[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung des Abscheidungsgrades
eines Zyklons gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie einen Zyklonenabscheider
zur Durchführung des Verfahrens.
[0002] Der Abscheidungsgrad eines Zyklons ist in hohem Maße von der Eintrittsgeschwindigkeit
in den Zyklon und von der Größe der Partikel abhängig. Je größer die Eintrittsgeschwindigkeit,
um so größer ist der Abscheidungsgrad. Kleine Partikel sind schwerer abzuscheiden
als große. Dies hängt damit zusammen, daß kleine Partikel eine niedrige Fallgeschwindigkeit
haben und leichter mit dem Luftstrom in den zentralen Teil des Zyklons mitgerissen
werden.
[0003] Um den Abscheidungsgrad zu erhöhen, ist es naheliegend, die Eintrittsgeschwindigkeit
in den Zyklon zu erhöhen. Dies hat jedoch bei einer Anlage bekannter Ausführung folgende
nachteilige Wirkungen:
1. Der Druckabfall wird größer.
2. Die Erosion an der Mantelfläche des Zyklons nimmt zu. Diese Erosion wird zum überwiegenden
Teil durch die größeren Partikel verursacht.
[0004] Der erhöhte Druckabfall ist häufig akzeptierbar; dagegen führt die Erosion bei einer
Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit zu einer drastischen Verkürzung der Lebensdauer
des Zyklons. Daher werden im allgemeinen keine höheren Eintrittsgeschwindigkeiten
als 20 bis 30 m/s angewendet.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des
Anspruches 1 nebst Durchführungsanordnung zu entwickeln, das einen erheblich größeren
Abscheidungsgrad hat, ohne daß dadurch die genannte Verkürzung der Lebensdauer durch
erhöhte Eintrittsgeschwindigkeiten des Gases am Eintritt des Zyklons eintritt.
[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches
1 genannten Merkmale hat.
[0007] Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen
2 bis 4 genannt.
[0008] Ein Zyklonenabscheider zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß der Erfindung durch
die in den Ansprüchen 5 und 6 genannten Merkmale gekennzeichnet.
[0009] Gemäß der Erfindung werden die Partikel in dem Transportgas in einem gewissen Abstand
vor dem Eintritt in den Zyklon gebremst bzw. zum Stillstand gebracht. Hinter dieser
Bremsstelle werden die Partikel von dem Transportgas erneut beschleunigt. Dabei werden
die großen, schweren Partikel langsamer als die kleinen, leichten Partikel beschleunigt.
Durch Anordnung der Bremsstelle in einem geeigneten Abstand von dem Eingang des Zyklons
kann ein gewünschtes "Geschwindigkeitsprofil" für die Partikel am Eingang in den Zyklon
erreicht werden. Dieser Abstand wird so gewählt, daß die Partikel, deren Größe oberhalb
eines bestimmten Wertes liegt und die folglich eine große Erosionswirkung haben, eine
Geschwindigkeit bekommen, die ca. 20 m/s nicht übersteigt. Die kleinsten Partikel
werden schnell auf die Geschwindigkeit des Transportgases beschleunigt. Durch die
hohe Eintrittsgeschwindigkeit erhält man im Vergleich zu bekannten Reinigungsanlagen
einen besseren Abscheidungsgrad für kleine Partikel und einen gleich guten Abscheidungsgrad
für große Partikel. Der GesamtaAbscheidungsgrad wird also vergrößert, ohne daß die
Erosion und der damit verbundene Verlust an Lebensdauer des Zyklons steigen.
[0010] Das Abbremsen der Partikel kann in einem T-förmigen Abzweigrohr geschehen, welches
mit dem dem senkrechten Balken des "T"s entsprechenden Teil an den Eingang des Zyklons
angeschlossen ist. Der Querbalken des "T"s ist mit seinem einen Ende an die Transportleitung
angeschlossen, während das andere Ende mit einem Deckel verschlossen ist und einen
Blindraum bildet. In diesem Blindraum sammelt sich ein aus Partikeln bestehendes "Kissen",
das eine bremsende Aufprallfläche bildet und einen Direktkontakt der strömenden Partikel
mit dem Material des Abzweigrohres und somit eine Erosion desselben verhindert. Es
versteht sich, daß der dem Querbalken des "T"s entsprechende Teil des Abzweigrohrs
unterschiedlich lange Enden haben kann.
