DE102004037286B3 - Bauprinzip einer Abgasreinigungsanlage und Verfahren zum Reinigen eines Abgases damit - Google Patents

Abstract

Das Bauprinzip einer Abgasreinigungsanlage als eingebauter Abschnitt in einem Kanal zur Gasführung hat eine stehende, u-förmige Bauform. Im einen Schenkel befindet sich die Zone zur Ionisation, der Ionisator, der im Gas mitgeführten Partikel/Aerosole. Der Übergang vom einen zum anderen Schenkel, die Verbindungszone, die ein Sammelbecken/-gefäß für die aus dem Gasstrom ausgefällten/ausgeschiedenen Partikel ist, hat zumindest an seiner tiefsten Stelle einen Auslaufstutzen zum Ausleiten von mit Partikeln angereicherter Flüssigkeit. Im zweiten Schenkel befindet sich die Kollektorzone, die aus mindestens einem Kollektor oder in Strömungsrichtung aus mehreren aufeinanderfolgenden Kollektoren besteht. Das zu reinigende Gas strömt von oben in den Ionisatorschenkel ein und in Richtung der Gravitation nach unten, es strömt in den zweiten Schenkel von unten ein und strömt durch den Kollektor nach oben, wo es oben gereinigt austritt.

Description

• Die Erfindung betrifft das Bauprinzip einer Abgasreinigungsanlage und ein Verfahren zur Reinigung eines Abgases damit.
• Submikronpartikel aus Abgasen durch Zyklone, Wäscher und Schlauchfilter abzuscheiden, ist schwierig. Der elektrostatische Abscheider ist eine der wirksamsten Einrichtung/Baugrupp einer Abgasreinigungsanlage für die Feinpartikelabscheidung (siehe beispielsweise DE 101 32 582 C1 ).
• Eine Abgasreinigungsanlage bildet meist einen eingebauten Abschnitt in einem Strömungskanal zur Gasführung. Sie besteht aus den folgenden Baugruppen, die in Strömungsrichtung aufeinanderfolgen:
  einer Zone zur Ionisation der im Gas mitgeführten Partikel/Aerosole, dem Ionisatorone, gefolgt von einer Verbindungs- oder Übergangszone, wiederum gefolgt von einer Kollektorzone zur Abscheidung der darin elektrisch neutralisierten Partikel/Aerosole und schließlich einer Sprüheinrichtung, die den Kollektor mit einer Spülflüssigkeit besprüht.
• Elektrostatisches Abscheiden ist ein physikalischer Prozess, durch den Partikel elektrisch geladen werden und in Folge von dem Gas unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes ausgeschieden/getrennt werden. In einstufigen elektrostatischen Abscheidern erzeugt das elektrische Feld eine Koronaentladung, um die Partikel aufzuladen und sie in Richtung Wand anzuziehen, um sie von dort schließlich zu entfernen. In einem zweistufigen elektrostatischen Abscheider erfolgt das Laden und das Abscheiden der Partikel im Allgemeinen in zwei räumlich verschiedenen äußeren elektrischen Feldern.
• Ein Verfahren und Einrichtungen wurden entworfen, um das wirksame Abscheiden von Partikeln zu gewährleisten, die Einstands kosten und Betriebskosten des elektrostatischen Abscheiders zu senken und die Konstruktion zu vereinfachen (siehe DE 102 44 051 C1 ). Die Partikel werden durch eine Koronaentladung geladen und dann in einem externen, feldfreien Kollektor entfernt. Der Abscheider schließt die Ladeeinrichtung, den Gehäuseanschlusses und die Abscheideinrichtung ein. Die Ladeeinrichtung besteht aus einer geerdeten Düsenplatte und aus Hochspannungsnadelelektroden, die zentral in den Düsen positioniert sind. Die Partikel werden in der Gleichstrom-Koronaentladung geladen. Die Abscheideeinrichtung besteht beispielsweise aus einem geerdeten Röhrenbündelkollektor. Das Verfahren und der Abscheider unterscheiden sich von dem herkömmlichen zweistufigen elektrostatischen Abscheider durch die Abwesenheit des getrennten abscheidenden elektrischen Feldes in der Aufsammlungszone, was es zulässt, die Abscheideeinrichtung kompakt zu bauen.
