AT502015B1 - Nassentstauber der bauart venturi zur feinstaubabscheidung für den allgemeinen industriellen einsatz - Google Patents

Description

2 AT502 015B1

Die Erfindung betrifft eine Neuentwicklung eines Nasswäschers gemäß dem Differenzdruckprinzip nach Venturi wobei durch eine spezielle Anordnung der Kehlengeometrie diese in Hinsicht auf deren Querschnitt variabel eingestellt werden kann. 5 Nasswäscher sind in der Literatur mannigfach beschrieben und fester Bestandteil des Anlagenbaues. Solche nach der Bauart Venturi zeigen sich durch hohen Abscheidegrad und breites Einsatzgebiet aus. Bauausführungen und Anwendungsgebiete dieser Nassentstauber sind vielfältig. Ihr Haupteinsatzgebiet dient zur Reinigung von Gasen, meist Abgasen, oder zur reaktiven Vereinigung von Flüssigbestandteilen und Gasen. 10

Die berechnungstechnische Behandlung von Venturis nach Muschelknauz und Barth (H. Haller: „Ein Beitrag zur Beurteilung der Abscheideleistung von Venturiwäschern“ - 1989 - Diss. Universität Stuttgart) behandelt die physikalischen Parameter wie Gasgeschwindigkeit, Temperatur, spezifisches Gewicht der Partikel und die des Gases, sowie dem Kornspektrum der Partikel. 15 Ferner treten Parameter ein wie die Baugeometrie des Venturis. Dessen Flächenverhältnisse Gaseintrittsfläche zu Kehlgeometrie, sowie dessen übrige Bauteilgeometrie. Für die Auswaschung von Feinstäuben sind sehr hohe Gasgeschwindigkeiten vonnöten. Spezifisch sehr leichte Partikel jedoch neigen dazu nicht völlig abgeschieden zu werden. Solche sind 20 vornehmlich organische Partikel, wie z.B. Russ oder anorganische Partikel, wie solche mit Hohlkugelstruktur (z.B. sprühgeröstetes Eisenoxid, pyroklastische Kieselsäureverbindungen).

Durch die spezielle Konstruktionsform des Venturis, also durch die Querschnittsverjüngung und dann anschließende Erweiterung erfolgt eine Verwirbelung des Gases. Zusätzliche Einbringung 25 von Waschwasser erhöht diesen Verwirbelungseffekt. Dies bewirkt eine Benetzung der auszuwaschenden Partikel und damit den Wascheffekt des Venturis. Die Patente US 6,383,260, sowie US 3,638,924 beschreiben Venturis mit verstellbaren Kehlen. Die Patentschriften DE 4331301 und WO 9507747 beschreiben eine wesentliche Weiterentwicklung des Venturis mit nunmehr präziser Querschnittsveränderung mittels eines verschiebbar angeordneten Längs-30 querschnittes gegenüber zweier fix angeordneter Querzylinder innerhalb der Venturikehle. Diese Anordnung dient dem jeweils spezifischen Einsatz differenzierter Trennprobleme oder auch der Kompensation von Lastschwankungen innerhalb eines Betriebssystems im Praxisbetrieb. 35 Weitere Möglichkeiten der variabel einstellbaren Kehlen sind auch solche mit variablen konischen Querschnittsveränderungen, am einfachsten durch Einbauten in dieselben oder durch entsprechende mechanische Vorrichtungen. Nachteil solcher Konstruktionen sind Kompliziertheit des Umbaus, sowie stets die Gefahr der Querschnittsverlegung durch Partikelanhäufungen. 40 Gegenstand der hier vorliegenden Erfindung sollte der Einsatz des Gaswäschers im allgemeines industriellen Einsatz sein, also bei Zementanlagen, Sinterbändern der Stahlindustrie oder Verbrennungsanlagen, chemischen Betriebsanlagen mit Staubemissionen, sowie den sogenannten Sprühröstanlagen der Bauart Andritz-Ruthner. 45 In den erwähnten Beispielen treten sogenannte Feinstäube auf die eine immer größere Umweltbelastung darstellen und Gegenstand mannigfacher Diskussionen in der Öffentlichkeit geworden sind.

