Hurricane^® und ReCyclone^® Anlagen zur Emissionskontrolle und Wertstoffrückgewinnung

1 Einleitung

Zyklone sind Geräte zur Gas-Feststoff-Trennung, die in einer großen Anzahl von Industriezweigen eingesetzt werden. Sie werden hauptsächlich für die Rückgewinnung von Rohstoffen oder Prozessmaterial, als Abscheider zur Einhaltung von Grenzwerten bei der Teilchenemission und als Vorabscheider zur Minderung der Belastung der teureren Nachabscheider eingesetzt. Zyklone sind besonders attraktiv für den Betrieb mit hohen Temperaturen und/oder Drücken. Die Entwicklung von Hochleistungszyklonen, speziell für feine Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 2-3 µm, könnte sich als besonders wertvoll für die ­chemische Verarbeitungsindustrie erweisen.

Zur weiteren Erhöhung der Anlagenleistung mit Hilfe einer numerisch optimierten Zyklongeometrie (als Hurricane^® bezeichnet) [1-4] wurde eine teilweise Rückführung von Gasen zum Zyklon vorgenommen [5, 6]. Unter Berück­sich­ti­gung der drei Hauptoptionen, die für eine solche Anlage zur Verfügung stehen, haben Wysk et al. [7] einen Durchgangs­zyklon entwickelt, der dem Gegenstromzyklon vorgeschaltet ist. Darüber hinaus haben Salcedo et al. [5] gezeigt, dass durch die Anordnung des Gegenstromzyklons (Abscheiders) vor dem Kon­zentrator eine höhere Leistungsfähigkeit erzielt werden kann. Mit diesen Anlagen, die als ReCyclone^® MH be­zeichnet werden, wurde ein sehr hoher Abscheidegrad im La­bor, in Pilot­anlagen und in der Industrie erreicht. Zusätzlich haben die genannten Autoren ein Modell zur Vorhersage des Gesamtabscheidegrads der Anlage vorgeschlagen, welches von dem Modell von Mothes und Löffler [8] zur Vorhersage des Ab­scheide­grads abgeschlossener Gaszyklone abgeleitet wur­de.

Schließlich wird die Anordnung eines elektrostatischen Felds im Rückführungssystem die Menge von zurückgeführten Teilchen, und damit auch die gesamte Leistungsfähigkeit, erhöhen. Der Recyclone^® EH wurde aus einer Kombination all dieser Schritte entwickelt, und er hat sich als gute Alternative zu Filtern und E-Filtern erwiesen. Mit ihm werden bei einer moderaten Belastung sehr hohe Abscheidegrade sogar bei Teilchen im Submikrometerbereich erreicht.

Vorangegangene Arbeiten [1, 4-6, 9-13] haben gezeigt, dass ­diese Anlagen im Labor, in Pilotanlagen und in der Industrie eine viel höhere Abscheidung feiner Teilchen (kleiner als ca. 3 µm) erreichen können, als mit klassischen Modellen vorhergesagt wird, denn die Trenngradkurven zeigen ein Mini­mum an Abscheidung bei Zwischenteilchengrößen (von etwa 0,8-2 µm). Obwohl diese hakenartigen Kurven nicht immer anzutreffen sind [5, 12], wird das abnormale Verhalten bei feinen Teilchen der Agglomeration im Wirbelströmungsfeld des Zyklons zugeschrieben, wie es zuerst von Mothes und Löffler [14] postuliert wurde, und wie es häufig in umlaufenden Fließbetten anzutreffen ist [15, 16].

