DE69300263T2

DE69300263T2 - Vorrichtung zum Filtern von Feststoffpartikeln aus einem Fluid.

Info

Publication number: DE69300263T2
Application number: DE69300263T
Authority: DE
Inventors: Cornelis Appel; Hendrik Arien Dirkse; Johannes Lambertus Nooijen; James Arthur Salter; Phillip Edward Unger
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1992-01-16
Filing date: 1993-01-13
Publication date: 1995-12-21
Anticipated expiration: 2013-01-14
Also published as: CA2087316A1; CN1039099C; ZA93237B; ES2074910T3; JPH05253425A; JP3302427B2; CN1075898A; DE69300263D1; CA2087316C; DK0551951T3; EP0551951B1; EP0551951A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herausfiltern von Feststoffteilchen aus einem Feststoffteilchen enthaltenden Fluid. Bei vielen technischen Verfahren, insbesondere bei erhöhter Temperatur oder hoher Temperatur ablaufenden Hochdruckverfahren, fallen Fluide an, welche größere Mengen an Feststoffteilchen enthalten, die zu entfernen sind, bevor die Fluide benützt, weiter behandelt oder abgegeben werden können. Zum Beispiel ergibt die übliche Verbrennung von Kohle ein Abgas, das Flugascheteilchen enthält, die nicht an die Atmosphäre abgegeben werden dürfen. Ähnlich ergibt die Vergasung oder teilweise Oxidation von Kohle oft einen Produktgasstrom, der nach Abtrennen des Großteils der Feststoffe 0,1 Gewichtsprozent bis 4,0 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gases und der Feststoffe, an verschiedenen Feststoffteilchen enthält, die aus Flugschlacke oder Flugasche und in manchen Fällen aus unverbrannter Kohle bestehen. Ebenso entstehen bei Fluidkatalyseverfahren oft Gas- oder Flüssigkeitsströme mit restlichem Katalysatorfeinkorn, mit dem weder das Produkt noch die Umwelt belastet werden darf.
Zur Überwindung dieses Problems kann man eine Reihe verschiedener Behandlungsverfahren einsetzen. Beispielsweise kann das Restfeststoffe enthaltende Fluid kontinuierlich oder diskontinuierlich durch ein Filter oder durch eine Batterie von eigenständigen Filtereinheiten geleitet werden. In Abständen wird bzw. werden das bzw. die Filter abgereinigt oder gespült, damit sie nicht völlig verstopfen. Zum Beispiel ist es möglich, das bzw. die Filter einer Rückspülung mit Gas oder Flüssigkeit zu unterziehen, wobei die so entfernten Teilchen sich im Unterteil des Filterbehälters ansammeln können, um von dort kontinuierlich oder periodisch ausgetragen zu werden (siehe EP-A-0 314 253). Die Entfernung kann auch durch Beschallung, Ultraschall- oder Unterschallbehandlung erfolgen.
Als vielen Filtrieranlagen gemeinsames Problem ergibt sich das mögliche Versagen der Baueinheit Filterelement/Dichtung oder wenigstens einer Baueinheit Filterelement/Dichtung in einer aus solchen zusammengesetzten Batterie. Versagt zum Beispiel ein Filterelement in einer Batterie von Filterelementen, so kommt es zur Kanalbildung durch die ausgefallenen Filterelemente, wodurch erhebliche Mengen an Feststoffen kurzgeschlossen durchfließen und so die ganze Filterbatterie unwirksam wird. Es bestand daher das Bedürfnis nach einer Filteranordnung, die auch bei Versagen des Filterelementes oder wenigstens eines Filterelementes weiterarbeiten kann. Die Erfindung erfüllt dieses Bedürfnis und überwindet das Problem des Versagens der Filtereinheit(en) auf neue und wirksame Weise.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Filtervorrichtung des angeführten Typs bereitzustellen, in der den Primärfiltermitteln entsprechend nachgeschaltete Sekundär- oder Reservefiltermittel vorgesehen sind, um den Fluidstrom und etwa während Normalbetrieb durch die Primärfiltermittel dringende Feststoffe aufzunehmen und deren Durchtritt zu ermöglichen, so daß sich bei Versagen der Primärfiltermittel die Sekundärfiltermittel zusetzen. Die Erfindung erfordert, daß das Material des Filterelements bzw. der Filterelemente der Sekundärfiltermittel aus einem Material bestehen oder ein solches umfassen, das eine größere Porenweite und eine größere Durchlässigkeit aufweist als das Material des Elements bzw. der