Cycloon

Synoniemen, afkortingen en/of procesnamen

—  Stofcycloon
—  Multicycloon
—  Vortex scheiding
—  Natte cycloon

 Verwijderde componenten

 Stof, deeltjes: abrasief, corrosief, adhesief, explosief

Principeschema

 

Procesbeschrijving

Werkingsprincipe

Een cycloon is een centrifugaalafscheider waarbij de deeltjes als gevolg van hun massa door de centrifugaalkracht naar de buitenkant worden geslingerd. De intredende lucht wordt automatisch gedwongen om een snel ronddraaiende dubbele spiraalbeweging aan te nemen, de zogenaamde "double?vortex". Deze dubbele spiraalbeweging bestaat uit een buitenstroming, die spiraalvormig naar beneden stroomt, en een binnenstroming, die spiraalvormig naar boven stroomt. Op het grensvlak van beide stromingen gaat de lucht van de ene stroming naar de andere. De in de luchtstroom aanwezige deeltjes worden naar de buitenwand uitgeslingerd en verlaten de afscheider via een aan de onderzijde gesitueerde ontvangstruimte.

De luchtintredesnelheid van een cycloon ligt tussen 10 en 20 m/s, de meest gebruikelijke snelheid is ca. 16 m/s. Bij fluctuaties in deze snelheid (met lagere snelheden) neemt het afscheidingsrendement zeer snel af.

Ontwerpgevens

Een cycloon wordt meestal gekarakteriseerd door een cycloondiameter en een afsnij-diameter.

De vereiste geometrie wordt bepaald door de gewenste afscheidingsgraad en de gas- en deeltjeskarakteristieken.

De formule van Lapple geeft een indicatie omtrent het afscheidingsrendement:

d50       =deeltjesgrootte die met 50% rendement wordt afgescheiden (m);

b          = inlaatbreedte van de cycloontoevoer (m);

N         = aantal draaicycli in de cycloon (? N=5, empirisch bepaald);

vi         = inlaatsnelheid (m/s);

?i         = soortelijke massa van het stofdeeltje (kg/m³);

µp        =viscositeit van het gas (kg/ms).

Eens de d50 bepaald is, wordt de afscheidingsgraad voor elke andere deeltjesgroottes grafisch bepaald.

 Uitvoeringsvormen

Bij aanwezigheid van (vloei)stoffen met een sterk corrosief of erosief karakter moeten de cyclonen in aangepast materiaal zijn uitgevoerd of gecoat worden met dergelijk materiaal. Cyclonen zijn in verschillende materiaalsoorten zoals RVS, aluminium, nikkel, polystyreen (PS), polyvinylchloride (PVC) en polyvinylideenfluoride (PVDF) verkrijgbaar.

Varianten  

“High throughput” cyclonen hebben een diameter van meer dan 1,5 m en zijn geschikt voor het afscheiden van deeltjes van 20 µm en groter.

De "high efficiency" cyclonen (pencil cyclonen) hebben een diameter die ligt tussen 0,4 en 1,5 m en zijn toepasbaar voor het afscheiden van deeltjes van 10 µm en groter.

Cyclonen met een diameter tussen 0,005 en 0,3 m worden niet meer afzonderlijk toegepast maar worden in parallel samengebouwd tot multicyclonen. De aanstroming van het gas gebeurt hier niet meer tangentiaal zoals bij een gewone cycloon, maar axiaal, waarna het gas via leidschoepen in werveling wordt gebracht. Een multicycloon is gevoelig voor een goede verdeling van het gas over de kleine cycloontjes. Indien de verdeling niet correct is, kan terugstroming van het gas en verstopping optreden.

Andere types cyclonen zijn:

Elektrocyclonen: Door het aanleggen van een elektrisch veld tussen het centrum en de wand van de cycloon wordt de drijvende kracht op de deeltjes naar de wand verhoogd waardoor een hoger afscheidingsrendement wordt bekomen.

"Secundary flow enhanced cyclone": in een cylindrische behuizing wordt het primaire gas, het te reinigen gas, onderaan ingebracht met een draaibeweging. Door tangentiële inbreng van secundaire lucht bovenaan worden de centrifugale krachten op de deeltjes vergroot waardoor de verwijderingsefficiëntie wordt verhoogd. De secundaire lucht kan zuivere of gereinigde lucht zijn.

Combinatie van multicycloon met doekenfilter: dit is een combinatie van twee technieken namelijk, een multicycloon zoals hierboven beschreven als voorzuivering, en een doekenfilter om het afgas vergaand te zuiveren.

Condensatiecycloon: deze cyclonen worden d.m.v. een koelmiddel gekoeld. Bij een bepaalde tempertuur, onder het dauwpunt, kunnen stoffen zoals vetten en water worden uitgecondenseerd en afgescheiden.

Natte cycloon: om het afscheidingssrendementent van fijn stof (< 20 µm) te verhogen wordt water, juist voor de cycloon, in de aanvoerleiding cycloon verneveld. Het water bindt zich aan het fijne stof en wordt afgevoerd als een slurry.

Micronsep wringing seperator: de werking van dit systeem is naast de vortex werking ook gebaseerd op het fenomeen van secundaire stromingen in een grenslaag. Het systeem bestaat uit een spiraalvormig binnenwerk dat in een omhulsel gelijkend op een cycloon wordt gebracht. Het systeem heeft een rendement van meer dan 99,5 % voor deeltjes groter dan 1 µm [6] waardoor het zich onderscheid van klassieke cyclonen.

