Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. K. Görner. Untersuchungen zur Flüssigascheabscheidung bei der Druckkohlenstaubfeuerung

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1 LUAT Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. K. Görner Universität Essen Untersuchungen zur Flüssigascheabscheidung bei der Druckkohlenstaubfeuerung Dr. rer.nat. K. Hübner Universität Essen, Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik, Essen Prof. Dr.-Ing. K. Görner Universität Essen, Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik, Essen Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik Universität Essen Leimkugelstraße Essen Tel.: Fax: Statusseminar Druckflamm Eurogress Aachen, 2. November 2000 Tagungsband auf CD-ROM

2 Untersuchungen zur Flüssigascheabscheidung bei der Druckkohlenstaubfeuerung K. Hübner, K. Görner Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik Universität-GH Essen 1. Einleitung Um die Rauchgase einer Druckkohlenstaubverbrennung in ein Arbeitsgas für Gasturbinen zu überführen, ist unter anderem eine weitestgehende Abscheidung schmelzflüssiger Aschepartikel bei hohen Temperaturen und Drücken erforderlich. Zur Ermittlung von Auswahlkriterien für geeignete Flüssigascheabscheider werden unter diesen Bedingungen zeit- und kostenaufwendige Untersuchungen benötigt. Es liegt daher nahe, Modelluntersuchungen bei instrumentell einfacher zu beherrschenden Verhältnissen durchzuführen. Verwendet man Flüssigkeiten, die bei Raumtemperatur vergleichbare physikalische Daten wie flüssige Aschen bei hohen Temperaturen aufweisen, lassen sich entsprechende Experimente bei Normaldruck und Temperatur durchführen [1] Als Modellflüssigkeiten, die insbesondere im Hinblick auf ihre Viskosität den Aschepartikeln ähneln, sind Siliconöle geeignet. Tabelle 1 zeigt wichtige Stoffdaten eines Siliconöls, das im Rahmen der hier durchgeführten Untersuchungen zum Einsatz kam. Tabelle 1: Wichtige Stoffdaten von Siliconöl (TEGILOXAN, Fa. Goldschmidt) Viskosität Dichte bei Flammpunkt Oberflächen- Flüchtigkeit bei 25 C 25 C spannung 4h bei 200 C mm 2 s -1 gcm -3 C mnm -1 % ,970 > ,5 1 Eine kontinuierliche Erfassung der Partikelgrößenverteilung ist grundsätzlich berührungslos mit Hilfe der Laser-Doppler-Anemometrie in situ möglich. Allerdings bereitet dabei vor allem die Erfassung von Partikeln mit einem Durchmesser von weniger als etwa 1 µm aus physikalischen Gründen (u.a. Übergang aus dem Bereich der Rayleigh-Streuung in den der Mie-Streuung) Probleme, so dass beim derzeitigen Stand der Messtechnik die Bestimmung der Größenverteilung mit Hilfe von Kaskadenmpaktoren noch eine sinnvolle Messalternative darstellt. Für die dabei erforderliche gravimetrische Bestimmung der in den einzelnen Trennstufen niedergeschlagenen Partikel erwies sich die bei Raumtemperatur praktisch vernachlässigbare Flüchtigkeit des Siliconöls als besonders vorteilhaft. Verluste durch Verdampfen konnten auch bei langen Wartezeiten, insbesondere auch für feine Tropfen sicher ausgeschlossen werden. Wegen der hydrophoben Eigenschaften des Siliconöls waren auch keine Störungen durch Aufnahme von Wasserdampf aus der Luft zu erwarten. Aufgabe der durchgeführten Untersuchungen war es vor allem, neben der Erfassung der Wirksamkeit einzelner Apparate auch allgemeine Kriterien für den Einsatz von Tropfenabscheidern bei hohen Temperaturen und Drücken zu erhalten.

