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Wirbelabscheider für Feststoff-oder Flüssigkeits -Aerosole mit einem
zur Drallerzeugung dienenden Hilfsgasstrom Zum Ausscheiden fester oder flüssiger
Schwebeteilchen aus Aerosolen dienen bekanntlich Fliehkraftabscheider, in denen
das Aerosol in eine so kräftige Drallbewegung versetzt wird, daß dieSchwebeteilchen
des Aerosols durch die Fliehkraftwirkung aus dem Trägergas ausgeschleudert werden,
soweit ihre Fliehkräfte größer sind als diejenigen gleich großer Volumenpartikeln
des Trägergases.
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Die gebräuchlichsten Arten solcher Fliehkraftabscheider sind die in
verschiedensten Ausführungsformen bekannten Zvklone mit axial umkehrendem Gaswirbel
und die rohrförmigenWirbelabscheider mit geradeaus durchgehender Wendelströmung.
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:Mannigfache Unterschiede bestehen allein schon hinsichtlich der Mittel
zur Erzeugung der erforderlichen hohen Fliehkräfte. Bei den einen derartigen Abscheidern
wird die Drallbewegung des Aerosols durch Leitflächen erzeugt, bei anderen wird
der Aerosolstrom durch tangentiale Einführung in den Abscheideraum runden Querschnitts
in Drall versetzt. Darüber hinaus sind Zyklone bekannt, bei denen zur Erzeugung
der Drallbewegung des Aerosols bzw. zur Erzeugung der Fliehkraft tangential gerichtete
Hilfsgas- oder Hilfsluftströme vorgesehen sind.
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Auch bei Wirbelabscheidern mit axial durchgehender Strömung hat man
dieses zuletzt genannte Prinzip bereits angewendet. Bei einem bekannten Abscheider
dieser Art durchläuft das Aerosol zentrisch einen zylindrischen Durchgangsbehälter
in axialer Richtung, an dessen Innenwand ein Hilfsluftstrom schraubenlinienförmig
und mit gleicher Durchgangsrichtung wie das Aerosol entlanggeführt wird. Der den
Aerosolstrom mantelförmig umgebenden Hilfsluftstrom soll durch seine Berührung mit
dem Aerosol dieses kreisend mitreißen und hierbei in eine so starke Drallbewegung
versetzen, wie sie zur Erzeugung einer hinreichenden Fliehkraftwirkung im Aerosolstrom
erforderlich ist. Die Schwebeteilchen des Aerosols sollen auf diese Weise in den
Hilfsluftstrom hinausgeschleudert werden, der dann zusammen mit den Schwebeteilchen
durch eine besondere Ringöffnung am Auslaßende der Vorrichtung, also getrennt von
dem axial austretenden Reingasstrom, abgeführt wird und nun seinerseits in irgendeiner
Weise gereinigt oder samt allem Schmutz ins Freie abgeblasen werden muß.
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Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform unterscheidet sich somit
gegenüber derjenigen anderer Wirbelabscheider oder Zyklone dadurch, daß die Schwebeteilchen
nicht gesondert für sich als Schüttmasse anfallen, sondern lediglich aus einem zu
reinigenden Aerosolstrom auf eine andere Trägergasschicht, die Hilfsluft, umgeladen
werden. Die Anwendungsmöglichkeit dieser Vorrichtung ist sehr beschränkt; diese
Vorrichtung ist auch nur für den Sonderfall der Abtrennung von Feststoffteilchen
aus heißen Gasen vorgeschlagen worden, da in diesem Falle bei Verwendung kalter
Hilfsluft die Wandungen und das ausgetragene Gut zugleich gekühlt werden. Dabei
kommt noch als weiterer Nachteil hinzu, daß infolge der praktisch unvermeidbaren
gegenseitigen Vermischung der beiden Gase, also des zu reinigenden heißen Gases
mit der Hilfsluft, ein erheblicher Teil des zu reinigenden heißen Gases durch die
Ringöffnung für den Staubaustrag mit abströmt und verlorengeht.
