DE19524214A1 - Elektrofilter - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektrofilter, insbeson­ dere für Ammoniak enthaltende Rauchgase, mit flächigen Ab­ scheideelektroden - und Sprühelektroden, die an eine Hochspan­ nungsquelle angeschlossen sind.

Elektrofilter dieser Art sind beispielsweise aus Dubbel "Taschenbuch für den Maschinenbau", Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 17. Auflage 1990, Seite L 54, Bild 19, bekannt.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

Elektrofilter ionisieren durch Sprühelektroden, die an einer negativen Gleichspannung von mehreren 10 000 Volt (negative Ko­ rona) liegen, den im Rauchgas mitgeführten Flugstaub und scheiden ihn an den Abscheideelektroden (geerdete Platten) ab. Diese bilden Gassen, in deren Mitte die die Sprühelektroden in Rahmen aufgehängt sind. Beide Elektroden werden durch Klopf­ vorrichtungen regelmäßig gereinigt. Elektrofilter sind meist als Mehrzonenfilter gebaut; die elektrische Spannung wird für jede Zone entsprechend dem Staubanfall so geregelt, daß die höchste Abscheideleistung erzielt wird.

Bei einer Reihe von technischen Anwendungen finden sich nun Spuren von Ammoniak im Rauchgas. Dieses kann absichtlich hin­ zugefügt worden sein, z. B. zum Konditionieren der Flugasche oder um Korrosionserscheinungen zu verhindern, es kann aber auch aus einer vorgeschalteten katalytischen Entstickungsein­ richtung stammen. Typische Ammoniak-Konzentrationen liegen da­ bei zwischen einen ppm bis zu mehreren zehn ppm. Schon E.B. Dismukes in "Conditioning of Fly Ash with Ammonia", J. of the Air Pollution Ass. 25 (1975) 2, 152-156, hat drauf hingewiesen, daß kleine Ammoniakkonzentrationen im Rauchgas zu Aerosolbildung in einem Elektrofilter führen kann. Diese Aerosole beeinflussen die Koronaentladungen insbesondere am Eingang des Elektrofilters in negativer Weise. Die Stromdich­ ten in diesem Bereich werden auf Werte erniedrigt, die nur Bruchteile dessen betragen, was ohne Vorhandensein von Ammo­ niak üblich ist. Dieser Effekt ist als Korona-Unterdrückung (engl. "corona suppression" oder "corona quenching") bekannt. Er führt letztendlich dazu, daß - bedingt durch die geringe­ ren Abscheideraten - der Elektrofilter ein größeres Bauvolu­ men aufweisen muß.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektrofilter zu schaffen, der auch bei Ammoniak enthaltenden Rauchgasen eine hohe Abscheiderate aufweist und bei dem praktisch keine Aerosolbildung im Eingangsbereich des Filters auftreten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Eingangsbereich des Elektrofilters die Sprüh- und Abscheide­ elektroden derart beschaltet sind, daß sich dort eine posi­ tive Korona ausbildet, während in den in Strömungsrichtung des Rauchgases stromabwärts gelegenen Abschnitt(en) die Sprüh- und Abscheideelektroden derart beschaltet sind, daß sich dort eine negative Korona ausbildet.

Der Erfindung liegen dabei die folgenden Überlegungen zugrun­ de:

Die Aerosole im Eingangsbereich eines Elektrofilters, der von Rauchgasen durchströmt wird, die geringe Mengen Ammoniak ent­ halten, bestehen im wesentlichen aus kleinen Partikel aus Am­ moniumsulfat (NH4)2SO4 und Ammoniumbisulfat (NH4)HSO4, die durch folgende Reaktionen gebildet werden:

NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)HSO₄ (1)

NH₃ + (NH₄)HSO₄ → (NH₄)₂SO₄ (2)

Auslösendes Element für diese Reaktionen ist das Vorhandensein von Schwefelsäure H₂SO₄, die wiederum das Vorhandensein von SO₃ und Wasser voraussetzen. Wasser ist im Rauchgas stets und in ausreichenden Konzentrationen vorhanden (typisch 5-10%)

SO₃ + H₂O → H₂SO₄ (3)

SO₃ hingegen ist nur in Spuren im Rauchgas enthalten. Es wird jedoch unter Einwirkung der Koronaentladung, die u. a. zur Bil­ dung von OH-Radikalen führt, aus SO₂ im Rauchgas über ein Zwi­ schenprodukt HSO₃ gebildet:

SO₂ + OH + M → HSO₃ + M (4)

