Fliehkraftabscheider

Abstract

 Zum Abscheiden von Feststoffpartikeln aus einem Gasstrom mittels Fliehkraft wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bestehend im wesentlichen aus einem vertikal angeordneten zylindrischen Gehäuse mit einem koaxialen oberen Gasauslaßrohr, einer sich koaxial bis in das Gehäuse hinein erstreckenden unteren Gaszuleitung und einem seitlich unten am Gehäuse angeordneten Feststoffauslaß) der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Gaszuleitung 2 an ihrem oberen Ende geschlossen ist und einen Kanal 3 (oder höchstens zwei Kanäle) aufweist, in dem ein senkrecht von unten ankommender Gasstrom in eine im wesentlichen horizontale und zur Gaszuleitung 2 tangentiale Richtung gelenkt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abscheiden von Feststoffpartikeln aus einem Gasstrom mittels Fliehkraft sowie auf die Anwendung derartiger Vorrichtungen in einer Anlage zum mehrstufigen Wärme- und/oder Stoffaustausch.

[0002] Aus der CH-PS 411 536 ist eine gattungsmäßige Vorrichtung bekannt, bei der sich der Gasstrom in einer ringförmigen Trennzone schraubenförmig abwärts und danach innerhalb der Trennzone aufwärts bewegt. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuleitung im oberen Bereich von innen her in eine ringförmige Trennzone führt und mindestens einen Durchtrittskanal für den Gasstrom im Bereich der Abflußzone aufweist.

[0003] Bei dieser bekannten Vorrichtung wird der senkrecht von unten ankommende Gasstrom zuerst horizontal/radial nach außen, dann tangential, dann schraubenförmig abwärts und schließlich nach innen und oben umgelenkt. Außerdem wird er - jedenfalls nach den dargestellten Ausführungsbeispielen - in mehrere Teilströme aufgeteilt, um insoweit radial symmetrische Abscheideverhältnisse zu erreichen.

[0004] Diese Art der Gasführung ist nicht nur mit erheblichen Strömungsverlusten verbunden, sie ist auch hinsichtlich der Abscheideleistung nicht befriedigend, weil der Gasstrom im abwärts gerichteten Strömungsbereich parallel zur Bewegung der Feststoffpartikel verläuft, wodurch bereits abgeschiedene Partikel vom Gasstrom wieder erfaßt und aus der Vorrichtung abgeführt werden können.

[0005] Es besteht die Aufgabe, eine Vorrichtung gattungsmäßiger Art zu schaffen, bei der die Strömungsverluste deutlich verringert sind, ohne daß die Abscheideleistung beeinträchtigt wird.

[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß bei der gattungsmäßigen Vorrichtung die Gaszuleitung an ihrem oberen Ende geschlossen ist und einen Kanal aufweist, in dem ein senkrecht von unten ankommender Gasstrom in eine im wesentlichen horizontale und zur Gasleitung tangentiale Richtung umgelenkt wird.

[0007] Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen 2 bis 16 beschrieben.

[0008] Die vorgeschlagene Vorrichtung weist einen um wenigstens 15 % niedrigeren Strömungsverlust im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen dieser Art auf. Dies wirkt sich insbesondere dann vorteilhaft aus, wenn die Vorrichtungen gemäß Anspruch 17 in einer Anlage zum mehrstufigen Wärme- und/oder Stoffaustausch verwendet werden. In diesen Fällen können wegen der kompakten Bauweise auch die Wärmeverluste durch Abstrahlung sowie bessere Abscheidung in den unteren Stufen um wenigstens 10 % gesenkt und Einsparungen bei den Investitionskosten von 10 bis 20 % erzielt werden. Die Abscheideleistung beträgt je nach konstruktiver Ausführung 85 bis 95 % und mehr.

[0009] Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat weiter den Vorteil, daß sie konstruktiv sehr einfach ist, keine komplizierten Bauteile aufweist und keine Aufteilung des Gasstroms erzwingt. Nur bei sehr großen Gasmengen und entsprechend großen Querschnitten der Gaszuleitung kann es zweckmäßig sein, zwei Kanäle für den Gasaustritt vorzusehen (Fig.4). Die ungeteilte Gasführung wirkt sich nicht nur bei der Herstellung, sondern auch im Betrieb vorteilhaft aus. Ablagerungen von Feststoffpartikeln und Verschleiß der Vorrichtung können so auf ein Minimum reduziert werden.

