Entstaubung von Prozessgasen durch optimierte Zyklonsysteme

1 Einleitung

Wegen der einfachen Bauweise, dem geringen Platzbedarf, der hohen Betriebssicherheit sowie den daraus resultierenden geringen Betriebs- und Investitionskosten wird der Zyklon in fast allen Industriezweigen eingesetzt. Der Haupt­einsatzbereich des Zyklons liegt heute überwiegend in der Heißgas- und Hochdruckentstaubung sowie als Vorab­scheider bei hohen Rohgasstaubgehalten oder als Endab­scheider für leicht abzuscheidende Stäube.

Im Bereich der Mineralaufbereitung findet die Abscheidung von staubförmigem Gut aus Luft/Gas-Gemischen mittels Zyklonapparaten in Kombination mit oder ohne Absetzkammern aufgrund hoher Abscheideleistung bei gleichzeitig geringem Druckverlust als klassisches Ergänzungs- oder Hilfsverfahren ebenfalls breite Anwendung. Meist wird die Einsatzwahl direkt nach Zerkleinerungsvorgängen aus dem Blickwinkel der Vorentstaubung zur Entlastung von Klassier- bzw. Filterapparaten getroffen. Ein weiterer nicht unerheblicher Anwendungsfall stellt die Entfernung abrasiver Minerale hinsichtlich Verschleißschutz etwa von Rohrleitungen, Gebläsestationen oder auch von Mess- und Regeleinrichtungen dar.

2 A TEC Zyklone mit hoher Abscheide-Effizienz

Die A TEC Zyklone mit hoher Abscheide-Effizienz, oder auch engl. High Efficiency Cyclone (Bild 1), kurz A TEC-HEC genannt, unterscheiden sich von anderen Zyklonen häufig durch ihren vergleichsweise hohen Zylinderkörper. Ein weiteres Merkmal ist die Form des Eintrittsquerschnittes. Durch die Abschrägung werden Ablagerungen im Eintrittskanal verhindert und dadurch längerfristig definierte Strömungszustände am Eintritt gewährleistet.

3 Tauchrohrleitapparate – HURRIVANE^®

Die Funktion des Tauchrohrs eines Zyklons wird am besten durch seine englische Bezeichnung „Vortex Finder“ („Wirbel-Sucher/Finder“) beschrieben. Es nimmt das sich noch in Rotation befindliche, an Feststoff abgereicherte Gas auf und führt es aus dem Zyklon ab. Dabei ergeben sich sehr ungünstige strömungsmechanische Zustände, welche sich im hohen anteilsmäßigen Druckverlust des Tauchrohres widerspiegeln. Dieser kann je nach Grad der Beladung bis zu 90  % des Gesamtdruckverlustes des Zyklons ausmachen.

Tauchrohrleitapparate dienen zur Reduktion des Druck­verlustes am Tauchrohr. Durch ihre Leitschaufeln (engl. „vane“) „fangen“ sie die rotierende Reingas-Strömung ein. In weiterer Folge bildet sich eine stabilisierte Wirbelröhre im Zentrum des Zyklons aus, welche nur mehr wenig Präzession aufweist. Die nun vorherrschenden Strömungszustände bewirken eine Reduktion des Druckverlustes am Tauchrohr von ca. 30 %.

Die Firma A TEC hat diese Erkenntnisse zu einem patentierten Produkt umgesetzt, dem HURRIVANE^® (Bild 2). Sie bietet den HURRIVANE^® weltweit Kunden als kosten- und zeiteffiziente Möglichkeit zur Nachrüstung ihrer Anlagen an. Für den Kunden ist eine Änderung der Betriebs­bedingungen sofort spürbar, da sich ein deutlich reduzierter Druckverlust in den Leistungsaufnahmen der Gasförder­aggregate spürbar widerspiegelt. Klassische Anwendungsfälle für HURRIVANE^® sind die oberen Stufen bei Suspensions-Wärmetauschern. Aber auch bei Mühlenkreisläufen können durch diese speziellen Tauchrohrleitapparate energetische Einsparungen erzielt werden.

Der HURRIVANE^® eignet sich natürlich besonders für den Einbau in A TEC-HEC, wodurch situationsbedingt Abschei­dung und Druckverlust gleichermaßen positiv beeinflusst werden können.

