EP0215075B1 - Zyklonabscheider mit zwei abscheideräumen und statischen leitvorrichtungen - Google Patents
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- EP0215075B1 EP0215075B1 EP86901811A EP86901811A EP0215075B1 EP 0215075 B1 EP0215075 B1 EP 0215075B1 EP 86901811 A EP86901811 A EP 86901811A EP 86901811 A EP86901811 A EP 86901811A EP 0215075 B1 EP0215075 B1 EP 0215075B1
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- B04C5/02—Construction of inlets by which the vortex flow is generated, e.g. tangential admission, the fluid flow being forced to follow a downward path by spirally wound bulkheads, or with slightly downwardly-directed tangential admission
- B04C5/04—Tangential inlets
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- B04C5/26—Multiple arrangement thereof for series flow
Definitions
- the invention relates to a cyclone separator with two separating spaces and static guide devices for improving the separating ability with regard to finely dispersed particles from flowing gases and reducing the pressure loss with a tangential, spiral or helical inlet channel, with a cyclone housing which is cylindrical at the top and conical at the bottom and a solid collection container arranged underneath, in which cylindrical separating chamber, a cylindrical immersion tube protrudes centrally from above into the cyclone housing to discharge the clean gas flow, and a slotted split immersion tube lying in the cylindrical separating surface of the cyclone separator and having a split channel with a helical or straight inlet edge that enters a swirl tube connects to the dip tube downwards.
- the incoming material is separated in a centrifugal separator due to the centrifugal forces occurring in a swirl flow, which act on the particles flowing on circular or spiral paths.
- a centrifugal separator due to the centrifugal forces occurring in a swirl flow, which act on the particles flowing on circular or spiral paths.
- the separated coarse material slides spirally on the outer wall of the cyclone into the solid collection container, which forms the lower end of the cyclone housing.
- the non-separated fine material enters the clean gas duct with the gas flow exiting through the immersion tube.
- the application-technical advantages of a conventional cyclone are offset by the disadvantages of the high pressure loss and the low separating capacity with regard to the selectivity compared to other separators.
- the known conventional cyclones as the main cause of the low separating capacity, show an irregular axial speed distribution along the separating surface, secondary flows, short-circuit flows and strong turbulence within the separating space.
- the main cause of the high pressure loss is the non-conversion of the rotational energy required for separation into pressure energy, as a result of deflection losses and throttling action at the dip tube inlet, so that up to 90% of the total pressure loss in the vortex core (cyclone eye) occurs below the dip tube.
- the conventional cyclone Due to the demand for emission limitation of respirable dust, recovery of valuable products or maximum separation of abrasion dust from process gases and also for energy reasons, the conventional cyclone has to be increasingly combined with other separation devices that are more efficient in the finely dispersed particle size range below 20 11m. These requirements and the fact that the cyclone for the dedusting of hot gases above 500 ° C is the only separator that can be used on an industrial scale require additional structural measures to improve the separating capacity and to reduce the pressure loss.
- the cylindrical, conventional immersion tube has, in addition to its axial opening on the lower end face, additionally slotted gas inlet openings in the immersion tube jacket, which are formed by pressed-in tabs of the immersion tube jacket.
- the effectiveness of the dedusting cannot be promoted, since this slotted immersion tube design suffers from the essential disadvantage that neither the strong sink flow below the immersion tube nor the solid layer flow along the outer surface of the immersion tube is reduced and no devices are provided for a downstream solids separation. Devices for the recovery of the kinetic energy are also not available.
- a cyclone separator with a slotted immersion tube is also known (EP-A-41 106), which utilizes the effect of a double separation within a single apparatus, but without collecting the solid which is additionally separated within the immersion tube in a second separation space.
- a slotted conventional immersion tube with an axial outlet gap enables the return of fine material that has already been discharged and enriched on the inner wall of the immersion tube to the separating space of the cyclone separator due to the suction effect from the environment due to a gap that is arranged between the inlet channel and the immersion tube.
- Disadvantages of this design are however, both the still existing axially unevenly distributed sink flow below the immersion tube and the suction of ambient air into the deposition process, which increases the pressure loss.
- slotted immersion tubes are published in the journals Chem.-Techn. 22 (1970) No. 9, p. 525/532 and mechanical engineering 7 (1958) No. 8, p. 416/421.
- these immersion tube designs are only longitudinal slots which are arranged uniformly on the circumference of the immersion tube and not upright gap channels which cause flow deflection or energy recovery.
- the invention is therefore based on the object, avoiding the described shortcomings of conventional cyclones in general and the shortcomings of known improved cyclone designs with double separation and improved suction conditions in particular, construct a cyclone separator of the type mentioned in such a way that it with a simple basic construction and Additional installations of static, that is, non-rotating control and separation devices are distinguished by a greatly improved overall separation and fraction separation degree, so that the selectivity of the cyclone separator is significantly improved, and the pressure loss is also reduced compared to the conventional design.
- the immersion tube, the gap immersion tube and a central immersion tube adjoining this downward in the cylindrical separating surface of the cyclone separator form an immersion tube column which surrounds the cyclone axis over the entire separator chamber height (h), the solids collection container (2a) penetrates and is gas-tightly connected to a second solids collection container (2b), the gap immersion tube (6) being the only partially immersing immersion tube.
- the inventor therefore proposes to provide the immersion tube column as a second separator in the manner of a swirl tube within the actual cyclone, so that in this way a two-stage separation is effected in a single dedusting apparatus, although in comparison to the outer separation process, the mass exchange within the swirl tube through energy transfer via the vortex core, which specifies about the cyclone axis, and backflows cause the solids to be transported into the secondary solids collection container below the central immersion tube if there is a supercritical swirl flow within the swirl tube.
- the gap immersion tube When developing the cyclone separator according to the invention, it should be noted in principle that the axial flow directed downward on the outer jacket of the cyclone in the outer flow field of the swirl flow causes the good discharge behavior of the solid in combination with the boundary layer flow on the cone wall. Realisie-. tion of an axial speed component, the gap immersion tube must therefore be arranged below the cyclone inlet channel.
- the slotted gap immersion tube is installed centrally between the conventional immersion tube and the central immersion tube in the cylindrical and not in the conical part of the cyclone housing in order to reduce secondary flows from the separating wall of the cyclone jacket.
- the gap immersion tube enables the transition from the hole sink which is otherwise present below a conventional immersion tube with an uneven axial distribution of the radial speed to the line sink with a uniform axial distribution of the radial speed at the separating surface.
- the invention is based on the knowledge that the spinal sink flow in the outer separating space is not disturbed or the flow turbulence in the separating space is reduced and reduced by a spa) "channel with a helical entry edge or by a plurality of helically arranged gap channels with a straight entry edge within the gap immersion tube the volume flow of the gas is sucked in axially evenly out of the outer separation space at a high speed via a curved gap channel adapted to the streamlines with an accelerating effect on the flow, so that on the one hand there is a uniform speed profile along the suction gap1 and on the other hand the dust particles still present in the gas flow are concentrated in the dead water core around the cyclone axis as a result of pressure forces and are discharged into the secondary solids collection container with the aid of backflows, as a result of which the separated coarse material fraction of the feed material increases, which is a Improvement of the overall and fraction separation efficiency corresponds.
- the immersion tube column is arranged around the cyclone axis in the vortex core of the conventional cyclone in such a way that it penetrates the outer cylindrical and conical deposition space, the cylindrical shielding container and the primary solids collecting container.
- a tearing off of the cyclone inlet flow at the leading edge of the cylindrical cyclone jacket is thus prevented, whereby at the same time the starting positions of the particles suspended in the entering gas stream are more clearly defined.
- the baffle thus enables a more uniform inflow into the gap channel of the gap dip tube.
- the gap dip tube which is switched into the dip tube column between the conventional dip tube and the central dip tube, can be provided with four parallel-walled gap channels evenly distributed on the circumference of the dip tube, each with a straight entry edge, so that the common diagonal of the four recessed areas offset by 90 ° forms a catchy helical line around the gap immersion tube, and the respective curved gap channel in the gap immersion tube is provided as an inlet channel with accelerating flow effect for a swirl tube symmetrical to the cyclone axis, whereby a dead water area with axial backflows into the central immersion tube forms within the swirl tube correspondingly high swirl strength, which is determined by the geometrical design of the gap channel and the gap immersion tube, and whereby high negative pressure values on the cyclone axis and strong pressure changes in the axial direction result in the intensive backflow into the central immersion tube and subsequently in induce the secondary solids collection container.