• Das Verfahren besteht aus folgenden Schritten:
  Mit Partikeln beladenes Gas strömt zur Reinigung durch den Eingang der Abgasreinigungsanlage, das Abgas tritt in die Düsen ein, die in der elektrisch geerdeten Platte vorhanden sind. Diese Platte steht senkrecht zu Strömungsachse. Das Abgas strömt durch den Ionisator, wo die Partikel in der Koronaentladung elektrisch geladen werden. Der Ionisator sitzt zwischen den Hochspannungselektroden und der inneren Oberfläche der geerdeten Düsen. Die Hochspannungselektroden sitzen ausgerichtet auf einem Hochspannungsgitter, welches stromabwärts von der Düsenplatte elektrisch isoliert am Anlagengehäuse eingebaut ist. Danach passiert das Gas mit den elektrisch geladenen Partikeln den Anschlussbereich der Anlage, der den Ionisator und die Abscheidezone verbindet, um schließlich durch den Ausgang der Anlage in dem angeschlossenen Gaskanal weiterzuströmen.
• Nach dem bekannten Verfahren strömt das Gas in gleicher Richtung durch die Ladeeinheit/-zone, das Verbindungsstück und die Abscheidezone. In der in der DE 101 32 582 C1 beschriebenen Abgas-Reinigungsanlage strömt das zu reinigende Abgas in Richtung der Gravitation, in der in der DE 102 44 051 C1 beschriebenen Abgasreinigungsanlage entgegen der Gravitation.
• Obwohl das Verfahren und die Abgasreinigungsanlagen das durchströmende Gas wirksam reinigen, bestehen doch einige Probleme. In der in der DE 101 32 582 C1 beschriebenen Anlage werden die geladenen Partikel im Röhrenbündelkollektor durch Bildung eines Flüssigkeitsfilms abgeschieden. Bei höherer Aerosolkonzentration fließt der Film auf der Oberfläche der Röhren in Richtung der Gravitation. Beim Verlassen der Röhren bilden sich Tröpfchen, die sich wieder im eigentlich gereinigten Gasstrom befinden. Das verringert den Abscheidegrad der Anlage.
• In der in der DE 102 44 015 C1 beschriebenen Abgas-Reinigungsanlage tropft bei hoher Partikelkonzentration ein Teil des Flüssigkeitsfilms von dem Röhrenbündelkollektor auf die Ladeeinheit und provoziert dort Funkenentladung, die den Abscheidegrad verringert. Ebenso wird ein Teil der Partikel auf der Oberfläche des Hochspannungsgitters und der darauf montierten Hochspannungselektroden abgeschieden. Es bilden sich kleine Tröpfchen auf den Elektrodenspitzen. Das verändert entscheidend die vorgesehene Koronaentladung, provoziert Überschläge, verschlechtert den Prozess der Partikelladung und verringert damit den Abscheidegrad.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgas-Reinigungsanlage bereitzustellen und sie langzeitig so betreiben zu können, dass sich ihr vorgegebener Abscheidegrad nicht, bzw. allenfalls nicht nennenswert ändert.
• Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Bauprinzip für den aus einer elektrostatischen Ladeeinrichtung, einer Übergangszone und einer Partikelabscheideeinrichtung bestehen den Abgasreinigungsanlage und durch das in Anspruch 4 beschriebene Verfahren zum Betreiben derselben gelöst.
