DE102009053621A1

DE102009053621A1 - Heizungsanlage für Biomasse mit einem elektrostatischen Abscheider

Info

Publication number: DE102009053621A1
Application number: DE102009053621A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr. Steiner; Uwe Dr. Limbeck; Datong Dr. Wu
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2011-05-19
Also published as: EP2322281A1; EP2322281B1

Abstract

Heizungsanlage für Biomasse, mit einem in einer Abgasleitung der Heizungsanlage angeordneten elektrostatischen Abscheider zum Abscheiden von in dem Abgas der Heizungsanlage befindlichen Partikeln, wobei der Abscheider eine Elektrode, eine elektrische Zuführung für die Elektrode und eine Gegenelektrode aufweist, wobei die Zuführung für die Elektrode zumindest abschnittsweise mittels einer Isolationseinrichtung isoliert ist. Der Abscheider umfasst eine Schutzvorrichtung, welche das Niederschlagen von in dem Abgas der Heizungsanlage befindlichen Partikeln auf der Isolationseinrichtung verhindert, wobei die Schutzvorrichtung eine Heizvorrichtung ist, die im bestimmungsgemäßen Betrieb des Abscheiders geeignet ist, eine äußere Oberfläche der Isolationseinrichtung auf eine für eine Thermophorese erforderliche Temperatur zu erwärmen, wobei die Temperatur der äußeren Oberfläche höher ist als die Temperatur des die Isolationseinrichtung umströmenden Abgases. Die Heizvorrichtung umfasst einen Wärmeleiter, welcher mit einem Bereich der Heizungsanlage und der Isolationseinrichtung in Wärmekontakt steht, wobei der Bereich der Heizungsanlage eine höhere Temperatur aufweist als das die Isolationseinrichtung umströmende Abgas.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizungsanlage für Biomasse mit einem elektrostatischen Abscheider gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Um die Emissionen von Heizungsanlagen zu reduzieren werden Abgasreinigungsanlagen verwendet. Diese sollen insbesondere die schädlichen Stoffe und Partikel in Abgasen herausfiltern, so dass das verbleibende, gereinigte Abgas bedenkenlos an die Umwelt abgegeben werden kann. Derartige Abgasreinigungsanlagen werden besonders bei Biomasse-Heizanlagen eingesetzt, bei denen neben ansonsten ökonomischen und ökologischen Vorteilen eine erhöhte Emission an Schadstoffen in den Abgasen auftreten kann, dabei ist insbesondere die relativ hohe Feinstaubemission ein Problem.
Aus der EP 1 193 445 A2 ist eine Abgasreinigungsanlage bekannt, welche für Biomasse-Heizungsanlagen zur Verringerung der Feinstaubemission verwendet wird. Die beschriebene Vorrichtung ist in einen Rauchgaskanal einbaubar und weist hierzu einen Deckel auf. An der Innenseite des Deckels ist über eine isolierende Halterung eine Sprühelektrode 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, sodass dieses als Kollektorelektrode wirkt.
Ein derartiger Elektrofilter mit Sprühelektrode und Kollektorelektrode ist auch bekannt als elektrostatischer Abscheider. Dabei wird aus der Sprühelektrode, welche etwa mittig durch die Abgasleitung verläuft und daher auch als Mittelelektrode bezeichnet wird, und der umgebende Mantelfläche der Abgasleitung ein Kondensator gebildet, der bei einer zylinderrohrförmigen Ausbildung der Abgasleitung auch als Zylinderkondensator bezeichnet wird. Die Sprüh- oder Mittelelektrode weist dabei in der Regel einen Krümmungsradius auf, wobei dieser im Allgemeinen relativ klein ausgebildet ist (z. B. kleiner als 0,4 mm). Um die Partikel abzuscheiden wird an die Mittelelektrode eine Hochspannung angelegt. Dadurch bildet sich eine Corona-Entladung aus, durch welche die mit dem Abgas durch das elektrische Feld strömenden Partikel unipolar aufgeladen werden. Aufgrund dieser Aufladung wandern die Partikel durch die elektrostatischen Coulomb-Kräfte zur Innenwand der Abgasleitung, welche als Kollektorelektrode dient. Die Hochspannung an der Mittelelektrode wird über eine Hochspannungszuführung von außen zugeführt. Um ein frühzeitiges Durchschlagen der Hochspannung zu der Innenwand der Abgasleitung zu verhindern, ist die Hochspannungszuführung mit einem Isolator ummantelt.
Ein Nachteil eines derartigen Elektrofilters ist, dass sich auf der Isolierung Abgaspartikel absetzen, welche bei entsprechender Anzahl an Partikel eine elektrisch leitende Oberfläche auf dem Isolator bilden, über welche die Mittelelektrode entladen werden kann. Dies führt zu einem Versagen des elektrostatischen Abscheiders.
