DE19751984A1

DE19751984A1 - Verfahren zum Reinigen einer Abscheideelektrode eines Elektrofilters

Info

Publication number: DE19751984A1
Application number: DE1997151984
Authority: DE
Inventors: Walter Egli; Ulrich Dr Kogelschatz
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1997-11-24
Filing date: 1997-11-24
Publication date: 1999-05-27

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen einer Abscheideelektrode eines Elektrofilters, mit dem Verunreinigungen aus einem Gasstrom abgeschieden werden.

Es ist seit langem bekannt, Gase, vor allem aus Verbrennungsanlagen, in Elektrofiltern zu entstauben. Dabei werden unter optimalen Bedingungen Abscheidegrade von über 99.9% erreicht. Da Energiebedarf und Druckverlust sehr niedrig liegen, werden Elektrofilter vor allem zur Reinigung großer Gasmengen eingesetzt.

In üblichen Elektrofiltern werden die zu entstaubenden Gase durch Filtergasse von etwa 30 bis 40 cm Breite geleitet. Die Filtergasse ist dabei im allgemeinen beiderseits von plattenförmigen Abscheideelektroden begrenzt. Etwa mittig zwischen diesen Abscheideelektroden sind drahtförmige Koronaelektroden angeordnet. Zwischen Koronaelektroden und Abscheideelektroden wird eine Gleichspannung angelegt, die von kurzen Spannungspulsen gleicher Polung überlagert ist. Die Koronaelektroden liegen dabei auf negativem Potential, die beiden Abscheideelektroden auf demselben positiven Potential.

Während der Spannungspulse bilden sich in der Regel an den drahtförmigen Koronaelektroden durch das inhomogene Feld sogenannte Koronaentladungen. Diese Entladungen erzeugen negative Ladungsträger, die sich an die in der Gasse strömenden Staubpartikel anlagern. Die so geladenen Staubpartikel wandern unter dem Einfluß des elektrischen Feldes zu den positiven Abscheideelektroden, wo sie sich als Filterstaub anlagern. Nach einiger Zeit bildet sich an den Abscheideelektroden ein Staubkuchen, der in regelmäßigen Abständen abgelöst werden muß. Dies geschieht etwa dadurch, daß die Abscheideelektroden mechanisch in Schwingung versetzt werden (Klopfung). Alternative Reinigungsmethoden beruhen auf dem Abbürsten bewegter Elektrodenteile oder dem Einsatz von Ultraschallquellen. Der abgelöste Staubkuchen fällt in eine Sammelrinne, aus der er z. B. mittels einer Schnecke abtransportiert wird. Eine Filteranordnung des beschriebenen Aufbaus ist z. B. aus der Broschüre S. Matts, "Fläkt Electrostatic Precipitators" der ABB Asea Brown Boweri, bekannt.

Bei gattungsgemäßen Elektrofiltern treten bestimmte typische Schwierigkeiten auf. Eine davon ist das sogenannte Rücksprühen. Vor allem bei hochohmigen Filterstäuben mit einem spezifischen Widerstand ρ ≧ 10¹⁰ Ω cm, wie sie etwa bei der Verbrennung schwefelarmer Kohle entstehen, treten in der angelagerten Staubschicht sehr hohe Feldstärken auf. Diese können zu Durchschlägen im Staubkuchen und damit zur Bildung positiver Ionen führen. Die positiven Ionen neutralisieren einen Teil der negativ geladenen Teilchen in der Filtergasse und führen zu einer reduzieren Abscheideleistung des Elektrofilters.

Eine gute Reinigung der Abscheideelektroden verzögert das Einsetzten des nachteiligen Rücksprühens. Der Aufwand für das in bekannten Elektrofiltern eingesetzte mechanische Klopfen der Abscheideelektroden ist jedoch recht hoch. Darüber hinaus macht die mechanische Klopfung auch weitergehende Maßnahmen bei der Konstruktion der Elektroden notwendig, damit diese den beträchtlichen mechanischen Belastungen standhalten.

