Fortschrittliche Rauchgasreinigung: Technologien und Systeme für sauberere Luft

Rauchgasreinigungstechnologien und -systeme

Umweltverschmutzung ist derzeit eines der größten Probleme weltweit. Aus einer Reihe globaler Umweltprobleme haben immer mehr Menschen erkannt, dass Umwelt und Ressourcen die Grundvoraussetzungen für das Überleben und die Entwicklung der Menschheit sind. Rauchgase, die als Produkt der meisten technologischen Prozesse anfallen, sind mit einer Vielzahl fester Partikel verunreinigt. Um die Gase weiterzuverwenden (sofern sie einen ausreichenden Heizwert haben) oder sie in die Atmosphäre abzugeben, ist eine Gasreinigung erforderlich. Allerdings kosten atmosphärische Emissionskontrollen Geld, meist ohne finanzielle Rendite für den betreibenden Betrieb.

In den letzten Jahren hat es einen vollständigen Wandel in Einstellungen, Bildung, Verantwortung und Vorschriften im Bereich der Emissionskontrolle in verschiedenen Ländern gegeben. Die Emissionskontrollvorschriften werden mit der Zeit strenger, um künftige Generationen vor den schädlichen Auswirkungen der Luftverschmutzung zu schützen. Heute ändern viele Organisationen schnell ihre Einstellung zur Luftverschmutzung und engagieren sich proaktiv in Umweltschutzaktivitäten. Organisationen möchten nun vom öffentlichen als verantwortungsvolle Unternehmen wahrgenommen werden, die „saubere“ Produkte herstellen. Dies ist teilweise marktgetrieben, da Märkte zunehmend „saubere“ Produkte fordern. Kunden sind heute besser informiert, sowohl in ihrer Verantwortung für die Umwelt als auch in den Vorteilen einer sauberen Umwelt.

Zweck einer Rauchgasreinigungsanlage ist die Reduzierung atmosphärischer Emissionen von umwelt- und gesundheitsschädlichen Stoffen. Dazu gehören z. B. Schwermetalle, Dioxine und Stoffe, die Versauerung und Eutrophierung verursachen. Da einige Stoffe in Rauchgasen giftig und krebserregend sind, ist es wichtig, ihre Emissionen zu reduzieren. Die Versauerung von Wäldern und Seen wurde durch die Entfernung von Schwefel- und Stickoxiden aus dem Rauchgas erheblich verringert.

Die technologischen Prozesse in metallurgischen, chemischen und thermischen Kraftwerken erzeugen Abgase, die normalerweise staubbeladen und hochtemperiert sind. Zusammensetzung und Menge dieser Gase hängen von der Art der technologischen Prozesse und den Rohstoffen ab. Emissionen von Abgasen sind tatsächlich ein Ergebnis der verwendeten Rohstoffe sowie der Prozesse und Reaktionen, die in diesen Anlagen stattfinden. Rauchgase können Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Schwefeloxide (SO2 und SO3) und Stickoxide (NOx), Wasserstoff, Schwefelwasserstoff (H2S), Fluor (als HF), Chlor (als HCl), Arsen, Quecksilber, flüchtige organische Verbindungen (VOC), Wasserdampf und Staub enthalten. Wasserdampf ist harmlos, trägt aber zu einer sichtbaren Fahne am Schornsteinausgang bei.

Notwendigkeit der Emissionskontrolle

Es gibt mehrere technologische Prozesse, die bei hohen Temperaturen ablaufen. Zudem handhaben viele dieser Prozesse Rohstoffe, von denen einige in Form von Feinstäuben vorliegen. Daher neigen all diese Prozesse dazu, Schadstoffgase und Partikel in die Atmosphäre abzugeben. Dies beeinträchtigt die Luftqualität rund um das Werk. Zum Schutz und zur Verbesserung der Luftqualität werden verschiedene Schadstoffkontrollgeräte zur Emissionsreduzierung eingesetzt. Früher wurden Verschmutzungskontrollgeräte nur für Prozesse eingesetzt, bei denen die Schadstoffmengen sehr hoch oder toxisch waren. Diese Geräte wurden auch dort eingesetzt, wo sie einen Rückgewinnungswert hatten. Doch im aktuellen Szenario, mit immer strengeren Umweltvorschriften und wachsenden gesellschaftlichen Umweltbedenken, ist es notwendig geworden, die Emissionen aller technologischen Prozesse zu prüfen und in allen Bereichen Geräte zu installieren, um die Emissionen auf ein minimal mögliches Niveau zu reduzieren.

Es gibt mindestens fünf Hauptgruppen atmosphärischer Verschmutzungsquellen, die normalerweise technologischen Prozessen zugeschrieben werden, jede mit spezifischen Best-Practice-Technologien zur Minderung. Diese Gruppen bilden keine umfassende Liste, da bei hohen Konzentrationen saurer Gase alternative Rauchgasreinigungstechnologien wie Schwefelsäureanlagen implementiert werden müssen. Diese fünf Hauptgruppen für Gasreinigungstechnologien beziehen sich auf: (i) Staub- und Partikelemissionen, (ii) saure Gase wie SO2/HCl und HF, (iii) NOx-Minderung, (iv) Säurenebel und andere Aerosole, und (v) Quecksilber, Dioxine/Furane und VOCs. Bei Säuregasfixierungstechnologien bleibt die Produktentsorgung stets eine Herausforderung. In den meisten Anwendungen werden Abfallprodukte einfach mit den damit verbundenen Betriebskosten deponiert. Die Emissionskontrollgeräte für diese fünf Gruppen von Gasreinigungstechnologien sind grundsätzlich von zwei Typen: (i) Staub- und Partikelemissionskontrollgeräte und (ii) gasförmige Emissionskontrollgeräte. Dieser Artikel konzentriert sich auf Staub- und Partikelemissionskontrollsysteme.

Das Problem der Hochtemperatur-Gasreinigung ist vielleicht das rätselhafteste für die Industrie. Es ist schwierig, da es normalerweise mit extrem feinen Partikeln verbunden ist, die in Gasen bei Temperaturen von 700 °C bis 1.500 °C dispergiert sind. In einigen Fällen können sogar noch höhere Temperaturen involviert sein. Aufgrund des feinen Aerosols und der hohen Temperaturen lösen die üblichen Ansätze das Problem normalerweise nicht. Daher war der Fortschritt in diesem Bereich nicht so schnell. Grundlegende Probleme der Hochtemperatur-Gasreinigung sind ökonomischer Natur und grundlegende Anforderungen an die Reinigung.

In einigen Fällen ist die Reinigung der Abgase notwendig, da sie einen Stoff von erheblichem Wert darstellen oder, wenn das Partikelmaterial entfernt wird, ein Gas verbleibt, das brennbar ist und in Form von Wärme oder Energie zurückgewonnen und im Prozess genutzt werden kann. In anderen Fällen ist der wirtschaftliche Wert des Abstroms – ob partikulär, gasförmig oder die übliche Kombination – so gering, dass die Entsorgungskosten ein erhebliches Problem darstellen. In diesen Fällen ist die Reinigung oder Entfernung, die zur Verhinderung von Luftverschmutzung notwendig ist, eine Maßnahme, für die es nur einen immateriellen Ertrag gibt.

In der zweiten Kategorie besteht der Wunsch der Industrie darin, Reinigung zu minimalen Kosten zu erreichen, ohne die Produktionskosten zu erhöhen. Die Kosten der Verhinderung von Gemeinschaftsluftverschmutzung und möglicher Sach- oder Personenschäden sind normalerweise ohne greifbare Rückgewinnung außer guten öffentlichen Beziehungen.

Die effektive Reinigung dieser Gase stellt aufgrund der Vielfalt der Verunreinigungen ernste technische Probleme dar. Hochwirksame Gasreinigungssysteme sind für den zuverlässigen Betrieb und die lange Kampagnenlebensdauer von Hochtemperatur-Metallurgie- und Thermalkraftwerken unerlässlich und ermöglichen es den Betreibern, die relevanten Verschmutzungskontrollstandards einzuhalten. Die Auswahl der Gaskühl- und Reinigungsanlagen ist entscheidend hinsichtlich technischer Machbarkeit, wirtschaftlicher Akzeptabilität und Umweltverträglichkeit. Zudem müssen Gasreinigungssysteme auf höchstem Niveau an Reinigungseffizienz, Sicherheit und Zuverlässigkeit ausgelegt sein, während sie den bestmöglichen Umweltschutz bieten.

Wichtige Kriterien für die Auslegung einer Gasreinigungsanlage

Wichtige Kriterien für die Auslegung einer Gasreinigungsanlage sind: (i) Gasvolumen in Nm³/h, (ii) chemische Zusammensetzung der Gase, (iii) Feuchtegehalt der Gase, (iv) Temperatur der Gase, (v) Staubgehalt der Gase in kg/h, (vi) Eigenschaften des Staubs, wie korrosiv, abrasiv etc., (vii) Partikelgrößenbereich des Staubs, (viii) Emissionsstandards, (ix) Explosionscharakteristik des Gases, (x) hygienisches Design, (xi) Online- oder Offline-Systeme, und (xii) Werkstoffe.

Es gibt drei wesentliche Überlegungen bei der Auslegung des Gasreinigungssystems. Erstens muss die Haube so ausgelegt sein, dass sie den emittierten Staub und die Gase erfasst und einen rauchgefüllten Arbeitsbereich verhindert. Zweitens muss der von der Haube erfasste Staub und das Gas vor der Freisetzung in die Atmosphäre gereinigt werden. Drittens muss der gesammelte Staub so entsorgt werden, dass er nicht wieder in die Luft oder einen Strom gelangt und erneut zu einem Verschmutzungsproblem wird.

