DD291934A5 - Vorrichtung zur entfernung von feststoffen aus abgasen oder rauchgasen - Google Patents
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Abstract
Inhalt dieser Erfindung ist die Vorrichtung zur Entfernung von Feststoffen aus Abgasen oder Rauchgasen. Die Erfindung betrifft ein System zur Feststoffentfernung aus Ab- oder Rauchgasen, insbesondere die Verringerung von Kohlenstoffteilchen in Abgasen fossiler Brennstoffe. Erfindungsgemaesz besteht die Vorrichtung aus in einem Abgasrohr eingebauten Hochspannungsgenerator, elektrostatischen Abscheideeinrichtungen sowie Einrichtungen zur Beseitigung abgeschiedener Teilchen, wobei die Abscheideeinrichtung aus einem an die entsprechenden Polklemmen des Generators angeschlossenen Leiterpaar besteht, zwischen dem die Abgase hindurchgeleitet werden. Die Feststoffteilchen werden anschlieszend mittels eines Heizkomplexes unter Sauerstoffzufuhr verbrannt, wobei zwei Abgasrohre im Wechsel betrieben werden koennen. Fig. 1{Abgas; Rauchgas; Kohlenstoffemission; Feststoffentfernung; Motorabgas; Heizungsabgas}
Description
Hierzu 1 Seite Zeichnungen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung trifft ein System zur Entfernung von Feststoffen aus Abgasen und Rauchgasen, die durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe erzeugt werden, insbesondere auf die Reduzierung! der Emission von Feststoffen in Abgasen von Dieselmotoren oder in Rauchgasen, die sich aus allen Anwendungsfällen ergeben, die mit der Verbrennung von Dieselkraftstoff oder schweren Ölei, selbst in Mischungen mit aromatischen Fraktionen (Heizungsnnlagen, bewegliche Stromversorgungsgeräte, große e'ke usw.) oder Kohle verbunden sind.
Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und anderen fossilen Brennstoffen kommt es aufgrund von Luftmangel in der verbrannien Mischung oder auch aufgrund schlechten Vermischens zu einer starken Emission von Kohlenstoffteilchen (Feststoffen). Durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, beginnend mit Molekülen mit etwa zehn Kohlenstoffatomen oder einfachen aromatischen Molekülen, entstehen nicht nur die herkömmlichen Verbrennungsprodukte, wie zum Beispiel CO, CO2 und H2O, sondern auch Produkte wie unverbrannte organische Verbindungen, Ruß und Stickoxide.
Die Zusammensetzung von Abgas kann in Abhängigkeit von der für die Verbrennung verwendeten Luftmenge sehr unterschiedlich sein. Für eine gute Prozeßausbeute (ζ. B. um eine ausreichende Leistung zu erzielen) ist jedoch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Nähe bestimmter Werte festgelegt, was die Vermeidung der Feststoffemission schwierig macht. Die Betreiber von Kraftfahrzeugdieselmotoren werden wegen des allgemein sichtbaren Abgaseausstoßes bezichtigt, eine starke Umweltverschmutzung hervorzurufen und die Gesundheit der Menschen schwerwiegend zu schädigen. Im wesentlichen sind diese Beschuldigungen unbegründet; im Vergleich zu Benzinmotoren stoßen Dieselmotoren vier- bis sechsmal weniger Kohlenmonoxid (das ein starkes Gift ist, weil es den Sauerstoffaustausch im Blut hemmt), ungefähr die halbe Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (die in hohem Maße krebserregend sind) und etwa die Hälfte Stickoxide (die zu den Verbindungen gehören, die für den sauren Regen verantwortlich sind) aus.
Dieselmotoren stoßen jedoch ungefähr vierzigmal mehr Kohlenstoffteilchen (die auf lange Sicht Bronchitis und andere Erkrankungen der Atmungsorgane hervorrufen können) sowie Schwefeloxide (die ebenfalls für den sauren Regen verantwortlich sind, aber eliminiert werden könnten, wenn der Dieselkraftstoff entschwefelt würde, wie dies bei Ottokraftstoff erfolgt) aus. Es sollte auch beachtet werden, daß Ruß unverbrannte Kohlenwasserstoffe absorbiert und somit als Vektor für diese krebserregonden Stoffe wirkt.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß kein Zweifel daran bestehen kann, daß der durch die Verbrennung von Dieselkraftstoff, Heizöl und ähnlichem entwickelte Ruß äußerst unangenehm ist und solche Emissionen demzufolge beseitigt oder zumindest wesentlich verringert werden sollten.
