DE4003565A1 - Vorrichtung zur entfernung partikelfoermiger stoffe aus auspuff- und rauchgasen - Google Patents

Description

Während der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und anderer fossiler Brennstoffe stellt sich oft eine übermäßige Emission von Kohlenstoffpartikeln (Kohle in Partikelform) aufgrund eines Luftunterschusses in der verbrannten Mischung oder sogar aufgrund schlechter Durchmischung ein.

Erfindungsgemäß werden die Partikel mittels eines Elektrofilters entfernt, welches vorzugsweise aus einem Teil des Auspuffs- oder Rauchgassystems gebildet sein kann. Abhängig von dem Typ der Anlage, auf die die Erfindung sich bezieht, sind alternative Methoden zur Eliminierung der so gesammelten Partikel in Betracht zu ziehen.

Die Erfindung richtet sich also auf eine Vorrichtung zum Strippen partikelförmiger Stoffe von Abgas-, Auspuff- und Rauchgasen, die durch Verbrennen fossiler Brennstoffe erzeugt wurden. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Vorrichtung zur Eliminierung oder wenigstens der erheblichen Verminderung der Emission partikelförmiger Stoffe aus Dieselauspuffgasen oder aus Rauchgasen, die bei den obengenannten Anwendungen entstehen und bei denen es um die Verbrennung von Gasöl und schwereren Ölen, selbst im Gemisch mit aromatischen Fraktionen (Heizanlagen, tragbarer Stromgeneratoren, große Verstromungsanlagen etc.) oder Kohle geht. Obwohl aus Einfachheitsgründen in der folgenden Beschreibung hauptsächlich auf Dieselmotoren Bezug genommen wird, ist es klar, daß die genannten Merkmale und erreichten Ergebnisse in gleicher Weise für die anderen Anwendungsfälle gelten.

Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, ausgehend von Molekülen mit etwa zehn Kohlenstoffatomen oder einfachen aromatischen Molekülen führt nicht nur zu üblichen Verbrennungsprodukten, wie CO, CO₂ und H₂O, sondern auch zu Produkten wie nicht verbrannten organischen Verbindungen, Ruß und Stickoxyden.

Die Zusammensetzung des Ab- oder Rauchgases kann erheblich variieren, und zwar abhängig von der für die Verbrennung eingesetzten Luftmenge. Für eine günstige Prozeßausbeute jedoch (beispielsweise um ausreichend Strom oder Leistung zu erhalten), ist das Luftbrennstoffverhältnis um gewisse Werte festgelegt, was es schwierig macht, die Emission partikelförmiger Stoffe zu vermeiden.

Das Phänomen ist für den Betrachter besonders deutlich im Falle von Kraftfahrzeugdieselmotoren, denen so vorgeworfen wird, die Luft erheblich zu verschmutzen und die öffentliche Gesundheit ernsthaft zu gefährden.

Allgemein gesprochen sind diese Vorwürfe grundlos. Verglichen mit Benzinmotoren nämlich emittieren Dieselmotoren zwischen vier- und sechsmal weniger Kohlenmonoxyd (bei dem es sich um ein starkes Gift handelt, da es den Blutsauerstoffaustausch blockiert), etwa die halbe Menge nicht verbrannter Kohlenwasserstoffe (die höchst krebsgefährdend sind) und etwa die Hälfte Stickoxyde (die zu denen gehören, die zum Sauren Regen beitragen).

Dieselmotoren jedoch emittieren vierzigmal mehr Kohlenstoffpartikel (was über den Langzeitraum zu Bronchitis und anderen Krankheiten der Brust führen kann) , sowie Schwefeldioxyd (ebenfalls verantwortlich für den Sauren Regen), das jedoch eliminiert werden könnte, wenn Dieselbrennstoff, wie dies bei Benzin der Fall ist, entschwefelt würde.

Es sollte darauf hingewiesen werden, daß Ruß nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe absorbiert und somit als ein Vektor oder Träger für diese krebserzeugenden Mittel dient.

