DE102009021072A1 - Elektrostatischer Abscheider und Heizsystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Abscheider, insbesondere für eine Abgasleitung (1) eines mit Biomasse befeuerten Heizsystems, mit einem Strömungskanal (2) mit einer Kanalwandung (3) und einem Kanalinneren, durch welchen ein partikelbeinhaltendes Abgas in einer Strömungsrichtung strömt, mit einer sich in dem Kanalinneren im Wesentlichen in Strömungsrichtung erstreckenden Aufladeelektrode (4), zur Bildung eines elektrischen Feldes zwischen der Aufladeelektrode (4) und der Kanalwandung (3), mit einer Hochspannungs-Durchführung (5), welche von einem Isolator (6) eingefasst ist, sowie einem mit einem Heizelement (7) beheizbaren Partikelabweisemittel, welches ein Ablagern von Partikeln an Hochspannungs-Durchführung (5) und (6) verhindert, wobei Hochspannungs-Durchführung (5) und Aufladeelektrode (4) zumindest teilweise als ein gemeinsames Bauteil ausgebildet sind. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Funktion und Betrieb eines elektrostatischen Abscheiders insbesondere durch Verringerung der zur Beheizung notwendigen elektrischen Leistungsaufnahme zu optimieren. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Heizsystem mit einem erfindungsgemäßen Abscheider zu schaffen, das eine zuverlässige und effektive Abgasreinigung garantiert. Gekennzeichnet ist der elektrostatische Abscheider dadurch, dass die Aufladeelektrode (4) mindestens in einem Teilbereich mit einer elektrischen Isolierung (8) versehen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Abscheider, insbesondere für eine Abgasleitung eines mit Biomasse befeuerten Heizsystems, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Heizsystem zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger mit einem elektrostatischen Abscheider nach Anspruch 7.
• Aufgrund der Emissionen von Heizungsanlagen und globaler Bemühungen, derartige Emissionen zu reduzieren – siehe zum Beispiel das Kyoto-Abkommen – werden bei Heizungsanlagen entsprechende Abgasreinigungsanlagen verwendet. Diese sollen insbesondere die schädlichen Stoffe und Partikel aus Abgasen herausfiltern, sodass das verbleibende, gereinigte Abgas bedenkenlos an die Umwelt abgegeben werden kann. Insbesondere werden derartige Abgasreinigungsanlagen bei Biomasse-Heizanlagen eingesetzt, bei denen neben ansonsten ökonomischen und ökologischen Vorteilen eine erhöhte Emission an Schadstoffen in den Abgasen auftreten kann. Gerade die relativ hohe Emission an Feinstaub, der im Wesentlichen aus verschiedenen Anteilen aus Kohlenstoff-, Kalium- und/oder Calcium-Verbindungen besteht, als ein Schadstoffanteil ist bei herkömmlichen Biomasse-Heizungsanlagen ein Nachteil.
• Aus der EP 1 193 445 A2 ist eine Abgasreinigungsanlage bekannt, welche für Biomasse-Heizungsanlagen zur Verringerung von Feinstaubemission verwendet wird. Die dort beschriebene Vorrichtung ist in einen Rauchgaskanal einbaubar und weist hierzu einen Deckel auf, der gasdicht auf eine zugehörige Öffnung an einem Rauchgaskanal aufsetzbar ist. An der Innenseite des Deckels ist über eine isolierende Halterung eine Sprühelektrode, zum Beispiel in Form eines Stabes, gehalten. Ein Hochspannungs-Transformator mit Gleichrichterfunktion erlaubt den Aufbau einer hohen Gleichspannung zwischen dem Draht und dem Deckel, welcher elektrisch leitend mit dem Ofenrohr verbunden ist, so dass dieses als Kollektorelektrode wirkt.