[0011] Die Erfindung kann beispielsweise in einer Verbrennungsanlage mit einem unter Druck
stehenden Wirbelbett (PFBC-Anlage) und Gasturbinen, die mit den Verbrennungsgasen
der Anlage angetrieben werden, verwendet werden. Hier ist es erforderlich, die den
Verbrennungsgasen folgenden Partikel gründlich abzuscheiden, um Erosionsschäden in
den Turbinen zu verhindern. Bei der Anwendung der Erfindung kann man entweder die
Anzahl der in Reihe geschalteten Reinigungsstufen beibehalten und somit einen höheren
Reinigungsgrad erhalten, oder man kann die Anzahl der in Reihe geschalteten Reinigungsstufen
bei gleichbleibendem Reinigungsgrad verringern. Im letztgenannten Fall sind weniger
Zyklone erforderlich, und es wird auch weniger Platz für die Zyklone benötigt. Der
Druckbehälter kann kleiner ausgeführt werden. Die Anlagekosten werden erheblich reduziert.
Der Druckabfall, den die Ablenkung in den T-förmigen Abzweigrohren verursacht, wird
durch eine kleinere Anzahl der in Reihe geschalteten Zyklone kompensiert.
[0012] Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher
erläutert werden. Es zeigen
Figur 1 einen bekannten Zyklon im horizontalen Schnitt,
Figur 2 einen entsprechenden Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Zyklons gemäß
der Erfindung,
Figur 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Erfindung.
[0013] In den Figuren bezeichnet 1 einen Zyklon, dem partikelhaltiges Gas durch die Transportleitung
2 zugeführt wird. Die Partikel, z.B. Staub, die von den Verbrennungsgasen mitgerissen
werden, die ein unter Druck stehendes Wirbelbett einer Verbrennungsanlage, z.B. einer
Kraftwerksanlage, verlassen, haben in der Transportleitung 2 im wesentlichen dieselbe
Geschwindigkeit wie das Transportgas. Bei der bekannten Ausführungsform gemäß Fig.
1, bei der die Transportleitung tangential direkt im Zyklon 1 mündet, haben Gas und
Partikel beim Eintritt in den Zyklon 1 dieselbe Geschwindigkeit. Besonders grobe Partikel
bewirken bei hoher Eintrittsgeschwindigkeit eine starke Erosion in dem mit 3 bezeichnet
Abschnitt der Wand des Zyklons. Aus praktischen Gründen, nämlich mit Rücksicht auf
die Lebensdauer, liegt die Grenze für die Eintrittsgeschwindigkeit gewöhnlich zwischen
15 und 20 m/s. Bei dieser Eintrittsgeschwindigkeitist die erzielte Abscheidung kleiner
Partikel nicht zufriedenstellend. Bei der Ausführungsform der Reinigungsanlage gemäß
der Erfindung ist ein T-förmiges Abzweigrohr 4 mit seinem dem senkrechten Balken des
"T"s entsprechenden Teil 5 an den Eingang des Zyklon 1 angegeschlossen, während die
Transportleitung an den Teil 6 des Abzweigrohres angeschlossen ist. Der Teil 7 des
Abzweigrohres ist mit einem Deckel 8 verschlossen und bildet einen Blindraum 9, der
sich mit Partikel füllt, die ein Bremskissen bilden, an dem die in der Transportleitung
befindlichen Partikel gebremst werden. Nach dem Bremsen werden die Partikel in dem
Rohrzweig 5 des Abzweigrohres beschleunigt. Kleine Partikel werden dabei schneller
beschleunigt als große. Dadurch, daß man die Länge x Rohrzweigs 5 zweckmäßig im Verhältnis
zu der Partikelbelastung, der Partikelgrößenverteilung, der Partikeldichte, dem Druck
des Transportgases, der Temperatur, der Viskosität usw. wählt, kann man ein geeignetes
"Geschwindigkeitsprofil" für die Partikelmasse in dem Gasstrom erhalten. Dadurch ist
es möglich, Gasgeschwindigkeiten von 50 m/s und mehr anzuwenden, gleichzeitig aber
die Geschwindigkeit der größeren Partikel auf weniger als 15 bis 20 m/s zu begrenzen,
was mit Rücksicht auf die Erosion wünschenswert ist.
