CH625975A5 - Electrostatic precipitator for removing solid particles from a gas or gas mixture - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrostatischen Abscheider gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Vorschriften für die zulässigen Emissionen von teil-chenförmigem Material in Rauchgasen von kohlegefeuerten elektrischen Kraftwerken werden weltweit zunehmend strenger. So sind Vorschriften bekannt, die verlangen, dass mehr als 99% der bei der Verbrennung von Kohle erzeugten Flugasche entfernt werden, bevor die Verbrennungsgase durch den Kamin in die Atmosphäre geleitet werden. Dies bedeutet, dass der Wirkungsgrad der Teilchenabscheidung proportional mit dem Aschengehalt der Kohle zunehmen muss. Zur Verminderung der Emissionen von bestimmten gasförmigen Schadstoffen, insbesondere von Schwefeloxiden, muss ferner zunehmend schwefelarme Kohle in elektrischen Kraftwerken verfeuert werden.

Die zur Entfernung vom teilchenförmigen Material aus Abgasen von thermischen Kraftwerken am häufigsten verwendete Vorrichtung ist der elektrostatische Abscheider. In einem zweistufigen elektrostatischen Abscheider strömt das mit Teilchen beladene Gas nacheinander durch eine Ladestufe und eine Sammelstufe. In der Ladestufe strömt das Gas durch eine Koronaentladung, so dass die Teilchen beim Verlassen der Ladestufe eine positive oder negative Ladung besitzen. In der Sammelstufe gehen die Teilchen durch ein elektrisches Koronafeld mit niederer Intensität, welches die Bewegung der Teilchen zu einer Sammelelektrode bewirkt, an der sich die Teilchen sammeln und anschliessend aus der Sammelstufe entfernt werden. In einem einstufigen Abscheider gehen die Teilchen zwischen zwei Elektroden hindurch, zwischen denen ein elektrisches Feld vorhanden ist, das einen Koronastrom erzeugt. Durch den Koronastrom werden die Teilchen geladen und wandern dann zu einer der Elektroden, an der sich die Teilchen sammeln und von der sie dann entfernt werden. Bei einem einstufigen Abscheider bildet somit die Ladestufe und die Sammelstufe eine einzige Einheit. Der Wirkungsgrad eines elektrostatischen Abscheiders wird hauptsächlich durch die Grösse der Ladung bestimmt, die in der Ladestufe auf die Teilchen aufgebracht wird. Diese Ladung kann durch Vergrös-sern der Intensität des die Koronaentladung erzeugenden elektrischen Feldes vergrössert werden. Die maximale Intensität des elektrostatischen Feldes muss jedoch kleiner als der Grenzwert sein, bei dem ein Überschlag und eine Rückwärtskoro-naentladung infolge Ansammeln von Teilchen auf der passiven Elektrode (d.h. der Elektrode, die keinen Koronastrom emittiert) auftreten.

Obgleich Rückwärtskoronaentladungen durch Beschränkung der Dicke der Teilchenschicht auf der passiven Elektrode in gewissem Ausmass verringert werden können, ist auch dann die zulässige Stärke des elektrostatischen Feldes begrenzt, so dass nur eine beschränkte Ladung auf die Teilchen aufgebracht werden kann. Zur Vergrösserung des Abscheidewirkungsgrades muss die Verweilzeit der Teilchen im elektrischen Feld entweder durch Verringern der Geschwindigkeit mit der das mit den Teilchen beladene Gas durch die Sammelstufe strömt oder durch Vergrösserung der Länge der Sammelstufe vergrössert werden. Eine Verringerung der Teilchengeschwindigkeit in der Sammelstufe verkleinert jedoch die Abscheidekapazität dieser Stufe, und eine längere Sammelstufe vergrössert die Anlagekosten. Die elektrische Feldstärke, mit der die Ladestufe betrieben werden kann, ohne dass eine Rückwärtskoronaent-ladung und ein Überschlag auftreten, ist für Teilchen mit höherem spezifischem Widerstand kleiner. Der spezifische Widerstand von Flugasche steht im umgekehrten Verhältnis zum Schwefelgehalt der Kohle, durch deren Verbrennung sie erzeugt wird, so dass durch die zunehmende Verwendung von schwefelarmer Kohle auch die zur Erzielung eines hohen Abscheidewirkungsgrades notwendigen Kosten zunehmen, da zur Vermeidung von Rückwärtskoronaentladungen und Überschlägen besondere konstruktive Massnahmen getroffen werden müssen.

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Es wurden bereits eine Reihe von Massnahmen zur Verhinderung von Rückwärtskoronaentladungen und Überschlägen in Ionisatoren vorgeschlagen, um stärkere elektrostatische Felder verwenden zu können. Jedoch wurde mit keiner dieser Massnahmen ein voller Erfolg erzielt. Eine von H. J. White (Industriai Electrostatic Précipitation 328, Addison-Wesley 1963) beschriebene Massnahme besteht in der Behandlung von Teilchen mit hohem spezifischem Widerstand mit Feuchtigkeit und Säure, vor deren Eintritt in den Ionisator. Andere Massnahmen bezwecken die Verhinderung.der Bildung einer Teilchenschicht auf der passiven Elektrode des Ionisators durch Verwendung von sich bewegenden, bandförmigen Elektroden, rotierenden Bürsten oder anderen mechanischen Einrichtungen. Diese Massnahmen führten jedoch ebenfalls nicht zum gewünschten Erfolg, da auch sehr dünne Schichten aus teilchenförmigem Material starke Rückwärtskoronaentladungen bewirken können, wenn der spezifische Widerstand des Materials gross ist. Als wirkungsvolle Massnahme zur Verhinderung des Aufbaus von teilchenförmigem Material auf der passiven Elektrode eines Ionisators hat sich das kontinuierliche Spülen dieser Elektrode mit einem Wasserfilm erwiesen. Eine weitere wirkungsvolle Massnahme zur Verhinderung von Rückwärtskoronaentladungen und Überschlägen ist das Einstellen der Temperatur des teilchenförmigen Materials auf einen Wert, bei dem der temperaturabhängige spezifische Widerstand des Materials klein ist, zu welchem Zweck die Temperatur der Elektroden des Ionisators stromauf und stromab entsprechend geregelt wird. Diese Massnahme erfordert jedoch eine grosse Leistung.

