DE102014015786A1 - Device for removing solid fractions from the flue gas of internal combustion engines or industrial gas turbines - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zur Entfernung von Feststoffanteilen aus dem Rauchgas von Brennkraftmaschinen (7) oder Industriegasturbinen vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung eine Struktur mit metallischen Partikeln aufweist und die metallischen Partikel zu einer gefilzten oder filzähnlichen Metallstruktur (1) verbunden sind und an einer flächigen Trägerstruktur (2) angeordnet sind.The invention relates to a device for removing solid fractions from the flue gas of internal combustion engines (7) or industrial gas turbines, the device having a structure with metallic particles and the metallic particles being connected to a felted or felt-like metal structure (1) and attached to a flat support structure (FIG. 2) are arranged.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernung von Feststoffanteilen aus dem Rauchgas von Brennkraftmaschinen oder Industriegasturbinen, wobei die Vorrichtung eine Struktur mit metallischen Partikeln aufweist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a device for removing solid fractions from the flue gas of internal combustion engines or industrial gas turbines, the device having a structure with metallic particles, according to the preamble of
Die Entfernung von Feststoffen aus dem Rauchgas von Brennkraftmaschinen mittels Partikelfiltern ist beispielsweise aus dem Kraftfahrzeugbereich bekannt. Auch ist es bereits bekannt geworden, bei Kraftwerken gefilzte Filterstrukturen zur Rauchgasreinigung einzusetzen, die mittels Druckluft periodisch gereinigt werden, um erhöhte Druckverluste durch den übermäßigen Aufbau eines Filterkuchens auf der Filterstruktur zu vermeiden. Die dazu eingesetzten Filterwerkstoffe besitzen üblicherweise eine Temperaturbeständigkeit im Bereich von 220 bis 250°C, während die Abgastemperatur von in der Kraftwerkstechnik verstärkt eingesetzter Brennkraftmaschinen im Bereich von 380 bis 400°C liegt und die Abgastemperatur von in der Kraftwerkstechnik auch eingesetzter Industriegasturbinen im Bereich von 500 bis 600°C liegt.The removal of solids from the flue gas of internal combustion engines by means of particle filters is known for example from the motor vehicle field. It has also become known to use felted filter structures for flue gas cleaning in power plants, which are periodically cleaned by means of compressed air in order to avoid increased pressure losses due to the excessive buildup of a filter cake on the filter structure. The filter materials used for this purpose usually have a temperature resistance in the range of 220 to 250 ° C, while the exhaust gas temperature of increasingly used in power plant technology internal combustion engines in the range of 380 to 400 ° C and the exhaust gas temperature of used in power plant technology also industrial gas turbines in the range of 500 to 600 ° C is located.
Die bislang eingesetzten Filterstrukturen sind für die Verwendung in dem oben genannten Temperaturbereich der Brennkraftmaschinen und Industriegasturbinen ungeeignet. Es sind daher auch bereits Filterstrukturen für die Heißgasfiltration in der Form von Sinterfiltern oder Metallschaumfiltern bekannt geworden, deren Abscheidegrad im Verhältnis zu dem von den Filtern erzeugten Druckverlusten aber ungünstig ist und deren Herstellung kostenintensiv ist.The filter structures used hitherto are unsuitable for use in the abovementioned temperature range of internal combustion engines and industrial gas turbines. Filter structures for hot gas filtration in the form of sintered filters or metal foam filters have therefore already become known, but their degree of separation in relation to the pressure losses generated by the filters is unfavorable and their production is cost-intensive.
Anhand der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Entfernung von Feststoffanteilen aus dem Rauchgas von Brennkraftmaschinen oder Industriegasturbinen zu schaffen, die metallische Partikel aufweist und kostengünstig hergestellt werden kann, die Filterfläche der Vorrichtung oberflächenbehandelt werden kann zur Weiterbehandlung des Abgases und die Vorrichtung gleichzeitig die Temperaturstabilität für moderne Motoren und Industriegasturbinen erfüllt, wie sie in der Kraftwerkstechnik eingesetzt werden. Auch soll ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschaffen werden.The present invention is based on the object to provide a device for removing solid fractions from the flue gas of internal combustion engines or industrial gas turbines, which has metallic particles and can be produced inexpensively, the filter surface of the device can be surface treated for further treatment of the exhaust gas and the device simultaneously The temperature stability for modern engines and industrial gas turbines, as they are used in power plant technology. Also, a method for surface treatment of the device according to the invention is to be created.
Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben. Darüber hinaus schafft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer gefilzten oder filzähnlichen Metallstruktur nach dem Anspruch 6 und ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer gefilzten oder filzähnlichen Metallstruktur nach dem Anspruch 7.The invention has to solve this problem with respect to the device to the features specified in
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Entfernung von Feststoffanteilen aus dem Rauchgas von Brennkraftmaschinen oder Industriegasturbinen, wobei die Vorrichtung eine Struktur mit metallischen Partikeln aufweist und die metallischen Partikel zu einer gefilzten oder filzähnlichen Metallstruktur verbunden sind und an einer flächigen Trägerstruktur angeordnet sind.The invention provides a device for removing solid fractions from the flue gas of internal combustion engines or industrial gas turbines, wherein the device has a structure with metallic particles and the metallic particles are connected to a felted or felt-like metal structure and arranged on a flat support structure.
Mit dem Begriff der gefilzten oder filzähnlichen Metallstruktur wird zum Ausdruck gebracht, dass die metallischen Partikel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in zueinander ungerichteter Anordnung vorliegen, wodurch eine große zur Rauchgasfilterung bereitgestellte Oberfläche bezogen auf das von der Vorrichtung benötigte Einbauvolumen erreicht wird. Darüber hinaus wird dadurch auch erreicht, dass die zur Bildung der Metallstruktur benötigten metallischen Partikel nicht mit speziellen Fertigungsschritten in eine zueinander ausgerichtete Lage verbracht werden müssen, was die Fertigungskosten verringert und zudem durch den Einsatz metallischer Partikel erreicht wird, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung dem Abgastemperaturbereich von Industriegasturbinen dauerhaft standhält.The term felted or felt-like metal structure expresses that the metallic particles of the device according to the invention are in an undirected arrangement with respect to one another, whereby a large surface area provided for the flue gas filtration is achieved relative to the installation volume required by the device. In addition, this also ensures that the metallic particles required for the formation of the metal structure need not be spent with special manufacturing steps in a mutually aligned position, which reduces the manufacturing costs and is also achieved by the use of metallic particles that the inventive device the exhaust gas temperature range of Industrial gas turbines durable withstand.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Metallstruktur asymmetrisch ausgebildet ist und die metallischen Partikel weitgehend an einer Deckseite der Trägerstruktur angeordnet vorgesehen sind. Bei bekannten Filterstrukturen wird ein Filtervlies zwischen zwei Decklagen angeordnet, wobei die Decklagen dazu dienen, das Filtervlies zu schützen und das unkontrollierte Austreten von Material aus dem Vlies zu vermeiden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Trägerstruktur nur einseitig vorgesehen, so dass sich ein asymmetrischer Aufbau der Metallstruktur ergibt, da ein unkontrolliertes Austreten der metallischen Partikel aus dem gefilzten Metallstrukturverbund aufgrund der hohen Haftkraft der einzelnen Partikel aneinander nichts zu befürchten ist.It is provided according to a development of the invention that the metal structure is formed asymmetrically and the metallic particles are provided largely arranged on a cover side of the support structure. In known filter structures, a filter fleece is arranged between two cover layers, wherein the cover layers serve to protect the filter fleece and to prevent the uncontrolled escape of material from the fleece. In the apparatus according to the invention, a support structure is provided only on one side, resulting in an asymmetrical structure of the metal structure, since an uncontrolled leakage of the metallic particles from the felted metal structure composite due to the high adhesive force of the individual particles to each other is to be feared.
Die Metallstruktur kann so beispielsweise als Mattenkörper ausgebildet werden mit der Trägerstruktur an einer Deckseite der Matte und der so gebildete Mattenkörper kann eine rohrstückförmige und für das Rauchgas durchlässige Leitung umschließen, so dass das Rauchgas radial in die Mattenstruktur eintreten kann und sich Feststoffanteile in den Hohlräumen zwischen den gefilzten metallischen Partikel ansammeln können. Durch die asymmetrische Ausbildung wird erreicht, dass die Hohlräume in Richtung radial auswärts kleiner werden und zwar das Rauchgas selbst durchtreten kann, die darin enthaltenen Feststoffanteile aber in der Metallstruktur zurück gehalten werden.The metal structure can thus be formed, for example, as a mat body with the support structure on a cover side of the mat and the mat body thus formed can surround a pipe-shaped and permeable to the flue gas pipe, so that the flue gas can enter radially into the mat structure and solid particles in the cavities between the felted metallic particles can accumulate. As a result of the asymmetrical design, it is achieved that the cavities become smaller in the direction radially outward, and indeed the flue gas itself can pass through, but the solids contained therein are retained in the metal structure.