Diese Erscheinung innerhalb eines abgeschlossenen Gas­zyklons wurde von Paiva et al. [17] untersucht, was schließlich zum Modell PACyc führte. Dieses Modell berücksichtigt, dass nach der Kollision/Agglomeration feiner Teilchen mit größeren Teilchen, die kleineren Teilchen als viel größere eingefangen werden und damit ein viel höherer Abscheide­grad vorliegt, als durch die derzeit verfügbaren Modelle vorhergesagt wird. Der Agglomera­tionseffekt ist noch auffälliger, wenn der Zyklon besonders leistungsstark im Bereich über ca. 2-3 µm ist, d.h. eine Abscheidung von mehr als 90-95 % hat, wie es tatsächlich bei numerisch optimierten Zyklonen der Fall ist [1, 3, 4] sowie besonders bei Anlagen mit Rück­führung mit oder ohne ein elektrisches Feld [5, 6].

2 Modellierung

Bild 1 zeigt die für diese Arbeit untersuchte Anlage, die aus einem numerisch optimierten Gegenstromgaszyklon und einem Durchgangszyklon (hier als Konzentrator bezeichnet) besteht. Um das Modell PACyc zur Vorhersage des Ab­scheidegrads der Anlage mit teilweiser Rückführung einzusetzen, ist es nicht nur erforderlich, die geometrischen Para­meter der Anlage zu kennen, sondern auch die Betriebs­bedingungen sowie verschiedene Simulationsparameter. Zur Vorhersage einer jeden Anlagenleistung werden verschiedene Modelle eingesetzt.

Es gibt verschiedene Modelle zur Vorhersage des Ab­­scheide-grads in Gegenstromgaszyklonen. Wie bereits erwähnt, zeigen vorangegangene Arbeiten [9, 18, 19], dass das Modell von Mothes und Löffler [8] im Durchschnitt die beste Über­einstimmung mit verfügbaren Daten aufweist. Daher wurde dieses Modell zur Vorhersage der Klassierleistung in abgeschlossenen Zyklonen verwendet, wenn keine Teil­chen­kollision bzw. -agglomeration stattfindet. Um den Ab­schei­de­grad zu bestimmen, wird eine Massenbilanz zwischen dem Be­reich der austretenden Teilchen (Aufwärtsstrom) und dem Eintrittsbereich aufgestellt.

Um das Verhalten der Anlage mit Rückführung vorherzusagen, wurde das von Salcedo et al. [5] entwickelte Modell berücksichtigt. Die angenommenen Haupthypothesen wurden von Mothes und Löffler [8] übernommen, wobei auch berücksichtigt wurde, dass die Teilchengrößenverteilung bei einem interaktiven Verfahren aktualisiert wird, bis die Ver­änderung der Teilchengrößenverteilung geringer ist als ein spezifizierter Fehler. Dieser Prozess wird in Bild 2 dargestellt. Schließlich wird, ähnlich wie bei abgeschlossenen Zyklonen, eine Massenbilanz zwischen Einlauf und Auslauf des Um­wälzers aufgestellt.

Zu diesem Thema haben verschiedene Autoren unterschiedliche Methoden vorgeschlagen, aber die Kombination klassischer Modelle [20-22] führt zu einer genügend guten Annäherung an die Realität, wie sie in einem elektrostatischen Umwälzer zu finden ist. Bild 3 zeigt die wesentlichen Schritte bei diesem Verfahren. Dabei bedeuten die Kreise den Eingang zum bzw. den Austritt vom Modell, während die Kästen für mathematische Operationen stehen.

Der im PACyc [17] berücksichtigte Agglomerationseffekt basiert auf dem Modell von Sommerfeld [15, 23] zur Teilchenagglomeration in Wirbelströmungen. Die wesentlichen Abläufe des PACyc-Modells werden in Bild 4 gezeigt. Das Modell beginnt mit der Berechnung der Fließ­geschwin­digkeit im Kontrollvolumen nahe der Bewegungsbahnen eines jeden einzelnen Teilchens, das in dieses Kontrollvolu-men injiziert wird. Mit Hilfe eines Wahrscheinlichkeitskrite-riums definiert das Modell, ob Teilchen kollidieren, und wenn ja, definiert es mit Hilfe eines energetischen Kriteriums, ob die Kollision zu einer Agglomeration führt.