Darstellung der Erfindung

Hier setzt die Erfindung an. Es soll ein Verfahren zum Reinigen der Abscheideelektroden eines Elektrofilters geschaffen werden, das die genannten Nachteile vermeidet, insbesondere die mechanischen Belastung der Elektrodenplatten reduziert. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Reinigen einer Abscheideelektrode eines Elektrofilters des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zum Reinigen einer Abscheideelektrode eines Elektrofilters die an der Abscheideelektrode angelagerte Staubschicht durch kurze, in den normalen Betrieb eingeschobene Reinigungs-Spannungspulse zumindest teilweise von der Abscheideelektrode gelöst. Die übliche mechanische Beanspruchung der Elektrode entfällt somit. Dies bedeutet eine signifikante Erleichterung bei der Konstruktion der Elektrodenplatten und bedingt deutliche Verbesserungen im Hinblick etwa auf Gewicht, Materialanforderungen und Wartungsfreundlichkeit.

Bevorzugt wird der Elektrofilter im normalen Betrieb mit einer in der Höhe veränderbaren Gleichspannung betrieben, der Spannungspulse gleicher Polung überlagert sind. Die Gleichspannung ist dabei so bemessen, daß sie keine Koronabildung verursacht. Da ein hohes elektrisches Feld die Abscheiderate verbessert, wird die Gleichspannung vorteilhaft gerade unterhalb der Schwelle der Koronabildung gewählt. Die Pulshöhe und Pulsdauer der überlagerten Spannungspulse wird vorteilhaft so gewählt, daß während der Spannungspulse an zumindest einer der Elektroden zusätzliche Ladungsträger erzeugt werden. Dabei soll allerdings während der Pulse kein Durchschlag erfolgen. Die Pulsfolgefrequenz wird so eingestellt, daß einerseits die aufgeladenen Staubpartikel genügende Zeit haben, im homogenen Feld zwischen den Pulsen zu einer Abscheideelektrode zu wandern, daß andererseits durch die Pulse genügend Ladungsträger erzeugt werden um eine effektive Aufladung der Staubpartikel zu gewährleisten.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Reinigungs- Spannungspulse eine der Gleichspannung des normalen Betriebs entgegengesetzte Polarität auf. Durch die Umkehrung der Spannung während der Reinigungspulse wird in der an der Elektrode angelagerten Staubschicht eine abstoßende Kraft induziert. Die Amplitude, Anzahl und/oder Dauer der Spannungspulse werden so gewählt, daß dadurch ein möglichst großer Teil der Staubschicht von der Elektrode gelöst wird. Dazu genügen meist einige wenige Spannungspulse. Vorteilhaft wird nach einem Reinigungs-Spannungspuls für einige Zeit eine Spannung nahe Null an den Elektrofilter angelegt, damit die abgelöste Staubschicht in einen Auffangbehälter fallen kann, ohne daß sie durch elektrische Kräfte auf eine der Elektroden hingedrückt wird.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung haben die Reinigungs-Spannungspulse dieselbe Polarität wie die Gleichspannung des normalen Betriebs, weisen allerdings eine höhere Amplitude als die überlagerten Spannungspulse zur Ladungserzeugung auf. Die starken Reinigungs-Spannungspulse induzieren in dem angelagerten Staubkuchen kurzzeitig ein intensives Rücksprühen. Dabei wird zumindest ein Teil, im Extremfall sogar die gesamte angelagerte Staubschicht von der Abscheideelektrode gelöst. Auch hier genügen zumeist wenige Reinigungs-Spannungspulse. Ebenso wird auch hier mit Vorteil nach einem Reinigungs-Spannungspuls für einige Zeit eine Spannung nahe Null an den Elektrofilter angelegt, um der abgelösten Staubschicht Gelegenheit zu geben, nahezu unbeeinflußt in einen Auffangbehälter zu fallen.