Gemäß der EU-Verordnung sind „Feinstäube“ klassifiziert als jener Anteil in den Stäuben mit so kleiner gleich 10 pm Partikeldurchmesser (PMi0-Stäube). Die obere Begrenzung solcher Feinstäube wurde mit 50 pg/Nm3 per Gesetz begrenzt, ein Wert der in der Praxis industrieller und bevölkerungsstarker Ballungsgebiete nicht einzuhalten ist Eine genauere Klassifizierung unterscheiden innerhalb die PM10-Partikel noch zwischen: „inhalierbarer Feinstaub“ <10 pm, zu solcher (PM2,5) mit <2,5 pm oder solcher mit <0,1 pm (UP= „Ultrafeine Partiker“). 55 3 AT 502 015 B1

Bekannt geworden ist die Problematik der Feinstaubbeeinträchtigung der Gesundheit erstmals durch die Asbestproblematik. Früher galt Asbest als völlig inertes und unschädliches Material mit breitem industriellen Einsatz (z.B. Bremsklötze von PkW's). Erst durch Studien aus den USA wurde die Gefahr der Lungeneinwirkung von im μ-Bereich befindlichen Asbestabrieben, vornehmlich aus den besagten Bremssystemen der Autos, aber auch anderer Industriequellen. Nach der Asbestproblematik tauchte die Silikatproblematik auf, die auch den Gebrauch der Glasfasern in Frage gestellt hatte. Denn Staubteilchen mit 2-3 μ Durchmessern zeigen eine tiefe Lungengängigkeit in die sogenannten Aereolen des Lungengewebes wo sie letztlich hängen bleiben und diverse Krankheiten bewirken können, wie Silikose oder Krebs. Aber auch weitere Krankheitsbilder wie Asthma oder Allergien sind mit der Feinstaubproblematik in Zusammenhang zu bringen.

Feinstäube resultieren zu mehrheitlich dem privaten und beruflichen Verkehr (PkW, LkW-Rußdieselemisionen), Hausbrand (Heizkessel) oder dem Streusplitt aus Winter, dann während der Frühjahsstürme. Somit wären ein scheinbar lokal begrenztes Problem. Statistiken zeigen aber dass die Feinstaubproblematik auch „exportiert“ wird. Denn angebliche 60% der Gesamtbelastung ist aus externen Quellen, oft viele hundert Kilometer weit weitergetragen. Damit ergibt sich eine Verlagerung auch in Naturschutzzonen oder eben bevölkerungsarmen Gebieten.

Neben dem Verkehrsgeschehen und den Eigenheiten dicht besielter Gebiete spielt die industrielle Emission eine bedeutende Rolle. Nämlich Verbrennungsanlagen, Zementöfen, Sinterbänder der Stahlindustrie, Hochöfen, chemische Produktionen gemeinhin emittieren Stäube. Solche sind in immer häufiger eingesetzten Abgaswäschern beherrschbar geworden, wiewohl die Effektivität solcher Systeme sehr unterschiedlich ist und von den Materialeigenschaften der Stäube entscheidend beeinflusst werden.

Die veröffentlichste Statistik zeigt weiters auf: Industrieemissionen ca. 40%, Verkehr ca. 20%, Landwirtschaft ca 15%, Hausbrand(„Kleinverbraucher“)ca 20%, Kraftwerke ca 5%.

Die gegenständliche Erfindung sollte nunmehr ein wirksames Instrument für die Elimierung von Fein- und Feinststäuben aus industriellen Quellen ermöglichen. Solche sollen jetzt beispielhaft dargestellt, solche aus Verbrennungsvorgängen sein (wie etwa Müllverbrennungsanlagen), oder solcher mit der Herstellung von pulverförmigen Endprodukten, wie etwa Zementöfen, Kalkbrennereien, Aktivkohlenherstellung, oder den Säureregenerationsanlagen Bauart Andritz-Ruthner, wo als Nebenprodukt sprühgeröstetes Eisenoxid anfällt, welches Hohlkugelstruktur besitzt.

Im Falle von Feinststäuben welche durch die Wirkung eines Nasswäschers Bauart Venturi abgeschieden werden sollen hängt dies von den physikalischen Eigenschaften der auszuwaschenden Stäuben, bzw. deren Dichteunterschied zu Wasser ab. Auch die Benetzung der Staubpartikel innerhalb des Venturi ist von entscheidender Bedeutung. Es zeigte sich, dass sprühgeröstetes Eisenoxid infolge seiner Hohlkugelstruktur eine erschwerte Benetzbarkeit aufweist. Durch die konstruktiven Merkmale des hier beschriebenen Venturis soll durch Zusatzeinbauten bewirkt werden, dass es zu einer völligen Benetzung der Partikel, auch solchen mit Feinstruktur kommt.