Zur Verringerung von Rückwärtskoronaentladungen und Überschlägen zwischen der passiven Elektrode und der Entladeelektrode könnte auch ein Strombegrenzungswiderstand in Serie zur Entladeelektrode geschaltet werden, welcher bewirkt, dass der Entladestrom und damit die Stärke des elektrostatischen Feldes im Elektrodenspalt beim Einsetzen eines Überschlags verringert wird. Diese Massnahme erfordert jedoch eine grosse Leistung. Ein «abgestufter» Strombegrenzungswiderstand in Form einer dicken, flachen, halbleitenden Plattenelektrode aus mit Stahl verstärktem Beton ist von H. J. White, im Artikel «Resistivity Problems in Electrostatic Précipitation», erschienen im Journal of the Air Pollution Control Association, Heft 24, Seiten 336-337 (9174), beschrieben. Der genannte Artikel enthält jedoch keine Angaben über die kritischen Parameter dieser Elektrode (spezifischer Widerstand im Bereich der Elektrodenoberfläche, Materialfestigkeit, Durchschlagsfestigkeit), die eine praktische Anwendung dieser Technik bei Ionisatoren verschiedener Art ermöglichen würden.

Neuerdings wurden Ionisatoren mit einer Elektrodengeometrie entwickelt, mit deren Hilfe eine stabile Koronaentladung hoher Intensität erzeugt werden kann, durch welche das mit Teilchen beladene Gas strömt. Diese Ionisatoren ermöglichen eine weit stärkere Aufladung der Teilchen als die bisher bekannten Ionisatoren mit Draht-Zylinder- oder Draht-Plat-tengeometrie. Obgleich durch die Verwendung solcher Ionisatoren als Ladestufen in elektrostatischen Abscheidern, deren Abscheidewirkungsgrad wesentlich erhöht werden kann, bleiben Rückwärtskoronaentladungen und Überschläge weiter ein Problem, besonders bei teilchenförmigem Material mit sehr hohem spezifischem Widerstand, welches Material sich auf der aus Metall bestehenden passiven Elektrode des Ionisators aufbaut.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines elektrostatischen Abscheiders mit einem geeigneten Ionisator, bei dem die passive Elektrode zur Verhinderung von Rückwärtskoronaentladungen und Überschlägen mit einer Schicht aus Widerstandsmaterial überzogen ist.

Der Abscheider nach der vorliegenden Erfindung ist durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gekennzeichnet.

Der Ionisator kann als Ladestufe oder Sammelstufe des einstufigen oder zweistufigen elektrostatischen Abscheiders verwendet werden. Der spezifische Widerstand des Widerstandsmaterials ist vorzugsweise kleiner als das Verhältnis der Durchschlagsfestigkeit des Materials zur Stromdichte im Material. Dadurch wird erreicht, dass die Feldstärke im Material nicht grösser als die Durchschlagsfestigkeit des Materials wird, deren Grösse vorzugsweise 80 kV/cm beträgt. Die Dicke des Widerstandsmaterials sollte zur Vermeidung von Durchschlägen und damit verbundener Rückwärtskoronaentladungen und Überschlägen bei Atmosphärendruck und 150 °C grösser als 0,01 cm sein. Die maximale Dicke des Widerstandsmaterials ist vorzugsweise so gewählt, dass der Spannungsabfall über dem Material kleiner als 15%, vorzugsweise 5 bis 10% der angelegten Spannung ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit den beiliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines mehrstufigen elektrostatischen Abscheiders mit Ionisatorstufen, der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt,

Fig. 2 eine vergrösserte Seitenansicht einer Ionisatorstufe des Abscheiders nach Fig. 1 mit teilweise weggebrochener Seitenwand, aus der die Anordnung der Ionisatoreinheiten ersichtlich ist,

Fig. 3 eine Vorderansicht der Ionisatorstufe nach der Fig. 2 mit teilweise weggebrochenem Einlass, aus der die Anordnung der Ionisatoreinheiten ersichtlich ist,

Fig. 4 eine vergrösserte Schnittansicht einer Ionisatoreinheit,

Fig. 5 eine vergrösserte, geschnittene Teilansicht der Elektroden der Ionisatoreinheit nach der Fig. 4,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Regeleinrichtung für eine Ionisatorstufe,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Ionisatoreinheit mit einer Anode, die mit einer Widerstandsmaterialschicht versehen ist,

Fig. 8 eine vergrösserte Schnittansicht eines Teils der Anode nach Fig. 7,

Fig. 9 bis 11 weitere Ausführungsbeispiele von mit Widerstandsmaterialschichten versehenen Anoden,

Fig. 12 eine geschnittene perspektivische Ansicht eines Ionisators mit einer Draht-Zylindergeometrie, welcher eine mit Widerstandsmaterial beschichtete Anode umfasst,

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines Ionisators mit einer Draht-Plattengeometrie, welcher eine mit Widerstandsmaterial beschichtete Anode umfasst, und

Fig. 14 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Ionisators nach der Erfindung mit einer mit Widerstandsmaterial beschichteten Anode.

In Fig. 1 ist ein zweistufiger, elektrostatischer Abscheider schematisch dargestellt. Der Abscheider besitzt einen Gasein-lass 11 für den Einlass von zu reinigendem Gas 12, einen Gas-auslass 13, von dem das gereinigte Gas 14 zu einer stromab angeordneten Einrichtung, zum Beispiel einer Leitung für die Abgabe des reinen Gases an die Atmosphäre, strömt und zwei aufeinanderfolgende Ionisator-Abscheidestufen 15, 15'. Jede Ionisatorabscheidestufe 15,15' umfasst eine Ionisatorstufe 16 (16') und zwei elektrostatische Abscheidestufen 17,18 (17', 18'). Jede dieser Stufen ist mit einem Hochspannungsanschluss 19 zum Anschluss an eine Hochspannungsquelle und einem Sammelbehälter 20 zum Sammeln von teilchenförmigem Material versehen, das aus dem durch die Stufen 15, 15' strömenden Gas abgeschieden wird.

