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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem spezielle Sprühelektrodenformen in elektrischen Gasreinigungsverfahren dazu verwendet werden, einen gleichzeitigen und gegenüber Apparaten des Standes der Technik einen verbesserten Wärme- und Stoffübergang zu erzeugen. Dies erlaubt die Kombination mehrerer Prozessteilschritte zur Einsparung von Investitions- und Betriebskosten.
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Im Stand der Technik sind mehrere Verfahren zur Nutzbarmachung des elektrischen Winds bekannt, so zum Beispiel in der Halbleiter- und Elektroniktechnologie zur Kühlung von Hardwarekomponenten. Im Stand der Technik beschränken sich einige Untersuchungen aber ausschließlich auf den verbesserten Wärmeübergang im Draht-Zylinderabscheider bei kontinuierlich betriebener Corona negativer Polarität ohne die Anwesenheit von Partikeln. Zu den wesentlichen Schlussfolgerungen gehört im Stand der Technik, dass der Wärmeübergang bei steigender Betriebsspannung und niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit steigt. Im Stand der Technik wurde die Sprühelektrodengeometrie u.a. derart modifiziert, dass zwei Drähte parallel gespannt wurden, allerdings ist hierbei nur ein unwesentlicher Anstieg zu sehen. Für den laminaren Fall wurde sogar eine stärkere Verbesserung des Wärmeübergangs beim Einzeldraht gegenüber der Konstruktion mit zwei parallel gespannten Drähten angenommen.
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Weiterhin wurde im Stand der Technik beschrieben, den elektrischen Wind zu verwenden, um den Stoffaustausch zwischen der gasförmigen Strömung und der Oberfläche einer berieselten Schüttschicht zu verbessern. Bei dieser Konfiguration handelt es sich um eine Spezialform, bei welcher eine Schüttschicht zwischen Sprüh- und Niederschlagselektrode gebaut wurde. Hier wurde die Absorption organischer Gasbestandteile auf einer berieselten Schüttschicht durch den mit Hilfe einer Stachelelektrode induzierten elektrischen Wind verstärkt.
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Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren bereit zu stellen, welches die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.
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Eine vollständige Abgasreinigung erfordert zumeist die Entfernung gesundheitsschädlicher Partikelkonzentrationen im Nano- und Mikrometerbereich sowie den Abbau oder die Umwandlung gesundheitsschädlicher Gase aus einem heißen Gasstrom. Außerdem muss das oftmals heiße Abgas für die jeweiligen Aufbereitungsschritte zunächst abgekühlt werden, wobei eine Wärmerückgewinnung aufgrund der Partikelkonzentrationen oftmals mit dem Risiko zunehmend verschmutzender Heizflächen verbunden ist. Bislang werden die zur Abgaskonditionierung notwendigen Stufen zur Partikel- und Schadgasentfernung sowie Einheiten zum Wärme- und Stoffübergang sequentiell angeordnet und kostenintensiv einzeln betrieben und gebaut.
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Gelöst wird das Problem durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten:
- • Durchleiten eines zu reinigenden Gasstroms durch eine kombinierte Elektroabscheider- und Stoff/Wärmeübertragungseinheit. Die elektrische Gasentladung entsteht zwischen einer modifizierten, d.h. nicht-drahtförmigen gespannten Sprühelektrode und einer ggf. beschichteten oder benetzten Niederschlagselektrode.
- • Die Elektroabscheidereinheit dient der Entfernung schädlichen Aerosols durch eine Coronaentladung. Die modifizierte Sprühelektrode fördert gleichzeitig den Stoff/Wärmeübergang in der Übertragereinheit aufgrund elektrohydrodynamischer Effekte, welche die Durchmischung stark erhöhen.
- • Der verbesserte Wärmeübergang ermöglicht eine effizientere Abkühlung des heißen, zu reinigenden Gasstroms. Dies verbessert die Abwärmenutzung und konditioniert den heißen Gasstrom für nachfolgende Prozessschritte bei niedrigeren Temperaturen. Eine weitere mögliche Anwendung ist die Quenchung heißer Gasströme.
