Wandablagerungen im Gas/Feststoff beladenen Zyklon

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1 Wandablagerungen im Gas/Feststoff beladenen Zyklon Joseph Houben* und Gernot Staudinger Abstract Untersucht worden ist, unter welchen Bedingungen Wandablagerungen in einem Gaszyklon entstehen. Dafür sind Experimente ausgeführt worden worin die Volumenströme und Beladungen variiert worden sind. Bei geringeren Volumenströmen entstehen schwerere Ablagerungen. Allerdings, bei einer Beladung zwischen 2 und 3 g Feststoff pro kg Luft, tritt ein lokales Maximum in der Ablagerungsmasse auf. Sowohl eine niedrigere als auch eine höhere Beladung führen zu weniger Ablagerungen. 1. Belagbildung in Zyklonen Aus der Praxis ist bekannt, dass sich in Zyklonen Wandablagerungen formen können [1]. Diese Ablagerungen können den Zyklon bleibend beschädigen (z.b. Eisenpartikel die zusammenschmelzen) und so dick wachsen, dass der Druckverlust über den Zyklon zunimmt, wodurch eine höhere Leistung gebraucht wird. Zum Schluss kann sogar der ganze Zyklon verstoppen. Eine Reinigung ist dann notwendig. Nicht nur die Zeit, die für die Reinigung gebraucht wird, kostet Geld. Die ganze Periode dass eine Anlage außer Betrieb ist, bedeutet ein Verlust. Im Fall eines Zementwerks, kann die Ablagerung nur entfernt werden nachdem der Ofen abgekühlt ist. Danach dauert es verschiedene Tage ehr die erwünschte Temperatur wieder erreicht ist. Das verhindern von Belägen ist also ein wichtiger Faktor im Effizienz des Produktionsverfahren. Ablagerungen können vermieden werden durch die Wand zu coaten [2]. Auch ist es möglich die Wand doppelt zu machen wobei die Innenseite aus einem flexiblen Material (z.b. Gummi) besteht. Durch den Druck zwischen die Wänden (pulsierend) zu erhöhen werden die Ablagerungen gelöst. Im Idealfall wird Belagbildung überhaupt vermieden. Dafür muss man wissen unter welche Betriebsbedingungen dieses möglich ist. 2. Versuchsaufbau In Abbildung 1 ist ein Schema der verwendeten Versuchsanlage wiedergegeben. Die Differentialwaage (1) bestimmt einen gewissen Feststoffstrom. Durch die Schwingförderrinne (2) erreicht der Feststoff den Zerstäuber (3) (der unter Druck steht von einem Druckregler (10)) in dem mögliche Agglomerate zerbrochen werden. Im Zyklon (4) findet sodann die Abscheidung statt. Das nicht abgeschiedene Feingut gelangt ins Schlauchfilter (5), von dem eine Wiegeeinrichtung (6) die Masse bestimmt. Der Luftvolumenstrom wird eingestellt von einem Gebläse (8), einer Messstrecke (7) und einer Drosselklappe (9). In Abbildung 2 stehen die Maßen des Versuchszylons. Nennenswert ist das Fallrohr, das eine Verlängerung des Feststoffaustritts zwischen dem konischen Teil vom Mantel und Grobgutbehälter ist. Abbildung 1: Schema der Versuchsanlage.

2 3. Versuchsdurchführung Die Versuche wurden durchgeführt mit Volumenströmen ( V ) zwischen 600 und 1200 m³/h. Die Beladungen (µ) variierten zwischen 1,0 und 7,9 g Staub pro kg Luft. (Das weiteren wird für die Versuche die Bezeichnung V600_µ1.0 für einen Luftvolumenstrom von 600 m³/h bei einer Beladung von 1 g Staub pro kg Luft). Nachdem zumindest 7 kg Aufgabegut (Omyacarb 5-GU mit einem Meidankorn von 5 µm sowie umschrieben von Gronald [3]) hinein gegeben worden waren, wurde die Masse der Ablagerungen bestimmt. Dabei wurde ein Unterschied gemacht zwischen folgenden Teilen: Tauchrohr Innenseite, Tauchrohr Außenseite, Deckel, Mantel und Fallrohr (wie angegeben in Abb. 2). Abbildung 2: Zyklongeometrie mit Bezeichnung der Teile wovon die Masse der Wandablagerungen bestimmt worden sind.