4 HURRICLON^® –
ein besonderer Zyklon

Es ist bekannt, dass man eine Druckverlustabsenkung bei gleichbleibender Abscheideleistung nur durch die parallele Verschaltung mehrerer Zyklone bewerkstelligen kann. Eine besondere Ausgestaltung des Prinzips der Parallelschaltung zweier Zyklone ist die Bauweise des HURRICLON^®
(Bild 3). Beim HURRICLON^® ist es gelungen, die besonderen Vorteile der Parallelschaltung mit jenen der Kompakt­heit eines Einzelzyklons zu vereinen.

Der HURRICLON^® verfügt wie ein klassischer Zyklon über einen Spiraleintritt, einen zylindrisches Oberteil und ein konisches Unterteil hin zum Materialaustrag. Aber der ­HURRICLON^® verfügt im Gegensatz zu einem klassischen Zyklon über zwei Tauchrohre mit gegenüber liegenden Mündungen. Das „obere Tauchrohr“ verlässt den HURRICLON^® wie bei einem klassischen Zyklon, wohingegen das „untere Tauchrohr“ nach unten geführt seitlich aus dem Konus heraustritt. Erst außerhalb werden die beiden Tauchrohre wieder zusammengeführt. Um die Strömungs­verhältnisse innerhalb des ­HURRICLON^® noch zusätzlich zu stabilisieren, befinden sich an den Tauchrohrmündungen zwei chirale HURRIVANE^®.

Die Aufteilung des Volumenstromes innerhalb des HURRI­CLON^® auf zwei Tauchrohre verringert den Durchmesser ca. um den Faktor 1,4. Dadurch ergibt sich bei Einhaltung eines üblichen Durchmesserverhältnis von Tauchrohr zu Zylindermantel z.  B. von 1: 2 eine deutlich schlankere Bauform. Der kleinere Zylindermanteldurchmesser wirkt sich indirekt proportional auf die auftretenden Zentrifugalkräfte aus; das heißt sie erhöhen sich bei sinkendem Zylindermanteldurchmesser. Neben diesem entscheidenden Vorteil in Bezug auf die Abscheideleistung verfügt der HURRICLON^® aufgrund der mittels ­HURRIVANE^® stabilisierten Strömung über einen vergleichsweise geringen Druckverlust, welcher je nach Bauform und Anwendungsfall um bis zu 50  % geringer ausfallen kann als bei einem klassischen Zyklon gleicher Leistung.

5 Prozessgasentstaubung im Zement-Pyroprozess

Aufgrund der bekannten Schwächen der Zyklone in Bezug auf die Abscheidung von Feinststäuben, wird der Einsatz von Zyklonen als letztes Entstaubungsorgan vor der Freisetzung der Gase in die Umwelt praktisch nicht mehr angewendet. Aber gegensätzlich dazu ist der Zyklon aufgrund seiner Robustheit und Kosteneffizienz als Trennapparat innerhalb von Gas-(Kreis-)
Prozessen nicht wegzudenken. Einer dieser Prozesse bzw. dessen Teilprozesse, in welche nachfolgend eingegangen wird ist der Zement-Pyroprozess.

Stand der Technik für die Rohmehlvorwärmung im Zement-Pyroprozess ist die Anwendung eines Suspensions-Wärme­tauschers (Bild 4). Dem Suspensions-Wärmetauscher liegt ein diskontinuierliches Gegenstromprinzip zu Grunde. Das be­-deutet für die Prozessführung, dass nach jedem Gas-Feststoff-Wärmeaustausch in der Suspension, diese wieder getrennt wird. Sowohl das nun kühlere Gas und der nun wärmere Feststoffe gehen in die entgegengesetzte nächste Stufe.

In dieser Kaskade von 4, 5 oder 6 Zyklonstufen (Bild 5) werden die Zyklone der unteren Stufen überwiegend auf einen minimalen Druckverlust ausgelegt. Nur der Zyklon bzw. die Zyklone der obersten Stufe sind in Richtung Abscheidung optimiert. Der daraus resultierende Druckverlust dieser Stufe, kann bis zu 30  % des Gesamtdruckverlustes des Wärme­tauscherturmes betragen. Das stellt natürlich eine besondere Herausforderung dar, da sich die Korngrößenverteilung durch die endliche Abscheidung der unteren Stufen signifikant in Richtung des Feinstmaterialanteils verschiebt. Daher ist in der obersten Stufe bei einem moderaten Druckverlust trotz A TEC-HEC mit Abscheideleistungen von „nur“ 93  % zu rechnen. Für die Zyklone der unteren Stufen liegen die Abscheideleistungen zwischen 80  % und 90  %.