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Bei einem anderen bekannten Wirbelabscheider, der in vertikaler Anordnung
auf einen Luftstrahl-Prallzerkleinerer aufgesetzt ist und die groberen Feststoffteilchen
aus dem Förderluftstrom ausscheidet, wird die zur Drallerzeugung dienende Hilfsluft
als Einzelstrahlen außermittig im unterenTeil der zylindrischen Wirbelkammer eingeblasen;
und zwar sind dabei die Hilfslufteinlässe horizontal gerichtet und können gegebenenfalls
in der Horizontalebene verschwenkt werden. Bei dieser Vorrichtung wird der Hauptluftstrom
gemeinsam mit der Hilfsluft axial nach oben abgeführt, während die ausgeschiedenen
Feststoffteilchen
längs der Innenwand des Kammermantels infolge
der Schwerkraft nach unten sinken und in einen das axiale Einströmrohr umgebenden
Gehäusetrichter des Prallzerkleinerers zurückfallen.
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Auch bei dem Wirbelabscheider nach der Erfindung dient als Wirbelkammer
ein vorzugsweise vertikal angeordnetes, oben offenes zylindrisches Rohr. Am unteren
Ende dieser Wirbelkammer strömt das Aerosol durch ein koaxiales Einströmrohr kleineren
Durchinessers zentral ein, und die abgeschiedene Staubmasse oder Flüssigkeit fällt
durch den Ringspalt zwischen dem Einlaßrohr und dem Wirbelkammermantel aus. Hierbei
ist oberhalb der Mündung des Aerosol-Einlaßrohres im Wirbelkammermantel ein außermittig
gerichteter Einlaß für einen zur Drallerzeugung dienenden und gemeinsam mit dem
gereinigten Trägergas nach oben aus der Kammer abströmenden Hilfsgasstrom angeordnet.
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Die Erfindung besteht nun darin, daß bei einer derartigen Anordnung
der Hilfsgaseinlaß unter einem spitzen Winkel zur Querschnittsebene der Wirbelkammer
nach unten, also dem aufsteigenden Aerosolstrom schräg entgegen gerichtet ist.
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An sich ist es bereits bekannt, bei Vorrichtungen mit im Innern stattfindenden
Bewegungen von Gasströmen einen Gaseinlaß unter einem spitzen Winkel nach unten
vorzusehen. Dort handelt es sich aber um Apparate, die zu anderen Zwecken dienen.
Eine Anordnung, bei der ein Gaseinlaß lediglich unter einem spitzen Winkel nach
unten gerichtet ist, wirkt nicht als Wirbelabscheider und kann auch nicht unbeabsichtigt
als solcher verwendet werden, sondern arbeitet beispielsweise als Luftstrahl-Prallzerkleinerer.
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Die grundsätzlichen Unterschiede und Vorteile der Wirkungsweise bei
dem Wirbelabscheider nach der Erfindung gegenüber den bekannten Anordnungen sind
nachstehend an der Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
und, einer abgewandelten Form näher erläutert.
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In den Fig. 1 und 2 ist im Aufriß und Grundriß eine bevorzugte Ausführungsform
mit ihren für die Erfindung wesentlichen Teilen in stark vereinfachter Darstellung
veranschaulicht, um hieran das Prinzip der Erfindung zu verdeutlichen. Es handelt
sich hierbei um einen Anwendungsfall der Reinigung von Rauchgas.
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In den vertikalen zvlinderrohrförmigen Kamin 1, der als Wirbelkammer
dient, ragt axial von unten das Einströmrohr 2 für das Aerosol konzentrisch hinein.
Mit einem Abstand über der Mündung des Einströmrohres ist im Wirbelkammermantel
eine Düse 3 als Hilfsgaseinlaß vorgesehen, deren Achsrichtung unter dem Neigungswinkel
a schräg abwärts weist und die Achse der Wirbelkammer in einigem Abstand kreuzt,
also in der Richtung einer zum Querschnitt der Wirbelkammer geneigten Kreisbogensehne
bläst, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die Wirbelkammer 1 steht auf einem Fundament
4. Schließlich ist das obere Ende des Einströmrohres 2 noch mit einem kegelstumpfförmigen
Drosselkörper 5 umgeben. Irgendwelche Drallflächen, Leitschaufeln oder mechanische
Rotationsantriebe sind nicht vorhanden.
