DE2743292A1

DE2743292A1 - Verfahren und vorrichtung zur abscheidung von feinstaeuben und salzaerosolen aus rohgasstroemen

Info

Publication number: DE2743292A1
Application number: DE19772743292
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Guth; Klaus Dipl Ing Holzer
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1977-09-27
Filing date: 1977-09-27
Publication date: 1979-03-29
Also published as: IT7828064A0; GB2005158B; CH636778A5; GB2005158A; JPS5457275A; NL7809696A; SE7810086L; DE2743292B2; BE870776A; FR2403828A1

Description

Bayer Aktiengesellschaft

j 27A3292

Zentralbereich Patente. Marken und Lizenzen

5090 Leverkusen, Bayerwerk Ki-kl

26. Sep. 1977

Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von Feinstäuben und Salzaerosolen aus Rohgasströmen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung von Foinstäuben und Salzaerosolen aus Rohgasströmen, insbesondere Prozeß- oder Abgasströmen. Dabei werden die Feinstäube bzw. Aerosole in einem Elektrofilter unter der Wirkung des elektrischen Feldes an einem die Niederschlagsfläche bedeckenden, geerdeten Flüssigkeitsfilm abgeschieden. Die zu diesem Verfahren verwendete Vorrichtung besteht entweder aus vertikal stehenden, rohrförmigen Niederschlagsflächen, in denen eine axiale Sprühelektrode aufgehängt ist oder aus plattenförmigen Niederschlagsflächen mit zwischen den Platten aufgehängten Sprühelektroden. Die eigentliche Niederschlagselektrode stellt in allem Fällen der geerdete Flüssigkeitsfilm dar.

Das Abscheideprinzip der Elektrofilter allgemein besteht darin, durch Anlegen einer hohen Gleichspannung zwischen zwei Elektroden den Teilchen im Gasstrom eine Ladung zu erteilen, wobei die ionisierten Teilchen unter dem Einfluß des elektrischen Feldes zur geerdeten Niederschlagselektrode wandern und dort anhaften. Maßgeblich für die

Le A 16 607

909813/0528

Abscheidung ist neben der Stärke des elektrischen Feldes die Verweilzeit der Teilchen im elektrischen Feld sowie der spezifische Widerstand der Teilchen.

Die verschiedenen Typen der Elektrofilter unterscheiden sich hauptsächlich durch die Art der Entfernung (Abreinigung) des an den Niederschlagselektroden anhaftenden, abgeschiedenen Stüubesi. Bei den Trockenelektrofiltern sind die geerdeten rr.et.-.llischen Niederschlagselektroden (meist Platten) elastisch aufgchfinst und der abgeschiedene Staub wird durch intermittie- vcr. Jos Klopfen oder Rütteln diener Platten abgereinigt. Bei gut v.aasoi'iöslichen Stäuben kann die Abreinigung der Niederschlagsfiüciicn auch durch diskontinuierliches Besprühen mit Wasser err'olßen. Kan spricht hierbei bereits von Naßelektrofiltern, cbwo:il der eigentliche Abscheidevorgang noch trocken erfolgt. Hier verwendet man bereits häufig röhren- oder wabenförmige Ni^derscnlagselektroden. Bei den eigentlichen Naß-Elektrofiltern besteht die Niederschlagselektrode aus einem an nichtleitenden Rohrinnenwänden (Kunststoff - oder gummierte Rohre) kontinuierlich fließenden, geerdeten Wasserfilm, in dem die abgeschiedenen Teilchen gelöst oder abgespült werden. Hierbei gibt ej unterschiedliche Arten der Filnerzeugung über Überlauf oder tanrentialen Zulauf an Jedem Einzelrohr, wobei - entsprechend vier Zahl der Rohre - relativ hohe Kreislaufwassermengen benötigt werden und die gleichmäßige Verteilung auf alle Rohre Str.wieriokeiten bereitet. Die an häufigsten angewandte Art uor Filmerzeugung sieht vor, über Nebeldüsen feine Wasserti'öpfchen in den Gasstrom einzudüsen und diese dann - zusammen r:.it de:r. Staub - an der Niederschlagselektrode abzuscheiden. Dabei läßt sich Jedoch kein gleichmäßiger Film über die ganze hohrlänge erzielen und gleichzeitig wächst bei Eindüsung von