Hierbei steht M für einen (dritten) Kollisionspartner, z. B. ein drittes Molekül oder eine Partikeloberfläche. HSO₃ wird dann in einer sehr schnellen Reaktion bei Anwesenheit von Sau­ erstoff in SO₃ umgewandelt:

HSO₃ + O₂ → SO₃+ H₂O (5)

Es ist nun besonders wichtig, an welcher Stelle im Elektrofil­ ter diese OH-Radikale-Bildung stattfindet. Es ist bekannt, daß in der aktiven Entladungszone - also dort wo die Ladungsträger erzeugt werden - angeregte Atome und Moleküle sich nur in un­ mittelbarer Umgebung der aktiven Elektrode (Sprühelektrode) aufhalten. Der Ladungstransport zur anderen Elektrode wird durch unipolare Ionen bewerkstelligt. Diese in der Literatur mit Ionendrift-Region (engl. "ion drift region") bezeichnete Zone füllt praktisch den Raum zwischen Sprüh- und Abscheide­ elektroden aus.

Technisch ausgeführte Elektrofilter arbeiten regelmäßig mit negativer Korona (vgl. Dubbel a.a.O.), d. h. daß die Ionen­ drift-Region nur negative Ionen enthält. OH-Radikale hingegen werden vornehmlich gebildet durch Elektronen, positive Ionen und andere angeregte Species:

e + H₂O → e + H + OH (6)

H₂O⁺ + H₂O → H₃O⁺ + OH (7)

OH⁺ + H₂O → H₂O⁺ + OH (8)

N₂⁺ + H₂O → H₂O⁺ + N₂ (9)

N₂* + H₂O → OH + N₂ + O (10)

O(¹D) + H₂O → OH + OH (11)

Diese Spezies sind bei der negativen Korona nur in der aktiven Entladungszone in der unmittelbaren Umgebung der Sprühelektro­ de vorhanden. Dies bedeutet, daß OH-Radikale und die erwähn­ ten Aerosol-Partikel in hohen Konzentrationen an der Sprüh­ elektrode gebildet werden und für die Erzeugung geladener Partikel wirksam sind und dort die Ausbildung der Korona­ entladungen behindern. In schweren Fällen kann es zu einer starken Reduktion des Koronastroms bei gegebener Spannung kommen ("corona quenching").

Schließt man nun die Sprüh- und Abscheideelektroden im Ein­ gangsbereich des Elektrofilters so an die Hochspannungsquelle an, daß sich dort eine positive Korona ausbildet, so wird un­ ter dem Einfluß der positiven Korona das unerwünschte Ammo­ niak bereits dort vernichtet. Man erhält eine Ionendrift-Re­ gion mit positiven Ionen, die den Zwischenraum zwischen Sprüh- und Abscheideelektroden praktisch zur Gänze ausfüllt und auf diese Weise OH-Radikale nach Reaktionsgleichungen (7) bis (9) im ganzen Volumen erzeugt, die wiederum zur Bildung von Ammo­ nium-Salzen mit reduzierter Konzentration in diesem Volumen führt.

Auf diese Weise wird im Eingangsbereich des Elektrofilters das störende, für die Aerosol-Bildung verantwortliche Ammoniak entfernt, und der Effekt der Koronaunterdrückung durch die Herabsetzung der Aerosol-Konzentration gemildert und darüber hinaus durch die quantitative Entfernung des NH₃ auf den Ein­ gangsbereich beschränkt.

Dies führt im Ergebnis dazu, daß auch der Eingangsbereich des Elektrofilters zur optimale Abscheidung von Partikeln bei­ trägt. In der Praxis bedeutet dies, daß dieser zwischen einem Fünftel bis einem Viertel des gesamten Filtervolumens einneh­ mende Bereich voll wirksam wird, woraus eine erhebliche Reduk­ tion des Bauvolumens resultiert.