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Wird durch den Aerosoleinlaß 2 Rauch zugeführt und durch die Düse
3 ein Hilfsluftstrom oder auch ein anderes Hilfsgas eingeblasen, so hat das aus
dem oberen Ende 14 der Wirbelkammer 1 ausströmende Gasgemisch aus dem von den Schwebeteilchen
befreiten Trägergas des Aerosols und dem gesamten eingeblasenen Hilfsgas einen hohen
Reinheitsgrad. Die ausgeschiedenen Schwebeteilchen sammeln sich unterhalb der Wirbelkammer
und des zwischen der Wirbelkammerwand 1 und dem Außenrand des Drosselkörpers 5 vorhandenen
Ringspaltes 15 in einem vom Fundament 4 gebildeten Sammelraum 16 als Schüttmasse
an.
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Praktische Versuche mit dieser Vorrichtung haben ergeben, daß sich
der Wirbelabscheider nach der Erfindung durch eine überraschend günstige Wirkung
auszeichnet: Mit einfachsten Mitteln wird eine hochgradige Ausscheidung sowohl grober
als auch sehr feiner Schwebeteilchen erreicht. Diese Wirkung hat sich auch bei Änderungen
der Betriebsgrößen, insbesondere der baulichen Abmessungen, der Strömungsgeschwindigkeiten,
der Aerosol- und Hilfsgasmengen und der Einblasrichtung des Hilfsgases, in weiten
Grenzen als zuverlässig reproduzierbar erwiesen.
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Die Wirbelabscheider und Zyklone beruhen ausnahmslos auf der Ausnutzung
der Fliehkraft: Das Aerosol muß dabei so stark in Drallbewegung versetzt werden,
daß die in ihm enthaltenen Schwebeteilchen durch die Fliehkraftwirkung ausgeschleudert
werden. Teilchen, die zu klein bzw. zu leicht sind, um der Fliehkraft folgen zu
können, bleiben bei jedem Fliehkraftabscheider im »Beingas« zurück. Zur Erreichung
eines hohen Abscheidegrades ist also bei einem Wirbelabscheider stets eine möglichst
große Tangentialgeschwindigkeit des Aerosolstromes unerläßlich. Sofern eine noch
weiter gehende Reinigung erforderlich ist, läßt sie sich bekanntermaßen nur durch
zusätzliche Maßnahmen erzielen.
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Eine Schwierigkeit mit der mehr oder weniger alle Verfahren der Gasreinigung
zu kämpfen haben, ist die Ausscheidung der feinsten Teilchen. Ein Reinheitsgrad
von 100°/a wird zwar in der Industrie nur in Sonderfällen gefordert; aber häufig
liegen die verlangten Gesamtabscheidegrade nur wenige Prozent unter 100%. Für Aerosole
mit relativ großen Gewichtsanteilen sehr feiner Schwebeteilchen sind zur Erzielung
der geforderten hohen Gesamtabscheidegrade gute Fraktionsabscheidegrade im Feinkornbereich
notwendig. Durch die erfindungsgemäß bei einem Wirbelabscheider mit pneumatischer
Drallerzeugung vorgesehene Neigung des tangentialen bzw. außermittigen Hilfsgaseinlasses
unter einem spitzen Winkel zur Querschnittsebene der Wirbelkammer nach unten, also
schräg entgegen dem aufsteigenden Aerosolstrom, werden nun bisher nicht ausgenutzte
Strömungsverhältnisse geschaffen, die eine beachtliche Erhöhung der Abscheidegrade
bewirken. Die Größenordnung der Verbesserung zeigen die nachstehenden Ergebnisse
von Vergleichsmessungen bei einer Vorrichtung gemäß der schematischen Darstellung
in Fig. 1 und 2, wobei trockener Staub aus Luft abgeschieden wurde.
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Vergleichsmessung I Die Körungsanalyse des Rohstaubes ergab folgende
Gewichtsanteile im Feinkornbereich:
| bis 3 p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . etwa 28,5 0% |
| bis 5 1, . .......... ......... etwa 35,50/0 |
| bis 10 t, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . etwa 40% |
| bis 15 [. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . etwa 44 0/0 |
Vordruck der Hilfsluft in der Einblasdüse: 3 atü.
| Neigungswinkel der Hilfsgasdüse Gesamt- |
| absdieidegrad |
| 1 |
| a= 0° (horizontal gerichtet) 89,2% |
| a=45° (schräg nach unten) |
| 92,0% |
Vergleichsmessung II Ähnliches Staubgut anderer Körnungkurve; sonst
gleiche Versuchsbedingungen.
| Neigungswinkel der Hilfsgasdüse Gesamt- |
| abscheidegrad |
| 1 |
| u= 0° 89,011/0 |
| rc=45° 95,21/0 |
Diese Ergebnisse der Vergleichsmessungen stellen jedoch nicht die mit der Vorrichtung
in günstigen Fällen überhaupt erreichbaren Höchstwerte des Gesamtabscheidegrades
dar.
