Entstaubungstechnik: Grundlagen Verfahren Meßwesen

292 Pages·1972·8.434 MB·German

by  Dr.-Ing. Wilhelm Batel (auth.)

Wilhelm Batel
Entstaubungstechnik
Grundlagen Verfahren Me13wesen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1972
Dr.-Ing. WILHELM BATEL
Professor und Direktor des Instituts für landtechniscbe
Grundlagenforschung, Braunschweig-Völkenrode
Mit 198 Abbildungen
ISBN -13: 978-3-642-49195-5 e-ISBN-13: 978-3-642-49194-8
DOI: 10 .1007/978-3-642-49194-8
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© by Springer·Verlag, Berlin/Heidelberg 1972.
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1972
Library of Congress Catalog Card Number: 78-181982
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berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im
Sinne der Warenzeichen· und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher
von jedermann benutzt werden dürften.
Vorwort
Entstaubung ist das Entfernen oder Abtrennen von Teilchen der
Größe zwischen etwa 10-3 bis 103 fllll, die in Gasen dispergiert sind.
Dementsprechend beschäftigt sich die Entstaubungstechnik insbeson
dere mit der Konstruktion und dem Einsatz von Maschinen und Appa
raten zur Entstaubung, die man unter dem Begriff Entstauber oder
Staubabscheider zusammenfaßt.
Das vorliegende Buch hat zum Ziel, eine Einführung in dieses Gebiet
zu geben. Es will dem Ingenieur, der im Rahmen seiner Tätigkeit mit
Fragen der Entstaubung in Berührung kommt, die Möglichkeit geben,
sich in kurzer Zeit eine übersicht über das Gebiet und das entsprechende
Grundwissen zu verschaffen. Das Buch, das aus meiner Vorlesung an der
TH Aachen entstanden ist, wendet sich aber auch an den Studenten der
Verfahrenstechnik und verwandter Fachrichtungen.
Die Entstaubungstechnik wird nicht als ein eigenes und in sich ab
geschlossenes Gebiet aufgefaßt, sondern als ein Teilgebiet der Verfahrens
technik. Hiervon leitet sich auch die Auswahl und die Behandlung des
Stoffes ab. Im Schwerpunkt werden die technisch-physikalischen Vor
gänge in den Entstaubern behandelt, die die Grundlage für die Kon
struktion und die Entwicklung bilden. über einige Anwendungsbei
spiele werden die Aufgaben und die wichtigsten Bedingungen für die
Entstaubung aufgezeigt. Da eine Bewertung und Auslegung der Ent
stauber letztlich nur in Verbindung mit der Staubmeßtechnik möglich
ist, wird auch dieses Gebiet behandelt.
Bei der Zusammenstellung des Manuskriptes hat Herr H. DOST mit
gewirkt. Ihm danke ich für diese gewissenhafte Arbeit. Den Herren
Dr. F. SCHOEDDER und Dr.-Ing. W. PAUL danke ich für zahlreiche
Anregungen und Verbesserungen, dem Verlag insbesondere für die vor
bildliche Ausstattung des Buches.
