DE3923720A1 - Elektrostatischer partikelfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Trennen von Partikeln aus einem gasförmigen- bzw. Flüssigkeitsstrom, bei dem die Partikeln in einem elektrostatischen Feld elektrisch geladen und anschließend aus dem Fluidstrom getrennt werden.

Zur Filterung von kleinsten Partikeln aus Fluidströmen sind verschiedene mechanische und elektrostatische Verfahren bekannt. Die elektrostatischen Filter haben gegenüber den mechanischen Systemen den Vorteil, daß keine Verstopfung des Filters erfolgt und damit keine nennenswerten Druck­ verluste im Strömungssystem verursacht werden.

Aus der EP 00 44 361 A1 ist ein elektrostatischer Filter bekannt, der eine rohrförmige Abscheideelektrode und eine axial darin verlaufende Sprühelektrode hat, wobei die Ab­ scheideelektrode gleichzeitig das Strömungsrohr bildet. Die durchströmenden Partikeln werden in dem elektrischen Feld geladen und auf der Abscheideelektrode abgeschieden. Hierbei wird die Ladung der Partikeln jedoch neutralisiert, so daß der Fluidstrom diese Partikeln wieder mitreißen kann.

Gemäß DE 31 41 156 A1 wird einem elektrostatischen Filter ein mechanischer Abscheider nachgeschaltet, der die gelade­ nen und zu Agglomeraten miteinander verbundenen Partikeln aus dem Fluidstrom heraustrennen soll. Auch hier verbleibt jedoch noch die weitere Problematik, daß zur quantitativ ausreichenden Filterung der Partikeln eine relativ große Weglänge im elektrostatischen Feld erforderlich ist, was zu großvolumigen Filtern führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit dem ein möglichst hoher Abscheidegrad bei relativ kleinem Bauvolumen des elektrostatischen Filters erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Hier werden die Partikel aus dem zu reinigenden Fluid nicht an einer Elektrode abgeschieden, sondern an den Körner des Trägermatrials angelagert und mit diesen transportiert. Die in dem Fluid homogen verteilten Trägerpartikeln (zur Unterscheidung der Trägerpartikel von den aus dem Fluid herauszufilternden Partikeln werden die Trägerpartikel im folgenden Trägerkörner genannt), deren Konzentration im Fluid entsprechend eingestellt werden kann, bildet eine sehr große fließende Ablagerungsoberfläche. Damit ist das Einfangen der Partikeln auf einer relativ kleinen Wegstrecke möglich, was zur Reduzierung der Filterbaugröße führt.

Bei diesem Verfahren kann außerdem eine katalytische Um­ wandlung einbezogen werden, indem das Trägermaterial mit entsprechenden katalytischen Eigenschaften dotiert wird. Leicht verstopfbare Festkatalysatoren sind dabei nicht mehr nötig.

Die Trägerkörner werden gegenüber den Partikeln mit einem entgegengesetzten Zeichen elektrisch geladen, um eine ausge­ prägte Anziehungskraft auf die Partikel auszuüben.

Die Aufladung der Trägerkörner kann im elektrostatischen Feld des Filters erfolgen. Hierzu ist es zweckmäßig, das Trägermaterial in Strömungsrichtung am Anfang des elektrostatischen Feldes in den Filter einzuführen.

Mit einer getrennten Aufladung der Trägerkörner wird die bauliche Ausgestaltung des Systemes flexibler, indem das Trägermaterial je nach Zweckmäßigkeit in oder nach dem elektrostatischen Feld des Filters in den Fluidstrom einge­ führt werden kann.

Es kann eine Zusatzelektrode verwendet werden, die im Einlaß des Trägermaterials in den elektrostatischen Filter angeord­ net oder den Einlaß bildend ausgestaltet ist, und in Verbin­ dung mit einer Elektrode des elektrostatischen Filters zur Erzeugung eines elektrischen Feldes ausgerichtet ist, mit dem das Trägermaterial geladen wird. Bei getrennten Feldern werden jedoch vorzugsweise zwei unabhängig voneinander ge­ staltete Elektrodenpaare verwendet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist dem elektrostatischen Filter ein mechanischer Abscheider nach­ geschaltet, mit dem das Trägermaterial zusammen mit den angelagerten Partikeln aus dem Fluid herausgetrennt werden.

Durch Verwendung eines Trägermaterials mit annähernd homogener Korngröße ist es möglich, einen Abscheider ziem­ lich genau an die Korngröße nach Anlagerung der Partikeln abzustimmen und damit eine sehr wirksame Trennung des Feststoffmaterials aus dem Fluid zu erreichen. Es können da­ bei konventionelle, entsprechend ausgelegte Zentrifugalab­ scheider verwendet werden.