- the immersion tube column which fixes the separating surface between the vortex field and the vortex core or the static guide and separation devices of the rigid body vortex (cyclone eye) of the conventional cyclone, concentrates further inward about the cyclone axis or swirl tube axis becomes.
- This rigid body vortex builds up a secondary swirl field, which is the prerequisite for maintaining the secondary separation process within the swirl tube.
- the slotted gap dip tube acts as a guide device that the swirl generated in the cyclone inlet is reinforced in the center of the swirl tube.
- This inner swirl flow around the swirl pipe axis results in a dead water core around the swirl pipe axis, the radius R of which increases as the swirl increases and in which the particles are “caught”.
- R o therefore designates the boundary between lossless healthy flow in the area R ⁇ ⁇ r ⁇ R and lossy core flow in the area R o >r> 0.
- There is a strong negative pressure in the dead water area so that the particles are transported in the direction of the pressure force to the cyclone axis and not flow in the direction of the centrifugal force to the swirl tube wall, as is the case in the outer separation chamber.
- a large R o favors the secondary separation effect, since when a critical swirl flow is generated, no flow flow inside the dead water core drives upwards, which would entrain the particles, but there is a negative flow flow around the cyclone axis, especially within the gap dip tube.
- the additionally separated solid collects, which is transported downwards as additional coarse material via the central immersion tube and otherwise in a conventional one Cyclone design as fine material would have flowed over the conventional dip tube.
- the dip tube column that surrounds the swirl tube additionally stabilizes the three-dimensional flow field in the outer separation chamber, so that the cyclone axis is identical to the center of the outer swirl flow.
- the center of the inner swirl flow is the swirl pipe axis which is congruent with the cyclone axis and which only coincides with the cyclone axis in the case of a symmetrical inflow from the gap immersion pipe.
- the gap immersion tube with four gap channels distributed helically on the circumference of the immersion tube can be replaced by a gap immersion tube which either has several gap channels evenly distributed on the circumference of the dip tube at the same axial height, each with a straight leading edge is provided, or can be replaced by a gap immersion tube with a parallel-walled screw-shaped gap channel, which has a screw-shaped entry edge and a screw-shaped exit edge, whereby a supercritical swirl strength with backflows into the central immersion pipe is also generated if the respective gap channel as a curved deflection channel with accelerating Effect is formed and the respective gap channel is provided with an upper and lower cover plate, whereby the suction from the outer separation chamber exclusively via a helical gap channel or more edgewise gap channels evenly distributed around the circumference of the immersion tube.
- the curved gap channels within the gap immersion tube serve as inlet channels for the swirl tube arranged symmetrically to the cyclone axis within the immersion tube column, the swirl tube in turn preferably being designed as a streamlined inlet guide device for an outlet spiral housing arranged above the cyclone cover and having recesses.
- the kinetic energy of the outer swirl flow and the inner swirl flow which is in the same direction can be recovered through a wide outlet spiral to be designed in a known manner, the outlet connection of which flows into the clean gas channel and the hub dead water area can be filled out by a corresponding recess in an expanded conventional immersion tube.
- the inlet opening of the parallel-walled gap channel is designed as a slotted opening within the gap immersion tube jacket in such a way that In the inlet area of the gap channel, the required flow velocity at the interface corresponds to the existing rotary sink flow, which in turn is tapped at the interface as a logarithmic spiral due to the course of the gap immersion tube, so that the curved streamlines of the gas flow entering the swirl tube through the gap channel run along the outer and inner gap channel contour and in the same direction as the cyclone inlet flow.
- a cylindrical shielding container is interposed between the conical part of the outer separating space and the conventional solid collecting container in such a way that the external swirl flow runs out on an outer section of the central immersion tube designed as a shielding cone within the primary solid collecting container, so that the separated solid does not cause any disturbance can penetrate into the primary solids collection container in the annular gap between the cylindrical shielding container and the central immersion tube and the solid cannot be whirled back into the outer separator space by the arrangement of a conical deflector shield underneath the cylindrical shielding container and around the shielding cone.
- the central immersion tube additionally enables a pressure-side separation of the swirl flow in the outer separation chamber from the easily circulating flow in the first solids collection container by installing the shielding cone within the solids collection container in such a way that the separated solids are prevented from escaping back into the separation chamber and at the same time preventing penetration of the separated solid is guaranteed by an annular gap-shaped discharge opening between the cylindrical shielding container and the central immersion tube.
- This discharge device according to the invention accordingly prevents both re-whirling and entrainment of already separated particles.
- the new development of the solids discharge device has the effect that the undesired solids transport of already separated particles from the first dust collection container into the conical outer separating space is completely avoided and the particles sliding down the conical outer surface of the outer separating space without problems in the first Solids collection containers are transported without penetrating turbulent flow areas with backflows that would cause a re-whirling.
- the design of the cyclone separator according to the invention brings about an increase in the total separation degree and the fraction separation degree with a simultaneous reduction in the pressure loss compared to the conventional cyclone design.
- the diameter of the smallest particles, which are separated by 99% is shifted to the 5 gm limit, which corresponds to a selectivity of the cyclone according to the invention which has not previously been achieved in practice by cyclone separators.
- the average diameter of the particles, which are separated by 50%, is 1 ⁇ m.
- a spiral cyclone inlet duct according to the described embodiment is not absolutely necessary, but a tangential or helical inlet duct of the cyclone can also be used.
- a conventional cyclone serves as the basic construction of the cyclone separator according to the invention with two separation spaces and static guide devices.
- the four basic components shown in FIGS. 1 and 3, namely the cyclone housing 12a, 12b, the spiral inlet channel 11, the cylindrical immersion tube 5 and the solids collection container 2a are accordingly also used as components of the cyclone separator according to the invention.
- the cyclone housing consists, in a manner known per se, of an upper cylindrical outer casing 12a and an axially downwardly tapering lower conical outer casing 12b, although the height of the cylindrical housing is greater than the height of the conical housing. Both jacket parts 12a and 12b enclose the outer separation chamber 3a.
- the cylindrical immersion tube 5 which is centered around the cyclone axis 1 and which serves to discharge the dedusted two-phase flow (gas + fine material), projects into the cylindrical outer separating space.
- the tangential or spiral inlet channel 11 is intended to supply the accelerated two-phase flow (gas + feed material) entering the cyclone to the outer separation chamber 3a.
- the lower conical Zyktonenmantei 12b ends in FIG. 3 on a cylindrical shielding container 20 with an annular gap-shaped outlet opening 22 for the separated coarse material, which is deposited in the conventional solid collection container 2a below the shielding container 20.
- the conventional dip tube 5 is first axially extended by a slotted gap dip tube 6, the helical leading edge 9a (FIG. 1) or straight leading edges 9b (FIG. 3) of which extend over the suction height h , stretch out.
- a slotted gap immersion tube is known (DE-A-3 223 374)
- the invention lies in the fact that the gap immersion tube 6 is open on its lower end face and has a gap channel 10 which acts as an inlet channel for one Immersion tube column is used, the axis of which is to be regarded as the center of the vortex core (cyclone eye).
- the arrangement of the central immersion tube 7 arranged below in the axial extension of the gap immersion tube (6) leads to the fact that the complete immersion tube column 5, 6, 7 surrounds the entire height of the separating chamber h and is therefore additionally regarded as a stabilizer of the external swirl flow in the separating chamber 3a can be.
- the generation of an inner swirl flow and thus a subsequent separation in the inner separation space 3b of the central immersion tube 7 (FIG. 4) or of the swirl tube 17 (FIG. 3) enable several parallel-walled gap channels 10 (FIGS. 3 and 4) evenly distributed on the circumference of the immersion tube. , a gap channel 10 designed as a curved diffuser (FIG.
- each parallel-wall channel producing a flow-accelerating effect and being able to generate a supercritical swirl flow.
- the outer swirl flow runs out on an outer section of the central immersion tube 8 designed as a shielding cone 4, and the inner swirl flow is centered about the swirl tube axis 1.
- the central immersion pipe 7 penetrates the conventional solids collection container 2a and is connected to a second solids collection container 2b in a gas-tight manner below the first, so that no gas flow is possible between the two containers.
- a guide plate 27 is provided below the tangential inlet channel 11 in the plane parallel to the cyclone cover 15 in such a way that an axially uniform inflow into the gap channel 10 is ensured without short-circuit currents.
- the outer opening of the gap channel lies under the latter section of the guide plate 27.
- the ring collar formed by the guide plate prevents the particles from entering a solid flow near the wall (boundary layer flow) at the cyclone cover 13 and en tlang be transported directly into the gap channel along the outer peripheral surface of the dip tube 5.