Das mit teilchenförmigem Material beladene Gas tritt durch den Einlass 11 in den Abscheider ein und strömt durch

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die erste Ionisatorstufe 16 in der die im Gas entladenen Teilchen elektrostatisch geladen werden. Das die geladenen Teilchen enthaltende Gas strömt anschliessend durch die Abscheidestufen 17, 18, in denen die geladenen Teilchen unter dem Einfluss eines sich quer zum Strömungsweg des Gases erstrek-kenden elektrischen Feldes aus dem Strömungsweg des Gases abgelenkt und in den Sammelbehältern 20 dieser Stufen gesammelt werden. Das aus der Abscheidestufe 18 austretende Gas strömt dann zur zusätzlichen Reinigung durch die Ionisatorstufe 16 und die Abscheidestufen 17', 18'. Das gereinigte Gas tritt durch den Auslass 13 aus der Abscheidestufe 18' aus und wird der stromab angeordneten Einrichtung zugeführt.

In den Fig. 2 und 3 ist der Gaseinlass 11 und die erste Ionisatorstufe 16 genauer dargestellt. Der Gaseinlass 11 umfasst eine hohle Leitung in Form eines Trapezoids, welche auf der stromab liegenden Seite mit einem Gasverteiler 22 verbunden ist. Der Gasverteiler 22 ist mit einer Eintrittskammer 23 verbunden, die im Gehäuse der Ionisatoreinheit 16 ausgebildet ist und durch die Seitenwände und die Bodenwand des Gehäuses sowie eine vertikale Stirnwand 24 begrenzt ist. Die Stirnwand 24 und eine weitere vertikale Stirnwand 25 begrenzen zusammen mit den Seitenwänden und der oberen und unteren Wand der Ionisatorstufe 16 eine Druckkammer'26, deren Zweck später beschrieben wird.

In der lonisatorstufe 16 ist eine Mehrzahl von Venturidif-fusoren 27 in regelmässiger Anordnung vorgesehen. In das stromaufseitige Ende von jedem Diffusor 27 erstreckt sich ein koaxialer Elektrodenträger 28. Jeder Träger 28 ist mit einem Leiterstangenrost 29 verbunden, der drei vertikale Leiterstangen umfasst, die an ihren oberen Enden durch eine Leiterstange 31 miteinander verbunden sind. Die Leiterstange 31 ist mit einer Leiterstange 32 verbunden, die sich vom Inneren der Ionisatorstufe 16 zu einer äusseren Abschirmhaube 33 erstreckt. An den Hochspannungsanschluss 34 der Stange 32 wird von einer Hochspannungsquelle (nicht dargestellt) Hochspannung geliefert. Das stromabseitige Ende jedes Diffusors mündet in eine Austrittskammer 36, welche mit dem Einlass der elektrostatischen Abscheidestufe 17 verbunden ist.

Der Sammelbehälter 20 ist zum Zweck der Reinigung und Inspektion mit einer entfernbaren Türe 40 versehen. Am Sammelbehälter 20 ist eine Vorrichtung 41 zum Befestigen eines Vibrators vorgesehen, der zum beschleunigten Absetzen des im Behälter 20 gesammelten Materials am Behälterboden 42 eingesetzt werden kann. Der Boden 42 ist mit einer ver-schliessbaren Öffnung (nicht dargestellt) versehen, durch welche das gesammelte Material dem Behälter entnommen werden kann. Die Sammelbehälter 20 der übrigen Stufen sind gleich ausgebildet.

Jeder Diffusor 27 und jeder zugeordnete koaxiale Träger 28 sind mit einer Elektrode versehen, welche Elektroden zur Erzeugung eines starken elektrostatischen Feldes quer zum Strömungsweg des durch die Ionisatorstufe 16 strömenden Gases dienen. Die von den Trägern 28 getragenen Elektroden sind über den Stangenrost 29 mit einem hohen negativen Potential und die Diffusoren 27 über den Rahmen des Abscheiders mit Erdpotential verbunden, so dass die Diffusoren Anoden und die Elektroden auf den Trägern 28 Kathoden bilden.

Wenn zwischen der Anode und Kathode eines Diffusors Hochspannung liegt, werden die Teilchen, welche im durch den Diffusor strömenden Gas enthalten sind, elektrostatisch geladen. Bei der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Elektrodenanordnung bleiben die geladenen Teilchen im Gasstrom bis zur Ankunft in der stromabseitigen Abscheidestufe 17 oder 18 und haften nicht auf der auf Erdpotential liegenden Anodenoberfläche.

Der in der Fig. 4 dargestellte Venturidiffusor 27 besitzt einen sich nach innen verjüngenden konischen Einlassteil 45, einen mittleren zylindrischen Teil 46 und einen sich nach aussen vergrössernden, konischen Auslassteil 47, Die Kathode umfasst eine ebene Elektrode in Form einer Scheibe 50 mit abgerundetem Rand, welche sich vom Träger nach auswärts erstreckt. Die Scheibe 50 ist im Teil 46 des Diffusors koaxial angeordnet. Wird an die Scheibe 50 ein hohes Potential angelegt, so wird im Raum zwischen dem Rand der Scheibe und der die Scheibe umgebenden Anodenoberfläche 52 ein stark eingeschnürtes elektrisches Feld hoher Intensität in Form einer Koronaentladung erzeugt.

