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Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von in gasförmigen Medien
dispergierten elektrisch leitenden Feststoffen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Abscheiden von in gasförmigen Medien dispergierten elektrisch
leitenden Feststoffen.
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Es ist bekannt, staubhaltige Gase durch eine angelegte hohe Gleichspannung
in einem Raum zu ionisieren und an Niederschlagselektroden, die eine genügend große
Oberfläche besitzen, die im Gas mitgeführten Staubteilchen abzuscheiden.
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Die bekannten elektrostatischen Staubabscheider arbeiten nach dem
Ein- oder nach dem Zweistufenverfahren. Auf Grund ihrer Bauart lassen diese Filter
in der ersten Stufe einen Staubgehalt zu, der etwa bei 5 bis 8 g/m3 liegt. In der
zweiten Stufe werden dann Reinheitsgrade bis 5 mg/m3 erreicht.
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Es ist ferner bekannt, feststofEhaltige Gase durch eine angelegte
hohe Wechselspannung zu ionisieren und die geflockten Staubteilchen in nachgeschalteten
Zyklonen abzuscheiden. Die bekannten Elektroflocker, wie sie z. B. bei der Abscheidung
von Ruß verwendet werden, reinigen die aus der Apparatur kommenden Abgase mit einem
Feststoffgehalt von etwa 180 g/ms. Der hohe Feststoffgehalt erfordert entsprechend
hohe Spannungen für den Aufladungsvorgang, d. h., es müssen je nach Feststoffgehalt
entsprechend viele Ionen oder Elektronen von den Sprühdrähten an die Staubteilchen
abgestoßen werden. Mit der Erhöhung des Feststoffgehaltes wird die Niederschlagung
erschwert.
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Die hohen Spannungen erhöhen nicht nur die Kosten für die elektrische
Einrichtung und die Ionisationskammer, sondern bringen eine Reihe von Nachteilen
mit sich. Neben elektrischen Überschlägen finden durch die Ionisationsvorgänge unerwünschte
chemische Reaktionen mit den Bestandteilen der Gase oder der Luft statt. Ein weiterer
Nachteil ist die Stabilitätsvenninderung des Systems durch vermehrte Zusammenstöße
der dispergierten Teilchen.
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Es ist auch ein Verfahren bei elektrostatischen Abscheidern bekannt,
in denen der niedergeschlagene Staub od. dgl. durch Abblasen oder sonstige Abreinigung
in einem vom Rohgasstrom getrennten kleineren Gasstrom bei entsprechender höherer
Staubkonzentration übergeführt wird und denen eine mechanische Staubabscheidung
vorgeschaltet ist. Charakteristisch für dieses Verfahren ist die Maßnahme, daß der
aus dem elektrostatischen Abscheider ausgetragene Staub restlos in den mechanischen
Vorabscheider zurückgeführt wird, so daß aus diesem allein ein Staubaustrag stattfindet.
Bei stark leitenden Partikelchen, z. B. Ruß, würde der für die Durchführung dieses
Verfahrens in Frage kommende elektrostatische Sektorenabscheider bei der obengenannten
Konzen-
tration von 180 g/m3, oder, allgemeiner gesagt, bei einer Konzentration von
über 50 g/m3, nach kurzer Zeit infolge zahlreicher Überschläge ausfallen. Abscheider
dieser Bauart sind für Gase mit elektrisch leitenden Staubteilchen, z. B. Ruß, nicht
geeignet. Es handelt sich hier außerdem um ein Verfahren der Abreinigung und Austragung
des im elektrostatischen Abscheider anfallenden Staubes ohne zusätzliche Abscheidewirkung.
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Bei dem bekannten Verfahren zur elektrischen Abscheidung von Feinstaub
aus Gasen durch räurnlich und zeitlich aufeinanderfolgende Aufladung der Staubteilchen
in einem mit einsinniger Polarität sprühenden Gleichspannungsfeld und Abscheidung
in einem sprühenfladungsfreien Kondensatorfeld wird die einsinnige Aufladung zweistufig
mit Unterbrechung in der Weise durchgeführt, daß in der ersten Stufe nur ein Teil
der Staubteilchen aufgeladen wird, anschließend die geladenen mit den ungeladen
gebliebenen Teilchen in einem elektrischen sprühentladungsfreien oder in einem akustischen
Schwingungsfeld zu gröberen Gebilden vereinigt und diese Agglomerate von Teilchen
in der zweiten vor dem Kondensatorfeld liegenden Stufe vollständig aufgeladen werden.