Zusammengefaßt kann gesagt werden: Es besteht kein Zweifel, daß der die Verbrennung von Gasöl bzw. Diesel, Heizöl, Naphta und dgl. erzeugte Ruß äußerst unangenehm ist und daß solche Emissionen eliminiert oder wenigstens zum großen Teil reduziert werden sollten.

Eine gewisse Abnahme in der Menge an partikelförmigem Material aufgrund von Verbrennung von Kohlenwasserstoffen läßt sich erreichen, indem man die Verbrennung durch elektronische Einrichtungen verstellt. Diese Verstellung kann jedoch nur den Rauchanteil um etwa 20% senken, was unzureichend für viele Anwendungsfälle ist. Viele Mühen wurden unternommen, um dieses Problem zu lösen.

Zahlreiche Patentschriften (beispielsweise J63-2 32 817, EP 2 83 240 und 1 14 696, US 46 22 810, 46 04 868 und 45 71 938, etc.) verwenden keramische Filter unterschiedlicher Auslegungen, die mechanisch die Partikel einfangen und periodisch regeneriert werden, beispielsweise durch Verbrennung unter Verwendung heißer Gase, die durch einen Spezialbrenner oder durch einen Strom vorgewärmter Luft erzeugt wurden. Das Filter wird auch oft mit einem Katalysator, beispielsweise Platin, zur Erleichterung der Verbrennung, imprägniert.

Auf diese Weise wird doch die Partikelmenge erheblich reduziert; die Komplexität der bis jetzt angewendeten Lösungen, die Kosten und die Brüchigkeit der keramischen Filter sowie die Kosten und Beschädigung der Katalysatoren (beispielsweise aufgrund von Vergiftung) haben aber bisher die Verwendung solcher Filter als unökonomisch, insbesondere für Kraftfahrzeuge, erscheinen lassen.

Die US-PS 47 41 746 legt die Verwendung eines elektro­ statischen Abscheiders mit Coronaeffekt nahe, um die Kohlenstoffpartikel aus Dieselabgasen niederzuschlagen.

Die US-PS 45 87 808, die ebenfalls Dieselmotoren betrifft, befaßt sich mit der Verwendung eines Molekulardissoziators, der mit einer Ladung bis zu 150 kV für die Dissoziation der CO, CO₂ und NO _X Moleküle und nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe in die sie bildende chemischen Elemente und somit für die Entfernung der so erzeugten Kohlenstoffpartikel sorgt. Es geht auch um die bereits im Abgas vorhandenen und die Dissoziation erfolgt mittels eines elektrostastischen Abscheiders und eines Zyklons.

Auf dem "1987 Paris-Meeting on Air Pollution Caused by Transport" wurde jedoch berichtet, daß dann, wenn industriell abgeleitete Systeme in Autos eingebaut wurden, deren Wirkungsgrad zweifelhaft (wie im Falle von Zyklonen) oder deren Größe exessiv und deren Komplexität prohibitiv (elektrostatische Separatoren) war. (Siehe in diesem Zusammenhang Pollution Atmospherique, Spezialausgabe Dezember 1987, Seite 268-285).

Aus Vorstehendem wird klar, daß im Falle von Anwendungen mit begrenzter Größe (wie dies bei Kraftfahrzeugdieselmotoren etc. oder bei Hausheizungsanlagen der Fall ist) die technischen und wirtschaftlichen Probleme mit der Reduktion der Rauchigkeit der Gase zusammenhängen, die aus der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen resultieren, alles andere als gelöst angesehen werden können.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu eliminieren, indem eine einfache, preiswerte, kompakte Vorrichtung vorgeschlagen wird, die für eine merkliche Verminderung in der Partikelemission in Gasen sorgt, die aus der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen resultieren, wobei auch eine einfache Einrichtung vorgeschlagen werden soll, die zusammen mit einem solchen System arbeitet, um den abgetrennten Ruß zu eliminieren.