Braunschweig, Frühjahr 1972
w. Batel
Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis der wichtigsten Formelzeichen .............................. XI
1. Übersicht ........................................................ 1
1.1 Grundsätzliches zur Arbeitsweise der Entstauber, Benennungen. . . . . . 1
1.2 Gliederung des Stoffes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2. Allgemeine Grundlagen zur Entstaubungstechnik ...................... 6
2.1 Die Entstaubungsgrade ......................................... 6
2.1.1 Der Gesamtentstaubungsgrad .............................. 6
2.1.2 Der Stufenentstaubungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Strömungswiderstand und Fallgeschwindigkeit von Staubteilehen .... 9
2.2.1 Der Strömungswiderstand von einzelnen Staubteilehen ........ 9
2.2.2 Die Fallgeschwindigkeit von einzelnen Staubteilehen . . . . . . . . . .. 11
2.2.3 Widerstand und Fallgeschwindigkeit von TeiIchenkollektiven . .. 13
2.3 Ursachen für die Existenz von Aerodispersionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14
2.3.1 Die turbulente Diffusion ................................... 15
2.3.2 Molekulare Diffusion von StaubteiIchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16
2.3.3 Die Elektro-Diffusion ..................................... 18
2.4 Das An- und Zusammenhaften von Staubteilehen ................. 19
2.4.1 van der Waalssche Kräfte ................................. 20
2.4.2 Kapillare Haftkräfte ...................................... 21
2.4.3 Coulombsehe Haftkräfte ................................... 21
2.4.4 Agglomeration ........................................... 22
3. Der Schwerkraftentstauber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24
3.1 Entstaubung von Aerodispersionen aus gleich großen Staubteilehen ., 24
3.2 Entstaubung von Aerodispersionen aus Teilchen verschiedener Größe.. 25
3.3 Bauarten.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26
4. Kombinierte Schwer· und FIiehkraftentstauber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
4.1 Grundlagen ................................................... 28
4.2 Bauarten...................................................... 29
VI Inhaltsverzeichnis
5. FIiehkraftentstauber 31
5.1 Allgemeine Grundlagen .............. , ...... " .. .. .. . ... .. . .. . . .. 31
5.1.1 Umlaufströmungen ohne Staubteilchen ...................... 32
5.1.1.1 Die Rotationsströmung ............................. 32
5.1.1.2 Die ebene Potentialwirbelströmung ................... 33
5.1.1.3 Ebene Quell. und Senkenströmungen ................. 33
5.1.1.4 Die Potentialwirbelsenke ............................ 34
5.1.1.5 Die Rotationssenke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . 34
5.1.1.6 Allgemeine Umlaufströmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35
5.1.2 Mit Staubteilehen beladene Umlaufströmungen (Modelle) ...... 35
5.1.2.1 Rotationsströmungen ............................... 36
5.1.2.2 Potentialwirbelströmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36
5.1.2.3 Potentialwirbelsenke, Rotationssenke ................. 36
5.2 Bauarten von Fliehkraftentstaubern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37
5.2.1 Zyklone......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37
5.2.1.1 Tangentialzyklone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38
5.2.1.2 Axialzyklone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41
5.2.1.3 Multizyklone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42
5.2.1.4 Gültigkeit der Theorie für Zyklonentstauber ........... 42
5.2.1.5 Der Druckverlust von Zyklonentstaubern . . . . . . . . . . . . .. 46
5.2.1.6 Die Abscheidegüte von Zyklonen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2.1.7 Beispiel zur Berechnung eines Zyklons.. . . ... . ... .. ... 51
5.2.1.8 Sonderbauarten von Zyklonen ....................... 52
5.2.1.9 Werkstoffe für Zyklone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. 53