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Bei der Beurteilung der Wirtschaftichkeit der Vorrichtung ist zwar
der Aufwand an Hilfsgas - in der Regel Hilfsluft - in Rechnung zu stellen. Aber
abgesehen davon, daß jede Gasreinigungsanlage einen zusätzlichen Energieverbrauch
mit sich bringt, stehen hier dem Aufwand an Hilfsgas ganz erhebliche und praktisch
ausschlaggebendeVorteile der beschriebenen Vorrichtung gegenüber, die sich ergeben
aus der Einfachheit der Bauart, geringem Raumbedarf und Gewicht sowie aus der langenLebensdauer,
den niedrigen Anschaffungskosten, dem Fortfall von Wartungsarbeiten, der einfachen
Bedienungsweise, der Anpassungsfähigkeit bei Belastungsschwankungen und- der Betriebssicherheit.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann in bekannter Weise an beliebiger
Stelle zwischen der Aerosolquelle und dem Reingas-Abzug eines Betriebes eingebaut
werden, beispielsweise unmittelbar zwischen der Feuerung und dem Schornstein einer
Kesselanlage oder im Schornstein selbst. Der Raumbedarf der Einrichtung ist so gering,
daß sie sich auch bei vorhandenen Anlagen meist ohne weiteres nachträglich einbauen
läßt. Als Wirbelkammern können, wie ebenfalls bekannt ist, ohnehin vorhandene zylindrische
Gaszüge verwendet werden, z. B. ein Rohrkamin oder ein Schornstein. Auch eine Nachreinigung
des verwendeten Hilfsgases mit den dazu erforderlichen besonderen Zusatzeinrichtungen
entfällt.
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Eine ständige Bedienung der Vorrichtung ist ebenfalls kaum erforderlich.
Wenn der Hilfsgasstrom bei der Inbetriebsetzung der Anlage entsprechend den gegebenen
Verhältnissen eingestellt ist, so braucht an dieser Einstellung während des Betriebes
nichts geändert oder nachgestellt zu werden; denn die Wirkung der Vorrichtung ist
weitgehend unabhängig von Belastungsschwankungen. In der Regel wird man nur bei
einer gelegentlichen willkürlichen Belastungsänderung größeren Ausmaßes den, Hilfsgaseinlaß
verstellen müssen. Meßversuche haben ergeben, daß der Gesamtabscheidegrad bei unveränderter
Einstellung des Hilfsgasstromes von der Staubbeladung des Rohgases in weiten Grenzen,
beispielsweise bei kaltem Gas im Bereich zwischen 4 und 17 g/m3, nahezu unabhängig
ist. Gerade hierdurch eignet sich die Vorrichtung nach der Erfindung zur Verwendung
unter verschiedensten Betriebsbedingungen. Auch die Einbaulage der Wirbelkammer
(Neigungswinkel gegen die Horizontale) ist ohne wesentlichen Einfluß auf die Wirkungsweise
der Erfindung.
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Es können auch beliebig viele Abscheideaggregate parallel zueinander
betrieben werden. In solchen Fällen werden die Wirbelkammern in der bekannten Multizyklonbauweise
räumlich neben- oder übereinander angeordnet, ohne daß jedoch die Wirkung der Einzelabscheider
- im Gegensatz zu bekannten Multizyklonen - durch von der Rohrleitungsführung und
der Gasverteilung verursachte Druckunterschiede am Aerosol-Einlaß beeinträchtigt
wird. Schließlich ist auch die Betriebssicherheit der Vorrichtung nach der Erfindung
kaum zu übertreffen, da der Abscheider weder einem gesteigerten Verschleiß unterliegende
noch bewegliche Teile aufweist.
