DE3314168C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Gasen von elektrisch leitfähigen Partikeln - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen zum Reinigen von Gasen (9) von elektrisch leitfähigen Partikeln, insbesondere zum Reinigen von Dieselmotorabgasen von Rußpartikeln. Erfindungsgemäß wird hierbei der Gasstrom mit den überwiegend neutralen Partikeln in wenigstens zwei Teilströme (19, 20) aufgeteilt, welche über auf entgegengesetztem Potential liegende Elektroden (21 und 22) geleitet werden und sich dort durch Zusammenstöße mit den Elektroden entgegengesetzt aufladen. Die unterschiedlich geladenen Partikel bewegen sich unter dem Einfluß des elektrischen Feldes (E1) aufeinander zu und vereinigen sich zu größeren, elektrisch wiederum neutralen Agglomeraten, welche in einem nachgeschalteten mechanischen Abscheider (15) leicht vom Gasstrom getrennt werden können.

Description

Die Erfindung geht von einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Reinigen von Gasen entsprechend der Gattung des Hauptanspruchs aus. Bei einem solchen durch die DE-PS 4 61 306 bekannten Verfahren werden in gasförmigen Fluiden suspendierte Schwebekörper durch Hochspannungselektrizität dadurch abgeschieden, daß die Schwebekörper zum einen über Sprühelektroden ionisiert bzw. elektrisiert werden und zum anderen in einem angepaßten, zumeist elektrodenlosen Raum über eine ausreichend große Verweilzeit gehalten werden, die so bemessen ist, daß diese Zeit als Reaktionszeit eine größtmögliche Zusammenballung der

υ elektrisierten Schwebekörper gewährleistet Dem nacbgeordnet ist schließlich eine elektrische Ausscheidevorrichtung vorgesehen, in der die ionisierten, zusammengeballten Schwebekörper zum Niederschlag kommen und mit aufwendigem Burst-, Vibrations- oder Schabverfahren von den dort vorgesehenen Elektroden wieder entfernt werden müssen. Diese Einrichtung ist sehr aufwendig aufgebaut und wird mit einem hohen Energiebedarf betrieben. Sie eignet sich insbesondere aber nicht für einen kontinuierlichen Betrieb, wie er z, B. bei einer Reinigung von Abgasen von Brennkraftmaschinen notwendig ist

Es ist auch ein du:-ch die DE-OS 31 41 156 beschriebenes Verfahren bekannt Dort werden rußhaltige Gase zunächst einem elektrostatischen Abscheider und anschließend einem mechanischen Abscheider zugeführt. In dem elektrostatischen Abscheider werden in einer Koronaentladung Ladungsträger erzeugt, weiche sich an Rußpartikel anlagern und einen Niederschlag derselben an einer geerdeten Kammerwand verursachen. Von dort werden größere Rußflocken wieder abgelöst und in einem zweiten Prozeß einem mechanischen Rußabscheider zugeleitet Dieses Verfahren hat, wie auch das erstgenannte, den Nachteil, daß hohe elektrische Feldstärken benötigt werden zur Erzeugung der Koronaentladung und daß eine beachtliche elektrische Leistung für die Aufrechterhaltung der Koronaentladung bereitgestellt wird. Die Bereitstellung dieser Leistung in einem Hochspannungsfeld erfordert einen großen technischen Aufwand. Weiterhin ist bei diesem älteren Verfahren kein kontinuierlicher Betrieb gegeben, weil die an den Wandungen der elektrostatischen Abscheideanordnung entstehenden Niederschläge in einem getrennten Verfahrensschritt zunächst wiederum abgelöst werden müssen, bevor sie in einem mechanischen Trennverfahren endgültig eliminiert werden können. Soweit auch durch diese Einrichtung eine Anordnung für die Aufteilung des Gasstromes in Gasteilströme bekannt ist, die sich am Austritt nach der Ionisations- und Abscheidestrecke wieder vereinen, so dient diese Aufteilung in Gasteilströme wie auch bei anderen bekannten vergleichbaren Einrichtungen zur Bildung vieler gleichartiger Abscheidekammern, deren Elektroden zur Vermeidung zu hoher elektrischer Spannungen relativ dicht beieinander liegen, wobei mit der Gesamtheit der Abscheidekammern dennoch große Gasmengendurchsätze beherrschbar sind.

