrate the first solids collecting container (2a) in troublefree manner and without entraining effects in the annular clearance (22) between the cylindrical shielding container (20) and the central immersion tube (7) and through the arrangement of a conical deflecting shield (21) below the cylindrical shielding container (20) and about the shielding cone (4) the solids cannot be whirled into the outer separating zone (3a) again.

Revendications

1. Séparateur à cyclone comportant deux chambres de séparation (3a, 3b) et des dispositifs statiques de guidage pour l'amélioration de la capacité de séparation lors de la séparation de particules dispersées très finement d'avec des gaz en écoulement rapide, et pour la réduction de la perte de pression, comportant un canal d'entrée (11) tangentiel en forme de spirale ou d'hélice, un corps de cyclone cylindrique dans sa partie supérieure (12a) et conique dans sa partie inférieure (12b1, ainsi qu'un collecteur (2a) de matière solide disposé en-dessous, un tube plongeur cylindrique (5) destiné à l'évacuation du courant de gaz épuré dépassant du dessus à l'intérieur du corps de cyclone dans la chambre de séparation cylindrique, et un tube plongeur (6) à fente, situé dans le bas, dans la surface de séparation cylindrique du séparateur à cyclone, comportant une fente de passage (10), muni d'un bord d'entrée hélicoïdal ou droit (9a, 9b) donnant accès à un tube à tourbillonnement (17), caractérisé en ce que le tube plongeur (5), le tube plongeur (6) à fente et un tube plongeur central (7) qui se raccorde à celui-ci vers le bas dans la surface de séparation cylindrique du séparateur à cyclone, forment une colonne de tubes plongeurs qui entoure l'axe (1) du cyclone sur toute la hauteur (h) de la chambre de séparation, traverse le collecteur (2a) de matière solide et est raccordée de façon étanche aux gaz à un deuxième collecteur (2b) de matière solide, le tube plongeur (6) à fente étant le seul tube qui aspire.

2. Séparateur à cyclone selon la revendication 1, caractérisé en ce que entre le canal d'entrée (11 ) et le tube plongeur (6) à fente, on prévoit une tôle de guidage (27) protégeant celui-ci des courants formant court-circuit.

3. Séparateur à cyclone selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tôle de guidage (27) est installée dans la chambre de séparation extérieure (3a) sur le tube plongeur (5) en dessous du canal d'entrée (11) du cyclone, dans le plan horizontal parallèle au couvercle (13) du cyclone, de manière à ce que soit empêchée la formation de courants dans le courant tourbillonnaire, qui formeraient un court-circuit en pénétrant directement dans le passage d'aspiration (10) du tube plongeur (6) à fente.

4. Séparateur à cyclone selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tube plongeur (6) à fente, qui est le seul à aspirer, est conformé de façon à constituer un dispositif de guidage d'amenée à écoulement rapide préférentiel donnent sur un corps d'évacuation (8a) en forme de spirale disposé au-dessus du couvercle (13) de cyclone et comportant un noyau évidé (8b).

5. Séparateur à cyclone selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface d'entrée de la fente de passage (10) à parois parallèles du tube plongeur (6) à fente est une fente pratiquée dans l'enveloppe extérieure du tube plongeur à fente, de manière telle que, dans la zone d'entrée de la fente, se crée la vitesse d'écoulement rapide nécessaire sur la surface de séparation, en correspondance avec le courant descendant rotatif existant qui, de son côté, est capté à la surface de séparation de façon aérodynamique en raison du profil de spirale logarithmique de la périphérie du tube plongeut à fente, de telie sorte que les filets d'écoulement courbes du courant de gaz pénétrant dans le tube à tourbillonnement (17) par la fente (10), s'étendent le long du contour intérieur et du contour extérieur de la fente et ce, dans le même sens que le courant d'entrée dans le cyclone.

6. Séparateur à cyclone selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube plongeur (6) à fente est muni de quatre passages d'entrée (10) comportant chacun un bord d'attaque droit (9), dont les parois sont parallèles et qui sont répartis régulièrement sur la périphérie du tube plongeur, de façon telle que la diagonale commune (14) des quatres surfaces (15) d'évidement décalées de 90° forme une hélice à une spire autour du tube plongeur (6) à fente, et soit prévue pour servir de passage d'entrée avec effet d'accélération de l'écoulement, vers un tube à tourbillonnement (17) symétrique à l'axe (1) de cyclone, une zone morte (16) se créant à l'intérieur du tube à tourbillonnement (17), avec des courants axiaux en sens inverse, lorsque le tourbillon à une intensité qui est déterminée par la conformation géométrique des fentes (10) et du tube plongeur (6) à fente; des valeurs élevées de dépression sur l'axe (1) de cyclone et d'importantes variations de pression aans le sens de l'axe provoquant un courant intense en sens inverse (18) dans le tube plongeur centrai (7: ensuite jusque dans le collecteur secondaire (2b) de matière solide.

7. Séparateur à cyclone selon les revendications 1 et 6, caractérisé en ce que pour augmenter ia symétrie de rotation et la force du tourbillon, le tube plongeur (6) à fente comportant quatre fentes (10) de passage hélicoïdal réparties sur la périphérie du tube plongeur est remplacé par un tube plongeur à fente qui est muni soit de plusieurs fentes (10) de passage réparties régulièrement sur la périphérie du tube plongeur à la même hauteur axiale et comportant chacunes un bord d'attaque (9b) droit, soit d'une fente de passage (10) hélicoïdal à parois parallèles, qui présente un bord d'attaque (9a) hélicoïdal et un bord de fuite hélicoïdal (9c), une intensité de tourbillon hypercritique étant alors produite, avec des courants en sens inverse (18) dans le tube plongeur central (7), lorsque la fente de passage (10) considérée a une forme de passage de déviation courbe doté d'un effet d'accélération et que la fente de passage (10) considérée est munie d'une plaque de couverture supérieure (19) et d'une plaque de couverture inférieure (19), grâce à quoi, l'aspiration en provenance de la chambre de séparation extérieure (3a) se fait exclusivement par l'intermédiaire d'une fente de passage hélicoïdal, ou par l'intermédiaire de plc- sieurs fentes de passage à bords éievés réparties régulièrement sur la périphérie du tube plongeur.

8. Séparateur à cyclone selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un récipient déflec- t_ejr cylindriaue (20) est inséré entre la partie conique (12b) de la chambre de séparation extérieure (3a) et le premier collecteur (2a) de collecte de matière solide, de telle manière que le courant tourbillonnaire extérieur s'échappe à l'intérieur du premier collecteur de matière solide (2a) sur une pièce extérieure faisant partie du tube plongeur central (7) et ayant la forme d'un cône déflecteur (4), la matière solide qui a été séparée pouvant ainsi pénétrer sans perturbation et sans effet d'entraînement dans le premier collecteur (2a) de matière solide, par la fente annulaire (22) située entre le récipient déflecteur cylindrique (20) et le tube plongeur central (7), la matière solide ne pouvant alors pas retourner en tourbillonnant dans la chambre de séparation extérieure (3a), du fait de la mise en place d'un butoir conique (21 ) en dessous du récipient déflecteur cylindrique (20) et autour du cône déflecteur (4).

Zeichnung