• Die Abgasreinigungsanlage als Abschnitt in einem Strömungskanal zur Gasführung hat die Form eines aufrecht stehenden U's. Im einen Schenkel befindet sich die Zone zur Ionisation der im Gas mitgeführten Partikel/Aerosole, die elektrostatische Ladezone oder kurz der Ionisator, untergebracht. Der Übergang vom einen zum andern Schenkel, die Verbindungszone, bildet das Sammelbecken/-gefäß für die aus dem Gasstrom ausgefällten/ausgeschiedenen und von dem Kollektor herabtropfenden Partikel. An seiner tiefsten Stelle ist zumindest ein Auslauf zum Ausleiten der mit Partikeln angereicherten Flüssigkeit. Höher gelegene Ausläufe können am Sammelbecken weiter angebracht sein, falls ein Bedarf dazu besteht. Im zweiten Schenkel sitzt die Kollektorzone in der die Partikel aus dem Gasstrom abgeschieden und elektrisch neutralisiert werden, um mit Spülflüssigkeit nach unten abgeleitet/-geschwemmt zu werden.
• Die Kollektorzone besteht aus mindestens einem Kollektor oder aus mehreren, in Strömungsrichtung aufeinanderfolgenden Kollektoren, wobei ein Kollektor aus einer Röhrenbündelgruppe aus mindestens einem Röhrenbündel besteht.
• Entscheidend ist die Einleitung des mit Partikeln versetzten, zu reinigenden Gases in Richtung der Gravitation von oben nach unten in den Schenkel der Anlage, in dem sich der Ionisator befindet. Über eine Koronaentladung werden die Partikel beim Durchgang elektrisch aufgeladen. Die Polarität ist wählbar ist, häufig aber wird negativ aufgeladen. Der Ionisator besteht ja aus der auf einem definierten elektrischen Bezugspotential, meist Erdpotential, liegenden Düsenplatte und dem Hochspannungsgitter meist auf negativem Potential mit aufmontierten und ausgerichteten Elektroden. Wichtig für die vorgesehene Ionisierung ist, dass die Elektroden mit ihren freien Enden von unten her in die jeweils zugeordnete Düse ragen (Anspruch 2). Nur so kann gewährleistet werden, dass keine Tropfenbildung an den Elektroden, insbesondere an den Elektrodenspitzen, zustande kommt, die die Koronaentladung empfindlich entarten lassen könnten. Eventuelle Tropfenbildung an den Elektroden fließt sogleich nach unten zum Hochspannungsgitter ab und tropft dort, unterstützt von dem Gasstrom, ab, um im Sammelbecken schließlich aufgesammelt und abgeführt zu werden. Zur Vermeidung von elektrischer Aufladung liegt das Sammelbecken elektrisch ebenfalls an Bezugspotential. Um nicht zusätzlich bauliche Schutzmaßnahmen (Berührschutz beispielsweise) ergreifen zu müssen, ist das Bezugspotential einfach Erdpotential.
• Das aus dem Ionisator austretende, jetzt mit geladenen Partikeln versetzte Abgas wird in die Verbindungszone eingeleitet, in der das Abgas einerseits umgelenkt und beim Verlassen entgegen der Gravitation senkrecht nach oben von unten her in den zweiten Schenkel eingeströmt wird. Andrerseits wird der austropfende Teil der immer noch elektrisch geladenen Partikel/Aerosole in der Verbindungszone von dem Sammelbecken aufgesammelt.
