DE10108394C2

DE10108394C2 - Keramisches Filterelement zur Partikelabtrennung aus heißen Gasen

Info

Publication number: DE10108394C2
Application number: DE10108394A
Authority: DE
Inventors: Ralf Westerheide
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: DE10108394A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Filterelement zur Partikelabtrennung aus heißen Gasen, mit einem lang gestreckten hohlen Grundkörper aus einem grobporösen keramischen Material, der eine feinporöse keramische Filterschicht trägt und an einem zur Befestigung an einem Träger vorgesehenen ersten Ende eine Zugangsöffnung aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin die bevorzugte Verwendung eines derartigen Filterelementes.

Filterelemente wie das der vorliegenden Erfindung kommen beispielsweise in Form von sog. Filterkerzen in der Kraftwerkstechnik zum Einsatz. Sie dienen der Filtration heißer Gase aus der Kohleverbrennung oder Kohlevergasung. Hierfür werden in der Regel eine Vielzahl dieser Filterkerzen an ihrem offenen Ende an einem Träger befestigt und in den Gasraum mit dem zu filtrierenden Gas eingebracht. Zur Befestigung ist am offenen Ende der Filterkerze ein geformter Kerzenkopf ausgebildet, der durch eine entsprechende Aufnehmung im Träger gehalten wird. Das andere Ende der Filterkerze ist geschlossen. Die zu filtrierenden Gase strömen aufgrund des Überdrucks im Gasraum durch die Wandung der Filterkerzen und werden über den hohlen Innenraum in Richtung der Aufhängung der Kerze transportiert. Die dünne Filterschicht auf dem Grundkörper hält entsprechende Feststoffpartikel zurück, während der Grundkörper die mechanische Festigkeit der Filterkerze gewährleistet.

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Ausgestaltungsformen von Filterkerzen bekannt. Eine typische Ausgestaltung besteht aus einem grobporösen Grundkörper mit einer feinporösen Deckschicht als Filtrationsmembran, die jeweils aus keramischen Werkstoffen bestehen. Ein Beispiel für eine derart ausgebildete Filterkerze ist der US 4968467 zu entnehmen. Ein weiteres Beispiel ist in der DE 39 15 845 A1 angegeben, in der insbesondere auf eine vorteil hafte Zusammensetzung und Herstellung der feinporösen Deckschicht eingegangen wird.

Derartige Filterkerzen haben ein großes Verhältnis ihrer Länge zu ihrem Durchmesser und können sowohl hängend als auch stehend am Träger befestigt werden. Typische Filterkerzen haben eine Länge von etwa 1,5 m bei einem Durchmesser von etwa 0,06 m.

Während der Filtration sammelt sich auf der Außenseite der Filterkerzen durch die abgereinigten Feststoffe ein Filterkuchen an, der die Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenseite der Kerze erhöht. Da dieser Filterkuchen im Laufe der Zeit zu einer Abdichtung der Kerze führen würde, muss er in regelmäßigen Zeitintervallen entfernt werden. Zur Entfernung des Filterkuchens hat sich eine Technik bewährt, bei der die Filterkerzen in regelmäßigen Abständen entgegen der Strömungsrichtung mit einem Druckimpuls eines komprimierten Gases beaufschlagt werden oder durch kurzzeitige Unterbrechung des Reingasstroms die Druckdifferenz über den Filterkerzen weggenommen wird. Durch diese Druckimpulse oder die Wegnahme der Druckdifferenz löst sich zumindest ein Teil des Filterkuchens von der Oberfläche der Filter kerze.

Aufgrund ihres großen Länge-zu-Durchmesser- Verhältnisses können die in der Regel frei hängenden Kerzen während des Betriebes oder der Reinigung zum Schwingen angeregt werden. Abhängig von der Frequenz und Amplitude der Schwingung kann die Filtermembran oder der Grundkörper mechanische Schädigungen erfahren, die nachfolgend zum Bruch einer Kerze führen können. Außerdem wird in vielen Fällen der Filterkuchen durch diese Druckbeaufschlagung nicht vollständig oder nicht gleichmäßig über der Länge abgelöst, so dass sich die Einsatzdauer der Filterkerzen verkürzt.

