DE10245902A1

DE10245902A1 - Elektrostatisch arbeitendes Filter und Verfahren zum Abscheiden von Partikeln aus einem Gas

Info

Publication number: DE10245902A1
Application number: DE10245902A
Authority: DE
Inventors: Hubert R. Prof. Dr.-Ing. Lageman; Manfred W. Dr.-Ing. Schmoch
Original assignee: Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Hamburg; Hamon Rothemuehle Cottrell GmbH
Current assignee: Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Hamburg; Hamon Rothemuehle Cottrell GmbH
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-08
Also published as: ES2268407T3; AU2003270294A1; DE50304383D1; DK1545785T3; EP1545785B1; EP1545785A1; ATE333942T1; WO2004030825A1; ZA200501859B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrostatisch arbeitendes Filter für das Abscheiden von Partikeln aus einem Gas, das mindestens eine an eine Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode (4) und mindestens eine geerdete oder gegensätzlich gepolte Elektrode (5) aufweist, zwischen denen das mit den Partikeln beladene Gas hindurchführbar ist. Zur Verbesserung der Reinigungsleistung des Filters ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens eine der Elektroden (4, 5) einen Raum (9) umfasst, in den die Partikel eintreten können und in dessen Erstreckung im Wesentlichen kein elektrischer Potentialunterschied herrscht. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abscheiden von Partikeln aus einem Gas mittels eines elektrostatisch arbeitenden Filters.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrostatisch arbeitendes Filter für das Abscheiden von Partikeln aus einem Gas, das mindestens eine an eine Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode und mindestens eine geerdete oder gegensätzlich gepolte Elektrode aufweist, zwischen denen das mit den Partikeln beladene Gas hindurchführbar ist. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abscheiden von Partikeln aus einem Gas mittels eines elektrostatisch arbeitenden Filters.
Elektrostatisch arbeitende Filter der gattungsgemäßen Art sind beispielsweise aus der EP 0 847 806 B1 bekannt. Sie werden zur elektrostatischen Abscheidung beliebiger Partikel und Tröpfchen aus unterschiedlichen Gasen in vielen verfahrenstechnischen Prozessen eingesetzt, insbesondere zur Gasentstaubung. Dabei durchströmt das zu reinigende Gas ein gassenförmig angeordnetes Register von Niederschlagselektroden. Mittig in jeder durch die Niederschlagselektroden gebildeten Gasse sind Sprühelektroden angeordnet. Zwischen den Sprühelektroden und den Niederschlagselektroden wird eine hohe Gleichspannung angelegt, die oberhalb der Korona-Einsatzspannung liegt. Dadurch wird erreicht, dass die Sprühelektroden Elektronen emittieren, die in unmittelbarer Umgebung der Sprühelektroden aufgrund des dort herrschenden hohen elektrischen Feldes so stark beschleunigt werden, dass ihre kinetische Energie ausreicht, weitere Elektronen aus neutralen Gasatomen bzw. -molekülen herauszuschlagen und auf diese Wei se eine Elektronenwolke zu erzeugen. Auf dem Weg zur Niederschlagselektrode nimmt das elektrische Feld schnell ab, so dass die kinetische Energie der Elektronen jenen Grenzwert unterschreitet, bei dem die Elektronen durch neutrale Gasmoleküle bzw. -atome unter Bildung von negativen Gasionen wieder gebunden werden.
Diese negativen Gasionen lagern sich im weiteren Verlauf des Abscheidemechanismus bevorzugt an die Staubartikel an und teilen diesen damit eine elektrische Ladung mit, wodurch die so geladenen Staubpartikel im elektrischen Feld eine beschleunigende Kraftwirkung in Richtung Niederschlagselektrode erfahren. Dort werden sie in einer Staubschicht, durch die die Ladungsträger zur geerdeten Niederschlagselektrode abfließen, gesammelt, agglomeriert und vorzugsweise durch Vibrationen der Elektroden, beispielsweise hervorgerufen durch Klopfschläge, abgereinigt und durch die Schwerkraft der Staubsammelschicht- und Staubaustragsvorrichtung zugeführt.
Mit dem genannten Prinzip lassen sich in vielen Anwendungen unterschiedlich geartete Staubpartikel und Tröpfchen aus verschiedensten Gasströmen abscheiden. Dabei wird die Abscheideeffizienz durch die Partikel, aber auch durch die Gaseigenschaften stark beeinflusst. Die Gaszusammensetzung bestimmt entscheidend die Ionisierbarkeit der Gase und damit die Anzahl der Gasionen, die zur Chargierung, d. h. zur elektrischen Beladung, der Staubpartikel zur Verfügung steht. Bei den Staubpartikeln ist vor allem der spezifische elektrische Staubwiderstand als wesentliche Staubeigenschaft bekannt, da über diese Größe die Menge der zur Niederschlagselektrode abfließenden Ladungsträger limitiert wird.