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Die Halterung der Hilfsgasdüse 3 ist bei der Vorrichtung nach der
Erfindung so ausgebildet, daß deren räumliche Stellung ohne Unterbrechung des Betriebes
verändert werden kann. Zweckmäßigerweise ist die Hilfsgasdüse nicht nur in zwei
Ebenen, also in allen Richtungen vierschwenkbar, sondern zusätzlich auch in ihrer
Längsrichtung verschiebbar angeordnet. Es können dann während des Betriebes die
Richtung des Hilfsgasstrahles und der radiale Abstand des Düsenmundes von der Mittellinie
der Wirbelkammer so eingestellt werden, wie es je nach der Art, der Menge und dem
Druck des Aerosols sowie für die jeweilige Konzentration der Schwebeteilchen im
Aerosol am günstigsten ist. Ferner ist es vorteilhaft, Mittel vorzusehen, um den
Druck und die Menge je Zeiteinheit des Hilfsgasstromes nach Bedarf regulieren zu
können.
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Wie bereits erwähnt wurde, ist die Größe des Neigungswinkels der Wirbelkammerachse
zur Horizontalen für die Wirkungsweise der erfindungsgerechten Vorrichtung unerheblich,
wenn auch die bevorzugte vertikale Anordnung in der Regel die günstigste sein wird.
Im Grenzfalle kann jedoch die Wirbelkammer 1 auch waagerecht angeordnet sein, wobei
dann zur Abführung der ausgeschiedenen Schwebeteilchen beispielsweise Schieber oder
Klappen an der Unterseite des in diesem Falle horizontal hinter dem Ringspalt 15
angeordneten Sammelraumes 16 vorgesehen werden.
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Als weitere vorteilhafte Maßnahme ist noch eine Verstellmöglichkeit
für die lichte Weite des Austrag-Ringspaltes 15 durch bekannte Mittel, z. B. durch
eine trichterförmige Verengung des Kammermantels unterhalb des dann axial verschiebbar
anzuordnenden Drosselkörpers 5, vorgesehen. Dabei kann der Drosselkörper 5 auch
verschiedene geometrische Formen haben. Beispielsweise kann er, abweichend von der
in Fig. 1 gezeigten einfachen Kegelform, als Doppelkegel ausgebildet sein.
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Für den Einbau der Vorrichtung nach der Erfindung in eine neu zu errichtende
oder eine bestehende Anlage ist es vorteilhaft, das gesamte Abscheideaggregat als
eine bauliche Einheit auszubilden und mit Befestigungsmitteln, z. B. Verbindungs-
oder Tragflanschen, zum Verschrauben mit einem Gasleitungsstrang bzw. zum Einsetzen
in einen Gaskanal oder Gasschacht zu versehen. Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt
die Fig. 3: Hier ist das Abscheideaggregat, bestehend aus der Wirbelkammer 1, dem
Aerosol-Einlaßrohr 8 mit dem Drosselkörper 5 und der Hilfsluftdüse 3, in das Innere
des Schornsteines 12 eingebaut. Das Fundament des Schornsteines bildet wie in Fig.
1 den Schmutzsammelraum 16. Die Düse 3 ist an ein Zuleitungsrohr 13 für die Hilfsluft
angeschlossen, das im Inneren des Schornsteines hochgeführt ist. An dem Schornstein
oder an der sonst in Betracht kommenden vorhandenen Anlage brauchen also für die
Verwendung einer Vorrichtung nach der Erfindung keine wesentlichen Umbauten vorgenommen
zu werden.
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Der Wirbelabscheider nach der Erfindung ist vorstehend für den Anwendungsfall
der Rauchgasentstaubung, insbesondere der Rußabscheidung in Schornsteinen, erläutert;
er ist aber in gleicher Weise auch
zum Ausscheiden von Schwebeteilchen
aus beliebigen anderen Aerosolen geeignet, beispielsweise zum Entfernen von Säure-
oder Lacknebeln aus Luft.
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Wenn also in der vorstehenden Beschreibung der Erfindung die ausgeschiedenen
Schwebeteilchen durchweg als »Schmutz« bezeichnet worden sind, so soll damit für
die Anwendungsmöglichkeit der Erfindung nicht eine Beschränkung auf solche Fälle
ausgesprochen sein, bei denen die ausgeschiedene Masse als unerwünschter oder wertloser
Abfall gilt und beseitigt wird. Die Art der auszuscheidenden festen oder flüssigen
Schwebestoffe ist vielmehr für die Anwendungsmöglichkeit der Vorrichtung nach der
Erfindung belanglos, und die Erfindung ist mithin auch überall dort anwendbar, wo
das ausgeschiedene Gut einer Weiterverwertung zugeführt und eigens zu diesem Zweck
abgeschieden wird.