Dieses Verfahren ist nur für die Abscheidung von Feststoffen aus Gasen geeignet,
deren Feststoffgehalt weit unter 50g/m3 liegt. Es handelt sich hier um Staub, wie
er z. B. in Metallhüttenofenabgasen vorkommt; bekanntlich haben diese Gase Staubgehalte
von etwa 5 bis 10 gim3.
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Das nach der Erfindung vorgesehene Verfahren zur Abscheidung von
in gasförmigen Medien dispergierten
Feststoffen beschränkt sich
in seiner Anwendung auf elektrisch leitende Feststoffe mit Teilchengrößen von 10
bis 300 mp und einem Gehalt des Trägergases an Feststoff von mindestens 50 g/m3.
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Insbesondere handelt es sich hierbei um Ruß. Bei dem Verfahren sind
folgende zwei Stufen charakteristisch: Zuerst Großabscheidung in nicht elektrisch
betriebenen Zyklonen unter Unterdruck und dann -unter Einschaltung einer Ionisations-
und einer Koagulationszone - Feinabscheidung in einer elektrostatischen Abscheidevorrichtung
unter Überdruck.
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Dabei sind folgende Einzelmaßnahmen maßgebend: Groß abscheidung a)
Vorabscheidung aus feststoffhaltigen Gasen derart, daß der ursprüngliche Verteilungszustand
des Feststoffes erhalten bleibt. b) Vermindern der Feststoffkonzentration im Gas,
d. h. Herabsetzung der Feststoffmenge pro Raumeinheit, durch die Vorabscheidung.
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Feinabscheidung c) Ionisieren des Gas stromes mittels einer entsprechend
der verringerten Feststoffkonzentration des Trägergases niedrigen Wechsel- oder
Gleichspannung, vorzugsweise in einem mit elektrischer Sprüheinrichtung ausgestatteten
Zyklon. d) Mechanische Abscheidung der koagulierten Feststoffteilchen (Agglomerate)
in nicht elektrisch betriebenen Zyklonen normaler Bauart. e) Zusätzliche Abscheidung
der noch im Gasstrom verbliebenen restlichenFeststoffteilchen in einem an eine Gleichspannung
angeschlossenen elektrostatischen Abscheider. f) Gegebenenfalls Aufladen der neutralisierten
Feststoffteilchen bzw. Ausrichten der Polarität derselben mittels Gleichspannung
in einer vor der Niederschlagskammer des elektrostatischen Abscheiders angeordneten
Vorkammer.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden demnach unter Erhaltung
des ursprünglichen Verteilungszustandes des Feststoffes durch weitgehende Vorabscheidung
der Feststoffteilchen die elektrischen Felder des Feinabscheidungsteiles stabilisiert,
die benötigten Spannungen verringert sowie die Wirtschaftlichkeit und die Betriebssicherheit
der Anlage erhöht. Das Verfahren besteht demnach im wesentlichen darin, daß das
den Feststoff enthaltende Gemisch zuerst unter Unterdruck durch einen oder mehrere
nicht elektrisch betriebene Zyklone geführt wird, wobei sich die Hauptmenge des
Feststoffes abscheidet, und das noch geringe Mengen Feststoff enthaltende Gemisch
dann unter Überdruck eine lonis ationsvorrichtung, eine Koagulationsvorrichtung
mit Fliehkraftabscheider und zuletzt einen elektrostatischen Abscheider durchströmt.
Die in den Unteransprüchen gekennzeichneten weiteren Einzelheiten genießen nur in
Verbindung mit dem Gegenstand des Hauptanspruchs Patentschutz.
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Die Zeichnung soll dem besseren Verständnis des Erfindungsgedankens
dienen und stellt bevorzugte Ausführungsformen dar. Als Beispiel für das Feststoff
enthaltende Gemisch soll in Trägergas dispergierter Ruß gewählt werden, wobei ein
Feststoffgehalt von 100 g/ms angenommen wird.