Die aus metallurgischen Öfen kommenden Rauchgase haben häufig hohe Temperaturen (700 °C bis 1.500 °C oder sogar höher) und hohen Staubgehalt. Daher müssen diese Gase vor der Behandlung in der Gasreinigungsanlage auf eine Temperatur unter 400 °C abgekühlt werden. Mehrere Gaskühlmethoden werden in der Praxis angewendet: (i) Abhitzekessel, (ii) indirekte Kühlung mit Luft, (iii) indirekte Kühlung mit Wasser, und (iv) verdunstungskühlung mit Wasser.

Abhitzekessel werden hauptsächlich zur Kühlung der Rauchgase aus jenen technologischen Prozessen eingesetzt, die Rauchgase mit kontinuierlichen Gasdurchflussraten produzieren. Dies ermöglicht die Anwendung der Gaskühlung mittels Abhitzekessel mit guten Betriebsergebnissen.

Das System zur Gaskühlung durch indirekte Kühlung mit Luft wird in der Praxis relativ selten eingesetzt, wegen mehrerer Nachteile wie: (i) Kühlluft hat eine niedrigere Temperatur als der Taupunkt des Prozessgases, und Säure kondensiert an den Kühlerwänden, was Korrosion der Ausrüstung verursacht, (ii) Risiko von Anbackungen und Verstopfungen durch klebrigen Staub, (iii) die Verweilzeit des Gases bei hoher Temperatur (über 550 °C) ist lang, was die Bildung zusätzlichen SO3 bewirkt und den Taupunkt des Gases erhöht, und (iv) bei schwankendem Gasdurchfluss ist es schwierig, die Gasauslasstemperatur zu kontrollieren.

Das System zur Gaskühlung durch indirekte Kühlung mit Wasser wird häufig verwendet. In diesem Fall hat der Rauchgasgang Wasserrohre um seinen Umfang, durch die das Kühlwasser fließt. Die Dimensionierung der Rohre und die Wasserparameter (Druck und Durchfluss) müssen so gewählt sein, dass die Temperatur des erwärmten Wassers immer unterhalb der Verdampfungsebene bleibt. Zwar vermeidet das System Dampf und die damit verbundenen regulatorischen Fragen der Dampfbehandlung, der Nachteil betrifft jedoch die sperrigere Ausrüstung und die Handhabung größerer Kühlwassermengen.

Verdunstungskühlung mit Wasser ist eine geeignete technische Alternative zur indirekten Luftkühlung oder Abhitzekesseln für die Kühlung von Gasen mit schwankendem Gasdurchfluss. Moderne Verdunstungskühler verwenden eine spezielle Art von Sprühdüsen, sogenannte Zwei-Komponenten-Düsen (Wasser und Druckluft), die einen flexiblen Betrieb und eine empfindliche Steuerung der Gastemperatur am Kühlerausgang ermöglichen. Dieses Merkmal ist sehr wichtig, um einen übermäßigen Temperaturabfall zu vermeiden, der eine Kondensation von Säurenebel und infolgedessen Benetzung des Staubs und Bildung von Nassstaubablagerungen in den nachgeschalteten Heißgasabscheidern sowie Korrosion verursachen kann. Die Vorteile von Verdunstungskühlern sind: (i) Verdunstungskühlung reduziert die Bildung zusätzlichen SO3 im Gas aufgrund der kurzen Verweilzeit des Gases vor dem Verdunstungskühler bei hoher Temperatur (über 550 °C) in Gegenwart von partikulären Metallverbindungen, die als Katalysatoren wirken. (ii) Nach dem Verdunstungskühler wird die Bildung von SO3 gehemmt, (iii) Konditionierung des Gases mit Wasser für bessere Leistung des Elektrostatischen Abscheiders (ESP), und (iv) keine Internen wie Leitflügel erforderlich.

Arten von Gasreinigungsgeräten

Es gibt heute etwa 40 verschiedene Arten von Gasreinigungsgeräten, die basierend auf gemeinsamen Merkmalen in fünf Haupttypen gruppiert werden können: (i) Nebelabscheider, (ii) Staubabscheider (manchmal auch Staubfänger genannt) und Zyklone, (iii) Nassabscheider, (iv) Filter, und (v) ESPs. Darüber hinaus können Gasreinigungssysteme auf Technologien für trockene Staubabscheidung oder Technologien für nasse Staubabscheidung basieren. Bei Trockenstaubabscheidungstechnologien kann eine Gaskonditionierung mit Wasser basierend auf den Anforderungen des technologischen Prozesses erforderlich sein. Die Gaskonditionierung erfolgt durch Einspritzen von Wasser zusammen mit Stickstoff in einen Konditionierungsturm, um einen Wassernebel mit Tropfen von etwa 150 Mikrometern Durchmesser zu erzeugen. Die Verweilzeit des Gases im Turm wird so gesteuert, dass alle Tropfen am Ausgang des Konditionierungsturms vollständig verdampft sind.

Partikelabscheidegeräte arbeiten grundsätzlich nach dem Prinzip, dass ein partikelhaltiger Gasstrom durch einen Bereich geleitet wird, in dem die Partikel durch äußere Kräfte beeinflusst werden oder dazu gebracht werden, Hindernisse abzufangen, wodurch sie vom Gasstrom getrennt werden. Bei Einwirkung äußerer Kräfte erwerben die Partilien eine Geschwindigkeitskomponente in einer anderen Richtung als die des Gasstroms. Um ein Abscheidegerät basierend auf Partikelabscheidung durch äußere Kräfte zu entwerfen, ist es wesentlich, die Bewegung eines Partikels unter solchen Bedingungen zu berechnen.

Eine vorläufige Auswahl geeigneter Partikelemissionskontrollsysteme basiert normalerweise auf der Kenntnis von vier Punkten: (i) Partikelkonzentration im zu reinigenden Strom, (ii) Größenverteilung der zu entfernenden Partikel, (iii) Gasdurchflussrate, und (iv) endgültige zulässige Partikelemissionsrate. Sobald die Systeme ausgewählt wurden, die bei den gegebenen Durchflussraten die erforderlichen Wirkungsgrade liefern können, erfolgt die endgültige Auswahl normalerweise auf Basis der Gesamtkosten von Bau und Betrieb. Die Größe eines Abscheiders und damit seine Kosten sind direkt proportional zum volumetrischen Durchfluss des zu reinigenden Gases. Die Betriebsfaktoren, die die Kosten eines Geräts beeinflussen, sind der Druckverlust durch das Gerät, die benötigte Leistung und die benötigte Wassermenge (bei Nasswäschesystemen). Geräte, die Partikel aus Gasströmen entfernen, beruhen auf einem oder mehreren der folgenden physikalischen Mechanismen.

Sedimentation

Der partikelhaltige Gasstrom wird in einen Apparat oder eine Kammer eingeführt, in der die Partikel unter Schwerkraft zum Boden der Kammer absinken. Geräte dieser Art werden als Absetzkammern bezeichnet.

Migration geladener Teilchen in einem elektrischen Feld

Der partikelhaltige Gasstrom wird in einen Apparat eingeführt, in dem die Partikel geladen und dann einem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Die resultierende elektrostatische Kraft auf die Partikel bewirkt, dass sie zu einer der Oberflächen des Geräts migrieren, wo sie gehalten und gesammelt werden. Geräte dieser Art werden als ESP bezeichnet.

Trägheitsabscheidung

Wenn ein Gasstrom seine Richtung ändert, während er um ein Objekt in seinem Pfad strömt, neigen schwebende Partikel aufgrund ihrer Trägheit dazu, sich in der ursprünglichen Richtung zu bewegen. Partikelabscheidegeräte, die auf diesem Prinzip beruhen, umfassen Zyklone, Wäscher und Filter.

Brownsche Diffusion

In einem Gas schwebende Partikel befinden sich immer in Brownscher Bewegung. Brownsche Bewegung ist die zufällige Bewegung von in einem Medium schwebenden Partikeln. Dieses Bewegungsmuster besteht typischerweise aus zufälligen Schwankungen der Position eines Partikels innerhalb einer Fluiddomäne, gefolgt von einer Verlagerung in eine andere Subdomäne. Wenn der Gasstrom um Hindernisse strömt, bringt die natürliche zufällige Bewegung der Partikel sie in Kontakt mit den Hindernissen, wo sie haften und gesammelt werden. Da die Brownsche Bewegung bei kleineren Partikeln stärker ausgeprägt ist, wird erwartet, dass Geräte, die auf Diffusion als Abscheideprinzip basieren, für kleine Partikel am effektivsten sind.

Der Schlüsselparameter, der die Wahl des in einem bestimmten Fall einzusetzenden Geräts beeinflusst, ist der Partikeldurchmesser „Dp“. Die oben genannten physikalischen Mechanismen variieren stark in ihrer Effektivität je nach Partikelgröße. Somit ist die Effektivität von Partikelabscheidegeräten eine Funktion der Partikelgröße.

Der Abscheidegrad „N(Dp)“ eines Gasreinigungsgeräts für Partikel mit Durchmesser „Dp“ wird durch die Gleichung N(Dp) = 1 - (Anzahl der Partikel mit Durchmesser Dp pro m³ Gas aus) / (Anzahl der Partikel mit Durchmesser Dp pro m³ Gas ein) definiert. Der Gesamtausscheidegrad „N“ des Geräts basierend auf der Partikelanzahl wird durch die Gleichung N = 1 - (Anzahl der Partikel pro m³ Gas aus) / (Anzahl der Partikel pro m³ Gas ein) gegeben. Diese Wirkungsgrade können in Form der Partikelgrößenverteilungsfunktionen an der Ein- und Auslassseite des Geräts ausgedrückt werden.

