Nach dem Venturi-Prinzip

Rainer Freund, Karl Reither

Während Hochleistungs-Venturiwäscher Aerosole und Feinstäube nur mit hohen gasseitigen Druckverlusten abscheiden, wurde beim System Bayer-Reither der patentierte Rohrspalt-Venturiwäscher mit verstellbaren Kehlen mit einer Verfahrensentwicklung der Bayer AG zusammengebracht, wodurch rauchgasseitig eine nahezu druckverlustfreie Fahrweise bei hohen Abscheidegraden realisierbar ist. KEU setzt diese Entwicklung als Feinkornabscheider für Partikel mit Korngrößen bis in den Submikronbereich bei der Rauchgasreinigung nach einer Verbrennungsanlage ein. Die Anlage wird zur Entsorgung von Abgasen und Rückstandsflüssigkeiten eines Chemieunternehmens betrieben und besteht im Wesentlichen aus einer Zuleitung für explosible Abgase samt zugehöriger Sicherheitstechnik, einer Zuleitung und Verdüsung mit optimaler Verteilung für Rückstands flüssigkeiten und einer Verbrennung im Gegenstrombrenner mit einer Nachoxidation in der Reaktionskammer (Bild 1). Dem Brenner nachgeschaltet sind ein mehrstufiger Wasserrohrkessel samt Schlackeaustrag, eine Wasserquenche zur Kühlung der Rauchgase, ein mehrstufiger Rauchgaswäscher mit Chemikalienrückgewinnung, ein Rohrspalt-Venturiwäscher-System Bayer-Reither zur Feinpartikelabscheidung sowie eine SCR-Anlage.

Der Venturiwäscher besteht aus einem zylindrischen Gehäuse, in dem zwei oder mehrere Querrohre eingebaut sind. Unterhalb der Rohre ist auf Lücke eine zweite Reihe von Rohren angeordnet, zwischen deren Wänden zwei oder mehr parallel verlaufende Venturikehlen entstehen. In besonderen Fällen können diese Rohre (Verdränger) verschiebbar ausgeführt sein, so dass der Querschnitt der Venturikehlen veränderlich ist. Die Anzahl der Spalten richtet sich nach der Größe des Volumenstroms. Oberhalb der Venturikehlen sind Hybriddüsen, im Speziellen Zweistoffdüsen, angeordnet, über die Waschflüssigkeit durch Luft oder Inertgas zerstäubt wird. Das kennzeichnende Merkmal der Hybriddüsen ist, dass bei konstanter Beaufschlagung mit einer bestimmten Flüssigkeitsmenge und einer bestimmten Luftmenge, die Flüssigkeits- und Luftmengen nicht gleichmäßig, sondern pulsierend verdüst werden. Durch den pulsierenden Austritt lässt sich ein breites Spektrum von Tropfengrößen und Tropfengeschwindigkeit erzeugen. Im Wechseltakt wird ein Sprühkegel mit groben Tropfen mit großer Reichweite und ein Sprühkegel mit feinen Tropfen mit kleiner Reichweite erzeugt. Das Tropfenspektrum umfasst Größenverhältnisse von 1 : 1000.

Die Pulsation wird automatisch durch zwei Resonanzkammern in der Hybriddüsenlanze erzeugt. Hierfür sind keine externen Armaturen erforderlich. Durch die Pulsation, verbunden mit einer starken Turbulenz, und die Tropfenzerkleinerung hat der Venturidruckverlust nur noch geringen Einfluss auf die Abscheideleistung. Die Querschnittverengung in den Rohrspalten unterstützt die Verwirbelung des Gas-Flüssigkeitsgemisches. An die Qualität der Druckluft sind keine besonderen Anforderungen zu stellen. Auf kostenintensive Trocknungsverfahren kann verzichtet werden. Dem Venturiwäscher nachgeschaltet ist ein Tropfenabscheider, beispielweise ein Zyklonabscheider.