[0010] Weitere Einzelheiten werden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 zeigt stark vereinfacht den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung in der Seitenansicht.

Figur 2a,b zeigt einen Schnitt längs der Linie A-A in Figur 1 und einen Schnitt B-B in Figur 2a.

Figur 3 zeigt eine Anlage gemäß Anspruch 17 mit drei übereinander angeordneten erfindungsgemäßen Vorrichtungen.

Figur 4a,b zeigt stark vereinfacht den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung mit 2 Kanälen.

[0011] Die Vorrichtung gemäß Figur 1 besteht aus einem vertikal angeordneten, zylindrischen Gehäuse 1, in das von unten die Gaszuleitung 2 hineinragt und von dem oben das Gasauslaßrohr 9 abgeht. Die Gaszuleitung 2 ist an ihrem oberen Ende geschlossen und weist hier einen Kanal 3 auf, durch den der senkrecht von unten ankommende Gasstrom in eine horizontale, zur Gaszuleitung 2 tangentiale Richtung umgelenkt wird, wie durch Pfeile angedeutet. Der Kanal 3 weist hierzu einen zylindrischen vertikalen Wandungsteil 4 auf, dessen Radius in Strömungsrichtung spiralförmig zunimmt, sowie je eine obere und untere horizontale Abdeckung 6 und 7 zwischen Wandungsteil 4 und Gaszuleitung 2. Die Wandung 5 der Gaszuleitung 2 ist gegenüber dem Wandungsteil 4 ganz oder teilweise entfernt. Der Wandungsteil 4 kann sich ab Beginn der radialen Erweiterung über einen Winkel von 150 bis 300⁰ erstrecken. Üblicherweise wird er sich über einen Winkel von 150 bis 180° erstrecken. Konstruktiv besonders einfach kann der Kanal 3 gestaltet werden, wenn das Wandungsteil 4 aus der Wand 5 der Gaszuleitung gebildet ist. Über die Leitung 8 werden die abgeschiedenen Feststoffpartikel aus der Vorrichtung abgeführt.

[0012] Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch konstruktive Abwandlungen des Kanals 3 je nach Anwendungszweck auf minimalen Strömungsverlust oder maximale Abscheideleistung optimiert werden. Eine Verbesserung der Abscheideleistung wird erreicht, wenn der Wandungsteil 4 sich über einen Winkel von 180 bis 270° erstreckt, wobei die Wandung 5 der Gaszuleitung 2 ab Beginn der radialen Erweiterung nur über einen Winkel von 150 bis 180° entfernt ist. Außerdem können die Betriebsdaten der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch beeinflußt werden, daß sich die untere und obere horizontale Abdeckung entweder über die volle Länge des Wandungsteils 4 erstreckt oder aber, daß sich die untere Abdeckung nur über einen Teil der Länge des Wandungsteils 4, beispielsweise über einen Winkel von 150 bis 180° erstreckt. Der freie Querschnitt des zylindrischen Gehäuses 1 wird zweckmäßigerweise 3 bis 7 mal so groß wie der freie Querschnitt der Gaszuleitung 2 ausgebildet. Der Austrittsquerschnitt des Kanals 3 soll 0,6 bis 1,2 mal so groß wie der freie Querschnitt der Gaszuleitung sein.

[0013] Zwischen zylindrischem Gehäuse 1 und oberer Gasaustrittsöffnung 10 wird zweckmäßigerweise ein sich konisch verengender Austrittsstutzen 11 vorgesehen. Der untere Abschluß des Gehäuses 1 kann durch eine schräg gestellte ebene Wand 12 gebildet sein, wobei sich der Anstellwinkel nach dem Fließverhalten der Feststoffpartikel richtet. Zur Vermeidung von Ablagerungen sollte der obere Abschluß 13 der Gaszuleitung 2 dachförmig ausgebildet sein. Ferner ist es vorteilhaft, wenn im oberen Ende der Gaszuleitung 2 eine Umlenkwand 14 vorgesehen wird, um Wirbelbildung und damit Strömungsverluste zu vermeiden.