Eine gewisse Verringerung der durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen gebildeten Feststoffmenge kann durch Einstellung der Verbrennung mit elektronischen Mitteln erzielt werden. Diese Einstellung bewirkt jedoch nur eine Reduzierung der Rauchmenge um etwa 20%, was für viele Anwendungsfälle nicht ausreicht. Infolgedessen sind viele Anstrengungen zur Lös'ing dieses Problems unternommen worden.
Zahlreiche Patente (z.B. J 63-232817, EP 283240 und 114696, US-Patente 4622810,4604868 und 4571938 usw.) verwenden Keramikfilter mit unterschiedlicher Beschreibung, die die Feststoffe mechanisch auffangen und regelmäßig beispielsweise durch Verbrennung unter Verwendung von durch einen speziellen Brenner erzeugten heißen Gasen oder einem Strom vorgewärmter Luft regeneriert werden. Der Filter ist auch häufig mit einem Katalysator, zum Beispiel Platin, imprägniert, um die Verbrennung zu erleichtern.
Auf diese Art und Weise wird die Feststoffmenge wesentlich verringert. Die Kompliziertheit der bisher gewählten Lösungen, die Kosten und die Zerbrechlichkeit der Keramikfilter sowie die Kosten und die Verschlechterung der Wirksamkeit der Katalysatoren (z.B. durch Vergiftung) haben bisher die Verwendung solcher Filter, insbesondere bei Fahrzeugen, unökonomisch gemacht. Die US-PS 4741746 schlägt die Verwendung eines elektrostatischen Abschneiders mit Koronaentladung zur Ausfällung der Kohlenstoffteilchen aus Dieselabgasen vor.
Die US-PS 4587808, die ebenfalls Dieselmotoren betrifft, sieht die Verwendung eines Molekulardissoziationsgeräts vor, das mit einer Ladung bis zu 15OkV den Zerfall der CO-, CO2- und NO„-Moleküle und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe in die chemischen Elementarbestandteile bewirkt und anschließend die auf diese Weise erzeugten Kohlenstoffteilchen sowie die bereits im Abgas enthaltenen Kohlenstoffpartikel mit Hilfe eines elektrostatischen Abscheiders und eines Zyklons beseitigt. Auf dem Pariser Meeting „Luftverschmutzung durch Transport" 1987 wurde jedoch berichtet, daß bei Einbau von aus der Industrie kommenden Systemen in Kraftfahrzeuge deren Effektivität zweifelhaft (wie im Fall von Zyklonen) ist, sie zu groß sind oder ihre Kompliziertheit (elektrostatische Abscheider) hinderlich ist (vgl. Pollution Atomsphörique, Sondernummer, Dezember 1987, S. 268-285).
Die genannten Probleme bei der Abscheidung von Feststoffen aus Rauchgasen sind somit noch lange nicht gelöst, insbesondere nicht bei Anlagen mit Größenbegrenzungen (z. B. in Kfz-Dieselmotoren, Hausheizungsanlagen).
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, die Feststoffemission bei solchen Rauchgasen zu verringern, die bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen aus fossilen Brennstoffen entstehen.
Wesen der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Senkung der Feststoffemission mit Hilfe einer einfachen, billigen und kompakten Vorrichtung zu erreichen, die aus einem System von Abscheidung und Beseitigung dar abgeschiedenen Teilchen besteht. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Staubbeseitigung, die durch die Kombination der folgenden Teile gekennzeichnet ist, in das Auspuff- oder Pauchgasrohr von Systemen zur Verbrennung fossiler Brennstoffe eingebaut
- Hochspannungsgenerator
- Mittel zur elektrostatischen Abscheidung von Ruß
- Mittel zur Beseitigung des aufgefangenen Rußes.
Das genannte Mittel zur elektrostatischen Abscheidung von Ruß umfaßt mindestens ein Paar Stromleiter, zwischen denen die Abgase oder Rauchgase hindurchströmen, wobei jeder der genannten Leiter entsprechend an eine der Polklemmen des genannten Spannungsgenerators angeschlossen ist und 3iner der genannten Leiter eine Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen zur Ladung des anderen Leiters besitzt.
