DE19752039A1 - Elektrofilter und Verfahren zum Betrieb desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrofilter zum Abscheiden von Verunreinigungen aus einem Gasstrom, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Elektrofilters.

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 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 Boveri, 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 reduzierten Abscheideleistung des Elektrofilters.

Um eine hohe Abscheideleistung zu erzielen, sollte die mittlere Feldstärke möglichst groß sein. Beschränkt wird die erreichbare mittlere Feldstärke in herkömmlichen Elektrofiltern vor allem dadurch, daß in dem inhomogenen Feld an den Koronaelektroden zwischen den Spannungspulsen keine Koronaentladungen auftreten sollen, da sonst zu viele Ladungsträger erzeugt würden. Mit den bekannten drahtförmigen Koronaelektroden sind die angesprochenen Probleme kaum zu beseitigen.

Darstellung der Erfindung

Hier setzt die Erfindung an. Es soll ein Elektrofilter und ein Verfahren zum Betrieb desselben geschaffen werden, bei dem die Homogenität des elektrischen Feldes in der Filtergasse verbessert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Elektrofilter des unabhängigen Anspruchs 1 und das Verfahren zum Betrieb eines Elektrofilters des unabhängigen Anspruchs 3 gelöst.

Erfindungsgemäß umfaßt der Elektrofilter mindestens zwei, im wesentlichen planare Abscheideelektroden, die zwischen sich eine Filtergasse bilden, wobei sowohl der positive als auch der negative Pol des Elektrofilters durch die im wesentlichen planaren Abscheideelektroden gebildet werden. Das elektrische Feld zwischen den planaren Elektroden ist merklich homogener als das Feld zwischen Abscheideelektroden und Drahtelektrode in herkömmlichen Elektrofiltern. Weiterhin kann gegenüber üblichen Elektrofiltern auf das Vorsehen einer drahtförmigen Koronaelektrode verzichtet werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Elektrofilters, wird an die zwischen sich eine Filtergasse bildenden Abscheideelektroden eine in der Höhe veränderbare Gleichspannung gelegt. Bevorzugt wird die Gleichspannung mit Spannungspulsen gleicher Polung überlagert.

Vorteilhaft ist die Gleichspannung 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.

Die zusätzlichen Ladungsträger werden beispielsweise an sogenannten Koronapunkten auf der Oberfläche einer vorhandenen Staubschicht gebildet. Kleine Unebenheiten der Oberfläche weisen einen kleinen Krümmungsradius auf und erzeugen so ein lokal stark inhomogenes Feld. Bei Überschreiten der Schwelle für Koronaentladungen werden von dort je nach Polung positive oder negative Ladungsträger in die Filtergasse eingebracht.

Vorteilhaft wird die angelegte Gleichspannung in festgelegten Zeitabständen umgepolt und die zuvor negativ gepolte Abscheideelektrode gereinigt, vorzugsweise durch Klopfung der Elektrode. Die Verwendung anderer Reinigungsmethoden liegt aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Der Schritt des Umpolens der Gleichspannung und des Reinigens der Abscheideelektrode kann beispielsweise auf eine der beiden folgenden Arten erfolgen. Bei einer ersten Art wird zunächst das Potential der negativ gepolten Abscheideelektrode auf das der positiv gepolten Elektrode gesetzt. Dann wird die zuvor negativ gepolte Abscheideelektrode gereinigt, wobei während der Reinigung die beiden Elektroden auf demselben Potential liegen. Anschließend wird die ursprünglich positiv gepolte Elektrode auf negatives Potential gesetzt, so daß die Gleichspannung insgesamt umgepolt ist. Bei einer zweiten Art wird die Gleichspannung in einem Schritt umgepolt, also die zuvor negative Elektrode auf positives Potential und die zuvor positive Elektrode auf negative Potential gelegt. Dann wird die vor dem Umpolen negative Elektrode, die nun auf positiven Potential liegt, z. B. durch Klopfen gereinigt.

Durch diese Vorgehensweise wird stets die auf positivem Potential liegende Abscheideelektrode gereinigt. Dies hat den Vorteil, daß nach der Reinigung auf der positiven Abscheideelektrode keine Koronapunkte vorhanden sind und somit insgesamt die Erzeugung positiver Ladungsträger stark reduziert ist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der positive Pol der Gleichspannung geerdet.

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

Fig. 1 einen Ausschnitt aus dem Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer schematischen Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektrofilters;

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Potentialdifferenz zwischen den Abscheideelektroden in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1.

Der erfindungsgemäße Elektrofilter weist einander gegenüberliegende planare Abscheideelektroden 10, 12 auf (Fig. 1). Ein mit Staubpartikeln 20 beladenes Gas strömt in Pfeilrichtung durch die von den Abscheideelektroden gebildete Filtergasse. In der in Fig. 1a gezeigten Situation ist die Abscheideelektrode 10 geerdet, die Abscheideelektrode 12 liegt auf negativer Hochspannung U₀, beispielsweise 40 kV. Bei dieser Höhe der Gleichspannung tritt nirgends eine Koronaentladung auf. Der Gleichspannung sind kurze Spannungspulse der Höhe U₁ mit gleicher Polung überlagert (Fig. 2). Die Spannung U₁ kann beispielsweise 80 kV betragen. Die Länge der Spannungspulse τ₁ liegt typischerweise zwischen 50 µs und 1 ms, ihr zeitlicher Abstand τ₂ 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.