3 2. Experimentelles Im Rahmen der im folgenden beschriebenen Untersuchungen wurde zur Partikelgrößenmessung gemäß VDI 2066 Blatt 5 ein achtstufiger Kaskadenimpaktor Andersen M III eingesetzt. Um die Wirksamkeit von Abscheidern speziell im Bereich feiner Tropfen möglichst genau erfassen zu können, ist es zweckmäßig, Vorabscheider zur Abtrennung gröberer Partikel einzusetzen. Hierfür wurden Kugelschüttungen verwendet, deren Abscheidewirksamkeit im Vergleich zur Leerrohrstrecke in separaten Experimenten getestet wurde. Im einzelnen wurden die in Tabelle 2 mit ihren charakteristischen Daten zusammengestellten Tropfenabscheider experimentell untersucht: Tabelle 2: Untersuchte Tropfenabscheider Kugelschüttung (Vorabscheider) Höhe: Kugeldurchmesser: 120 mm 30 mm Drahtgestrick Durchmesser: 290 mm Drahtdurchmesser: 0,2 mm Packungsdichte: 340 kg m - 3 Multiwir-Module - groß Abmessungen Breite Höhe Länge: mm 3 Stegbreite: 42 mm - klein Abmessungen Breite Höhe Länge: mm 3 Stegbreite: 24 mm Die abzuscheidenden Siliconöl-Tropfen wurden mit Hilfe einer Zweistoff-Zerstäuberdüse erzeugt und im Luftstrom dispergiert. Der Zerstäubungsluftdruck betrug ca. 5 bar. Als Kollektormaterialien für die in den einzelnen Stufen des Kaskadenimpaktors abgetrennten Tropfen dienten Quarzfaserfilter, die vor dem Gebrauch einer zweistündigen Temperaturbehandlung bei 500 C unterzogen wurden. Im übrigen erfolgten die Messungen nach der oben angeführten VDI-Richtlinie. 3. Ergebnisse der Kaskadenimpaktormessungen Bild 1 zeigt zunächst Tropfen-Durchgangssummenkurven, wie sie bei Gasgeschwindigkeiten von 2,2 und 3,3 m/s für die Kombination Drahtgestrick mit vorgeschalteter Kugelschüttung erhalten wurden. Außerdem sind für die gleichen Gasgeschwindigkeiten Durchgangsummen dargestellt, wie sie sich ohne Drahtgestrick allein bei Installation der als Vorabscheider dienenden Kugelschüttung ergeben (unterbroche- 2

4 ne Kurvenzüge). Die Durchgangssummen sind dabei in Abhängigkeit des aerodynamischen Tropfendurchmessers d ae50 wiedergegeben. Bild 1: Tropfendurchgangssummenkurven für einen Drahtgestrickabscheider mit vorgeschalteter Kugelschüttung Erwartungsgemäß ergibt sich infolge der mit steigender Geschwindigkeit zunehmenden Trägheitsabscheidung der Flüssigkeitspartikel eine Verschiebung zu kleineren Durchmessern. Entsprechendes gilt für den Übergang von der Kugelschüttung als alleinigem Tropfenabscheider zur Kombination Kugelschüttung/Drahtgestrick. Ferner ist ersichtlich, dass bei Hinzuschalten des Drahtgestricks eine Gasgeschwindigkeit von 2,2 m/s ausreicht, um einen Durchgangssummenwert von deutlich über 95 % bereits bei einem Partikeldurchmesser von 3 µm zu erreichen. Vergleichbare Durchgangssummenwerte werden ohne Drahtgestrick bei gleicher Geschwindigkeit erst oberhalb einem Partikeldurchmesser von 5 µm erzielt. Bei 3,3 m/s kommt die Kugelschüttung immerhin bereits bei d ae50 -Werten von ca. 4.5 µm auf ähnlich hohe Durchgangswerte wie die Abscheiderkombination bei 2,2 m/s und d ae50 = 3 µm. Tabelle 3 zeigt eine Zusammenstellung der Partikelgrößen, bei denen jeweils der 50 %-Wert der Durchgangssummen erreicht wird. Auch dabei ist der Einfluss der mit steigender Gasgeschwindigkeit zunehmenden Trägheitsabscheidung deutlich zu erkennen. Bei höheren Gasgeschwindigkeiten ergeben sich kleinere Partikeldurchmesser d 50. Tabelle 3: Partikeldurchmesser für 50 %-Durchgangssumme: Drahtgestrick / Kugelschüttung nur Kugelschüttung Gasgeschwindigkeit m s -1 2,2 3,3 2,2 3,3 Partikeldurchmesser d 50 / µm 1,6 1,3 2,2 1,7 3