Unabhängig von den Randbedingungen, die durch die Gas- und Staubeigenschaften gegeben sind, wird durch eine geeignete Regelung der Spannungsquelle (HS-Aggregat) stets versucht, die für eine bestimmte Konstellation mögliche und sinnvolle maximale Ladungsträgermenge (Strom) bereitzustellen. Dabei wird ak zeptiert, dass der maximale Stromfluss auch eine in der Regel abscheidungshemmende Turbulenz, einen sog. elektrischen Wind, im Gas erzeugt.
Zur Vermeidung des elektrischen Windes schlägt die EP 0 847 806 B1 ein Verfahren vor, bei dem die Chargierung der Staubpartikel und deren Abscheidung verfahrenstechnisch in entkoppelten Teilschritten erfolgt. In einer ersten Chargierungszone werden die Staubpartikel bei möglichst hohem Ladungsträgerangebot – auch unter Inkaufnahme einer hohen Gasturbulenz – elektrisch beladen. In einer sich anschließenden zweiten Zone, der Abscheidezone, werden die elektrisch geladenen Staubpartikel in einem elektrischen Feld abgeschieden, dessen Spannung unterhalb der Korona-Einsatzspannung liegt. Hierdurch wir die Anregung des elektrischen Windes vermieden.
Bei vorbekannten elektrostatisch arbeitenden Filtern, die auch als Elektrofilter bezeichnet werden, ist für eine effiziente Abscheidung der Partikel bzw. Tröpfchen aus dem Gas ein relativ hoher Energieaufwand erforderlich. Des weiteren stellt sich im allgemeinen das genannte Problem, dass der erzeugte elektrische Wind abscheidungshemmende Turbulenzen erzeugt. Bei hohem spezifischen elektrischen Widerstand des Staubes wirkt die Staubschicht an den Niederschlagselektroden zunehmend als limitierend für den Strom und die Abscheideeffizienz.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen und ein Elektrofilter und ein Verfahren zu seinem Betrieb vorzuschlagen, die sich durch eine hohe Abscheideeffizienz bei geringem Energieaufwand auszeichnen. Weiterhin soll die Entstehung von elektrischem Wind minimiert und die begrenzende Wirkung des spezifischen elektrischen Staubwiderstandes aufgehoben werden.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektroden des elektrostatisch arbeitenden Filters einen Raum umfaßt, in den die Partikel eintreten können und in dessen Erstreckung beim Betrieb des Filters kein elektrischer Potentialunterschied herrscht. Es wird also an der Elektrode ein Raum vorgesehen, der weitgehend elektrisch feldfrei ist.
Gemäß einer Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass nur die mindestens eine an die Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode, vorzugsweise alle an die Hochspannungsquelle angeschlossenen Elektroden einen solchen Raum enthält bzw. enthalten. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass nur die mindestens eine geerdete Elektrode, vorzugsweise alle geerdete Elektroden, einen solchen Raum enthält bzw. enthalten. Schließlich kann sowohl die mindestens eine an die Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode als auch die mindestens eine geerdete Elektrode, vorzugsweise alle Elektroden, einen solchen Raum enthalten.
Mit Vorteil wird dieser Raum zumindest teilweise durch ein Gitter, Netz oder dergleichen und ein Abscheideblech gegrenzt, die elektrisch leitend miteinander verbunden, die Elektrode bilden. Das Gitter weist Eintrittsöffnungen für die Partikel auf. Es kann aus einer Anzahl miteinander verbundener parallel zueinander angeordneter Stäbe gebildet werden, wobei diese mit dem plattenförmig ausgebildeten Abscheideblech elektrisch leitend verbunden sind. Es kann beispielsweise aber auch vorgesehen werden, dass das Gitter aus einer Anzahl miteinander verbundener parallel zueinander angeordneter Ringe gebildet wird, wobei diese, mit einem zylindrisch oder hohlzylindrisch ausgebildeten Abscheideblech elektrisch leitend verbunden, die Elektrode bilden.
Das elektrostatisch arbeitende Filter kann als Platten-Elektrofilter ausgebildet sein, bei dem eine Anzahl plattenförmig ausgebildete Elektroden parallel zueinander angeordnet sind. Es ist genauso möglich, dass es als Röhren-Elektrofilter ausgebildet ist, bei dem mindestens zwei zylindrisch oder hohlzylindrisch ausgebildete Elektroden koaxial zueinander angeordnet sind.