5.2.2 Der Drehströmungsentstauber ........... . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53
5.2.3 Die Entstaubungszentrifuge ................................ 55
5.3 Abscheidegüte in FIiehkraftentstaubern mit einer Rotationsströmung . . 56
5.4 Geschichtliche Entwicklung ..................................... 59
6. Der Elektroentstauber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
6.1 Grundsätzliches über Aufbau und Wirkungsweise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.1.1 Erzeugung der Ladungen .................................. 62
6.1.2 Aufladung der Teilchen .................................. " 67
6.1.2.1 Aufladung durch die Wirkungen des elektrischen Feldes. 67
6.1.2.2 Aufladung durch molekulare Diffusion.. . . .... . . .. . .. .. 68
6.1.3 Verschiebung der Teilchen durch die Kräfte eines elektrischen
Feldes................................................... 69
6.1.4 Abtrcnnung der Staub teilchen durch die Niederschlagselektroden 73
6.1.4.1 Einfluß des Staubes an der Niederschlagselektrode auf die
Entstaubung ....................................... 73
Inhaltsverzeichnis VII
6.1.5 Reinigung der Abtrennungsflächen .......................... 78
6.1.6 Gütegrad von Elektroentstaubern '" .. ... .. . . . . ... .. . .... ... 79
6.2 Bauarten von Elektroentstaubern ................................ 83
6.2.1 Grundsätzlicher Aufbau ................................... 83
6.2.2 Die Sprühelektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2.3 Die Niederschlagselektroden und deren Abreinigung ........... 86
6.2.4 Gehäuse und Zuleitungen... .. .. . . .. . ... . ... . .. .. .. . .. .. .... 90
6.2.5 Elektrische Einrichtungen ................................. 92
6.2.6 Sonderbauarten .......................................... 95
6.2.7 Einige Richtwerte für Elektroentstauber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95
6.2.8 Entwicklung des Elektroentstaubers ........................ 99
7. Waschentstauber .................................................. 102
7.1 Allgemeines .................................................... 102
7.2 Grundlagen der Waschentstaubung ............... '" ....... " .... 103
7.2.1 Benetzbarkeit der Staubteilchen ............................. 103
7.2.2 Verschiebung der Staubteilchen in die Flüssigkeit .... " .... '" 104
7.2.2.1 Verschiebung durch Trägheitskräfte .................. 104
7.2.2.2 Entstaubung durch molekulare Diffusion .............. 106
7.2.2.3 Entstaubung durch elektrische Kräfte ............... " 107
7.2.3 Die Entstaubung in Waschentstaubern ...................... 107
7.2.3.1 Waschentstauber mit dispers verteilter Flüssigkeit ..... 108
7.2.3.2 Waschentstauber mit netzartiger Flüssigkeitsverteilung . 108
7.2.3.3 Waschentstauber mit Flüssigkeitsschichten ............ 109
7.2.4 Abscheidegüte von Waschentstaubern ..... , ................ " 109
7.3 Bauarten ............. '.' ....................................... 111
7.3.1 Waschentstauber mit dispers verteilter Flüssigkeit (Dispersions-
wascher) ................................................. 111
7.3.1.1 Der Venturi-Entstauber ............................ , 111
7.3.1.2 Mechanische Dispersionswascher ..................... 114
7.3.1.3 Sprühdüsenwascher ................................ 116
7.3.1.4 Waschentstauber mit teilweiser Dispergierung eines
Flüssigkeitsbades (Anströmwascher). . . . . .. . . . . . . . . . . . .. 118
7.3.2 Waschentstauber mit netzartig verteilter Flüssigkeit .......... 119
7.3.3 Waschentstauber mit durchströmten Flüssigkeitsschichten ..... 120
7.3.4 Sonderbauarten .......................................... 121
7.4 Geschichtliche Entwicklung der Waschentstauber .................. 122
8. Filtrationsentstauber .............................................. 123
8.1 Grundsätzliches über den Filtrationsvorgang ...................... 123
8.1.1 Allgemeine Filtrationstheorie ............................... 123