3 4. Ergebnisse Sowohl die Art der Ablagerungen wie die Massen wurden untersucht dessen Ergebnisse in den folgenden Paragrafen erwähnt werden. 4.1 Art der Ablagerungen Tauchrohr Innenseite (Abb. 3a): In allen Versuchen bildet sich bei den unteren 5-10 mm ein geschlossener Ring. Im oberen Bereich vom Tauchrohr sind dünne bizarre Linien, ein Helix (mit 3 oder 4 Windungen über die Tauchrohrhöhe) oder eine geschlossene Schicht sichtbar. Tauchrohr Außenseite (Abb. 3b): Bei allen Volumenströmen und Beladungen tritt das gleiche Bild von Ablagerungen auf. Die oberen 5-10 mm, wo die Grenzschicht der Strömung ist, sind frei von Ablagerungen. Darunter entsteht eine bis zu 50 mm hohe Ablagerung mit einer Stärke von 0,2-1,0 mm. Auf der restlichen Oberfläche befindet sich ein dünner Film. Die Ablagerungen lassen sich ohne nennenswerte Kraft mit einem Pinsel entfernen. Deckel (Abb. 3c): Nur bei den Versuchen mit 600 m³/h treten Ablagerungen am Deckel auf. Sie sind kreisförmig, wobei der Bereich rundum das Tauchrohr sauber bleibt. Bei 800 m³/h war der Deckel nur bei niedrigen Beladungen mit fleckigen Ablagerungen bedeckt. Mantel (Abb. 3e und 3f): Rechts vom Eintritt entsteht in allen Fällen eine streifenförmige Ablagerung, links dagegen fleckige, die, wenn sie länger werden helixförmige Strähnen formen (Abb. 3e). Wenn diese Strähnen dicker werden, kommen manchmal saubere chevron-förmige Stellen vor (Abb. 3f). Dünne Ablagerungen lassen sich nur schwer entfernen. Fallrohr (Abb. 3d): Oben kommen ähnliche Ablagerungslinien vor wie im Tauchrohr, nur sind sie dünner. An den untersten 10 cm vom Fallrohr sind die Ablagerungen bis zu 2,5 mm dick. Ihre Struktur ist von fleckig bis zu gleichmäßig. An der Unterseite des Flanschs zwischen Grobgutbehälter und Fallrohr setzen sich die Ablagerungen fort.

4 a b c d e Abbildung 3: Ablagerungen bei: (a) Tauchrohr Innenseite (V600_µ1.0), (b) Tauchrohr Außenseite (V600_µ3.0), (c) Deckel (V600_µ2.0), (d) Fallrohr (V600_µ3.0) und Mantel (e) & (f) (bzw. V1200_µ3.0 und V600_µ2.0). 4.2 Masse der Ablagerungen Nur bei den Versuchen mit Volumenströmen von 600 m³/h traten Wandabelagerungen auf, die mehr als 2% vom Aufgabegut betrugen (Abbildung 4). Bei 600 m³/h und 2 g/kg wurden sogar über 5% abgelagert. Nennenswert ist, dass bei 2 g/kg Staubbeladung ein Maximum auftritt; sowohl bei niedrigeren wie bei höheren Beladungen nimmt die relative Ablagerungsmasse wieder ab. Rechts vom Maximum tritt bei allen Volumenströmen ein lokales Minimum auf das aber nicht so deutlich ist wie das Maximum und innerhalb von den Standardabweichungen der Messungen fällt. Die Ablagerungen auf den einzelnen Zyklonteilen sind gegeben in Tabelle 1. Der Trend ist sichtbar, dass bei abnehmenden Volumenströmen die Massen der Ablagerungen höher werden. Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass bei geringeren Luftgeschwindigkeiten die Partikel bei f

