DE2151220B2 - Vorrichtung zur elektrostatischen Aufladung und Abscheidung von Masseteilchen - Google Patents

Description

Diese Aufgabe ist mit einer Vorrichtung der ge-

nanmen Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daG

50 das Plasma über eine Elektrode und eine Leitung mil einer Hochspannungsquelle und über ein Dielektrikum und eine Leitung mit Erde verbunden ist, wobei

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elek- die Elektrode und ein diese Elektrode in der Ionitrostatischen Aufladung und Abscheidung von Masse- sationszone umgebender Leiter mit einer weiterer teilchen, insbesondere iur Luft- und Abgasreinigung, 35 Hochspannungsquelle verbunden sind,
wobei für die in eine Abscheidekammer zu leitenden Die metastabilen Ionen werden dabei von einem

und elektrostatisch aufzuladenden Masseteilchen eine sogenannten Plasmagenerator erzeugt, und es können Ionisationszone mil: einem Plasma zwischen zwei für die Erzeugung derartiger metastabiler Ionen folgegenüber Erde isolierten Hochspannungselektroden gende Plasmen verwendet werden: Kalte Plasmen vorgesehen und hinter :.der Ionisationszone die ein 60 hybride Plasmen und thermale Plasmen, wobei da; Potentialgefälle aufweisende Abscheidekammer ange- Kaltplasma bei Glühentladung, das Hybridplasma ordnet ist, in der die Luft bzw. das Gas auf einer durch Koronaentladung und das Thermoplasma durch Temperatur gehalten wird, bei der kein sichtbares Lichtbogen mit Temperaturen von 5000 bis Licht ausstrahlt. 50 000° K entsteht.

Zur Entstaubung von Gasen ist es allgemein be- 65 Dem erfindungsgemäßen Vorschlag liegt das folkannt, sogenannte Elektrofilter zu benutzen, die dem gende Prinzip zugrunde: Zunächst wird eine Ionisa-Prinzip nach einen 2',ylinder- oder Plattenkondensator tion bewirkt, dabei werden aber gleichzeitig positive darstellen, wobei zwischen den Feldelektroden eine oder negative Ionen durch Anlegen eines Zusatz-

potentials ausgeschieden und dann die metastabilen, ausschließlich positiven oder negativen metastabilen Ionen zum Aufladen der Staubteilchen benutzt, um diese besser abscheiden zu können. Eine solche »Vorbehandlung« des ionisierten Gases bzw. des Plasmas erfolgt beim Stand der Technik bzw. nach der USA.-Patentschrift 2 822 053 und dem Artikel »Industrial Electrostatic Precipitation« (S. 85, 1963) nicht, sondern es Lflnd sowohl negative als auch positive Ionen vorhanden.

Eine sogenannte elektrostatische longitudinale Oszillation, bei der sich die positiven oder negativen Ionen gewissermaßen gegenseitig an die Staubteilchen herantreiben, ist in einem Plasma, das sowohl positive wie negative Ionen enthält, nicht oder nicht im gewünschten Maße möglich.

Dadurch hat der Vorschlag nach dir USA.-Patentschrift 2 822 053 bezüglich einer intensiven Abscheidung noch den Nachteil, daß die noch vorhandenen negativen Ionen den ganzen Abscheidevorgang bzw. die Aufladung der Staubteilchen insoweit belasten, als die Aufladung nicht durch eine elektrostatische longitudinale Oszillation intensiviert werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient die an die Elektrode angelegte hohe Spannung der eigentlichen Ionisation, während die von der zusätzlichen Hochspannungsquelle angelegte Spannung der Neutralisation der negativen oder positiven Ionen, dient, welcher Neutralisationsvorgang auch im Sinne einer elektrostatischen longitudinalen Oszillation vor sich geht.

Dieses der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugrunde liegende Prinzip wird auch nicht von anderen nach dem Stand der Technik hier zu berücksichtigenden Verfahren und Vorrichtungen benutzt, wie sie beispielsweise nach folgenden Patentschriften vorveröffentlicht sind:

Deutsche Patentschrift 370 220; USA.-Patentschriften 3 181 285, 3 124437, 3 400 513, 3 046 716; österreichische Patentschrift 189 722 und britische Patentschrift 1 212 539.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung muß die absolute Temperatur hinter dem Generator, d. h. in der Abscheidekammer derart sein, daß die elektrische Leitfähigkeit des Gases minimal bzw. der elektrische Widerstand im Gas maximal ist, d. h. allgemein, die Temperatur hinter dem Plasmagenerator muß auf einer derartigen Höhe gehalten werden, daß das Gas kein sichtbares Licht ausstrahlt. Die erzeugten metastabilen Ionen sind unipolar, und die Polarität dieser metastabilen Ionen entspricht der elektrischen Spannung, unter der das Plasma erzeugt wurde.