Durch die DE-PS 4 79 081 ist ferner eine Einrichtung bekannt, bei der das zu reinigende Gas in eine Verteilkammer geleitet wird, von wo aus der Gasstrom über kreisförmig in einer Trennwand zur anschließenden Abscheidekammer angeordnete Bohrungen in die Abscheidekammer geleitet wird.

Dort erfolgt in bekannter Weise die elektrische Ab-

scheidung der vom Gas bev/egten Teilchen. Anschließend verlassen die Gase weiterhin belastet mit elektrisch nicht abscheidbaren Teilchen die Abscheidekammer über wiederum ringförmig angeordnete Verbindungsbohrungen und werden einem Absorbtionsfilter zugeführt für die endgültige Reinigung. Dieser Filter kann sich natürlich auch mit restlichen Festpartikein die in der Abscheidekammer noch nicht zur Abscheidung gekommen sind, zugesetzt werden. Dies und die nicht gelöste Entsorgung der Abscheidekammer von dort to ausgeschiedenen Partikeln macht die Einrichtung für einen kontinuierlichen Betrieb, wie er insbesondere für die Reinigung von Abgasen von Brennkraftmaschinen, wie Dieselbrennkraftmaschinen notwendig sind, ungeeignet !5

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln, womit mit geringem elektrischen und mechanischen Aufwand ein kontinuierlicher Arbeitsprozeß zum Reinigen von mit elektrisch leitfähigen Partikeln beladenem Gas ermöglicht wird, bei dem auch kleine, fein verteilte Partikel zuverlässig abgeschieden wenden kön

Vorteile der Erfindung

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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und die zugehörige Vorrichtung haben den Vorteil, daß bei einem kontinuierlichen Arbeitsprozeß kleine, fein verteilte Partikel zu größeren Agglomeraten kombiniert werden, welche dann wegen ihrer relativ großen Masse im mechanischen Abscheider mit einem großen Wirkungsgrad bei leicht durchzuführender Entsorgung abgeschieden werden. Der hierfür notwendige apparative Aufwand ist gering, weil ein mechanischer Abscheider für relativ große Partikel einfach aufgebaut sein kann. Außerdem ist die verbrauchte elektrische Leistung sehr klein, da die Feldstärke innerhalb der Anordnung unterhalb der Ionisationsfe'dstärke liegt, so daß in der Vorrichtung nur ein kleiner Strom fließt. Schließlich wird durch die Möglichkeit der Verwendung eines Fliehkraftabscheiders oder eines ähnlich einfach aufgebauten anderen mechanischen Abscheiders der Abgasstrom durch den nachgeschalteten mechanischen Abscheider nur wenig behindert

Bezüglich der verwendeten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich eine Anordnung nach Anspruch 2 besonders bewährt. Auf diese Weise erreicht m&r, mit geringem apparativen Aufwand die Trennung des Gasstromes und die elektrische Isolation der auf Hochspannungspotential liegenden, den verschiedenen Gasströmen zugeordneten Elektroden wird besonders einfach. Die beiden Elektroden sind dabei zweckmäßigerweise auf einem gemeinsamen Isolator angeordnet

Um die Aufladung möglichst aller Partikel in den verschiedenen Gasströmen zu gewährleisten, werden für die Elektroden besonders große Oberflächen angestrebt, um wenigstens einen einmaligen Aufprall der abzuscheidenden Partikel auf der zugeordneten Elektrode zu gewährleisten. Die große Oberfläche erhält man in besonders einfacher Weise durch Verwendung von Preß- oder Formkörpern aus Metallwolle oder Metallspänen. Die Elektroden sind dabei zweckmäßigerweise röhrenförmig ausgebildet und mit Metallwolle oder Metallspänen gefüllt.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Reinigungskammer auf Massepotential liegt Bei einer derartigen Anordnung liegt ein weiteres elektrisches Feld zwischen jeder Elektrode und der Kammerwand, wenn eine Elektrode positives Potential gegen Masse und die andere Elektrode negatives Potential gegen Masse, vorzugsweise jeweils in gleicher Höhe aufweist Das elektrische Feld zwischen den Elektroden und Masse wird von den rekombinierten Gasströmen mit den Parlikel-Agglomeraten durchwandert In diesen elektrischen Feldern zwischen den verschiedenen Elektroden und Masse überlagert sich dem zuvor beschriebenen Vorgang noch eine Dipolbildung an den Agglomeraten, so daß diese sich zu noch größeren Agglomeraten zusammenballen, bevor sie die Kammer in Richtung eines nachgeschalteten mechanischen Abscheiders verlassen. Es entstehen so große Agglomerate aus den abzuscheidenden Partikeln, so daß die Abscheidebedingungen in dem nachgeschalteten mechanischen Abscheider weiter erleichtert werden.