Werkingsgraad

Het afscheidingsrendement van een cycloon is 99 % bij 50 µm. Het is aanzienlijk hoger dan dat van bezinkkamers of impactafscheiders. Een daarbij te hanteren richtgetal is: 90 % rendement voor deeltjes van 10 µm. Cyclonen zijn het meest efficiënt bij hoge luchtintredesnelheid, kleine cycloondiameter en grote cylinderlengte (pencil cyclonen). Dit in tegenstelling tot de zogenaamde "high throughput" cyclonen, waarbij het grote debiet en dus de grotere afmetingen ten koste gaat van het rendement.

Restemissies: 100 mg/Nm3

Randvoorwaarden

Factoren die van invloed zijn op de toepasbaarheid van mechanische afscheiders zijn de fysische en/of chemische eigenschappen van de af te scheiden verontreiniging.

Voor de meeste cyclonen is een belangrijke beperkende voorwaarde, dat de af te scheiden stof niet sterk vervuilend of verstoppend mag werken.

Ook de temperatuur van de intredende lucht stelt een randvoorwaarde aan de toepassing van cyclonen. Vanwege het feit dat er een zeer gevarieerd aanbod van materiaalsoorten is, hebben cyclonen het voordeel dat ze ook voor extreme situaties bijvoorbeeld voor hoge en lage temperaturen kunnen worden geconstrueerd.

—  Debiet                              :   1 – 100 000 Nm3/h voor één enkele cycloon
—  Temperatuur                  :    < 1 200 °C afhankelijk van het constructiemateriaal
—  Inkomend stofgehalte  :    1 - 16 000 g/Nm3

Hulpstoffen

Water bij natte cycloon en koelmedium bij condensatiecycloon.

Milieu-aspecten

Afgescheiden stof afgevoerd als afvalstof of indien mogelijk hergebruikt.

Stofslurry bij natte cycloon moet in waterzuivering verwerkt worden of afgevoerd worden.

Energieverbruik

0,25 - 1,5 kWh/1 000 Nm3/h [1, 2]

Kostprijs

  • Investering
    — 
    Bedraagt 500 tot 1500 EUR per 1 000 Nm³/h [Bron 1, 2, 6]
     
  • Werkingskosten

    —  
    Personeelskosten : ± 0,25 mu/dag (voor afvoer reststof dus afhankelijk van de stofbelading)
    —  Energiekost             : 160 – 970 EUR per jaar per 1 000 Nm³/h [6]
    —  Hulp & reststoffen    : afvoerkosten van het afgescheiden stof is afhankelijk van de aard van de reststof

                                         * Inert: ca. 75 EUR/ton
                                         * Chemisch: 150 – 250 EUR/ton
  • Gevalstudie: voedingssector [6]

    —  Debiet 3 200 m³/h
    —  Afscheiding van vetten
    —  Restconcentratie stof: 15 – 20 mg/Nm³
    —  Investeringskost: 6 250 EUR in RVS, excl. randapparatuur en plaatsing

Voor- en nadelen

  • Voordelen

    —  Eenvoudige constructie
    —  Geen bewegende onderdelen
    —  Weinig onderhoud
    —  Lage investerings- en werkingskosten
    —  Constante drukval
    —  Plaatsbesparend
    —  Droge opvang behalve voor natte cycloon
     
  • Nadelen

    —  Hoge drukval (0,5 - 2,5 kPa), afhankelijk van de uitvoeringsvorm
    —  Laag rendement voor lage deeltjesdiameter
    —  Slechte prestaties bij deellast
    —  Emissie van afvalwater bij natte cycloon
    —  Erosiegevoelig en verstoppingsgevaar aan de ingang
    —  Mogelijk geluidsoverlast

Toepassingen

Meestal wordt een cycloon vanwege zijn relatief geringe rendement en relatief hoge restemissie gebruikt als voorafscheider om de grootste stofbelasting weg te nemen voor een tweede ontstoffingsinstallatie zoals bijvoorbeeld een wasser of doekenfilter.

De voorafscheiding gebeurt meestal op deeltjes > 5µm en vindt zijn toepassing vooral in:

—  de hout- en meubelindustrie;
—  de bouwsector;
—  glasindustrie;
—  de transportsector bij op- en overslag;
—  de levensmiddelenindustrie;
—  afvalverbrandingsinstallaties;
—  de chemische industrie;
—  smeltprocessen in metallurgie;
—  sinterprocessen;
—  koffiebranderijen.

Referenties

  1. Factsheets luchtemissie beperkende technieken, www.infomil.nl, Infomil
  2. Common waste water and waste gas treatment and management systems in the chemical sector. BREF document, European IPPC Bureau, http://eippcb.jrc.es
  3. Elslander H., De Fré R., Geuzens P., Wevers M. (1993). Vergelijkende evaluatie van mogelijke gasreinigingssystemen voor huisvuilverbranding. In: Energie & Milieu, 9
  4. Werkboek milieumaatregelen: “Metaal- en elektrotechnische industrie” (1998 ). VNG uitgeverij
  5. VDI 3676, Massenkraftabscheider, October 1999
  6. Leveranciersinfo
  7. Jacobs A., Gielen B., Van Tomme, De Roock Ch. en Dijkmans R., Beste Beschikbare Technieken voor de houtwerkende nijverheid, 2003