CH621492A5

CH621492A5 - Gas ioniser for an electrostatic precipitator

Info

Publication number: CH621492A5
Application number: CH1246377A
Authority: CH
Inventors: James Joseph Schwab; Owen James Tassicker
Original assignee: Electric Power Res Inst
Priority date: 1977-04-07
Filing date: 1977-10-12
Publication date: 1981-02-13
Also published as: IT1090921B; CA1102257A; AU2919577A; JPS53125675A; FR2386353B1; AU511788B2; GB1591826A; DE2744557A1; SE7712050L; FR2386353A1; SU820647A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gasionisator gemäss diem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und auf ein Verfahren zum Betrieb des Gasionisators.

Die Vorschriften für die zulässige Emission von Feststoffen in Abgasen von mit Kohle betriebenen elektrischen Kraftwerken werden zunehmend strenger. Die zurzeit geltenden Vorschriften verlangen, dass mehr als 99% der beim Verbrennen s von Kohle erzeugten Flugasche aus den Abgasen entfernt werden, bevor diese Gase durch Schornsteine an die Atmosphäre abgegeben werden. Dies bedingt, dass die Wirksamkeit der Teilchenabscheidung mit dem Aschengehalt der Kohle zunehmen muss. Zum Vermindern der Emission von bestimm-10 ten gasförmigen Verunreinigungen, insbesondere von Schwefeloxiden, wird neuerdings zunehmend Kohle mit niedrigem Schwefelgehalt in elektrischen Kraftwerken verfeuert.

Der elektrostatische Abscheider ist die am meisten verwendete Vorrichtung zur Entfernung von teilchenförmigem 15 Material aus Abgasen von thermischen Kraftwerken. Die Grösse eines solchen Abscheiders hängt vom verlangten Wirkungsgrad der Abtrennung von Flugasche von den Abgasen ab. Soll dieser Wirkungsgrad gross sein, so ist ein entsprechend grosser und teurer Abscheider notwendig. Da ferner der elek-20 trische Widerstand von Flugasche mit abnehmendem Schwefelgehalt der verbrannten Kohle zunimmt, führt die Verwendung von schwefelarmer Kohle zu einer Flugasche mit hohem elektrischem Widerstand. Wie festgestellt wurde, muss zur Erzeugung eines bestimmten Abscheidewirkungsgrades mit 25 zunehmendem elektrischem Widerstand der Flugasche der elektrostatische Abscheider grösser gemacht werden, so dass die Verwendung von schwefelarmer Kohle zur Verringerung der Schwefeloxidemission zu einer weiteren Zunahme der Grösse und damit der Kosten des für einen bestimmten Ab-30 scheidewirkungsgrads erforderlichen elektrostatischen Abscheiders führt.

Es sind hochintensive Ionisatoren bekannt, in denen durch eine Elektrodenanordnung eine stabile hochintensive Koronaentladung erzeugt wird, durch welche das mit den Feststoffteil-35 chen beladene Gas hindurchgeht. Die ionisierten Abgase erzeugen eine weit stärkere Aufladung der Feststoffteilchen, als dies bei einem der üblichen elektrostatischen Abscheider der Fall ist. Wenn hinter einem solchen Ionisator ein elektrostatischer Abscheider angeordnet wird, bewirkt die stärkere Teil-40 chenladung eine grössere Driftgeschwindigkeit der Teilchen und damit einen höheren Abscheidewirkungsgrad des Abscheiders. Bei einer solchen zweistufigen Anordnung dient der Ionisator als Ladestufe und der Abscheider als Abscheidestufe.