• Das Abgas wird, wie schon erwähnt, im Kollektor zur Reinigung, bzw. zum Abscheiden der Partikel entgegen der Gravitation von unten nach oben durchströmt. Die Partikel/Aerosole lagern sich alle, zumindest weitgehend, an den Wänden des Kollektors ab, wo sie elektrisch neutralisiert werden und mittels einer auf den Kollektor zumindest von oben gesprühten Spülflüssigkeit entgegen der Gasströmung als mit Partikeln versetzter Flüssigkeitsfilm in Richtung der Gravitation abfließen und in die Verbindungszone, das Sammelbecken, abtropfen. Der Kollektor besteht aus mindestens einem Röhrenbündel, das auf einem ebenfalls auf elektrischem Bezugspotential sitzenden Gitter steht (Anpruch 3). Diese Gitter kann natürlich von unten her ange sprüht werden, falls eine solche Maßnahme nützlich ist. Die Besprühung des Kollektors von oben her ist Standard.
• Das so prozessierte Gas verlässt den Kollektor von Partikeln befreit und strömt jetzt als Reingas im angeschlossenen Strömungskanal weiter.
• Das Ziel der effektiven Reinigung eines Abgases von feinen, hauptsächlich Submikronpartikeln, fest oder flüssig wird mit der Abgas-Reinigungsanlage und dem damit betrieben Verfahren erreicht.
• Die Abgas-Reinigungsanlage zeichnet sich durch ihren Aufbau in Form eines aufrecht stehenden U's aus. Mit ihr kann das Reinigungsverfahren hochwirksam und langzeitig stabil durchgeführt werden, weil die Abgasführung die Tropfenbildung an den freien Elektrodenenden in den Düsen vermeidet und daher die Ionisierung der Partikel in der Koronaentladung zwischen freiem Elektrodenende und Düseninnenwand stets wie vorgesehen, also stabil, abläuft. Die Wirksamkeit der Partikel-/Aerosolabscheidung ist daher vollständig, zumindest nahezu vollständig. Die Anlage als Bestandteil der Strömungskanalführung ist kompakt und technisch robust aufgebaut, aufgrund der drei bzw. mit Sprüheinrichtung vier Baugruppen übersichtlich, einfach zu montieren und gut zu warten. Die Strömungsrichtung des Abgases in der Ionisierungszone ist der in der Kollektorzone entgegengesetzt.
• Die Baumaterialien der Abgas-Reinigungsanlage werden anhand des zu erfüllenden Prozesses ausgewählt. Ob dielektrisch oder elektrisch leitend richtet sich nach der Art des Abgases und der mitgeführten Partikel. Die elektrischen und Bedingungen müssen eingestellt werden können und der Reinigungsprozess langzeitig ohne Korrosionserscheinungen im Anlageninnern durchgeführt werden können.
• Die Reinigungsanlage kann auf das Reinigen von Abgasen in Form von Umweltluft, Rauchgase, Feuchtgas, Trockengas und Heißgas ausgerichtet werden. Die im Abgasstrom mitgeführten Partikel, ob flüssig oder fest, müssen nur ionisierbar, d.h. elektrisch aufladbar sein. Besonders geeignet ist eine solche Abgasreinigungsanlage für das Abscheiden von Submikronpatikeln im Durchmesserbereich D < 1 μm, die sonst nur schwer abzuscheiden sind.
• Anhand der Zeichnung über die schematisierte Abgas-Reinigungsanlage wird dieselbe und das damit betriebene Verfahren nochmals näher erläutert.
• 1 zeigt das Anlagenschema,
• 2 die Ionisierungszone vergrößert.
• In 1 tritt das zu reinigende Abgas von oben her in den Eingang 2 der Abgasreinigungsanlage 1 ein und strömt in Gravitationsrichtung nach weiter unten durch den Ionisator 10 hindurch. Darin werden die Partikel/Aerosole über Koronaentladung mit vorgegebener Polarität – meist negativ geladen – ionisiert.