Die erwähnte sogenannte elektrostatische, longitudinale Oszillation zwischen den metastabilen Ionen und ihrer Umgebung hat eine sehr hohe Frequenz und beträgt etwa 10¹² Hz. Theoretisch kann sie bis zu 10²³ Hz betragen. Das elektrische Potential der metastabilen Ionen gegen Erde ist das gleiche, wie das der Stromzufuhr und kann bis zum theoretisch maximal möglichen Wert gegen Erde beliebig erhöht werden.

Für die eigentliche Abscheidung, d. h., für die Abscheidekammer kann jeder Typ der bekannten elektrostatischen Luftreiniger benutzt werden.

Für die hier insbesondere angesprochene Gas- bzw. Luftreinigung besteht der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin, daß die Leistungsfähigkeit der elektrostatischen Abscheidung auf nahezu 100% gebracht werden kann.

Ein anderer Vorteil besteht darin, daß die Ein gangsenergie für den ganzen Reinigungsvorganj zwei- bis dreimal niedriger ist, als für die bekanntei Reinigungsverfahren und ihre Einrichtungen. Nebei der Gas- bzw. Luftreinigung kann die erfindungs gemäße Lösung auch für die Beschleunigung chemi scher Reaktionen ausgenutzt werden, beispielsweisi in der Plasmasynthese, bei der Farbauftragun« od. dgl.

ίο Vorteilhaft wird bei der Erzeugung des Plasma: so vorgegangen, daß es in einem Nebenluftstrom er zeugt und dieser in den zu reinigenden Gas- bzw Luftstrom eingeleitet wird.

Um gegebenenfalls der Beladung des zu reinigen den Gas- bzw. Luftstromes insbesondere unit SO. Rechnung zu tragen, d. h. auch diese Teilchen nahezi 100°/oig ausscheiden zu können, kann die Vorrichtung vorteilhaft dahingehend weiter ausgebildet werden, daß die geerdete Abscheidekammer mit erdungsfreien und mit einem Dielektrikum beschichteter Elektroden und mit Einrichtungen zur Ausbildung eines Wasserfilmes aus einer Wasserzirkulai.ionsleitung mit Wasserpumpe und Filter gebildet ist.

Die Abspülung der Elektroden mit Wasser ist an sich bekannt, wobei bisher jedoch immer nur die geerdeten Elektroden gewaschen worden sind.

Der Vorteil der durch ein Dielektrikum isolierten Elektroden ist folgender: Es kann eine sehr hohe elektrische Spannung zwischen den Elektroden im Abscheider verwendet werden (etwa 100 KV und mehr). Das elektrische Feld durchgreift den Wasserfilm, und die Lücke zwischen den Elektroden und dem geerdeten Wasser hat keinen Einfluß auf das elektrische Feld. Das SO₂ wird durch das bei dei

Erzeugung der metastabilen Ionen entstehende O₃ zu SO₃ oxydiert. Um zu vermeiden, daß sich iim Abscheiden Schwefelsäure bildet, wird das Wasser vorteilhaft beispielsweise mit Ca(OH)₂ basisch gehalten, wodurch das SO₃ zu CaSO₄ gebunden wird, das dann ohne Schwierigkeiten dem Wasser entzogen werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand dei zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In dieser Darstellung zeigt schematisch

F i g. 1 teilweise in Schnitt und Ansicht den lonengenerator zur Erzeugung der metastabilen Ionen, in Verbindung mit einer schematisch angedeuteten Abscheidekammer,

F i g. 2 teilweise in Schnitt und Ansicht den Ionengenerator in Verbindung mit einer Abscheidekammei und

F i g. 3 teilweise in Schnitt und Ansicht eine besondere Ausführungsform einer Abscheidekammer.

In F i g. 1 sind bezeichnet mit Γ das Plasma, mi) 2 die unipolare Hochspannungselektrode, mit 3 das Dielektrikum mit hoher dielektrischer Konstante, mit 4 der metallische Strömungskanal, mit 5 die Durchführungsisolatoren für die Kabel 2', 23, mit 7 die Hochspannungsstromversorgung, mit 8 die mit Erde verbundene Leitung, mit 9 der kalte Raum hinter dem Plasmagenerator, mit 10 unipolare metastabile Ionen, mit 11 die elektrostatische longitudinale Oszillation zwischen den metastabilen Ionen 10 und einei Metallkugel 12, mit 13 der Schalter zu einem elektrostatischen Voltmeter 14 und zu einem elektrischen Widerstand 15, mit 16 ein Oszillograph und mit 17 eine Erdungsleitung.