Elemente der Primärfiltermittel, so daß bei Normalbetrieb etwa durch die Primärfiltermittel tretende Makroteilchen auch durch die Sekundärfiltermittel treten. Andererseits sollte die Durchlässigkeit und Porenweite hinreichend gering sein, um den Durchtritt großer Mengen von Makroteilchen bei Versagen des ersten Filters zu verhindern und zu gewährleisten, daß sich die zweiten Filtermittel zusetzen. Um die Ergebnisse der Erfindung zu erzielen, müssen die Sekundärfiltermittel so angeordnet sein, daß bei etwaigem Versagen der Primärfiltermittel und bei Indienstnahme der Sekundärfiltermittel die normale Abreinigung des bzw. der Primärfilter die auf dem Sekundärfilter bzw. den Sekundärfiltern aufgefangenen Teilchen nicht entfernt. Kommt zur Abreinigung dieses bzw. dieser Filter eine Rückspülung des Primärfilterelements bzw. der Primärfilterelemente zum Einsatz, so darf der Auslaß der Spülvorrichtung nicht so angeordnet sein, daß dabei auch die Sekundärfiltermittel abgereinigt werden. Der Begriff "Material", wie er hier verwendet wird, ist so zu verstehen, daß er, falls nichts Gegenteiliges angegeben ist, die Einzahl oder Mehrzahl einschließt, d.h. eine oder mehrere Arten von Teilchen abfangenden Substanzen. So könnte das "Material" einer Filterbatterie Elemente aus mehr als einer Art von Filtersubstanzen umfassen, und ein einzelnes Filterelement kann auch mehr als eine Art von Filtersubstanzen umfassen.
Die Erfindung schafft daher eine Vorrichtung zum Herausfiltern von Feststoffteilchen aus einem Feststoffteilchen enthaltenden Fluid, umfassend:
einen Behälter;
ein Mittel, um dem Behälter ein Feststoffteilchen enthaltendes Fluid zuzuführen, das mit dem Behälter in Verbindung steht;
erste Filtermittel, in dem Behälter angeordnet, um das Fluid aufzunehmen, zum Herausfiltern der Feststoffteilchen aus dem Fluid, wobei die ersten Filtermittel ein erstes Filtermaterial einer solchen Porengröße und Durchlässigkeit umfassen, daß die Feststoffteilchen aus dem Fluid entfernt werden und der Durchtritt des Fluids durch dasselbe ermöglicht wird, wobei die ersten Filtermittel in dem Behälter so angeordnet sind, daß Teilchen im Fluid entfernt und auf dem ersten Filtermaterial aufgefangen werden, und Fluid, aus dem die Teilchen abgetrennt worden sind, durch das erste Material tritt;
Mittel zum Entfernen der auf dem ersten Filtermaterial aufgefangenen Feststoffteilchen;
zweite Filtermittel zum Herausfiltern von Feststoffteilchen aus dem Fluid bei Versagen der ersten Filtermittel, wobei die zweiten Mittel in bezug auf die ersten Filtermittel an einem solchen Ort und so angeordnet sind, daß Feststoffteilchen enthaltendes Fluid zuerst durch die ersten Filtermittel und dann durch die zweiten Filtermittel tritt, wobei die zweiten Filtermittel ein zweites Filtermaterial mit größerer Porenweite und größerer Durchlässigkeit als das erste Filtermaterial umfassen.
Vorteilhaft ist das zweite Filtermittel in dem Behälter angeordnet.
Besonders vorteilhaft handelt es sich bei dem Feststoffteilchen enthaltenden Fluid um ein Flugascheteilchen enthaltendes Gas. Ganz besonders vorteilhaft umfaßt das Mittel zur Entfernung von auf den ersten Filtermitteln aufgefangenen Feststoffteilchen Mittel zum Einblasen eines Rückspülfluids. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Rückspülfluid um ein Gas.
Der jeweilige Typ des bzw. der erfindungsgemäß in den Primärfiltermitteln verwendeten Filterelements bzw. Filterelemente kann beliebig gewählt werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch besonders geeignet für Hochtemperatur- und Hochdruckanwendungen. Möglich ist daher der Aufbau des bzw. der eingesetzten Primärfilterelements bzw. Primärfilterelemente aus für Druck- oder Vakuumbetrieb, was gegebenenfalls auch Hochtemperatur- und Hochdruckbetrieb einschließt, geeignetem Material. "Hochtemperatur- und Hochdruckbetrieb" im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf Temperaturen von etwa 100ºC bis 1500ºC (vorteilhaft 200ºC bis 650ºC) und Drücke von einer Atmosphäre bis 50 Atmosphären oder mehr. Im allgemeinen kann man ein zylinderförmiges Filterelement oder zylinderförmige Filterelemente, mittels einer gemeinsamen Halterung angeordnet, aus steifem oder biegsamem, verfilztem oder nicht verfilztem, aus einem aus einem mehrlagigen oder einlagigen Material bestehendem flächenartigen Textilgebilde oder aus porösen, monolithischen Substanzen (Keramik, Metall oder Kunststoff), verwenden. Kommen mehrere Primärfilterelemente zum Einsatz, so ist der Abstand zwischen den Filterelementen eine Funktion der Makroteilchenkonzentration der Fluid-Makroteilchen- Mischung.