5 Wie Bild 2 zu entnehmen ist, setzen sich die beschriebenen Trends bei höheren Gasgeschwindigkeiten von 4,4 bzw. 5,5 m/s weiter fort. Durchgangskurven nahe 100 % werden von der Kombination Schüttschichtfilter bereits für Partikeldurchmesser von 2 µm erreicht. Bei einer Gasgeschwindigkeit von 5,5 m/s wird mit der Kugelschüttung allein ein vergleichbares Ergebnis immerhin schon bei einer Partikelgröße von 3 µm erzielt. Bei der Kombination Schüttschicht / Drahtgestrick ist zu sehen, dass bei der gewählten Darstellungsform mit wachsender Leerohrgasgeschwindigkeit von 4,4 auf 5,5 m/s sich vergleichsweise geringe Änderungen der Durchgangssummenkurven ergeben. Bild 2: Tropfendurchgangssummenkurven für einen Drahtgestrickabscheider mit vorgeschalteter Kugelschüttung Die Partikeldurchmesser d 50 für die 50 % -Durchgangssumme zeigen ein entsprechendes Verhalten: Eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit von 4,4 auf 5,5 m/s bewirkt eine Abnahme des mittleren Tropfendurchmessers von 1,0 auf 0,94 µm für die Abscheiderkombination Drahtgestrick/Kugelschüttung. Die Kugelschüttung ohne nachgeschalteten Zusatzabscheider erfährt eine Absenkung des Partikeldurchmessers von 1,4 auf 1,2 µm. Tabelle 4: Partikeldurchmesser für 50 %-Durchgangssumme: Drahtgestrick / Kugelschüttung nur Kugelschüttung Gasgeschwindigkeit m s -1 4,4 5,5 4,4 5,5 Partikeldurchmesser d 50 / µm 1,0 0,94 1,4 1,2 Bild 3 zeigt Tropfendurchgangssummen zum einen für einen leeren Strömungskanal, an dessen Ende sich zur Tropfenniederschlagung nur eine Kugelschüttung befand, und zum anderen für die Kombination großer Multiwirabscheider/Kugelschüttung. 4

6 Bild 3: Tropfendurchgangssummenkurven für einen Leerrohrkanal und einen Multiwirabscheider (groß), jeweils mit vorgeschalteter Kugelschüttung Betrachtet man zunächst den Einfluss der in beiden Darstellungen als Parameter gewählten Leerrohr-Gasgeschwindigkeit auf die Durchgangssummenkurven, so ergibt sich erwartungsgemäß in allen Fällen mit wachsender Gasgeschwindigkeit eine Verschiebung der Kurven zu kleineren Partikeldurchmessern hin. Vergleicht man die Werte für die Kombination Kugelschüttung/großer Multiwir mit denen für den einbaulosen Strömungskanal (bei vorgeschalteter Kugelschüttung), so ist festzustellen, dass die Abscheiderkombination im allgemeinen eine Verschiebung zu feineren Reingaspartikeldurchmessern zeigt. Eine Ausnahme bildet dabei die kleinste erfasste Gasgeschwindigkeit von 3,5 m/s, bei der die Durchgangssummenkurve für die Abscheiderkombination größere Reingaspartikel als für den Leerrohrkanal mit Schüttschichtabscheider ergibt. Die Ursache für das abweichende Verhalten dürfte in einer Wiederaufnahme von Flüssigkeit durch die Gasströmung am Austritt des großen Multiwirabscheiders zu suchen sein. Entsprechende Phänomene konnten während der Durchführung der Experimente durch die Acrylglaswände des Strömungskanals beobachtet werden. Dabei lösten sich fadenförmige Siliconölpakete am Ende des Abscheiders ab und wurden zumindest teilweise zu feineren Tropfen dispergiert. Bild 4 zeigt Durchgangssummenkurven für die Kombination aus zwei kleinen Multiwirabscheidern und Schüttschichtabscheider sowie für den Schüttschichtabscheider allein bei Gasgeschwindigkeiten von 3,5 bzw. 5,1 m/s (unterbrochene Kurvenzüge). 5