• 2 zeigt den Ionisator 10 ausschnittsweise. Zwei Düsen 3 in der auf Erdpotential liegenden Metallplatte, der Düsenplatte 4, aus Edelstahl oder Kupfer oder einem elektrisch leitenden Verbundwerkstoff aus Kohlenstoff, auf jeden Fall aber inert gegen die Prozessumgebung, sind im Schnitt dargestellt. In sie hinein ragt je eine Elektrodenspitze 5. Alle Elektrodenspitzen sind auf dem Hochspannungsgitter 6 ausgerichtet montiert. Das Hochspannungsgitter 6 selber ist elektrisch isoliert an die Gehäusewand der Anlage montiert. Über eine Durchführung in der Gehäusewand wird das Hochspannungsgitter 6 an das in einem Netzgerät erzeugten Hochspannungspotential angeschlossen (siehe beispielsweise DE 101 32 528 C1 oder DE 102 44 051 C1 ). Das Hochspannungspotential ist im allgemeinen am Netzgerät einstellbar und richtet sich in seiner Polarität nach dem zu fahrenden Prozess.
• Nach Durchtritt des Abgases durch den Ionisator 10 sind die Partikel/Aerosole jetzt elektrisch geladen. Der Abgasstrom gelangt nun unter Umlenkung in die Horizontale in die Verbindungszone 7, also durch den Fuß des U's, strömt dort horizontal weiter und tritt unter erneuter Umlenkung entgegen der Schwerkraft von unten her in den andern Schenkel 8 ein. Das Verbindungsstück 7 dient als Auffang für aus dem Gasstrom ausfallende Partikel und für den im Kollektor 8 ablaufenden, mit Partikeln/Aerosolen beladenen Flüssigkeitsfilm.
• Das Abgas mit den elektrisch geladenen Partikeln tritt in den geerdeten Kollektor 8 ein. Beim Durchströmen nach oben werden die elektrisch geladenen Partikel an die Röhrenwände gezogen, die ja aufgrund der elektrischen Anbindung des Kollektors 8 an das Erdpotential anziehend wirken, und daran abgeschieden. Dabei wird die elektrische Ladung abgezogen und dadurch die Partikel elektrisch neutralisiert.
• Der Kollektor 8 wird üblicherweise zur Spülung von oben besprüht (nicht eingezeichnet in 1), so dass die an den Kollektorwänden abgelagerten Partikel mit nach unten abgeschwemmt und in der zur Auffangwanne 7 aufgebauten Verbindungszone 7 aufgefangen und über einen Rohranschluss ausgeleitet werden.
• Nach Austritt aus dem Kollektor 8 strömt das nun gereinigte Abgas nach oben weiter, tritt am Schenkelausgang 9 aus der Abgas-Reinigungsanlage 1 aus und in den angebauten, weiterführenden Strömungskanal ein oder wird gleich an die Umgebung abgegeben.
• Die Wirksamkeit der Abgas-Reinigungsanlage 1 und des Verfahrens wurde experimentell an einer Pilotanlage geprüft. Die Pilotanlage enthielt einen Düsenplatte mit 61 Düsen und einen Röhrenbündelkollektor. Sie wurde mit 9,5 – 10,5 kV Gleichspannung für die Koronaentladung betrieben. Der Koronastrom war zwischen 4,5 und 5,5 mA. Der Ionisator hatte ein hohlzylindrisches Gehäuse, ebenso der Kollektor. Die Massenkonzentration der Partikel im Abgas war 70 – 110 mg/Nm³.
• Wenn die Richtung des Abgasstromes im Ionisator und in der Kollektorzone entgegen der Gravitation war, war die Wirksamkeit der Abscheidung 82–86%.
• Wenn die Richtung des Abgasstromes im Ionisator und in der Kollektorzone gleich der Gravitation war, war die Wirksamkeit der Abscheidung 79–83%.
• Wenn die Richtung des Abgasstromes im Ionisator gleich der und in der Kollektorzone entgegen der Gravitation war, war die Wirksamkeit der Abscheidung 95–97%.
• Die erhebliche Verbesserung im Abscheidegrad ist auf das u-förmige Bauprinzip und die Stabilität der der Koronaentladung in den Ionisator zurückzuführen.