Zum verbesserten Austrag der gefilterten Partikel kann vorgesehen werden, dass mindestens eine Elektrode einen Abfuhrkanal für Partikel aufweist, der an den elektrisch weitgehend feldfreien Raum angrenzt.
Das Verfahren zum Abscheiden von Partikeln aus einem Gas mittels eines elektrostatisch arbeitenden Filters, das mindestens eine an eine Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode und mindestens eine geerdete oder eine gegensätzlich gepolte Elektrode aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das mit Partikeln beladene Gas zwischen den Elektroden hindurchgeführt wird, wobei die Partikel zu einer der Elektroden abgelenkt werden, und dass die Partikel in einen Raum der Elektrode gelangen, in dessen Erstreckung kein elektrischer Potentialunterschied herrscht.
Dabei kann mit Vorteil vorgesehen werden, dass die mindestens eine an die Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode mit einer Spannung versorgt wird, die vorzugsweise unter der Korona-Einsatzspannung liegt.
Das vorgeschlagene Verfahren nutzt die Wirkung eines elektrischen Feldes zwischen zwei Elektroden auf nicht durch eine technische Einrichtung ionisierte Staubpartikel oder auf gezielt ionisierte Staubpartikel in einem Gasstrom. Die Elektroden stehen dabei bevorzugt unter einer Spannung, die unterhalb der Korona-Einsatzspannung liegt. Dabei werden die Partikel im elektrischen Feld je nach Polarität zu einer der beiden Elektroden hin abgelenkt.
Das Elektrofilter kann als horizontal durchströmtes Filter aufgebaut sein, bei dem eine Kaskade von Elektrodenplatten zum Einsatz kommt. Jede zweite Platte ist dabei entweder an die Hochspannungsquelle angeschlossen oder geerdet bzw. gegensätzlich gepolt. Genauso kann auch eine Bauart vorgesehen werden, die zu einem vertikal durchströmten Röhren- oder Waben-Elektrofilter führt. Gleichermaßen ist das vorgeschlagene Prinzip auf einen Nass-Elektrofilter anwendbar.
Die Erfindung nutzt den Umstand, dass bei der vorgeschlagenen Ausgestaltung der Elektroden mit einem quasi elektrisch feldfreien Raum Staubpartikel aufgrund ihrer kinetischen Energie in den Raum eintreten können, in diesem aber dann keiner weiteren elektrostatischen Krafteinwirkung ausgesetzt sind und deshalb unter Nutzung der Schwerkraft leicht abgeschieden werden können.
In vorteilhafter Weise hat das vorgeschlagene Elektrofilter eine hocheffiziente Abscheidungsfähigkeit von Partikeln und Tröpfchen aus einem beliebigen Gasstrom, wobei nur ein geringer Energieaufwand nötig ist. Die Entstehung eines elektrischen Windes wird weitgehend vermieden. Weiterhin kommt es zu keiner funktionsrelevanten Anlagerung eines „Staubkuchens" an die Niederschlagselektroden, so dass sich der spezifische elektrische Staubwiderstand nicht nachteilig auswirken kann.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines elektrostatisch arbeitenden Filters, das als horizontal durchströmtes Filter ausgebildet ist;
2 eine perspektivische Darstellung eines vertikal durchströmten Röhrenfilters; und
3a,3b Querschnitte durch die Elektroden des Filters.
In 1 ist ein Elektrofilter gezeigt, das zum Filtern von Partikeln bzw. Tröpfchen aus einem Gasstrom geeignet ist. Das mit Partikeln verunreinigte, in das Filter einströmende Gas ist durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 1 versehen. Der Gasstrom tritt durch das Filter hindurch, wobei die sich im Gas befindlichen Partikel herausgefiltert und abgeführt werden. Das ausströmende, gereinigte Gas ist durch den Pfeil mit der Bezugsziffer 2 verdeutlicht. Nach unten tritt der Partikelstrom 3 aus dem Filter aus.
Zum Reinigen kommt eine Kaskade von Elektrodenplatten zum Einsatz. Wie 1 entnommen werden kann, ist eine Anzahl plattenförmiger Elektroden 4 und 5 parallel zueinander angeordnet. Zwischen den Elektroden 4, 5 sind Gassen 8 vorhanden, durch die das zu reinigende Gas 1 geleitet wird. Die Elektroden 4, 5 sind abwechselnd entweder an eine Hochspannungsquelle angeschlossen (nämlich die Elektroden 4) oder geerdet (nämlich die Elektroden 5).