[0014] Durch die Ausbildung des Kanals 3 erhält der Gasstrom den erforderlichen Drall, um die mitgeführten Feststoffpartikel mittels Fliehkraft im Gehäuse 1 nach außen in Richtung Wand abscheiden zu können, von wo aus sie dann unter dem Einfluß der Schwerkraft nach unten sinken, während der Gasstrom auf zunächst schraubenförmiger, sich dann spiralförmig verjüngender Bahn ansteigend das Gehäuse durch die Gasauslaßöffnung 10 verläßt. Wichtig ist, daß der Gasstrom durch die konstruktive Ausbildung des Kanals 3 keine vertikal abwärts gerichtete Bewegungskomponente erhält, wodurch das Maß der Strömungsumlenkung auf das absolute Minimum beschränkt und die Gefahr der Aufnahme bereits abgeschiedener Feststoffpartikel ausgeschlossen wird. Die geschilderte Gasführung ermöglicht die angestrebte hohe Abscheideleistung bei geringstmöglichen Strömungsverlusten.

[0015] Aus Figur 2a und b wird deutlich, wie der Kanal 3 im wesentlichen durch den sich spiralförmig erweiternden Wandungsteil 4 gebildet wird.

[0016] Bei den für derartige Vorrichtungen üblichen, sogenannten Leerlaufversuchen, d.h. bei einem Betrieb mit unterschiedlichem Gasdurchsatz ohne Feststoffbeladung wurde festgestellt, daß der Druckverlust bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung um bis zu 40 % niedriger ist als bei herkömmlichen Vorrichtungen, wobei erfahrungsgemäß Verbesserungen gleicher Größenordnung auch in der Praxis erzielt werden. Verständlicherweise war man schon immer bemüht, die Abscheideleistung bei sogenannten Fliehkraftabscheidern (oder Zyklonen) mit geringstmöglichem Druckverlust zu erreichen, wobei man jedoch schon seit langem keine nennenswerten Verbesserungen mehr erzielen konnte, die auch wirtschaftlich vertretbar waren. Es war nicht vorauszusehen, daß man mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, gleichzeitig eine erhebliche Verbesserung hinsichtlich der Strömungsverluste ohne Beeinträchtigung der Abscheideleistung erzielen und außerdem die Vorrichtung konstruktiv vereinfachen und in der Herstellung verbilligen konnte.

[0017] Figur 3 zeigt schematisch die Anwendung von drei erfindungsgemäßen Vorrichtungen in einer Anlage zum mehrstufigen Wärme- und/oder Stoffaustausch zwischen einem Gasstrom und einem Strom von Feststoffpartikeln. Dabei sind die Gasauslaßrohre der jeweils unteren Vorrichtung 15b,c koaxial in die Gaszuleitungen der jeweils oberen Vorrichtungen 15a,b übergehend ausgebildet und jeweils unterhalb der Vorrichtungen 15a bis c Einlässe 16a bis c zum Einbringen der Feststoffpartikel in die Gaszuleitungen 2 vorgesehen. In den obersten Einlaß 16a werden die Feststoffpartikel erstmalig in den Gasstrom eingebracht, während die Einlässe 16b und c mit den Feststoffauslässen der darüber angeordneten Vorrichtungen 15a und b durch eine Rohrleitung verbunden sind. Der von den Feststoffpartikeln im wesentlichen befreite Gasstrom verläßt die Anlage durch das Gasauslaßrohr der obersten Vorrichtung 15a, während der Strom von Feststoffpartikeln aus dem Feststoffauslaß der untersten Vorrichtung 15c abgeführt wird.

[0018] In Figur 4a und b ist eine Vorrichtung mit zwei um 18₀° versetzt angeordneten Kanaälen 3 dargestellt. Im übrigen entspricht die Konstruktion und Bezifferung der Figur 2a und b. Diese Ausführung kommt nur für sehr große Gasströme und dem entsprechend große Durchmesser der Vorrichtung in Betracht.

