Luchtemissiebeperkende techniek – Cycloon

Inhoud

• Varianten en synoniemen
• Verwijderde stoffen
• Werkingsprincipe
• Toepasbaarheid
• Varianten techniek
• Installatie, ontwerp en onderhoud
• Milieuaspecten
• Financiële aspecten

Varianten en synoniemen

• cycloon, stofcycloon, vortexscheider
• multicycloon

Verwijderde stoffen

• vooral: stofdeeltjes
• in mindere mate: druppels, geur

Werkingsprincipe

Het werkingsprincipe berust op scheiding door verschil in massa van vaste en vloeibare deeltjes ten opzichte van de gassen in een afgasstroom. De vaste en vloeibare deeltjes worden door centrifugale kracht afgescheiden.

Het afgas wordt tangentieel (schuin aan de wand) in een cilindervormige kamer gezogen of geblazen, waardoor het afgas gaat ronddraaien in de cycloon. Door de draaiing ontstaat er een middelpuntvliedende (centrifugale) kracht en wordt het stof naar de wand geslingerd, waarna het stof onder invloed van de zwaartekracht via de onderzijde wordt afgevoerd.

Het afscheidend effect wordt vaak versterkt door de gasstroomrichting om te draaien. De vaste deeltjes kunnen deze omkeerdraaiing niet maken gelet op de traagheid van de deeltjes en zakken uit.

Het gezuiverde gas verlaat de cycloon in het midden aan de bovenkant.

De prestaties van een cycloon worden beter met een toename van:

• deeltjesgrootte en dichtheid
• afgassnelheid in de cycloon
• lengte van de cycloon, en dus het aantal wervelingen dat de gasstroom kan maken in de cycloon
• verhouding van de diameter van de cycloon versus de diameter van de uitlaat
• ingaande concentratie stof
• gladheid van de binnenwand van de cycloon

Een efficiënte cycloon kent hoge gassnelheden, een kleine diameter en heeft een lange cilinder.

Toepasbaarheid

Voorafscheider

Een cycloon kan als zelfstandige techniek worden gebruikt, maar wordt meestal als voorafscheider ingezet om de grootste stofbelasting weg te nemen. De voorafscheiding gebeurt meestal voor deeltjes met een diameter groter dan 5µm.

Cyclonen worden niet als zelfstandige techniek ingezet om Zeer Zorgwekkende Stoffen Klik hier voor uitleg over dit begrip (opent in popup) af te vangen omdat de te behalen emissieconcentratie niet laag genoeg is.

Combinatie van technieken

Doorgaans is een cycloon een voorgeschakelde techniek bij een:

• doekenfilter
• gaswasser
• elektrostatisch filter

De cycloon vangt de zwaarste, grootste deeltjes af, zodat de belasting van de andere techniek vermindert.

Sectoren

Cyclonen kennen een breed toepassingsgebied in industriële sectoren, waaronder:

• afvalverbrandingsinstallaties
• bouwsector
• chemische industrie
• glasindustrie
• hout- en meubelindustrie
• koffiebranderijen
• levensmiddelenindustrie
• op- en overslag
• sinterprocessen
• smeltprocessen in metallurgie

Prestaties

De prestaties van de cycloon zijn in de tabel aangegeven. De gepresenteerde waarden zijn afhankelijk van de specifieke configuratie, bedrijfscondities en af te vangen stof. De waarden zijn in principe gebaseerd op halfuurgemiddelde waarden.

De gegevens gelden voor situaties waar een cycloon als zelfstandige techniek is gebruikt.

Randvoorwaarden

• debiet [Nm³/uur]:
  P10: 1.000; P50: 9.000; P90: 95.000
• temperatuur [°C]:
  geen beperking, afhankelijk van materiaalkeuze
• druk [bar]:
  atmosferisch
• drukval [mbar]:
  0,5 – 2,5
• vochtgehalte [%]:
  geen beperking
• stof:
  1 – 16.000 gram/Nm³

Varianten techniek

Cycloon met omkeren van de gasstroom (reverse-flow)

Een cycloon waarin de richting van de gasstroom wordt omgekeerd (reverse-flow) is het meest voorkomende type cycloon. Het afgas wordt bovenin, schuin aan de wand, in de cycloon gezogen of geblazen en wervelt naar beneden. Door de kegelvorm wordt de diameter steeds kleiner en zal de gassnelheid toenemen, en daarmee de middelpuntvliedende kracht. Onderin is een pijp die het gas weer naar boven leidt, waardoor de richting van de gasstroom wordt omgekeerd.

'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. '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. De prestaties worden aangegeven als 60-95% rendement voor PM10 en 20-70% rendement voor PM2,5.

Multicyclonen

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

Met multicyclonen is het mogelijk kleinere deeltjes af te vangen dan met de gebruikelijke cyclonen. De prestaties worden aangegeven als 80-95% rendement voor PM5.