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind sämtliche Elektroden 4, 5 mit einem hier nicht bezeichneten Raum versehen, in den die auszufilternden Partikel eintreten können, in dessen Erstreckung jedoch kein elektrischer Potentialunterschied herrscht; er wird hier deshalb auch als quasi elektrisch feldfreier Raum bezeichnet. Dieser Raum wird in den Elektroden 4, 5 dadurch geschaffen, daß das Abscheideblech 7 von einem Gitter 6 umgeben ist. Abscheideblech 7 und Gitter 6 sind elektrisch leitend verbunden. Das Gitter 6 besteht aus einer Anzahl parallel zueinander angeordneter Stäbe.
Das mit Partikeln beladene Gas strömt zunächst zwischen den Elektroden 4, 5 ein (vgl. Gasstrom 1) und gerät dort unter die Wirkung des elektrischen Feldes. Die Partikel werden in Richtung der Elektroden abgelenkt und treten durch die Gitteröffnungen ein. Damit befinden sie sich im quasi elektrisch feldfreien Raum, wo sie keiner weiteren elektrostatischen Krafteinwirkung mehr ausgesetzt sind. Sie fallen daher infolge der Schwerkraft nach unten und können aus dem Filter entfernt werden. Das gereinigte Gas verlässt in horizontaler Richtung das Filter über eine Austrittshaube (vgl. Gasstrom 2).
Die Elektroden 4, 5 gemäß 1 zeigen beispielhaft die Schaffung des elektrisch feldfreien Raumes durch das aus miteinander verbundenen Stäben aufgebaute Gitter 6, das mit dem innenliegenden Abscheideblech 7 elektrisch leitend verbunden ist. Die Elektroden 4, 5 können modular aufgebaut sein und über- und hintereinander angeordnet werden, wie in 1 dargestellt.
In 2 ist eine alternative Ausgestaltung des Elektrofilters als Röhrenfilter skizziert. In diesem Beispiel enthält nur die geerdete Elektrode 5 den quasi feldfreien Raum 9, der hier durch ein Ringgitter 6 und das zylindrische Abscheideblech 7 begrenzt wird. Das Gitter 6 wird hier durch eine Anzahl miteinander verbundener parallel zueinander angeordneter Metallringe gebildet, wobei diese mit dem Abscheideblech 7 elektrisch leitend verbunden sind und zusammen die Elektrode 5 bilden.
Die Abreinigung der ausgefilterten Partikel von den Wandungen des Elektrofilters bzw. der Elektroden kann – wenn erforderlich – in an sich bekannter Weise durch Klopfung der Elektroden erfolgen, wobei das Herunterfallen der Partikel überwiegend im weitgehend elektrisch feldfreien Raum 9 erfolgt. Je nach Eigenschaften der Partikel ist auch deren Abspülen, also eine Nassfilterung, möglich.
Angestrebt wird in allen Fällen, dass zur Vermeidung des erneuten Staubeintritts in den Gasstrom die elektrisch feldfreien Räume 9 als strömungsberuhigte Zonen ausgebildet werden. Dies kann durch entsprechende geometrische Anordnung der Gitterstäbe bzw. Gitterringe erreicht werden.
In den 3a und 3b sind einige Details zur Ausgestaltung der Elektroden 4, 5 mit dem Abscheideblech 7, dem Gitter 6 und den dadurch definierten quasi elektrisch feldfreien Räumen 9 ersichtlich.
Gemäß 3a sind die Abscheidebleche 7 plattenförmig ausgebildet und von stabförmigen Gitterelementen umschlossen, die das Gitter 6 bilden. Zwischen den Abscheideblechen 7 und dem Gitter 6 entsteht der weitgehend elektrisch feldfreie Raum 9 in den Elektroden 4, 5. Die ausgefilterten Partikel bewegen sich in Richtung des Pfeils 3 (Richtung der Schwerkraft) nach unten und können aus dem Elektrofilter entfernt werden.
In 3b ist eine doppelwandige Ausführung der Elektroden 4, 5 zur Unterstützung des Austrags der Partikel aus dem Filter zu sehen. Die sich im weitgehend elektrisch feldfreien Raum 9 befindlichen Partikel sinken aufgrund der Schwerkraft nach unten und werden durch Leitbleche und Schlitze des doppelwandigen Abscheideblechs 7 in einen innen liegenden geschützten Zwischenraum, nämlich in einen Abfuhrkanal 10, geleitet. Dort können sie unbeeinflusst von der Gasströmung aus dem Elektrofilter herausgeführt werden.