Es gibt mehrere verschiedene Klassen von Partikelkontrollgeräten. Das einfachste Partikelkontrollgerät ist eine Absetzkammer, eine große Kammer, in der die Gasgeschwindigkeit verlangsamt wird, sodass die Partikel durch Schwerkraft absinken können. Ein Zyklon arbeitet, indem er den gesamten Gasstrom in einem Spiralmuster im Inneren eines konischen Rohrs strömen lässt. Aufgrund der Zentrifugalkraft wandern Partikel nach außen und sammeln sich an der Rohrwand. Die Partikel gleiten die Wand hinab und fallen auf den Boden, wo sie entfernt werden. Das saubere Gas kehrt normalerweise seine Strömungsrichtung um und verlässt den Zyklon an der Spitze.

Der ESP nutzt die elektrostatische Kraft auf geladene Teilchen in einem elektrischen Feld, um Partikel vom Gasstrom zu trennen. Ein hoher Spannungsabfall wird zwischen zwei Elektroden erzeugt, und Partikel, die durch das resultierende elektrische Feld hindurchtreten, laden sich auf. Die geladenen Teilchen migrieren zu einer entgegengesetzt geladenen Platte und werden dort gesammelt, während das saubere Gas durch das Gerät strömt. Periodisch werden die Platten durch Klopfen gereinigt, um die angesammelte Staubschicht abzuschütteln.

Verschiedene Filter arbeiten nach dem Prinzip, dass der partikelbeladene Gasstrom durch eine Ansammlung von Sammellementen wie Fasern oder Filtermatten gezwungen wird. Während das Gas die Ansammlung durchströmt, reichern sich Partikel auf den Sammlern an.

Nasse Abscheidegeräte, sogenannte Wäscher, arbeiten auf Basis der Kollision von Partikeln mit Wassertropfen, die aufgrund ihrer Größe leicht vom Gas getrennt werden können.

Mechanische Abscheider wie Absetzkammern oder Zyklone sind typischerweise viel günstiger als die anderen, aber normalerweise nur mäßig effizient in der Partikelentfernung. Da sie für große Partikel viel besser funktionieren als für kleine, werden sie häufig als Vorreiniger für effizientere Endkontrollgeräte eingesetzt, besonders bei hohen Partikelfrachten. ESPs können große volumetrische Gasdurchflussraten bei relativ niedrigen Druckverlusten mit sehr hohen Abscheidewirkungen behandeln. Allerdings sind ESPs teuer und relativ unflexibel gegenüber Änderungen der Prozessbetriebsbedingungen. Gewebefilter (Schlauchfilter) neigen zu sehr hohen Wirkungsgraden, sind aber teuer und normalerweise auf trockene, niedrigtemperierte Bedingungen beschränkt. Wäschen kann ebenfalls hohe Wirkungsgrade erreichen und bietet den zusätzlichen Vorteil, dass gasförmige Schadstoffe gleichzeitig mit Partikeln entfernt werden können. Allerdings können Wäscher teuer im Betrieb sein, aufgrund ihres hohen Druckverlusts und der Tatsache, dass sie einen nassen Schlamm produzieren, der behandelt oder entsorgt werden muss.

Absetzkammern

Gravitationsabsetzen ist vielleicht das offensichtlichste Mittel, um Partikel aus einem fließenden Gasstrom zu trennen. Eine Absetzkammer ist einfach eine horizontale Kammer, durch die der partikelbeladene Gasstrom strömt und in der die Staubteilchen auf dem Boden absinken. Im Prinzip ist es einfach ein großer Kasten, durch den der Abgasstrom strömt und in dem Partikel im Strom durch Schwerkraft zu Boden sinken. Die Gasgeschwindigkeiten durch die Absetzkammer müssen niedrig genug gehalten werden, damit absinkende Partikel nicht wieder mitgerissen werden. Die Gasgeschwindigkeit wird normalerweise durch Erweiterung der Leitung in eine ausreichend große Kammer reduziert, sodass hinreichend niedrige Geschwindigkeiten resultieren. Obwohl Absetzkammern prinzipiell auch zur Entfernung kleinster Partikel eingesetzt werden können, beschränken praktische Limitierungen der Kammernlänge ihre Anwendbarkeit auf die Entfernung von Partikeln größer als etwa 50 Mikrometer. Daher werden Absetzkammern normalerweise als Vorreiniger eingesetzt, um große und möglicherweise abrasive Partikel zu entfernen, bevor der Gasstrom durch andere Abscheidegeräte geleitet wird.

Absetzkammern bieten die Vorteile: (i) einfache Konstruktion und niedrige Kosten, (ii) geringe Druckverluste, und (iii) Partikeleinsammelung ohne Wasserbedarf. Der Hauptnachteil ist der große Platzbedarf. Tatsächlich kann die Kammer eine Reihe relativ eng beieinander liegender horizontaler Platten enthalten, sodass die Strecke, die ein Partikel zum Absinken zurücklegen muss, erheblich kleiner ist als die Gesamthöhe des Geräts. Abb. 1 zeigt ein einfaches Design einer Schwerkraft-Absetzkammer.

Abb. 1 Einfaches Design einer Schwerkraft-Absetzkammer

Bei der Analyse der Leistung einer Absetzkammer ist das Schlüsselmerkmal die Art des Gasstroms durch das Gerät. In dieser Hinsicht können drei grundlegende ideale Strömungssituationen unterschieden werden: (i) laminare Strömung, (ii) Pfropfenströmung (Geschwindigkeit gleichmäßig über den Querschnitt) ohne vertikale Partikelvermischung, und (iii) Pfropfenströmung mit vollständiger vertikaler Partikelvermischung.

Laminare Strömung wird durch ein parabolisches Geschwindigkeitsprofil charakterisiert. Eine solche Strömung wird nur für Reynoldszahlen unterhalb des Übergangs zur turbulenten Strömung realisiert. In einer laminaren Strömung beträgt die Zeit, die ein Partikel in Höhe „h“ über dem Kammerboden zum Absinken benötigt, „h/V“, wobei V die Absinkgeschwindigkeit des Partikels ist. Vertikale Partikelvermischung fehlt in laminarer Strömung. Der Effekt der Brownschen Bewegung wird normalerweise im Vergleich zur stetigen Abwärtsbewegung durch Absinken vernachlässigt.

In der laminaren Strömungs-Absetzkammer ist das Gasgeschwindigkeitsprofil parabolisch, und während ein Partikel unter der Mittellinie absinkt, trifft es auf langsamer strömendes Fluid, sodass seine Verweilzeit in der Kammer über der auf der höheren Stromlinie liegt. Andererseits treffen Partikel, die ursprünglich über der Mittellinie starten, beim Absinken auf schneller strömende Stromlinien, bis sie die Mittellinie passieren.

Die zweite Strömungskategorie ist die Pfropfenströmung ohne vertikale Partikelvermischung. Diese Strömungsart ist in gewisser Weise eine Approximation der laminaren Strömung, da vertikale Partikelvermischung weiterhin ignoriert wird, aber ein flaches Geschwindigkeitsprofil angenommen wird und alle Partikel mit ihrer Absinkgeschwindigkeit absinken. In dieser Situation wird angenommen, dass die Partikel gleichmäßig über den Kammereingang verteilt sind. Ob ein Partikel gesammelt wird, wird ausschließlich durch die Höhe „h“ an seinem Eintritt über der Sammelfläche bestimmt. Eine kritische Höhe „h*“ kann definiert werden, sodass alle Partikel, die mit „h“ kleiner oder gleich „h*“ eintreten, gesammelt werden und jene, für die „h“ größer als „h*“ ist, der Sammlung entgehen.

Die dritte Kategorie, Pfropfenströmung mit vollständiger vertikaler Vermischung, ist die turbulente Strömung. In einer turbulenten Strömungs-Absetzkammer wird angenommen, dass die Gasgeschwindigkeit aufgrund der turbulenten Vermischung gleichmäßig über die Kammer verteilt ist. Zudem überwältigt die turbulente Vermischung im Kern der Kammer die Tendenz der Partikel zum Absinken und hält eine gleichmäßige Partikelkonzentration vertikal über die Kammerhöhe aufrecht. Entfernung durch Absinken kann in einer dünnen Schicht am Boden der Kammer angenommen werden.

Die Strömung in einem rechteckigen Kanal kann als turbulent angenommen werden, wenn die Reynoldszahl größer als 4.000 ist. In der laminaren Strömungs-Absetzkammer sinken Partikel in allen Höhen über dem Kammerboden ab, der Schlüssel zur Analyse liegt in der Berechnung der Gesamtverweilzeit der Partikel beim Überqueren der Stromlinien. Der Sammelmechanismus in einer turbulenten Strömungs-Absetzkammer ist, obwohl letztendlich auf dem Absinken von Partikeln unter Schwerkraft basierend, eher anders als in der laminaren Strömungskammer. Der Unterschied ist auf die turbulente Strömung in der Kammer zurückzuführen. Im Kernstrom der Kammer ist die turbulente Vermischung stark genug, dass Partikel vom Strom überwältigt werden und nicht absinken. Es wird angenommen, dass die turbulente Vermischung eine gleichmäßige Partikelkonzentration über die Kammerhöhe aufrechterhält. Sehr nah am Kammerboden kann eine dünne Schicht angenommen werden, über die Partikel die kurze Strecke zum Boden absinken. Sobald ein Partikel, das im Kernstrom kräftig vermischt wird, in diese Schicht gelangt, sinkt es zum Boden ab.

