DE3737343A1 - Vorrichtung zur konzentration und agglomeration von in einem gasstrom suspendierten festen oder fluessigen partikeln - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Elektrostatische Filter zur Abscheidung von festen und flüssigen Partikeln finden in der metallurgischen und chemischen Indu­ strie sowie in Kraftwerksanlagen zahlreiche Verwendung. Die Staubabscheidung und Gasreinigung hat insbesondere im Zusammen­ hang mit den Umweltschutz-Bestimmungen an Bedeutung zugenommen.

Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung, Ver­ besserung und Vereinfachung der elektrostatischen Staubabschei­ dung sowie auf die Verringerung des damit zusammenhängenden apparativen Aufwandes.

Insbesondere betrifft sie eine Vorrichtung zur Konzentration und Agglomeration von in einem Gasstrom suspendierten festen oder flüssigen Partikeln nach dem Prinzip des elektrostatischen Filters.

Stand der Technik

Es wird allgemein versucht, die für die Staubabscheidung in Elektrofiltern herrschenden Bedingungen zu verbessern, um zu wirksamer Abscheidung und zu geringerem apparativen Aufwand zu kommen. Ein Mittel hierzu ist die bipolare Aufladung der im Gasstrom suspendierten Partikel mit der Absicht, ungleich­ namige Partikel zur gegenseitigen Anziehung und dadurch zum Zusammenballen zu zwingen. Derartige Verfahren und Appara­ turen sind in zahlreichen Varianten beschrieben worden. Ver­ gleiche zum Beispiel WO 84/04052 (basierend auf DE-Anmeldung P 33 14 168.1) und DD-PS 1 44 509 (WP B 03 C / 2 13 951).

In den beschriebenen Vorrichtungen wird wohl eine Anlagerung ungleichnamiger Teilchen zueinander bewerkstelligt, die jedoch nach wie vor in ziemlich willkürlicher Verteilung im Gasstrom verbleiben, während eine eigentliche Konzentration an bestimmten Stellen desselben nicht erreicht wird. Der apparative Aufwand für die Entstaubung, insbesondere was die Kanalquerschnitte anbelangt, wird dadurch kaum verringert.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Konzentration und Agglomeration von in einem Gasstrom suspendierten festen oder flüssigen Partikeln anzugeben, welche gezielt eine wirksame Anreicherung der zu entfernenden Stoffe in einem bestimmten Teilquerschnitt des Gasstromes sowie eine Zusammenballung zu grösseren Teilchen in diesem Teilquerschnitt gewährleistet. Der apparative Aufwand der nachgeschalteten eigentlichen Austragvorrichtungen und Filter soll dadurch wesentlich gesenkt werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Führung des Gas­ stromes ein T- oder Y-förmiger Kanal mit zwei Eintrittsstutzen und einem Ausstrittsstutzen vorgesehen ist, wobei jeder Ein­ trittsstutzen mit je einer aus einer Ionisationsquelle und einer ein elektrisches Feld erzeugenden Einrichtung bestehenden Aufladungsapparatur bestückt ist, dass ferner im zentralen Teil des Austrittsstutzens Mittel zur Abzweigung des an Partikeln angereicherten Teilgasstromes zwecks Austragung der Partikel in einem nachgeschalteten elektrostatischen Filter herkömm­ licher Art vorgesehen sind.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiels beschrieben.

Dabei zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrich­ tung zur Konzentration und Agglomeration von Partikeln mit T-förmigem Kanal,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrich­ tung zur Konzentration und Agglomeration von Partikeln mit Y-förmigem Kanal,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrich­ tung mit Metallspitzen und Metallplatte, T-förmige Anordnung,

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrich­ tung mit Metallspitzen, Metallgittern und einer Platte aus Isoliermaterial mit beidseits geladenen Oberflächen­ schichten, T-förmige Anordnung,

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung mit Metallspitzen, Metallgittern und einer Platte aus Isoliermaterial mit beidseits geladenen Oberflächen­ schichten, Y-förmige Anordnung,

Fig. 6 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung 5 mit Metallspitzen, Metallplatte und Mitteln zur Abzwei­ gung des an Partikeln angereicherten Teilgasstromes,

Fig. 7 eine schematische Ansicht (Aufriss) einer die Vorrich­ tung enthaltenden Gesamtanordnung von Kanälen.

In Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Vorrich­ tung zur Konzentration und Agglomeration von Partikeln mit einem T-förmigen Kanal dargestellt, welcher den grundsätzlichen Aufbau zeigt. Zur Führung des in zwei gleiche Teile aufge­ spaltenen partikelgeladenen Gasstromes dienen die in gleicher Achse angeordneten Eintrittsstutzen 1, welche mit dem in Strö­ mungsrichtung nachfolgenden Austrittsstutzen 2 einen T-förmigen Hohlkörper bilden. Die Strömungsrichtungen des Gasstromes sind durch Pfeile angedeutet. In jedem Eintrittsstutzen 1 befindet sich, quer zur Strömungsrichtung angeordnet, eine aus einer Ionenquelle und einer ein elektrisches Feld erzeugen­ den Einrichtung bestehende Aufladungsapparatur 3. Letztere ist hier symbolisch unter Verzicht auf Einzelheiten lediglich als Spitzengarnitur (ohne Gegenplatte!) dargestellt. Wesentlich ist, dass die Aufladevorrichtungen 3 die im Gasstrom suspen­ dierten Partikel im einen Eintrittsstutzen 1 mit entgegen­ gesetzter Polarität aufladen wie im anderen Eintrittsstutzen 1. Dies ist durch die Vorzeichen- bzw. + angedeutet.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Vor­ richtung zur Konzentration und Agglomeration von Partikeln mit einem Y-förmigen Kanal. Der Aufbau ist im wesentlichen der gleiche wie gemäss Fig. 1, mit dem Unterschied, dass die beiden Eintrittsstutzen zueinander in einem von 180° abweichen­ den Öffnungswinkel stehen und die entsprechenden Gasströme demzufolge schief aufeinandertreffen. Im übrigen entsprechen die Bezugszeichen denjenigen der Fig. 1.

Fig. 3 bezieht sich auf einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung mit Metallspitzen und Metallplatten unter Verwendung einer T-förmigen Anordnung der Kanäle. Die Ionen­ quelle, welche auf dem Prinzip der Koronaentladung aufgebaut ist, wird durch je eine Anordnung von negativen Metallspitzen 5 und positiven Metallspitzen 6 gebildet. Als Gegenelektrode ist im Kanal an der Stelle des Zusammentreffens der beiden Eintrittstutzen 1 und symmetrisch zu denselben in der Achse des Austrittsstutzens 2 liegend eine einseitig befestigte, in Richtung Austrittsstutzen 2 weisende, vorkragende Metall­ platte 4 angeordnet, deren Potential an Erde liegt. Das die geladenen Partikel beschleunigende elektrische Feld wird zwi­ schen den Metallspitzen 5 bzw. 6 einerseits und der Metall­ platte 4 andererseits bereitgestellt.

In Fig. 4 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Vor­ richtung mit Metallspitzen, Metallgittern und einer Platte aus Isoliermaterial mit beidseits geladenen Oberflächenschich­ ten in T-förmiger Kanalanordnung dargestellt. Die Ionenquelle wird hier gebildet durch eine Anordnung einer Vielzahl in Strömungsrichtung weisender Metallspitzen 5 bzw. 6 und je einem in Strömungsrichtung dahinter liegenden, parallel angeord­ neten Metallgitter 7. Die Metallspitzen 5 des einen Eintritts­ stutzens 1 sind negativ, die Metallspitzen 6 des anderen Ein­ trittstutzens sind positiv geladen, während die Metallgitter 7 an Erde liegen. Im Kanal ist an der Stelle des Zusammen­ treffens der beiden Eintrittsstutzen 1 und symmetrisch zu denselben in der Achse des Austrittsstutzens 2 liegend eine einseitig befestigte, in Richtung Austrittsstutzen 2 weisende, vorkragende Platte angeordnet, die in ihrer mittleren Schicht 8 aus elektrischem Isoliermaterial besteht und auf jeder Seite eine elektrisch leitende, elektrisch ungleichnamig geladene Oberflächenschicht 9 bzw. 10 trägt. Die Polarität der jeweiligen Oberflächenschicht (9 bzw. 10) hat gegenüber derjenigen der in Strömungsrichtung gesehen vor ihr liegenden Aufladeappa­ ratur (5, 7 bzw. 6, 7) das umgekehrte Vorzeichen. Das die geladenen Partikel beschleunigende elektrische Feld wird zwi­ schen den an Erdpotential liegenden Metallgittern 7 und den Oberflächenschichten 9 und 10 bereitgestellt. Die Polaritäten sind jeweils mit Vorzeichen angedeutet.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Vor­ richtung mit Metallspitzen, Metallgittern und einer Platte aus Isoliermaterial mit beidseitig geladenen Oberflächenschich­ ten in Y-förmiger Kanalanordnung. Alle Bezugszeichen entsprechen genau denjenigen der Fig. 4.