- • Der verbesserte Stoffübergang ermöglicht einen höheren Abbau von Schadgasen durch Absorption im Fallfilm oder einer verbesserten Reaktion der Schadgase mit der katalysatorbeschichteten Niederschlagselektrode.
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Durch die Verwendung modifizierter, d.h. nicht-geradlinig gespannter Drahtelektrodenformen in einem Elektroabscheider lässt sich die Vermischung aufgrund eletrohydrodynamischer Effekte stark erhöhen. Dies ermöglicht einen effektiven, gasseitigen Wärme- und Stoffübergang auch in einfachen Bauformen, wie z.B. einen Fallfilmabsorber oder doppelwandigen Mantelrohrwärmeübertrager bei gleichzeitiger Partikelabscheidung.
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Durch das Einsparpotential in den Investitionskosten und des Platzbedarfs ist die Erfindung sowohl für kleinere Abgaserzeuger (z.B. im Rahmen der dezentralen Energieerzeugung) als auch für große und kleine Abgasreinigungsanlagen im städtischen Raum lukrativ. Insgesamt können alle Abgasreinigungsprozesse profitieren, bei denen man Investitionskosten sparen möchte.
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Die Erfindung betrifft demgemäß ein Verfahren zur Reinigung, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass
- a) ein Gas-Aerosol-Gemisch, umfassend ein Reingas, Aerosolpartikel und Schadgas in einen Elektroabscheider eingebracht wird,
- - wobei der Elektroabscheider eine Sprühelektrode mit mindestens bereichsweise ausgestalteten Strömungshindernissen und insbesondere Niederschlagselektrode umfasst;
- b) das Gas-Aerosol-Gemisch entlang einer Hauptströmungsrichtung durch ein zwischen der Sprühelektrode und der Niederschlagselektrode aufgebrachtes elektrisches Feld geleitet wird,
- - wobei die Aerosolpartikel durch Elektronen der Sprühelektrode elektrisch aufgeladen werden und sich anschließend an der Niederschlagselektrode ansammeln und
- c) das Reingas aus dem Elektroabscheider herausgeleitet wird.
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Die Reaktionsfläche bei den Niederschlagselektroden ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im Wesentlichen aus drei allgemeinen Schritten:
- a) Das Einbringen eines Gas- Aerosol-Gemisches in einen Elektroabscheider,
- b) das Hineinleiten in dessen E-Feld und
- c) das Herausleiten des Reingases.
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Diese anmeldungsgemäße Lehre kann im Wesentlichen in zwei oder mehreren bevorzugten Ausführungsformen umgesetzt werden:
- i) Elektroabscheider + Fallfilmabsorber
- ii) Elektroabscheider + Doppelrohrwärmeübertrager
- iii) sowie Kombination aus i) und ii).
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Die Strömungshindernisse sind bevorzugt ein indirektes Merkmal der nichtgeradlinigen Sprühelektrodenform. Aus funktionstechnischer Sicht ist eine Erhöhung der Inhomogenität der elektrischen Feldlinienverteilung (radial, azimutal und entlang der Höhe) gewünscht. Bei einer Draht-Rohranordnung ergeben sich rotationssymmetrische Feldlinienverläufe, die vermieden werden sollen.
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Im Sinne der Erfindung kann es sich bei dem Gas-Aerosol-Gemisch auch um ein Gas-Feststoff-Gemisch handeln.
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Ein Aerosol umfasst bevorzugt Festkörper und/oder Flüssigkeiten , wie beispielsweise Tropfenaerosole (Höhennebel, Wassertropfen u.a.).