Zyklonabscheider

Zyklonabscheider sind Gasreinigungsgeräte, die die durch einen rotierenden Gasstrom erzeugte Zentrifugalkraft nutzen, um Partikel von einem Gas zu trennen. Ein standardmäßiger tangentialer Einlass-Vertikal-Umkehrstrom-Zyklonabscheider ist in Abb. 2 dargestellt. Der Gasstrom wird gezwungen, der gekrümmten Geometrie des Zyklons zu folgen, während die Trägheit der Partikel im Strom sie zur äußeren Wand bewegt, wo sie kollidieren und gesammelt werden. Ein Partikel der Masse „m“, das sich auf einem Kreisbogen mit Radius „r“ und tangentialer Geschwindigkeit „vA“ bewegt, wird von einer Zentrifugalkraft von „m(vA)²/r“ beeinflusst. Bei einem typischen Wert von „vA“ = 10 m/s, „r“ = 0,5 m ist diese Kraft 20,4-mal so groß wie die Schwerkraft auf dasselbe Partikel. Somit lässt sich sehen, dass eine im Vergleich zum reinen Absinken wesentlich verstärkte Kraft auf das Partikel für Zyklongeometrie erreicht werden kann.

In einem Zyklon bewegen sich die Partikel im rotierenden Gasstrom progressiv näher zur äußeren Wand, während sie durch das Gerät strömen. Wie in Abb. 2 gezeigt, kann der Gasstrom mehrere vollständige Umdrehungen ausführen, während er von einem Ende des Geräts zum anderen strömt. Für die Auslegung eines Zyklonabscheiders sind bei gegebener Gasdurchflussrate und inneren und äußeren Radien die Länge des Zyklonkörpers so zu bemessen, dass ein gewünschter Abscheidegrad für Partikel einer gegebenen Größe erreicht wird. Da die Länge des Zyklonkörpers über die Gasdurchflussrate mit der Anzahl der vom Gasstrom ausgeführten Umdrehungen verknüpft ist, besteht die Auslegung häufig darin, die Anzahl der benötigten Umdrehungen zur Erreichung der spezifizierten Abscheideffizienz zu berechnen.

Es gibt eine Vielzahl von Ausführungen für Zyklonabscheider, die sich in der Art unterscheiden, wie die Drehbewegung dem Gasstrom verliehen wird. Konventionelle Zyklone können in drei Kategorien unterteilt werden: (i) Umkehrstromzyklone (tangentialer Einlass und axialer Einlass), (ii) Durchstromzyklone, und (iii) Impellerabscheider.

Abb. 2 zeigt einen konventionellen Umkehrstromzyklon mit tangentialem Einlass. Das schmutzige Gas tritt oben in den Zyklon ein und erhält durch seinen tangentialen Eintritt eine Drehbewegung. Partikel werden durch Zentrifugalkraft zur Wand gedrückt und fallen dann aufgrund der Schwerkraft an der Wand hinab. Am Boden des Zyklons kehrt der Gasstrom um, um einen inneren Kern zu bilden, der oben aus dem Zyklon austritt. Bei einem Umkehrstrom-Axialeinlasszyklon wird das Zulaufgas in die Achse des Zyklons eingeführt, wobei die Zentrifugalbewegung durch feststehende Leitschaufeln am oberen Ende verliehen wird.

Abb. 2 Tangentialer Einlass-Vertikal-Umkehrstromzyklon

Bei Durchstromzyklone verlässt der innere Luftwirbel am Boden (statt die Richtung umzukehren), wobei die initiale Zentrifugalbewegung durch Leitschaufeln am oberen Ende verliehen wird. Dieser Typ wird häufig als Vorreiniger zur Entfernung großer Partikel eingesetzt. Die Hauptvorteile dieses Zyklons sind niedriger Druckverlust und hohe volumetrische Durchflussraten.

Beim Impellerabscheider treten Gase normal zu einem vielschaufeligen Impeller ein und werden von diesem um seinen Umfang gefegt, während die Partikel in einen ringförmigen Schlitz am Umfang des Zyklons geworfen werden. Der Hauptvorteil dieses Zyklons ist seine Kompaktheit. Der Hauptnachteil ist die Neigung zum Verstopfen durch Feststoffaufbau im Zyklon.

Zyklone können aus jedem Material, Metall oder Keramik, konstruiert werden. Sie sind in der Lage, hohen Temperaturen, abrasiven Partikeln oder korrosiven Atmosphären standzuhalten. Es ist notwendig, dass die Innenoberfläche glatt ist, damit die gesammelten Partikel leicht an der Wand zum Trichter hinabgleiten können. Es gibt keine beweglichen Teile in einem Zyklon, daher ist der Betrieb normalerweise einfach und relativ wartungsfrei. Ihre niedrigen Investitionskosten und wartungsfreier Betrieb machen sie ideal für den Einsatz als Vorreiniger für effizientere Endkontrollgeräte wie ESPs. Obwohl Zyklone traditionell als relativ niedrig-effiziente Abscheider galten, können einige derzeit verfügbare Zyklone Wirkungsgrade von über 98 % für Partikel größer als 5 Mikrometer erreichen. Normalerweise erreichen Zyklone routinemäßig Wirkungsgrade von 90 % für Partikel größer als 15 bis 20 Mikrometer.

Abb. 3 zeigt ein Partikel, das tangential auf eine horizontale Ebene eines rotierenden Gasstroms bei r3 eintritt. Aufgrund einer Zentrifugalkraft von „m(vA)²/r“ folgt das Partikel einem nach außen führenden Pfad quer zu den Stromlinien. Sein Geschwindigkeitsvektor hat eine tangentiale Komponente (vA) und eine radiale Komponente (Vr). Es gibt auch eine axiale Komponente (vZ).

Der sogenannte laminare Strömungszyklonabscheider hat keine laminare Strömung im Sinne der laminaren Strömungs-Absetzkammer, sondern eine reibungsfreie Strömung, in der die Stromlinien den Konturen des Zyklons folgen, wie in Abb. 3 dargestellt.

Abb. 3 Laminare und turbulente Strömungszyklone

Das Modell des turbulenten Strömungszyklonabscheiders ist in Abb. 3 dargestellt. Aufgrund turbulenter Vermischung wird angenommen, dass die Partikelkonzentration gleichmäßig über den Zyklon verteilt ist, und wie im Fall der turbulenten Strömungs-Absetzkammer erfolgt die Abscheidung über eine dünne Schicht an der äußeren Wand.

Die Zyklonabscheideeffizienz steigt mit zunehmender (i) Partikelgröße, (ii) Partikeldichte, (iii) Einlassgasgeschwindigkeit, (iv) Zyklonkörperlänge, (v) Anzahl der Gasumdrehungen, und (vi) Glätte der Zyklonwand. Andererseits sinkt die Zykloneffizienz mit zunehmender (i) Zyklondurchmesser, (ii) Gasauslasskanaldurchmesser, und (iii) Gaseinlassfläche. Für jeden spezifischen Zyklon, dessen Dimensionsverhältnis festgelegt ist, steigt die Abscheideeffizienz, wenn der Zyklondurchmesser verringert wird. Die zur Spezifikation eines tangentialen Einlass-Umkehrstromzyklons erforderlichen Dimensionen sind in Abb. 4 dargestellt.

Neben der Abscheideeffizienz ist der Druckverlust die andere wesentliche Überlegung bei der Zyklonspezifikation. Während höhere Wirkungsgrade durch schnelleres Durchströmen des Gases durch den Zyklon erreicht werden, führt dies zu einem erhöhten Druckverlust. Da erhöhter Druckverlust erhöhten Energieeintrag in das Gas erfordert, gibt es letztlich einen wirtschaftlichen Trade-off zwischen Abscheideeffizienz und Betriebskosten. Zyklondruckverluste liegen normalerweise zwischen 250 Pa und 4.000 Pa.

Elektrostatischer Abscheider (ESP)

Der ESP ist eines der am häufigsten verwendeten Partikelkontrollgeräte. Er deckt breite Größenbereiche ab. Die ESP-Kammer besteht aus zwei Elektroden: der Entladungs- und der Sammelelektrode. Zwischen den Elektroden enthält das Gas freie Elektronen, Ionen und geladene Partikel. Die zur Raumladungsdichte beitragenden Spezies sind Ionen, Elektronen und geladene Partikel. Die Gasmoleküle fangen alle freien Elektronen ein, sodass nur Ionen und geladene Partikel zur Raumladungsdichte beitragen. Tatsächlich fließt Ionenstrom in Richtung des elektrischen Feldes, bestehend aus Ionen, die mit der gleichen Polarität wie die Entladungselektrode geladen sind und zur Sammelelektrode migrieren. Die Ionen migrieren mit einer Geschwindigkeit zur Sammelelektrode, die groß genug ist, um von der turbulenten Strömung in der Kammer unbeeinflusst zu bleiben.

Das Grundprinzip des ESP-Betriebs ist, dass die Partikel geladen werden und dann ein elektrisches Feld auf den Bereich angewendet wird, durch den der partikelbeladene Gasstrom strömt, wodurch eine anziehende Kraft auf die Partikel ausgeübt wird, die diese zur entgegengesetzt geladenen Elektrode im rechten Winkel zur Gasstromrichtung migrieren lässt. Der ESP unterscheidet sich von mechanischen Partikeltrennmethoden dadurch, dass die äußere Kraft direkt auf die einzelnen Partikel angewendet wird und nicht indirekt durch auf den gesamten Gasstrom angewendete Kräfte (z. B. in einem Zyklonabscheider). Partikel sammeln sich auf der Elektrode. Wenn die gesammelten Partikel flüssig sind, fließt die Flüssigkeit durch Schwerkraft an der Elektrode hinab und wird am Geräteboden entfernt. Sind die Partikel fest, wird die auf der Elektrode gesammelte Schicht periodisch durch Klopfen der Elektrode entfernt.