Wie am besten aus Fig. 5 ersichtlich ist, besteht die An-oüienoberfläche 52 aus einer Reihe konischer Flügel 53, die an einem Träger 54 befestigt sind und durch Abstandsstücke 54a im Abstand voneinander gehalten werden, so dass zwischen benachbarten Flügeln Luftdurchlässe 55 vorhanden sind. Die Flügel 53 bilden eine im wesentlichen zylindrische Anodenwand mit einer leicht schräg gestuften Oberfläche. Die der Kathode zugewandten Innenseiten der Flügel 53 sind mit einem Überzug aus Widerstandsmaterial versehen, wie noch mit Bezug auf Fig. 11 beschrieben wird. Die Anodenoberfläche 52 ist von einer Druckkammer 26 umgeben, an die von einer äusseren Druckluftquelle, zum Beispiel in Form einer Pumpe, reine Druckluft geliefert wird, wie weiter unten mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben.

Durch die Durchlässe 55, welche ringförmige Düsen bilden, wird im Betrieb des Ionisators reine Luft in den Teil 46 des Ionisators geblasen, wobei die Durchlässe so gerichtet sind, dass über die innere Anodenoberfläche des Diffusors 27 streichende Luftströme erzeugt werden, die im wesentlichen in die gleiche Richtung strömen wie das durch den Diffusor strömende mit Teilchen beladene Gas. Die durch die Durchlässe 55 in den Diffusor eintretende reine Luft fliesst als im wesentlichen laminare Luftschicht längs der Anodenoberfläche und bildet eine Schutzschicht, die das Ablagern von Teilchen auf der Anode verhindert und den Hauptgasstrom umschliesst und führt. Durch die Durchlässe 55 wird auch der Druckabfall verringert, der normalerweise mit dem Durchgang von Gas durch einen Venturidiffusor verbunden ist. Rückwärtskoronaentladungen, wie sie bei bekannten Ionisatoren auftreten, können durch sorgfältiges Bearbeiten der Ränder der Flügel 53 wesentlich verringert werden.

Fig. 6 zeigt schematisch die elektrischen Verbindungen und die Regeleinrichtung zum Regeln der Zufuhr von reinem Gas zur Ionisatorstufe 16. Dem Leiterstangenrost 29 wird über ein Hochspannungskabel 34 von einer aus Transformator und Gleichrichter bestehenden Einheit 70 Hochspannung zugeführt, die mit einer Steuereinheit 71 verbunden ist. Die letztgenannten Einheiten sind von bekannter Art. Ein Gebläse 73 liefert über eine Heizvorrichtung 74, eine Leitung 75, eine steuerbare Luftdrossel 76 und eine Leitung 77 reine Luft an die Druckkammer 26, deren Temperatur innerhalb eines gewünschten Bereichs liegt. Ein Differenzdruckfühler 79 mit zwei Druckwandlern 80, 81 liefert an die Drossel 76 ein Rückkopplungssignal zur Regelung des Drucks der reinen Luft in der Druckkammer 26. Die Einheiten 73 bis 81 sind alle von bekannter Art.

Wie bereits erwähnt, bildet bei elektrostatischen Vorrichtungen, besonders wenn diese zum Laden von teilchenförmigem Material mit hohem spezifischem Widerstand, wie durch Verbrennen schwefelarmer Kohle erzeugte Flugasche, verwendet werden, das Auftreten von Überschlägen und Rückwärtskoronaentladungen ein Hauptproblem, da dadurch die zulässige Stärke des elektrostatischen Feldes begrenzt wird. Rückwärtskoronaentladungen und Überschläge treten auf, wenn die Feldstärke des elektrostatischen Feldes im teilchen-förmigen Material auf der passiven (nicht emittierenden) Elektrode die Durchlagsfestigkeit dieses Materials übersteigt. Beispielsweise beträgt die Durchschlagsfestigkeit von durch Verbrennen von schwefelarmer Kohle erzeugter Flugasche 1 bis

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10 kV/cm. Wenn die Durchschlagsfestigkeit überschritten wird, bildet sich im Material ein kleines Loch oder Krater. Da der Koronastrom dem Weg des kleinsten Widerstandes folgt, konzentriert sich der Koronastrom am Ort des elektrischen Durchschlags, wodurch örtlich eine sehr hohe Stromdichte auftritt. Dies hat eine hohe Konzentration negativer Ionen zur Folge, wodurch ein starkes negatives Feld erzeugt wird, welches freie Elektronen in Richtung zur Durchschlagsstelle beschleunigt. Die freien Elektronen stossen mit relativ hoher Geschwindigkeit mit Gasmolekülen zusammen, wodurch Elektronen aus den Molekülen geschlagen werden und diese zu positiven Ionen umgewandelt werden. Diese positiven Ionen werden in Richtung zur Kathode beschleunigt und erzeugen benachbart der Anode eine positive Korona. Die aus den Molekülen herausgeschlagenen Elektronen werden in Richtung zur Anode beschleunigt und verstärken das negative Feld, wodurch die Erzeugung von Elektronen und positiven Ionen weiter zunimmt. Das Ergebnis ist ein positiver Rückkopplungseffekt, der so lange dauert, bis sich die Spannung zwischen Anode und Kathode auf einen kleinen Wert verringert. Während dieses Vorgangs ist einerseits eine Tendenz zur Vergrösserung des Durchmessers der Entladung infolge Elektronendiffusion und anderseits eine Tendenz zur Verkleinerung dieses Durchmessers infolge der Wirkung des kreisförmigen Magnetfeldes vorhanden, das durch den Elektronenfluss in der Entladung erzeugt wird. Mit zunehmendem Gasdruck nimmt der Koronastrom ab, da durch die zunehmende Konzentration der Elektronen, diese häufiger zusammenstossen, wodurch die Beweglichkeit der Elektronen abnimmt. Durch die grössere Elektronenkonzentration wird jedoch auch das Eigenmagnetfeld stärker, wobei dieser Effekt überwiegt, so dass die örtliche Stromdichte mit zunehmendem Gasdruck zunimmt.

Das in der Schicht aus teilchenförmigem Material auftretende elektrische Feld ist gegeben durch:

E = Je, (1)

wobei J die Stromdichte im Material und g der spezifische Widerstand des Materials ist. Die Stromdichte J beträgt für Ionisatoren 10-8 bis 2 -10"® A/cm2. Bei teilchenförmigem Material mit einer Durchschlagsfestigkeit von 10 kV/cm bilden Rückwärtskoronaenladungen und Überschläge kein Problem, sofern der spezifische Widerstand des Materials nicht grösser als 5 ■ IO9 bis IO12 Ohm ■ cm ist.