Zum besseren Verständnis der Integration der einzelnen Modelle zeigt Bild 5 eine einfache, repräsentative Darstellung der Verbindung der wesentlichen Bestandteile des PACyc zu Anlagen mit Rückführung, wie sie in dieser Arbeit untersucht werden. Es sind vier unterschiedliche Entschei­dungs­zonen zu sehen (durch Rauten gekennzeichnet), und jedes der Gesamtverfahren wird in den Rechtecken assembliert. Bei dieser Konfiguration kann man Folgendes erhalten: den Zyklon, den Zyklon mit Rückführung (mit oder ohne elektrisches Feld), und in allen Fällen ist es möglich, die Teil­chen­agglomeration zu berücksichtigen oder zu vernachlässigen.

Es ist jedoch wichtig zu erwähnen, dass PACyc mehr ist als eine Modellintegration, denn PACyc kann die Trenn­grad­kurven der einzelnen Anlagenkonfigurationen wiederherstel­len unter Berücksichtigung der Teilchenagglomeration und der entsprechenden Rückverfolgung zu den ursprünglich injizierten Teilchen (Wiederherstellung des Ablaufs). Paiva et al. [17] behandeln dieses Thema ausführlich bei Fällen mit abgeschlossenen Zyklonen.

3 Experimentelle Ergebnisse und Modellvorhersage

In diesem Abschnitt werden drei Fallstudien behandelt. Eine befasst sich mit der Überwachung der Emissionen aus einem Kalkschachtofen, der für die Zementproduktion genutzt wird. In den ersten zwei Fällen wird ein numerisch optimierter Zyklon einer Versuchsanlage [19, 20] mit einem Innendurchmesser von 450 mm ohne teilweise Rückführung der Gase und Teilchen eingesetzt. Im dritten Fall (Experiment mit mechanischer Rückführung) wurde an einem Industriestandort ein ähnlicher Zyklon auf einen Konzentrator gleichen Durchmessers montiert, und die Teilchen wurden direkt aus dem industriellen Verfahren zugeführt. Im letzten Fall (mit elektrisch verstärkter Abscheidung im Konzentrator) wurden ein Satz Zyklonen mit einem Innendurchmesser von 1850 mm und Konzentratoren von 800 mm durch das PACyc simuliert. Zwecks eines direkteren und gültigen Vergleichs betrug in allen Fällen die durchschnittliche Geschwindigkeit am Zykloneinlauf ≈ 15-20 m · s^-1. Schließlich erhielt man als Bezugswert die experimentellen Trenngradkurvenbei gleichzeitiger isokinetischer Probenahme am Einlauf und Auslauf. Dabei wurden Probenahmegeräte mit konstantem Volumen (Techora Bravo) in Glasfaserfiltern von GFA verwendet.

Bild 6 bezieht sich auf eine Fallstudie mit Überwachung der Emissionen aus einem Kalkschachtofen, die für die Zementproduktion genutzt werden. Bild 6a zeigt Offlinemessungen mit einem Lasersizer vom Typ Coulter und Onlinemessungen mit einem GRIMM Monitor (r_p = 2389kg · m⁻³, Einlaufkonzentration = 0.60 g · m⁻³), während Bild 6b einen Vergleich zwischen der vorhergesagten Trenngradkurve und den Kurven enthält, die experimentell bei beiden Messmethoden erhalten wurden. Dieses Beispiel zeigt, dass der ReCyclone EH bei dieser Art von Zyklonen zu einer sehr hohen Abscheideleistung führt, und dass unser Vorhersagetool in der Lage ist, recht gut die experimentellen Ergebnisse vorherzusagen.

Bild 7 bezieht sich auf einen Fall der Rückgewinnung eines chemischen Wertstoffs (h_{ReCyclone® MH} ≈ 99.6 %). Bild 7 a zeigt Offlinemessungen mit einem Coulter Lasersizer (r_p = 1471 kg · m⁻³, Einlaufkonzentration = 7.73 g · m⁻³ bei 120 °C), während Bild 7 b den Vergleich zwischen den vorhergesagten (schlechtester und wahrscheinlicher Fall) und den experimentell erhaltenen Trenngradkurven für beide Messverfahren zeigt.