Eine Weiterentwicklung eines solchen Abscheiders ist in DE 10 2006 057 705 B3 offenbart. Die Druckschrift beschreibt einen elektrostatischen Abscheider für eine Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage mit einer Elektrode sowie einer Elektrodenzuführung, um die Elektrode zu speisen. Die Elektrodenzuführung ist mit einem Isolator zumindest teilweise ummantelt. Zudem umfasst der Abscheider ein Partikelabweismittel, welches verhindert, dass sich Partikel des Abgases an dem Isolator ablagern. In der Druckschrift wird unter anderem ein Partikelabweismittel offenbart, welches den Effekt der Thermophorese nutzt. Dazu ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, welche z. B. durch in der Isolation angeordnete Heizdrähte die Oberfläche des Isolators erwärmt, wobei ein Temperaturgradient zwischen dem Isolator und seiner Umgebung ausgebildet wird. Aufgrund der Thermophorese erfahren die Partikel des Abgases einen Nettoimpuls in Richtung der kälteren Zone.
Nachteilig an diesem elektrostatischen Abscheider ist jedoch, dass eine zusätzliche, aktive Heizeinrichtung benötigt wird. Um einen Schutz der Elektronik der Heizeinrichtung vor einem elektrischen Durchschlag von der Hochspannungszuleitung zu erreichen, müssen die verwendeten Materialien hohen Ansprüchen genügen. Dies führt nicht nur zu höheren Herstell- und Betriebskosten, sondern auch zu unerwünschten Einschränkungen bei der Materialauswahl.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es diesen und weitere Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und eine Heizungsanlage für Biomasse bereit zu stellen, welche einen elektrostatischen Abscheider umfasst, wobei der Abscheider bzw. die Heizungsanlage eine hohe Betriebssicherheit bei gleichzeitig geringen Kosten gewährleisten soll.
Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 6.
Bei einer Heizungsanlage für Biomasse, mit einem in einer Abgasleitung der Heizungsanlage angeordneten elektrostatischen Abscheider zum Abscheiden von in dem Abgas der Heizungsanlage befindlichen Partikeln, wobei der Abscheider eine Elektrode, eine elektrische Zuführung für die Elektrode und eine Gegenelektrode aufweist, wobei die Zuführung für die Elektrode zumindest abschnittsweise mittels einer Isolationseinrichtung isoliert ist, wobei der Abscheider eine Schutzvorrichtung umfasst, welche das Niederschlagen von in dem Abgas der Heizungsanlage befindlichen Partikeln auf der Isolationseinrichtung verhindert, und wobei die Schutzvorrichtung eine Heizvorrichtung ist, die im bestimmungsgemäßen Betrieb des Abscheiders geeignet ist, eine äußere Oberfläche der Isolationseinrichtung auf eine für eine Thermophorese erforderliche Temperatur zu erwärmen, wobei die Temperatur der äußeren Oberfläche höher ist als die Temperatur des die Isolationseinrichtung umströmenden Abgases sieht die Erfindung vor, dass die Heizvorrichtung einen Wärmeleiter umfasst, welcher mit einem Bereich der Heizungsanlage und der Isolationseinrichtung in Wärmekontakt steht, wobei der Bereich der Heizungsanlage eine höhere Temperatur aufweist als das die Isolationseinrichtung umströmende Abgas.
Die Schutzvorrichtung verhindert eine Ablagerung der Partikel und verlängert somit die wartungsfreie Betriebszeit der Heizungsanlage bzw. des elektrostatischen Abscheiders. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die für die Thermophorese erforderliche Erwärmung der Schutzvorrichtung nicht durch eine aktive zusätzliche Heizeinrichtung erfolgt, sondern vielmehr in passiver Form direkt durch die Wärme der Heizungsanlage bewirkt werden kann. Dadurch können die Kosten der Heizungsanlage in Herstellung und Betrieb gesenkt werden.
Durch die einfache Ausgestaltung der Schutzvorrichtung kann zudem die Betriebssicherheit der Anlage erhöht werden. Da eine zusätzliche aktive Heizeinrichtung für die Isolationseinrichtung eines Abscheiders einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage nicht mehr erforderlich ist, entfällt auch die ansonsten damit verbundene potentielle Fehlerquelle durch einen elektrischen Durchschlag von der Hochspannungsleitung der Elektrode auf die Heizeinrichtung der Isolation. Durch das Ausräumen dieser Gefahrenquelle sinken auch die Materialanforderungen in Bezug auf die Isolationseinrichtung, so dass kostengünstigere Materialien eingesetzt werden können. Bei einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage ist eine Temperaturdifferenz zwischen der Schutzvorrichtung und dem diese umströmenden Abgas von 100 K besonders bevorzugt.