5 y 6

Ferner sind bezeichnet mit 18 ein Gebläse, mit 19 statische Oszillation auf dem Oszillographen sichtbar

der Einlaß der Luft oder des Gases, mit 20 ein Trans- werden, der natürlich für eine minimale Frequenz-

formator und mit 21 und 22 die Sekundär- und Pri- aufnahme von 10¹² Hz ausgelegt sein muß.

märspulen des Transformators der Stromversor- Wenn sich nun an Stelle der Kugel 12 Staubteil-

gung7, mit 23 ein Hochspannungskabel vom Lei- 5 chen befinden, dann geht die elektrische Aufladung

ter 6 zur Spule 21, mit 24 ein Gleichrichter, mit 25 von den metastabilen Ionen in gleicher Weise zu den

die zusätzliche Hochspannungsquelle in Form eines Staubteilchen wie zur Kugel 12.

Hochspannungstransformators, mit 26 ein Gleich- In F i g. 2 sind entsprechende Teile mit entspre-

richter für den Hochspannungstransformator und mit chenden Zahlen bezeichnet.

27 ein Hochspannungskabel. ίο Die durch den Kanal 4 strömende Luft wird zwi-

Der Rohgasstrom oder die Luft 1 gelangt mittels sehen der Elektrode 2 und dem Leiter 6 (Fig. 1) zu des Gebläses 18 durch den Strömungskanal 4 zum vielen ambipolaren Ionen ionisiert, d. h. mit zwei Plasma Γ. Die Hochspannungselektrode 2 ist mit der Polaritäten, plus und minus. Die Hochspannungs-Stromversorgung 7 verbunden. Zwischen dem quelle 25 gibt des Plasma 1' aber eine elektrische Plasma 1' und dem Strömungskanal 4 befindet sich 15 Spannung gegen Erde. Wenn z. B. die Polarität der ein gutes Dielektrikum 3, das die hohe elektrische Quelle des Hochspannungstransformators eine posi-Spannung zwischen der Elektrode 2 und dem ge- tive ist, dann werden alle negativen Ionen im Plasma erdeten Strömungskanal 4 aufrechterhält. Der kalte 11 gegen Erde »neutralisiert«, jedoch relativ zu den Raum 9 hinter dem Plasmagenerator muß kalt genug positiven Ionen im Plasma sind sie noch negativ sein, um die Temperatur beispielsweise unter 700° K 20 geblieben, aber es steigt die elektrische Spannung bei Atmosphärendruck zu halten. gegen Erde aller positiven Ionen. Wenn in diesem

Bei niedrigerem Gasdruck muß die Temperatur Moment die absolute Temperatur hinter dem Plasmaentsprechend niedriger gehalten werden. Unter diesen generator fällt, werden die positiven Ionen des Pias-Bedingungen formieren sich die metastabilen Ionen mas metastabil. Wenn solche metastabilen Ionen der 10 im Raum 9. Zu Anfang hat die Metallkugel 12 25 Luft zur ersten Stufe eines elektrostatischen Abkeine elektrische Spannung gegen Erde. Wenn sich scheidens strömen, dann werden die Masseteilchen aber die metastabilen Ionen 10 der Metallkugel 12 (Staub) nach der Formel
nähern, dann tritt die elektrostatische, longitudinale

Oszillation ein, die mit 11 angedeutet ist, und die _a — ^ . _a2

zwischen den metastabilen Ionen 10 und der Kugel 12 30 ]/Z
erfolgt. Wenn die Kugel 12 durch einen Schalter 13

mit einem elektrostatischen Voltmeter 14 verbunden (E = Spannung der Elektrode 2)

wird, dann zeigt das Voltmeter die gleiche elektrische (a = Durchmesser der Staubteilchen)
Spannung an, wie sie die Hochspannungselektrode 2

gegen Erde hat. 35 vermittels der beschriebenen longitudinalen Oszilla-

Wenn die Kugel 12 durch den Schalter 13 mit dem tion der metastabilen Ionen aufgeladen,

elektrischen Widerstand 15 verbunden ist, dann geht Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, die den

die elektrostatische Oszillation durch den Widerstand Plasmagenerator in Verbindung mit einer Abscheide-

15 zur Erde. Wenn ein Oszillograph 16 am Wider- kammer 28 zeigt, der eine Kammer 29 vorgeschaltet

stand 15 angeschlossen ist, kann die elektrostatische 40 ist, wird durch den Einlaß 19 reine Luft angesaugt,