Zur Optimierung des Druckverlustes bei gleicher Abscheideleistung wird der Einbau von HURRIVANE^® empfohlen. Weiters ist auch der Einsatz von HURRICLON^® als Abschlusszyklon der Kaskade eine Möglichkeit den Gesamtdruckverlust zu reduzieren.

Die Anwendung von Rostkühlern zur kontrollierten Abkühlung des Zementklinkers nach dem Ofen bringt einen heißen Abluftstrom mit sich, welcher nicht wieder z. B. in Form von Sekundär- und Tertiärluft in den Pyroprozess rückgeführt ­
werden kann. Die Temperatur dieses Abgasstromes liegt bei 150 ° bis 400 °C, also bei Temperaturen, welche für Trocknungs- und/oder Mahlvorgänge hervorragend geeignet sind. Natürlich ist das Abgas, wenn es aus dem Kühler kommt, mit Klinkerstaub beladen. Die Abscheidung dieses Staubes be-
dient zwei Ziele, zum Einen die Rückgewinnung des Produktes und zum Anderen die Reinigung der Abluft. Letzteres soll den Verschleiß durch den Klinkerstaub und die Kontamination des zu trocknenden Produktes mit Klinkerstaub minimieren.

Je nach Art des Abluftfilters hat die Vorentstaubung z. B. mittels HURRICLON^® verschiedene Auswirkungen auf den nachgeschalteten Filtern. Handelt es sich um einen Elektrofilter, so reduziert sich durch die Vorabscheidung der spezifische elektrische Widerstand der Suspension und die Filterleistung steigt bzw. die Leistungsaufnahme pro Filter­fläche sinkt. Bei einem Gewebefilter muss dagegen stark auf die Temperatur geachtet werden, dass diese an die 230 °C nicht längere Zeit überscheitet. Im Gasstrom mitgerissene Partikel können aber über eine wesentlich höhere Temperatur verfügen. Gelangen diese auf das Gewebe in den Filtern, so schädigen sie dieses durch die anhaltende punktuelle thermische Belastung. Der vorgeschaltete HURRICLON^® entfernt nun in beiden Fällen diese Partikel, ohne das Filtergebläse mit einem signifikant höheren Druckverlust zu belasten.

Bekannterweise ist die Abscheideleistung eines Zyklons wesentlich von den darin vorherrschenden Flieh- und Trägheitskräften abhängig. Diese wiederum sind abhängig von geometrischen und strömungsmechanischen Faktoren. Daraus begründet sich, dass ein Zyklon nur für einen einzigen Betriebszustand optimal dimensioniert werden kann. Davon abweichende Betriebszustände zeigen unmittelbar ihre Auswirkung auf den Druckverlust und die Abscheide­leistung. Beispielweise führt eine Verringerung des Volumenstromes zur Verringerung aller Geschwindigkeitsvektoren und somit zu einer Reduzierung des Druckverlustes aber auch der Abscheideleistung. Aber auch die Änderung der ­Gas­temperatur hat Auswirkungen, da sich Dichte und Viskosität des Gases und folglich der Partikelsuspension verändern.

Um jetzt bei gegebener Zyklon- bzw. HURRICLON^®-Geometrie permanent innerhalb des optimalen Betriebs­zustandes zu bleiben, setzt A TEC ein spezielles Kreislaufsystem ein. Im Prinzip wird ein Teilstrom des Reingases bei Bedarf zum Zyklon- bzw. HURRICLON^®-Eintritt zurückgeführt. Zur geregelten Förderung des Gasvolumens und Über­win­dung der Druckdifferenz wird ein weiteres Gebläse ver­wendet. Der so erzeugte, nahezu konstante Volumenstrom am Eintritt gewährleistet nachvollziehbare Strömungs­verhält­nisse im Zyklon und somit gleichbleibenden Druckverlust und vor allem Abscheideleistung. Der Einsatz eines solchen Systems erfolgt zumeist bei der Entstaubung niedrig beladener Gase, wo vorwiegend die Abscheidung im Zyklonwirbel mittels Fliehkräfte erfolgt. Daher ist hier die Erhaltung der Geschwindigkeitsvektoren ganz wesentlich. Zumal gehen deren gerichtete Beiträge zur
2. Potenz in die Zentrifugalkräfte ein, welche auf die beschleunigten Teilchen wirken.