Bild 8 bezieht sich auf einen Fall eines Klinkerkühlers mit Luftüberschuss (h_{ReCyclone® EH} > 99.9 %). Bild 8 a zeigt Off­linemessungen mit einem Lasersizer vom Typ Coulter LS230 ­sowie Emissionen mit Trenngradkurven, die vom PACyc vor­hergesagt wurden (r_p = 3110 kg · m⁻³, Einlauf­konzen­tra­tion ≈ 50 g · m⁻³ at 120 °C). Bild 8 b zeigt die vorhergesagte Trenngradkurve für die untersuchte Anlage mit dem ­ReCyclone EH.

Bild 9 zeigt die Gesamtleistungsfähigkeit in Abhängigkeit von der Konzentration entweder für die Vorhersage des PACyc oder für den experimentellen Fall. Dabei ist es bemerkenswert, dass

– die Geometrie des Hurricane^® zu einer wesentlich höheren Leistung führt als andere Geometrien von Hoch­leistungs­zyklonen,

– das Modell PACyc zu einem Gesamtabscheidungsgrad führt, der dem experimentell gewonnenen sehr ähnlich ist,

– PACyc eine sehr hohe Genauigkeit hat, denn die schlechtesten und wahrscheinlichen Fälle weisen sehr ähnliche Ergebnisse auf.

Unter Berücksichtigung aller in diesem Abschnitt aufge­führten Zahlen kann man feststellen, dass die dargestellten Techno­logien gut geeignet sind für eine Senkung der Emission feiner Teilchen. Was die Vorhersage und Simulation angeht, scheint das Modell PACyc ein gutes Werkzeug zu sein, um optimale Anlagen für beliebige Situationen zu entwickeln, denn mit ihm werden experimentelle Daten gut vorhergesagt, und die Gesamtleistungsfähigkeit bewegt sich nahe an der experimentell erhaltenen.

4 Schlussfolgerungen

Es wurden numerisch optimierte Zyklone und Anlagen mit ReCyclone^® entwickelt, wodurch entsprechende Opti­mie­­rungsprobleme gelöst wurden. Die abnormal hohe Ab­scheidung von Teilchen im Submikrometerbereich, die oft bei diesen Anlagen beobachtet wird, wird der Agglo­meration innerhalb des Wirbelströmungsfelds des Zyklons zugeschrieben. Das Modell PACyc sichert eine gute Vor­her­sage der Gesamtleistung all dieser Anlagen.

Dieses Modell wurde auf der Grundlage des Modells der Teilchenagglomeration von Ho und Sommerfeld [15, 23] entwickelt und dem Modell der Teilchenabscheidung in abgeschlossenen Zyklonen von Mothes und Löffler [8] oder dem Modell von Salcedo et al. für Anlagen mit mechanischer Rückführung [5] überlagert. Die Verbindung dieser Modelle mit den klassischen Modellen für E-Filter [20-22] ermöglicht die Vorhersagen für diese Anlagen mit Rückführung bei einem überlagerten elektrischen Feld.

Im Durchschnitt können die Zyklone vom Typ Hurricane^® die Emissionen von Hochleistungszyklonen mit vergleichbarem Druckabfall um etwa 40-60 %, von mechanischen Zyklonen des Typs ReCyclone^® um etwas 75-80 % und von Zyklonen des Typs ReCyclone^® EH um etwa 90-95 % reduziert werden. Ihre Leistungsfähigkeit wurde bereits im Labor, in Pilotanlagen und in der Industrie für eine Vielzahl von Feinstäuben (wichtig für die Mineralstoff- und chemische Industrie) nachgewiesen. Das trifft auch auf Stäube wie kalziniertes Kaolin, chemische Wertstoffe oder Luft­überschuss aus Klinkerkühlern zu.