Die Partikelladung wird durch Erzeugung von Ionen mittels einer Korona um eine hochgeladene Elektrode wie einen Draht erreicht. Das elektrische Feld wird zwischen dieser Elektrode und der Sammelelektrode angelegt. Wenn dasselbe Elektrodenpaar für Partikelladung und -sammlung dient, wird das Gerät als einstufiger ESP bezeichnet (Abb. 4). Ein als Entladungselektrode dienender Draht ist an der Achse eines Rohrs aufgehängt und durch ein am Boden befestigtes Gewicht in Position gehalten. Die Zylinderseiten bilden die Sammelelektrode. Die gesammelten Partikel, die eine Schicht auf der Sammelelektrode bilden, werden durch Klopfen der Sammelelektrode in den Staubtrichter befördert. Bei einem zweistufigen ESP führen separate Elektrodenpaare die Lade- und Sammelfunktionen aus.

Abb. 4 Zylindrischer einstufiger elektrostatischer Abscheider

Die meisten industriell erzeugten Partikel werden während ihrer Entstehung durch Flammenionisation und Reibung geladen, aber normalerweise nur in geringem oder mittlerem Ausmaß. Diese natürlichen Ladungen sind für die elektrostatische Abscheidung viel zu gering. Die Hochspannungs-Gleichstrom-Korona ist das effektivste Mittel zur Partikelladung und wird universell für die elektrostatische Abscheidung verwendet. Die Korona wird zwischen einer aktiven Hochspannungselektrode wie einem feinen Draht und einer passiven Erdelektrode wie einer Platte oder einem Rohr gebildet. Die die Entladungselektrode umgebende Korona kann zur Bildung entweder positiver oder negativer Ionen führen, die zur Sammelelektrode migrieren. Die Ionen, die von der Entladungs- zur Sammelelektrode migrieren, kollidieren mit dem Partikelmaterial und laden die Partikel auf.

Da Gasmolekülionen um viele Größenordnungen kleiner sind als sogar die kleinsten Partikel und aufgrund ihrer großen Zahl, werden praktisch alle Partikel, die durch das Gerät strömen, geladen. Die geladenen Partikel werden dann zur Sammelelektrode transportiert, an der sie durch elektrostatische Anziehung gehalten werden. Die Partikel bauen eine sich verdickende Schicht auf der Sammelelektrode auf. Die Ladung entweicht langsam von den Partikeln zur Elektrode. Während die Schicht wächst, müssen die Ladungen der kürzlich gesammelten Partikel durch die Schicht der zuvor gesammelten Partikel geleitet werden. Der Widerstand der Staubschicht wird als Staubwiderstand bezeichnet.

Mit zunehmender Dicke der Partikelschicht verlieren die den Platten nächsten Partikel den größten Teil ihrer Ladung an die Elektrode. Dadurch schwächt sich die elektrische Anziehung zwischen Elektrode und diesen Partikeln ab. Die neu ankommenden Partikel auf der Außenschicht haben jedoch eine volle Ladung. Aufgrund der isolierenden Partikelschicht verlieren diese neuen Partikel ihre Ladung nicht sofort und halten so die gesamte Schicht an der Elektrode. Schließlich wird die Schicht durch Klopfen entfernt, sodass sie sich auflöst und in einen Sammeltrichter fällt. ESPs werden normalerweise zur Gasreinigung eingesetzt, wenn der volumetrische Gasdurchsatz hoch ist.

Der Mechanismus für die Partikelladung in einem ESP ist die Erzeugung eines Ionenangebots, das sich an den Partikeln anlagert. Die Korona ist der Mechanismus zur Ionenbildung. Die Korona kann positiv oder negativ sein. Ein Gas hat normalerweise einige freie Elektronen und eine gleich große Anzahl positiver Ionen, eine Situation, die bei der Erzeugung einer Korona ausgenutzt wird. Wenn ein Gas zwischen zwei Elektroden platziert wird, resultiert ein kleiner Strom, da die freien Elektronen zur positiven Elektrode und die positiven Ionen zur negativen Elektrode migrieren.

Bei der positiven Korona-Entladungselektrode ist der Draht im zylindrischen ESP (Abb. 4) auf positivem Potenzial. Die normalerweise im Gas vorhandenen freien Elektronen migrieren zum Draht. Wenn sich die Elektronen dem Draht nähern, steigt ihre Energie aufgrund der erhöhten Anziehungskraft. Diese freien Elektronen kollidieren mit Gasmolekülen, wobei die Kollision in einigen Fällen zur Ausstoßung eines Elektrons aus dem Molekül führt, was zwei freie Elektronen und ein positives Ion erzeugt. Die zwei freien Elektronen setzen ihren Weg zum positiven Elektroden fort, gewinnen Energie, bis sie mit zwei weiteren Gasmolekülen kollidieren, wodurch vier freie Elektronen und zwei positive Ionen entstehen. Dieser Prozess wird als Elektronenlawine bezeichnet.

Die gebildeten positiven Ionen migrieren zur negativen Elektrode. Es sind diese positiven Ionen, die über das gesamte Gerät zur negativen Elektrode migrieren und mit den Partikeln im Gas kollidieren und sich an diese anlagern. Der Bereich unmittelbar um den Draht, in dem die Elektronenlawine etabliert wird, ist die Korona. Daher werden die Partikel bei positiver Korona positiv geladen. Der Begriff „Korona“ rührt daher, dass die Elektronenlawine häufig von Lichterzeugung begleitet wird. Bei der negativen Korona wird die Entladungselektrode auf negatives Potenzial gehalten.

Die Elektronenlawine beginnt an der äußeren Oberfläche des Drahts und verläuft radial nach außen. Nahe dem Draht sind die Elektronen ausreichend energetisch, um bei Kollision mit Gasmolekülen positive Ionen zu bilden, was die Elektronenlawine einleitet. Die gebildeten positiven Ionen migrieren die kurze Strecke zum Draht. Während die Elektronen nach außen in einen Bereich geringerer elektrischer Feldstärke migrieren, werden sie durch Kollisionen mit Gasmolekülen abgebremst. Diese Elektronen haben schließlich niedrigere Energie als jene, die in der positiven Korona zur positiven Elektrode beschleunigt werden. Diese relativ energielosen Elektronen stoßen bei Kollision kein Elektron aus dem Gasmolekül aus, sondern werden von den Gasmolekülen absorbiert, um negative Ionen zu erzeugen. Die Bildung negativer Ionen, die am äußeren Rand der Korona beginnt, absorbiert im Wesentlichen alle freien Elektronen, die in der Elektronenlawine an der Drahtoberfläche erzeugt werden. Diese negativen Ionen migrieren dann zur positiven Elektrode, wobei sie unterwegs an Gasmoleküle anlagern und negative Ionen bilden.

Damit eine negative Korona wirksam ist, ist es notwendig, dass die Gasmoleküle freie Elektronen absorbieren können, um negative Ionen zu bilden. Schwefeldioxid ist eines der besten elektronenabsorbierenden Gase der in Rauchgasen vorhandenen. Sauerstoff, CO2 und H2O sind ebenfalls effektive Elektronenabsorber. Die negative Korona ist normalerweise stabiler als die positive Korona, daher wird sie in den meisten industriellen Anwendungen bevorzugt. Ein Nebenprodukt der negativen Korona ist die Erzeugung von Ozon (O3). Die positive Korona benötigt kein elektronenabsorbierendes Gas.

Während der ESP betrieben wird, baut sich eine Schicht des gesammelten Materials auf der Sammelelektrode auf. Partikelablagerungen auf der Abscheidefläche des Niederschlagers müssen mindestens einen geringen Grad an elektrischer Leitfähigkeit besitzen, um die Ionenströme von der Korona zur Erde zu leiten. Die erforderliche Mindestleitfähigkeit beträgt etwa 10⁻¹⁰ pro Ohm-Zentimeter (Widerstandsfähigkeit von 10¹⁰ Ohm-Zentimeter). Diese Leitfähigkeit ist im Vergleich zu gewöhnlichen Metallen gering, aber viel größer als die guter Isolatoren wie Silica und den meisten Kunststoffen. Die Widerstandsfähigkeit eines Materials wird durch Etablieren eines Stromflusses durch eine Platte bekannter Dicke des Materials bestimmt.

Solange die Widerstandsfähigkeit der gesammelten Staubschicht unter etwa 10¹⁰ Ohm-Zentimeter liegt, gibt die Schicht ihre Ladung an die Elektrode ab. Bei Raumtemperatur hat ein typischer Staub eine Widerstandsfähigkeit von etwa 10⁸ Ohm-Zentimeter. Dies liegt an einer Wasserschicht auf der Partikeloberfläche. Wenn die Temperatur über 100 °C erhöht wird, verdampft das Wasser und die Widerstandsfähigkeit steigt auf einen für die gesammelten Feststoffe charakteristischen Wert. Wenn die Widerstandsfähigkeit der Schicht etwa 10¹⁰ Ohm-Zentimeter übersteigt, steigt das Potenzial über der Schicht an, sodass die Spannung, die über den ESP aufrechterhalten werden kann, abnimmt und die Abscheideeffizienz sinkt. Die elektrische Widerstandsfähigkeit des gesammelten Partikelmaterials hängt von seiner chemischen Zusammensetzung, den Gasbestandteilen und der Temperatur ab.