Als weitere Möglichkeit können die genannten Stromleiter aus einem Leiter bestehen, bei dem mindestens ein Punkt in die Richtung des anderen Leiters weist, von dem er auf geeignete Art und Weise isoliert ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann einer der genannten Leiter von der Innenfläche einer Rohrleitung und der andereder auf geeignete Art und Weise von ersterem isoliert ist-von einem verlängerten, entlang der Achse der genannten Rohrleitung angebrachten Leiter gebildet werden.
Das genannte Mittel zur Beseitigung des aufgefangenen Rußes kann in einem Mittel zur Erhöhung der Temperatur der Feststoffe und ihrer Verbrennung durch die Wirkung der Abgase selbst oder von Luft bestehen, Der aufgefangene Ruß kann ebenfalls durch austauschbare und ersetzbare Mittel beseitigt werden, die aus dem System entnommen und gereinigt werden, während bekannte Mittel für einige Anwendungsfälle genutzt werden können
Das genannte Mittel zur Erhöhung der Temperatur der aufgefangenen Feststoffe kann sein:
- ein kleiner zusätzlicher Brenner, der heiße, an Oxydationsmittel reiche Gase auf die Feststoffe leitet
- oin elektrischer Heizer, der die Feststoffe in einem Strom von Abgas oder Luft oder in einer Mischung von beiden erhitzt. Bei Anwendungen, in denen die Abgas- oder Rauchgasleitung senkrecht verläuft - wie bei Schornsteinen, Schloten und der Auspuffanlage einiger Nutzfahrzeuge -, kann das genannte Mittel zur Beseitigung der Staubteilchen aus einem im untersten Teil des Feststoffeliminierungssystems an dem Punkt angebrachten Sammelabscheider bestehen, an dem die Gase in die senkrechte Leitung eintreten. Das Sammeln der Feststoffe im Abscheider wird durch die Verwendung eines geeigneten Systems erleichtert, wie beispielsweise eines Vibrators, der während einer Unterbrechung im Verbrennungsprozeß oder des Gasflusses betrieben wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht die Verwendung eines Feststoffentfernungssystems geeigneter Größe vor, das auch als Rußbehälter dient, der aus der Abgas-/Rauchgasleitung herausgenommen werden kann, so daß er von Zeit zu Zeit abgenommen und gereinigt und dann wieder eingesetzt und erneut verwendet werden kann.
Diese Erfindung wird nun in detaillierterer Form unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, die sie lediglich in Form eines Beispiels veranschaulicht, jedoch in keinerlei Weise ihre Ziele und ihren Umfang einschränkt:
- Abb. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
- Abb. 2 gibt eine Schnittansicht des Teils zur Feststoffentfernung, der aus dem restlichen Abgas-/Rauchgassystem herausgenommon werden kann. *
Unter Bezugnahme auf Abb. 1 ist das Abgas- oder Rauchgasrohr 1 aus Stahl (vorzugsweise nichtrostender Stahl) auch einer der Leiter des Systems zur Feststoffentfernung, der mit dem Pluspol eines Hochspannungsgenerator (nicht dargestellt) verbunden
Die Abgase fließen über die Leitung 9 ein. Der andere, an den anderen Pol dos Generators angeschlossene Leiter 2 wird über den Isolator 8 in das Rohr 1 eingeführt und verläuft über oine bestimmte Entfernung entlang der Achse des genannten Rohrs, wobei er mit Hilfe des Isolators 3 teilweise isoliert ist. Das freie Ende des Leiters 2 wird von einem geeigneten Isolator 4 in Form kleiner, mit Zwischenräumen zwischen dem Rohr 1 und dem Leiter 2 angeordneter Stäbe gehalten. Das Rohr 1 Besitzt auch einen Außenheizer 5, eine Rohrleitung 6 sowie Zünd- oder Glühkerzen 10.
Während des Betriebs werden Abgase über die Rohrleitung 9 in das Rohr 1 eingeleitet und durchströmen es von rechts nach links. Im Raum 8 zwischen dem Leiter 2 und dem Rohr 1, die beide an die Polklemmen des Spannungsgenerators angeschlossen sind, werden die Kohlenstoffteilchen elektrisch aufgeladen und zur Innenwand des Rohrs 1 hingezogen, wo sie entladen werden und sich in Form der Ablagerung 7 absetzen.