Der Bereich der Heizungsanlage, welcher eine höhere Temperatur als das die Elektroden umströmende Abgas aufweist, kann ein Teil des Kessels oder des Abgassystems sein. Bevorzugt ist weiterhin, dass der Wärmeleiter aus einem wärmeleitfähigen Material besteht. Dadurch kann ein effektiver Wärmetransport sichergestellt werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht ferner vor, dass die äußere Oberfläche der Isolationseinrichtung zumindest abschnittsweise von einem Mantel umschlossen ist, wobei der Mantel mit dem Wärmeleiter in wärmeleitendem Kontakt steht. Ein solcher Mantel kann beispielsweise ein Metallrohr sein. Der Mantel kann außer aus Metall auch aus einem anderen Material mit einer ausreichend hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann mit einfachen und robusten Mitteln eine effektive Schutzvorrichtung bereitgestellt werden.
Um einem unerwünschten Wärmeverlust vorzubeugen, sieht eine besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung vor, dass der Mantel gegenüber der Abgasleitung thermisch isoliert ist. Die thermische Isolierung ist dabei nicht auf den Bereich der Abgasleitung beschränkt, sondern kann vielmehr auch vollständig oder teilweise auf den Wärmeleiter, welcher die für die Schutzvorrichtung erforderliche Wärme liefert, ausgedehnt sein. Eine alternative oder zusätzliche elektrische Isolierung des Mantels gegenüber der Abgasleitung verhindert ein elektrisches Aufladen des Mantels z. B. durch eine der Elektroden. Ist der Mantel aus einem Material mit einem geringen spezifischen elektrischen Widerstand gefertigt (z. B. Metall), so ist es zusätzlich vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen Sprühelektrode und Mantel groß genug ist um einen Hochspannungsüberschlag zu vermeiden.
Es zeigen:
1 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage mit einem elektrostatischen Abscheider (Darstellung schematisch),
2 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage mit einem elektrostatischen Abscheider, welcher einen elektrisch und/oder thermisch isolierten Mantel aufweist (Darstellung schematisch).
1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen, nicht vollständig dargestellten Heizungsanlage mit einem elektrostatischen Abscheider 20. Die Abgasleitung 11 weist einen Strömungskanal auf, der nach außen von einer Wandung 13 begrenzt ist. Durch den Strömungskanal strömt im Betrieb ein partikelbeladenes Abgas einer Heizungseinrichtung. Die Wandung 13 des Strömungskanals dient als Gegenelektrode 24 des Abscheiders 20.
Die elektrische Zuführung 23 der Elektrode 22, welche ungefähr senkrecht zu Elektrode 22 und Wandung 13 angeordnet ist, ist durch eine Isolationseinrichtung 26 isoliert und speist die Elektrode 22 von einer externen Hochspannungsquelle. Die Elektrode 22 ist dabei konzentrisch zur Abgasleitung 11 angeordnet.
Die Isolationseinrichtung 26 kann aus einer Keramik wie z. B. SiC, oder aus einem anderen geeigneten Material gefertigt sein.
Die Schutzeinrichtung 30, welche ein Niederschlagen der Partikel an der Isolationseinrichtung 26 mittels Thermophorese verhindert, ist eine Heizeinrichtung 31. Diese Heizeinrichtung 31 ist über einen Wärmeleiter 33 mit einem Bereich 14 der Heizungsanlage verbunden, in welchem eine höhere Temperatur vorherrscht, als die des Abgases in der Umgebung der Isolationseinrichtung 26. Der Wärmeleiter 33 besteht bevorzugt aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, insbesondere eignen sich hierfür Kupfer, Aluminium oder entsprechende Legierungen.
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage mit einem elektrostatischen Abscheider 20. Die Oberfläche 27 der Isolationseinrichtung 26 ist teilweise von einem Mantel 35 umschlossen. Der Mantel 35 steht mit dem Wärmeleiter 33 in Kontakt, so dass der Mantel 35 die Wärme von dem Wärmeleiter 33 auf die Isolationseinrichtung 26 übertragen kann. Der Mantel 35 ist aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gefertigt. In der dargestellten Ausführungsform ist die Wandung 13 der Abgasleitung 11 die Gegenelektrode 24. Der Mantel 35 ist gegenüber Wandung 13 mit einer elektrischen und thermischen Isolation 36 ausgestattet. Besteht der Mantel aus Metall, so ist der Abstand zwischen 22 und 35 groß genug, um Hochspannungsüberschläge zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