7 Bild 4: Tropfendurchgangssummenkurven für einen Leerrohrkanal und zwei Multiwirabscheider (klein), jeweils mit vorgeschalteter Kugelschüttung Wie bei den bereits beschriebenen Durchgangssummenkurven ist auch in diesem Fall mit steigender Gasgeschwindigkeit eine Verschiebung der Funktionswerte zu kleineren Tropfendurchmessern hin zu beobachten, was auf die mit wachsender Gasgeschwindigkeit verbesserte Trägheitsabscheidung zurückzuführen ist. Während allgemein nach Installation der beiden kleinen Multiwirabscheider im Vergleich zum leeren Gaskanal eine Verschiebung der Kurven zu kleineren Tropfendurchmessern festzustellen, zeigen sich für eine Gasgeschwindigkeit von 3,5 m/s Abweichungen bei höheren Tropfendurchmessern. Bei Partikeldurchmessern oberhalb von etwa 3,9 µm liegt die Durchgangssumme für die Multiwirabscheider unterhalb der Leerrohrwerte für eine Gasgeschwindigkeit von 5,1 m/s. Bei Partikelgrößen oberhalb von etwa 4,8 µm werden auch die Leerkanalwerte für 3,5 m/s unterschritten. Bei 5,1 m/s lassen sich mit den Multiwirabscheidern 50 %-Durchlasswerte für Partikelgrößen von weniger als 1 µm erreichen. Für Partikel unterhalb 2 µm erfolgt bereits eine praktisch vollständige Abscheidung. Die abweichenden experimentellen Ergebnisse bei einer vergleichsweise geringen Gasgeschwindigkeit von 3,5 m/s sowohl für die Abscheiderkombination mit dem großen Multiwir als auch mit den beiden Abscheidern kleiner Bauform lassen den Schluss zu, dass diese Abscheiderart bei niedrigeren Geschwindigkeiten aus ihrem optimalen Anwendungsbereich gerät. 6

8 4. Diskussion der Ergebnisse Tropfenabscheider werden bei der industriellen Gasreinigung zumeist hinter Nassabscheidern eingesetzt, um die im gereinigten Gasstrom verbleibenden Flüssigkeitstropfen nach einer erfolgten Entstaubung abzutrennen. Im Prinzip können dabei alle Apparate verwendet werden, die auch zur Abscheidung von festen Partikeln geeignet sind. Bei den industriell eingesetzten Tropfenabscheidern handelt es sich allerdings in der Regel nicht um Hochleistungsabscheider, da einerseits die hinter Entstaubern abzutrennenden Tropfen im allgemeinen erheblich größer als Staubpartikel und daher leichter niederzuschlagen sind und da andererseits durch Hochleistungsabscheider ein erheblich größerer Energiebedarf für den gesamten Gasreinigungsprozess anfallen würde. Bild 5 zeigt ein Übersichtsschema, das einzelnen Bauformen erreichbare minimale Grenzkorntropfendurchmesser d 50 und den erforderlichen Energiebedarf über den Druckverlust zuweist. Bild 5: Bauformen von Tropfenabscheidern Vergleicht man die im Rahmen der experimentellen Untersuchungen für Drahtgestrick- und Multiwirabscheider erhaltenen d 50 -Werte mit denen des Übersichtsschemas, so ist festzustellen, dass die mit der Modellflüssigkeit Siliconöl erreichten Grenztropfendurchmesser im üblichen Wertebereich liegen. Multiwirabscheider erzielen etwas größere Grenzwerte, die etwa mit denen von Zyklonen vergleichbar sind. Danach ist zu erwarten, dass hinsichtlich der Abscheidemechanismen und der Effektivität keine wesentlichen Unterschiede zwischen konventioneller Tropfenabscheidung und Flüssigascheabscheidung bestehen sollten. Die prinzipielle Vergleichbarkeit der bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen ablaufenden konventionellen Tropfenabscheidung und der Flüssigascheabscheidung bei Temperaturen von 1300 C und höher wird auch aus Bild 6 ersichtlich, in dem Untersuchungsergebnisse von Bürkholz [2] zusammengestellt sind. 7