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Niederschlagselektrode eine Reaktionsfläche aufweist, wobei die Reaktionsfläche der Niederschlagselektrode mit dem Schadgas reagiert. Eine Reaktionsflächen aufweisenden Niederschlagselektrode kann vorteilhaft zwei wesentliche Filter-Schritte/Funktionen des erfindungsgemäßen Verfahrens realisieren, wobei es nur als ein Bauteil ausgestaltet ist. Einerseits reagiert die Niederschlagselektrode mit einem Schadgas und andererseits sammeln sich aufgrund des elektrischen Feldes Aerosolpartikel an der Oberfläche der Niederschlagselektrode an.
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Die genannte eine Reaktionsfläche aufweisende Niederschlagselektrode ist insbesondere für die oben ausgeführte Variante aus Elektroabscheider und Fallfilmabsorber bevorzugt. Für die Variante Elektroabscheider in Doppelrohrwärmeübertrager wäre sie beispielsweise keine zwingende Voraussetzung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Niederschlagselektrode mit einem Fluid benetzt wird. Durch die Benetzung mit einem Fluid bildet sich eine Reaktionsfläche aus. Die Verwendung eines Fluids zur Benetzung der Niederschlagselektrode ist vorteilhaft variabel bspw. abhängig von Schadgasparameter einsetzbar. Die Benetzung kann dabei je nach Bedarf eingestellt werden. Ferner besteht die Möglichkeit das Fluid zu wechseln, sodass abhängig vom Schadgas ein bestimmtes Fluid zum Einsatz kommt, um die bestmögliche Reaktion zu ermöglichen. Ferner kann durch das Fluid die Temperatur der Niederschlagselektrode sowie des Gases geregelt werden.
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In einer bevorzugten Variante ist die Niederschlagselektrode als Fallfilmabsorber ausgestaltet. Ein Fluid fließt dabei die Niederschlagselektrode von oben nach unten in einem möglichst gleichmäßigen Flüssigkeitsfilm, der die Reaktionsfläche für den Stoffübergang darstellt. Um Tröpfchenbildung und Tröpfchenmitnahme durch den Gasvolumenstrom zu vermeiden, ist eine niedrige Fließgeschwindigkeit des Flüssigkeitsfilms und ein gutes Haftvermögen der Flüssigkeit an der Niederschlagselektrode notwendig.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Fluid ein Absorptionsmittel aufweisen, welches insbesondere Kalziumkarbonat oder Natriumhydroxid umfasst. Die beschriebenen Absorptionsmittel (CaCO3 oder NaOH) reagieren besonders gut mit Schadgase. Abhängig vom Schadgas können die Absorptionsmittel auch andere Stoffe umfassen wie Natriumhydrogencarbonat NaHCO3; Calciumhydroxid Ca(OH)2
Das Absorptionsmittel dabei reagiert mit sauren Schadstoffen SO2, SO3, HCl, HF und bildet Calcium- oder Natriumsalze, die in einem Gewebefilter entfernt werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Oberfläche der Niederschlagselektrode durch ihre Materialzusammensetzung als Reaktionsfläche dient und dem durchschnittlichen Fachmann sind Materialzusammensetzungen bekannt, die dazu führen, dass eine Oberfläche der Niederschlagselektrode als Reaktionsfläche dienen kann. Weiterhin sind die entsprechenden Materialzusammensetzungen durch Routinemaßnahmen ermittelbar. Durch eine geeignete Materialzusammensetzung der Oberfläche der Niederschlagselektrode, kann auf ein Benetzen mit Fluiden oder weiteren externen Reaktionsmitteln verzichtet werden. Die Wartung und der Austausch einer solchen Niederschlagelektrode gestaltet sich vorteilhaft simpel.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass Elektroabscheider ein Doppelrohr, umfassend ein Innenrohr, einen Zwischenraum und ein Außenrohr aufweisen. Ein Doppelrohr ist ein Rohr-in-Rohr-System. Ein solches Doppelrohr ermöglicht es, den Elektroabscheider besonders kompakt auszugestalten, wobei alle Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens trotzdem zur Geltung kommen.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Niederschlagselektrode als Innenrohr in dem Doppelrohr vorliegt oder ausgestaltet ist. Die Positionierung der Niederschlagselektrode als Innenrohr, ermöglicht es vorteilhaft ein Gas-Aerosol-Gemisch an der Niederschlagelektrode vorbei zu leiten, wobei das Gas-Aerosol-Gemisch unter gleichmäßigen, allseitigen Einfluss eines elektrischen Feldes steht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Gas-Aerosol-Gemisch Wärme an ein der Niederschlagselektrode umgebendes im Zwischenraum vorliegendes Medium abgibt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Elektroabscheider ein Doppelrohr, umfassend ein Innenrohr, einen Zwischenraum und ein Außenrohr aufweist.