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Das von der Apparatur zur Herstellung von Ruß kommende Ruß-Gas-Gemisch
tritt, wie die Fig. la und lb zeigen, durch den Stutzen 11 in den Zyklon
12 ein und
strömt über die Leitung 13 in den Zyklon 14. Dieser ist über die Saugleitung 15
mit dem Ventilator 16 verbunden. In den beiden Zyklonen wird die Grobabscheidung
vorgenommen; hier werden 90 bis 960/0 des im Trägergas enthaltenen Rußes abgeschieden.
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Diese Verminderung der Rußkonzentration, d. h. der Herabsetzung der
Feststoffmenge pro Raumeinheit, bedingt eine Stabilitätserhöhung der nachgeschalteten
elektrischen Apparatur.
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Das Gas-Ruß-Gemisch, das jetzt noch mit 4 bis 10 g/m3 Ruß beladen
ist, wird nun in den mit einer elektrischen Sprüheinrichtung ausgestatteten Zyklon
17 gedrückt. Die Sprüheinrichtung 18 besteht im wesentlichen aus röhrenförmigen
Elektroden mit Erdpotential und isoliert angeordneten Sprühdrähten (nicht gezeichnet).
Die Elektroden und Sprühdrähte sind mit einemKlopfwerk versehen (nicht gezeichnet).
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Der Ruß wird im Ionenwirkungsbereich aufgeladen.
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Wenn Wechselstrom benutzt wird, werden die Rußteilchen abwechselnd
positiv und negativ mit Elektrizität geladen und vereinigen sich infolge gegenseitiger
Anziehung zuAgglomeraten, die leichter aus dem Gasstrom ausfallen. Durch die Wahl
eines Zyklons als Ionisationsvorrichtung wird infolge Turbulenz des Gases eine bessere
elektrische Aufladung der Rußteilchen erreicht. Die koagulierten Staubteilchen strömen
durch die Leitung 19 und werden in dem nachgeschalteten, nicht elektrisch betriebenen
Zyklon 20 abgeschieden.
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Wenn Gleichstrom in der Ionisationsvorrichtungl7 benutzt wird, erhalten
die Rußteilchen infolge der aus den Sprühdrähten austretenden Elektronen oder Ionen
eine für den Transport notwendige positive Aufladung. Die einzelnen Teilchen sind
ständig Zusammenstößen untereinander ausgesetzt, durch »Abreißeffekte« bzw. »Stoßeffekte«
treten Umladungen und erneute Aufladungen auf, wodurch schließlich eine Koagulation
der Rußpartikeln erreicht wird.
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Durch die Leitung 19 tritt das Gemisch in den Zyklon 20, der zusammen
mit der Anschlußleitung 19 zur Koagulation des Rußes dient. Im Zyklon 20 wird der
Ruß bereits weitestgehend abgeschieden.
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Die Ionisationsvorrichtung 17 und der Zyklon 20 bilden die erste
Stufe der Feinabscheidung. In dieser Stufe wird für Ruß ein Gesamtabscheidungsgrad
von über g9oelo erzielt.
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Eine höhere Gasreinheit wird in der zweiten Stufe der Feinabscheidung
erreicht. Sie besteht aus einem elektrostatischen Staubabscheider 21 mit einer oder
vorzugsweise mit zwei, in Fig. lb mit 21 a und 21b bezeichneten Niederschlagskammern.
Das Staub-Gas-Gemisch mit einer Beladung von unter 1 g/m3 Ruß wird nach Verlassen
des Zyklons 20 in die Niederschlagskammern gedrückt, in denen die plattenförmigen
Niederschlagselektroden 22 angeordnet sind.
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Die positiv aufgeladenen Rußpartikelchen werden von den negativ geladenen
Platten und die negativ geladenen Rußteilchen von den positiv geladenen Platten
angezogen. Vor der Niederschlagsvorrichtung kann noch eine Vorkammer 23 a mit Sprühdrähten
vorgesehen werden (Fig. la) zu dem Zweck, die in dem Zyklon 20 neutralisierten,
nicht abgeschiedenen Schwebteilchen erneut aufzuladen bzw. die - Polarität der Teilchen
auszurichten. Die Sprühdrähte sind an ein Klopfwerk angeschlossen (nicht gezeichnet).