1

Abschnitt

2

Eingang

3

Düse

4

Düsenplatte

5

Hochspannungselektrode

6

Hochspannungsgitter

7

Verbindungszone, Sammelbecken

8

Kollektorzone, Partikelabscheider

9

Ausgang

10

Ionisator

Claims (4)

1. Bauprinzip einer Abgasreinigungsanlage als eingebauter Abschnitt in einem Kanal zur Gasführung, bei der in Strömungsrichtung des zu behandelnden Abgases aufeinander folgen: eine Zone zur Ionisation der im Gas mitgeführten Partikel/Aerosole, dem Ionisator, – eine Verbindungszone, – eine Kollektorzone zum Abscheiden der darin elektrisch neutralisierten Partikel/Aerosole, – eine Sprühanlage zum Spülen der Kollektorzone, dadurch gekennzeichnet, dass: der Abschnitt (1) zur Abgasreinigung den Aufbau eines aufrecht stehenden U's hat, in dessen einen Schenkel sich die Zone zur Ionisation, der Ionisator (10), der im Gas mitgeführten Partikel/Aerosole befindet, wobei das zu reinigende Gas oben in diesen Schenkel ein- und nach unten in Richtung der Schwerkraft durch den Ionisator (10) strömt, der Übergang vom einen zum andern Schenkel, die Verbindungszone (7), die ein Sammelbecken/-gefäß (7) für die aus dem Gasstrom ausgefällten/ausgeschiedenen Partikel ist, an dessen tiefster Stelle zumindest ein Auslaufstutzen zum Ausleiten von mit Partikeln angereicherter Flüssigkeit ist, sich im zweiten Schenkel die Kollektorzone (8) befindet, die aus mindestens einem Kollektor oder in Strömungsrichtung aus mehreren aufeinanderfolgenden Kollektoren be steht, wobei das Gas von unten in den zweiten Schenkel ein- und nach oben entgegen der Schwerkraft durch die Kollektorzone (8) strömt, über der Kollektorzone (8) eine Sprüheinrichtung und im Fall mehrerer Kollektoren zwischen den Kollektoren je eine Sprüheinrichtung montiert ist.
2. Bauprinzip einer Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ionisatorzone, die aus einer auf einem elektrischen Bezugspotential liegenden Düsenplatte (4) und einem Hochspannungsgitter (6) mit darauf montierten und ausgerichteten Hochspannungselektroden (5) besteht, wovon jeweils eine in eine Düse (3) ragt und die Hochspannungselektroden (5) von unten her in ihre jeweils zugehörige Düse (3) ragen.
3. Bauprinzip einer Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorzone (8) aus mindestens einer Röhrenbündelgruppe besteht.
4. Verfahren zum Reinigen eines Abgases in einer Abgasreinigungsanlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Schritte: das Abgas wird aus einem Kanal von oben her in Richtung der Gravitation in den Schenkel mit der Ionisatorzone eingeleitet und durch sie in Richtung der Gravitation nach unten geströmt, das aus der Ionisatorzone austretende Abgas wird in die Verbindungszone (7) eingeleitet, in der das Abgas einerseits umgelenkt wird, um entgegen der Gravitation senk recht nach oben von unten her in den zweiten Schenkel einzuströmen und andrerseits ein erster, austropfender Teil der Partikel/Aerosole in der Verbindungszone (7) aufgesammelt wird, das Abgas wird im Kollektor zur Reinigung, bzw. zum Abscheiden der Partikel entgegen der Gravitation von unten nach oben durchströmt, um darin seine Partikel/Aerosole an den Wänden des Kollektors abzuscheiden, wo sie elektrisch neutralisiert werden und wo sie mittels einer auf den Kollektor zumindest von oben gesprühten Spülflüssigkeit entgegen der Gasströmung als mit Partikeln versetzter Flüssigkeitsfilm in Richtung der Gravitation abfließen und in die Verbindungszone (7) in das Sammelbecken (7) abtropfen können, das Gas wird als Reingas oben am zweiten Schenkel ausgeströmt und im angeschlossenen Strömungskanal weitergeführt.