Solche hochintensiven Ionisatoren besitzen zwei koaxiale 45 Elektroden, welche ein starkes elektrisches Feld erzeugen, das sich in radialer Richtung ausdehnt und in axialer Richtung parallel zur Richtung des Gasstroms ist. Die Anode dieser Elektrodenanordnung hat die Form eines Venturirohres, durch welches die Abgase strömen, bevor sie in den Abscheider ein-50 treten. Die Kathode der Anordnung ist eine Scheibe, die koaxial in der Verengung des Venturirohres montiert ist und einen abgerundeten Rand besitzt. Der Durchmesser der Scheibe ist wesentlich kleiner als der kleinste Innendurchmesser des Venturirohres. Wenn die Anode und die Kathode an eine 55 Hochspannungsquelle angeschlossen werden, entsteht in einem ringförmigen Bereich zwischen dem abgerundeten Rand der Kathodenscheibe und der diese umgebenden, zylindrischen Anodenoberfläche eine hochintensive Koronaentladung. Da das Feld in Richtung des Gasstroms relativ schmal ist, wird 60 eine hohe Feldstärke erzielt, ohne dass eine übermässig grosse elektrische Leistung aufgewendet werden muss. Durch die hohe Geschwindigkeit, mit der das Gas durch das Venturirohr strömt, und das starke elektrische Querfeld im Rohr, wird eine intensive Ionisation und damit eine starke Aufladung der Fest-65 stoffteilchen im Gas erzielt, wodurch ein hoher Abscheidewirkungsgrad auch bei hohem elektrischem Widerstand der Fest-stoffteilchen erzielt wird, wie dies bei Flugasche von schwefelarmer Kohle der Fall ist.

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Die bekannten Ionisatoren der vorstehend beschriebenen Art haben jedoch den Nachteil, dass sich an der zylindrischen Anodenwand in der Nähe der Ebene der Koronaentladung geladene Teilchen ablagern. Diese Ablagerung von Teilchen mit hohem Widerstand führt zum Aufbau einer Gegenkorona und zur Funkenbildung, wodurch das elektrische Feld gestört und der Wirkungsgrad der Aufladung der Teilchen verschlechtert wird. Zur Beseitigung dieses Nachteils wurde bereits vorgeschlagen, die Anodenoberfläche im genannten Bereich zu reinigen, um unerwünschte Ablagerungen zu entfernen und Störungen der Koronaentladung zu verhindern. Bei einer Art von Anodenreinigung wird Reinigungsgas in das Venturirohr im Bereich der Koronaentladung eingeblasen, so dass ein Schutzgasstrom zwischen der Anodenwand und den geladenen Teilchen im Abgasstrom gebildet wird. Eine besonders wirkungsvolle Einrichtung zum Einblasen von Reinigungsgas ist in der US-PS Nr. 4 108 615 beschrieben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Gasionisator der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Reinigung wesentlich erleichtert ist, verglichen mit Gasionisatoren bekannter Art.

Der erfindungsgemässe Gasionisator ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet.

Die Fokussierelektroden können so bemessen sein, dass an den Rändern des Koronastroms ein starkes elektrisches Feld in der Nähe der Anodenoberfläche erzeugt wird. Die Fokussierelektroden können kreisförmigen Querschnitt besitzen und sich auf jeder Seite der Kathodenscheibe über eine Strecke erstrecken, die angenähert gleich dem Spalt zwischen dem Umfang der Kathode und der diese umgebenden Anodenwand ist.

Die stromabseitige, zylindrische Fokussierelektrode kann an ihrem Ende durch eine halbkugelförmige Kappe abgeschlossen sein. Der Durchmesser der zylindrischen Fokussierelektroden beträgt vorzugsweise 20 bis 40% des Innendurchmessers der Anode, ist jedoch nicht grösser als der Durchmesser der Kathode.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines mehrstufigen elektrostatischen Abscheiders mit Ionisatoren nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrösserte Seitenansicht einer Ionisatorstufe des Abscheiders nach der Fig. 1 mit weggelassenen Teilen, so dass die Anordnung der lonisatorelemente sichtbar ist,

Fig. 3 eine Vorderansicht der lonisatorstufe nach der Fig. 2 mit geöffnetem Einlass und

Fig. 4 eine vergrösserte, teilweise geschnittene Ansicht eines Ionisatorelements.