Der ursprünglich vorhandene Gasstrom wird zweckmäßigerweise in zwei gleiche Gasstr»i;ne aufgeteilt und ütjer zwei spiegelbildlich gleiche Elektroden geleitet. Die Elektroden liegen vorzugsweise auf betragsmäßig gleichen, jedoch entgegengesetzten Gleichspannungspotentialen gegenüber Masse, um symmetrische, leicht überschaubare Verhältnisse in der Anlage zu erhalten. Hierdurch wird die strömungstechnische Gestaltung der Anordnung besonders vereinfacht

Die Entstehung von geladenen Rußteilchen an den Elektroden kann man so erklären: Die Rußieilchen sind elektrisch leitend, sie treffen im neutralen Zustand auf die metallische Oberfläche der Elektroden auf. Da die Elektroden ein großes elektrisches Potential besitzen, nehmen die Rußteilchen während der Berührung das elektrische Potential der Elektrodenoberfläche an, dies geschieht durch Ladungsaustausch zwischen Rußteilchen und Elektrode.

Beim Zurückprallen des Teilchens in den Gasstrom ist es elektrisch mit der Polarität der Elektrode aufgeladen.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert

F i g. 1 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig.2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In F i g. 1 ist durch einen Pfeil 9 ein Gasstrom gekennzeichnet, welcher von elektrisch leitfähigen Partikeln, insbesondere von Verbrennungsrückständen fossiler Brennstoffe gereinigt werden soll. Ein wesentliches Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Reinigung von Dieselmotor-Abgasen von Rußpartikeln.

Der Gasstrom tritt über eine Zuleitung 18 in ein metallisches Gehäuse 10 ein im Bereich zweier Isolierstoff-Stirnwände 11 und 12. Mit 13 ist der geerdete, metallische Mantel des Gehäuses bezeichnet.

Der Gasstrom verläßt das Gehäuse 10 über einen Auslaß 14 zu einem Tüehkraftabscheider 15, in dem die zu größeren Agglomeraten vereinigten Partikel problemlos mechanisch abgeschieden werden können. Der Fliehkraftabscheider 15 besitzt einen Reineasauslaß 16

und einen Auslaß 17 für die abgeschiedenen Partikel.

Vor dem Eintritt in das Gehäuse 10 wird der Gasstrom 9 auf eine erste Teilleitung 19 und eine zweite Teilleitung 20 verteilt, welche jeweils gleichen Querschnitt haben, so daß die beiden Gasströme in etwa gleich groß sind und zusammen mit der Zuleitung 18 Gasstromteilleitungen bilden. Die erste Teilleitung 19 führt zu einer negativen Elektrode 21, die zweite Teilleitung 20 zu einer positiven Elektrode 22. Für die Elektroden 21 und 22 werden große Oberflächen angestrebt, welche man durch Füllungen 23, 24 aus Metallwolle erhält. Um die Elektroden 21 und 22 nach außen zu isolieren sind in die Zuleitungen 19 und 20 Isolierstoffrohre 25 und 26 eingefügt.

An der negativen Elektrode 21 liegt ein Gleichspannungspotential von —10 kV, an der positiven Elektrode 22 ein Gleichspannungspotential von +1OkV einer Hochspannungsquelle, der metallische Mantel 13 des Gehäuses !C is: geerdet bzw. lieg: an Masse. Bei einer derartigen Anordnung ergibt sich ein erstes elektrisches Feld £1 zwischen den Elektroden 21 und 22, ein elektrisches Feld £2 zwischen der positiven Elektrode und Masse sowie ein elektrisches Feld £3 zwischen Masse und der negativen Elektrode. Die Anordnung ist insgesamt so getroffen, daß alle Feldstärken unterhalb der lonisationsfeldstärke liegen, so daß keine Koronaentladung auftritt.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 arbeitet folgendermaßen:

Der zu reinigende Gasstrom 9 mit den nicht dargestellten elektrisch leitfähigen Partikeln wird über die beiden Teilleitungen 19 und 20 in zwei Teilströme aufgeteilt, welche über die Elektroden 21 und 22 in das Innere des Gehäuses 10 gelangen. Die im Gasstrom mitgeführten Partikel sind zunächst neutral und werden durch Anlagerung oder Abfluß von Elektronen beim Aufprall auf die großflächigen Oberflächen der Elektroden 21 und 22 derart geladen, daß sie sich im elektrischen Feld £1 aufeinander zubewegen. Aus den ursprünglich kleinen, elektrisch neutralen Partikeln werden so über die Zwischenstufe geladenes Teilchen größere Agglomerate, weiche im Gasstrom 9 mitgerissen werden in Richtung des Fliehkraftabscheiders.

Zusätzlich wirken auf die Agglomerate jedoch auch noch Dipolkräfte durch die elektrischen Felder £2 und £3 zwischen den Elektroden 21 bzw. 22 und dem auf Masse liegenden Gehäusemantel 13. Unter diesen Dipolwirkungen ballen sich die Agglomerate zu noch größeren Einheiten zusammen und verlassen dann das Gehäuse 10 über den Auslaß 14 zum Fliehkraftabscheider 15, wo sie mechanisch aufgrund ihrer Masse sehr leicht vom Reingasstrom getrennt werden können. Das gereinigte Gas verläßt die Anordnung über den Reingasauslaß 16, während die durch die Zentrifugalkräfte im Fliehkraftabscheider abgetrennten Partikel über den Auslaß Yl aus dem Abscheider heraustreten.

F i g. 2 zeigt den konstruktiven Aufbau einer bevorzugten Ausfühnmgsform einer Vorrichtung gemäß F i g. 1. In F i g. 2 sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen wie in F i g. 1 verwendet. Der Gasstrom 9 tritt über die Zuleitung 18 in das metallische Gehäuse 10 ein und verläßt dieses über den Auslaß 14. Dazwischen liegt eine Zweikammeranordnung mit einer Vorkammer 27 und einer Rekombinationskammer 28, weiche von zwei röhrenförmigen, auf entgegengesetztem Potential liegenden Elektroden 21 und 22 durchsetzt ist Die Elektrode 21 liegt wiederum auf negativem HochspannungspotentiaJ, die Elektrode 22 auf positivem Gleichspannungspotential, welches derart gewählt ist im Verhältnis zu der Anordnung, daß sich auch hier eine Feldstärke von ca. 5 kV/em unterhalb der lonisationsfeldstärke einstellt. Die beiden Elektroden 21 und 22 sind mechanisch gemeinsam in einem Isolator 29 gehalten, welcher die Vorkammer 27 von der Rekombinationskammer 28 abtrennt. In der Vorkammer 27 verteilt sich das zu reinigende Gas auf die beiden röhrenförmigen Elektroden etwa gleichmäßig. Die Elektroden bilden hierbei zugleich die Gaszuleitungen. Im Inneren der Elektroden 21 und 22 befinden sich wieder gepreßte Metallwolle oder gepreßte Metallspäne, welche die notwendige große Oberfläche der Elektroden bilden, um eine ausreichende Stoßhäufigkeit der abzuscheidenden Partikel mit der Oberfläche der Elektroden zu gewährleisten. Die aufgeladenen Partikel verlassen mit den Gasströmen die röhrenförmigen Elektroden 21 und 22 an einander benachbarten, perforierten Bereichen 30 und 31. Die geladenen Partikel bewegen sich müh wiederum im elektrischen Feld £1 aufeinander zu und werden zu größeren Agglomeraten vereinigt. Auch bei der Anordnung gemäß F i g. 2 bestehen elektrische Felder zwischen dem auf Masse liegenden Mantel 13 des Gehäuses 10 und den beiden Elektroden. Unter der Einwirkung dieser elektrischen Felder £2 und £3 bilden die Agglomerate wiederum Dipole, so daß sie sich zu größeren Einheiten zusammenballen, bevor sie über den Auslaß 14 die Rej,ombinationskammer 28 verlassen. Der nachgeordnete Fliehkraftabscheider ist in F i g. 2 nicht gezeichnet.