Oszillation auf dem Oszillographen sichtbar werden, die in Form hoch elektrisch geladener metastabiler

der natürlich für eine minimale Frequenzaufnahme Ionen in die Kammer 29 gelangt, die beispielsweise

von 10¹² Hz ausgelegt sein muß. als Rauchgasabzug an einem Heizkessel angeschlos-

Wenn sich nun an Stelle der Kugel 12 Staubteil- sen wird, von dem aus die zu reinigenden Rauchchen befinden, dann geht die elektrische Aufladung 45 gase 30 mit Staubpartikeln 31 od. dgl. in die Kamvon den metastabilen Ionen in gleicher Weise zu den mer 29 gelangen, in der die Aufladung der Staub-Staubteilchen wie zur Kugel 12. teile vermittels der longitudinalen Oszillation 11 er-

In F i g. 2 sind entsprechende Teile mit entspre- folgt,

chenden Zahlen bezeichnet. In der eigentlichen und geerdeten Abscheidekam-

Bei niedrigem Gasdruck muß die Temperatur ent- 50 mer 28, deren Elektroden 32 über ein Kabel 33 und

sprechend niedriger gehalten werden. Unter diesen einen Gleichrichter 34 mit einer Stromversorgung 35

Bedingungen formieren sich die metastabilen Ionen in Verbindung stehen, erfolgt dann die Abscheidung

10 im Raum 9. Zu Anfang hat die Metallkugel 12 der geladenen Staubteile, und das gereinigte Gas

keine elektrische Spannung gegen Erde. Wenn sich strömt aus dem Stutzen 36 ab.

aber die metastabilen Ionen 10 der Metallkugel 12 55 In Fig. 3 ist eine besondere Ausführungsfonn der nähern, dann tritt die elektrostatische, longitudinale Abscheidekammer verdeutlicht, die eine spezielle AusOszillation ein, die mit 11 angedeutet ist, und die bildung in Rücksicht auf eine zufriedenstellende Abzwischen den metastabilen Ionen 10 und der Kugel scheidung von insbesondere SO₂ hat. Dieser Kammer

12 erfolgt. Wenn die Kugel 12 durch einen Schalter 37 ist natürlich auch ein Plasmagenerator und eine

13 mit einem elektrostatischen Voltmeter 14 ver- 60 Kammer 29 im Sinne der F i g. 1 bzw. 2 vorgeschalbunden wird, dann zeigt das Voltmeter die gleiche tet, wobei die Emströmrichtung senkrecht zur Darelektrische Spannung an, wie sie die Hochspannungs- stelrangsebene liegt. In dieser Fig. 3 sind bezeichnet elektrode 2 gegen Erde hat mit 38 Metallplatten-Elektroden, mit 39 ein Isolator

Wenn die Kugel 12 durch den Schalter 13 mit dem als Dielektrikum aus PVG₁ Keramik od. dgl. um die

elektrischen Widerstand 15 verbunden ist, dann geht 65 Elektroden 38, mit 40 Rohte für die Wasserzirkula-.

die elektrostatische Oszillation durch den Wider- tion, mit 41 eine Wasserpuinpe, mit 42 ein Filter für

stand 15 zur Erde. Wenn ein Oszillograph 16 am die Staubentfernung aus dem Wasser, mit 43 der

Widerstand 15 angeschlossen ist, kann die elektro- Wasserfüm an den Oberflächen der isolierten Elek-

troden 38, mit 44 ein Transformator, mit 45 und 46 die Sekundär- und Primärspulen des Transformators, mit 47 ein Siliziumgleiclirichter und mit 48 eine Erdungsleitung.

Bei diesem Abscheider werden die isolierten Elektroden 38 mit einem Wasserfilm 43 besprüht, wodurch die Abscheidung von SO₂ bei leicht basischem Wasser (pH etwa 8) etwa 96 bis 99,5% betrug. Bei

höheren pH-Werten (etwa 10 bis 11) ergibt sich eine SO₂-Entfernung von annähernd 100 %>. Mit Rücksicht auf die SO₂- und O₃-Komponente wird das Wasser vorzugsweise mit Ca(OH₂) basisch gehalten, so daß sich keine Schwefelsäure bilden kann und das SO₂ sofort vom Ca zu CaSO₄ gebunden wird, das dann ohne Schwierigkeiten im Filter 42 ausgeschieden werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

409530/404

Claims (5)

möglichst dicht unter der Durchschlaggrenze liegend* Patentansprüche: . Gleichspannung von etwa 30 bis 7OkV und mehl liegt, die aus dem Wechsel- bzw. Drehstromnetz durcl