In der US 6 113 664 A wird eine Ausführungsform einer Filterkerze vorgeschlagen, mit der die Gefahr einer Schädigung durch Schwingungen verringert werden soll. Die vorgeschlagene Filterkerze weist im Bereich ihrer Aufhängung einen verdichteten Bereich des Grund körpers auf. Dieser verdichtete Bereich hat eine derart geringe Porosität, dass er nicht vom Gas durchdrungen wird, so dass sich an dieser Stelle kein Filterkuchen ausbilden kann. Gerade die Ausbildung des Filterkuchens im Übergangsbereich zur Aufhängung wurde hierbei als unerwünschter Effekt erkannt, der die Schwingungs dämpfung verringert und somit einen leichteren Bruch der Kerze an dieser Stelle herbeiführen kann.

Aus der US 5 460 637 A ist eine keramische Filter kerze mit einem porösen keramischen Grundkörper bekannt, auf dem eine keramische Membranschicht ausgebildet ist. Träger und Membranschicht bestehen hierbei aus einem gewickelten keramischen Faser material. Durch diese Ausgestaltung soll eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen thermische Belastungen erreicht werden. Durch Ausbildung einer möglichst glatten Oberfläche der Membranschicht wird eine effizientere Reinigung des Filterkuchens durch die Beaufschlagung mit einem Druckimpuls ermöglicht, da der Filterkuchen auf einer glatten Oberfläche weniger stark haftet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein keramisches Filterelement zur Partikelab trennung aus heißen Gasen anzugeben, das eine geringe Schwingungsneigung beim Betrieb und bei der Reinigung durch Beaufschlagung mit einem Druckimpuls aufweist und eine gleichmäßige Ablösung des Filterkuchens ermöglicht.

Die Aufgabe wird mit dem keramischen Filterelement gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausge staltungen des Filterelementes sind Gegenstand der Unteransprüche 1-4. Die bevorzugten Verwendungen des Filterelementes werden in den Patentanspruch 5 und 6 angegeben.

Das vorliegende keramische Filterelement besteht aus einem lang gestreckten hohlen Grundkörper aus einem grobporösen keramischen Material, der eine feinporöse keramische Filterschicht trägt und an einem zur Befestigung an einem Träger vorgesehenen ersten Ende eine Zugangsöffnung aufweist. Das Filterelement zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Porosität des keramischen Grundkörpers über seine für die Filterung wirksame axiale Erstreckung kontinuierlich oder in mehreren Stufen ändert. Unter der für die Filterung wirksamen axialen Erstreckung ist hierbei der Bereich des Grundkörpers zu verstehen, der ausreichend gasdurchlässig ausgebildet ist, um den Durchtritt und die Filterung des Gases durch die aufgebrachte feinkeramische Schicht zu ermöglichen. Als Ergebnis bildet sich in diesem Bereich ein Filterkuchen aus.

Bei der Entwicklung des vorliegenden Filter elementes wurde erkannt, dass sich der bei der Reinigung der Filterkerzen aufzubringende Druckimpuls nicht gleichmäßig über die Länge der Filterkerze auswirkt. Aufgrund dieser ungleichmäßigen Wirkung besteht die Gefahr, dass die Abreinigung nicht gleich mäßig über die gesamte Kerzenlänge erfolgt. Als Folge kann entweder ein Teil der Kerze nicht als Filtrations fläche genutzt werden oder es muss häufiger als bei einer homogenen Verteilung des Druckimpulses über der Kerzenlänge abgereinigt werden.