5 Gesamte Wandablagerung [%] einem Kollision mit der Wand auch eine kleinere Geschwindigkeit haben und dafür auch weniger kinetische Energie aufweisen um in Haftungsenergie (z.b. van der Waals und elektrostatische Energie) um zu setzen In der Literatur ist dieses Phänomen umschrieben für andere Anwendungen [4]. Auch kann die Strömung Partikel, die schon abgelagert waren von der Wand lösen [5]. Shi und Bayless [6] verwenden dieses sogar als Abscheidungskriterium in ihren CFD-Berechnungen. 7,0% 6,0% 5,0% V600 V800 V1000 V1200 4,0% 3,0% 2,0% 1,0% 0,0% 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 Beladung µ [g/kg] Abbildung 4: Mittelwerte der relative Wandablagerungen und deren Standardabweichungen während den Versuchen, als Funktion der Beladung µ (g Staub/kg Luft) für Volumenströme von beziehungsweise 600, 800, 1000 und 1200 m³/h. Tabelle 1: Mittelwert (µ) und Probestandardabweichung (s) von der relative Ablagerungsmasse an Tauchrohr Innenseite (TI), Tauchrohr Außenseite (TA), Deckel (D), Mantel (M) und Fallrohr (FR). Versuch µ TI s TI µ TA s TA µ D s D µ M s M µ FR s FR V600_µ1.0 0,194% 0,210% 0,086% 0,056% 0,029% 0,032% 0,766% 1,013% 0,453% 0,638% V600_µ2.0 0,697% 0,239% 0,158% 0,016% 0,025% 0,043% 3,732% 0,960% 0,643% 0,236% V600_µ3.0 0,632% 0,177% 0,127% 0,080% 0,004% 0,006% 0,816% 1,095% 0,500% 0,155% V600_µ5.31 0,479% 0,382% 0,117% 0,079% 0,002% 0,004% 1,323% 0,781% 0,111% 0,072% V600_µ8.0 0,525% 0,538% 0,097% 0,088% 0,000% 0,000% 1,765% 2,376% 0,090% 0,031% V800_µ0.66 0,041% 0,058% 0,015% 0,021% 0,000% 0,000% 0,068% 0,096% 0,191% 0,167% V800_µ1.0 0,032% 0,027% 0,090% 0,052% 0,000% 0,000% 0,885% 1,389% 0,440% 0,382% V800_µ2.0 0,062% 0,034% 0,075% 0,062% 0,000% 0,000% 0,272% 0,403% 0,077% 0,023% V800_µ3.0 0,101% 0,053% 0,092% 0,050% 0,000% 0,000% 0,373% 0,267% 0,074% 0,019% V800_µ5.31 0,433% 0,200% 0,116% 0,036% 0,000% 0,000% 0,738% 0,612% 0,224% 0,178% V1000_µ1.0 0,008% 0,007% 0,056% 0,017% 0,000% 0,000% 0,041% 0,027% 0,798% 0,261% V1000_µ2.0 0,082% 0,057% 0,083% 0,047% 0,000% 0,000% 0,300% 0,225% 0,774% 0,572% V1000_µ3.0 0,074% 0,076% 0,066% 0,042% 0,000% 0,000% 0,239% 0,266% 0,317% 0,259% V1000_µ5.31 0,194% 0,191% 0,093% 0,034% 0,000% 0,000% 0,435% 0,217% 0,137% 0,035% V1000_µ7.9 0,533% 0,242% 0,092% 0,049% 0,000% 0,000% 0,385% 0,286% 0,648% 0,433% V1200_µ1.0 0,012% 0,010% 0,037% 0,016% 0,000% 0,000% 0,019% 0,008% 0,174% 0,169% V1200_µ2.0 0,019% 0,007% 0,061% 0,031% 0,000% 0,000% 0,061% 0,026% 0,332% 0,189% V1200_µ3.0 0,047% 0,044% 0,066% 0,035% 0,000% 0,000% 0,099% 0,169% 0,242% 0,104% V1200_µ5.31 0,046% 0,080% 0,103% 0,059% 0,000% 0,000% 0,107% 0,087% 0,184% 0,082% V1200_µ6.9 0,159% 0,203% 0,091% 0,041% 0,000% 0,000% 0,236% 0,158% 0,231% 0,053% Diskussion Nur bei 600 m³/h ist die relative Wandablagerung groß genug, um eine Aussage zu machen. Bei 800, 1000 und 1200 m³/h ist die Messunsicherheit relativ groß wodurch die Kurven sehr nah beieinander liegen und sich teilweise schneiden. Bei 600 m³/h und µ=2 g/kg ist ein Maximum. Merkwürdig ist, dass die relative Ablagerung sowohl bei abnehmenden als auch bei zunehmenden Beladungen wieder abnehmen. Bei dieser Beladung und

6 Volumenstrom ist der Testzyklon sehr empfindlich für Ablagerung. Bei den höheren Volumenströmen ist der gleiche Trend zu erkennen, doch in geringerem Maße. Formelzeichen µ [g/kg] Beladung V [m³/h] Volumenstrom Luft Literatur [1] A. Hoffmann und G. Stein, Gas Cyclones and Swirl Tubes, Springer-Verlag, 2002 [2] W. Krambrock, Die Berechnung des Zyklonabscheiders und praktische Gesichtspunkte zur Auslegung, Aufbereitungstechnik, 7 (1971) [3] G. Gronald, Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Partikelagglomeration im Gaszyklon, Dissertation Technische Universität Graz, Graz 2005 [4] E. Heinl und M. Bohnet, Calculation of particle-wall adhesion in horizontal gas-solids flow using CFD, Powder Technology 159 (2004) [5] M. Reeks und D. Hall, Kinetic models for particle resuspension in turbulent flows: theory and measurement, Journal of Aerosol Science 32 (2001) 1-31 [6] L. Shi und D. Bayless, Comparison of boundary conditions for predicting the collection efficiency of cyclones, Powder Technology 173 (2007) M.Sc. J. Houben, (joseph.houben@mu-leoben.at) Lehrstuhl für Thermoprozesstechnik Montan Universität Leoben, Buchmüllerplatz 2, 8700 Leoben, Austria O.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. G. Staudinger Institut für Mechanische Verfahrenstechnik (MVT) Technische Universität Graz, Inffeldgasse 25/B, 8010 Graz, Austria