Je nach Anwendung und Beschaffenheit sowohl des Träger­ materials als auch der eingefangenen Partikeln, wird das aus dem Fluid herausgetrennte Festmaterial weiterbehandelt. Es ist ein Brennvorgang denkbar, bei dem unter Anwendung eines feuerfesten Trägermaterials die angelagerten Partikeln verbrannt werden und das Trägermaterial zur erneuten An­ wendung zur Verfügung steht.

Bei mobilen Filteranlagen, wie z. B. zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren in Fahrzeugen, ist es vorteilhaft, wenn eine zusätzliche Trenneinrichtung vorgesehen wird, mit der die Partikeln von den Trägerkörnern - z. B. mechanisch - getrennt werden, wobei das Trägermaterial dem elektrostati­ schen Filter erneut zugeführt wird. Auf die Weise zirkuliert das Trennmaterial von der Trenneinrichtung in das elektro­ statische Feld und durch den mechanischen Abscheider wieder in die Trenneinrichtung.

Die Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens, die durch die Merkmale des Anspruchs 9 gekennzeichnet ist.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Blockschaltung einer Filteranlage und

Fig. 2 einen elektrostatischen Filter im Längsschnitt.

In Fig. 1 ist eine Strömungsleitung 10 für ein zu reinigen­ des Fluid 18 gezeigt, in dessen Strömungsweg ein elektro­ statischer Filter 11 und stromab ein mechanischer Ab­ scheider 12 für Fluid/Feststoffe zwischengeschaltet sind. Die Fluidleitung 10 kann eine Abgasleitung oder jede andere Leitung eines Strömungssystemes oder einer Anlage sein, durch die ein Festkörperpartikel enthaltendes Gas oder eine Flüssigkeit strömt. Ferner mündet in die Strömungsleitung 10 eine Zufuhrleitung 16 ein, durch die ein pulverförmiges Trägermaterial 17 in das Fluid 18 strömt.

Als elektrostatischen Filter 11 kann jede bekannte Ein­ richtung verwendet werden, die je nach Anwendungsfall, so ausgelegt sein muß, daß das darin erzeugte elektrische Feld fähig ist, die Partikeln 13 elektrisch zu laden. Diese Partikeln 13 lagern sich unter Bildung von Agglomeraten 23 auf die Körner 17 des Trägermaterials ab, wie nachstehend näher beschrieben wird. Im Abscheider 12, der ein mechani­ scher Abscheider bekannter Art, wie z. B. eine Zentrifuge, Zyklon und dergleichen ist, werden die Agglomerate 23 vom Fluid getrennt.

Vom Abscheider 12 zweigt eine Leitung 14 für die aus dem Fluid herausgetrennten Feststoffe ab. Diese Leitung 14 mündet in eine Trenneinrichtung 15 für Feststoffe ein. Als Trenneinrichtung 15 wird ebenfalls eine konventionelle Einrichtung, z. B. eine Waschanlage, Verbrennungseinrich­ tung, Ultraschallvorrichtung verwendet, die je nach Beschaf­ fenheit der zu trennenden Feststoffe gewählt wird. Die Trenneinrichtung 15, mit der die Partikeln 13 von den Trägerkörnern 17 getrennt werden, ist schließlich mit der Zufuhrleitung 16 für das getrennte Trägermaterial 13 ver­ bunden, die gemäß Fig. 1 stromab des Filters 11 in die Strömungsleitung 10 mündet. Über die Zufuhrleitung 16 wird das Trägermaterial 17 dem zu reinigenden Fluidstrom 18 wieder zugemischt.

Das aus Körnern 17 im µm-Bereich bestehende Trägermaterial dient dazu, die wesentlich kleineren Partikeln 13 aus dem Fluid 18 an sich zu binden, um die Partikeln mit hohem Wirkungsgrad aus dem Fluid 18 heraustrennen zu können. Dazu werden die Trägerkörner entweder - wie in Fig. 1 gezeigt - mittels eines mit gesonderten Elektrodenpaaren 20 erzeugten elektrischen Feldes oder - entsprechend Fig. 2 - im elektrostatischen Feld F des Filters 11 elektrisch geladen. Die zwischen den gesonderten Elektroden 20 geladenen Träger­ körner 17 können in Strömungsrichtung am Ende des Elektro­ filters 11 oder auch danach (wie in Fig. 1 gezeigt) in den Fluidstrom 18 eingeleitet werden.