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Bevorzugt wäre auch, dass die Niederschlagselektrode von außen mit Ventilatoren oder sogar durch die Umgebungsluft selbst gekühlt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorteilhaft, dass das Gas-Aerosol-Gemisch mit einer ersten Temperatur in den Elektroabscheider eingebracht wird und mit einer zweiten Temperatur aus dem Elektroabscheider herausgeleitet wird. Bevorzugt ist hierbei, dass die erste Temperatur des Gas-Aerosol-Gemisches eine Temperatur von 800 °C bis 1000 °C aufweist.
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Das Gas-Aerosol-Gemisch kann ein Rauchgas oder ein Produktgas sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass das Gas-Aerosol-Gemisch ein Mehrprodukt ist und ein Schadgas umfasst, welches aus dem Gasstrom in einer Flüssigkeit abgeschieden werden soll. Hierbei sind daher neben dem Rauchgas auch viele andere Möglichkeiten gegeben.
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Neben den bevorzugten Verfahren, die um weitere Schritte ergänzt werden können, betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst beispielsweise eine Sprühelektrode, die mindestens bereichsweise Strömungshindernisse umfasst und eine Niederschlagselektrode. Die Strömungshindernisse stellen aber nur eine Ausführungsform der Erfindung dar, aus funktionstechnischer Sicht geht es insbesondere um die Inhomogenität der Feldlinienverteilung
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Niederschlagselektrode eine Reaktionsfläche aufweist.. Die Reaktionsfläche auf der Oberfläche der Niederschlagselektrode ist nur optional bzw. eine Ausführungsform gemäß der oben genannten Variante Elektroabscheider + Fallfilmabsorber. Bei der Variante Elektroabscheider + Doppelrohrwärmeübertrager ist eine Reaktionsfläche auf der Oberfläche keine zwingende Voraussetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung, sondern sie ist nur als optional anzusehen.
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Demgemäß betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Gasreinigung umfassend eine Sprühelektrode und eine Niederschlagselektrode, die eine Reaktionsfläche auf der Oberfläche aufweisen kann, aber nicht muss. Sofern sie eine Reaktionsfläche auf der Oberfläche aufweist, ist es bevorzugt, dass die Sprühelektrode mindestens bereichsweise Strömungshindernisse aufweist und die Niederschlagselektrode eine Reaktionsfläche aufweist.
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Im Sinne der Erfindung ist ein Draht mit Strömungshindernissen bevorzugt so ausgestaltet, dass der Draht Hindernisse aufweist, welche der Hauptströmungsrichtung eines Gas-Aerosol-Gemisch entgegenstehen. Das heißt die Längsachse des Hindernisses ist bevorzugt nicht parallel zur Hauptströmungsrichtung ausgestaltet. Ferner sind die Hindernisse bevorzugt so definiert, dass sie über den Umfang des Drahtquerschnittes radial hinausragen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Niederschlagselektrode mit einem Fluid benetzt ist, wodurch sie die Reaktionsfläche bildet und die Niederschlagselektrode als Reaktionsfläche dient.