Die Fig. 1 zeigt die Seitenansicht eines elektrostatischen Abscheiders mit erfindungsgemässen Ionisatoren. Der Abscheider besitzt einen Gaseinlass 11 für den Eintritt von zu reinigendem Gas in Richtung des Pfeils 12, einen Gasauslass 13, von dem das gereinigte Gas, wie durch den Pfeil 14 angedeutet, einer stromabliegenden Einrichtung, zum Beispiel einer Leitung für die Abgabe des gereinigten Gases an die Atmosphäre, zugeführt wird und zwei hintereinandergeschaltete Ionisator-Abscheideeinheiten 15, 15'. Jede Ionisator-Abscheideeinheit 15, 15' umfasst eine Ionisatorstufe 16 bzw. 16' und zwei elektrostatische Abscheidestufen 17,18 bzw. 17', 18'. Jede Ionisatorstufe 16, 16' und Abscheidestufe 17, 17', 18, 18' besitzt einen Hochspannungsanschluss 19, der mit einer Hochspannungsquelle verbunden ist, und einen Sammelbehälter 20, in dem das teilchenförmige Material gesammelt wird, welches vom durch die Einheiten 15, 15' strömende Gas abgeschieden wurde.

Das mit dem teilchenförmigen Material beladene Gas tritt durch den Einlass 11 in den Abscheider nach der Fig. 1 ein und strömt durch die erste Ionisierstufe 16, in der die Teilchen im Gas elektrisch geladen werden. Das die geladenen Teilchen enthaltende Gas strömt dann durch die beiden aufeinanderfolgenden Abscheidestufen 17, 18, in denen die geladenen Teilchen durch ein sich quer zur Gasströmung erstreckendes elektrisches Feld aus dem Strömungsweg des Gases abgelenkt und in den Sammelbehältern 20 der Abscheidestufen 17, 18 gesammelt werden. Das aus der Abscheidestufe 18 austretende Gas strömt zur weiteren Reinigung durch die Ionisatorstufe 16' sowie die Abscheidestufen 17', 18'. Das gereinigte Gas tritt aus der Abscheidestufe 18' durch den Gasauslass 13 aus und wird einer stromabliegenden Einrichtung zugeführt.

In den Fig. 2 und 3 ist die erste Ionisatorstufe 16 mit dem Gaseinlass 11 genauer dargestellt. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, umfasst der Einlass 11 eine trapezförmige hohle Leitung, die auf ihrer stromabliegenden Seite mit einem Gasverteiler 22 verbunden ist. Der Verteiler 22 ist mit einer Eintrittskammer 23 verbunden, die durch die Seitenwände des Gehäuses der lonisiereinheit 16 und eine vertikale Stirnwand 24 begrenzt wird.

In der Ionisatorstufe 16 ist eine Mehrzahl rohrförmiger Venturidiffusoren 27 in regelmässiger Anordnung vorgesehen, wobei sich in das eine Ende (im vorliegenden Fall in das stromaufliegende Ende) jedes Venturirohres 27 ein koaxialer Elektrodenträger 28 erstreckt. Die Elektrodenträger 28 sind mit Stangen 29 verbunden, die in vertikaler Richtung verlaufen und parallel zueinander sind und die an ihren oberen Enden mit einer Querstange 31 verbunden sind. Die Querstange 31 ist mit einer Leiterstange 32 verbunden, die sich vom Inneren der Ionisatorstufe 16 zu einer Abdeckhaube 33 erstreckt, an die über einen Hochspannungsanschluss 34 Hochspannung von einer Hochspannungsquelle (nicht dargestellt) geliefert wird. Das stromabseitige Ende, d. h. der Aus-lass jedes Venturirohres 27, mündet in eine Auslasskammer 36, die mit dem Einlass der elektrostatischen Abscheidestufe 17 verbunden ist.

Jeder Sammelbehälter 20 besitzt zur Überwachung und Reinigung eine entfernbare Türe 40 und eine Abstützung 41 für einen Vibrator, der am Behälter 20 angeordnet werden kann, um das Absetzen des im Behälter 20 gesammelten Materials am Behälterboden 42 zu unterstützen. Der Boden 42 ist mit einer Öffnung (nicht dargestellt) zur Entnahme des angesammelten Materials versehen.