Es ist oftmals vorteilhaft, den Übergang von der Reinigungs- Spannung zu der nachfolgenden Spannung nicht abrupt auszuführen, sondern die Spannung allmählich auf den neuen Wert zu führen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 Draufsicht eines waagrechten Schnitts durch eine schematische Darstellung eines Elektrofilters nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Filterspannung bei einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Filterspannung bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein üblicher Elektrofilter weist mehrere Abscheideelektroden 10 auf (Fig. 1), welche in einem Abstand von typischerweise 30 bis 40 cm nebeneinander angeordnet sind und z. B. aus drei 5 m langen nebeneinander angeordneten Stahlplatten bestehen. Je zwei gegenüberliegende Abscheideelektroden 10 bilden zwischen sich eine Filtergasse 14, in welcher ein mit den abzuscheidenden Verunreinigungen beladenes Gasstrom in Pfeilrichtung fließt. Zwischen den Abscheideelektroden 10 ist mittig eine oder mehrere drahtförmige Koronaelektroden 12 angeordnet. In Fig. 1 ist ein Schnitt durch die Mittelebene eines üblichen Elektrofilters gezeigt. Die Koronaelektroden 12 sind somit als Punkte dargestellt. Die vorliegende Erfindung ist aber auch bei Elektrofiltern anwendbar, deren Koronaelektroden eine andere Form bzw. Anordnung als die in Fig. 1 gezeigte aufweisen.

Zwischen die Abscheideelektroden 10 und die Koronaelektroden 12 wird durch den Hochspannungsgenerator 16 eine von Spannungspulsen überlagerte Gleichspannung angelegt. Die Koronaelektroden 12 liegen dabei auf negativem Potential, die Abscheideelektroden 10 auf positivem Potential. Die Höhe U₀ der Gleichspannung ist so gewählt, daß nirgends eine Koronaentladung auftritt und kann beispielsweise 40 kV betragen. Der Gleichspannung sind kurze Spannungspulse der Höhe U₁ mit gleicher Polung überlagert (Fig. 2, 3). Die Spannung U₁ kann beispielsweise 80 kV betragen. Während der Spannungspulse bildet sich durch das inhomogene Feld an den Koronaelektrode 12 eine Koronaentladung, die negative Ladungsträger in die Filtergasse emittiert. Die negativen Ladungsträger laden die in dem Gasstrom befindlichen Staubpartikel auf, so daß diese sich unter der Wirkung der Gleichspannung zu den Abscheideelektroden wandern.

Die Dauer der kurzen Spannungspulse liegt typischerweise zwischen 50 µs und 1 ms, ihre zeitlicher Abstand zwischen 10 ms und einigen Sekunden. Diese Werte, wie auch die Beträge der Spannungen U₀ und U₁ hängen unter anderem vom Abstand der Abscheideelektroden und dem spezifischen Widerstand des abzuscheidenden Staubs ab. Die Gleichspannung U₀ zusammen mit den überlagerten Spannungspulsen U₁ bilden die angelegte Filterspannung des normalen Betriebs.

Im Abscheidebetrieb treffen die geladenen Staubpartikel auf den an der Abscheideelektrode angelagerten Staubkuchen auf und geben ihre Ladung an dessen Oberfläche ab. Die Ladung fließt dann von der Oberfläche des Staubkuchens zur Abscheideelektrode. Dieser Stromfluß bewirkt eine Flächenladungsdichte σ, deren Größe vom Stromfluß, dem spezifischen Widerstand ρ der Staubschicht und der verstrichenen Zeit abhängt. Die Flächenladungsdichte σ bewirkt eine auf den Staubkuchen wirkende Haltekraft

F = σE

wobei E die auf diese Schicht wirkende elektrische Feldstärke ist. Das elektrische Feld des Elektrofilters übt demnach eine Kraft auf den geladenen Staubkuchen auf, die den Staubkuchen zur Elektrode hindrückt.