Le A 16 607 - 2 -

909813/0528

irr. Vergleich zu den feinen Staubteilchen sehr großen Wassertrcpfen (selbst bei Nebeldüsen liegt die Tropfengröße im 3ereich 0 ^O - 200 ,um) in ύ-.ιζ elektrische Feld die Zahl der elektrischen überschlage. Π·:·ϊ Überschlägen bricht das elektrische Feld kurzzeitig zusarr.ir.en und die Abscheidewirkung der Filter verschlechtert sich rapide. Bei Anwesenheit einer größeren Anzahl Wassertropfen im Gasstrom muß deshalb zur Vermeidung äer Überschläge die elektrische Spannung stark reduziert werden, was sich ebenfalls nachteilhaft auf die Ab::er.»»icieleistung des Filters auswirkt.

-Schwierigkeiten treten vor allem dann auf, wenn größere Mengen von Fcinutäuben und Salzaerosolen aus einem Prozeß- oder At>»:a6Strom mit einem Abscheidegrad von mehr als 95 % entfernt werden sollen. Dieses Problem stellt sich vor allem bei der Abgasreinigung von Abfallverbrennungsaniagen aller Art. Da hier die flüssigen oder festen Schadstoffe teilweise aus Kondensations- und Sublimationsvorgängen bei hohen Temperaturen entstanden sind, weisen die zu entfernenden Teilchen extrem feine Korngrößen (<O,1 ,um) auf. Die Abscheidung von Teilchen in diesem Korngrößenbereich mit hohem Wirkungsgrad unter Verwendung von Elektrofiltern ist bisher nicht in befriedigendem Maße gelungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Abscheidegrad für Feinstäube und Salzsaerosole bei Elektrofiltern zu verbessern, wobei eine kontinuierliche Fahrweise mit hohen Standzeiten gefordert wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zu reinigende Gasstrom vor dem Eintritt in das Elektrofilter mit Dampf

Le A 16 607 - 3 -

909813/0528

beladen wird und der Flüssigkeitsfilm auf der Niederschlagsfläche durch Kondensation dieser Damofanteile erzeugt wird. Jiu Kondensation wird in der Praxis dadurch erreicht, daß die Niederschlaqsflächen durch ein Kühlmittel unter den Ταυ -Punxt des Rohgasstromes im Elektrofilter abgekühlt werden. Ec war üoerraschend und nicht vorherzusehen, daß allein durch Kondensation ein zusammenhängender Flüssigkeitsfilm er^eu-^t werden kann, der sowohl als Niederschlagselektrode dient, als auch für einen ausreichenden Abtransport der löslichen und unlöslichen Staub- bzw. Aerosolteilchen sorgt.

Vorteilhaft wird das Elektrofilter bei einem Elektrodenabstand von 80 - 1OO mm mit einer Spannung von 40 - 50 kV betrieben. Bei herkömmlichen Naß-Elektrofiltern muß aufgrund der durch die Wassereindüsung in das elektrische Feld erheblich reduzierten Uberschlagsgrenze mit ca. 20 - 25 % niedrigerer Spannung gefahren werden. Die höhere Spannung führt zu einer Verbesserung des Abscheidegrads bei dem neuen Verfahren.

Der Flüssigkeitsfilm besteht vorzugsweise aus Wasser. Zu diesem Zweck wird der Rohgasstrom vor dem Eintritt in das Elektrofilter mit Wasserdampf gesättigt. Das Einbringen von Dampf in den Rohgasstrom erfolgt entweder in einem dem Elektrofilter vorgeschalteten Verdampfungskühler durch Einspritzen von Wasser oder durch direkte Dampfeinspeisung in den Rohgasstrom.