In Fig. 6 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Vor­ richtung mit Metallspitzen, Metallplatte und Mitteln zur Ab­ zweigung des an Partikeln angereicherten Teilgasstromes dar­ gestellt. Die Bezugszeichen 1, 2, 4, 5 und 6 entsprechen den­ jenigen der Fig. 3. 11 ist eine negative, 12 eine positive Hochspannungsquelle (z.B. U- = 50 kV), deren anderer Pol je­ weils an Erde liegt. 13 sind die Trajektorien der elektrisch geladenen Partikel, welche im Austrittsstutzen 2 gegen die Mitte zu konvergieren. 14 ist der an Partikeln nach erfolgter Konzentration und Agglomeration angereicherte Teilgasstrom. Er wird mittels der Auffangvorrichtung 15 (Trichter, keil­ förmige Verschalung) in den Abzweigkanal 16 geleitet und in letzterem der Austragvorrichtung (nicht gezeichnet!) zugeführt. 17 stellt den von Partikeln weitgehend befreiten Reingasstrom dar.

Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht (Aufriss) einer die Vorrichtung zur Konzentration und Agglomeration von suspen­ dierten Partikeln enthaltenden Gesamtanordnung von Kanälen. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine Versuchsanordnung zu Messzwecken. An einem Gerüst 19 ist über eine Aufhänge­ vorrichtung 20 eine aus Rohren und Kanälen bestehende Vorrich­ tung befestigt. 21 ist die Zuleitung für den reinen Gasstrom, in diesem Fall Luft. 22 ist ein Hosenrohr, welches zur gleich­ mässigen Aufteilung des Gasstromes in zwei Teile dient. Über Krümmer 23 werden die Teilströme in die Horizontale umgelei­ tet und über Einrichtungen 24 zur Zufuhr von Partikeln mit Staub (meist Kalkstaub) beschickt. 1 ist der oben beschriebene Eintrittsstutzen, in welchem sich die jeweilige Aufladeapparatur befindet. 2 ist der Ausstrittsstutzen, von welchem der Abzweig­ kanal 16 für den an Partikeln angereicherten Teilgasstrom abgeht. 18 ist die Ableitung für den von Partikeln weitgehend befreiten Reingasstrom.

Ausführungsbeispiel

Siehe Fig. 3, 6 und 7!

Fig. 7 zeigt die Gesamtanordnung einer ausgeführten Anlage zur Konzentration und Agglomeration von Partikeln. Dabei wurde mittels eines Gebläses reine Luft in die Zuleitung 21 gedrückt. Der reine Luftstrom wurde über das Hosenrohr 22 in zwei Teil­ ströme zerlegt und über Krümmer 23 der eigentlichen Konzen­ trations-Vorrichtung zugeleitet. Gemäss Fig. 6 hatte diese folgende Abmessungen:

Eintrittsstutzen 1:
Lichte Höhe150 mm Lichte Tiefe250 mm Querschnitt3,75 dm² Austrittsstutzen 2:
Lichte Breite250 mm Lichte Tiefe250 mm Querschnitt6,25 dm² Luftgeschwindigkeit im Eintrittsstutzen:ca. 3 m/s Horizontaler Abstand der Ebenen der
Metallspitzen 5 und 6:450 mm Vertikale Abmessung der Metallplatte 4:150 mm

Die Kanäle mit rechteckförmigem Querschnitt waren aus Plexi­ glas gefertigt. Die mit einem Abrundungsradius von 0,9 mm versehenen Metallspitzen 5 und 6 sowie deren elektrische Zu­ leitungen und die Metallplatte 4 bestanden aus korrosions­ beständigem Stahl. Der Konzentrationsvorrichtung waren Ein­ richtungen 24 zur Zufuhr von Partikeln vorgeschaltet (siehe Fig. 7). Im vorliegenden Fall wurden Partikel aus Kalkstein mit einem mittleren Durchmesser von ca. 10 µm mit einem Bür­ stenzerstäuber in den Luftstrom injiziert. Die Staubverteilung in den Kanälen wurde mittels eines quer zur Beobachtungsebene liegenden Lichtschnittes sichtbar gemacht. Letzterer wurde durch periodisches Umlenken eines Laserstrahls mit einem Dreh­ spiegel erzeugt. Die Hochspannungsquellen 11 und 12 wiesen eine Spannung von-50 kV und +50kV auf. Die Konzentration der Partikel (siehe Trajektorien 13 in Fig. 6!) war derart, dass der sich im zentralen Teil des Austrittsstutzens befind­ liche, an Partikeln angereicherte Teilgasstrom 14 nur mehr eine Breite (in Zeichnungsebene, quer zur Strömungsrichtung) von ca. 50 mm aufwies. Damit hatte sich, bezogen auf den ur­ sprünglichen Volumenstrom, die im nachgeschalteten Filter über die Auffangeinrichtung 15 und den Abzweigkanal 16 zu verarbeitende Gasmenge auf ein Fünftel reduziert. Gleichzeitig fand eine beträchtliche Agglomeration der feinen Partikel zu groberen Teilchenkomplexen statt.