Um den asymmetrischen Aufbau zu erreichen, ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Packungsdichte der Metallstruktur in Richtung zur Trägerstruktur hin abnimmt. Unter der Packungsdichte wird dabei die Zahl der metallischen Partikel pro Volumeneinheit der Metallstruktur verstanden. Eine hohe Zahl von metallischen Partikeln pro Volumeneinheit sorgt dafür, dass die zwischen den Partikeln vorhandenen Hohlräume kleinvolumig sind, und daher die für den Durchtritt von Feststoffanteilen aus dem Rauchgas zur Verfügung stehenden Flächen klein sind, während eine niedrigere Zahl von metallischen Partikeln dafür sorgt, dass die Hohlräume groß sind und daher die Eindringtiefe der Feststoffanteile in die Metallstruktur groß ist. Die Feststoffanteile können daher von der Trägerstruktur ausgehend in die gefilzte oder filzähnliche Metallstruktur eindringen, sie aber nicht durchdringen.In order to achieve the asymmetric structure, it is provided according to a development of the invention that the packing density of the metal structure decreases in the direction of the support structure. The packing density is understood to mean the number of metallic particles per unit volume of the metal structure. A high number of metallic particles per unit volume ensures that the voids present between the particles are small-volume, and therefore the areas available for the passage of solids from the flue gas are small, while a lower number of metallic particles ensures that the cavities are large and therefore the penetration depth of the solids in the metal structure is large. The solid components can therefore penetrate from the support structure in the felted or felt-like metal structure, but they do not penetrate.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die Metallstruktur metallische Fäden und/oder Fasern aufweist. Die Fäden und/oder Fasern können unterschiedliche Längen und unterschiedliche Durchmesser aufweisen, so dass die vorstehend beschriebene Packungsdichte gezielt gesteuert werden kann, also beispielsweise Fäden und/oder Fasern mit größerem Durchmesser näher zur Trägerstruktur angeordnet sind als Fäden und/oder Fasern mit kleinerem Durchmesser.According to a development of the invention, it is provided that the metal structure has metallic threads and / or fibers. The threads and / or fibers can have different lengths and different diameters, so that the above-described packing density can be controlled selectively, that is, for example, threads and / or fibers with a larger diameter are arranged closer to the support structure than threads and / or fibers with a smaller diameter.
Auch ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Metallstruktur nichtmetallische Fäden und/oder Fasern aufweist, bei denen es sich beispielsweise um keramische oder Quarzbestandteile aufweisende Fäden und/oder Fasern handeln kann, so dass die Masse der Metallstruktur pro Volumeneinheit ebenfalls gezielt gesteuert werden kann.It is also provided according to a development of the invention that the metal structure comprises non-metallic filaments and / or fibers, which may be, for example, ceramic or quartz constituent filaments and / or fibers, so that the mass of the metal structure per unit volume also controlled specifically can be.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Herstellung einer gefilzten oder filzähnlichen Metallstruktur, das den Schritt des thermischen Sinterns metallischer Fasern und/oder Fäden umfasst. Durch das thermische Sintern wird erreicht, dass die Fasern und/oder Fäden an den Punkten, an denen sie sich berühren, eine Verbindung miteinander eingehen und so eine mechanisch belastbare Struktur geschaffen wird, bei der die Gefahr des sich Lösens von Fäden und/oder Fasern aus der Struktur verringert ist, so dass keine Notwendigkeit mehr gegeben ist, zu beiden Deckseiten der Metallstruktur eine Decklage vorzusehen.The invention also provides a method of making a felted or felt-like metal structure comprising the step of thermally sintering metallic fibers and / or filaments. By thermal sintering is achieved that the fibers and / or threads at the points at which they touch, connect with each other and so a mechanically resilient structure is created, in which the risk of loosening threads and / or fibers is reduced from the structure, so that there is no longer a need to provide a cover layer on both sides of the cover metal structure.
Auch ist es nach einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass eine Oberflächenbehandlung an der gefilzten oder filzähnlichen Metallstruktur durchgeführt wird, indem eine Beschichtung auf der Metallstruktur mittels einer galvanischen Abscheidung durchgeführt wird und/oder eine Beschichtung auf der Metallstruktur mittels einer physikalischen Gasphasenabscheidung durchgeführt wird.It is also provided according to a development of the method that a surface treatment on the felted or felt-like metal structure is carried out by a coating on the metal structure is carried out by means of a galvanic deposition and / or a coating on the metal structure by means of a physical vapor deposition is performed.