Erfindungsgemäß wird ein Staubstrippsystem bzw. -abstreifer­ system vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, daß es in die Auspuff- oder Abgas- oder Rauchgasrohrsysteme zur Verbrennung fossiler Brennstoffe eingebaut wird und besteht aus

• - einem Hochspannungsgenerator,
• - Einrichtungen zur elektrostatischen Abtrennung von Ruß,
• - sowie Einrichtungen zur Eliminierung des gesammelten Rußes.

Diese Einrichtungen für die elektrostatische Trennung von Ruß umfassen wenigstens ein Paar von Leitern, durch welche Auspuff-, Gas oder Rauchgase passieren, wobei jeder dieser Leiter zweckmäßig mit einem der Anschlüsse dieses Spannungsgenerators verbunden ist und einer dieser Leiter eine Ladung trägt, deren Vorzeichen entgegengesetzt zu der des anderen Leiters ist.

Alternativ können diese Leiter aus einem Leiter mit wenigstens einer Spitze bestehen, die in Richtung des anderen Leiters, gegen den er in geeigneter Weise isoliert ist, weist.

Nach einer anderen Ausführungsform kann einer dieser Leiter durch die Innenfläche einer Leitung und der andere (von diesem in geeigneter Weise isoliert) durch einen länglichen Leiter gebildet sein, der längs der Achse dieser Leitung angeordnet ist.

Diese Mittel zum Eliminieren des gesammelten Rußes können in Mitteln bestehen, die die Temperatur der Partikel erhöhen und sie durch den Einfluß der Rauchgase selbst oder von Luft verbrennen. Der gesammelte Ruß kann auch dadurch beseitigt werden, daß auswechselbare und ersetzbare Mittel verwendet werden, die von der Vorrichtung entfernt und gereinigt werden, während bekannte Mittel für gewisse Anwendungsfälle eingesetzt werden können.

Diese Mittel zur Erhöhung der Temperatur der gesammelten Partikel können die Form annehmen von

• - einem kleinen Hilfsbrenner, der heiße an oxydierenden Mitteln reiche Gase auf die Partikel leitet,
• - eine elektrische Heizeinrichtung, welche die Partikel in einem Strom von Abgas oder Luft oder einem Gemisch hiervon erwärmt.

In Anwendungsfällen, wo die Abgas- oder Rauchgasleitung vertikal verläuft, wie dies im Falle von Kaminen, gewissen Füchsen und in Austrittsleitungen aus gewissen kommerziellen Fahrzeugen der Fall ist, können diese Mittel zum Eliminieren der Stäube aus einer sammelnden Falle bestehen, die im niedrigsten Teil des Partikelstrippsystems und der Stelle eingebaut sind, wo die Gase in den vertikalen Verlauf eintreten. Ein Sammeln der Partikel in der Falle wird erleichtert durch eine zweckmäßige Vorrichtung wie beispielsweise einen Vibrator, der während einer Unterbrechung im Verbrennungsprozeß oder der Gasströmung betätigt wird.

Noch eine weitere Ausführungsform sollte für die Verwendung eines in geeigneter Weise bemessenen Partikelentfernungs­ systems benutzt werden, das auch als Rußbehälter wirkt, der von der Abgas-/Auspuff-/Rauchgasleitung getrennt werden kann, so daß er entfernt und so oft wie erforderlich gereinigt werden und dann erneut eingesetzt und wieder verwendet werden kann.

Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Partikelabstreifteil, der vom Rest des Austrittsrohrgassystems entfernt werden kann.

Nach Fig. 1 ist die Auspuffaustritts- oder Rauchgasleitung 1 aus Stahl (vorzugsweise rostfreiem Stahl) auch einer der Leiter des Partikelentfernungssystems und ist mit dem positiven Pol eines nicht dargestellten Hochspannungsgenerators verbunden. Die Abgase treten über die Leitung 9 ein. Der andere mit dem anderen Pol des Generators verbundene Leiter 2 tritt in das Rohr 1 durch den Isolator 8 ein und verläuft längs der Achse dieses Rohres über ein gewisses Stück und ist teilweise mittels eines Isolators 3 isoliert. Das freibleibende Ende des Leiters 2 ist von einem geeigneten Isolator 4 in Form kleiner beabstandeter Stäbe abgestützt, die zwischen dem Rohr 1 und dem Leiter 2 eingesetzt sind. Das Rohr 1 verfügt über eine äußere Heizeinrichtung 5, eine Leitung 6 und Glüh- oder Zündkerzen 10.