Die Partikelladung im ESP erfolgt im Gasraum zwischen den Elektroden, wo die durch die Korona erzeugten Gasionen die Partikel bombardieren und sich an ihnen anlagern. Die Gasionen können Konzentrationen von bis zu 10¹⁵ Ionen pro Kubikmeter erreichen. Der von einem Partikel erreichte Ladungsgrad hängt von der Gasionenkonzentration, der elektrischen Feldstärke, den leitenden Eigenschaften des Partikels und der Partikelgröße ab. Ein 1-Mikrometer-Partikel erwirbt typischerweise in der Größenordnung von 300 Elektronenladungen, während ein 10-Mikrometer-Partikel 30.000 Elektronenladungen erreichen kann. Die Vorhersage des von einem Partikel erworbenen Ladungsgrades ist notwendig, um die Migrationsgeschwindigkeit des Partikels vorherzusagen, auf deren Basis der Abscheidegrad für gegebene Betriebsbedingungen berechnet werden kann.

Es gibt tatsächlich zwei Mechanismen, durch die Partikel in einem ESP geladen werden. Im ersten Mechanismus erfolgt die Partikelladung, wenn Ionen, die zur Sammelelektrode migrieren, Partikel begegnen, an denen sie sich anlagern. Bei der Migration zwischen den Elektroden folgen die Ionen den elektrischen Flusslinien, die überall Kurven sind, die tangential zum elektrischen Feldvektor verlaufen. Wenn das Partikel zum ersten Mal in das Gerät eintritt und ungeladen ist, lenken die elektrischen Flusslinien zum Partikel hin ab, was zur Erfassung einer noch größeren Anzahl von Ionen führt, als wenn die Ionen ihrem normalen Pfad zwischen den Elektroden gefolgt wären. Wenn das Partikel geladen wird, beginnen Ionen, vom Partikel abgestoßen zu werden, was die Laderate verringert. Schließlich erreicht das Partikel eine Sättigungsladung und das Laden stoppt. Dieser Mechanismus wird als Ionenbombardement oder Feldladung bezeichnet.

Der zweite Ladungsmodus ist die Diffusionsladung, bei der das Partikel eine Ladung durch die zufällige thermische Bewegung von Ionen und deren Kollision mit und Anlagerung an die Partikel erwirbt. Diffusionsladung tritt auf, wenn die Ionen in ihrer zufälligen thermischen Bewegung mit einem Partikel kollidieren und ihre Ladung an dieses abgeben. In diesem Sinne ist der Mechanismus der Diffusionsladung identisch mit dem der Diffusion ungeladener Dampfmoleküle zur Partikeloberfläche. Da jedoch sowohl das Partikel als auch die Ionen geladen sind, wird die zufällige thermische Bewegung der Ionen in der Nähe eines Partikels durch eine elektrostatische Kraft beeinflusst. Diese Kraft führt zu einer Tendenz der Ionen, sich vom Partikel wegzubewegen, wenn die Partikelladung zunimmt. Der Gesamtionenfluss zu einem Partikel ist daher sowohl die zufällige diffusive Bewegung als auch die elektrische Migration.

Die Theorien sowohl der Feld- als auch der Diffusionsladung sind in ihrer vollen Allgemeinheit recht komplex und haben große Aufmerksamkeit erhalten. Streng genommen treten Feld- und Diffusionsladung gleichzeitig auf, sobald ein Partikel in einen ESP eintritt, und um die gesamte von einem Partikel erworbene Ladung vorherzusagen, muss man beide Mechanismen gemeinsam betrachten. Da die Diffusionsladung jedoch für Partikel kleiner als etwa 1 Mikrometer Durchmesser vorherrscht und die Feldladung für Partikel größer als etwa 1 Mikrometer vorherrscht, werden die beiden Mechanismen in der ESP-Auslegung häufig so behandelt, als würden sie unabhängig voneinander auftreten. Dabei wird die Gesamtladung auf einem Partikel als Summe der Ladungen geschätzt, die aus den beiden separaten Mechanismen resultieren.

Filtration von Partikeln aus Gasströmen

Eine Hauptklasse von Partikel-Luftschadstoffkontrollgeräten beruht auf der Filtration von Partikeln aus Gasströmen. Verschiedene Filtermedien werden eingesetzt, darunter Faserbetten, Schüttbetten und Gewebe. Faserbetten zur Sammlung luftgetragener Partikel sind typischerweise nur locker gepackt, meist nur etwa 10 % des Bettenvolumens sind Fasern. Schüttbettfilter bestehen aus fester Füllung normalerweise in einem Rohr und neigen zu höheren Packungsdichten als Faserfilter. Sowohl Faser- als auch Schüttbetten werden weit in Lüftungssystemen verwendet. Gewebefilter werden häufig verwendet, um feste Partikel aus Industriegasen zu entfernen, wobei das staubbeladene Gas durch Gewebesäcke strömt und die Partikel sich auf dem Tuch ansammeln.

Die physikalischen Mechanismen, durch die die Filtration erreicht wird, variieren je nach Filtrationsmodus. Konventionelle locker gepackte Faserbetten können als Ansammlungen von Zylindern betrachtet werden. In einem solchen Filter ist der charakteristische Abstand zwischen den Fasern viel größer als die Größe der zu sammelnden Partikel. Daher ist der Sammelmechanismus nicht einfach Siebung, bei der Partikel in den Hohlräumen zwischen Fasern gefangen werden. Vielmehr erfolgt die Partikelentfernung durch den Transport der Partikel vom Gas zur Oberfläche eines einzelnen Sammellements. Da die Filtrationsmechanismen in einem Faserbett in Bezug auf einen einzelnen Sammler analysiert werden können, ist es möglich, sie in beträchtlichem theoretischem Detail zu beschreiben.

Schüttbettfilter werden manchmal als Ansammlungen interagierender, aber im Wesentlichen separater kugelförmiger Sammler betrachtet, obwohl die enge Nähe einzelner Füllelemente Zweifel an der Gültigkeit dieses Ansatzes aufkommen lässt. Aufgrund der relativ dichteren Packung in Schüttbettfiltern und der daraus resultierenden Schwierigkeit, den Partikelsammelprozess in sauberen theoretischen Begriffen zu beschreiben, ist die Vorhersage der Sammlung in solchen Systemen stärker empirisch basiert als bei Faserfiltern. Gewebefilterwirkungsgrade müssen streng empirisch vorhergesagt werden, da die angesammelte Partikelschicht die eigentliche Sammelarbeit leistet.

Ein Faserfilterbett wird als locker gepackte Ansammlung einzelner Zylindern betrachtet. Obwohl die Fasern im Bett in alle Richtungen orientiert sind, wird das Bett aus theoretischer Sicht so behandelt, als wäre jede Faser normal zum Gasstrom durch das Bett. Der Feststoffanteil des Filters beträgt normalerweise nur etwa 10 %. Zudem wirkt jede Faser mehr oder weniger unabhängig als Sammler. Um die Partikelentfernung durch ein Filterbett zu berechnen, muss man im Wesentlichen die Anzahl der Fasern pro Einheitsvolumen des Betts bestimmen und diese Größe dann mit der Effizienz einer einzelnen Faser multiplizieren.

Die Basis für die Vorhersage des Abscheidegrads eines Filterbetts ist der Abscheidegrad eines einzelnen Filterlements im Bett. Das Filterlement wird als isolierter Zylinder normal zum Gasstrom betrachtet. Drei unterschiedliche Mechanismen können identifiziert werden, durch die Partikel im Gas die Oberfläche des Zylinders erreichen.

Nach dem ersten Mechanismus unterliegen Partikel in einem Gas der Brownschen Diffusion, die einige Partikel aufgrund ihrer zufälligen Bewegung in Kontakt mit dem Zylinder bringt, während sie am Zylinder vorbeigetragen werden. Ein Konzentrationsgradient wird nach der Sammlung einiger Partikel etabliert und wirkt als treibende Kraft, um die Ablagerungsrate über die ohne Brownsche Bewegung hinaus zu erhöhen. Da die Brownsche Diffusivität von Partikeln mit abnehmender Partikelgröße zunimmt, wird normalerweise erwartet, dass dieser Entfernungsmechanismus für sehr kleine Partikel am wichtigsten ist. Bei der Analyse der Sammlung durch Brownsche Diffusion werden die Partikel als diffundierende masselose Punkte behandelt.

Nach dem zweiten Mechanismus tritt Abfangung auf, wenn ein Partikel, das den Stromlinien des Stroms um einen Zylinder folgt, eine ausreichend große Größe hat, dass seine Oberfläche und die des Zylinders in Kontakt kommen. Somit tritt Abfangung auf, wenn die Stromlinie, auf der der Partikelmittelpunkt liegt, innerhalb einer Distanz Dp/2 vom Zylinder liegt. Hierbei ist Dp der Partikeldurchmesser.

Nach dem dritten Mechanismus tritt Trägheitsaufprall auf, wenn ein Partikel den sich schnell krümmenden Stromlinien um ein Hindernis nicht folgen kann und aufgrund seiner Trägheit weiterhin auf das Hindernis entlang eines Pfades geringerer Krümmung als die Stromlinien zusteuert. Somit erfolgt die Kollision aufgrund des Partikelimpulses. Zu beachten ist, dass der Mechanismus des Trägheitsaufpralls auf der Prämisse beruht, dass das Partikel Masse aber keine Größe hat, während die Abfangung auf der Prämisse beruht, dass das Partikel Größe aber keine Masse hat.

Sammlung kann auch durch elektrostatische Anziehung resultieren, wenn entweder Partikel oder Faser oder beide eine statische Ladung besitzen. Diese elektrostatischen Kräfte können direkt sein, wenn sowohl Partikel als auch Faser geladen sind, oder induziert, wenn nur eines von ihnen geladen ist. Solche Ladungen sind normalerweise nicht vorhanden, es sei denn, sie werden während der Faserproduktion absichtlich eingeführt.