Sine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Niederschlagsflächen durch einen Kühlmittelkreislauf kontinuierlich unter den Tau-Punkt des dampfbeladenen Rohgasstromes abgekühlt werden und das Rohgas im Gegenstrom zu dem an den Niederschlagsflächen herabfließenden Flüssigkeitsfilms vorbeigeleitet wird.

Le A 16 6O7 - 4 -

909813/0520

Eine ,reeicnete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsf.emüßer. Verfahrens geht aus von einem Elektrofilter mit vertikal ctehenden, rohrförmigen Niederschlagsflächen, in denen .ieweils eine axiale Sprühelektrode (Anode) aufgehängt Ut. Das erfindungsgemäße Kennzeichen dieser Vorrichtung besteht darin, daß die Außenflächen der Niederschlagsrohre mit einem Kühlkreislauf in Verbindung stehen und der auf der Rohrinnenseite kondensierte Flüssigkeitsfilm geerdet ist. Dieser geerdete Flüssigkeitsfilm stellt somit die zur Ausbildung des elektrischen Feldes notwendige Katode dar. Die Zuführungen für das Rohgas sind dabei zweckmäßig am unteren Ende und die Abführungen am oberen Ende der rohrförmigen Niederschlagsflächen angebracht.

Alternativ kann auch ein Elektrofilter auf der Basis von plattenförmigen Niederschlagsflächen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. In diesem Falle sind die Sprühelektroden zwischen den Platten aufgehängt. Die Gaszu- bzw. -abführung erfolgt mittels seitlicher Anschlüsse. Diese Ausführung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Platten aus Hohlprofilen bestehen, die innen vom Kühlmedium durchströmt werden und der kondensierte Flüssigkeitsfilm an den Außenflächen der Platten abläuft und geerdet ist. Wird der Flüssigkeitsfilm durch eine mit ihm in Kontakt stehende Elektrode geerdet, so können die als Niederschlagsflächen ausgebildeten Rohre oder Platten bei den oben beschriebenen alternativen Ausführungsformen auch aus einem elektrisch nicht leitenden Material, z.B. Hart-PVC oder Gas, bestehen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dazugehörigen Vorrichtung werden folgende Vorteile erzielt:

Le A 16 607 - 5 -

909813/052Ö

a) Aufgrund der Kondensation bildet sich ein gleichriäßiger, zusammenhängender Flüssigkeitsfllm, der nach unten abläuft, Dadurch werden trockene Stellen und damit zu elektrischen Überschlagen führende Anbackungen vermieden.

b) Häufig werden heiße Abgasströme durch einen Verdampfungskühler geleitet (Quenche), so daß von vornherein kondensierbare Anteile im Gasstrom enthalten sind. Es sind dann keine zusätzlichen Verfahrensschritte zum Einbringen von Dämpfen vor dem Elektrofilter erforderlich.

c) Die im Elektrofilter abgeschiedenen Staubteilchen bzw. Salzaerosole werden in dem Flüssigkeitsfilm gelöst oder abgespült, so daß keine zusätzliche Abreinlgungsvorrichtung benötigt wird.

d) Da im elektrischen Feld zwischen Sprühelektrode und dem die Niederschlagselektrode bildenden Kondensationswandfilm neben dem Trägergas nur die abzuscheidenden Stauboder Flüssigkeitsaerosole vorhanden sind und als Ladungsträger in Frage kommen, ist die Gefahr von Überschlägen gegenüber herkömmlichen Naßelektrofiltern stark reduziert. Aus diesem Grunde kann auch mit höheren Spannungen gearbeitet werden.

e) Mit dem neuen Verfahren werden über lange Standzeiten auch bei der Abscheidung kleinster Korngrößen hervorragende Ergebnisse erzielt. So konnten z.B. Schwefelsäure-und Salzsäure-Aerosole mit Tröpfchengrößen < 1 y^um zu 99 % aus einem Abgasstrom entfernt werden.