1. Vorrichtung zur elektrostatischen Auf- Hochspannungstransformatoren und Gleichrichter er ladung und Abscheidung von Masseteilchen, ins- 5 zeugt wird. Die negative Seite des Gleichrichteraus besondere zur Luft- und Abgasreinigung, wobei gangs ist mit der Sprühelektrode (Ausströmer) ver für die in eine Abscheidekammer zu leitenden bunden, während der positive, an der Sammel- odei und elektrostatisch aufzuladenden Masseteilchen Niederschlagselektrode liegende Pol der Gleichspan eine Ionisationszone mit einem Plasma zwischen nungsquelle geerdet ist.

zwei gegenüber Erde isolierten Hochspannungs- io Der Rohgasstrom wird zwischen den Elektroder elektroden vorgesehen und hinter der Ionisations- hindurchgeleitet; die mitgeführten Staubteilcher zone die ein Potentialgefälle aufweisende Ab- laden sich dabei zum weitaus überwiegenden Tei scheidekammer angeordnet ist, in der die Luft negativ auf und wandern zur positiven Sammelelek bzw. das Gas auf einer Temperatur gehalten wird, trode. Dort geben sie ihre Ladung ab und werden ab bei der kein sichtbares Licht ausstrahlt, da- 15 geschieden. In der Praxis stehen jedoch der Erreich durch gekennzeichnet, daß das Plasma barkeit höchster Abscheidegrade erhebliche Schwie· über eine Elektrode (2) und eine Leitung (27) rigkeiten der verschiedensten Art entgegen. Einerseits mit einer Hochspannungsquelle (25) und über ein wird die Feldstärke durch die Durchschlagsspannunt Dielektrikum (3) und eine Leitung (8) mit Erde zwischen den Elektroden begrenzt. Andererseits sind verbunden ist, wobei die Elektrode und ein diese 20 die Feldstärke und die Durchschlagsspannung ir Elektrode in der Ionisationszone umgebender Lei- komplexer Weise auch noch von der Beschaffenheil ter (6) mit einer weiteren Hochspannungsstrom- dei Elektrodenoberfläche abhängig, ferner von dei Versorgung (7) verbunden ist. Raumladung der Rohgaszusammensetzung und dem

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Rohgaszustand sowie der Rohgasfeuchte, der Staubkennzeichnet, daß der Ionisationszone eine ge- 25 ladung des Rohgases, der Art, Größe und Form dei erdete Vorkammer (29) nachgeschaltet ist, die Staubteilchen und von verschiedenen weiteren nui einerseits eine Zuführung für das Rohgas (30) schwer erfaßbaren Einflußgrößen.

aufweist und andererseits mit der Abscheide- Die dynamische Viskosität — eine Funktion von

kammer (28) in Verbindung steht, wobei in der Rohgaszusammensetzung und Temperatur — ist prak-Vorkammer ebenfalls ein Dielektrikum (3) an- 30 tisch nicht zu beeinflussen, sondern z. B. in Kraftgeordnet ist. werken durch den Brennstoff, den Laftüberschuß und

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- die Abgastemperatur festgelegt.

kennzeichnet, daß die geerdete Abscheidekam- Wenn die Abgase zudem stark mit SO₂ beladen

mer (37) mit erdungsfreien und mit einem Di- sind, was insbesondere der Fall ist, wenn Heizkessel elektrikum (39) beschichteten Elektroden (38) 35 mit öl betrieben werden, so zeigt sich, daß mit den und Einrichtung zur Ausbildung eines Wasser- heute bekannten Einrichtungen und Methoden nur Ulmes (43) auf dem Dielektrikum versehen ist. etwa 8 bis 15% des SO₂ abgeschieden werden kön-

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- nen, während der größere Rest in die Atmosphäre kennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ausbildung gelangt und wesentlich zur Luftverschmutzung beides Wasserfilmes (43) aus einer Wasserzirkula- 40 trägt.

tionsleitung (40) mit Wasserpumpe (41) und FiI- Hier Abhilfe zu schaffen, ist Aufgabe der vor-

ter (42) gebildet ist. liegenden Erfindung, d. h., es soll eine Vorrichtung

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und/oder 4, geschaffen werden, mit der sich wesentlich bessere dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (38, Reinigungsgrade erzielen lassen und bei deren Weiter-38') mit einem Transformator (44) verbunden 45 bildung sich auch Verschmutzungsanteile, wie N₂O. sind. NO, NO₂, insbesondere aber auch SO₂ angenähert

bis auf 100 % entfernen lassen.