Rückwärtskoronaentladungen und Überschläge stören den Betrieb des Ionisators, da das der Anode benachbarte starke negative Feld die Stärke des Feldes im Bereich zwischen den Elektroden stark verringert und die positiven Ionen die negativ geladenen Teilchen entladen, so dass der Ionisator seine Aufgabe nicht richtig erfüllen kann.

Gemäss der vorliegenden Erfindung ist die passive Elektrode des Ionisators mit einem Material überzogen, das einen hohen spezifischen Widerstand besitzt. Der Ionisator kann in der Ladestufe oder Abscheidestufe eines zweistufigen elektrostatischen Abscheiders oder in der kombinierten Lade-Abscheidestufe eines einstufigen elektrostatischen Abscheiders verwendet werden. Die passive Elektrode ist im allgemeinen eine Anode, da Rückwärtskoronaentladungen und Überschläge bei einer negativen Korona, bei der die Kathode den Koronastrom emittiert, stärker auftreten. In einer negativen Korona wird der Stromfluss von negativen Ionen bewirkt, welche von Elektronen stammen, die von der Kathodenoberfläche durch den Beschuss dieser Oberfläche mit positiven Ionen freigesetzt werden. Die positiven Ionen werden im der Kathode benachbarten Feldbereich hoher Feldstärke durch die Elektronenionisation von Gasmolekülen erzeugt. In einer positiven Korona wird der Stromfluss von positiven Ionen bewirkt, welche im Feldbereich hoher Feldstärke benachbart der Anode durch Elektronenionisation erzeugt werden. Die Elektronen werden dabei durch fotoelektrische Ionisation von Gasmolekülen im Bereich zwischen der Zone hoher Feldstärke und den an Erde liegenden Elektroden erzeugt. Diese unterschiedlichen Ionisationsprozesse haben einen grossen Einfluss auf die Überschlagsspannung der positiven und negativen Korona. Überschläge in einer Korona treten durch die Bildung von sich selbst fortpflanzenden Stromflüssen auf, die von der Anode aus gehen. Bei einer positiven Korona sind auch bei niederer Spannung starke elektrische Felder in der Nähe der Entladeelektrode vorhanden, so dass auch bei niederer Spannung zu Überschlägen führende Stromflüsse auftreten. Dies bedeutet, dass die Betriebsspannung bei Ionisatoren mit positiver Korona auf einen relativ niederen Wert begrenzt ist, auch für teil-chenförmiges Material mit niederem spezifischem Widerstand. Bei einer negativen Korona ist die Stärke des elektrischen Feldes in der Nähe der Anode relativ klein, so dass viel höhere Spannungen verwendet werden können, bevor das Feld eine Stärke erreicht, bei der ein Überschlag auftritt. In der Praxis sind die Überschlagsspannungen bei einer negativen Korona etwa doppelt so gross als bei einer positiven Korona. Diese Unterschiede zwischen negativer und positiver Korona führen zu verschiedenen Wirkungen einer Rückwärtskoronaentla-dung. Bei einer positiven Korona hat eine Rückwärtskorona-entladung wenig Einfluss auf die Überschlagsspannung, da in diesem Fall die Rückwärtskoronaentladung keinen Funken auslöst wie bei einer negativen Korona. Dementsprechend ist der Überzug aus Widerstandsmaterial auf der passiven Elektrode bei einer negativen Korona nützlicher als bei einer positiven Korona. Der Begriff «Anode» wird hier im Sinne von «passiver Elektrode» verwendet und schliesst auch die Kathode eines Ionisators mit positiver Korona ein.

Die Widerstandsschicht auf der Anode verringert Rückwärtskoronaentladungen und Überschläge durch zwei verschiedene Effekte. Erstens, ein durch ein Widerstandsmaterial fliessender Strom folgt dem Weg des kleinsten Widerstandes. Dies bedeutet, dass ein im Widerstandsmaterial fliessender Strom, der sonst längs eines schmalen Weges mit entsprechend grosser örtlicher Stromdichte fliessen würde, sich nicht in dieser Weise konzentrieren kann, so dass die Stromdichte im Widerstandsmaterial und im teilchenförmigen Material relativ nieder ist. Das Ergebnis ist, dass sich der zwischen der Entladeelektrode und der passiven Elektrode fliessende Strom nicht so konzentrieren kann, dass die Entladung mit relativ niederer Stromdichte und relativ hoher Feldstärke in die mit Überschlag verbundene Entladung mit relativ hoher Stromdichte und relativ niederer Feldstärke umgewandelt wird. Da die Stromdichte im teilchenförmigen Material auf einen relativ niederen Wert gehalten wird, bleibt die Feldstärke in diesem Material unterhalb der Durchschlagsfeldstärke. Der zweite Effekt, durch den das elektrostatische Feld stabilisiert wird, beruht darauf, dass die Widerstandsmaterialschicht der Anode eine Verringerung der Spannung zwischen der Oberfläche dieser Schicht und der Kathode mit zunehmender Stromdichte bewirkt. Bei einem Ionisator mit einer Betriebsspannung von 75 kV und einer mittleren Stromdichte von 10-6 A/cm2 bewirkt eine 1 cm dicke Schicht aus Widerstandsmaterial mit einem spezifischen Widerstand von IO10 Ohm einen Spannungsabfall A V = 10 kV gemäss der folgenden Beziehung:

A V = Jd, (2)

wobei d die Dicke der Schicht ist.

Die maximale Stromdichte in der Widerstandsmaterialschicht kann 7,5 • 10"6 A/cm2 betragen, da bei dieser Stromdichte die Spannung über der Schicht 75 kV beträgt. Sogar bei dieser maximalen Stromdichte beträgt die Feldstärke des elektrostatischen Feldes in einem teilchenförmigen Material mit einem spezifischen Widerstand von 1010 Ohm • cm nur 7,5 kV/cm. eine Feldstärke, die kleiner ist als die Durchschlagsfe5

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stigkeit dieses Materials von 10 kV/cm. Da zur Aufrechterhaltung der Koronaentladung ein Spannungsabfall im Elektrodenspalt erforderlich ist, ist die Feldstärke im teilchenförmigen Material noch etwas kleiner.