- the gap dip tube 6 is provided with two gap channels at the same axial height according to FIG. 7 or with a helically rising one 8, the cyclone axis 1 and the swirl tube axis are also identical, since the inflow into the swirl tube 17 is symmetrical to the cyclone axis 1, with a dead water region 16 being formed as a result of the swirl flow with each execution of the gap immersion tube 6 in which there are backflows 18.
- FIG. 3 The embodiment of a cyclone separator according to the invention shown in FIG. 3 works with the following two-stage separation process:
- the dust-containing gas drawn in by a compressor flows in a manner known per se into the swirl-generating inlet channel 11 of the cyclone and, via this, into the cylindrical outer separation chamber 3a.
- the inflowing gas in the sense of the invention is evenly above the suction heights h; sucked out.
- the flow in the cylindrical separation chamber is a vertebral sink.
- the gas flows on spiral tracks from outside to inside with increasing speed.
- the generated three-dimensional swirl flow enables the tangential velocity component to generate the centrifugal acceleration required for separation and the axial component of the velocity to transport the solid spirally along the outer cyclone jacket 12 into the primary solid collection container 2a, since even fine dust particles do not follow the streamlines of the gas. because they are carried out of the curved path against the cyclone jacket under the effect of high centrifugal accelerations.
- the same secondary currents are observed on the separator wall as in a tea cup.
- This secondary flow along the wall of the conical separating space 12b is useful, however, since it likewise detects the solid carried on the wall and leads down to the solid collecting container 2a.
- a strand of solid material on concave walls arises due to the disturbed balance of pressure and centrifugal forces.
- the static pressure drops sharply from the outside to the inside.
- the lowest pressure of the vortex prevails in the swirl tube axis or cyclone axis 1.
- the compressive force that acts on the particles is substantially greater than the centrifugal force, so that strong secondary flows inward to the cyclone axis 1 favor the secondary separation effect.
- the solid layers initially bound by the swirl tube inner wall are displaced in the direction of the radial pressure drop, while the cleaned flow stream 23 flows along the inner swirl tube walls.
- a gap immersion tube 6, which causes this phenomenon of backflow, is basically suitable for exploiting the secondary separation effect for the dust separation from a flowing fluid.
- the kinetic energy of the swirl flow is recovered by an outlet spiral 8a with recess cores arranged above the cyclone cover 13 and dimensioned in a known manner, so that both the axial component and the tangential component of the inner swirl flow are decelerated in such a way that the cyclone entry speed and the cyclone exit speed assume the same values at the same Cross sections of raw gas and clean gas channels.
- the field of application of cyclone separators is significantly expanded.
- the cyclone according to the invention could be used as a future application example for the dedusting from the pressure-operated fluidized bed combustion in a combined gas / steam turbine plant.
- the gas turbine blades are subject to both erosive and corrosive wear, with the erosion force having a strong effect from a particle diameter of size d k 10 ⁇ m.
- the air / flue gas-side pressure loss of the combined process influences the process efficiency to a considerable extent.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Zyklonabscheider mit zwei Abscheideräumen und statischen Leitvorrichtungen zur Verbesserung des Abscheidevermögens bezüglich feinstdisperser Partikeln aus strömenden Gasen und Reduzierung des Druckverlustes mit tangentialem, spiralförmigen oder schraubenförmigen Einlaufkanal, mit einem oben zylindrischen und unten konischen Zyklongehäuse sowie einem darunter angeordneten Feststoffsammelbehälter, wobei in den zylindrischen Abscheideraum von oben zentrisch in das Zyklongehäuse ein zylindrisches Tauchrohr zum Abführen des Reingasstromes hineinragt und an das Tauchrohr nach unten ein in der zylindrischen Trennfläche des Zyklonabscheiders liegendes geschlitztes Spalt-Tauchrohr mit einem in ein Drallrohr einlaufenden Spaltkanal mit schraubenförmiger oder gerader Eintrittskante anschließt.
- In einem Fliehkraftabscheider wird das einströmende Aufgabegut aufgrund der in einer Drallströmung auftretenden Zentrifugalkräfte abgeschieden, die auf die auf Kreis- oder Spiralbahnen strömenden Partikeln wirken. Infolge einer axialen Geschwindigkeitskomponerite des Strömungsfeldes gleitet das abgeschiedene Grobgut spiralförmig an der Zyklonaußenwand in den Feststoffsammelbehälter, der den unteren Abschluß des Zyklongehäuses bildet. Das nicht abgeschiedene Feingut gelangt mit dem durch das Tauchrohr austretenden-Gasstrom in den Reingaskanal.
- Die einfache Bauweise eines herkömmlichen Fliehkraftabscheiders gewährleistet, wie bekannt, eine hohe Betriebssicherheit, einen geringen Wartungsaufwand, geringe Anschaffungskosten und einen kleinen Platzbedarf. Die Grenzen seines weiten Anwendungsbereiches liegen bei einem Betriebsdruck von 100 bar und Gastemperaturen von über 1000°C.
- Den anwendungstechnischen Vorteilen eines herkömmlichen Zyklons stehen die Nachteile des hohen Druckverlustes und des geringen Abscheidevermögens bezüglich der Trennschärfe im Vergleich zu anderen Abscheidern gegenüber. Die bekannten herkömmlichen Zyklone zeigen als Hauptursache des geringen Abscheidevermögens eine unregelmäßige axiale Geschwindigkeitsverteilung entlang der Trennfläche, Sekundärströmungen, Kurzschlußströmungen und starke Turbulenzen innerhalb des Abscheideraumes. Hauptursache des hohen Druckverlustes ist die Nichtumsetzung der zur Abscheidung erforderlichen Rotationsenergie in Druckenergie, infolge Umlenkverlusten und Drosselwirkung am Tauchrohreinlauf, so daß bis zu 90% des Gesamtdruckverlustes im Wirbelkern (Zyklonauge) unterhalb des Tauchrohres entstehen.
- Durch die Forderung nach Emissionsabgrenzung lungengängigen Staubes, Wiedergewinnung wertvoller Produkte bzw. maximaler Abscheidung von Abriebstaub aus Prozeßgasen und auch aus energetischen Gründen muß daher der herkömmliche Zyklon in zunehmendem Maße mit anderen Abscheidungsapparaten kombiniert werden, die im feindispersen Partikelgrössenbereich unterhalb 20 11m leistungsfähiger sind. Diese Forderungen und die Tatsache, daß der Zyklon für die Entstaubung heißer Gase oberhalb 500°C der einzige großtechnisch einsetzbare Abscheider ist, verlangen nach zusätzlichen konstruktiven Maßnahmen zur Verbesserung des Abscheidevermögens und zur Reduzierung des Druckverlustes.
- Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse, Leitvorrichtungen in den Abscheideraum oder innerhalb des Tauchrohres zu installieren, wobei jedoch die bislang veröffentlichten Patentanmeldungen nicht sämtliche Ursachen des geringen Abscheidevermögens und hohen Druckverlustes berücksichtigen und keine Zyklon-Neuentwicklung einen zweiten Abscheideraum konstruktiv innerhalb eines einzigen Apparates realisiert und zusätzlich Rückströmungen rings der Zyklonachse für eine Partikelabscheidung nutzbar macht.
- Zwar ist es bekannt (US-A-2 604 956), zwei Zyklonabscheider konzentrisch ineinander anzuordnen, die jeweils an einen gesonderten, sich nach unten an den konischen Teil des jeweiligen Zyklonabscheiders anschließenden Feststoffsammelbehälter angeschlossen sind, wobei die Feststoffsammelbehälter ebenfalls konzentrisch ineinander angeordnet sind. Der äußere Zyklonabscheider weist einen tangentialen Einlauf auf und steht an seinem oberen Ende über einen drallgebenden, sich verengenden Verbindungskanal mit dem inneren Zyklonabscheider in Verbindung, in welchen das beiden Zyklonabscheidern gemeinsame Tauchrohr zum Abführen des Reingasstromes hineinragt. Hinsichtlich der Strömungs- und Druckbedingungen verhält sich daher wenigstens der innere Zyklonabscheider weiterhin wie ein herkömmlicher Zyklon.