Im Gegensatz zu der anhand von Fig. 1 beschriebenen grundsätzlichen Anordnung besitzt die Vorrichtung gemäß F i g. 2 anstelle von vier Isolationsbereichen nur noch zwei Isolationsbereiche am Isolator 29. wo die beiden auf Hochspannung liegenden Elektroden 21 und 22 elektrisch und mechanisch angeschlossen sind. Die Vorrichtung hat insgesamt etwa die Gestalt eines Auspufftopfes eines Kraftfahrzeuges, wobei das zu reinigende Gas über eine einzige Zuleitung 18 in die Vorrichtung eintritt und diese über eine einzige Auslaßleitung 14 verläßt. Der Isolator 29 sorgt zugleich für eine räumliche Trennung innerhalb der Anordnung zwischen der Vorkammer 27 und der Rekombinationskammer 28. Diese Anordnung erlaubt eine besonders flache Bauweise, weiche den Einbau beispielsweise in einem von einem Dieselmotor angetriebenen Kraftfahrzeug ohne Schwierigkeiten ermöglicht. Am Mantel 13 der Vorrichtung tritt nur in sehr geringem Ausmaß eine Ablagerung der Partikel auf, da diese im wesentlichen im Bereich zwischen den Elektroden 21 und 22 neutralisiert werden. Die im elektrischen Feld zwischen den Elektroden und dem Kammermantel 13 entstehenden Dipole lagern sich sofort mit anderen Dipol-Agglomeraten zusammen, so daß nahezu keine Ablagerung unter Einfluß der elektrischen Felder an dem Mantel 13 auftritt. Vielmehr verlassen die wiederum neutralisierten Agglomerate praktisch vollständig die Vorrichtung über den Auslaß 14 zum nachgeschalteten, nicht dargestellten mechanischen Abscheider hin.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Reinigen von Gasen von elektrisch leitfähigen Partikeln, insbesondere zum Reinigen von Abgasen fossiler Brennstoffe, vorzugsweise von Dieselmotoren, unter Verwendung eines elektrischen Hochspannungsfeldes zwischen wenigstens zwei gegenpoligen Elektroden, wobei die unterschiedlich geladenen Partikel unter der Einwirkung des elektrischen Feldes aufeinander zubewegt werden und sich zu größeren Agglomeraten rekombinieren, welche schließlich in einem mechanischen Abscheider vom Gasstrom getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke des Hochspannungsfeldes unterhalb der Ionisationsfeldstärke der Anordnung liegt und der Gasstrom mit den überwiegend neutralen Partikeln in wenigstens zwei Teilströme aufgeteilt wird, daß diese Teilströme über vorzugsweise großflächige, auf entgegengesetztem Potential liegende Elektroden geleitet werden und daß sich die Partikel durch Berührung entgegengesetzt aufladen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer vom Gas durchströmten Kammer (28), die einem zwischen Elektroden (21, 22) gelegten elektrischen Spannungsfeld ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Zuleitung (18) versehene Gasstromteiileitungen (19,20) vorgesehen sind, von denen mehrere röhrenförmige Austritte in die- dem elektrischen Spannungsfeld ausgesetzte Kammer (28) münden, die über einen Auslaß (14) mit einem mechanischen Abscheider (15) für im Gas mitgeführte Partikel verbunden ist, daß die Austritte als zwei röhrenförmige, ciektrisch gegen Masse isolierte, in die Kammer (28) hineinragende Elektroden (21, 22) ausgeführt sind, und daß an diese Elektroden einander entgegengesetzte Spannungspotentiale mit einem resultierenden elektrischen Feld unterhalb der Ionisationsfeldstärke gelegt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (21, 22) auf einem gemeinsamen Isolator (29) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (29) als eine eine als Gasstromteiler dienende Vorkammer (27) von der Kammer (28) trennende Zwischenwand (29) ausgebildet ist

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die röhrenförmigen Elektroden (21,22) mit Füllungen (23,24) aus Metallwolle oder Metallspänen versehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die röhrenförmigen Elektroden (21, 22) einander benachbarte, perforierte Bereiche (30,31) zum Austritt der Gase mit den aufgeladenen Partikeln aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (21,22) auf ein positives bzw. negatives Potential gelegt sind und das Gehäuse (13) der Kammern (28) auf Massepotential gelegt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kammer (10,28) ein mechanischer Fliehkraftabscheider (15) nachgeordnet ist.

Stand der Technik