Die bei Verbrennungsprozessen auftretenden Emissionen an Staub und Aerosolen weisen sehr kleine Partikelgrößen auf. Beispielsweise entsteht bei der Verbrennung von Chlorsilanen Siliziumdioxid mit einer mittleren Partikelgröße von 0,5 µm. Bei Aerosolbildung aus Gasphasenreaktionen können die Reaktionsprodukte noch kleinere Teilchengrößen bis 0,1 µm aufweisen. In umfangreichen Versuchen mit einer Pilotanlage, für einen Volumenstrom von 1000 m3/h, wurden im Technikum der Bayer AG Messungen über das Abscheideverhalten bei Feinstaub durchgeführt. Aus der Vielzahl der Messungen sind in Bild 2 vier Versuchsergebnisse dargestellt. Bei allen Versuchen betrug die Staubbeladung rund 200 bis 350 mg/m3 und der Zerstäuberdruck an der Düse ca. 5 bar. Die beiden dargestellten Versuche mit Sillitin unterscheiden sich nur in dem unterschiedlichen L/G-Verhältnis (Liquid/Gas-Verhältnis). Dies ergab keinen signifikanten Einfluss auf die Abscheideleistung. Bei einem geringeren L/G-Verhältnis ist der Energieeintrag durch die Druckluft der Düse etwas größer, aber auch der Gesamtabscheidegrad. Die beiden anderen Versuche wurden mit Titandioxid-Teststaub durchgeführt.

Der Teststaub war zusätzlich silikonisiert, um Agglomeration zu verhindern und eine noch feinere Staubverteilung (d50 = 0,53 µm) zu testen. Mit diesem Teststaub und gleichen Bedingungen zeigt sich eine etwas schlechtere Abscheideleistung. Dies ist durch die Hydrophobizität und die deutlich geringere Agglomerationsneigung zu erklären, lässt sich aber durch einen mäßigen Druckverlust in der Kehle kompensieren (Kurve d).

Die Ergebnisse der Versuche zeigen, dass selbst schwierig abzuscheidende sehr feine Partikel, wie silikonisiertes Titandioxid, mit geringem Druckverlust abzuscheiden sind. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem geringen Waschflüssigkeitsbedarf. Während herkömmliche Venturiwäscher mit einem L/G-Verhältnis von ca. 2 bis 3 l/m3 betrieben werden, liegt dieser Wert beim Venturiwäscher System Bayer-Reither nur bei der Hälfte. Weitere Messungen, die an ausgeführten Anlagen erfolgten, zeigen folgende Ergebnisse:

Diese Messungen haben auch gezeigt, dass der Einfluss des gasseitigen Druckverlustes sehr gering ist. Für Untersuchungen vor Ort, steht eine transportable Pilotanlage zur Verfügung.

Ein Vergleich des Rohrspalt-Venturiwäschers Bayer-Reither mit anderen Nassabscheidern lässt folgende Vorteile erkennen. Der Rohrspalt-Venturiwäscher liegt in einem energetisch günstigen Bereich und mit seinem 50%-Grenzkorn im Feinbereich deutlich unter 0,1 µm, d.h. die für die Abscheidung von Feinstaub aufzubringende Energie ist gleich oder geringer als bei einem Hochdruck-Venturiwäscher. Zudem wird beim Rohrspalt-Vebturiwäscher die Energie nicht über ein Gebläse eingebracht, was günstige Auswirkungen auf die Dimensionierung des Apparats und der Rohrleitungen hat und darüber hinaus den Einbau von Schallschutzmaßnahmen erübrigt. Insbesondere bei der Nachrüstung von bestehenden Anlagen ist dies von Vorteil, weil vorhandene Ventilatoren nicht ausgetauscht werden müssen.

Für die konstruktive Ausführung der Rohrspalt-Venturiwäscher für Rauchgasreinigung haben sich Polypropylen und GFK, auch in Verbundbauweise, bewährt. Die feststehenden Querrohre sind dann aus GFK, die verschiebbaren Verdrängerrohre aus PP gefertigt. Die Apparate können aber auch in Edelstahl hergestellt werden. Mit dem System Bayer-Reither lassen sich Anlagen für Volumenströme von 250 bis 30 000 Nm3/h realisieren. Hierfür steht ein Baukasten-Programm zur Verfügung. Die Gasführung kann von oben nach unten oder umgekehrt von unten nach oben erfolgen.

cav 423

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