- Bei einem anderen bekannten Zyklonabscheider (DE-A-2 361 995) weist das zylindrische, herkömmliche Tauchrohr außer seiner axialen Öffnung an der unteren Stirnseite zusätzlich geschlitzte Gaseintrittsöffnungen im Tauchrohrmantel auf, die durch eingedrückte Laschen des Tauchrohrmantels gebildet werden. Die Wirksamkeit der Entstaubung kann nicht gefördert werden, da diese geschlitzte Tauchrohrausführung mit dem wesentlichen Nachteil behaftet ist, daß weder die starke Senkenströmung unterhalb des Tauchrohres noch die Feststoffschichtströmung entlang der äußeren Tauchrohrmantelfläche reduziert werden und keine Vorrichtungen für eine nachgeschaltete Feststoffabscheidung vorgesehen sind. Vorrichtungen zur Rückgewinnung der kinetischen Energie sind ebenfalls nicht vorhanden.
- Es ist weiterhin ein Zyklonabscheider mit geschlitztem Tauchrohr bekannt (EP-A-41 106), das zwar den Effekt einer doppelten Abscheidung innerhalb eines einzigen Apparates ausnutzt, ohne jedoch den innerhalb des Tauchrohres zusätzlich abgeschiedenen Feststoff in einem zweiten Abscheideraum zu sammeln. Ein geschlitztes herkömmliches Tauchrohr mit axialem Auslaufspalt ermöglicht durch die Saugwirkung aus der Umgebung infolge eines Spaltes, der zwischen Einlaufkanal und Tauchrohr angeordnet ist, die Rückführung von bereits ausgetragenem, an der Innenwand des Tauchrohres angereicherten Feingut in den Abscheideraum des Zyklonabscheiders. Nachteile dieser Ausführung sind jedoch sowohl die noch bestehende axial ungleichmässig verteilte Senkenströmung unterhalb des Tauchrohres als auch die Ansaugung von Umgebungsluft in den Abscheidungsprozeß, wodurch sich der Druckverlust erhöht.
- Weiterhin werden geschlitzte Tauchrohre in den Zeitschriften Chem.-Techn. 22 (1970) Nr. 9, S. 525/532 und Maschinenbautechnik 7 (1958) Nr. 8, S. 416/421 vorgestellt. Es handelt sich aber bei diesen Tauchrohr-Ausführungen lediglich um Längsschlitze, die gleichmäßig am Tauchrohrumfang angeordnet sind, und nicht um hochkantige Spaltkanäle, die eine Strömungsumlenkung oder eine Energierückgewinnung bewirken.
- Von Prof. Dr.-ing. Schmidt wird ein geschlitztes Spalt-Tauchrohr vorgestellt, (Staub-Reinhaltung der Luft 45 (1985), Nr. 4, S. 163/165 und DE-A-3 223 374) das einen schraubenförmigen Eintrittsspalt und einen dreidimensionalen Diffusorkanal mit Umlenkeigenschaften aufweist. Dieser sogenannte Schraubendiffusor ist an der unteren Stirnfläche mit einer Bodenplatte verschlossen und ist unterhalb eines herkömmlichen Tauchrohres angeordnet. Dieses geschlitzte Tauchrohr reduziert den Druckverlust eines Zyklonabscheiders bis zu 50% und verbessert das Abscheidevermögen eines Zyklons, da ein Übergang von der Kreislochsenkenströmung zur Liniensenkenströmung erfolgt. Jedoch kann dieses neuentwickelte Tauchrohr als alleinstehende konstruktive Maßnahme die Kurzschluß- und Sekundärströmungen nicht verhindern und ermöglicht nicht die Abführung des sekundär innerhalb des Tauchrohres abgeschiedenen Feststoffes. Infolge des im Tauchrohr eingebauten Diffusorkanals kann weiterhin eine kritische Drallströmung mit Rückströmungen nicht erzielt werden.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der beschriebenen Mängel von herkömmlichen Zyklonen im allgemeinen und der Mängel bekannter verbesserter Zyklonausführungen mit doppelter Abscheidung und verbesserten Absaugbedingungen im besonderen, einen Zyklonabscheider der eingangs genannten Art konstruktiv so auszubilden, daß er sich bei einfacher Grundkonstruktion und zusätzlichen Einbauten von statischen also nicht rotierenden Leit- und Abscheidevorrichtungen durch einen stark verbesserten Gesamtabscheidegrad und Fraktionsabscheidegrad auszeichnet, so daß die Trennschärfe des Zyklonabscheiders wesentlich verbessert wird, wobei sich zusätzlich der Druckverlustgegenüber der herkömmlichen Ausführung reduziert.
- Bei dem Zyklonabscheider gemäß der Erfindung bilden das Tauchrohr, das Spalt-Tauchrohr und ein an dieses nach unten in der zylindrischen Trennfläche des Zyklonabscheiders anschließendes Zentral-Tauchrohr eine Tauchrohrsäule, die die Zyklonachse auf der gesamten Abscheiderraumhöhe (h) umgibt, den Feststoffsammelbehälter (2a) durchdringt und an einem zweiten Feststoffsammelbehälter (2b) gasdicht angeschlossen ist, wobei das Spalt-Tauchrohr (6) das allein absaugende Teiltauchrohr ist.
- Der Erfinder schlägt demnach vor, die Tauchrohr- Säule als zweiten Abscheider nach Art eines Drallrohres innerhalb des eigentlichen Zyklons vorzusehen, so daß auf diese Weise in einem einzigen Entstaubungsapparat eine zweistufige Abscheidung bewirkt wird, wobei allerdings im Vergleich zum äußeren Abscheidungsprozeß der Massenaustausch innerhalb des Drallrohres durch Energieübertragung über den um die Zyklonachse präzidierenden Wirbelkern erfolgt und Rückströmungen den Feststofftransport in den sekundären Feststoffsammelbehälter unterhalb des Zentral-Tauchrohres bewirken, falls innerhalb des Drallrohres eine überkritische Drallströmung herrscht.
- Bei der erfindungsgemäßen Entwicklung des Zyklonenabscheiders ist grundsätzlich zu beachten, daß die am Außenmantel des Zyklons abwärts gerichtete Axialströmung im äußeren Strömungsfeld der Drallströmung das gute Austragsverhalten des Feststoffes in Kombination mit der Grenzschichtströmung an der Konuswand bewirkt. Zur Realisie- . rung einer axialen Geschwindigkeitskomponente muß daher das Spalt-Tauchrohr unterhalb des Zyklon-Einlaufkanals angeordnet werden.
- Das geschlitzte Spalt-Tauchrohr wird zwischen herkömmlichem Tauchrohr und Zentral-Tauchrohr in den zylindrischen und nicht in den konischen Teil des Zyklongehäuses zentrisch eingebaut, um Sekundärströmungen von der Abscheidewand des Zyklonmantels zu vermindern. Das Spalt-Tauchrohr ermöglicht den Übergang von der ansonsten unterhalb eines herkömmlichen Tauchrohres vorliegenden Lochsenke mit ungleichmäßiger axialer Verteilung der Radialgeschwindigkeit zur Liniensenke mit vergleichsmäßigter axialer Verteilung der Radialgeschwindigkeit an der Trennfläche. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch einen Spa)"- kanal mit schraubenförmiger Eintrittskante odedurch mehrere schraubenförmig angeordnete Spaltkanäle mit gerader Eintrittskante innerhalb des Spalt-Tauchrohres die Wirbel-Senkenströmung im äußeren Abscheideraum nicht gestört wird bzw. die Strömungsturbulenzen im Abscheideraum reduziert werden und der Volumenstrom des Gases mit hoher Geschwindigkeit über einen den Stromlinien angepaßten gekrümmten Spaltkana mit beschleunigender Wirkung auf die Strömung axial gleichmäßig aus dem äußeren Abscheideraum angesaugt wird, so daß sich zum einen ein vergleichmäßigtes Geschwindigkeitsprofil entlang des Absaugspaltes einstell1, zum anderen die noch im Gasstrom vorhandenen Staubpartikeln im Totwasserkern um die Zyklonachse infolge von Druckkräften konzentriert werden und mit Hilfe von Rückströmungen in den sekundären Feststoffsammelbehälter abgeführt werden, wodurch der abgeschiedene Grobgutanteil des Aufgabegutes zunimmt, was einer Verbesserung des Gesamt- und Fraktionsabscheidegrades entspricht.
- Zur Stabilisierung des zweistufigen Abscheidungsprozesses wird die Tauchrohr-Säule um die Zyklonachse in den Wirbelkern des herkömmlichen Zyklons derart angeordnet, daß sie den äußeren zylindrischen und konischen Abscheideraum, den zylindrischen Abschirmbehälter und den primären Feststoffsammelbehälter durchdringt.