Dadurch kann beispielsweise eine katalytische Beschichtung der Metallstruktur erreicht werden, so dass die Metallstruktur nicht nur zur Partikelabscheidung aus dem Rauchgas geeignet ist, sondern auch zur Nachbehandlung des Rauchgases durch beispielsweise Oxidation oder Reduzierung der Stickoxide im Rauchgas.As a result, for example, a catalytic coating of the metal structure can be achieved so that the metal structure is suitable not only for particle separation from the flue gas, but also for after-treatment of the flue gas by, for example, oxidation or reduction of the nitrogen oxides in the flue gas.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch vorgesehen, dass Fäden und/oder Fasern mit unterschiedlicher Querschnittsfläche zur Bildung der Metallstruktur verwendet werden. So ist es beispielsweise möglich, in einer Schnittansicht kreuzförmig oder trapezförmig ausgebildete Fäden und/oder Fasern zur Bildung der Metallstruktur zu verwenden. Der Einsatz unterschiedlicher Querschnittsflächen hat den Vorteil, dass dadurch bereits eine gute Haftverbindung der einzelnen unterschiedlich geformten Fasern und/oder Fäden erreicht werden kann, bevor die Metallstruktur durch einen thermischen Sintervorgang verfestigt wird, da aufgrund der unterschiedlichen Querschnittsflächen sich die Fasern und/oder Fäden untereinander verhaken und somit bereits eine in sich feste Struktur erzielt werden kann.According to a development of the method according to the invention, it is also provided that threads and / or fibers with a different cross-sectional area are used to form the metal structure. It is thus possible, for example, to use cross-shaped or trapezoidal threads and / or fibers in a sectional view to form the metal structure. The use of different cross-sectional areas has the advantage that thereby already a good adhesion of the individual differently shaped fibers and / or threads can be achieved before the metal structure is solidified by a thermal sintering process, since due to the different cross-sectional areas, the fibers and / or threads with each other and thus already a solid structure can be achieved.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch vorgesehen, dass Fasern und/oder Fäden mit von einer gestreckten Konfiguration abweichenden Konfiguration verwendet werden. So können beispielsweise ähnlich einem Korkenzieher wendelförmige oder verdrillte Fasern und/oder Fäden zur Bildung der Metallstruktur verwendet werden. Diese Konfiguration sorgt dafür, dass sich die einzelnen Fasern und/oder Fäden miteinander zur Bildung einer festen Struktur verhaken.According to a development of the method according to the invention, it is also provided that fibers and / or threads are used with a different configuration from a straight configuration. For example, like a corkscrew, helical or twisted fibers and / or filaments may be used to form the metal structure. This configuration ensures that the individual fibers and / or threads interlock with each other to form a solid structure.
Auch ist es nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass Fasern und/oder Fäden mit einer von einer glattflächigen Außenkontur abweichenden Außenkontur zur Bildung der Metallstruktur verwendet werden. Die Fasern und/oder Fäden können beispielsweise an der Außenkontur mit Schuppen versehen sein oder auch eine poröse Struktur aufweisen. Eine solche Ausbildung sorgt dafür, dass die Oberfläche der Metallstruktur verglichen mit der Oberfläche einer aus glattflächigen Fasern und/oder Fäden gebildeter Metallstruktur deutlich ansteigt und somit die zur an Lagerung der abzuscheidenden Feststoffanteile zur Verfügung stehenden Aufnahmeflächen ansteigt.It is also provided according to a development of the method according to the invention that fibers and / or threads are used with a deviating from a smooth outer contour outer contour to form the metal structure. The fibers and / or threads may, for example, be provided with scales on the outer contour or may also have a porous structure. Such a design ensures that the surface of the metal structure increases significantly compared to the surface of a metal structure formed from smooth-surfaced fibers and / or filaments, and thus increases the absorption surfaces available for the storage of the solids to be deposited.
Schließlich schafft die Erfindung auch eine Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, und einer mit der Brennkraftmaschine gekoppelten Katalysatoreinrichtung, die sich dadurch auszeichnet, dass die Vorrichtung stromabwärts der Brennkraftmaschine und stromaufwärts der Katalysatoreinrichtung angeordnet ist. Finally, the invention also provides an internal combustion engine having a device as described above and a catalyst device coupled to the internal combustion engine, which is characterized in that the device is arranged downstream of the internal combustion engine and upstream of the catalyst device.