Die elektrischen Eigenschaften, welche das Widerstandsmaterial aufweisen muss, werden durch die Konstruktion des Ionisators und die elektrischen Eigenschaften des teilchenförmigen Materials bestimmt. Es wurde festgestellt, dass der spezifische Widerstand des Widerstandsmaterials für einen Ionisator mit einer Stromdichte von 10-6 A/cm2 grösser als 108 Ohm • cm sein muss, damit Rückwärtskoronaentladungen und Überschläge verhindert werden. Der maximal zulässige Wert des spezifischen Widerstandes ergibt sich aus der Forderung, dass die Durchschlagsfestigkeit des Materials bei der im Ionisator herrschenden Stromdichte nicht überschritten werden darf. Bei einem Ionisator mit einer Stromdichte von 2 • 10~6 A/cm2 und einer Durchschlagsfestigkeit von 100 kV des Materials beträgt der maximal zulässige spezifische Widerstand des Materials nach Gleichung (1) 5 • IO10 Ohm • cm. Nach der Bestimmung des erforderlichen spezifischen Widerstandes des Widerstandsmaterials, der zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert liegt, wird die Dicke der Widerstandsmaterialschicht berechnet, bei der über der Schicht ein Spannungsabfall von weniger als 15%, vorzugsweise 5 % der angelegten Spannung auftritt. Wenn der spezifische Widerstand der Schicht 2 • IO10 Ohm • cm beträgt und zwischen der Anode und der Kathode des Ionisators eine Spannung von 75 kV liegt, ergibt sich nach Gleichung (2) für die Dicke der Schicht der Wert 0,09 cm. Da jedoch der spezifische Widerstand der Schicht umgekehrt proportional der Temperatur ist, müssen bei der Wahl des Widerstandswertes auch die möglichen Temperaturschwankungen berücksichtigt werden. Es wurde festgestellt, dass eine Schichtdicke von 0,025 cm nach theoretischen Überlegungen sogar eine Schichtdicke von nur 0,01 cm zur Verhinderung von Rückwärtskoronaentladungen und Überschlägen genügt. Nach der Theorie muss die minimale Dicke des Widerstandsmaterials viermal grösser sein als der Durchmesser des Bereiches auf der Materialoberfläche innerhalb welcher die Überschlagsentladung stattfindet.

Früher hat eine solche Entladung ein kleines Loch oder einen kleinen Krater in einer ungeschützten Materialschicht erzeugt. Nach der Bildung eines solchen Loches oder Kraters folgte die Entladung dem Weg des geringsten Widerstandes und konzentrierte sich auf eine solche dielektrische Durchschlagstelle um an einer begrenzten Stelle einen extrem hohen Stromfluss zu erzeugen.

Die vorstehend beschriebene Technik kann auch für Ionisatoren mit relativ niederer Stromdichte verwendet werden. Beispielsweise wird bei einem Ionisator mit einer Stromdichte von 10~7 A/cm2 eine Schicht aus einem Widerstandsmaterial mit einem spezifischen Widerstand von IO6 bis 1012 Ohm • cm benötigt. Die erforderliche Schichtdicke ist 5 • 10~2 cm. Wie ersichtlich ist, kann das die Anode eines solchen Ionisators bedeckende Widerstandsmaterial einen hohen spezifischen Widerstand aufweisen. Für Ionisatoren mit hoher Stromdichte beträgt der spezifische Widerstand des Materials 106 bis 5 ■ 1010 Ohm • cm und die Schichtdicke weniger als 0,5 cm. Für Ionisatoren mit kleiner Stromdichte beträgt der spezifische Widerstand des Materials IO7 bis 1012 Ohm • cm, wobei die Schichtdicke grösser ist. Bei einem Ionisator mit der relativ kleinen Stromdichte von 10-7 bis 10~<J A/cm2 kann ein Widerstandsmaterial mit einem spezifischen Widerstand von nur 106 Ohm • cm verwendet werden.

Die Widerstandsmaterialschicht ermöglicht die Vergrösserung der Feldstärke des elektrostatischen Feldes in einem gegebenen Ionisator ohne dass Rückwärtskoronaentladungen und Überschläge auftreten. Wie in Fig. 7 dargestellt, kann die Widerstandsmaterialschicht 85 auf der Innenwand der Anode

27 im Bereich benachbart der ebenen Elektrode 50 angeordnet sein, an der sich das gestrichelt dargestellte elektrostatische Feld 87 konzentriert.

Die in der Fig. 7 dargestellte hohlzylindrische Form der Widerstandsschicht 85 ist nur eine von vielen möglichen Formen. Wie in Fig. 9 dargestellt, kann die Anode 90 einen Einlasswandteil 91 und einen Auslasswandteil 92 sowie eine Mehrzahl Anodensegmente 93 aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise Metall, umfassen, welche Anodenteile durch elektrisch isolierende Abstandsstücke 94 voneinander getrennt sind. Auf der Innenfläche jedes Anodensegments 93 ist eine Schicht 85 aus Widerstandsmaterial angeordnet. Die Segmente 93 können mit getrennten Hochspannungsquellen (nicht dargestellt) verbunden sein, wodurch die Spannung an jedem Segment für sich eingestellt werden kann.

Fig. 10 zeigt eine Anode, deren Segmente 93 im Abstand voneinander angeordnet sind, so dass zwischen den Segmenten Luftdurchlässe vorhanden sind, die dem gleichen Zweck dienen wie mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 beschrieben. Die Innenseite jedes Anodensegments 93 ist wieder mit einer Schicht 85 aus Widerstandsmaterial versehen.

Fig. 11 zeigt die aus konischen Segmenten 53 bestehende Anode der in Fig. 5 dargestellten Ionisatoreinheit. Die Segmente 53 sind auf Ihrer Innenseite wieder mit einer Widerstandsmaterialschicht 85 versehen.