- Vorzugsweise ist ein Leitblech zwischen dem Einlaufkanal und dem Spalt-Tauchrohr unterhalb des Zyklon-Einlaufkanals in der horizontalen, zum Zyklondeckel parallelen Ebene derart im äußeren Abscheideraum installiert, daß Kurzschlußströmungen der Drallströmung direkt in den Absaugspaltkanal des Spalt-Tauchrohres unterbunden werden und die axiale Geschwindigkeitskomponente der Drallströmung im äußeren Abscheideraum bezüglich des Feststoffaustragsverhaltens positiv beeinflußt wird. Ein Abreißen der Zykloneinlaufströmung an der Eintrittskante des zylindrischen Zyklonmantels wird somit verhindert, wodurch gleichzeitig die Startpositionen der in dem eintretenden Gasstrom suspendierten Partikel eindeutiger festgelegt werden. Somit ermöglicht das Leitblech eine gleichmäßigere Zuströmung in den Spaltkanal des Spalt-Tauchrohres.
- Das Spalt-Tauchrohr, das in die Tauchrohr-Säule zwischen das herkömmliche Tauchrohr und das Zentral-Tauchrohr eingeschaltet wird, kann mit vier am Tauchrohrumfang gleichmäßig verteilten parallelwandigen Spaltkanälen mit jeweils gerader Eintrittskante versehen sein, so daß die gemeinsame Diagonale dervier um 90° versetzten Aussparungsflächen eine eingängige Schraubenlinie um das Spalt-Tauchrohr bildet, und der jeweilige gekrümmte Spaltkanal im Spalt-Tauchrohr als Einlaufkanal mit beschleunigender Strömungswirkung für ein zur Zyklonachse symmetrisches Drallrohr vorgesehen ist, wodurch sich innerhalb des Drallrohres ein Totwassergebiet mit axialen Rückströmungen in das Zentral-Tauchrohr ausbildet bei entsprechend hoher Drallstärke, die durch die geometrische Gestaltung des Spaltkanals und des Spalt-Tauchrohrs festgelegt wird, und wobei hohe Unterdruckwerte auf der Zyklonachse und starke Druckänderungen in Achsrichtung die intensive Rückströmung in das Zentral-Tauchrohr und anschließend in den sekundären Feststoffsammelbehälter induzieren.
- Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch diese die Trennfläche zwischen Wirbelfeld und Wirbelkern fixierende Tauchrohr-Säule bzw. durch diese statische Leit-und Abscheidevorrichtungen der Starrkörperwirbel (Zyklonauge) des herkömmlichen Zyklons weiter nach innen um die Zyklonachse bzw. Drallrohrachse konzentriert wird. Dieser Starrkörperwirbel baut um sich ein sekundäres Drallfeld auf, die die Voraussetzungen zur Aufrechterhaltung des sekundären Abscheidungdsprozesses innerhalb des Drallrohres ist.
- Das geschlitzte Spalt-Tauchrohr bewirkt als Leitvorrichtung, daß der im Zykloneinlauf erzeugte Drall im Zentrum des Drallrohres verstärkt wird. Aus dieser inneren Drallströmung um die Drallrohrachse resultiert ein Totwasserkern um die Drallrohrachse, dessen Radius R mit anwachsendem Drall grösser wird, und in dem die Partikeln «gefangen» gehalten werden. Ro bezeichnet demnach die Grenze zwischen verlustfreier gesunder Strömung im Bereich Rα < r < R und verlustbehafteter Kernströmung im Bereich Ro > r > 0. Im Totwassergebiet herrscht ein starker Unterdruck, so daß die Partikeln in Richtung der Druckkraft zur Zyklonachse transportiert werden und nicht in der Richtung der Zentrifugalkraft zur Drallrohrwand strömen, wie es im äußeren Abscheideraum der Fall ist. Ein großes Ro begünstigt den sekundären Abscheidungseffekt, da bei Erzeugung einer kritischen Drallströmung keine Durchflußströmung innerhalb des Totwasserkerns axial nach oben treibt, die die Partikeln mitreißen würde, sondern eine negative Durchflußströmung um die Zyklonachse besonders innerhalb des Spalt-Tauchrohres vorhanden ist.
- In dem zweiten Feststoffsammelbehälter, der an das Zentral-Tauchrohr angeflanscht wird und unterhalb des ersten Feststoffsammelbehälters angeordnet ist, sammelt sich der zusätzlich abgeschiedene Feststoff, der mit Hilfe von Rückströmung über das Zentral-Tauchrohr als zusätzliches Grobgut nach unten transportiert wird und ansonsten bei einer herkömmlichen Zyklonausführung als Feingut über das herkömmliche Tauchrohr abgeströmt wäre. Durch die Tauchrohr-Säule, die das Drallrohr umgibt, wird zusätzlich das dreidimensionale Strömungsfeld im äußeren Abscheideraum stabilisiert, so daß die Zyklonachse mit dem Zentrum der äußeren Drallströmung identisch ist. Das Zentrum der inneren Drallströmung bildet die zur Zyklonachse deckungsgleiche Drallrohrachse, die nur im Fall einer symmetrischen Zuströmung aus dem Spalt-Tauchrohr mit der Zyklonachse zusammenfällt.
- Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann zur Steigerung der Rotationssymmetrie und der Drallstärke das Spalt-Tauchrohr mit vier schraubenförmig am Tauchrohrumfang verteilten Spaltkanälen durch ein Spalt-Tauchrohr ersetzt werden, das entweder mit mehreren am Tauchrohrumfang in gleicher axialer Höhe gleichmäßig verteilten Spaltkanälen mit jeweils gerader Eintrittskante versehen ist, oder durch ein Spalt-Tauchrohr ersetzt werden mit parallelwandigem schraubenförmigem Spaltkanal, der eine schraubenförmige Eintrittskante und eine schraubenförmige Austrittskante aufweist, wodurch ebenfalls eine überkritische Drallstärke mit Rückströmungen in das Zentral-Tauchrohr erzeugt wird, wenn der jeweilige Spaltkanal als gekrümmter Umlenkkanal mit beschleunigender Wirkung ausgebildet wird und der jeweilige Spaltkanal mit einer oberen und unteren Abdeckplatte versehen wird, wodurch die Absaugung aus dem äußeren Abscheideraum ausschließlich über einen schraubenförmigen Spaltkanal oder über mehrere hochkantige am Tauchrohrumfang gleichmäßig verteilte Spaltkanäle erfolgt.
- In jedem Fall dienen die gekrümmten Spaltkanäle innerhalb des Spalt-Tauchrohres als Einlaufkanäle für das zur Zyklonachse symmetrisch angeordnete Drallrohr innerhalb der Tauchrohr-Säule, wobei das Drallrohr seinerseits bevorzugt als strömungsgünstige Zulaufleitvorrichtung für ein oberhalb des Zyklondeckels angeordnetes Auslaufspiralgehäuse mit Aussparkern ausgebildet ist. Die kinetische Energie der äußeren Drallströmung und die zu ihr gleichsinnige innere Drallströmung kann durch eine weite in bekannter Weise auszulegende Auslaufspirale zurückgewonnen werden, deren Austrittsstutzen in den Reingaskanal mündet und deren Nabentotwassergebiet innerhalb eines erweiterten herkömmlichen Tauchrohres durch einen entsprechenden Aussparkern ausgefüllt werden kann. In vorteilhafter Weise wird die Eintrittsöffnung des parallelwandigen Spaltkanals als geschlitze Öffnung innerhalb des Spalt-Tauchrohrmantels derart ausgebildet, daß sich im Einlaufbereich des Spaltkanals die geforderte Strömungsgeschwindigkeit an der Trennfläche entsprechend der vorhandenen Drehsenkenströmung einstellt, die ihrerseits durch den Verlauf des Spalt-Tauchrohrumfangs als logarithmische Spirale strömungsgünstig an der Trennfläche abgegriffen wird, so daß die gekrümmten Stromlinien der durch den Spaltkanal in das Drallrohr eintretenden Gasströmung entlang der äußeren und inneren Spaltkanalkontur und gleichsinnig mit der Zykloneneintrittsströmung verlaufen.
- Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein zylindrischer Abschirmbehälter zwischen konischem Teil des äußeren Abscheideraumes und herkömmlichem Feststoffsammelbehälter derart dazwischengeschaltet, daß die äußere Drallströmung auf einem als Abschirmkegel ausgebildeten äußeren Teilstück des Zentral-Tauchrohres innerhalb des primären Feststoffsammelbehälters ausläuft, wodurch der abgeschiedene Feststoff störungsfrei ohne Mitreißeffekte im Ringspalt zwischen zylindrischem Abschirmbehälter und Zentral-Tauchrohr in den primären Feststoffsammelbehälter eindringen kann und der Feststoff durch die Anordnung eines kegelförmigen Abweiserschirms unterhalb des zylindrischen Abschirmbehälters und um den Abschirmkegel nicht wieder in den äußeren Abscheiderraum hineingewirbelt werden kann.