Jedes Venturielement 27 bildet zusammen mit der vom zugeordneten Träger 28 getragenen Elektrode ein Elektrodenpaar zum Erzeugen eines starken elektrischen Feldes quer zum Strömungsweg des Gases durch die Ionisierstufe 16. Zu diesem Zweck ist die von jedem Träger 28 getragene Elektrode über die Stange 29 mit dem negativen Pol und jedes Venturirohr 27 über das Gestell des Abscheiders mit dem positiven Pol einer Hochspannungsquelle verbunden, so dass jede von einem Träger 28 getragene Elektrode eine Kathode und jedes Venturielement 24 eine Anode bildet.

Wenn zwischen den Anoden und Kathoden Hochspannung angelegt ist, werden die im Gasstrom enthaltenen Teilchen beim Durchgang durch die Verengung der Venturirohre elektrisch geladen. Damit praktisch alle geladenen Teilchen bis zur Ankunft in der stromabliegenden Abscheidestufe 17 oder 18 im Gasstrom bleiben und sich nicht auf der Anode absetzen, wird die in der Fig. 4 dargestellte Elektrodenanordnung verwendet.

Wie die Fig. 4 zeigt, besitzt jedes Venturielement 24 einen sich nach einwärts konisch verjüngenden Einlassteil 45, einen mittleren zylindrischen Teil 46 und einen sich nach auswärts konisch vergrössernden Auslassteil 47. Die Kathode umfasst

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eine elektrisch leitende Scheibe 50 mit abgerundetem Rand, welcher über die Aussenfläche des Trägers 28 vorsteht. Die Scheibe 50 ist im zylindrischen Teil 46 des Venturielements 27 koaxial angeordnet und liefert ein scharf begrenztes elektrisches Feld in Form einer Koronaentladung zwischen dem abgerundeten Rand der Scheibe 50 und der die Scheibe 50 umgebenden Anodenoberfläche 52, wenn ein hohes Potential angelegt wird.

Auf beiden Seiten der Kathodenscheibe 50 ist je eine Fokussierelektrode 53 bzw. 54 montiert. Diese Elektroden sind zylindrisch und zur Scheibe 50 koaxial. Die Elektroden 53 und 54 stehen mit der Scheibe 50 in elektrischem Kontakt und befinden sich somit ebenfalls auf Kathodenpotential. Die stromaufseitige Fokussierelektrode 53 kann durch den entsprechend geformten Träger 28 gebildet sein, wobei dann das stromabseitige Ende des Trägers 28 die stromaufseitige Fokussierelektrode 53 bildet. Die stromabseitige Fokussierelektrode 54 kann ein Fortsatz des Trägers 28 sein, der sich stromab über die Kathodenscheibe 50 hinaus erstreckt und durch eine halbkugelförmige Kappe 54a verschlossen ist. Die Elektrode 54 kann mit der Elektrode 53 durch einen Schraubenbolzen verbunden sein, der sich von der Elektrode 54 durch die Kathodenscheibe 50 in den Träger 28 erstreckt.

Die Fokussierelektroden 53 und 54 vergrössern die Stärke des elektrischen Feldes an den Rändern des Entladestrombereichs 56 stromauf und stromab von der Entladungsebene des Ionisators. Das starke elektrische Feld in diesen Bereichen treibt die Ionen mit grösserer Geschwindigkeit zur Anode,

wodurch die Ionendrift infolge gegenseitiger Abstossung stromauf und stromab von der Entladungsebene kleiner wird. Dadurch wird die Breite des Entladestrombereichs an der Anode stark verkleinert und damit auch die Grösse der zu 5 reinigenden Anodenoberfläche. Damit wird auch die Reinigung durch das Reinigungsgas erleichtert und ein grösserer Wirkungsgrad der Teilchenabscheidung erzielt.

Die Fokussierelektroden 53 und 54 erstrecken sich stromauf und stromab von der Kathodenscheibe 50 über eine Strek-10 ke, die angenähert gleich der Breite des Spalts zwischen der Kathodenscheibe 50 und der diese Scheibe umgebenden Anodenwand ist. Die zylindrischen Fokussierelektroden können zur Verhinderung von Koronaleckströmen durch halbkugelförmige Kappen abgeschlossen sein, wie am Beispiel der 15 Elektrode 54 gezeigt. Die Fokussierelektroden können auch länger als die genannte Spaltbreite sein, ohne dass sich die Eigenschaften des Ionisators verschlechtern, wie dies beispielsweise in der Fig. 4 bei der Elektrode 53 der Fall ist, die durch den Träger 28 gebildet wird, der sich aus der Einlassseite 20 des Venturielements 27 bis zur Stange 29 erstreckt.