Die ungleichmäßige Wirkung des Druckimpulses über die Kerzenlänge führt auch zu einer verstärkten Schwingungsbelastung des Filterelementes. Durch eine Änderung der Porosität des keramischen Grundkörpers über seine axiale Erstreckung, d. h. über die für die Filtration wirksame Kerzenlänge, kann diesem Effekt entgegengewirkt werden. Gerade dies wird mit dem vorliegenden Filterelement erreicht. Durch einen derart gradierten Aufbau der Filterkerze kann die Gefahr sowohl der ungleichmäßigen Abreinigung als auch der mechanischen Schädigung durch Schwingungen vermieden bzw. in ihren Auswirkungen verringert werden. Beide Wirkungen können beispielsweise für die jeweiligen Randbedingungen beim Einsatz der Filterelemente vorausberechnet und die optimale Porositätsverteilung bei der Herstellung der Filterelemente berücksichtigt werden.

Der Grundkörper besteht aus einem grobporösen keramischen Material, auf dem die keramische Filter schicht als feinporöse Deckschicht ausgebildet ist. Die Gradierung der Porosität des Grundkörpers kann beispielsweise durch die Verwendung unterschiedlicher Pulverwerkstoffe oder Pulverkörnungen bei der Form gebung des Grundkörpers erreicht werden. Dem Fachmann sind ausreichend Herstellungstechniken bekannt, die unterschiedliche Porositäten eines keramischen Körpers hervorrufen.

In der bevorzugten Ausführungsform ist das vorliegende Filterelement als Filterkerze ausgebildet, bei der der Grundkörper an seinem dem ersten gegen überliegenden zweiten Ende geschlossen ausgeführt ist. Das erste Ende ist vorzugsweise mit einer entsprechen den, beispielsweise ringflanschartigen, Verbreiterung versehen, um daran an einem Träger aufgehängt zu werden. Bei einer derartigen Ausgestaltung, bei der der Druckimpuls zur Reinigung der Filterkerze vom ersten Ende aus in die Filterkerze eingebracht wird, muss die Porosität der Filterschicht in axialer Richtung der Filterkerze ansteigen, d. h. am ersten Ende muss die Porosität geringer sein als am geschlossenen zweiten Ende der Filterkerze. Dies ergibt sich aufgrund der vom ersten zum zweiten Ende hin abnehmenden Amplitude des eingebrachten Druckimpulses, wie beispielsweise in Untersuchungen der RWTH-Aachen durch Messungen der Gasgeschwindigkeiten bei der Abreinigung experimentell nachgewiesen werden konnte (Gross, R. et al.: Hot Gas Filtration with Ceramic Filter Candles: Experimental and Numerical Investigation on Fluid Flow during Element Cleaning in: High Temperature Gas Cleaning, Vol. II; Herausgeber: Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, Universität Karlsruhe (TH), Karlsruhe, 1999; 862/873).

Bei einer anderen Ausgestaltung des Filter elementes, bei der beispielsweise beide Enden mit Zugangsöffnungen versehen und an jeweils beabstandeten Trägern befestigt sein können, kann die Porosität auch ausgehend von beiden Enden zur Mitte hin ansteigen, falls der Druckimpuls zur Abreinigung von beiden Zugangsöffnungen gleichzeitig eingebracht wird.

Bei allen Ausführungsformen ist die Porosität des Grundkörpers - in dem für die Filterung wirksamen Bereich, vorzugsweise über seine gesamte Länge - selbstverständlich so gewählt, dass einerseits der Bereich des keramischen Grundkörpers mit der geringsten Porosität noch eine ausreichende Permeabilität zur Entfaltung einer Filterwirkung aufweist und andererseits der Bereich des Grundkörpers mit der größten Porosität noch eine ausreichend mechanische Stabilität aufweist. Ein Anstieg der Porosität über die axiale Länge des Filterelementes kann sowohl kontinuierlich als auch in mehreren Stufen erfolgen. Unter mehreren Stufen sind hierbei mehr als zwei Stufen zu verstehen.