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Wie aus der Fig. 1 c hervorgeht, kann die zusätzliche Aufladung der
Rußteilchen auch in einem
zwischen dem Zyklon 20 und dem elektrostatischen
Abscheider 21 angeordneten Rohr 23 b erfolgen, in das Sprühdrähte hineinragen. Das
Rohr enthält einen oder mehrere Vibratoren 23 c zur Erzeugung ungerichteter Schwingungen.
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Das über die Leitung 24 aus den Niederschlagskammern austretende
Gas enthält beispielsweise weniger als 5 mg Ruß je Kubikmeter Gas. Der in den konischen
Unterteilen der Zyklone 12, 14, 17, 20 und des elektrostatischen Abscheiders 21
anfallende Ruß wird über Schleusen bzw. Pendelkiappen 25 in die pneumatische Förderleitung
26 ausgetragen.
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Die Fig. lb gibt die in Fig. la im Aufriß darge stellte Anlage im
Grundriß wieder. Der Austrittsstutzen des Zyklons 20 ist mit den beiden Rohren 20
a und 20 b verbunden, die zu den beiden umschaltbaren Niederschlagskammern21a und
21b führen.
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Durch entsprechende Stellung der Umschaltklappe 27 wird das Ruß-Gas-Gemisch
jeweils in die unter elektrischerSpannung stehende Kammer geführt, während der in
der spannungsfreien Kammer angefallene Ruß aus dieser entfernt wird.
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Das Abreinigen der Niederschlagselektroden 22 und der Austrag des
Rußes aus dem Abscheider 21 erfolgen mit Spülgas. Als Spülgas wird ein Teil des
durch die Leitung 24 abströmenden Reingases benutzt. Von dieser Leitung zweigt die
Saugleitung 28 des Gebläses29 ab. Die aus der Leitung 24 abgesaugte Gasmenge strömt
in die Druckleitung 30 (Fig. 1 a) und wird durch die Drosselklappen 31 a und 31
b im gewünschten Verhältnis aufgeteilt, wobei ein Teil als Spülgas über die Leitung
32 in den oberen Teil der Niederschlagskammern 21 a, 21 h und ein anderer Teil als
Fördergas in die pneumatische Förderleitung 26 geführt wird. Es ist vorteilhaft,
das Lockern und das Entfernen des Rußes von den Platten durch ein im oberen Teil
der Kammern 21 a, 21 b angeordnetes Klopfwerk (nicht gezeichnet) zu unterstützen.
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Das Ruß-Gas-Gemisch tritt in den Zyklon 12 mit einer Temperatur von
etwa 300 bis 3500 C ein und verläßt den elektrostatischen Abscheider 21 mit etwa
200 bis 2500 C.
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In allen Fällen soll sowohl im Grobabscheidungsteil als auch im Feinabscheidungsteil
der Anlage das den Feststoff enthaltende Gemisch auf einer Temperatur gehalten werden,
die oberhalb des Taupunktes liegt.
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In Fig. 2 ist nur die erste Stufe derFeinabscheidung dargestellt.
Hier wird als Ionisationsvorrichtung an Stelle des Zyklons 17 mit tangentialem Einströmstutzen
und axialem Ausströmrohr eine lonisationskammer 57 mit radial angeordnetem Ein-
und Auslaßrohr vorgesehen. Auch hier werden die im Gas enthaltenen Rußteilchen im
Ionenwirkungsbereicb aufgeladen. Die zweite, hier nicht gezeichnete Stufe der Feinabscheidung
kann die gleiche sein, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Es kann auch in diesem Falle
sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom angeschlossen werden.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig.3 dient als Ionisationsvorrichtung
an Stelle des Zyklons 17 bzw. der Ionisationskammer 57 eine Ionisationsrohrstrecke
67. In das Rohr 67 ragen die die Ionisation hervorrufenden Sprühdrähte 68 bzw. Elektroden
hinein. An dem Rohr befinden sich außerdem ein oder mehrere kräftige Vibratoren
69 zur Erzeugung von ungerichteten Schwingungen. Auch in Fig. 3 ist nur die erste
Stufe
der Feinabscheidung dargestellt; die nachgeschaltete zweite Stufe der Feinabscheidung
kann auch bei dieser Anordnung die gleiche sein wie bei den Darstellungen in Fig.
1.