Die Sekundärfiltermittel können vom selben Typ wie die Primärfiltermittel sein oder sich davon unterscheiden, und bei dem Filtermaterial kann es sich um einen ähnlichen Materialtyp handeln oder auch nicht. Jedoch ist für die vorliegende Erfindung erforderlich, daß sich das Sekundärfiltermaterial auch für den gleichen Betrieb eignet wie die Primärfiltermittel und vor allem eine größere Durchlässigkeit und größere Porenweite als das benützte Primärfiltermaterial aufweist. Vorteilhaft übertreffen der Durchlässigkeitsgrad und die Porenweite des Sekundärmaterials jene des Primärmaterials um einen Faktor von mindestens 3, vorteilhafterweise mindestens 5. Dadurch wird sichergestellt, daß bei Normalbetrieb die Sekundärfiltermittel Teilchen durchlassen, die größer sind als es bei den Primärfiltermitteln der Fall ist, und daß etwa unter Normalbedingungen durch das Primärfilterelement bzw. die Primärfilterelemente hindurchdringende Teilchen die Sekundärfiltermittel nicht verstopfen. Wie bereits angedeutet, sollte die Porenweite und Durchlässigkeit des Filtermaterials der Sekundärfiltermittel nicht so groß sein, daß sich die Sekundärfiltermittel bei Versagen der Primärfiltermittel nicht zusetzen. Angesichts der vorliegenden Offenbarung ist es dem Fachmann möglich, ein geeignetes Material für die Sekundärfiltermittel auszuwählen. Vorteilhaft, und ohne die vorliegende Erfindung einzuschränken, sollten die Porenweite und Durchlässigkeit des Materials der Sekundärfiltermittel nicht mehr als das etwa 20- oder 30-fache der mittleren Teilchengröße der zu filternden Teilchen betragen. Vorteilhaft sollte die effektive Oberfläche eines jeweiligen Sekundärfilterelements wesentlich kleiner sein (etwa 1 bis 10 Mal) als das diesem entsprechende Primärfilterelement oder die diesem entsprechenden Primärfilterelemente. Bei Einsatz von Rückspülung zur Reinigung des Primärfilterelements bzw. der Primärfilterelemente kann, obwohl der Durchtritt von Gas aus dem Rückspülauslaß durch die Sekundärfiltermittel nicht vorgesehen ist, dieser durchaus in minimalen Mengen ohne wesentlichen Schaden erfolgen, und derartige Mengen sind als in den Rahmen der Erfindung fallend anzusehen. Die Anwesenheit der Sekundärfiltermittel kann die Reinigung bei der Rückspülung verbessern.
Zwar ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für die verschiedenartigsten Betriebsbedingungen geeignet, doch eignet sie sich ganz besonders zum Einsatz beim Arbeiten mit einem Feststoffe enthaltenden Fluid (Flüssigkeit oder Gas) unter hohem Druck, bei erhöhter oder hoher Temperatur. So kann die Vorrichtung z.B. zur Abtrennung von Feststoffen aus Verbrennungsgasen, bei einem integrierten Prozeß zur Kohlevergasung (Abtrennen von Flugasche aus Synthesegas), bei mit Fluiden arbeitenden katalytischen Prozessen, bei der Bekämpfung von Anlagenemissionen, bei Verbrennung sowie bei Einschmelzvorgängen eingesetzt werden. Denkt man an die Abtrennung von Feststoffen aus einer Flüssigkeit, so kann das Rückspülfluid flüssig oder gasförmig sein, während bei der Abtrennung von Feststoffen aus einem Gas das Rückspülfluid normalerweise ein Gas sein wird.