Der Durchmesser der zylindrischen Fokussierelektroden beträgt 20 bis 40% des Innendurchmessers des die Kathodenscheibe umgebenden Anodenteils. Wenn der Elektrodendurchmesser grösser oder klein ist, entstehen auf der Oberflä-25 che grössere Koronaleckströme. Jedoch werden auch mit Fokussierelektroden mit anderen Durchmessern als den angegebenen bessere Ergebnisse erhalten als ohne solche Elektroden.

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1 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Gasionisator für einen elektrostatischen Abscheider, gekennzeichnet durch mindestens einen Venturidiffusor (27) zum Verbinden einer Quelle von mit Feststoffteilchen belade-nem Gas mit dem elektrostatischen Abscheider (17; 18), eine im Venturidiffusor angeordnete Entladungselektrode (50),

eine zwischen dem Venturidiffusor und der Entladungselektrode liegende Hochspannungsquelle zum Erzeugen eines hochintensiven elektrischen Feldes im Venturidiffusor quer zum Strömungsweg des mit den Teilchen beladenen Gases und durch eine erste und eine zweite zylindrische Fokussierelek-trode (53, 54) zum Fokussieren des Koronastroms zwischen dem Venturidiffusor und der Entladungselektrode, so dass die Breite des Koronastroms in Strömungsrichtung des Gases und damit der einer Teilchenablagerung ausgesetzte Oberflächenteil (52) des Venturidiffusors verkleinert wird, wobei der Aussendurchmesser der beiden Fokussierelektroden kleiner ist als der Aussendurchmesser der Entladungselektrode und die Fokussierelektroden mit der Entladungselektrode elektrisch so verbunden sind, dass die Fokussierelektroden wenigstens angenähert das gleiche elektrische Potential aufweisen wie die Entladungselektrode.
2. Ionisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Entladungselektrode als Kathodenscheibe (50) mit abgerundetem Rand ausgebildet und koaxial im Venturidiffusor montiert ist und dass die erste Fokussierelektrode (53) sich stromaufwärts von der Kathodenscheibe (50) und die zweite Fokussierelektrode (54) sich stromabwärts von der Kathodenscheibe erstreckt und in einer halbkugelförmigen Kappe (54a) endet.
3. Ionisator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass die erste Fokussierelektrode (53) sich über den Eingangsbereich (45) des Venturidiffusors hinaus erstreckt.
4. Ionisator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der beiden Fokussierelektroden (53, 54) gleich gross ist und das 0,2- bis 0,4fache des Innendurchmessers der Verengung des Venturidiffusors beträgt, welche Verengung die Entladungselektrode (50) umgibt.
5. Ionisator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

dass sich die Fokussierelektroden (53, 54) zu beiden Seiten der Kathodenscheibe (50) über eine Länge erstrecken, die mindestens gleich dem Abstand zwischen dem Scheibenrand und der die Kathodenscheibe umgebenden Oberfläche (52) des Venturidiffusors ist.
6. Ionisator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeelektrode (50) so mit der Spannungsquelle verbunden ist, dass die Entladeelektrode gegenüber dem Venturidiffusor (27) ein negatives Potential aufweist.
7. Verfahren zum Betrieb des Ionisators nach Anspruch 1, wobei die Entladungselektrode (50) durch eine zentrale Kathode gebildet ist, die von einer zylindrischen Anodenfläche (52) des Venturidiffusors (27) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass an die Fokussiermittel (53, 54) das gleiche Potential wie an die Kathode angelegt wird, wodurch das elektrische Feld beidseits der Kathode verstärkt und die Geschwindigkeit der Ionen in Richtung zur Anode vergrössert und die Ionendrift in axialer Richtung des Venturidiffusors verringert wird.