Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7062

Abscheidung von Aerosolen mit strukturierten Packungen

X. Cheng

Zusammenfassung
Aerosole bzw. Partikeln sind im Gas dispergierte bzw. gasgetragene Teilchen in flüssiger oder fester Phase im Größenbereich von 1 nm bis 10 µm. Flugaschepartikeln in industriellen Abgasen weisen einen Durchmesser unter 1 µm und eine hohe Anzahlkonzentration auf. Sie stellen ein Gesundheitsrisiko für Lungenkrebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen dar. Die Gesetze bzw. Vorschriften, die neuen TA-Luft 2002, fordern die Abscheidung solcher submikronen Partikeln. Die Abscheidung mit konventionellen Staubabscheidern bedingt entweder hohe apparative Investitionen oder einen hohen energetischen Aufwand.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Verfahren zur Minderung von submikronen In-situ- Flugaschepartikeln zu entwickeln, die Abscheidung experimentell zu untersuchen und die Vorgänge theoretisch zu beschreiben.

Die vorliegende Arbeit besteht wesentlich aus folgenden Schritten: Aufbau einer Aerosolabscheideanlage mit entsprechender Messtechnik, Charakterisierung der untersuchten Flugaschepartikeln sowie experimentelle und theoretische Untersuchungen.

Aus den experimentellen Untersuchungen ergibt sich ein optimales Verfahren für die Partikelabscheidung. Dieses Verfahren besteht aus einer Quenche, einer mit Wasser berieselten Füllkörperkolonne und einer durch eine Einstoffdüse berieselten Multiwir-Packung sowie eines Kimre-Tropfenabscheiders.

Der Abscheidemechanismus in der Multiwir-Packung wurde mittels FLUENT-Simulation theoretisch erklärt. In der Multiwir-Packung befinden sich drei Strömungen: die Zentralströmung Z, die Nebenströmung N und die Umlenkungsströmung U. Durch die Zentralströmung Z und die Nebenströmung N (Kanal-Effekt) lassen sich Partikeln nur geringfügig abscheiden. Dagegen sorgt die Umlenkungsströmung U (Wand-Effekt) für eine deutliche Partikelabscheidung. Das Simulationsergebnis stimmt mit den Ergebnissen der Experimente gut überein. Außerdem wurden die experimentellen Trennkurven der In-situ- Partikeln analytisch approximiert. Die Rechnung weist auf einen starken Einfluß der Trägheitsabscheidung von der Gastemperatur hin.

Separation of Aerosols by structured Packings

Abstract
Aerosols are a suspension of solid or liquid particles in gas. The size of particles ranges from about 0.001 µm to 100 µm. The concentration of aerosol varies from 102 1/cm3 to 109 1/cm3.

Before industrialisation aerosols came from natural sources, for example, salt particles from ocean spray or smog from volcanic eruption. But nowadays aerosols are also produced in the industry, such as automobiles, industrial combustion processes with coal, biomass or waste, and so on. These aerosols affect not only visibility and climate, but also our health and quality of the life. The European directive 1999/30/EG (1999) sets stringent limits for sub-micron particle immission in the air until year 2010. The new TA-Luft and the 17. BImSchV have set stringent particle emission limits for waste incinerators in Germany. Therefore, aerosols or particles in flue gas from industrial combustion processes have to be separated before the flue gas emits into the air.

The goal of this work is to develop a low-cost process to decrease sub-micron particles in flue gas from waste incinerator. This thesis reports the experimental investigations and theoretical study on separation of particles in flue gas from waste incinerator.

A wet process – aerosol separation plant - is developed to separate sub-micron particles. This process is based on two separation principles – separation by diffusion before particle growth and by inertia after particle growth. The aerosol separation plant with a flow rate of about 320 Nm3/h consists of a quench, a packed column trickled with water, an empty zone and a structured packing. The quench is used to cool down the flue gas from 160°C – 190 °C to about 50 - 60°C, and to increase the saturation ratio of flue gas to a maximum of about 0.8. At this saturation particle growth by vapour condensation is still avoided and the fine particles smaller than 0.1 µm are separated by diffusion in the first zone of the packed column. In contrast bigger particles, whose size ranges from 0.1 µm to 1 µm, mostly remain airborne and grow to droplets in the packed column by vapour condensation due to increased saturation ratio of flue gas. In the empty zone additional growth of these particles is achieved by dosing of water or vapour. Finally these droplets are separated by inertia in the structured packing. A water layer is built up on the packing surface by injection of water to wash away the separated droplets.

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