A TEC bietet ein derartiges System für die Nachentstaubung von Suspensions-Wärmetauscherabgas von Zementpyrolinien an, welches für die Trocknung und als Arbeitsgas bei Brennstoffmühlen verwendet wird. Dieses System wird unter dem Namen Opti-Coal^® vertrieben. Man verwendet Wärmetauscherabgas gerne für Brennstoffmühlen, da es nur geringe Mengen an Sauerstoff enthält und sonst überwiegend aus Stickstoff und Kohlendioxid besteht. Aber dieses Gas ist aufgrund der endlichen Abscheidung der Zyklone bzw. ­HURRICLON^® immer noch mit Feinpartikel beladen, welche die oberste Zyklonstufe des Suspensionswärmetauscher passiert haben. Die Entfernung mittels Filter­systemen brächte zwar eine gute Entstaubung, aber neben immensen Investitionskosten einen vergleichsweise hohen Druckverlust mit sich. Daher wird hier üblicherweise das wirtschaftlich arbeitende Opti-Coal^®-System eingesetzt. Kern der Opti-Coal^®-Technologie ist der ­HURRICLON^®, welcher aufgrund seiner besonders schlanken Geometrie hohe Zentrifugalkräfte in der Fliehkraftabscheidung ermöglicht. Zudem verfügt er über einen vergleichsweise geringen Druckverlust, was sich günstig auf die Leistungsaufnahme einerseits des Umluftgebläses und andererseits auf des Fördergebläses auswirkt. Die Abscheideleistung beträgt im Schnitt 60 %, abhängig von der Beladung auch darüber. Das ist unabhängig vom tatsächlichen Volumenstrom, da die Geschwindigkeit am Eintritt des HURRICLON^® durch das Kreislaufsystem nahezu konstant gehalten wird (Bild 6).

6 Auslegungskriterien

Unabhängig davon, ob eine Auslegung für einen Zyklon,
z.  B. A TEC-HEC, oder einen HURRICLON^® erfolgt, sind die wesentlichen Betriebsdaten erforderlich wie:

– Gasvolumenstrom

– Eintrittsbeladung der Gas-Feststoff-Suspension

– Korngrößenverteilung des Feststoffes

– Mittlere Partikeldichte des Feststoffes

– Thermodynamische Gasdaten: Temperatur, Viskosität,

Dichte, Gasfeuchte

Die weiters benötigten Geometriedaten sind in der Regel durch die einsatzspezifischen Apparate-Baureihen vorgegeben. Ob die Auswahl der Apparategröße in die richtige Richtung geht, kann sehr einfach über die berechnete Eintrittsgeschwindigkeit und die mittlere Zentrifugalbeschleunigung abgeschätzt werden. Die Eintrittsgeschwindigkeit sollte zwischen 18 und 20 m/s liegen und gleichzeitig die mittlere Zentrifugalbeschleunigung 100 g keinesfalls unterschreiten. Ist dies nicht der Fall, so muss die Apparateanordnung überdacht werden und ggf. anstatt eines Zyklons/HURRICLONs^® zwei in Parallelschaltung verwendet werden. Derartige Probleme treten häufig bei Scale-Ups bestehender Anlagen auf.

Die Besonderheit, dass der HURRICLON^® zwei Tauchrohre besitzt, wirkt sich auch auf seine Berechnung aus. Durch seinen kleineren Zylinderdurchmesser sind die äußere (Spiraleinlauf) und die innere Umlaufgeschwindigkeit um den Faktor 1,1 bis 1,25 höher als bei einem klassischen Zyklon gleicher Volumenleistung.

Es wurde wiederholt bewiesen (G.      Staudinger,
J. Keuschnigg, und M. Klupak, TU Graz & VA-Krems, 1991), dass für einen Zyklon mit zentralem Zylinder, was der Geometrie eines HURRICLON^® entspricht, die gebräuchlichen Berech­nungs­methoden für u_i, Δp_i und d* nicht anwendbar sind. Darum erfolgt die Auslegung von HURRICLON^® nur angelehnt an die gängigen Zyklon­berechnungsmethoden (z.  B. VDI). Durch langwierige Versuche wurden die einzelnen Werte für Druckverlust und die Fraktionsabscheidegrade experimentell ermittelt, aus welchen halbempirische Korrekturterme hervorgingen. Ohne diese Korrekturterme ist in der Berechnung von Druckverlust und Abscheidung eines ­HURRICLON^® nicht durchführbar.