Das hier beschriebene Bauprinzip macht sich des Umstandes zunutze, dass durch den Einsatz von Ultraschall sich eine Verbesserung der Durchmischung, sowie der Benetzung innerhalb des Venturis erreichen lassen. Ultraschall wird seit längerem zur Reinigung von Kleinstteilen in sogenannten Ultraschallbädern verwendet, z.B. zum Reinigen feinster Düsen. Die hochfrequenten, magnetorestriktiven Schwingungsweiten werden durch jedwedes Medium transportiert, am besten aber durch ein Dielektrikum, wie es Wasser eben darstellt Dabei entstehen Spannungsspitzen welche unter Umständen auch zur Zertrümmerung von Teilchen führen können (verwendet im Ultraschallreinigungsbädern zum Entfernen von Schmutz auf Instrumenten oder zum Reinigen von Schmuckstücken). Bei Partikelmessgeräten nach der Laser-Messmethode ge- 4 AT502 015B1 schieht die Probenvorbereitung der Partikel in einem Ultraschallbad mit dem Ziel Agglomerat-strukturen durch Beschallung zu zerstören.

Als Ultraschall bezeichnet man Schallschwingungen oberhalb der Hörgrenze. Sie reichen von 5 20 kHz bis zu MHz. In der Technik unterscheidet man: Frequenzbereich 20 kHz-100 kHz, dann von 100 kHz-1 MHz, zuletzt 1-10 MHz, hinsichtlich diverser Anwendungsgebiete. Sie werden erzeugt durch piezoelektrische Schwingungserreger oder magnetorestriktiver Schallwandler. Wird Ultraschall im Medium Wasser erregt, dann bilden sich Kavitationswellen mit in der Literatur beschriebenen Druckspitzen von bis zu 500 bar, welche zu Gasblasen innerhalb der Flüs-io sigkeit führen die mit Wasserdampf oder Luft gefüllt sind. Durch die im Millisekundenbereich implodierenden Gasbläschen werden enorme Scherkräfte erzeugt welche wiederum zur Zerstörung im gegebenen Fall von Partikeln, also Staubagglomeraten, Hohlkörperstrukturen besondere Stäube oder zur Zerstörung von biologischem Material führen. 15 Im Falle der Staubdesagglomeration unter nachfolgender Benetzung durch Wasser genügen Ultraschallfrequenzen im Bereich 20-100 kHz völlig.

Gute Erfahrungen hat man des weiteren im Einsatz des Ultraschalles zur Schlammdesintegration gemacht, zur Vermeidung von Schlammgärprozessen und der Faulschlammbildung. 20

Die Ultraschallbeaufschlagung eines Venturis stellt in jedem Fall eine Neuheit dar welche eine starke Verbesserung der Staubpartikel-Eliminerung von Anlagen mit Staubemissionen, wie die zuvor genannten Industriequellen zur Folge hat. Durch das eingespritzte Wasser welches sich im Kehlquerschnitt des Venturis vereinigt und die darin aufgeschwemmten Staubanteile durch 25 die Schallwirkung zu vermengen, zerschlagen und zu vernetzen vermag, sodass die Stäube letztlich vom Wasserstrahl erfasst und ausgeschwemmt werden können.

Versuche mit sprühgeröstetem Eisenoxid zeigten, dass die Wirkung mit dem Ultraschall eine Benetzung der spezifisch leichten (0,3 g/ccm) Partikel bewirken, welche ansonsten nicht be-30 netzt und damit ausgetragen werden.