Der Abscheidewirkungsgrad von einstufigen und zweistufigen elektrostatischen Abscheidern mit anderen Arten von Teilchenionisatoren kann durch Verwendung von passiven Elektroden mit Widerstandsmaterialschichten verbessert werden. In Fig. 12 ist ein bekannter Ionisator mit relativ niederer Ionisationsstärke dargestellt, der eine Draht-Zylinderelektrodengeometrie aufweist, die eine aus einem Draht 100 bestehende Entladeelektrode umfasst, die an einem Durchführungsisolator 102 aufgehängt ist, der am Abscheidergehäuse 104 befestigt ist. Die Entladeelektrode 100 ist in einer rohr-förmigen passiven Elektrode 106 konzentrisch angeordnet, welche eine Leitung für das mit Teilchen beladene Gas bildet. An der Entladeelektrode 100 hängt ein Gewicht 108, welches die Elektrode 100 auch beim Strömen des Gases durch die passive Elektrode 106 an ihrem Platz hält. Zwischen der Entladeelektrode 100 und der passiven Elektrode 106 liegt eine Hochspannungsquelle 110. Im Betrieb tritt das mit Teilchen beladene Gas durch ein Einlassrohr 112 in die passive Elektrode 106 ein und verlässt diese durch ein Auslassrohr 114, nachdem das Gas durch die ganze Länge des elektrostatischen Feldes zwischen der Entladeelektrode 100 und der passiven Elektrode 106 geströmt ist. Der Ionisator kann als Ladestufe oder Abscheidestufe eines zweistufigen elektrostatischen Abscheiders verwendet werden je nach den konstruktiven und elektrischen Anforderungen wie Elektrodengrösse, Feldstärke und Gasgeschwindigkeit. Der Ionisator kann auch als einstufiger elektrostatischer Abscheider verwendet werden. Die Spannung zwischen den Elektroden 100 und 106 kann ohne dass Rückwärtskoronaentladungen und Überschläge auftreten, wesentlich vergrössert werden, wenn die Innenwand der passiven Elektrode 106 mit einem Widerstandsmaterial überzogen ist, das entsprechend der oben angegebenen Methode bestimmt wurde. Durch diese Massnahme kann die Kapazität und/oder der Ladewirkungsgrad von elektrostatischen Abscheidern mit Draht-Zylinderelektrodengeometrie wesentlich vergrössert werden.

In Fig. 13 ist ein bekannter Ionisator mit Draht-Platten-elektrodengeometrie dargestellt. Dieser Ionisator besitzt mehrere im Abstand voneinander angeordnete, aus Draht bestehende Entladeelektroden 120, die an leitenden Querträgern 122 aufgehängt sind und Stabilisiergewichte 124 tragen. Die Entladeelektroden 120 sind zwischen parallelen Platten 126 angeordnet, die mit sich längs der Platten erstreckenden Ab-

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lenkelementen 128 versehen sind, die quer zur Richtung des Gasstroms durch den Ionisator verlaufen. Zwischen den Entladeelektroden 120 und den Platten 126 liegt eine relativ hohe Spannung. Wie bei dem Ionisator nach Fig. 12 kann auch hier der Abscheidewirkungsgrad und/oder die Abscheidekapazität durch Überziehen der Platten 126 mit einer Schicht Widerstandsmaterial wesentlich vergrössert werden. Die erforderlichen elektrischen Eigenschaften und Abmessungen der Schicht sind wieder nach der oben angegebenen Methode zu bestimmen.

In der Fig. 14 ist ein Ionisator dargestellt, der dem nach der Fig. 7 ähnlich ist und eine mit Widerstandsmaterial überzogene Anode besitzt. Der Ionisator nach Fig. 14 besitzt eine ebene Entladeelektrode 130, die an einem Ende eines Trägers 28 montiert ist, der die Elektrode 130 koaxial in einem Glasrohr 134 hält. Die Aussenseite des Glasrohres 134 ist benachbart der Entladeelektrode 130 mit einem elektrisch leitenden Material 136 überzogen. Zwischen der Entladeelektrode 130 und dem Metallüberzug 136 liegt eine relativ hohe Spannung, die von einer Hochspannungsquelle 138 geliefert wird, die einerseits mit dem Überzug 136 und anderseits über einen im Träger verlaufenden Leiter 132 mit der Elektrode 130 verbunden ist. Der Metallüberzug 136 bildet die Anode, und die Abmessungen sowie die elektrischen Eigenschaften des Glasrohres 134 sind so gewählt, dass das Rohr 134 eine Widerstandsschicht für die Anode 136 bildet.

Zum Herstellen von mit Widerstandsmaterial überzogenen Anoden kann eine Vielzahl von Widerstandsmaterialien verwendet werden. Das Material kann ein Epoxyharz mit dem erforderlichen spezifischen Widerstand und Durchschlagsfestigkeit umfassen. Zur Erzielung spezieller Widerstandswerte kann Aluminiumoxid mit einem anderen geeigneten Oxid und/oder Metall verwendet werden. Die meisten gegenwärtig bekannten Epoxyharze sind in einer Korona nicht beständig und nicht genügend abriebfest.

Geeignete Widerstandsmaterialien sind:

I. Organische Materialien a) Epoxyharz STYCAST 2762FF, hergestellt von Emerson Cumings Stycast. Die spezifischen Widerstände dieses Materials sind für Ionisatoren niederer Intensität geeignet.

b) Epoxyharz STYCAST 2762 hergestellt von Emerson Cumings Stycast. Die spezifischen Widerstände dieses Materials sind für Ionisatoren niederer Intensität geeignet. Das Material kann an Ort auf die Anoden aufgebracht werden.

c) Epoxyharz Typ C-26, hergestellt von Emerson Cumings. Die spezifischen Widerstände sind für Ionisatoren hoher und niederer Intensität geeignet. Dieses Material kann auf den

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Anoden durch Sprühen oder Streichen in dünnen Schichten aufgebracht werden.