An den auf der Abscheideelektrode 12 befindlichen Staubablagerungen 30 wird während der Spannungspulse U₁ an Stellen großer Krümmung die Schwelle für Koronaentladungen überschritten. So werden negative Ladungsträger 22 erzeugt, die in Richtung auf die positive Abscheideelektrode 10 wandern (Fig. 1a). Die Ladungsträger laden die Staubpartikel 20 auf und führen zu deren Abscheidung an der Elektrode 10. Dadurch bilden sich auch an der positiven Elektrode 10 Koronapunkte, so daß nachfolgend während der Spannungspulse sowohl positive Ladungsträger 24 als auch negative Ladungsträger 22 in die Filtergasse eingebracht werden (Fig. 1b). Die Erzeugung zu vieler Positiver Ladungsträger führt wegen der Ladungsneutralisierung in der Filtergasse zu einer reduzierten Abscheideleistung. Daher wird nach einer festgelegten Zeitspanne die negative Abscheideelektrode 12 geerdet (Fig. 1c) und durch Klopfung gereinigt. Anschließend wird die bisher geerdete Elektrode 10 auf negatives Potential gelegt (Fig. 1d), so daß eine Situation analog zu Fig. 1a entsteht. Der eben geschilderte Zyklus läuft nun mit vertauschten Elektroden ab. Nach dem Reinigen der Elektrode 10 wird dann wieder die Abscheideelektrode 12 auf negatives Potential gelegt, die Situation von Fig. 1a ist erneut erreicht und der Zyklus beginnt von neuem.

Der dargestellte Ablauf erfordert, daß zu Beginn einige Koronapunkte auf einer der Elektroden vorhanden sind. In der Praxis befinden sich in dem durchströmenden Gas stets einige, etwa durch Reibung positiv geladene Teilchen, die den Zyklus in Gang setzen.

In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der Potentialdifferenz ΔU zwischen den beiden Abscheideelektroden 10 und 12 gezeigt. Das Umpolen der Gleichspannung findet in einem zeitlichen Abstand τ₃ statt, der je nach Staubart und -widerstand zwischen etwa 10 Sekunden und einigen Minuten, im Extremfall sogar einigen Stunden betragen kann. Während des Klopfens einer Elektrode liegen die beiden Elektroden im Ausführungsbeispiel auf gleichem Potential (ΔU = 0). Es ist aber auch möglich, die Gleichspannung in einem Schritt umzupolen und dann die nunmehr positive Elektrode zu reinigen. In diesem Fall beträgt die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden während des Reinigens U₀.

Bezugszeichenliste

10

Abscheideelektrode (zunächst geerdet)

12

Abscheideelektrode (zunächst auf negativem Potential)

14

positiver Pol des Elektrofilters

16

negative Pol des Elektrofilters

20

Staubpartikel

22

negative Ladungsträger

24

positive Ladungsträger

30

Staubablagerungen

Claims (9)

1. Elektrofilter zum Abscheiden von Verunreinigungen (20) aus einem Gasstrom, mit mindestens zwei, im wesentlichen planaren Abscheideelektroden (10, 12) die zwischen sich eine Filtergasse bilden, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der positive Pol (14) als auch der negative Pol (16) des Elektrofilters durch die im wesentlichen Planaren Abscheideelektroden (10, 12) gebildet wird.

2. Elektrofilter nach Anspruch 1, bei dem jede Elektrode (10, 12) im wesentlichen planar ausgebildet ist.

3. Verfahren zum Betrieb eines Elektrofilters nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die zwischen sich eine Filtergasse bildenden Abscheideelektroden (10, 12) eine in der Höhe veränderbare Gleichspannung mit überlagerten Spannungspulsen gleicher Polung gelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem 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 (10, 12) zusätzliche Ladungsträger (22, 24) erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem in festgelegten Zeitabständen die Gleichspannung umgepolt und die zuvor negativ gepolte Abscheideelektrode gereinigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Schritt des Umpolens und Reinigens folgende Schritte umfaßt:

• a) Setzen des Potentials der negativ gepolten Abscheideelektrode auf das Potential der positiv gepolten Abscheideelektrode;
• b) Reinigen der zuvor negativ gepolten Abscheideelektrode; und
• c) Setzen der vor dem Schritt a) positiv gepolten Abscheideelektrode auf negatives Potential.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Schritt des Umpolens und Reinigens folgende Schritte umfaßt:

• a) Umpolen der an den Abscheideelektroden anliegenden Spannung; und
• b) Reinigen der vor dem Umpolen negativ gepolten Abscheideelektrode.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die zuvor negativ gepolte Abscheideelektrode durch Klopfung gereinigt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem jede auf positivem Potential liegende Abscheideelektrode geerdet ist.