8.1.2 Betrieb und Abscheidegüte von Filtrationsentstaubern ........ 125
VIII Inhaltsverzeichnis
8.2 Filterstoffe 127
8.2.1 Aufbau der Filterstoffe .................................... 127
8.2.2 Stoffeigenschaften der Filterstoffe " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 128
8.3 Der Druckverlust. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 131
8.4 Aufladungsvorgänge bei der Filtration ............' ............. , .. 132
8.5 Bauarten ............................... , ....... , ........ , . . . .. 133
8.5.1 Gewebe-und Faserstoffilter ................................ 133
8.5.2 Faserschichtfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 138
8.5.3 Filter mit körnigen Filterstoffen ............................ 140
8.6 Geschichtliche Entwicklung der Filtrationsentstauber ............... 140
9. Arbeitsbereiche, Kosten und Betriebssicherheit der Entstauber .......... 142
9.1 Arbeitsbereiche ................................................ 142
9.2 Kosten von Entstaubern ........................................ 144
9.3 Betriebssicherheit der Entstauber ................................ 147
10. Anwendung und Einsatz von Entstaubern ............ " ..... '" ..... 149
10.1 Allgemeines über die Anwendung von Entstaubern ............... 149
10.2 Entstaubung von Rauchgasen aus Feuerungsanlagen für feste
Brennstoffe ................................................. 151
10.2.1 Feuerungs-und Flugstaub bei Kesselanlagen ............•.. 152
10.2.2 Entstaubungsanlagen für Dampfkessel und industrielle Feue-
rungsanlagen ................................................ 155
10.3 Die Gichtgasentstaubung ..................................... 158
10.4 Entstaubung von Gasen aus offenen metallurgischen Prozessen. . . . .. 163
10.4.1 Das Sauerstoffaufblasverfahren .......................... 163
10.4.2 Das Thomas-Verfahren .................................. 164
10.4.3 Das Siemens-Martin-Verfahren .......................... 165
10.4.4 Das Elektrolichtbogen-Verfahren ........................ 165
10.4.5 Allgemeine Hinweise zur Entstaubung des Braunen Rauches 166
10.4.6 Entstaubungsanlagen für Aufblasverfahren ............ ,. " 167
10.4.7 Entstaubungsanlagen für Siemens-Martin-Ofen ............. 169
10.4.8 Entstaubungsanlagen für Lichtbogenöfen ................. 170
10.5 Entstaubungsanlagen für die Gießerei-Industrie .................. 171
10.6 Entstaubung bei der Zementherstellung ......................... 174
10.7 Entstaubungsanlagen für chemische und verwandte Industrien .... 178
10.7.1 Entstauben von Röstgasen .......••..................... 178
10.7.2 Entstaubungsanlagen für die Schwefelsäureherstellung ...... 179
Inhaltsverzeichnis IX
10.7.3 Entstaubung bei der Herstellung von Sulfatzellstoff. ........ 181
10.7.4 Entstaubungsanlagen in der Mineralölraffinerie ............ 183
10.8 Entstaubungseinrichtungen für mechanische und thermische Grund
verfahren sowie für Transportanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 184
11. Staubmeßtechnik ................................................. 189
11.1 Der Staubgehalt .............................................. 189
11.1.1 Allgemeines ........................................... 189
11.1.2 Gravimetrische Bestimmung des Staubgehaltes ............ 190
11.1.3 Bestimmung der Teilchenzahl pro Volumeneinheit ......... 198
11.1.4 Indirekte Messung der Staubkonzentration .............. " 202
11.2 Die Korngrößenanalyse ....................................... 207
11.2.1 Allgemeines ........................................... 207
11.2.2 Beschreibung und graphische Darstellung von Korngrößen-
verteilungen .......................................... 207
11.2.3 Übersicht über die Methoden zur Korngrößenanalyse ....... 215
11.2.4 Die mikroskopische Korngrößenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 217
11.2.4.1 Messen und Zählen durch Augenbeobachtung des
mikroskopischen Bildes ......................... 219
11.2.4.2 Manuelles Messen und Zählen auf der Projektion oder