- Das Zentral-Tauchrohr ermöglicht zusätzlich eine druckseitige Trennung der Drallströmung im äußeren Abscheideraum von der leicht zirkulierenden Strömung im ersten Feststoffsammelbehälter, indem der Abschirmkegel innerhalb des Feststoffsammelbehälters derart installiert ist, daß ein Austreten des abgeschiedenen Feststoffes zurück in den Abscheideraum unterbunden wird, und gleichzeitig das Eindringen des abgeschiedenen Feststoffes durch eine ringspaltförmige Austragsöffnung zwischen zylindrischem Abschirmbehälter und Zentral-Tauchrohr gewährleistet ist. Diese erfindungsgemäße Austragungsvorrichtung verhindert demnach sowohl eine Wiederaufwirbelung als auch ein Mitreißen bereits abgeschiedener Partikel.
- Gemäß der zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung bewirkt die Neuentwicklung der Feststoff-Austragsvorrichtung, daß der unerwünschte Feststofftransport bereits abgeschiedener Partikeln aus dem ersten Staubsammelbehälter in den konischen äußeren Abscheideraum vollständig vermieden und die an der konischen Mantelfläche des äußeren Abscheideraumes spiralförmig nach unten gleitenden Partikel störungsfrei in den ersten Feststoffsammelbehälter transportiert werden, ohne turbulente Strömungsbereiche mit Rückströmungen zu durchdringen, die eine Wiederaufwirbelung verursachen würden.
- Wie nachstehend noch anhand von Meßkurven gezeigt wird, bewirkt die erfindungsgemäße Ausbildung des Zyklonabscheiders eine Steigerung des Gesamtabscheidegrades und des Fraktionsabscheidegrades bei gleichzeitiger Reduzierung des Druckverlustes gegenüber der herkömmlichen Zyklonausführung. Insbesondere wird der Durchmesser der kleinsten Partikel, die zu 99% abgeschieden werden, auf die 5 gm-Grenze verschoben, was einer Trennschärfe des erfindungsgemäßen Zyklons entspricht, die bisher von Zyklonabscheidern in der Praxis nicht erreicht wurde. Der mittlere Durchmesser der Partikel, die zu 50% abgeschieden werden, beträgt 1 µm.
- Zur Verbesserung der Zyklonbetriebsgrößen Gesamtabscheidegrad, Fraktionsabscheidegrad und Druckverlust gemäß der Erfindung ist nicht unbedingt ein spiralförmiger Zykloneinlaufkanal entsprechend der beschriebenen Ausführungsform erforderlich, sondern ein tangentialer oder schraubenförmiger Einlaufkanal des Zyklons kann ebenfalls zur Anwendung kommen.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren. Es zeigen:
- Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer Zyklonausführungsform mit erfindungsgemäßer Tauchrohrsäule, wobei das Spalt-Tauchrohr eine schraubenförmige Eintrittskante und einen diffusorartigen Spaltkanal aufweist,
- Fig. 2 einen schematischen Querschnitt entlang der Schnittlinie 11-11 in Fig. 1,
- Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt einer Zyklonausführungsform mit erfindungsgemäßer Tauchrohr-Säule, wobei das Spalt-Tauchrohr mit vier schraubenförmig gegeneinander versetzt angeordneten Einlaufkanälen mit jeweils gerader Eintrittskante versehen ist,
- Fig. 4 einen schematischen Querschnitt entlang der Schnittlinie 11-11 in Fig. 3,
- Fig. 5 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Spalt-Tauchrohres mit vier schraubenförmig gegeneinander versetzt angeordneten Einlaufkanälen mit jeweils gerader Eintrittskante und um die Zyklonachse zentriertem Drallrohr innerhalb der Tauchrohr-Säule,
- Fig. 6 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Spalt-Tauchrohres nach Fig. 5 entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 3,
- Fig. 7 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Spalt-Tauchrohres mit zwei parallelwandigen, in gleicher axialer Höhe symmetrisch angeordneten Spaltkanälen, die durch obere und untere Platten axial abgedeckt sind,
- Fig. 8 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Spalt-Tauchrohrs mit einem schraubenförmigen parallelwandigen Spaltkanal, der mit schraubenförmiger Eintrittskante und schraubenförmiger Austrittskante als Zulaufkanal für das Drallrohr ausgebildet ist,
- Fig. 9 die erfindungsgemäße zweistufige Feststoffvorrichtung mit Abschirmkegel, der um das Zentral-Tauchrohr unterhalb des zylindrischen Abschirmbehälters angeordnet ist,
- Fig. 10 eine schematische Darstellung der Strömungsprofile mit axialer und tangentialer Geschwindigkeit Vz und vϕ, die sich im Drallrohr bei unterkritischer und überkritischer Drallströmung ausbilden, und
- Fig. 11 Partikelgrößenverteilungen des Feingutes im Reingaskanal des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders (Kurve 25) im Vergleich zur Partikelgrößenverteilung des Feingutes im Reingaskanal des gleichen Zyklonabscheiders ohne erfindungsgemäße Tauchrohr-Säule (Kurve 26).
- Als Grundkonstruktion des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders mit zwei Abscheideräumen und statischen Leitvorrichtungen dient ein herkömmlicher Zyklon. Die in den Figuren 1 und 3 gezeigten vier Grundbauteile, nämlich das Zyklongehäuse 12a, 12b, der spiralförmige Einlaufkanal 11, das zylindrische Tauchrohr 5 und der Feststoffsammelbehälter 2a werden demnach ebenfalls als Bauteile des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders verwendet. Das Zyklongehäuse besteht in an sich bekannter Weise aus einem oberen zylindrischen Außenmantel 12a und einem sich axial nach unten verjüngenden unteren konischen AußenmanteI 12b, wobei allerdings die Höhe des zylindrischen Gehäuses größer ist als die Höhe des konischen Gehäuses. Beide Mantelteile 12a und 12b umschließen den äußeren Abscheideraum 3a. In den zylindrischen äußeren Abscheideraum ragt das um die Zyklonachse 1 zentrierte, zylindrische Tauchrohr 5 hinein, das zum Abführen der entstaubten Zweiphasenströmung (Gas + Feingut) dient. Der tangentiale oder spiralförmige Einlaufkanal 11 ist bestimmt, die in den Zyklon eintretende beschleunigte Zweiphasenströmung (Gas + Aufgabegut) dem äußeren Abscheideraum 3a zuzuführen. Der untere konische Zyktonenmantei 12b endet nach Fig. 3 auf einem zylindrischen Abschirmbehälter 20 mit einer ringspaltförmigen Austrittsöffnung 22 für das abgeschiedene Grobgut, das in dem herkömmlichen Feststoffsammelbehälter 2a unterhalb des Abschirmbehälters 20 abgelagert wird.
- Nach der erfindungsgemäßen Zyklonausführung in den Fig. 1 und 3 wird zunächst das herkömmliche Tauchrohr 5 durch ein geschlitztes Spalt-Tauchrohr 6 axial verlängert, dessen schraubenförmige Eintrittskante 9a (Fig. 1) oder gerade Eintrittskanten 9b (Fig. 3) sich über die Absaughöhe h, hin erstrecken. Zwar ist die Absaugung über ein geschlitztes Spalt-Tauchrohr bekannt (DE-A-3 223 374), die Erfindung liegt aber darin, daß das Spalt-Tauchrohr 6 an seiner unteren Stirnfläche geöffnet ist und einen Spaltkanal 10 aufweist, der als Einlaufkanal für eine Tauchrohr- säule benutzt wird, deren Achse als Zentrum des Wirbelkerns (Zyklonauge) zu betrachten ist. Die Anordnung des unten angeordneten Zentral-Tauchrohrs 7 in axialer Verlängerung des Spalt-Tauchrohres (6) führt dazu, daß die vollständige Tauchrohr- Säule 5, 6, 7 die gesamte Abscheideraumhöhe h umgibt und somit zusätzlich als Stabilisator der äußeren Drallströmung im Abscheideraum 3a angesehen werden kann. Die Erzeugung einer inneren Drallströmung und damit einer nachgeschalteten Abscheidung im inneren Abscheideraum 3b des Zentral-Tauchrohres 7 (Fig. 4) bzw. des Drallrohres 17 (Fig. 3) ermöglichen mehrere am Tauchrohrumfang gleichmäßig verteilte parallelwandige Spaltkanäle 10 (Fig. 3 und 4), ein als gekrümmter Diffusor ausgelegter Spaltkanal 10 (Fig. 2) oder ein schraubenförmiger parallelwandiger Spaltkanal, wobei jeder parallelwandige Kanal eine strömungsbeschleunigende Wirkung hervorruft und eine überkritische Drallströmung erzeugen kann. Die äußere Drallströmung läuft auf einem als Abschirmkegel 4 ausgebildeten äußeren Teilstück des Zentral-tauchrohres 8 aus, und die innere Drallströmung wird um die Drallrohrachse 1 zentriert. Das Zentral-Tauchrohr 7 durchdringt den herkömmlichen Feststoffsammelbehälter 2a und ist an einem zweiten Feststoffsammelbehälter 2b unterhalb des ersten gasdicht angeschlossen, so daß zwischen den beiden Behältern keine Gasführung möglich ist.