Die Erfindung sei nun beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, wobei Figur 1 einen Längsschnitt einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, bei der mehrere Filterelemente zum Einsatz kommen, die jeweils mit einem Sekundärfiltermittel versehen sind; Figur 2 einen teilweisen Längsschnitt einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt, in der eine Gruppe oder ein Cluster von Primärfiltereinheiten mit einem einzigen Sekundärfiltermittel versehen ist; Figur 31 schließlich, einen teilweisen Längsschnitt einer davon verschiedenen Anordnung des Filterelements in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vorliegende Erfindung sei beispielhaft anhand der Beschreibung der Abtrennung von Kohlevergasungsflugasche beschrieben, wobei alle angegebenen Werte nur als Beispiel dienen oder berechnet sind.
Was Figur 1 betrifft, so wird ein Synthesegas, aus dem der Großteil der bei der Kohlevergasung entstandenen Flugasche abgetrennt worden ist, durch Mittel wie Einlaß 11 bei erhöhtem Druck, z.B. 25 bar, und erhöhter Temperatur, z.B. 260ºC, in ein Gefäß oder einen Behälter 12 in hinsichtlich Behälter 12 tangentialer Richtung eingeleitet. Die Mischung kann aber auch auf andere Weise eingeblasen werden, etwa radial (nicht dargestellt).
Die tangentiale Einleitung ermöglicht die Grobtrennung der Teilchen von dem Gas und ergibt so ein zu filterndes Gas mit einer Makroteilchenkonzentration von beispielsweise 2,2 Gramm/cm³ sowie Grobteilchen, die infolge der Schwerkraft durch Auslaß 11b abwärts sinken. Primärfiltermittel, z.B. keramische Filterelemente 17, die z.B. aus durch Verkleben oder Sintern von einzelnen Teilchen gebildeter geschichteter Siliziumkarbidkeramik bestehen, sind so auf jede beliebige Weise in Gefäß 12 angeordnet, daß die Teilchen aus dem Gas abgetrennt und auf diesen abgelagert werden, wobei das Gas durch die Filter zur weiteren Verarbeitung über Auslaß 11a tritt. Erfindungsgemäß kann für jede Filtereinheit ein Sekundärfiltermittel, Element 13, aus Material mit einer 5 bis 10 mal so großen Porenweite und Durchlässigkeit wie jene des Materials des Primärfiltermittels vorgesehen werden, so daß bei Versagen einer bestimmten Filtereinheit 17 das Gas vom zweiten Mittel gefiltert wird. Durch die dargestellte Anordnung der Elemente 13, wie nachfolgend noch näher beschrieben, setzt sich das Sekundärfilterelement bei derartigem Versagen rasch zu. Die verbleibenden Filterelemente in Gefäß 12 können ohne Unterbrechung weiter betrieben werden, etwa bis zu einer geplanten Stillsetzung.
Erfindungsgemäß muß bei Verwendung eines Rückspülgases zur Reinigung der Primärfilterelemente der Rückspülgasauslaß so angeordnet sein, daß es nicht zur Abreinigung von Ablagerungen auf einem zugesetzten zweiten Filtermittel kommen kann. So sind in der dargestellten Einheit im Bereich des Ausgangs der Primärfilter Mittel 14 vorgesehen, um die Filter periodisch mit einem geeigneten Gas rückzuspülen. Zum Beispiel kann ein Rohr durch Gefäß 12 zu einem Verteiler vorgesehen sein, der über ein Ventil V das Spülgas, etwa Stickstoff, Auslaßrohren zuführt, die wie schon erwähnt im Bereich der Ausgänge der Primärfilter ausmünden. In der dargestellten Abbildung ist Sekundärfilter 13 so angeordnet, daß Spülgas aus dem Auslaß der Rückspülgasauslaßanlage hauptsächlich in das Primärfilter gelenkt wird, indem das Sekundärfilter "hinter" dem Auslaß angeordnet wird. Dem Fachmann wird einleuchten, daß die Reservefiltermittel 13 auch ausschließlich aus Filtermaterial bestehen oder, wie dargestellt, ein undurchlässiges Muffenglied 15 und das Filtermaterial umfassen können. In diesem Fall muß die Einführung des Verteilers in die Muffe oder das Filtermaterial entsprechend abgedichtet werden.
In Figur 2 nimmt eine "gemeinsame" Sekundärfiltereinheit 20 den Strom aus mehreren Primärfiltereinheiten auf. Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil des einfacheren Aufbaus und geringerer Kosten für sich.
Wie angedeutet, stellt Figur 3 eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der das Sekundärfilterelement 15a "vor" und neben der Rückspüldüse angeordnet ist. Dennoch würde bei etwaigem Versagen des Primärfilterelementes die Rückspülung die "Verstopfung" von 15a nicht beseitigen.
In den Figuren 2 und 3 stellen die Bezugsziffern 14 und 17 die gleichen Mittel wie die in Figur 1 verwendeten dar.