[0019] Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich augenfällig auch aus dem beigefügten Diagramm, in dem der Druckverlust über dem Gasdurchsatz aufgetragen ist, und zwar für einen herkömmlichen Zyklon mit oberem, tangentialen Gaseintritt und Tauchrohr (Kurve 1) und für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung (Kurve 2).

[0020] Die miteinander verglichenen Abscheider hatten beide einen lichten Gehäusedurchmesser von 0,45 m bzw. einen freien Querschnitt F₁ von 0,159 m^2. Bei herkömmlichen Zyklonen nimmt man im allgemeinen an, daß etwa 75 % des Druckverlustes durch das Tauchrohr verursacht werden, 10 % auf den Eintrittsbereich entfallen und sich der Rest auf Wandreibung und sonstige Verlustquellen verteilt. Bei der konstruktiv ganz anders gestalteten Vorrichtung gemäß der Erfindung, liegt eine Abschätzung der Aufteilung der Druckverluste noch nicht vor. Bei der durchgemessenen Vorrichtung betrug der lichte Durchmesser der Gaszuleitung 0,20 m, der freie Strömungsquerschnitt F₂ also 0,0314 m², was einem Verhältnis F₁ zu F₂ von knapp über 5 entspricht.

[0021] Der Kanal war über einen Winkel von 200° von Beginn der spiralförmigen Erweiterung an ausgebildet und hatte eine über den gesamten Bereich durchgehende obere und untere Abdeckung. Die Wand der Gaszuleitung war über einen Winkel von 155° entfernt; es bestand also über 200 - 155 = 45° ein am gesamten Umfang geschlossener Kanal, dessen freier Querschnitt etwa dem Querschnitt der Gaszuleitung entsprach.

[0022] Die Versuche wurden mit einer Beaufschlagung mit 0,9 bis 1 Kg Zementrohmehl pro Kg durchgesetztes Gasgewicht und mit den aus dem Diagramm ersichtlichen Durchsatzvolumina gefahren.

[0023] Die Werte für den herkömmlichen Zyklon liegen in der doppelt logarythmischen Darstellung auf einer wesentlich steileren Geraden 1 als die Werte der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf der Geraden 2. Im unteren, für die gewählten Apparategrößen uninteressanten Durchsatzbereich zeigt die Kurve 1 etwas geringere Druckverluste an. In diesem, vom Auslegungspunkt weit abliegenden Bereich, ist aber auch die Abscheideleistung eines normalen Zyklons bekanntlich deutlich schlechter, so daß er schon aus diesem Grund für den Vergleich unberücksichtigt bleiben kann. Im Bereich von etwa 13 bis 16 m³/Minute, innerhalb dessen für beide Apparate der Betriebspunkt liegt, steigt die Kurve 2 nicht nur deutlich flacher an, sie weist auch mit steigendem Durchsatz zunehmend niedrigere Druckverluste im Vergleich zu Kurve l aus. Bemerkenswert ist, daß in diesem Bereich mit der gewählten Ausführungsform ein Abscheidebereich von mindestens 95 % erreicht wurde, der im oberen Bereich sogar bis nahe 99 % anstieg. Etwa gleich gute Abscheidegrade werden auch mit dem herkömmlichen Zyklon erreicht, so daß für die im Diagramm dargestelllten Kurven praktisch gleiche Abscheideleistungen zugrundegelegt werden können.