- Bei dem in Fig. 2 dargestellten Querschnitt des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders nach Fig. 1 ist unterhalb des tangentialen Einlaufkanals 11 ein Leitblech 27 in der zum Zyklondeckel 15 parallelen Ebene derart vorgesehen, daß eine axial gleichmäßige Zuströmung in den Spaltkanal 10 ohne Kurzschlußströmungen gewährleistet wird. Das Leitblech 27 verläuft von dem Zentriewinkel ϕ = 00, der von der Übergangsstelle der in den zylindrischen Außenmantel 12 des Zyklongehäuses tangential einlaufenden äußeren Wand des Einlaufkanals 11 bestimmt ist, bis zum Zentriewinkel (p = 180° als Ring kragen um das Tauchrohr 5. Von dort verläuft die in Drehrichtung der Drallströmung vordere Kante des Leitbleches etwa tangential zum Außenumfang des Ringkragens bis zu der inneren Wand des Einlaufkanals 11 an dessen Unterseite, während das Leitblech 27 von dort aus den Ringraumquerschnitt zwischen Tauchrohrumfang und Außenmantel 12 bis zu dem Zentriewinkel ϕ = 0° vollständig abdeckt und dort in einer radialen Kante endet, die von dem Ringkragenumfang bis zu dem Außenmantel 12 verläuft. Die Au- ßenmündung des Spaltkanals liegt unter dem letzteren Abschnitt des Leitbleches 27. Der von dem Leitblech ausgebildete Ringkragen verhindert, daß die Partikel in einer wandnahen Feststoffströmung (Grenzschichtströmung) am Zyklondeckel 13 und entlang der Außenumfangsfläche des Tauchrohres 5 unmittelbar in den Spaltkanal transportiert werden.
- Aus dem in Fig. 4 dargestellten Querschnitt des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders aus Fig. 3 ist der Spiraleinlauf 11 des Zyklons und das zur Energierückgewinnung erforderliche Spiralauslaufgehäuse 8a mit zentralem, kegelförmigen Aussparkern 8b ersichtlich, wobei das Spalt-Tauchrohr 6 als Zulaufleitvorrichtung für die Auslaufspirale 8 zu betrachten ist. Die Strömungspfeile verdeutlichen die gleichsinnige Strömungsführung zwischen Zyklon-Eintritt und Zyklon-Austritt.
- Fig. 5 zeigt die Ansicht eines erfindungsgemäßen Spalt-Tauchrohres 6 mit vier entlang einer Schraubenlinie gegeneinander versetzt angeordneten Spaltkanälen 10 mit jeweils gerader, axialer Eintrittskante 9b sowie das um die Zyklonachse 1 zentrierte Drallrohr 17 innerhalb der Tauchrohr-Säule 5, 6, 7. Die Aussparungen 15 (siehe auch Fig. 6) im Spalt-Tauchrohr 6 sind jeweils um 90° gegeneinander versetzt.
- Fig. 6 zeigt den Querschnitt des erfindungsgemäßen Spalt-Tauchrohres (6) nach Fig. 5 mit zueinander parallelwandiger Außen- und Innenkontur des Spaltkanals 10. Der Einlaufbereich in den Spaltkanal 10 und sein Auslaufbereich in das Drallrohr 17 sind spiralförmig. Die Einströmung in das Drallrohr 17 erfolgt ausschließlich über den Spaltkanal 10, so daß jeder Spaltkanal mit einer oberen und unteren Abdeckplatte 19 für den Ringquerschnitt zwischen Drallrohr 17 und Spalt-Tauchrohr 6 versehen wird.
- Wird das Spalt-Tauchrohr 6 mit zwei Spaltkanälen auf gleicher axialer Höhe entsprechend Fig. 7 versehen oder mit einer schraubenförmig ansteigenden Eintrittskante 9a und Austrittskante 9c ausgeführt entsprechend Fig. 8, so sind Zyklonachse 1 und Drallrohrachse ebenfalls identisch, da eine zur Zyklonachse 1 symmetrische Zuströmung in das Drallrohr 17 erfolgt, wobei sich bei jeder Ausführung des Spalt-Tauchrohres 6 ein Totwassergebiet 16 infolge der Drallströmung ausbildet, in dem Rückströmungen 18 vorliegen.
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- Fig. 9 verdeutlicht die erfindungsgemäße zweistufige Feststoffaustragsvorrichtung mit Abschirmkegel 4, der um das Zentral-Tauchrohr 7 unterhalb des zylindrischen Abschirmbehälters 20 angeordnet ist, welcher zwischen das untere Ende des Konusmantels 12b und den drsten Feststoffsammelbehälter 2a eingeschaltet ist. Der Abschirmkegel 4 ist mit nach unten weisender Grundfläche rings des Zentral-Tauchrohres 7 an diesem befestigt und innerhalb des primären Feststoffsammelbehälters 2a angeordnet. Ein kegelförmiger, sich nach unten erweiternder Abweiserschirm 21 ist im Anschluß an den zylindrischen Abschirmbehälter 20 an der oberen Wand des Sammelbehälters 4 angeordnet und verhindert eine Wiederaufwirbelung bereits abgeschiedenen Feststoffes. Der sekundäre Feststoffsammelbehälter 2b wird an das Zentral-Tauchrohr 7 unterhalb des primären Feststoffsammelbehälters 2a gasdicht angeflanscht.
- Fig. 10 verdeutlicht die unterschiedlichen radialen Strömungsprofile der axialen Komponente vz und der tangentialen Komponente v, der Strömungsgeschwindigkeit im Drallrohr 17 bei unterkritischer und überkritischer 23, 24 Drallströmung, wobei die Rückströmung 18 bei überkritischer Drallströmung den Transport der im Totwassergebiet 16 konzentrierten Partikel in den sekundären Feststoffsammelbehälter 2b bewirkt.
- Fig. 11 verdeutlicht die erzielte Verbesserung der Abscheideleistung anhand von Partikelgrößenverteilungen des Feingutes im Reingaskanal des herkömmlichen Zyklons 26 ohne erfindungsgemäße Tauchrohr-Säule 5, 6, 7 und des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders 25.
- Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Zyklonabscheiders gemäß der Erfindung arbeitet mit folgendem zweistufigen Abscheidungsprozess:
- Das durch einen Verdichter angesaugte staubhaltige Gas strömt in an sich bekannter Weise in den drallerzeugenden Einlaufkanal 11 des Zyklons und über diesen in den zylindrischen äußeren Abscheideraum 3a. Dabei wird das einströmende Gas im Sinne der Erfindung durch das Spalt-Tauchrohr 6 gleichmäßig über die Absaughöhen h; hin abgesaugt.
- Die Strömung im zylindrischen Abscheideraum ist eine Wirbelsenke. Das Gas strömt auf Spiralbahnen mit zunehmender Geschwindigkeit von außen nach innen. Die erzeugte dreidimensionale Drallströmung ermöglicht, daß einerseits die tangentiale Geschwindigkeitskomponente die zur Abscheidung erforderliche Zentrifugalbeschleunigung erzeugt und andererseits die axiale Komponente der Geschwindigkeit den Feststoff spiralförmig entlang des äußeren Zyklonmantels 12 in den primären Feststoffsammelbehälter 2a transportiert, da selbst feine Staubpartikeln den Stromlinien des Gases nicht folgen, weil sie unter Wirkung der hohen Zentrifugalbeschleunigungen aus der gekrümmten Bahn gegen den Zyklonmantel getragen werden. An der Abscheideraumwand beobachtet man die gleichen Sekundärströmungen wie in einer Teetasse. Diese Sekundärströmung längs der Wand des konischen Abscheideraumes 12b ist aber nützlich, da sie ebenfalls den an die Wand getragenen Feststoff erfaßt und nach unten zum Feststoffsammelbehälter 2a führt. Eine Feststoffsträhne an konkaven Wänden entsteht wegen des gestörten Gleichgewichts von Druck- und Zentrifugalkräften.