Eine Ultraschallbeaufschlagung eines Venturi ist bislang noch nicht in der Patentliteratur beschrieben worden, wohl aber bei Gasdüsen im Anwendungsfall der Flüssigkeitszerstäubung: US 6,238 495 (2001), FR 2748476 oder US 6,383 555. 35

Im weitere stellt die hier beschriebene Ausführung eine Verbesserung zu jener wie im Patent DE 4331301 beschriebenen dar, weil die dort beschriebene Stellwalze von unten her zu den beiden fix angeordneten konstruktiv angebracht ist. Dies führt den Nachteilen, im Gegensatz zu der in der Konstruktionsskizze des hier beschriebenen Patentes, weil im hier beschriebenen Fall 40 mit einer von oben her zustellbaren Venturikehle ein geringfügiger Staudruck entsteht, der zur verbesserten Durchmischung der Medien und damit zur Vermischung, als Benetzung führt. Erst durch diese stehende Flüssigkeitsmenge können sich die Ultraschallwellen ausbreiten um auf die Partikel, also Feinstäube zu wirken. In der Folge bewirken die ablaufenden Wasserströme aus der Venturikehle heraus zu einem Absaugunterdruck, damit erneut zu Verwirbelung und 45 Staubauswaschung.

Ein solch ein Ultraschall-Venturiprinzip ist prinzipiell in allen Wäschern einbaubar, bei der Anwendung zur Staubeliminierung. Die Werkstoffwahl wird sich im Falle saurer oder anders aggressiver Medien auf Kunststoff beschränken, in allen anderen Flällen auf Edelstahl. 50

Die nachfolgende Ausführung zeigt die Abscheidemethodik eines solchen variable einstellbaren ultraschallbeaufschlagten Venturis (Zeichnungen 1, 2, 3) im Vertikalschnitt jeweils. Hierbei stellt die Nummerierung die Funktionsweise jeweils dar. 55 Zeichnung 1:

Claims (4)

1. 5 AT502 015B1 1) Gaseintrittsteil (Oberteil des Venturi) 2) Gasaustrittsteil (Unterteil des Venturi), 3) fixe Kehlbegrenzung durch Hohlrohre, 4) variabel einstellbare Kehlbegrenzung durch einen Hohlzylinder welcher von oben her zur Venturikehle (hergestellt durch die beiden fix angeordneten Zylinder aus 3)) mittels externer Drehspindelhubvorrichtung, 5) variable resultierender Kehlquerschnitt 5 des Venturi. Druckdifferenzen welche innerhalb des Kehlquerschnittes durch das eintretende Wasser resultieren sind dargestellt mit: 6.1) Druckverlust - Δρ (Unterdrück im Oberteil der Kehle), 6.2) Druckanstieg + Δρ bedingt durch die Vermischung von Gas und Wasser innerhalb des Venturi-Kehel-io Innenteiles, 6.3.) Druckverlust druch Entspannung im Unterteil der Kehle, 7) fixe Blenden zur Gasstrom-Regulierung, 8) Wassereintritt der Düsen, 9) Düsen mit 45°Sprühwinkel, 10) Ultra-schallsnoren mit externer Anspeisung zur Beschallung der Flüssigkeit mit variabel einstellbarer Leistung im bevorzugten Bereich von 20-100 KHz. 15 Figur 2: Gibt den Querschnitt des Venturis aus Figur 1\ die Anordnung der Einspritzdüsen zur Wassereinbringung 8)), sowie der Kranz an Ultraschallsonoren (10) welche am inneren Teil des Ventu-ri-Zylinders fix aufmoniert sind. 20 Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Abscheidung von Feinstäuben oder Sprühröstpulvern aus Säure- 25 Regenerationsanlagen, bestehend aus einem Differenzdruckwäscher der Bauart Venturi (s. Fig. 1) mit einer verstellbaren Kehle (3 und 4 in Fig. 1) und damit veränderbarem Flächenquerschnitt, gekennzeichnet durch eine mechanische Vorrichtung des Hebens und Sen-kens gegen zwei fix angeordnete Zylinder (4 in Fig. 1) innerhalb der Venturikehle, wodurch durch die einstellbare Querschnittsveränderung derselben unterschiedliche Mengenströme 30 an Gas und Wasser durchsetzbar sind und durch den Einbau von kranzförmig angebrachten Ultraschallsonoren (10) im Oberteil des Venturi das Gemisch Waschwasser und Staubanteile beschallt werden.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmechanismus (4) 35 der variablen Venturikehle über einen externen Spindelbetrieb ermöglicht wird, mit von oben zustellbarer Stellwalze.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Waschwasser für den Venturi auch über ultraschall-beaufschlagte Düsen (9) eingebracht wird. 40
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Waschwasser (8) den Venturi über Düsenvorrichtungen entweder von oben her oder über seitlich angebrachte Düsen in den Venturi eingebracht wird. 45 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 50 55