Die Größenbereiche, in denen die verschiedenen Sammelmechanismen wichtig sind: (i) Trägheitsaufprall – größer als 1 Mikrometer, (ii) Abfangung – größer als 1 Mikrometer, (iii) Diffusion – kleiner als 0,5 Mikrometer, und (iv) elektrostatische Anziehung – 0,01 bis 5 Mikrometer. Es ist normal, die Sammelmechanismen getrennt zu analysieren und dann die individuellen Wirkungsgrade zu kombinieren, um den Gesamtausscheidegrad für den Zylinder oder ein anderes Hindernis zu erhalten.

Die meisten Entwicklungen der Partikelsammlung gehen davon aus, mangels besserer Informationen, dass Partikel, die zur Oberfläche einer Faser transportiert werden, von der Faser zurückgehalten werden. Experimente haben jedoch gezeigt, dass für eine Vielzahl von Substanzen und Filtermedien der Bruchteil der den Sammleroberfläche treffenden Partikel, die haften, im Allgemeinen kleiner als 1 ist und in einigen Fällen bis zu 0,5 betragen kann.

Industrielle Gewebefiltration wird normalerweise in einem sogenannten Schlauchfilterhaus durchgeführt, in dem die partikelbeladenen Gase durch Filtersäcke gezwungen werden. Partikel werden normalerweise durch Schwerkraft von den Säcken entfernt. Abb. 5 zeigt drei Schlauchfilterhaus-Designs, bei denen die Reinigung durch Vibration (Abb. 5a), Luftstrahl (Abb. 5b) oder Wanderung (Abb. 5c) erfolgt.

Abb. 5 Designs von Schlauchfilterhäusern

Der Gewebefiltrationsprozess besteht aus drei Phasen. Zuerst sammeln sich Partikel an einzelnen Fasern durch die oben beschriebenen Mechanismen. Dann existiert eine Zwischenphase, in der sich Partikel auf zuvor gesammelten Partikeln ansammeln und die Fasern überbrücken. Schließlich bilden die gesammelten Partikel einen Kuchen in Form einer Staubschicht, der als Schüttbettfilter für die eintretenden Partikel fungiert. Während sich die Staubschicht ansammelt, steigt der Druckverlust über den Filter an, und periodisch muss die Staubschicht in den Trichter am Boden „regeneriert“ werden, um den Gewebesack zu regenerieren. Hohe Wirkungsgrade sind mit Gewebefiltern erreichbar, insbesondere bei der Behandlung von Verbrennungsgasen aus technologischen Prozessen. Soweit der effektive Betrieb eines ESP von der Anwesenheit von SO2 im Gas als ionisierbarer Spezies abhängt, können Gewebefilter ohne Wirkungsgradverlust bei niedrigem Schwefelgehalt betrieben werden.

Gewebefilter bestehen aus semipermeablen gewebten oder vliesartigen Materialien, die einen Träger für die zu entfernenden Partikel darstellen. Ein brandneues gewebtes Filtertuch hat Fasern von etwa 100 bis 150 Mikrometern Durchmesser mit offenen Räumen zwischen den Fasern von 50 bis 75 Mikrometern. Anfangs ist der Abscheidegrad eines solchen Tuchs niedrig, da die meisten Partikel direkt durch das Gewebe hindurchgehen. Allerdings reichern sich abgelagerte Partikel schnell an, und es ist die abgelagerte Partikelschicht, die die hocheffiziente Entfernung ermöglicht, sobald eine gleichmäßige Oberflächenschicht etabliert wurde.

Obwohl Fasermaattenfilter in einigen Aspekten Gewebefiltern ähneln, hängen sie nicht von der Schicht angesammelter Partikel für hohe Effizienz ab. Fasermaattenfilter werden generell nicht gereinigt, sondern entsorgt. Sie werden normalerweise eingesetzt, wenn Partikelkonzentrationen niedrig sind, damit eine vernünftige Lebensdauer vor der Entsorgung erreicht werden kann.

In einem Gewebefilter führt die Partikelschicht die Entfernungsarbeit aus. Während die Schicht der gesammelten Partikel an Dicke zunimmt, steigt der Druckverlust über die Partikelschicht und das darunterliegende Gewebe an. Die beiden Hauptüberlegungen bei der Auslegung einer Gewebefilteranlage sind der Abscheidegrad und der Druckverlust als Funktion der Betriebszeit (seit der letzten Reinigung). Der Abscheidegrad hängt von der lokalen Gasgeschwindigkeit und der Partikelbelastung auf dem Gewebe ab.

Gewebefilter bieten mehrere Vorteile: (i) sie können sehr hohe Abscheidegrade auch für sehr kleine Partikel erreichen, (ii) sie können für eine Vielzahl von Partikeln eingesetzt werden, (iii) sie können über einen breiten Bereich volumetrischer Durchflussraten betrieben werden, und (iv) sie benötigen nur moderate Druckverluste. Die Einschränkungen von Gewebefiltern sind: (i) der Betrieb muss bei Temperaturen erfolgen, die niedriger sind als jene, bei denen das Gewebe zerstört wird oder seine Lebensdauer auf ein unwirtschaftliches Maß verkürzt wird, (ii) Gas- oder Partikelbestandteile, die das Gewebe angreifen oder eine ordnungsgemäße Reinigung verhindern, wie klebrige Partikel, die schwer zu entfernen sind, sind zu vermeiden, und (iii) Schlauchfilterhäuser benötigen große Bodenflächen. Die Vorteile von Gewebefilter-Schlauchfilterhäusern überwiegen eindeutig ihre Einschränkungen.

Nasse Abscheider

Nasse Abscheider, oder Wäscher, verwenden Wasserwäsche, um Partikel direkt aus einem Gasstrom zu entfernen. Wäscher können grob in zwei Hauptklassen unterteilt werden: (i) jene, in denen ein Array von Flüssigkeitstropfen (Sprühen) das Sammelmedium bildet, und (ii) jene, in denen benetzte Oberflächen verschiedener Art das Sammelmedium bilden. Die erste Klasse umfasst Sprüh- und Venturiwäscher, die zweite Platten- und Packtürme.

Wäschen ist ein sehr effektives Mittel zur Entfernung kleiner Partikel aus einem Gas. Die Partikelentfernung resultiert aus Kollisionen zwischen Partikeln und Wassertropfen. In der feuchten Umgebung eines Wäschers wachsen kleine, trockene Partikel auch durch Kondensation von Wasser an Größe und werden dadurch leichter entfernbar. Die Wieder-Verunreinigung von Partikeln wird vermieden, da die Partikel in Tropfen oder in einer Flüssigkeitsschicht gefangen werden. Ein Wäscher bietet auch die Möglichkeit, lösliche gasförmige Schadstoffe gleichzeitig zu entfernen. Das partikelbeladene Waschwasser muss entsorgt werden, ein Problem, das bei trockenen Gasreinigungsmethoden nicht auftritt.

Ein Sprühwäscher ist ein Gerät, in dem ein Flüssigkeitsstrom in Tropfen von etwa 0,1 bis 1 mm Durchmesser zerlegt und in den partikelbeladenen Gasstrom eingeführt wird. Das Array bewegter Tropfen wird zu einer Menge von Zielen für die Sammlung der Partikel im Gasstrom. Der Abscheidegrad wird berechnet, indem man die Effizienz eines einzelnen kugelförmigen Sammlers betrachtet und dann über die Anzahl der Tropfen pro Einheitsvolumen des Gasstroms summiert. Die relative Bewegung zwischen Tropfen und Partikeln ist ein wichtiger Faktor für den Abscheidegrad, da die Erfassung durch Aufprall und direkte Abfangung erfolgt. Diffusion ist auch für kleinere Partikel wichtig.

Es gibt zwei allgemeine Arten von Sprühwäschern. Die erste Klasse umfasst jene mit einem vorgeformten Sprühnebel, bei dem Tropfen durch Zerstäuberdüsen gebildet und in den Gasstrom gesprüht werden. Dazu gehören: (i) Gegenstrom-Schwerkraftturm, wo Tropfen vertikal gegen den aufsteigenden Gasstrom absinken, (ii) Querstromturm, wo Tropfen durch einen horizontalen Gasstrom absinken, und (iii) Gleichstromturm, wo der Sprühnebel horizontal in einen horizontalen Gasstrom eingebracht wird.

Die zweite Klasse umfasst jene, in denen die Flüssigkeit vom Gasstrom selbst zerstäubt wird. Flüssigkeit wird mehr oder weniger in Masse in einen hochgeschwindigen Gasstrom eingeführt, der die Flüssigkeit in Tropfen zersplittert. Geräte dieser Klasse werden als Venturiwäscher bezeichnet, da der hochgeschwindige Gasstrom in einem Venturi (einer Verengung) erreicht wird. Abb. 6 zeigt vier Arten von Nassabscheidegeräten.