Die Erfindung ist nicht auf das Auführungsbeispiel beschränkt. Grundsätzlich kann die Vorrichtung aus einer T- oder Y-förmigen Kanalanordnung bestehen, wobei im letzteren Fall die Achsen der Eintrittsstutzen 1 vorzugsweise einen Öffnungswinkel von 45 bis 120° einschliessen. In jedem Eintrittsstutzen ist eine Aufladeapparatur 3 vorgesehen, welche aus einer Ionisations­ quelle und einer ein elektrisches Feld erzeugenden Einrichtung besteht. Die Aufladeapparatur im einen Eintrittsstutzen lädt die Partikel mit entgegensetztem Vorzeichen auf als diejenige im anderen Eintrittsstutzen. Dadurch wird eine gegenseitige elektrische Anziehung gewährleistet, welche eine Agglomera­ tion der Partikel zu grösseren Komplexen bewirkt. Die Auflade­ apparatur kann in einer Anordnung von Metallspitzen 5, 6 und einer an Erde liegenden Gegenelektrode in Form einer Metall­ platte 4 (siehe Fig. 4 und Fig. 6) bestehen. Anstelle der Metallplatte 4 kann eine einseitig befestigte vorkragende Platte treten, welche in ihrer mittleren Schicht 8 aus Isolier­ material besteht und auf jeder Seite eine leitende, elektrisch ungleichmässig geladene Oberflächenschicht 9, 10 trägt, wobei die jeweilige Polarität gegenüber der Polarität der in Strö­ mungsrichtung vor ihr liegenden Aufladungsapparatur 3; 5, 6, 7 das umgekehrte Vorzeichen hat (siehe Fig. 4). Ferner kann die Aufladungsapparatur aus einer Vielzahl von in Strömungs­ richtung weisender Metallspitzen 5, 6 und einem in Strömungs­ richtung dahinter liegenden, parallel angeordneten Metall­ gitter 7 bestehen, wobei die Spitzen 5, 6 und Gitter 7 jeweils entgegengesetzt elektrisch geladen sind. Gleichbedeutend ist, wenn die Metallgitter 7 jeweils an Erde liegen (siehe Fig. 4). Eine analoge Anordnung, jedoch mit Y-förmiger Strömungsführung ist in Fig. 5 dargestellt.

Anordnungen gemäss Fig. 4 oder Fig. 5 erlauben vollständige Unabhängigkeit zwischen Ionisationsquelle und für die Partikel­ beschleunigung massgebenden elektrischen Feldern.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Konzentration und Agglomeration von in einem Gasstrom suspendierten festen oder flüssigen Partikeln nach dem Prinzip des elektrostatischen Filters, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung des Gasstromes ein T- oder Y-förmiger Kanal mit zwei Eintrittsstutzen (1) und einem Austrittsstutzen (2) vorgesehen ist, wobei jeder Eintrittsstutzen (1) mit je einer aus einer Ionisationsquelle und einer ein elektrisches Feld erzeugenden Einrichtung bestehenden Aufladeapparatur (3) unterschiedlicher Polarität bestückt ist, dass ferner im zentralen Teil des Austritts­ stutzens (2) Mittel (15, 16) zur Abzweigung des an Partikeln angereicherten Teilgasstromes (14) zwecks Austragung der Partikel in einem nachgeschalteten elektrostatischen Filter herkömmlicher Art vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der beiden Eintrittsstutzen (1) einen Öffnungs­ winkel von 45 bis 120° einschliessen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Kanal an der Stelle des Zusammentreffens der beiden Eintrittsstutzen (1) und symmetrisch zu denselben in der Achse des Austrittsstutzens (2) liegend eine einseitig befestigte, in Richtung Austrittsstutzen (2) weisende, vorkragende Metallplatte (4) angeordnet ist, deren Potential an Erde liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Kanal an der Stelle des Zusammentreffens der beiden Eintrittsstutzen (1) und symmetrisch zu denselben in der Achse des Austrittsstutzens (2) liegend eine einseitig befestigte, in Richtung Austrittsstutzen (2) weisende, vorkragende Platte angeordnet ist, die in ihrer mittleren Schicht (8) aus Isoliermaterial besteht und auf jeder Seite eine leitende, elektrisch ungleichnamig geladene Oberflä­ chenschicht (9, 10) trägt, derart, dass ihre Polarität gegenüber der Polarität der in Strömungsrichtung vor ihr liegenden Aufladeapparatur (3; 5, 6, 7) das umgekehrte Vorzeichen hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeapparatur (3) aus einer Vielzahl in Strömungs­ richtung weisender gegenüber Erde geladenen Metallspitzen (5, 6) besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeapparatur (3) aus einer Vielzahl in Strömungs­ richtung weisender Metallspitzen (5, 6) und einem in Strö­ mungsrichtung dahinter liegenden, parallel angeordneten Metallgitter (7) besteht, wobei Spitzen (5, 6) und Gitter (7) jeweils entgegengesetzt elektrisch geladen sind.