• Ein derartiger Elektrofilter mit Sprühelektrode und Kollektorelektrode ist auch als elektrostatischer Abscheider bekannt. Dieser wird zur Abgasreinigung in einer Abgasleitung einer Heizungsanlage eingesetzt. Dabei wird durch die Sprühelektrode, welche etwa mittig durch die Abgasleitung verläuft und deshalb auch als Mittelelektrode bezeichnet wird, und eine umgebende Mantelfläche der Abgasleitung ein Kondensator gebildet, der bei einer zylinderrohrförmigen Ausbildung der Abgasleitung auch als Zylinderkondensator bezeichnet wird. Die Sprüh- oder Mittelelektrode weist in der Regel einen kreisförmigen Querschnitt in Strömungsrichtung des Abgases auf, wobei der Durchmesser des Querschnitts oder auch der Krümmungsradius im Allgemeinen relativ klein ausgebildet ist (zum Beispiel kleiner als 0,4 mm). Um nun die Schadstoffe, genauer die nicht an die Umwelt abzugebenden Partikel, des Abgases aus dem Abgasstrom abzuscheiden, wird durch die Mittelelektrode und die durch die Mantelfläche gebildete Kollektorelektrode ein quer zur Strömungsrichtung verlaufendes Feld mit Feldlinien von der Mittelelektrode zur Kollektorelektrode gebildet. Hierzu wird an die Mittelelektrode eine Hochspannung angelegt, zum Beispiel in dem Bereich von 15 kV. Dadurch bildet sich eine Corona-Entladung aus, durch welche die in dem Abgas durch das Feld strömenden Partikel unipolar aufgeladen werden. Aufgrund dieser Aufladung wandern die meisten der Partikel durch die elektrostatischen Coulomb-Kräfte zur Innenwand der Abgasleitung, welche als Kollektorelektrode dient.
• Wie oben bereits erwähnt, werden die Partikel durch die entlang der Oberfläche der Aufladeelektrode sich ausbildende Corona-Entladung elektrostatisch aufgeladen. Dies geschieht auf molekularer Ebene durch folgenden Prozess: Liegt die Aufladeelektrode z. B. gegenüber dem Abgasrohr auf negativer Hochspannung, so wird eine große Anzahl von Gasmolekülen negativ aufgeladen. Sie bewegen sich im von der Aufladeelektrode sowie dem Abgasrohr aufgespannten elektrischen Feld in Richtung des Abgasrohres. Treffen diese auf ihrem Weg durch das Abgasrohr auf elektrisch neutrale Partikel, so bleiben sie an diesen haften und laden die bis dahin neutralen Partikel ebenfalls negativ auf. Die geladenen Partikel strömen getrieben durch elektrostatische Ablenkungskräfte zur Innenwand des Abgasrohres. Hier bleiben die Teilchen haften, verlieren ihre Ladung und werden sicher aus dem Abgasstrom entfernt. Dies ist der Kernprozess eines elektrostatischen Abscheiders und führt je nach Geometrie, Höhe des Corona-Stroms, Elektrodenform etc. zu Abscheideraten bis etwa über 90%. Dieser Kernprozess kann durch folgenden Effekt gestört werden:
  In dem elektrischen Feld strömen die geladenen Partikel zur Innenwand des Abgasrohres, so dass einige davon die Hochspannungs-Durchführung erreichen und dort haften bleiben. Mit der Zeit bildet sich auf diese Weise eine elektrisch leitende Partikelschicht auf der Hochspannungs-Durchführung bzw. dem diese umgebenden Isolator, welche die Funktionsfähigkeit des elektrostatischen Abscheiders, beispielsweise durch Spannungs-Durchschläge, einschränkt.
• Um zu verhindern, dass sich Partikel auf der Hochspannungs-Durchführung ablagern, ist ein beheizbares Partikelabweisemittel vorgesehen, welches mittels Thermophorese die Funktion des elektrostatischen Abscheiders wirkungsvoll aufrecht erhält.
• Allerdings ist dazu eine elektrische Heizleistung erforderlich, welche bei an der Elektrode anliegenden Hochspannung noch deutlich höher sein muss als ohne, um einen Abweiseeffekt zu erreichen.