Abb. 6 Arten von Nassabscheidegeräten

Der einfachste Typ eines Nassabscheiders ist ein Sprühlturm, in den Wasser durch Sprühdüsen eingeführt wird (Abb. 6a). Der Gasstrom in einer Sprühkammer ist gegenstromig zur Flüssigkeit, die Konfiguration führt zu maximaler Effizienz. Der Abscheidegrad kann über die einfache Sprühkammer hinaus durch den Einsatz eines zyklonischen Sprühlturms verbessert werden, wie in Abb. 6b gezeigt. Der Flüssigkeitssprühnebel wird von Düsen in einem zentralen Rohr nach außen gerichtet. Ein unbesprühter Abschnitt über den Düsen wird bereitgestellt, damit die Flüssigkeitstropfen mit den gesammelten Partikeln Zeit haben, die Wände der Kammer zu erreichen, bevor der Gasauslass erfolgt. Ein Prallplattenwäscher, wie in Abb. 6c gezeigt, besteht aus einem Turm, der Schichten von gelochten Platten mit Löchern (5.000 bis 50.000 pro Quadratmeter) enthält, durch die das Gas aufsteigen muss und über die das Wasser fallen muss. Die höchsten Abscheidegrade von Nassabscheidern werden in einem Venturiwäscher erreicht, wie in Abb. 6d gezeigt, in dem Wasser im rechten Winkel zu einem hochgeschwindigen Gasstrom in einem Venturirohr eingeführt wird, was zur Bildung sehr kleiner Wassertropfen durch den Strom und hohen relativen Geschwindigkeiten von Wasser und Partikeln führt. Die hohe Gasgeschwindigkeit ist für die Zersplitterung der Flüssigkeit verantwortlich. Neben der kleinen Tropfengröße und hohen Aufprallgeschwindigkeiten wird die Sammlung durch Partikelwachstum durch Kondensation verstärkt. Verschiedene Arten von Partikelwäschgeräten werden im Folgenden beschrieben.

Plattenwäscher

Es handelt sich um einen vertikalen Turm mit einer oder mehreren horizontalen Platten (Böden). Das Gas tritt am Turmboden ein und muss durch Perforationen in jeder Platte strömen, während das Gas gegenstromig zum absteigenden Wasserstrom fließt. Plattenwäscher werden normalerweise nach der Art der Platten benannt, die sie enthalten (z. B. Siebbodenturm). Der Abscheidegrad steigt, wenn der Durchmesser der Perforationen abnimmt. Ein Trenndurchmesser, der mit 50 % Effizienz sammelt, von etwa 1 Mikrometer aerodynamischem Durchmesser kann mit 3,2 mm Lochdurchmesser in einem Siebboden erreicht werden.

Packbettwäscher

Er arbeitet ähnlich wie ein Packbett-Gasabsorber. Der Abscheidegrad steigt, wenn die Packungsgröße abnimmt. Ein Trenndurchmesser von 1,5 Mikrometer aerodynamischem Durchmesser kann in Säulen erreicht werden, die mit 2,5 cm Elementen gepackt sind.

Sprühwäscher

In diesem Wäscher werden Partikel von Flüssigkeitstropfen gesammelt, die durch Sprühdüsen zerstäubt wurden. Horizontale und vertikale Gasströme werden verwendet, sowie Sprühnebel, der gleichstromig, gegenstromig oder querstromig zum Gas eingeführt wird. Der Abscheidegrad hängt von Tropfengröße, Gasgeschwindigkeit, Flüssig-/Gasverhältnis und Tropfentrajektorien ab. Für Tropfen, die mit ihrer Endgeschwindigkeit fallen, liegt der optimale Tropfendurchmesser für die Feinpartikelsammlung im Bereich 100 bis 500 Mikrometer. Schwerkraftabsinkwäscher können Trenndurchmesser von etwa 2 Mikrometer erreichen. Das Flüssig-/Gasverhältnis liegt im Bereich 0,001 bis 0,01 m³ pro m³ behandeltem Gas.

Venturiwäscher

Ein bewegter Gasstrom wird verwendet, um Flüssigkeiten in Tropfen zu zerstäuben. Hohe Gasgeschwindigkeiten (60 bis 120 m/s) führen zu hohen relativen Geschwindigkeiten zwischen Gas und Partikeln und fördern die Sammlung.

Zyklonwäscher

Tropfen können in den Gasstrom eines Zyklons eingeführt werden, um Partikel zu sammeln. Der Sprühnebel kann von einem zentralen Verteiler nach außen oder von der Sammlerwand nach innen gerichtet werden.

Prallwäscher

In diesem Wäscher gibt es Änderungen in Gasstromgeschwindigkeit und -richtung, die durch feste Oberflächen induziert werden.

Aufprall-Mitreisewäscher

Das Gas wird gezwungen, auf eine Flüssigkeitsoberfläche aufzuprallen, um einen Gasausgang zu erreichen. Ein Teil der Flüssigkeit zerstäubt in Tropfen, die vom Gas mitgerissen werden. Der Gasausgang ist so gestaltet, dass der Verlust mitgerissener Tropfen minimiert wird.

Wirbelschichtwäscher

Eine Zone mit fluidisierter Füllung wird bereitgestellt, wo Gas und Flüssigkeit innig mischen können. Das Gas strömt nach oben durch die Füllung, während Flüssigkeit von unten eingesprüht und/oder über die Oberseite der fluidisierten Füllschicht nach unten fließt.

Der Abscheidegrad von Nassabscheidern kann mit dem gesamten Energieverlust im Gerät in Beziehung gesetzt werden. Je höher die Wäscherleistung pro Einheitsvolumen behandeltem Gas, desto besser der Abscheidegrad. Fast die gesamte Energie wird in das Gas eingebracht, sodass der Energieverlust durch den Gasdruckverlust durch das Gerät gemessen werden kann. Der Hauptvorteil von Nassabscheidern ist die große Vielfalt an Typen, die die Auswahl eines für das jeweilige Entfernungsproblem geeigneten Geräts ermöglicht. Hinsichtlich der Nachteile müssen hohe Druckverluste (und damit Energieanforderungen) aufrechterhalten werden, und die Handhabung und Entsorgung großer Mengen Waschwasser müssen durchgeführt werden.

Im Falle der Sprühwäsche ist das konzeptionell einfachste Gerät eine Schwerkraftsprühkammer. Wassertropfen werden durch Zerstäuberdüsen am oberen Ende einer leeren Kammer eingeführt und fallen frei mit ihrer Endabsinkgeschwindigkeit gegenstromig durch den aufsteigenden Gasstrom. Das partikelbeladene Waschwasser sammelt sich in einem Becken am Boden und muss zur Entfernung der Feststoffe abgepumpt und behandelt werden, und das gereinigte Wasser wird normalerweise in den Turm zurückgeführt. Der Gesamtausscheidegrad eines Sprühlturms steigt, wenn der Abscheidegrad eines einzelnen Tropfens steigt, die Kammernlänge zunimmt und das Verhältnis des volumetrischen Wasserdurchflusses zum Gasdurchfluss zunimmt. Er steigt, wenn der Tropfendurchmesser abnimmt.

Venturiwäscher werden eingesetzt, wenn hohe Abscheidegrade benötigt werden und die meisten Partikel kleiner als 2 Mikrometer im Durchmesser sind. Es gibt eine Reihe von Beispielen, in denen ein Venturiwäscher das einzige praktische Gerät für eine Gasanwendung ist. Wenn die zu entfernenden Partikel klebrig, brennbar oder hochkorrosiv sind, können ESPs und Gewebefilter nicht verwendet werden. Venturiwäscher sind auch die einzigen hocheffizienten Partikelabscheider, die gleichzeitig gasförmige Spezies aus dem Abstrom entfernen können.

Das Unterscheidungsmerkmal eines Venturiwäschers ist ein verengter Querschnitt oder eine Düse, durch die das Gas mit hoher Geschwindigkeit gezwungen wird. Eine typische Venturiwäscher-Konfiguration ist in Abb. 7 dargestellt. Die Konfiguration umfasst einen konvergenten Kegelabschnitt, in dem das Gas auf Düsengeschwindigkeit beschleunigt wird, einen zylindrischen Düsenabschnitt und einen konischen Expansionsabschnitt, in dem das Gas abgebremst wird. Flüssigkeit kann entweder durch Tangentiallöcher im Einlaufkegel oder in der Düse selbst eingeführt werden. Im ersten Fall tritt die Flüssigkeit als Film an der Wand in den Venturi ein und fließt die Wand hinab zur Düse, wo sie vom hochgeschwindigen Gasstrom zerstäubt wird. Im zweiten Fall wird die Flüssigkeit senkrecht zum Gasstrom in der Düse eingespritzt, zerstäubt und dann beschleunigt. Gasgeschwindigkeiten im Bereich 60 bis 120 m/s werden erreicht, und die hohe relative Geschwindigkeit zwischen dem partikelbeladenen Gasstrom und den Tropfen fördert die Sammlung. Der Sammelprozess ist im Wesentlichen am Ende der Düse abgeschlossen. Da sie bei viel höheren Geschwindigkeiten arbeiten als ESPs oder Schlauchfilter, sind Venturiwäscher physikalisch kleiner und können wirtschaftlich aus korrosionsbeständigen Materialien hergestellt werden. Venturis haben die einfachste Konfiguration der Wäscher und sind am kleinsten. Abb. 7 zeigt den Vergleich der Effizienz des Venturiwäschers mit den Effizienzen anderer Gasreinigungsgeräte.

Abb. 7 Venturiwäscher-Konfiguration und Effizienzvergleich

Ein typischer Bereich der Flüssig-/Gasdurchflussverhältnisse für einen Venturiwäscher beträgt 0,001 bis 0,003 m³ Flüssigkeit pro m³ Gas. Bei höheren Flüssig-/Gasverhältnissen wird die Gasgeschwindigkeit bei einem gegebenen Druckverlust reduziert, und bei niedrigeren Verhältnissen wird die Geschwindigkeit erhöht. Für Gasdurchflussraten über etwa 1.000 m³/Minute werden Venturiwäscher normalerweise in rechteckiger Konfiguration gebaut, um eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über den Düsenbereich zu gewährleisten.