Natte cycloon

Om het afscheidingsrendement van fijn stof (< 20 µm) te verhogen wordt water in de aanvoerleiding net voor de cycloon verneveld. Het water bindt zich aan de stofdeeltjes en wordt afgevoerd als een slurry. Een variant hierop is de condensatiecycloon. Deze cycloon wordt met een koelmiddel gekoeld. Bij een temperatuur onder het dauwpunt condenseren stoffen zoals vetten en water en kunnen dan worden afgescheiden in de cycloon.

Elektrocycloon

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.

'Wringing' afscheider

De werking van de ‘Wringing’ afscheider is naast de werking door de wervelingen met middelpuntvliedende krachten 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, waardoor het zich onderscheidt van klassieke cyclonen (leveranciersinformatie).

Cycloon met doorgaande gasstroom (straight-through)

Deze variant is niet kegelvormig, maar een rechte buis. Bij de inlaat van de gasstroom zijn schoepen gemonteerd, waardoor de gasstroom in spiraalvorm gebracht wordt rondom de centrale as. Door de middelpuntvliedende kracht worden de stofdeeltjes tegen de wand van de cycloon gedrukt.

Installatie, ontwerp en onderhoud

De belangrijkste ontwerpparameters zijn:

• afmetingen (lengte, diameter)
• debiet

De luchtintredesnelheid van een cycloon ligt tussen 10 en 20 m/s, de meest gebruikelijke snelheid is circa 16 m/s. Bij afname van de snelheid neemt het afscheidingsrendement snel af.

De onderhoudsvereisten van een cycloon zijn eenvoudig. Ze moeten eenvoudig toegankelijk zijn voor periodieke inspectie op corrosie of erosie. De drukval moet regelmatig gecontroleerd worden en het stofopvangsysteem dient gecontroleerd te worden op verstoppingen.

Een cycloon is een significante bron van geluidoverlast. Maatregelen zoals omkasting zijn nodig om geluid te beperken.

Monitoring

Monitoring is in principe niet nodig voor de procesvoering, maar drukverschilmetingen zijn gebruikelijk om verstoppingen te signaleren.

Om de efficiëntie van de cycloon te monitoren, kan de stofconcentratie in de gereinigde gasstroom worden bepaald door middel van:

• isokinetische monsterneming (zonder de stroming van het gas te verstoren)
• een meetmethode gebaseerd op bijvoorbeeld UV, zichtbaar licht doorlaatbaarheid, bètastraling of deeltjesdetectie

Milieuaspecten

De belangrijkste voordelen zijn:

• eenvoud van het systeem, geen bewegende onderdelen, weinig onderhoud
• lage investerings- en werkingskosten
• relatief weinig ruimtebeslag

Nadelen zijn:

• lage efficiëntie, zeker voor kleine deeltjes
• slechte prestaties bij deellast
• gevoelig voor slijtage, zeker met corrosieve of schurende deeltjes
• niet bruikbaar bij kleverige stoffen
• geluidoverlast

Hulpstoffen en energie

• water:
  Hydrocyclonen verbruiken water. Daarnaast kan er waswater nodig zijn voor reiniging.
• chemicaliën:
  niet van toepassing
• energie:
  Elektriciteitsverbruik van ventilatoren kan toenemen vanwege de drukval.

Milieuafwegingen

• terugwinning:
  Terugwinning van product is mogelijk.
• lucht:
  Er ontstaan geen andere vormen van luchtverontreiniging.
• afvalwater:
  De stofslurry van een natte cycloon moet worden nabehandeld en het resterende water zal in een afvalwaterzuivering of anderszins moeten worden verwerkt. Afvalwater kan ontstaan als een cycloon nat wordt gereinigd.
• afval:
  Er ontstaat geen afval tenzij het afgevangen stof als afval moet worden behandeld.
• veiligheid:
  Er zijn geen specifieke veiligheidsmaatregelen nodig.

Financiële aspecten

• investeringen [EUR per 1.000 Nm³/uur]: 500 – 1.500
• operationele kosten [EUR per 1.000 Nm³/uur/jaar]: Geen directe kosten. Onderhoudskosten kunnen hoog zijn vanwege slijtage.

Operationele kosten

Dit is een opsplitsing van de operationele kosten. Ze tellen dus niet apart mee bij een kostenberekening. Zie ook Financiële aspecten op de pagina Opbouw van de factsheets.

• personeel [uur/week]: 2 (voor afvoer reststof, dus afhankelijk van de stofbelading)
• materiaal: Geen verbruik van materiaal.
• energie [kWh/1.000 Nm³]: 30 – 250
• baten: teruggewonnen stof
• kostenbepalende parameters: debiet, drukval, slijtagebestendigheid, bedrijfstemperatuur

Informatiebronnen

1. Handreiking luchtemissiebeperkende technieken; DHV, 15 april 2009
2. BREF Waste Gas Management and Treatment Systems in the Chemical Sector; first draft, 2019
3. BREF Common Waste Water and Waste Gas Treatment/Management Systems in the Chemical Sector, 2016
4. VITO LUSS: cycloon
5. Leveranciers: Wringing Italia, Mesys Industrial Air Systems