In Fig. 2, die einen Längsschnitt durch den elektrostatischen Filter 11 darstellt, ist ein Beispiel gezeigt, bei dem die Zufuhrleitung 16′ für die Trägerkörper 17 näher am Anfang des elektrostatischen Feldes F in den elektrostatischen Filter 11 einmündet. Das elektrische Feld F wird von einer zylinderförmigen Elektrode 21 und einer zentrisch dazu ange­ ordneten Sprühelekrode 22 erzeugt. Das von den Partikeln 13 zu befreiende Fluid 18 fließt durch das elektrische Feld F. In diesem Feld werden die Partikeln 13 z. B. negativ gela­ den. In dem Fluidstrom 19 werden gleichzeitig die Trägerkör­ ner 17 zugemischt, die aufgrund ihrer gezielt gewählten Eigenschaft im gleichen Feld F dagegen positiv geladen wer­ den.

Das auf diese Weise elektrisch geladene Trägermaterial 17 strömt als Fließbett in dem Fluid 18 mit und zieht dabei die negativ geladenen Partikeln 13 unter Bildung von Agglo­ meraten 23 an und verhindern damit eine Abscheidung der Partikeln 13 an der Elektrode 21, wo die Ladung des Par­ tikels wieder abgegeben werden würde.

Die Korngröße des Trägermaterials 17 wird im µm-Bereich ge­ wählt und sollte möglichst homogen sein, d. h. die Träger­ körner 17 sollten durchweg annähernd eine definierte Korn­ größe haben. Derartige Trägerkörner 17 werden in der Regel vom Fluidstrom 18 mitgerissen, ohne daß die Trägerkörner sich an einer Elektrode, im beschriebenen Beispiel an der Sprühelektrode 22, anlagern können. Durch die gegensätzliche Polarität und der unterschiedlichen Größen lagern sich in der Regel mehrere Partikeln 30 an einem Trägerkorn 18 an. Die so gebildeten Agglomerate 23 werden mit der Fluidströ­ mung 18 in den mechanischen Abscheider 12 gebracht, wo sie vom Fluid getrennt in die Leitung 14 geführt werden. Durch eine genau definierte Korngröße des Trägermaterials kann ein genau darauf abgestimmter Abscheider 12 verwendet werden, der die Agglomerate 23 mit hohem Wirkungsgrad aus dem Fluid trennt.

Es wäre möglich, die aus dem Abscheider 12 entnommenen Agglomerate 23 bzw. Feststoffbestandteile abzuführen oder zu vernichten. In der Regel wird man jedoch das Träger­ material 17 zur Wiederverwendung aufbereiten, indem die abgeschiedenen Feststoffkomponenten 13, 17 in der Trenn­ einrichtung 15 einer entsprechenden Behandlung unterworfen werden. Diese Behandlung hängt von der Beschaffenheit der Partikel und des Trägermaterials sowie von der Anwendung der Reinigungsanlage ab.

Als Trägermaterial kann jeder pulverförmige Stoff, dessen Körner elektrisch ladungsfähig sind, verwendet werden. Weitere Eigenschaften bzw. Anforderungen richten sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall.

Zum Beispiel wird bei der Reinigung von Abgasen zusätzlich eine höhere thermische Beständigkeit gefordert. Für die Wiederverwendung des Trägermaterials ist es günstig, wenn die Trägerkörner eine hohe Abriebfestigkeit haben. Elek­ trisch dotiertes Aluminiumoxid wäre ein Beispiel, das sämt­ liche vorgenannten Anforderungen genügen würde.

Zur Trennung der eingefangenen Partikeln 13 von Träger­ körnern 17 aus Al₂O₃ beispielsweise kann eine Verbrennung, eine Wäsche, eine chemische Reaktion, Ultraschall oder mechanische Trennverfahren angewendet werden. Die Zweck­ mäßigkeit des einen oder des anderen Verfahren richtet sich nach der jeweiligen Anwendung des Filtersystemes und der Beschaffenheit der Partikeln 13.

In der Mündung der Zufuhrleitung 16′ kann eine Venturi­ düse 25 vorgesehen werden, um eine gute Verteilung der Trägerkörner 17 im Fluidstrom 18 zu erreichen und/oder das Ansaugen der Trägerkörner 17 durch den Fluidstrom 18 zu bewirken. Es ist auch eine schräge oder tangentiale Ein­ mündung der Zuleitung 16′ für das Trägermaterial 17 möglich. Wenn das Aufladen der Partikeln 13 einerseits und der Trägerkörner 17 andererseits mit unterschiedlichen Feld­ stärken erfolgen soll bzw. muß, kann beispielsweise die Düse 25 als Elektroden 26, 27 ausgebildet oder mit Elektro­ den versehen werden, die an eine Spannungsquelle 28 ange­ schlossen werden. In diesem Fall werden die Trägerkörner 17 beim Durchströmen des in der Düse 25 erzeugten Feldes F′ entsprechend geladen.