Die Erfindung läßt sich sowohl bei Neuinstallationen als auch bei bestehenden Elektrofilteranlagen realisieren. Die Anord­ nung und Aufhängung der Sprühelektroden mit positiver Korona im Eingangsteil des Elektrofilters entspricht dabei derjenigen für negative Korona. Es ist lediglich eine separate Speisung der Sprühelektroden vorzusehen. Auch ist es möglich, eine Fil­ teranordnung mit positiver Korona als eigenständige Baueinheit einem herkömmlichen Elektrofilter (mit negativer Korona) vor­ zuschalten, wodurch sich dessen Abscheideleistung um 20% und mehr steigern läßt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In einzigen Figur der Zeichnung ist ein Querschnitt durch einen Elektrofilter mit positiver Korona im Eingangsbereich schematisch dargestellt.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In der Zeichnung sind symmetrisch zwischen zwei parallel zu­ einander verlaufende plattenförmigen metallischen Abscheide­ elektroden 1 eine Mehrzahl erste und zweite Sprühelektroden 2 bzw. 3 angeordnet. Die ersten Sprühelektroden 2 sind an den Minus-Pol einer ersten Gleichspannungsquelle 4 angeschlossen. Die zweiten Sprühelektroden 3 sind an den Pluspol einer zwei­ ten Gleichspannungsquelle 5 angeschlossen. Der Pluspol der ersten und der Minuspol der zweiten Gleichspannungsquelle sind jeweils mit den Abscheideelektroden 1 verbunden, die normaler­ weise auf Erdpotential liegen. Beide Gleichspannungsquellen liefern Spannungen in der Größenordnung von einigen zehntau­ send Volt. Vorzugsweise werden die zweiten Sprühelektroden 3 mit intermittierendem Gleichstrom gespeist, um eine ausrei­ chend stabile positive Korona zu erzeugen, was durch einstell­ bare Pulsfrequenz und/oder Pulsdauer erfolgen kann.

Die Sprühelektroden 2, 3 weisen den bekannten Aufbau auf und bestehen z. B. aus spitzenbesetzten Drähten oder aus Drahtwen­ deln und sind in einem (nicht dargestellten) Rahmen gehalten.

Die zweiten Sprühelektroden 3 bilden zusammen mit den ihnen gegenüberstehenden Abscheideelektroden 1 den Eingangsbereich E des Elektrofilters. Der sich daran anschließende Rest R ist, was Länge bzw. Abscheidevolumen angelangt, etwa vier- bis fünfmal so lang bzw. groß. Der Abstand zwischen der in Strö­ mungsrichtung des Rauchgases - symbolisiert durch Pfeile - letzten Sprühelektrode 3 _L mit positiver Korona von der in Strömungsrichtung des Abgases gesehen ersten Sprühelektrode 2 _E mit negativer Korona ist dabei größer, typisch 50 cm, als der Abstand zwischen den Sprühelektroden jeder Gruppe, weil zwi­ schen diesen eine Potentialdifferenz von der doppelten Be­ triebsspannung wirksam ist.

Die Trennlinie T in der Zeichnung deutet an, daß der Ein­ gangsbereich mit Sprühelektroden 3 mit positiver Korona auch als selbständige Baueinheit ausgeführt werden kann, die dem Elektrofilter (mit negativer Korona) vorgeschaltet werden kann.

In der Filtergasse zwischen den Abscheideelektroden 1 laufen dann bei eingeschalteter Hochspannung die einleitend geschil­ derten chemischen Reaktionen ab.

Bezugszeichenliste

1 Abscheideelektroden
2 erste Sprühelektroden
2E erste Sprühelektrode mit negativer Korona
3 zweite Sprühelektroden
3L letzte Sprühelektrode mit positiver Korona
4, 5 Gleichspannungsquellen
E Eingangsbereich mit positiver Korona
R Restbereich mit negativer Korona
T Trennstelle zwischen E und R

Claims (3)

1. Elektrofilter, insbesondere für Ammoniak enthaltende Rauchgase, mit flächigen Abscheideelektroden (1) - und Sprühelektroden (2, 3), die an eine Hochspannungsquelle angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Ein­ gangsbereich (E) des Elektrofilters zweite Sprühelektro­ den (3) und die Abscheideelektroden (1) derart beschaltet sind, daß sich dort eine positive Korona ausbildet, wäh­ rend in den in Strömungsrichtung des Rauchgases stromab­ wärts gelegenen Abschnitt(en) (R) die ersten Sprühelek­ troden (2) und Abscheideelektroden (1) derart beschaltet sind, daß sich dort eine negative Korona ausbildet.

2. Elektrofilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Sprühelektroden (2) an den Minuspol einer ersten Gleichspannungsquelle (4) und die zweiten Sprüh­ elektroden (3) an den Pluspol einer zweiten Gleichspan­ nungsquelle (5) angeschlossen sind, während der Pluspol der ersten (4) bzw. der Minuspol der zweiten Gleichspan­ nungsquelle (5) an die Abscheideelektroden (1) ange­ schlossen sind.

3. Elektrofilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die zweite Gleichspannungsquelle (5) einen intermittierenden Strom liefert.