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Bevorzugt ist es beispielsweise, dass die Niederschlagselektrode rohrförmig oder Platten aufweisend ausgestaltet ist. Die erfindungsgemäß Vorrichtung kann beispielsweise eine Niederschlagselektrode aufweisen, die eine Längenausdehnung von mehreren Metern aufweisen kann. Selbstverständlich sind auch Längenausdehnungen im Bereich von mm wie beispielsweise 200 mm bis 600 mm und auch andere denkbar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ein Doppelrohr, umfassend ein Innenrohr, einen Zwischenraum und ein Außenrohr umfasst, wobei die Niederschlagselektrode als Innenrohr des Doppelrohrs ausgestaltet ist und ein Medium in dem der Niederschlagselektrode umgebenden Zwischenraum vorliegt. Im Folgenden soll die Erfindung an einem Anwendungsbeispiel erläutert werden, ohne auf dieses beschränkt zu sein.
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Anwendungsbeispiele:
- • Elektroabscheider + Fallfilmabsorber zur verbesserten Abscheidung von Schadgasen wie SO2, NOx, etc. bei gleichzeitiger Partikelabscheidung.
- • Eletroabscheider + Doppelrohrwärmeübertrager zur verbesserten Brennwertnutzung von heißen Abgasen bei gleichzeitiger Partikelabscheidung.
- • Es ist auch eine Kombination aus beiden Anwendungsbeispielen möglich, wie diese auch in 1 dargestellt ist.
- • Anwendungen, bei denen die Niederschlagselektrodenoberflächen als Reaktionsoberfläche dient (z.B. mit Katalysator oder chemischer Komponente beschichtet, oder Elektrodenmaterial selbst den Katalysator darstellt) um eine fest-, flüssig-, oder gasförmige Komponente in der Hauptströmung zur Reaktion zu bringen.
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Sprühelektroden:
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Die speziellen Elektrodenformen umfassen alle nicht-geradlinig gespannten Drähte. Dazu gehören insbesondere alle band-, stachel-, scheiben- oder spiralförmigen Geometrien, sowie alle anderen Modifikationen, welche eine Erhöhung der lokalen Feldstärke durch Verringerung der Krümmungsradien auf der Elektrodenoberfläche zur Folge haben. Dies beinhaltet insbesondere das Vorhandensein kugel-, kegel-, oder zylinderförmiger Ein- und Ausbuchtungen sowie Spitzen.
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Niederschlagselektroden:
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Die Niederschlagselektrode kann sowohl platten- als auch rohrförmig konstruiert sein. Abgewandelte Varianten des Rohres mit polygonalem Querschnitt, z.B. Sechsecksrohr, Dreiecksrohr, etc. sind ebenfalls denkbar.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Beispielen und Figuren näher erläutert werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung eine bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung.
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Detaillierte Beschreibung der Abbildungen
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1 illustriert einen Elektroabscheider, in welchem eine Sprühelektrode bereichsweise Strömungshindernisse aufweist. Die Strömungshindernisse sind als Stacheln ausgestaltet. In einer Einlassöffnung wird Rauchgas 7 in den Elektroabscheider eingebracht. Die Niederschlagselektrode ist dabei als Innenrohr innerhalb eines Doppelrohrs ausgestaltet, sodass sich Aerosolpartikel oder Feststoffpartikel beim Durchströmen des Rauchgases am Innenrohr ansammeln und aus dem Rauchgas gefiltert werden. Das Doppelrohr ist als Doppelrohrwärmeübertragermantel 5 ausgestaltet, sodass in einem Zwischenraum zwischen Innen und Außenrohr ein Medium enthalten ist, welches Wärme des Rauchgases aufnimmt. Ferner ist die Niederschlagselektrode mit einem Fallfilm 3 benetzt. Der Fallfilm umfasst Absorptionsmittel, bevorzugt CaCO3, NaOH, welches mit einem dem Rauchgas enthaltenden Schadgas reagiert. In einer Auslassöffnung des Elektroabscheiders wird Reingas entnommen, welches eine im Vergleich zum eingebrachten Schadgas niedrigere Temperatur aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reingas
- 3
- Fallfilm mit Absorptionsmittel (CaCO3, NaOH)
- 5
- Doppelrohrwärmeübertragermantel
- 7
- Rauchgas, 200°C (SO2, HCl, NOx, H2O etc.)