In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden in den Verlauf der Filterspannung des normalen Betriebs in festgelegten Zeitabständen positive Reinigungs-Spannungspulse der Amplitude U₃ eingeschoben (Fig. 2). Die Reinigungs- Spannungspulse sind von so kurzer Dauer, daß sich der Staubkuchen in dieser Zeit nicht umladen kann. Wegen des invertierten elektrischen Feldes erzeugen diese Spannungspulse eine abstoßende Kraft zwischen Staubkuchen und Abscheideelektrode. Die Dauer der Reinigungs-Spannungspulse, ihre Amplitude und Häufigkeit sind je nach Staub experimentell zu ermitteln. Einige wenige Pulse genügen bei den meisten Stäube, um einen nennenswerten Teil der Staubschicht von der Abscheideelektrode zu lösen. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist ein einzelner Reinigungs- Spannungspuls gezeigt. Nach diesem Spannungspuls wird die Spannung für einige Zeit auf einen kleinen positiven Wert U₂ zurückgefahren. Während dieser kleinen abstoßenden Spannung hat die abgelöste Staubschicht Zeit, in die dafür vorgesehenen Auffangbehälter (in Fig. 1 nicht gezeigt) zu fallen. Danach wird der normale Betrieb mit Gleichspannung und überlagerten Spannungspulsen fortgesetzt. In anderen erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt der Übergang von U₃ zu U₂ am Ende des Reinigungs-Spannungspulses nicht abrupt, sondern durch allmähliches Absenken der positiven Spannung bis auf den Wert U₂.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden der Filterspannung des normalen Betriebs negative Reinigungs- Spannungspulse großer Amplitude (U₄) überlagert (Fig. 3). Die Spannung U₄ ist so hoch gewählt, daß an der Abscheideelektrode ein intensives Rücksprühen stattfindet. Erfindungsgemäß wird das intensive Rücksprühen zeitweilig bewußt herbeigeführt, indem temporär mehr Ladungen an der Oberfläche des Staubkuchens deponiert werden als durch den hochohmigen Filterstaub abgeführt werden können. Es kommt zu elektrischen Durchschlägen im Staubkuchen, die Teile der Staubschicht abreißen. Wählt man U₄ hoch genug, werden durch das intensive Rücksprühen große Teile der Staubschicht, im Extremfall sogar der gesamte Staubkuchen von der Abscheideelektrode abgelöst. Auch hier genügen wenige Pulse, im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 sind zwei solche Pulse gezeigt. Nach dem Ablösen wird die Spannung auf einen kleinen Wert U₂ zurückgefahren, um dem Staubkuchen Zeit zum Sammeln in dem Auffangbehälter zu geben. Das Zurückfahren kann wie in Fig. 3 abrupt erfolgen, oder alternativ durch einen allmählichen Übergang. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die Dauer der Reinigungs- Spannungspulse, ihre Amplitude und Häufigkeit je nach Staub experimentell zu ermitteln.

Bezugszeichenliste

10

Abscheideelektroden

12

Koronaelektrode

14

Filtergasse

16

Hochspannungsgenerator

Claims

1. Verfahren zum Reinigen einer Abscheideelektrode eines Elektrofilters, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Abscheideelektrode angelagerte Staubschicht durch kurze, in den normalen Betrieb eingeschobene Reinigungs-Spannungspulse zumindest teilweise von der Abscheideelektrode gelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im normalen Betrieb an die Elektroden des Elektrofilters eine in der Höhe veränderbare Gleichspannung mit überlagerten Spannungspulsen gleicher Polung angelegt wird, wobei die Gleichspannung so bemessen ist, daß sie keine Koronabildung verursacht, und die Höhe und/oder Dauer der Spannungspulse so bemessen ist, daß an zumindest einer der Elektroden zusätzliche Ladungsträger erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Reinigungs-Spannungspulse eine der Gleichspannung des normalen Betriebs entgegengesetzte Polarität aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Reinigungs-Spannungspulse dieselbe Polarität wie die Gleichspannung des normalen Betriebs aufweisen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die an der Abscheideelektrode angelagerte Staubschicht durch Rücksprühen zumindest teilweise von der Abscheideelektrode gelöst wird.

6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem nach jedem Reinigungs-Spannungspuls die Spannung für eine festgelegte Zeitspanne, in der die abgelöste Staubschicht in einen Auffangbehälter fallen kann, nahe Null gehalten wird.