Le A 16 607 - 6 -

909813/0528

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 ein schematisiertes Blockdiagramm für den Betrieb eines Elektrofilter mit rohrförmigen Niederschlagselektroden.

Figur 2 einen Querschnitt A-A gemäß Figur 1, Figur 3 eine Draufsicht, Ί eines Elektrofilters mit plat-Figur 4 eine Vorderansicht und M tenförmigen Niederschlagselek-Figur 5 eine Seitensansicht I troden.

Das Elektrofilter 1 in Figur 1 besteht aus einem Bündel von Rohren 2, die von einem Mantel 3 umgeben sind. Das Elektrofilter 1 wird in vertikaler Richtung betrieben, d.h. die Rohre 2 verlaufen von oben nach unten. In den Achsen der Rohre 2 sind die Sprühelektroden 4 aufgehängt. Sie bestehen aus dünnen Drähten (0 ca. 2 mm), die an ihrem unteren Ende mit Gewichten 5 beschwert sind und an ihrem oberen Ende an einem für alle Drähte gemeinsamen Isolator 6 befestigt sind. Die Sprühelektroden 4 werden an den Plus-Pol eines Hochspannungsaggregates 7 mit einer Gleichspannung von 40 - 50 kV angeschlossen. Der andere Pol der Hochspannungsquelle 7 ist geerdet. Die Rohre 2 sind von einem Kühlmittel umgeben (in Figur 2 durch Pfeile angedeutet). Der Kühlmittelzulauf 8 befindet sich z.B. am unteren Ende und der Ablauf 9 am oberen Ende des Elektrofilters 1. Das zu reinigende Abgas wird durch den Stutzen 10 in das Elektrofilter 1 eingeleitet, durch den Siebboden 11 gleichmäßig verteilt und strömt durch die Rohre 2 nach oben ab. Vor dem Eintritt in das Elektrofilter wird das heiße Abgas in einem Verdampfungskühler 12 (Quenche) abge-

Le A 16 607 - 7 -

909813/0521

-mi»·-

kühlt und mit Wasserdampf gesättigt. Bei der Reinigung von kalten Abgasen kann der dampfförmige Anteil auch direkt in die Zuleitung zum Elektrofilter eingespeist werden (z.B. durch eine Düse 13) · Wird an der Innenseite der Rohre 2 aufgrund der Kühlung der Tau-Punkt des aufwärtsströmenden Rohgases unterschritten, so kondensieren die dampfförmigen Anteile an der Innenwand aus und bilden einen zusammenhängenden und kontinuierlich nach unten ablaufenden Flüssigkeitsfilm. Im Falle von Metallrohren ist dieser Flüssigkeitsfilm autxmatisch über das Gehäuse geerdet und bildet die Niederschlagselektrode. Werden dagegen Rohre aus einem nicht leitenden Material benutzt, so muß der Flüssigkeitsfilm durch Elektroden 14 geerdet werden. Durch das zylindersymmetrische elektrische Feld zwischen.den Elektroden werden Staub und Aerosolteilchen durch Coulomb-Kräfte an die Innenwand transportiert und von dem Flüssigkeitsfilm gelöst bzw. abgespült. Das Kondensat wird mit den abgeschiedenen Produkten am unteren Ende des Elektrofliters 1 durch den Auslaß 15 abgezogen. Das gereinigte Gas strömt durch die Austrittsöffnung 16 am oberen Ende ab. Die zur Kondensation benötigten Dampfanteile bestehen_ in der Regel aus Wasserdampf. Im Prinzip können Jedoch auch andere kondensierbare Dämpfe eingespeist werden.