- Die tangentiale und radiale Komponente der Wirbelsenkenströmung, deren jeweiliges Geschwindigkeitsprofil am Spalt-Tauchrohr 6 über die Höhe des Absaugspaltes h; hin konstant ist, werden zwischen Außenkontur und Innenkontur des Spaltkanals 10 angesaugt, so daß die Partikel im äußeren Strömungsfeld des Zyklons 3a unter konstanten Trennbedingungen zur Abscheidung gezwungen werden. Da die Dimensionierung der Eintrittsfläche des Spalt-Tauchrohres 6 derart erfolgt, daß die Wirbeisenkenströmung im äußeren Abscheideraum 3a nicht gestört wird, herrscht rings der Tauchrohr-Säule 5, 6, - 7 stets ein starkes Drallfeld, das hohe Zentrifugalkräfte auf die Partikel im Abscheideraum wirken läßt.
- Die aus dem primären Abscheideraum 3a über den Spaltkanal 10 angesaugte Gasströmung wird anschließend an die äußere Mantelfläche des Drallrohres 17 gelenkt, in dem sich ein zweites inneres Drallfeld mit dem Wirbelkern 16 des Zyklons ausbildet, wodurch der sekundäre Abscheidungseffekt eingeleitet wird. Gemäss Fig. 10 weist diese innere Drallströmung nur ein zweidimensionales Strömungsfeid auf, da eine radiale Geschwindigkeitskomponente (Senkenströmung) nicht mehr vorhanden ist. Durch die Drallströmung innerhalb des Drallrohres 17 werden die noch in der Gasströmung suspendierten Feinstpartikeln im Totwasserkern 16 «gefangen» und mit Hilfe der nach unten gerichteten Axialkomponente 18 in den sekundären Feststoffsammelbehälter 12 transportiert. Infolge des Zentral-Tauchrohres 7 haben die Partikel hinreichend axialen Spielraum, um in Bereiche zu gelangen, in denen sämtliche Durchflusskomponenten abgeklungen sind, aber noch starke tangentiale Geschwindigkeitskomponenten herrschen.
- Im Drallrohr 1 fällt der statische Druck wie in jeder gekrümmten Strömung von außen nach innen stark ab. In der Drallrohrachse bzw. Zyklonachse 1 herrscht der niedrigste Druck des Wirbels. Dadurch ist die Druckkraft, die an den Partikeln angreift, wesentlich größer als die Zentrifugalkraft, so daß starke Sekundärströmungen nach innen zur Zyklonachse 1 den sekundären Abscheidungseffekt begünstigen. Die durch die Drallrohrinnenwand zunächst gebundenen Feststoffschichten werden in Richtung des radialen Druckgefälles verdrängt, während die gereinigte Durchflußströmung 23 entlang der inneren Drallrohrwände strömt.
- Bei starkem Drall, der durch eine entsprechende erfindungsgemäße Tauchrohreinlaufkonstruktion angestrebt wird, konzentriert sich der Durchfluß auf eine schmale äußere Ringzone im Drallrohr 17. Die axiale Geschwindigkeitskomponente vz und der Radius des Totwasserkerns Ro werden größer, vergl. Fig. 10. Der Drall ist über dem Radius r nicht mehr konstant, es bilden sich Geschwindigkeitsspitzen 23, 24. Entsprechend Fig. 10 tritt eine Einschnürung der Axialgeschwindigkeit Vz in der Zyklonachse 1 ein.
- Bei konstantem Durchfluß besteht nach den Gesetzen des hydrodynamischen Gleichgewichtes eine physikalische Abhängigkeit zwischen Unterdruckkraft, Axialkomponente vz und Drallstärke, die nur durch den kritischen Drall verändert wird. Durch Drallsteigerung steht einem Minimum an Unterdruckkraft ein Minimum an kinetischer Energie gegenüber. Diese Drallsteigerung läßt den Unterdruck schließlich soweit anwachsen, daß sich eine Rückströmung 18 der Axialgeschwindigkeit innerhalb des Wirbelkerns 16 einstellt. Dieses Phänomen, bei der die Drallströmung ohne innere axiale Rückströmung im Totwasserkern umschlägt in eine Drallströmung mit axialer Rückströmung 18 entlang der Zyklonachse 1, wird zur Partikelabscheidung innerhalb des Drallrohres 17 ausgenutzt. Dieser angestrebte Strömungsumschlag mit maximaler Rückströmung wird bei hohem Drall erzielt und bewirkt den Abtransport der im Totwassergebiet 16 befindlichen Partikel, die infolge des radialen Druckabfalls im Totwassergebiet 16 gefangen gehalten werden.
- Das unterschiedliche Verhalten der Strömungen mit schwachem und starkem Drall längs der Zyklonachse 1, insbesondere innerhalb des Spalt-Tauchrohres 6, läßt sich auf die unterschiedlichen Druckänderungen zurückführen, die bei Strömungen mit starkem Drall eine innere Rückströmung 18 vom Spalt-Tauchrohr 6 in das nachgeschaltete Zentral-Tauchrohr 7 bzw. in den sekundären Feststoffsammelbehälter 2b bewirken. Ein Spalt-Tauchrohr 6, das diese Phänomen der Rückströmungen hervorruft, ist grundsätzlich geeignet, den sekundären Abscheidungseffekt für die Staubabscheidung aus einem strömenden Fluid auszunutzen.
- Während der primäre Abscheidungsprozeß im äußeren Abscheideraum 3a in Analogie zum herkömmlichen Zyklon auf der Wirkung von Zentrifugalkräften auf Partikel beruht, muß zur Realisierung des sekundären Abscheidungsprozesses innerhalb des Drallrohres das Phänomen des Strömungsumschlages für die Partikelabscheidung aus einem strömenden Fluid nutzbar gemacht werden. Auf diese Weise wird eine zweistufige Abscheidung von in Zweiphasenströmungen suspendierten Partikeln in einem einzigen Apparat erreicht.
- Die kinetische Energie der Drallströmung wird durch eine oberhalb des Zyklondeckels 13 angeordnete, in bekannter Weise zu dimensionierende Auslaufspirale 8a mit Aussparkern zurückgewonnen, so daß sowohl die Axialkomponente als auch die Tangentialkomponente der inneren Drallströmung derart verzögert werden, daß Zykloneintrittsgeschwindigkeit und Zyklonaustrittsgeschwindigkeit gleiche Werte annehmen bei gleichen Rohrquerschnitten von Rohgas- und Reingaskanal.
- Die Wirksamkeit des beschriebenen zweistufigen Abscheidungsprozesses konnte durch umfangreiche Experimente an einer Zyklon-Versuchsanlage unter praxisnahen Bedingungen bestätigt werden. Die Reduzierung des grobkörnigen Massenanteils des Feingutes im Reingaskanal durch Einbau der erfindungsgemäßen Tauchrohr-Säule rings der Zyklonachse im Vergleich zu einer herkömmlichen Zyklonbauweise ohne zusätzliche Leit- und Abscheidevorrichtung zeigt Fig. 11 anhand vergleichender Partikelgrößenanalysen des Feingutes, wobei als Aufgabegut Quarzmehl mit einem mittleren Partikelgrößendurchmesser von 6 11m verwendet wurde. Vor allem kann festgestellt werden, daß nicht nur der Gesamtabscheidegrad sich vergrößert bzw. die Feststoffkonzentration im Reingaskanal abnimmt, sondern auch der Fraktionsabscheidegrad entscheidend verbessert wird, da sich die kleinste zu 90% abgeschiedene Partikelgröße von 1511m weit in den feineren Partikelgrößenbereich von 2 11m verschiebt.
- Durch Anwendung der Erfindung wird das Anwendungsgebiet von Zyklonabscheidern wesentlich erweitert. Insbesondere könnte als zukünftiges Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäße Zyklon für die Entstaubung aus der druckbetriebenen Wirbelschichtfeuerung in einer kombinierten Gas/Dampfturbinenanlage eingesetzt werden. Die Gasturbinenschaufeln unterliegen sowohl einem erosiven als auch korrosiven Verschleiß, wobei sich die Erosionskraft ab einem Partikeldurchmesser der Größe d k 10 µm stark auswirkt. Zusätzlich beeinflußt der luft- /rauchgasseitige Druckverlust des kombinierten Prozesses den Prozeßwirkungsgrad in erheblichem Maße.
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