Bei der bevorzugten Verwendung eines derartigen Filterelementes in einem Filtersystem wird der Verlauf des Gradienten der Porosität derart eingestellt, dass eine gleichmäßige Abreinigung über die axiale Länge des Filterelementes erzielt wird. Weiterhin kann die Einstellung derart erfolgen, dass die durch die Druckimpulse verursachten Schwingungen des Filter elementes im Vergleich zu einem Filterelement mit einer konstanten Porosität über die axiale Länge verringert werden. Der Verlauf des Gradienten kann zur Optimierung des Geschwindigkeitsverlaufes bei der Abreinigung oder bezüglich der Gefährdung durch Schwingungen durch Vorausberechnungen ermittelt und entsprechend eingestellt werden.

Das bevorzugte Einsatzgebiet des Filterelementes betrifft die Filterung von Heißgasen, insbesondere in der Kraftwerkstechnik bei der Kohleverbrennung oder Kohlevergasung.

Das vorliegende keramische Filterelement wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer hängenden Filterkerze;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Filtration mittels einer Filterkerze;

Fig. 3 eine Veranschaulichung des Prozesses der Abreinigung einer Filterkerze durch einen Druckimpuls; und

Fig. 4 in stark schematisierter Darstellung einen beispielhaften Aufbau des vorliegenden Filterelementes.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das vorliegende Filterelement als Filterkerze mit einem offenen 3 und einem geschlossenen Ende 4 ausgestaltet, die über eine Verbreiterung 6 an einem Träger 8 aufgehängt bzw. befestigt wird. Das Filtrat wird über den Träger 8 abgezogen. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer derartigen hängenden Filterkerze.

Die prinzipielle Funktionsweise einer Filterkerze, wie auch des Filterelementes der vorliegenden Erfin dung, ist anhand der Fig. 2 zu erkennen. Die Filter kerze besteht aus einem lang gestreckten hohlen Grundkörper 1, der eine in der Figur nicht zu erkennende dünne keramische Filterschicht trägt und an einem ersten Ende 3 eine Zugangsöffnung 5 aufweist. An diesem ersten Ende ist ein ringförmiger Flansch 6 ausgebildet, der der Befestigung an einem Träger 8 dient. Die zu filtrierenden Gase strömen durch die Wandung der Filterkerze, d. h. durch die keramische Filterschicht und den für Gase durchlässig ausge bildeten porösen Grundkörper 1 in das Innere dieses Grundkörpers 1 und werden in Richtung der Aufhängung aus der Filterkerze transportiert, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist. Der durchgezogene Pfeil ent spricht hierbei dem zu filterndem Gas, der gestrichelte Pfeil dem aufgrund des Durchgangs durch die Filter schicht gefilterten Reingas. Während der Reinigung sammelt sich an der Außenseite der Filterkerze auf der Filterschicht zurückgehaltener Feststoff als Filter kuchen 7 an, der in bestimmten Zeitabständen entfernt werden muss.

Zur Entfernung des Filterkuchens 7 wird die Filterkerze entgegen der Strömungsrichtung des Reingases mit einem Druckimpuls eines komprimierten Gases beaufschlagt, wie dies in Fig. 3 zu erkennen ist. Aufgrund dieses Druckimpulses löst sich der Filterkuchen 7 von der Oberfläche des Filterelementes, wie in der Figur angedeutet.

Aufgrund der großen Länge der Filterkerze von in der Regel < 1 m im Vergleich zu seinem geringen Durch messer von in der Regel < 10 cm wirkt der eingebrachte Druckimpuls jedoch nicht über die gesamte Länge der Filterkerze gleichmäßig. Die ungleichmäßige Wirkung kann zu einer ungleichmäßigen Abreinigung über die Länge der Filterkerze und zu einer starken mechanischen Belastung durch Schwingungen führen.