Claims

Vorrichtung zum Herausfiltern von Feststoffteilchen aus einem Feststoffteilchen enthaltenden Fluid, umfassend:

einen Behälter (12);

Mittel (11), um dem Behälter (12) ein Feststoffteilchen enthaltendes Fluid zuzuführen, das mit dem Behälter in Verbindung steht;

erste Filtermittel (17), in dem Behälter (12) angeordnet, um das Fluid aufzunehmen, zum Herausfiltern der Feststoffteilchen aus dem Fluid, wobei die ersten Filtermittel (17) ein erstes Filtermaterial einer solchen Porengröße und Durchlässigkeit umfassen, daß die Feststoffteilchen aus dem Fluid entfernt werden und der Durchtritt des Fluids durch dasselbe ermöglicht wird, wobei die ersten Filtermittel (17) in dem Behälter (12) so angeordnet sind, daß Teilchen im Fluid entfernt und auf dem ersten Filtermaterial aufgefangen werden, und Fluid, aus dem die Teilchen abgetrennt worden sind, durch das erste Material tritt;

Mittel (14) zum Entfernen der auf dem ersten Filtermaterial aufgefangenen Feststoffteilchen;

gekennzeichnet durch:

zweite Filtermittel (13) zum Herausfiltern von Feststoffteilchen aus dem Fluid bei Versagen der ersten Filtermittel, wobei die zweiten Mittel (13) in bezug auf die ersten Filtermittel (17) an einem solchen Ort und so angeordnet sind, daß Feststoffteilchen enthaltendes Fluid zuerst durch die ersten Filtermittel (17) und dann durch die zweiten Filtermittel (13) tritt, wobei die zweiten Filtermittel (13) ein zweites Filtermaterial mit größerer Porenweite und größerer Durchlässigkeit als das erste Filtermaterial umfassen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Feststoffteilchen enthaltenden Fluid um ein Flugascheteilchen enthaltendes Gas handelt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Filtermittel (13) in dem Behälter (12) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (14) zum Entfernen von Feststoffteilchen von dem ersten Filtermaterial Mittel zur Zufuhr eines Rückspülfluids umfaßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Rückspülfluid um ein Gas handelt.