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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