9 Bild 6: Druckverlust und Grenztropfendurchmesser von Tropfenabscheidern nach Bürkholz [2] Bürkholz zeigte anhand dimensionsanalytischer Betrachtungen und mit Hilfe umfangreicher experimenteller Daten, dass zwischen dem Druckverlust p und dem in einem Tropfenabscheider erreichbaren Grenztropfendurchmesser d 50 ein einfacher Zusammenhang besteht: Dp d 50 3 = const. Die Größe der Konstante wird dabei über eine für den jeweiligen Abscheider charakteristische Länge D bestimmt. Bei filternden Abscheidern ist D gleich dem Faserdurchmesser, bei Schüttschichten gleich dem Durchmesser des Schüttschichtelements, bei Zyklonen gleich dem Tauchrohrinnendurchmesser und bei Lamellenabscheidern gleich dem Lamellenabstand. Wie auch die hier durchgeführten Untersuchungen am Beispiel der Multiwirabscheider gezeigt haben, ist allerdings zu beachten, dass eine Verallgemeinerung von abscheiderspezifischen Daten einer gewissen Vorsicht bedarf. Probleme können sich vor allem in Grenz und Randgebieten des Tropfenabscheideranwendungsbereiches ergeben, beispielsweise bei besonders hohen oder besonders niedrigen Gasgeschwindigkeiten. Flüssigkeitsspezifische Eigenschaften können sich bei der Hochtemperaturabscheidung von Aschepartikeln durch die Ausbildung vergleichsweise fest haftender Schichten abgeschiedener Flüssigkeit auswirken. Insbesondere bei Tropfenabscheidern mit kleinen Strömungskanälen (vgl. z.b. Tauchrohrinnendurchmesser von 5mm bei einem Zyklon in Bild 6) kann es zu Veränderungen der abscheiderelevanten geometrischen Parameter kommen. 8

10 In Bild 7 werden abschließend die Ergebnisse der Modelluntersuchungen mit Siliconöl den Ergebnissen von Bürkholz vergleichend gegenübergestellt. Bild 7: Vergleich der Ergebnisse der Modelluntersuchungen mit denen von Bürkholz Man erkennt, dass die mit Siliconöl erzielten Ergebnisse sich größenordnungsmäßig in einem ähnlichen Rahmen wie die von Bürkholz angegebenen Werte bewegen. Dabei ergeben sich allerdings quantitative Unterschiede zwischen den Untersuchungen, die vermutlich vor allem auf apparativ unterschiedliche Details bei den eingesetzten Abscheidern zurückzuführen sind. Bei den hier durchgeführten Arbeiten erweist sich beispielsweise ein Drahtgestrick mit D = 0,2 mm Drahtdurchmesser als weniger effektiv abscheidend als ein Drahtfilter mit D = 0,2 mm bei den Untersuchungen von Bürkholz. Umgekehrt ist die hier eingesetzte Kugelschüttung mit 30 mm Kugeln effektiver als eine Schüttung mit 25 mm Kugeln bei den Ergebnissen von Bürkholz. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Aufgabe der Hochtemperaturabscheidung schmelzflüssiger Aschepartikel aus Kohleumwandlungsgasen weitgehend die gleiche wie die Niederschlagung von Flüssigkeitstropfen bei niedrigeren Temperaturen ist. Filternde Abscheider und andere Abscheider mit engen Strömungskanälen sind in ihren Einsatzmöglichkeiten aber beschränkt vor allem wegen der bestehenden Ver- 9

11 stopfungs- und Verkrustungsgefahr sowie der allgemein sich ändernden instabilen Geometrie der Strömungskanäle.. 5. Literatur [1] Albrecht, J. ; Vydra, K.; Hübner; K.; Görner, K. Developments for the Removal of Slag Droplets from Flue Gas Streams Following Slagging Combustion of Hard Coal High Temperature Gas Cleaning, Volume II, 1999, 825 Ed. by: Dittler, A.; Hemmer, G.; Kasper, G. Publ.: Inst. für Mech. Verfahrenstechnik u. Mechanik Universität Karlsruhe (TH) [2] Bürkholz, A Die Beschreibung der Partikelabscheidung durch Trägheitskräfte mit Hilfe einer dimensionsanalytisch abgeleiteten Kennzahl Chem.-Ing.-Tech. 58 (1986) S