Fotografie des mikroskopischen Bildes ............ 219
11.2.4.3 Automatisches Auswerten mikroskopischer Bilder. .. 220
11.2.4.3.1 Lineare Abtastung des Präparates im
Lichtmikroskop ........................ 221
11.2.4.3.2 Linearabtastung im Elektronenmikroskop 221
11.2.4.3.3 Spezialgeräte zur Linearabtastung von
Mikrofotografien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 222
11.2.4.3.4 Linearabtastung mit einer elektronischen
Kamera .............................. 222
11.2.4.4 Schlußbetrachtung zur mikroskopischen Korngrößen-
analyse ....................................... 224
11.2.5 Die Siebanalyse .................................... 224
11.2.6 Korngrößenanalysen über die Bewegungsgeschwindigkeit von
Teilchen in zähen Medien ............................... 228
11.2.6.1 Allgemeines zur Sedimentationsanalyse ........... 228
11.2.6.2 Sedimentationsanalyse nach der Differentialmethode 230
11.2.6.3 Sedimentationsanalyse nach der Integralmethode ... 233
11.2.6.4 Die Sedimentation in Gas und im Zentrifugalfeld .... 236
11.2.6.5 Die Sichtanalyse ........ , ....... , ............... 237
11.2.6.6 Sichten durch Strömungsumknkung .............. 239
11.2.6.7 Korngrößenanalyse über eine Teilchenverschiebung
durch elektrische Kräfte ................................ 240
X Inhaltsverzeichnis
11.2.7 Korngrößenanalyse durch Messungen am Einzelkorn (Teilchen-
zählgeräte) ............................................ 241
11.2.7.1 Zählgeräte auf Grundlage der Lichtstreuung ....... 241
11.2.7.2 Teilchenzählgeräte mit Messung der Widerstands-
änderung ..................................... 242
11.2.7.3 Flammenfotometrische Teilchenzähler ............ 243
11.2.8 Vergleich der Ergebnisse verschiedener Analysenmethoden ... 244
11.3 Der elektrische Staubwiderstand 247
Literaturverzeichnis ................................................. 249
Nachweis von Firmen, Produktnamen oder Institutionen, die im Text genannt
sind ................................................................ 270
Sachverzeichnis ..................................................... 273
Verzeichnis der wichtigsten Formelzeichen
Es werden die Einheiten des internationalen Einheitensystems verwendet. Um
geläufige Zahlenwerte zu erhalten, werden oft dezimale Teile oder Vielfache der
Einheiten gewählt. Bei einigen elektrischen Einheiten sind für Zwecke der Um
rechnung auch die des OGS-Systems angegeben. Das Normkubikmeter, bezogen
auf 0 00 und 760 Torr, wird mit m~ bezeichnet. Der in einigen Gleichungen vor
kommende Wert 100 ist als 100% zu verstehen.
A Konstante, Asymmetriegrad
AR Rückstrom (%)
AT Austausch der Staubteilchen bei turbulenter Strömung (kgjsm)
A, Impulsaustausch bei turbulenter Strömung (kgjsm)
a Beschleunigung (mjs2)
a Beschleunigung in radialer Richtung (mjs2)
r
B Teilchenbeweglichkeit (m/Ns), Breite (m)
Cu Korrekturfaktor nach OUNNINGHAM
C Teilchenkonzentration in einer Flüssigkeit (kgjm3)
cpot Konstante (m2js)
Cw Widerstandsbeiwert
D Durchgangssumme (Massen-%)
DM Diffusionskoeffizient bei molekularer Diffusion (m2js)
DT Diffusionskoeffizient bei turbulenter Diffusion (m2js)
LI D Menge einer Kornklasse (Massen-%)
d Korngröße, Teilchengröße (fLm)
d' Körnungsparameter nach DIN 4190 (fLm)
dF Durchmesser eines Kreises, der die gleiche Fläche wie die Projektion des
Teilchens hat (fLm)
dFer Feretsche Korngröße (fLm)
d Durchmesser von Kapillaren (m)
K
d Martinsche Korngröße (fLm)
M
d Größe eines Tropfens (fLm)
Tr
da mittlere Korngröße einer Kornklasse (fLm), Außendurchmesser (m)
d, Durchmesser von Fasern (m)
d häufigste Korngröße (fLm)
h
d arithmetisch gewogene mittlere Korngröße (fLm)
m
d größte Korngröße (fLm)
max
dmin kleinste Korngröße (fLm)
dt Trennkorngröße (fLm)
d die R = 15,9% zugeordnete Korngröße (fLm)
1
d die R = 84,1 % zugeordnete Korngröße (fLm)
2
LI d Breite einer Kornklasse (m)
E Feldstärke (Vjm), (cm-'/'·g'/'·s-1)
e Elementarladung (0) = 1,602.10-190
F Kraft (N)
FA Auftrieb (N)