Damit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Rauchgas der Brennkraftmaschine als strömungstechnisch erste Einrichtung im Abgastrakt beaufschlagt werden und somit verhindert werden, dass die Katalysatoreinrichtung mit Rauchgas beaufschlagt wird, das eine große Menge von Feststoffanteilen aufweist. Eine solche Konfiguration sorgt dafür, dass der Katalysator kleiner ausgebildet werden kann als ein Katalysator, wie er in bekannter Weise unmittelbar strömungstechnisch im Anschluss der Brennkraftmaschine angeordnet ist.Thus, the device according to the invention can be acted upon with the flue gas of the internal combustion engine as the fluidically first device in the exhaust system and thus be prevented that the catalyst device is subjected to flue gas having a large amount of solids. Such a configuration ensures that the catalyst can be made smaller than a catalyst, as it is arranged in a known manner directly fluidically in the connection of the internal combustion engine.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. This shows in:
Die Metallstruktur
In der Zeichnungsebene linksseitig von der Trägerstruktur ist ein asymmetrischer Faserstrukturaufbau
Die Faserstruktur
Der der in
Darüber hinaus ist die Faserstruktur
Wie es ohne weiteres ersichtlich ist, kann der Faden
Ebenfalls alternativ oder zusätzlich können auch Fäden
Stromabwärts des Abgasfilters
Da dem Rauchgas auch die Feststoffanteile bereits im Abgasfilter
Durch die spezifischen Oberflächenstruktur der Metallfäden, wie beispielsweise Schuppen, die Ausbildung poröse Oberflächen durch Leaching, kann die wirksame Oberfläche der Metallstruktur deutlich vergrößert werden und damit die Partikelanhaftung verbessert werden.Due to the specific surface structure of the metal threads, such as flakes, the formation of porous surfaces by leaching, the effective surface of the metal structure can be significantly increased and thus the particle adhesion can be improved.
Die Metallfäden können katalytisch beschichtet werden, um gleichzeitig die entstieg und Oxidation des Rauchgases durchführen zu können. Durch eine plastische Verformung der Metallfäden zur Bildung beispielsweise einer Wellenform können die mechanischen und abscheidetechnischen Eigenschaften der Metallstruktur verbessert werden. Auch kann die Metallstruktur nach ihrer Ausbildung noch durch eine mechanische Verformung nachbearbeitet werden, um beispielsweise die Packungsdichte zu beeinflussen. Durch einen thermischen Sinterprozess kann die mechanische Festigkeit der Metallstruktur verbessert werden, durch die Kombination von unterschiedlich dicken und unterschiedlich geformten Fasern und/oder Fäden aus Metall kann einerseits die Festigkeit der Metallstruktur beeinflusst werden und andererseits auch die Packungsdichte eingestellt werden. Schließlich ist es auch möglich, nichtmetallische Fäden und/oder Fasern mit metallischen Fäden und/oder Fasern zur Bildung der Metallstruktur zu kombinieren, um beispielsweise die Masse der mit der Metallstruktur gebildeten Filterstruktur zu verringern.The metal filaments can be catalytically coated in order to be able to simultaneously carry out the emergence and oxidation of the flue gas. By a plastic deformation of the metal threads to form, for example, a waveform, the mechanical and deposition properties of the metal structure can be improved. Also, the metal structure can be post-processed by a mechanical deformation after their training, for example, to influence the packing density. By a thermal sintering process, the mechanical strength of the metal structure can be improved by the combination of different thickness and differently shaped fibers and / or filaments of metal on the one hand, the strength of the metal structure can be influenced and on the other hand, the packing density can be adjusted. Finally, it is also possible to combine non-metallic filaments and / or fibers with metallic filaments and / or fibers to form the metal structure, for example to reduce the mass of the filter structure formed with the metal structure.
Im Einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf die Einsprechende Zeichnung verwiesen.In particular, not explained in more detail features of the invention, reference is otherwise expressly made to the opponent drawing.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Metallstrukturmetal structure
- 22
- Trägerstruktursupport structure
- 33
- Faserstrukturaufbau, FaserstrukturFiber structure, fiber structure
- 44
- Verstärkungsdrahtreinforcing wire
- 55
- Metallfasernmetal fibers
- 66
- Verbindungspunktjunction
- 77
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 88th
- Faser, FadenFiber, thread
- 99
- Faser, FadenFiber, thread
- 1010
- Faser, FadenFiber, thread
- 1111
- Faser, FadenFiber, thread
- 1212
- Filterstrukturenfilter structures
- 1313
- Faser, FadenFiber, thread
- 1414
- Schuppenshed
- 1515
- Abgasfilterexhaust filter
- 1616
- Katalysatorcatalyst
- 1717
- Wärmetauscherheat exchangers
- 1818
- RauchgasabzugFlue gas exhaust
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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