II. Anorganische Materialien a) LA-2-500 Aluminiumoxid, hergestellt von Union Carbide. Die spezifischen Widerstände dieses Materials sind für Ionisatoren niederer und hocher Intensität bei Temperaturen über 280 °C geeignet. Der spezifische Widerstand beträgt bei 150 °C 1012 Ohm • cm und bei 280 °C IO10 Ohm • cm. Dieses Material muss mit einem speziellen Plasmabrenner aufgebracht werden. Da das Material als Abriebschutz entwickelt wurde, besitzt es .eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit.

b) Mit Porzellan überzogener Stahl, hergestellt von Erie Ceramic, Inc. Spezifischer Widerstand 1012 bis 2 • 1011 Ohm • cm bei 150 °C. Dicke zwischen 0,03 bis 0,05 cm.

c) Pyrexrohr 7740, hergestellt von der Corning Glass Company. Die spezifischen Widerstände sind für Ionisatoren niederer und hoher Intensität geeignet, da der spezifische Widerstand bei 150 °C IO10 Ohm • cm beträgt. Erhältlich sind Rohre mit einem Innendurchmesser von 15 bis 42 cm und einer Dicke von 3 bis 6 mm. Dieses Material kann mit Vorteil bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 verwendet werden.

d) Pyroceram, hergestellt von der Corning Glass Company:

1. Typ 9606. Die spezifischen Widerstände dieses Materials sind für Ionisatoren niederer und hoher Intensität mit Temperaturen von über 280 °C geeignet. Der spezifische Widerstand beträgt bei 290 °C 5 • IO10 Ohm • cm und bei 150 °C

5 • 1011 Ohm-cm.

2. Typ 9608. Der spezifische Widerstand dieses Materials ist für Ionisatoren hoher und niederer Intensität geeignet, da der spezifische Widerstand bei 150 °C 3 • 109 Ohm • cm beträgt.

e) Natronglas, hergestellt von der Corning Glass Company. Spezifischer Widerstand 2 • IO8 Ohm ■ cm bei 150 °C.

f) VYCOR Glas, hergestellt von der Corning Glass Company. Die spezifischen Widerstände dieses Materials sind für Ionisatoren niederer und hoher Intensität bei sehr hohen Temperaturen geeignet. Spezifischer Widerstand 1012 Ohm • cm bei 150 °C.

Die Anode kann somit in Ionisatoren verschiedenster Art zur Erhöhung der Kapazität und/oder des Lade Wirkungsgrads von Ionisatoren für zweistufige elektrostatische Abscheider verwendet werden.

Der Ionisator kann nicht nur in elektrostatischen Abscheidern zur Entfernung von Flugasche aus Abgasen von kohlegefeuerten Kraftwerken, sondern auch in elektrostatischen Abscheidern für Kraftwerke, bei denen Öl und Mischungen aus schwefelarmer und schwefelreicher Kohle verfeuert werden, verwendet werden.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Elektrostatischer Abscheider zum Ausscheiden von Feststoffteilchen aus einem Gas oder Gasgemisch, mit einer Hochspannungsquelle und einem Ionisator, der eine Entladeelektrode und mindestens eine passive Elektrode umfasst, welche Elektroden durch einen Elektrodenspalt voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Elektroden mit einer Hochspannungsquelle verbunden sind, deren Spannung so gross ist, dass zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt wird, das eine Koronaentladung mit einer Koronastromdichte von grösser als 10-9 A/cm3 an der passiven Elektrode bewirkt, und dass zur Verhinderung von Rück-wärtskoronaentladungen und Überschlägen auf der passiven Elektrode ein Widerstandsmaterial in Form einer zwischen der Entladeelektrode und der passiven Elektrode befindlichen Schicht angeordnet ist, welches Wiederstandsmaterial bei der im Betrieb des Ionisators auftretenden Temperatur und elektrischen Feldstärke einen spezifischen Widerstand von 106 bis 1013 Ohm-cm besitzt.
2. 2. Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Widerstandsmaterialschicht grösser als

   0.01 cm und kleiner als 15% des Verhältnisses von angelegter Spannung zur elektrischen Feldstärke im Innern des Widerstandsmaterials ist.
3. 3. Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Widerstandsmaterialschicht mindestens viermal grösser ist als der Durchmesser des Bereiches auf der Oberfläche der Schicht, innerhalb welcher die Überschlagsentladung stattfindet.
4. 4. Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand des Widerstandsmaterials 108 bis IO10 Ohm-cm bei einer Stromdichte von 10-6 A/cm2 an der passiven Elektrode beträgt.
5. 5. Abscheidernach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand des Widerstandsmaterials 106 bis IO13 Ohm • cm bei einer Stromdichte von IO-9 bis 10"6 A/cm2 an der passiven Elektrode beträgt.
6. 6. Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsmaterial eine organische Verbindung mit einer Durchschlagsfestigkeit von grösser als 50 kV/cm ist.
7. 7. Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsmaterial eine anorganische Verbindung mit einer Durchschlagsfestigkeit von grösser als 80 kV/cm ist.
8. 8. Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere passive Elektroden im Abstand voneinander als Teilelektroden (93) angeordnet sind, die voneinander elektrisch isoliert sind, und dass das Widerstandsmaterial (85) die der Entladeelektrode zugewandten Seiten der Teilelektroden bedeckt (Fig. 9).
9. 9. Abscheider nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den elektrisch leitenden Teilelektroden (93) elektrisch isolierende Abstandsstücke (94) angeordnet sind.
10. 10. Abscheider nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume zwischen den Teilelektroden Durchlässe für Flüssigkeiten bilden (Fig. 10 und 11).
11. 11. Verfahren zum Betrieb des Abscheiders nach Anspruch

    1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Feststoffteilchen be-ladene Gas zur elektrostatischen Aufladung der Feststoffteilchen durch den Elektrodenspalt des Ionisators geleitet wird, wobei die Temperatur der Feststoffteilchen im Elektrodenspalt im Bereich von 82 bis 400 °C liegt.