• So hat sich in Versuchen gezeigt, dass bei einer rein thermophoretisch induzierten Partikelbewegung eine minimale Temperaturdifferenz von ca. 40 K ausreicht. Weil insbesondere die auf Erdpotenzial liegende Keramikisolation der Hochspannungszuführung bzw. des beheizbaren Partikelabweisemittels als Auffangfläche für die Partikel wirkt, ist eine sehr viel höhere Temperaturdifferenz von ca. 160 K bei anliegender Hochspannung an der Elektrode nötig, um die Keramikisolation sauber zu halten.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Funktion und Betrieb eines elektrostatischen Abscheiders insbesondere durch Verringerung der zur Beheizung notwendigen elektrischen Leistungsaufnahme zu optimieren. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Heizsystem mit einem erfindungsgemäßen Abscheider zu schaffen, das eine zuverlässige und effektive Abgasreinigung garantiert.
• Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Der erfindungsgemäße elektrostatische Abscheider ist dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode mindestens in einem Teilbereich mit einer elektrischen Isolierung versehen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aufladeelektrode von der Seite der Halterung und/oder des beheizbaren Partikelabweisemittels her in einem Teilbereich mit einer elektrischen Isolierung versehen.
• Es handelt sich bei der elektrischen Isolierung vorzugsweise um eine auf der Aufladeelektrode aufgebrachte Isolationsschicht und/oder ein elektrisch nicht leitendes Hüllelement um die Aufladeelektrode. Dabei besteht die elektrische Isolierung aus einer keramischen Beschichtung oder einem Keramikörper, insbesondere einem Keramikrohr als Umhüllung des Elektrodendrahtes.
• Erfindungsgemäß verlagert sich der Ort der elektrischen Aufladung bezüglich der Beheizung von Partikelabweisemittel und Aufladeelektrode stromabwärts, also weiter weg von der auf Erdpotenzial liegenden Keramikisolation der Hochspannungszuführung bzw. des beheizbaren Partikelabweisemittels.
• Durch Verlängerung des stromabwärts liegenden Teils der Sprühelektrode lässt sich der durch die lokale Passivierung der Sprühelektrode erzeugte Wegfall der Sprühfläche kompensieren. Dazu wird die Aufladeelektrode im stromabwärts gerichteten Endbereich etwa um die Länge der stromaufwärtigen elektrischen Isolierung verlängert, um den stromaufwärtigen Wegfall der Sprühfläche im stromabwärtigen Endbereich zu auszugleichen.
• Das erfindungsgemäße Heizsystem zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger wie Biomasse ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Feinstaub emittierenden Heizungsanlage wie eine Biomasse-Heizungsanlage zum Verbrennen des Energieträgers aufweist, wobei partikelbeinhaltende Abgase entstehen, und ein erfindungsgemäßer elektrostatischer Abscheider vorgesehen ist.
• Mit dem erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheider und dem erfindungsgemäßen Heizsystem werden Funktion und Betrieb eines elektrostatischen Abscheiders insbesondere durch Verringerung der zur Beheizung notwendigen elektrischen Leistungsaufnahme optimiert. Dadurch wird eine zuverlässige und effektive Abgasreinigung erreicht.
• Erfindungsgemäß wird der Thermophorese-Effekt ausgenutzt, denn wird eine Oberfläche im partikelbeladenen Abgasstrom, beispielsweise von einer mit Biomasse befeuerten Heizanlage auf ca. 100 K über der umgebenden Gastemperatur erwärmt, so wird durch den Temperaturgradienten zur Umgebung das Ablagern vor allem kleiner, deutlich submikroner, Partikel (< 200 nm) zuverlässig verhindert.