Zur Vermeidung oder Verringerung dieser Problema tik besteht das keramische Filterelement der vor liegenden Erfindung aus einem Grundkörper, dessen Porosität sich entlang der Längsachse des Filter elementes ändert. Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Filterkerze, die wie die Filterkerzen der vorliegenden Figuren aufgebaut ist. In der Figur ist hierbei nicht maßstabsgetreu die Filterschicht 2 auf dem porösem Grundkörper 1 zu erkennen. Die Porosität des Grundkörpers steigt in diesem Beispiel in Schritten von 5% vom ersten Ende 3 zum zweiten Ende 4 hin an (durch den Pfeil angedeutet). Während am Kopf bzw. ersten Ende 3 eine Porosität von 20% vorliegt, weist der Grundkörper 1 am zweiten Ende 4 eine Porosität von 65% auf. Die Filterkerze hat in diesem Beispiel eine Länge von 1,5 m, so dass zehn verschiedene Porositäten über die Länge der Filterkerze vorliegen. Mit einer derartig ausgestalteten Filterkerze wird eine gleichmäßigere Ablösung des Filterkuchens mit einem Druckimpuls ermöglicht als bei einer Filterkerze mit einem Grundkörper konstanter Porosität. Weiterhin ergibt sich eine demgegenüber verringerte mechanische Belastung durch Schwingungen.

Aus dem dargestellten Ausführungsbeispiel sowie der Beschreibung ist ersichtlich, dass die vorliegende Ausgestaltung des Filterelementes nicht auf bestimmte Filtermaterialien oder Montagetechniken des Filter elementes am Träger beschränkt sind. Es lassen sich vielmehr alle bekannten keramischen Materialien einsetzen, die mit einem Porositätsgradienten herstell bar sind. Selbstverständlich müssen diese Materialien wie auch die aufgebrachte Filterschicht den jeweiligen Temperaturbelastungen bei der Filtration standhalten können. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Ausge staltung als hängende Filterkerze, da diese kosten günstig herstellbar und unter Heißgasbedingungen einsetzbar ist.

Bezugszeichenliste

1

Grundkörper

2

keramische Filterschicht

3

erstes Ende des Grundkörpers

4

zweites Ende des Grundkörpers

5

Zugangsöffnung

6

Verbreiterung, Flansch

7

Filterkuchen

8

Träger

Claims

1. Keramisches Filterelement zur Partikelabtrennung aus heißen Gasen, mit einem langgestreckten hohlen Grundkörper (1) aus einem grobporösen keramischen Material, der eine feinporöse keramische Filterschicht (2) trägt und an einem zur Befestigung an einem Träger ausgebildeten ersten Ende (3) eine Zugangsöffnung (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Porosität des keramischen Grund körpers (1) über seine für die Filterung wirksame axiale Erstreckung kontinuierlich oder in mehreren Stufen ändert.

2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) rohrförmig ausgebildet und an seinem dem ersten gegenüberliegenden zweiten Ende (4) geschlossen ist.

3. Filterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität des keramischen Grundkörpers (1) vom ersten Ende (3) bis zum zweiten Ende (4) zunimmt.

4. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Befestigung an einem Träger ausgebildete erste Ende (3) eine Verbreiterung (6) aufweist.

5. Verwendung eines Filterelementes nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Filtersystem, bei dem die Oberfläche der Filterschicht (2) über entgegen der Strömungsrichtung eines Filtrates eingebrachte Druckimpulse oder durch Wegnahme einer Druckdifferenz von Ablagerungen gereinigt wird, wobei die Änderung der Porosität des Grundkörpers (1) derart eingestellt ist, dass durch die Druckimpulse oder die Wegnahme der Druckdifferenz eine gleichmäßige Abreinigung über die Länge des Filterelementes erzielt wird und/oder durch die Druckimpulse oder die Wegnahme der Druckdifferenz verursachte Schwingungen des Filterelementes im Vergleich zu einem Filter element mit einem Grundkörper (1) konstanter Porosität verringert werden.

6. Verwendung eines Filterelementes nach einem der vorangehenden Ansprüche in einer Anlage zur Abreinigung von Feststoffen aus Gasströmungen.