Anstelle eines Röhrenfilters kann auch das in den Fig. 3 bis dargestellte Plattenfilter zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. Die Niederschlagsflächen sind hier als profilierte Hohlplatten 17 ausgebildet, die von einem Kühlmedium durchströmt werden. Die Platten 17 stehen wie die Rchre 2 in Fig. 1 senkrecht. Die Sprühelektroden 18 werden wieder durch eine Reihe von Drähten gebildet, die von oben in der Nittelebene zwischen den Platten 17 herunterhängen und an Hochspannungsaggregate 7 angeschlossen sind. Sie sind wie bei der Ausführung nach Fig. 1 an ihrem unteren Ende mit Spann-

Le A 16 607 - 8 -

•09813/052·

gewichten 19 beschwert (siehe Figur 4).

Das Rohgas wird durch den seitlichen Anschluß 20 zugeführt und strömt parallel zu den Platten 17 und senkrecht zu den Sprühelektroden 18 durch das Filter hindurch. Staub und Aerosolteilchen werden aufgrund der Wirkung des elektrischen Feldes zum Flüssigkeitsfilm auf den Oberflächen der Platten transportiert. Das gereinigte Gas strömt durch den Austritt 21 ab (siehe Fig. 3). In Fig. 3 ist noch der Kühlwasserzulauf 8 und -ablauf 9 sowie die Profilrippen 22 der Hohlplatten 17 angedeutet. Die gesamte Anordnung ist wie bei der Ausführung gemäß Fig. 1 in einen Behälter 23 eingebaut.

Le A 16 607 - 9 -

909813/0528

Prozeßbeispiel

An einer Verbrennungsaniage für flüssige Abfälle werden organisch verunreinigte, stark salzhaltige Abwasser verbrannt.Bei Temperaturen über 1200 ° C verdampfen die Salze (hauptsächlich NaCl und Na₂SO^) und werden bei der anschließenden Rauchgaskühlung im Dampferzeuger wieder kondensiert. Ein Teil der Salze läßt sich am Kessel als flüssige Schmelze abziehen, der Rest wird als Feinstaub oder Aerosol mit dem Rauchgas ausgetragen. Die Salzaerosole treten im Rauchgas in Konzentrationen von 20 30 cA' auf. Das Häufigkeitsmaximum der Korngrößenverteilung

ie^t bei ca. 0,1 /Um, die ^wgröbsten"Teilchen liegen etwa bei 2 /um. Die Abscheidung dieser extrem feinen Salzaerosole auf die vom Gesetzgeber geforderten Reingaswerte <100 mg/nr erfordert von einem entsprechenden Abscheide-Aggregat allerhöchste Abscheidegrade bis zu 99*8 %, Bei entsprechenden Versuchen mit bekannten Abscheidesystemen - Hochleistungs-Venturi-Wäschern, Heißgasgewebefiltern und trockenen sowie nassen Elektrofiltern der herkömmlichen Bauarten - konnten diese Abscheidegrade im Dauerbetrieb nicht erreicht werden. Ausgezeichnete Abscheideergebnisse ließen sich erst mit dem erfindun^sgemäßen Verfahren erzielen. Dazu wurde hinter einem entsprechenden Verbrennungskessel eine Pilotanlage zur Reini-•jur.G eines Teilgasstromes von 400 itr /h staubbeladenen Abgases erstellt. Der ca. 500 - 600° C heiße Abgasstrom wurde zunächst in einer Quenche durch DirekteindUsung von Wasser (ca. 2 Itr/rar) auf 60° C abgekühlt und mit Wasserdampf gesättigt. D as hinter die Quenche 12 geschaltete Elektrofilter 1 bestand aus einem Rohrbündel von 7 PVC-Rohren 2 (160 mm 0, 2000 mm lang) und wurde vor. Gasstrom von unten nach oben durchströmt. Die an den zentral in den PVC-Rohren 2 aufgehängten Sprünelektroden 4 (Drähte