11: Abgasleitung
12: Abgas
13: Wandung
14: Bereich der Heizungsanlage
20: Abscheider
22: Elektrode
23: elektrische Zuführung
24: Gegenelektrode
26: Isolationseinrichtung
27: Oberfläche
30: Schutzvorrichtung
31: Heizvorrichtung
33: Wärmeleiter
35: Mantel
36: Isolation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1193445 A2 [0003]
DE 102006057705 B3 [0006]

Claims

Heizungsanlage für Biomasse, mit einem in einer Abgasleitung (11) der Heizungsanlage angeordneten elektrostatischen Abscheider (20) zum Abscheiden von in dem Abgas (12) der Heizungsanlage (10) befindlichen Partikeln, – wobei der Abscheider (20) eine Elektrode (22), eine elektrische Zuführung (23) für die Elektrode (22) und eine Gegenelektrode (24) aufweist, – wobei die Zuführung (23) für die Elektrode (22) zumindest abschnittsweise mittels einer Isolationseinrichtung (26) isoliert ist, – wobei der Abscheider (20) eine Schutzvorrichtung (30) umfasst, welche das Niederschlagen von in dem Abgas (12) der Heizungsanlage befindlichen Partikeln auf der Isolationseinrichtung (26) verhindert, und – wobei die Schutzvorrichtung (30) eine Heizvorrichtung (31) ist, die im bestimmungsgemäßen Betrieb des Abscheiders (20)) geeignet ist, eine äußere Oberfläche (27) der Isolationseinrichtung (26) auf eine für eine Thermophorese erforderliche Temperatur zu erwärmen, wobei die Temperatur der äußeren Oberfläche (27) höher ist als die Temperatur des die Isolationseinrichtung (26) umströmenden Abgases (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (31) einen Wärmeleiter (33) umfasst, welcher mit einem Bereich (14) der Heizungsanlage und der Isolationseinrichtung (26) in Wärmekontakt steht, wobei der Bereich (14) der Heizungsanlage eine höhere Temperatur aufweist als das die Isolationseinrichtung (26) umströmende Abgas (12).
Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (14) der Heizungsanlage ein Teil des Kessels oder des Abgassystems ist.
Heizungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleiter (33) aus einem wärmeleitfähigen Material besteht.
Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche (27) der Isolationseinrichtung (26) zumindest abschnittsweise von einem Mantel (35) umschlossen ist, wobei der Mantel (35) mit dem Wärmeleiter (33) in wärmeleitendem Kontakt steht.
Heizungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (35) ein Metallrohr ist.
Heizungsanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (35) gegenüber der Abgasleitung (11) thermisch und/oder elektrisch isoliert ist.