• Abschätzungen zeigen, dass für die Bedingungen, welche zum Beispiel im Abgasrohr einer einer mit Biomasse befeuerten Heizanlage direkt am Kesselausgang vorliegen (220°C, Strömungsgeschwindigkeit 2 m/s), für die Beheizung der Keramikisolation ca. 10–20 W Heizleistung über eine elektrische Widerstandsheizung genügen.
• Sollte es trotz Thermophorese nach einem längeren Zeitraum zu Partikel-Ablagerungen auf der Isolation kommen, so wird die Hochspannungsversorgung über diese Ablagerungsschicht kurzgeschlossen. Die elektronische Steuerungseinheit des elektrostatischen Abscheiders heizt dann die Keramikisolation kurzzeitig auf über 600°C hoch. Ab dieser Temperatur wird die Isolation von den brennbaren, niedergeschlagenen Rußpartikeln freigebrannt. Nur die nicht brennbaren, bei 600°C nicht-flüchtigen Aschepartikel bleiben auf der Keramikisolation zurück. Sie sind im Gegensatz zu den Russpartikeln elektrisch nicht leitend und können die Hochspannung nicht kurzschließen. Der elektrostatische Abscheider ist daher nach dem Freibrennen wieder betriebsbereit.
• Es hat sich gezeigt, dass sich die Feinstaubkontamination der Keramikisolation durch eine Überlagerung von Strömungsvorgängen und elektrostatischen Effekten ergibt. Bei der rein thermophoretisch induzierten Partikelbewegung reicht eine minimale Temperaturdifferenz von ca. 40 K aus, um die Feinstaubkontamination der Keramikisolation zu verhindern. Dies entspricht einer relativ geringen elektrischen Heizleistung. Bei gleichzeitig angelegter Hochspannung wird die Bewegung der nun elektrisch geladenen Abgaspartikel von thermophoretischen und elektrostatischen Kräften beeinflusst. Insbesondere wirkt die auf Erdpotenzial liegende Keramikisolation als Auffangfläche für die Partikel. Aus diesem Grund ist eine sehr viel höhere Temperaturdifferenz von ca. 160 K nötig um die Keramikisolation sauber zu halten. Dies entspricht einer gegenüber einer rein thermophoretisch induzierten Partikelbewegung doch deutlich höheren notwendigen elektrischen Heizleistung.
• Durch die erfindungsgemäße Modifikation wird die elektrostatisch induzierte Kontamination der Hochspannungs-Isolation mehr als halbiert. Dadurch ist zur Aufrechterhaltung der Thermophorese nur noch weniger als 50% der ursprünglichen, vorstehend beschriebenen elektrischen Heizleistung notwendig. Dies hat einen direkten, positiven Einfluss auf die Energiebilanz der Abgasreinigungsanlage und des gesamten Heizungssystems.
• Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer einzigen Figur schematisch einen Längsquerschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheiders.
• Der elektrostatische Abscheider ist in einer Abgasleitung 1 (nur teilweise dargestellt) einer hier nicht dargestellten Heizungsanlage angeordnet und umfasst einen Strömungskanal 2, welcher als rohrförmiger Abschnitt der Abgasleitung 1 ausgebildet ist und eine Kanalwandung 3 umfasst.
• Durch den Strömungskanal 2 strömt durch Pfeile dargestelltes, partikelbeinhaltendes Abgas in der dargestellten Strömungsrichtung. Im Inneren des Strömungskanals 2 erstreckt sich in Strömungsrichtung eine Aufladeelektrode 4, die auch als Mittelelektrode, Sprühelektrode oder Coronaelektrode bezeichnet wird. Der Strömungskanal 2 ist bevorzugt im Querschnitt in Strömungsrichtung rotationssymmetrisch um eine Mittelachse A ausgebildet, wobei sich die Aufladeelektrode 4 im Wesentlichen entlang dieser Mittelachse A erstreckt. Gespeist wird die Aufladeelektrode 4 über eine Hochspannungs-Durchführung 5, welche mit einem Isolator 6 ummantelt ist. Zusammen mit der Kanalwandung 3 bildet die Aufladeelektrode 4 eine Aufladeeinheit, in welcher Partikel elektrisch aufgeladen werden können. Hierzu bildet die Aufladeelektrode 4 mit der Kanalwandung 3 unter Anlegen einer Hochspannung ein elektrisches Feld aus, dessen Feldlininen im Wesentlichen radial zu der Aufladeelektrode 4 bzw. der Kanalwandung 3 verlaufen, im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung.