[0024] Neben dem bei z.B. 20 m³ pro Minute deutlich niedrigeren Verlust von 8,5 gegenüber 13,5 mbar, kann man dem Diagramm auch entnehmen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung bei gleichem Druckverlust von z.B. etwa 13 mbar statt mit 20 mit 36 m³/Minute, also mit einem um 30 % höherem Durchsatz betrieben werden kann. Umgekehrt folgt daraus, daß für einen gegebenen Durchsatz kleinere Baugrößen im Vergleich zu den bekannten Zyklonen gewählt werden können. Dies wird insbesondere dort von Bedeutung sein, wo man wegen der bekannten Obergrenze für den Gehäusedurchmesser von Zyklonen bei größeren Anlagen auf zweisträngige Vorrichtungen gemäß Anspruch 17 übergehen muß. Die davon abhängige Obergrenze für den Durchsatz ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mindestens 30 % nach oben verschoben. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß sich daraus erhebliche Einsparmöglichkeiten bei den Investitionskosten ergeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet also sowohl bei den Betriebskosten als auch bei den Investitionskosten nennenswerte Vorteile gegenüber herkömmlichen Zyklonen.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Abscheiden von Feststoffpartikeln aus einem Gasstrom mittels Fliehkraft, bestehend im wesentlichen aus einem vertikal angeordneten, zylindrischen Gehäuse mit einem koaxialen oberen Gasauslaßrohr, einer sich koaxial bis in das Gehäuse hinein erstreckenden unteren Gaszuleitung und einem seitlich unten am Gehäuse angeordneten Feststoffauslaß, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuleitung (2) an ihrem oberen Ende geschlossen ist und einen Kanal (3) (oder höchstens zwei Kanäle) aufweist, in dem ein senkrecht von unten ankommender Gasstrom in eine im wesentlichen horizontale und zur Gaszuleitung (2) tangentiale Richtung umgelenkt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruchm 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (3) von einem zylindrischen vertikalen Wandungsteil (4) mit in Strömungsrichtung spiralförmig zunehmendem Radius und je einer oberen und unteren horizontalen Abdeckung (6,7) zwischen Wandungsteil (4) und Gaszuleitung (2) begrenzt ist und daß die Wandung (5) der Gaszuleitung (2) gegenüber dem Wandungsteil (4) ganz oder teilweise entfernt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Wandungsteil (4) ab Beginn der radialen Erweiterung über einen Winkel von 150 bis 300° erstreckt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Wandungsteil (4) über einen Winkel von 150 bis 180° erstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandungsteil (4) aus der Wand (5) der Gaszuleitung (2) gebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Wandungsteil (4) über einen Winkel von 180 bis 270° erstreckt und daß die Wandung (5) der Gaszuleitung (2) ab Beginn der radialen Erweiterung über einen Winkel von 150 bis 180° entfernt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die untere und obere horizontale Abdeckung (6,7) über die volle Länge des Wandungsteils (4) erstreckt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die untere Abdeckung (7) nicht bis zum Ende (8) des Wandungsteils (4) erstreckt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die untere Abdeckung (7) ab Beginn der radialen Erweiterung über einen Winkel von 150 bis 180° erstreckt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Querschnitt des zylindrischen Gehäuses (1) 3 bis 7 mal so groß ist, wie der freie Querschnitt der Gaszuleitung (2).

₁₁. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt des Kanals (3) 0,6 bis 1,2 mal so groß ist wie der freie Querschnitt der Gaszuleitung (2).

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zylindrischem Gehäuse (1) und oberer Gasaustrittsöffnung (10) ein sich konisch verengender Austrittsstutzen (11) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Abschluß des Gehäuses (1) durch eine schräg gestellte ebene Wand (12) gebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Abschluß (13) der Gaszuleitung (2) dachförmig ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche l bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Ende der Gaszuleitung (2) eine Umlenkwand (14) vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kanäle (3) um 180⁰ versetzt angeordnet sind (Fig. 4).

17. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 in einer Anlage zum mehrstufigen Wärme- und/oder Stoffaustausch zwischen einem Gasstrom und einem Strom von Feststoffpartikeln, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorrichtungen (15) übereinander angeordnet sind, daß zwischen den Vorrichtungen (15) die Gasauslaßrohre (16) der jeweils unteren Vorrichtung (15) koaxial in die Gaszuleitung (2) der jeweils oberen Vorrichtung übergehen, daß unterhalb der obersten Vorrichtung (15a) in der Gaszuleitung (2) ein Einlaß (16) zum Einbringen der Feststoffpartikel in den Gasstrom vorgesehen ist, daß der Feststoffauslaß (17) der obersten Vorrichtung (15a) mit dem Feststoffeinlaß der darunter angeordneten Vorrichtung (15b) verbunden ist und sofort, und daß der Gasstrom aus der obersten Vorrichtung (15a) - ggfs. zur Nachabscheidung - und der Strom von Feststoffpartikeln aus der untersten Vorrichtung (15c) aus der Anlage abgeführt wird.

Zeichnung