[0014] Die Wirkung der Erfindung wird aus Figur 3 deutlich. Die Geschwindigkeit des Transportgases
in der Transportleitung 2 und in dem Abzweigrohr zeigt die Linie 10. Die Partikelgeschwindigkeit
wird durch die Kurve 11 dargestellt, die ein "Geschwindigkeitsprofil" der Partikel
zeigt. Aus der Kurve ersieht man, daß die Partikelgeschwindigkeit mit zunehmender
Partikelgröße kleiner wird. Die Form und die Lage der Kurve sind von der Länge x des
Rohrzweig 5 des Abzweigrohres abhängig. Bei größerer Länge x wird die Kurve nach rechts
oben verschoben, so wie es Pfeil 12 zeigt. Die gestrichelten Kurven 11a bzw. 11b zeigen
Geschwindigkeitsprofile bei größerer bzw. kleinerer Länge x des Teils 5 des Abzweigrohres
5. Die gestrichelte Linie 13 bezeichnet-die normale Eintrittsgeschwindigkeit für Gas
und Partikel bei einer konventionellen Zyklonenkonstruktion. Wie aus der Kurve 11
hervorgeht, liegt die Eintrittsgeschwindigkeit der größeren Partikel unter der Linie
13, was im Hinblick auf die Erosion und die Lebensdauer erwünscht ist.
[0015] Der Zyklonenabscheider gemäß der Erfindung ist außerordentlich wertvoll für die Abscheidung
von Bettmaterial oder Asche aus dem Transportgas einer PFBC-Anlage mit einer Bett-und
Ascheausschubvorrichtung der Art, wie sie in der EP-A-83306073.4 beschrieben wird.
Der Zyklonenabscheider wird an dem Austrittsende der Ausschubvorrichtung zwischen
dieser und einem Sammelbehälter für abgeschiedenes Material angeordnet. Bei der Verwendung
von Ascheausschubvorrichtungen der genannten Art ist es zweckmäßig, mit hohen Transportgeschwindigkeiten,
beispielsweise 50 - 60 m/s, zu arbeiten. Ein direktes Einführen des partikelhaltigen
Gases in einen Zyklon mit dieser hohen Geschwindigkeit würde eine nicht tragbare Erosion
und damit Verkürzung der Lebensdauer des Zyklons zur Folge haben. Durch die Erfindung
wird sowohl ein annehmbarer Verschleiß des Zyklons als auch ein hoher Abscheidungsgrad
für feine Partikel erreicht.
1. Verfahren zur Erhöhung des Abscheidungsgrades eines Zyklons, dadurch gekennzeichnet,
d a B der Strom eines partikelhaltigen Gases vor dem Eintritt in den Zyklon (1) derart
umgelenkt wird, daß die Partikel gebremst werden, und daß die Partikel anschließend
auf einer Transportstrecke zwischen der Umlenkstelle und dem Eintritt in den Zyklon
derart beschleunigt werden, daß größere Partikel bei dem Eintritt in den Zyklon eine
geringere Geschwindigkeit als kleinere Partikel haben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d a B das strömende partikelhaltige
Gas um ca. 90° umgelenkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, d a B die Umlenkung in einem
T-förmigen Abzweigrohr (4) geschieht, das mit einem Blindraum (9) versehen ist, in
dem eine Pulversäule gebildet wird, die eine bremsende Aufprallfläche für die Partikel
an der Umlenkstelle bildet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
es bei einer Bett- und Ascheausschubvorrichtung in einer PFBC-Anlage zum Abscheiden
von Bettmaterial oder Asche aus dem Transportgas angewendet wird.
5. Zyklonenabscheider zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, d a B die Zuführleitung zu dem Zyklon mit einem
T-förmigen Abzweigrohr (4) versehen ist, das mit seinem dem senkrechten Balken des
"T"s entsprechenden Teil (5) an den Eingang des Zyklons (1) angeschlossen ist.
6. Zyklonenabscheider nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er zu einer Bett-
und Ascheausschubvorrichtung in einer PFBC-Anlage zum Abscheiden von Bettmaterial
oder Asche aus dem Transportgas gehört.