Wenn diese Ablagerung eine bestimmte Stärke erreicht hat oder wenn die Anreicherung von Kohlenstoff im gesamten Leiter 1 ein Stadium erreicht hat, in dem die Leiter 1 und 2 nicht mehr völlig voneinander isoliert werden können, sinkt die Spannung zwischen den Leitern in einigen Fällen sehr beträchtlich.
An diesem Punkt kommt der Heizer 5, bei dem es sich auch um einen elektrischen Widerstand handeln kann, zum Einsatz, und/oder Glüh- oder Zündkerzen 10 werden eingeschaltet, und/oder sehr heißes Gas aus einem Zusatzbrenner oder Luft wird durchgeblasen. Diese Vorgänge, die getrennt oder gekoppelt mit mindestens einem der anderen Vorgänge ablaufen, sollen die Temperatur der Kohlenstoffablagerung 7 auf einen Wert erhöhen, der gewöhnlich zwischen 400 und 55O0C liegt und bei dem der Kohlenstoff brennt.
Um diesen Arbeitsvorgang zu erleichtern, werden mindestens zwei der genannten Rohre 1 parallel angeordnet, und der Ruß wird in mindestens einem von ihnen aus dem Abgas entfernt, während der Staub, der sich vorher abgesetzt hat, in mindestens einem von den anderen Rohren beseitigt wird. Auf diese Weise wirkt jedes Rohr abwechselnd als Rußabscheider und als Beseitigungsvorrichtung.
Die Wahl der gewünschten Funktionen und die Wirkungsweise der Ventile, die die Abgase von einem Rohr zum anderen leiten, kann auf vorteilhafte Art und Weise automatisch durch einen Zeitschalter oder einen Mikroprozessor gesteuert werden, der seine Werte von speziellen Meßfühlern erhält.
Unter Bezugnahme auf Abb. 2, in der dieselben Zahlen dieselben Teile wie in Abb. 1 bezeichnen, ist ersichtlich, daß das Rohr 1 das Endstück des Auspuffrohrs 11 bildet, mit dem es über das Verbindungsteil 12, bei dem es sich beispielsweise um einen Bajonettverschluß handeln kann, verbunden ist.
Die Art und Weise, auf die das Gerät bezüglich der Rußabscheidung funktioniert, ist dieselbe wie die in dem Ausführungsbeispiel in Abb. 1 beschriebene Funktionsweise. Hier ist es ebenfalls möglich, mindestens zwei Rohre parallel anzuordnen, wobei das Abgas abwechselnd nur durch eines der genannten Rohre geleitet wird oder, wenn mehr als zwei Rohre vorhanden sind, das Durchleiten für den Vorgang der Rußentfernung nur durch einige dieser Rohre erfolgt.
Bei der in Abb. 2 dargestellten Anordnung wird die Polklemme 1, wenn die Schicht abgesetzten Rußes einen bestimmten Wert erreicht, vom Hauptrohr 11 getrennt, damit sie separat gereinigt und durch eine andere saubere Polklemme ersetzt werden kann.
Versuche zeigen, daß der Feststoffgehalt von Abgasen und Rauchgasen leicht um mindestens 50% gesenkt werden kann.
Als ein weiteres Ausführungsbeispiel wurdo gezeigt, daß selbst ohne Unterbrechung des Abgasstroms Luft in das Rohr 1 eingeleitet werden kann.
Auf diese Weise können die Schwierigkeiten bei der parallelen Anordnung von mehr als einer Rohrleitung und die Bildung von Ruß vermieden werden, der aufgrund von Schwingungen, Stoßen oder ähnlichen Vorgängen das Auspuffrohr in Form eines Blocks verlassen kann.
Die vorliegende Erfindung wurde am Abgassystem eines Dieselgeneratoraggregats mit einem Motor mit 3860cm3 Hubraum und einem Generator mit einer Leistung von 4OkW bei 1500U/min getestet. Der Motor wurde während der Tests mit einer Drehzahl zwischen 1300 und 1480U/min betrieben.
Die Vorrichtung zur Rußentfernung bestand aus einem oder zwei Stahlzylindern (parallel angeordnet und entweder zusammen oder wechselweise arbeitend) mit einer Länge von 1000 mm und einem Innendurchmesser von 150mm, wobei eine Stahlstange von 15mm Durchmesser axial montiert ist.