Le A 16 607 - 10 -

909813/0528

von 2 mm p) angelegte elektrische Gleichspannung betrug 40 50 KV ε, Je nach Staubbeladung und Gaszusammensetzung wurde ein Stromfluß von ) - 6 mA erreicht. Das Rohrbündel war mit einarr, Kühlwassermantel umgeben, der im Gleichstrom mit dem Gas mit ca. 1 1117h Kühlwasser von 14 - l6° C beaufschlagt wurde. Damit konnte das Gas auf ca. 52° C abgekühlt werden unter gleichzeitiger Kondensation des Wasserdampfes (ca. 25 ltr/h) an den Rohrinnenwänden. Der kontinuierlich abfliessence Kondensfilm war an der Unterseite der Rohre über am Rohrboden befestigte Drahtschleifen 14 geerdet und bildete die Niederschlagselektrode. Die unter dem Einfluß des elektrischen Feldes am Kondensfilm abgeschiedenen Feinstäube gincen teilweise in Lösung, oder wurden einfach mit dem Film abgespült. Ein zusätzliches Eindüsen von Wasser in die Rohre war nicht erforderlich. Die Rohre blieben auch im mehrwöchigen Dauerbetrieb frei von Ansätzen. Bei Rohgasstaubgehalten von £-'ü - 20 g/nr konnten mit der beschriebenen Anordnung Reingaswerte <■ 50 mg/nr erreicht werden. Auch H₂SO^, und HCl-Aerosole mit Tröpfchengrößen <1 /Um wurden zu 99 % aus dem Abgas entfernt.

Le A 16 607 - 11 -

909813 /O52Ö

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Λ Verfahren zur Abscheidung von Feinstäuben und Aerosolen ,Ζ aus Rohgasströmen, insbesondere Prozeß- oder Abgasen, bei dem die Feinstäube bzw. Aerosole in einem Elektrofilter unter der Wirkung des elektrischen Feldes an einem die Niederschlagsfläche bedeckenden und geerdeten Flüssigkeitsfilm abgeschieden werden, der die Niederschlagselektrode bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom vor dem Eintritt in das Elektrofilter mit Dampf beaufschlagt wird und der Flüssigkeitsfilm auf der Niederschlagsfläche durch Kondensation dieser Dampfanteile erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohgasstrom vor dem Eintritt in das Elektrofilter mit Wasserdampf gesättigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Kondensation benötigte Dampfanteil dem Rohgasstrom in einem dem Elektrofilter vorgeschalteten Verdampfungskühler durch Einspritzen von Wasser zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Kondensation benötigte Dampfanteil direkt in den Rohgasstrom eingespeist wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederschlagselektroden durch einen Kühlmittelkreislauf kontinuierlich unter den Taupunkt des dampfbeladenen Rohgasstromes abgekühlt werden und das Rohgas im Gegenstrom

Le A 16 6Ο7 - 12 -

909813/0528

zu dem an den Niederschlagsflächen herabfließenden Flüssigkeitsfilm vorbeigeleitet wird.
6. Elektrofilter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch

1 bis 5, mit vertikal stehenden, rohrförmigen Niederschlagsflächen, in denen jeweils eine axiale Sprühelektrode aufgehängt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der Niederschlagsrohre (2) mit einem Kühlkreislauf (8, 9) in Verbindung stehen und der auf der Rohrinnenseite kondensierte Flüssigkeitsfilm geerdet (14) ist.
7. Elektrofilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung (10) für das Rohgas am unteren Ende und die Abführung (15) am oberen Ende der rohrförmigen Niederschlagselektroden (2) angebracht sind.
8. Elektrofilter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, mit plattenförmigen Niederschlagsflächen und zwischen den Platten aufgehängten Sprühelektroden, sowie seitlichen Gaszu- bzw. -abführungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (17) aus Hohlprofilen bestehen, die innen vom Kühlmedium durchströmt werden und der kondensierte Flüssigkeitsfilm an den Außenflächen der Platten (17) abläuft und geerdet ist.
9. Elektrofilter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederschlagsflächen (2, 17) aus elektrisch nicht leitenden Materialien bestehen und der Flüssigkeitsfilm durch eine mit ihm in Kontakt stehende Elektrode (14) geerdet ist.

Le A 16 607 - 13 -

909813/0528