Der dargestellte Aufbau der Elektroden kann prinzipiell bei einem horizontal und vertikal durchströmten Elektrofilter vorgesehen werden, wobei gerade, gekrümmte, gekantete oder runde Elektroden eingesetzt werden können.
Die Hochspannungsquelle, die die Elektroden 4 mit Strom versorgt, liefert eine Spannung, die bevorzugt unterhalb der Korona-Einsatzspannung liegt. Dadurch wird die Bildung eines elektrischen Windes minimiert.

1: einströmendes, mit Partikeln verunreinigtes Gas
2: ausströmendes, gereinigtes Gas
3: austretender Partikelstrom
4: mit einer Hochspannungsquelle in Verbindung stehende Elektrode
5: geerdete Elektrode
6: Gitter
7: Abscheideblech
8: Gasse zwischen den Elektroden
9: weitgehend elektrisch feldfreier Raum
10: Abfuhrkanal

Claims

Elektrostatisch arbeitendes Filter für das Abscheiden von Partikeln aus einem Gas, das mindestens eine an eine Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode (4) und mindestens eine geerdete oder gegensätzlich gepolte Elektrode (5) aufweist, zwischen denen das mit den Partikeln beladene Gas hindurchführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektroden (4, 5) einen Raum (9) umfaßt, in den die Partikel eintreten können und in dessen Erstreckung kein elektrischer Potentialunterschied herrscht.
Elektrostatisch arbeitendes Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur die mindestens eine an die Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode (4), vorzugsweise alle an die Hochspannungsquelle angeschlossenen Elektroden (4), einen solchen Raum (9) enthält bzw. enthalten.
Elektrostatisch arbeitendes Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur die mindestens eine geerdete oder gegensätzlich gepolte Elektrode (5), vorzugsweise alle geerdeten Elektroden (5), einen solchen Raum (9) enthält bzw. enthalten.
Elektrostatisch arbeitendes Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die mindestens eine an die Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode (4) als auch die mindestens eine geerdete oder gegensätzlich gepolte Elektrode (5), vorzugsweise alle Elektroden (4, 5), einen solchen Raum (9) enthalten sind.
Elektrostatisch arbeitendes Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (9) zumindest teilweise durch ein Gitter (6), ein Netz oder ähnliches Gebile begrenzt wird, das Eintrittsöffnungen für die Partikel aufweist, das mit dem Abscheideblech (7) elektrisch leitend verbunden ist und mit diesem die Elektrode (4, 5) bildet.
Elektrostatisch arbeitendes Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (6) aus einer Anzahl miteinander verbundener, parallel zueinander angeordneter Stäbe besteht, wobei diese mit einem plattenförmig ausgebildeten Abscheideblech (7) elektrisch leitend verbunden sind und mit diesem die Elektrode (4, 5) bildet.
Elektrostatisch arbeitendes Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (6) aus einer Anzahl miteinander verbundener, parallel zueinander angeordneter Ringe besteht, wobei diese mit einem zylindrisch oder hohlzylindrisch ausgebildeten Abscheideblech (7) elektrisch leitend verbunden sind und mit diesem die Elektrode (4, 5) bilden.
Elektrostatisch arbeitendes Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es als Platten-Elektrofilter ausgebildet ist, bei dem eine Anzahl plattenförmig ausgebildete Elektroden (4, 5) parallel zueinander angeordnet sind.
Elektrostatisch arbeitendes Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass es als Röhren-Elektrofilter ausgebildet ist, bei dem mindestens zwei zylindrisch oder hohlzylindrisch ausgebildete Elektroden (4, 5) koaxial zueinander angeordnet sind.
Elektrostatisch arbeitendes Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (4, 5) einen Abfuhrkanal (10) für Partikel aufweist, der an den Raum (9) angrenzt.
Verfahren zum Abscheiden von Partikeln aus einem Gas mittels eines elektrostatisch arbeitenden Filters, das mindestens eine an eine Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode (4) und mindestens eine geerdete oder gegensätzlich gepolte Elektrode (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Partikeln beladene Gas zwischen den Elektroden (4, 5) hindurchgeführt wird, wobei die Partikel zu einer der Elektroden (4, 5) abgelenkt werden, und dass die Partikel in einen Raum (9) der Elektrode (4, 5) gelangen, in dessen Erstreckung kein elektrischer Potentialunterschied herrscht.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine an die Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode (4) mit einer Spannung versorgt wird, die unter der Korona-Einsatzspannung liegt.