• Der elektrostatische Abscheider umfasst in der dargestellten Ausführungsform ein Partikelabweisemittel, welches in dem Isolator 6 integriert ist. Es handelt sich dabei um ein Heizelement 7 für den Isolator 6 mit mehreren diesen durchdringenden Heizdrähten.
• Die Aufladeelektrode 4 ist von der Seite der Halterung bzw. des beheizbaren Partikelabweisemittels her in einem Teilbereich mit einer elektrischen Isolierung 8 versehen. Dies ist in Form einer auf der Aufladeelektrode 4 aufgebrachten Isolationsschicht dargestellt. Damit wird der Ort der elektrischen Aufladung in Bezug auf den Isolator 6 sowie die Beheizung von Partikelabweisemittel und Aufladeelektrode 4 stromabwärts verlagert, um Ablagerungen auf der Anordnung zur Hochspannungszuführung und Elektrodenhalterung zu minimieren.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - EP 1193445 A2 [0003]

Claims (7)

1. Elektrostatischer Abscheider, insbesondere für eine Abgasleitung (1) eines mit Biomasse befeuerten Heizsystems, mit einem Strömungskanal (2) mit einer Kanalwandung (3) und einem Kanalinneren (2), durch welchen ein partikelbeinhaltendes Abgas in einer Strömungsrichtung strömt, mit einer sich in dem Kanalinneren im Wesentlichen in Strömungsrichtung erstreckenden Aufladeelektrode (4), zur Bildung eines elektrischen Feldes zwischen der Aufladeelektrode (4) und der Kanalwandung (3), mit einer Hochspannungs-Durchführung (5), welche von einem Isolator (6) eingefasst ist, sowie einem mit einem Heizelement (7) beheizbaren Partikelabweisemittel, welches ein Ablagern von Partikeln an Hochspannungs-Durchführung (5) und (6) verhindert, wobei Hochspannungs-Durchführung (5) und Aufladeelektrode (4) zumindets teilweise als ein gemeinsames Bauteil ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeelektrode (4) mindestens in einem Teilbereich mit einer elektrischen Isolierung (8) versehen ist.
2. Elektrostatischer Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeelektrode (4) von der Seite der Hochspannungs-Durchführung (5) und/oder des beheizbaren Partikelabweisemittels her in einem Teilbereich mit einer elektrischen Isolierung (8) versehen ist.
3. Elektrostatischer Abscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung (8) eine auf der Aufladeelektrode (4) aufgebrachte Isolationsschicht und/oder ein elektrisch nicht leitendes Hüllelement um die Aufladeelektrode (4) ist.
4. Elektrostatischer Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung (8) aus einer keramischen Beschichtung oder einem Keramikörper, insbesondere einem Keramikrohr, besteht.
5. Elektrostatischer Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort der elektrischen Aufladung bezüglich der Beheizung von Partikelabweisemittel und Aufladeelektrode (4) stromabwärts verlagert ist.
6. Elektrostatischer Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeelektrode (4) im stromabwärts gerichteten Endbereich etwa um die Länge der stromaufwärtigen elektrischen Isolierung (8) verlängert ist, um den stromaufwärtigen Wegfall der Sprühfläche im stromabwärtigen Endbereich zu kompensieren.
7. Heizsystem zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger wie Biomasse mit einer Feinstaub emittierenden Heizungsanlage wie eine Biomasse-Heizungsanlage zum Verbrennen des Energieträgers, wobei partikelbeinhaltende Abgase entstehen, mit einem elektrostatischen Abscheider nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6.