Bei 0,5 A wurde eine Spannung zwischen dem Süßeren Zylinder und dem axialen Stab angelegt. Jeder Test lief eine Stunde, dabei erfolgte eine ständige Probenahme von 500 Litern aus den Gasen, die die Vorrichtung durchströmten. Die Probe wurde durch einen porösen Filter geleitet, und die auf diese Weise aufgefangenen Partikel wurden gewogen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle gegeben.
| Motor U/min | Anzahl parallel eingesetzter Rohre | Spannung Ja/Nein | Aufgefangene Feststoffe mg/m3 | Beseitigter Prozentsatz (A-B/A) |
| A1300 B1300 | 1 1 | Nein Ja | 13,46 6,4 | 52,4 |
| A1350 B1350 | CM CM | Nein Ja | 15,0 4,9 | 67,3 |
| A1380 B1380 | 2 2 | Nein Ja | 16,4 7,32 | 55,4 |
| A1410 B1410 | 1 1 | Nein Ja | 17,5 7,2 | 58,9 |
| A1430 B1430 | 1 1 | Nein Ja | 21,3 9,83 | 53,8 |
| A1430 B1430 | CM N | Nein Ja | 22,0 7,33 | 66,7 |
| A1480 B1480 | 1 1 | Nein la | 24,8 13,9 | 43,9 |
Derabgelagerte Ruß wurde schnell verbrannt, als ein Luftstrom mit einer Temperatur von 490°C durch die Abscheiderohrleitung geleitet wurde.
Wurde das Abgas mit Luft angereichert, wurde er während des Abscheidevorgangs verbrannt. Dabei wuide die Zahl für den beseitigten Prozentsatz um 12 bis 13 Zähler verbessert.
Claims (10)
1. Vorrichtung zur Entfernung von Feststoffen aus Abgasen oder Rauchgasen, die durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Abgas- oder Rauchgasrohr eingebaut sind ein Hochspannungsgenerator; Einrichtungen zur elektrostatischen Abscheidung der Feststoffe und Einrichtungen zur Beseitigung der abgeschiedenen Teilchen; wobei die Einrichtung zur elektrostatischen Abscheidung teilchenförmiger Feststoffe aus mindestens einem Paar von Leitern besteht, zwischen denen die Abgase/Rauchgase hindurchgeleitet werden, wobei jeder der Leiter entsprechend an eine der Polklemmen des genannten Spannungsgenerators angeschlossen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Leiter eines Leiterpaares aus zwei entsprechend voneinander isolierten, einander zugewandten Wänden in einer Rohrleitung bestehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dereine Leitereines Leiterpaares mindestens einen auf den anderen Leiter gerichteten Punkt besitzt, der aus einer sich vor dem anderen Leiter erstreckenden Wand besteht, wobei er von dem anderen Leiter elektrisch isoliert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Leiter des Leiterpaares aus der Innenfläche einer Rohrleitung und der andere, der vom erstgenannten auf geeignete Weise isoliert ist, aus einem entlang der Achse der genannten Rohrleitung verlaufenden verlängerten Leiter besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Beseitigung der Feststoffe aus einer Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur der abgeschiedenen Feststoffe und ihrer Verbrennung entweder mit Hilfe der Abgase selbst, die eventuell mit Luft angereichert werden, oder mit Luft besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Beseitigung der Feststoffsubstanz aus abnehmbaren, austauschbaren Teilen besteht, die aus dem System ausgebaut werden können, damit sie separat gereinigt und durch andere ähnliche, bereits gesäuberte Teile ersetzt werden können.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erhöhung der Temperatur der Feststoffsubstan;· aus einem Zusatzbrenner besteht, der heiße Gase mit hohem Oxydationsmittelgehalt auf die genannte Feststoffs j bstanz leitet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erhöhung der Temperatur der Feststoffsubstanz aus einem elektrischen Heizkomplex besteht, der die genannte Feststoffsubstanz in Gegenwart eines Stroms von Abgasen oder Luft oder einer Mischung von Luft und Abgasen erhitzt. .
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkomplex aus mindestens einer Zünd- oder Glühkerze besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase während des Ablagerungsprozesses der Feststoffe mit Luft angereichert werden, um die Verbrennung von zumindest einem Teil der Feststoffe zu bewirken.
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