DE3339063A1 - Fliehkraftabscheider - Google Patents
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Landscapes
- Cyclones (AREA)
Description
METALLGESELLSCHAFT AG ° 27.10.1983
Reuterweg 14 MLK/OKU (1427P)
6000 Frankfurt/Main 1
Prov.Nr. 9002 LT
FLIEHKRAFTABSCHEIDER
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.
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.
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.
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 Strömunysbereich parallel zur
Bewegung der Feststoffpartikel verläuft, wodurch bereits abgeschiedene Partikel vom Gasstrom wieder erfaßt und aus
der Vorrichtung abgeführt werden können.
Es besteht die Aufgabe, eine Vorrichtung gattungsmäßiger
Art zu schaffen, bei der die Strömungsverluste deutlich verringert sind, ohne daß die Abscheideleistung beeinträchtigt
wird.
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.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind
in den Unteransprüchen 2 bis 16 beschrieben.
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.
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 yroßen Querschnitten der Gaszuleitung kann es zweckmäßig
sein, zwei Kanäle für den Gasaustritt vorzusehen (tig.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.
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.
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 300 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.
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.
Zwischen zylindrischem Gehäuse 1 und oberer Gasaustrittsöffnung 10 wird zweckmäßigerweise ein sich konisch veren-
gender Austrittsstutzen 11 vorgesehen. Der untere Abschluß
des Gehäuses 1 kann durch eine schräg gestellte ebene Viand 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.
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 Stromungsumlenkung 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.
Aus Figur 2a und b wird deutlich, wie der Kanal 3 im wesentlichen durch den sich spiralförmig erweiternden Wandungsteil
4 gebildet wird.
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.
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 Einlasse 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 Einl·ässe 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.
In Figur 4a und b ist eine Vorrichtung mit zwei um 18o versetzt angeordneten Kanaäl·en 3 dargestellt. Im übrigen
entspricht die Konstruktion und Bezifferung der Figur 2a
BAD
und b. Diese Ausführung kommt nur für sehr große Gasströme und dem entsprechend große Durchmesser der Vorrichtung in
Betracht.
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).
Die miteinander verglichenen Abscheider hatten beide einen lichten Gehäusedurchmesser von 0,45 m bzw. einen freien
Querschnitt F1 von 0,159 m . 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 F, also
2 Δ
0,0314 m , was einem Verhältnis F, zu F2 von knapp
über 5 entspricht.
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.
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.
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 m /Minute, innerhalb dessen für beide Apparate der Betriebspunkt liegt, steigt die Kurve
nicht nur deutlich flacher an, sie weist auch mit steigendem Durchsatz zunehmend niedrigere Druckverluste im Vergleich
zu Kurve 1 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 zuyrundegelegt werden können.
Neben dem bei z.B. 20 m 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 m /Minute, also mit einem um 30 % höherem Durchsatz betrieben werden kann. Umgekehrt folgt daraus, daß
für einen gegebenen Durchsatz kleinere Baugrößen im Ver-
gleich 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.
CT
- Leerseite -
Claims (17)
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).
-yc-
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 Viand (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 1 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 180 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 Peststoffpartikeln, 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.
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