Die zu wählende Dichte der Partikelkörner 17 im Fluid­ strom 18 richtet sich nach der Partikelmenge 13 im zu reinigenden Fluidstrom 18. Damit läßt sich die für die Anlagerung möglichst sämtlicher Partikeln 13 erforderliche Oberfläche des Fließbettes einbringen. Das Trägermaterial ist zudem auch geeignet, um durch entsprechende dotierte katalytische Wirkung eine Umsetzung von Gas- bzw. flüssigen Bestandteilen und/oder auch der Partikeln zu bewirken, wenn dieses gewünscht wird.

Bei einer mechanischen Trennung der Feststoffe in der Trenneinrichtung 15 werden die Partikeln schließlich über eine Abführleitung 13 abgeführt.

Claims (16)

1. Verfahren zum Trennen von Partikeln aus einem gas­ förmigen- bzw. Flüssigkeitsstrom, bei dem die Par­ tikeln in einem elektrostatischen Feld elektrisch geladen und anschließend aus dem Fluidstrom getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fluidstrom (18) ein Trägermaterial mit elek­ trisch aufladbaren Partikelkörnern (17) zugemischt wird, derart, daß die mit entgegengesetzter Polarität geladenen Partikeln (13) sich auf die Trägerkörner (17) ablagern können und daß die so gebildeten Partikel- Trägerkörner-Agglomerate (23) anschließend aus dem Fluidstrom (18) herausgetrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkörner (17) in der Umgebung des elektro­ statischen Feldes (F) in den Fluidstrom (18) einge­ führt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkörner (17) in Strömungsrichtung des Fluids (18) nach dem elektrostatischen Feld (F) dem Fluidstrom zu­ geführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkörner (17) und die Partikeln (13) in dem­ selben elektrostatischen Feld (F) elektrisch geladen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkörner (17) vor deren Einführung in den Fluidstrom (18) elektrisch geladen werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikeln (13) nach der Trennung der Agglomerate (23) vom Fluid (18) von den Trägerkörnern (17) getrennt werden und daß die Träger­ körner wieder dem Fluidstrom zugeführt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (17) katalytische Eigenschaften hat.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Körner im Trägermaterial annähernd konstant ist.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einem Elektrodenpaar zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes, durch das das von Partikeln zu reinigende Fluid durchströmen kann, und mit einer in Strömungsrichtung dem Elektrodenpaar nachgeschalteten Einrichtung zum mechanischen Trennen der elektrisch geladenen Par­ tikeln vom Fluid, dadurch gekennzeichnet, daß der Vor­ richtung eine Zuleitung (16, 16′) für ein elektrisch aufladbares, pulverförmiges Trägermaterial (17) zuge­ ordnet und so angeordnet ist, daß die mit einem Zeichen geladenen Partikeln (13) im Fluidstrom (18) mit den mit entgegengesetzten Zeichen geladenen Trägermaterial­ körnern (17) in Kontakt kommen können.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (16′) für das Trägermaterial (17) im Bereich des elektrostatischen Feldes (F) in den Fluidstrom (18) einmündet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (16) für das Trägermaterial (17) in Strömungsrichtung nach dem elektrostatischen Feld (F) in den Fluidstrom mündet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mündung der Zuleitung (16, 16′) für das Trägermaterial (17) eine Düse (25) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse zur Bildung eines zusätzlichen elektro­ statischen Feldes (F′) mit einem Elektrodenpaar (26, 27) ausgerüstet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß stromab des elektrostatischen Feldes (F) ein mechanischer Abscheider (12) vorgesehen ist, in dem die im Fluidstrom (18) gebildeten Agglome­ rate (23) aus Trägerkörnern und angelagerten Par­ tikeln (13) aus dem Fluidstrom (18) getrennt werden können.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß vom mechanischen Abscheider (12) eine Leitung (14) für die Feststoffkomponenten (23 bzw. 13, 17) abzweigt und daß diese Leitung (14) in eine Trenneinrichtung (15) zur Trennung der Partikeln (13) vom Trägermaterial (17) mündet.

16. Vorrichtung nach Anspruch (15), dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung (15) mit der Zuleitung (16, 16′) für das Trägermaterial verbunden ist.