Im Betrieb werden Abgase über die Leitung 9 in das Rohr 1 geliefert, und durchströmen es von rechts nach links. Im Raum S zwischen Leiter 2 und Rohr 1 sind beide mit den Anschlüssen eines Spannungsgenerators verbunden; die Kohlenstoffpartikel werden elektrisch geladen und gegen die Innenwand des Rohres 1 angezogen, wo sie entladen werden und eine Abscheidung 7 bilden.

Wenn die Abscheidung eine gewisse Dicke erreicht hat oder wenn der Aufbau des Kohlenstoffs innerhalb des gesamten Leiters 1 ein Stadium erreicht hat, wo die Leiter 1 und 2 nicht mehr vollkommen voneinander isoliert werden können, nimmt die Spannung zwischen den Leitern, in manchen Fällen sehr erheblich, ab.

An dieser Stelle wird die Heizvorrichtung 5, die die Form eines elektrischen Widerstands haben kann, in Aktion gebracht und/oder Glüh- oder Zündkerzen 10 werden eingeschaltet und/oder sehr heißes vom Hilfsbrenner kommendes Gas oder Luft werden durchgeblasen. Diese Vorgänge getrennt oder gekoppelt mit wenigstens einem der anderen sind so getroffen, daß die Temperatur der Kohlenstoffabscheidung 7 auf im allgemeinen 400°C bis 550°C erhöht wird, bei der Kohlenstoff brennt.

Um diesen Vorgang zu erleichtern werden wenigstens zwei dieser Rohre 1 parallel angeordnet; der Ruß wird vom Rauchgas in wenigstens einem hiervon gestrippt, während die feuerabgeschiedenen Stäube in wenigstens einem der anderen eliminiert werden. Auf diese Weise wirkt jedes der Rohre alternativ als Rußseperator und Eliminator.

Die Wahl der gewünschten Funktionen und das Arbeiten der Ventile, welche die Rauchgase von einem Rohr zum anderen umlenken, kann vorteilhaft selbsttätig durch einen Timer oder Mikroprozessor geregelt werden, der seine Information von Spezialsonden erhält.

Nach Fig. 2, wo die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile wie in Fig. 1 bezeichnen, sieht man, daß das Rohr 1 den Endteil des Rauchgasrohres 11 bildet, mit dem es über die Verbindung 12 verbunden ist, die die Form einer Bajonettkupplung beispielsweise haben kann.

Die Vorrichtung arbeitet hinsichtlich der Rußabtrennung in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform der Fig. 1. Auch hier wird es möglich, wenigstens zwei Rohre parallel zu positionieren, das Abgas passiert abwechselnd durch eines dieser Rohre oder, wenn mehr als zwei vorhanden sind, nur durch einige hiervon für den Rußstrippvorgang.

Mit der Anordnung der Fig. 2 wird, sobald die Lage abgeschiedenen Rußes ein voreingestelltes Niveau erreicht, der Anschluß 1 vom Hauptrohr 11 getrennt und wird gesondert gereinigt und durch einen anderen sauberen Anschluß ersetzt.

Versuche zeigen, daß der Partikelgehalt der Austrittsrauchgase leicht um wenigstens 50% gesenkt werden kann.

Nach einer alternativen Ausführungsform sieht man, daß Luft in das Rohr 1 selbst ohne Unterbrechung der Strömung der Abgase geschickt werden kann.

Auf diese Weise wird es möglich, die Komplizierungen zu vermeiden, die beim Positionieren von mehr als einer Leitung parallel auftreten und den Aufbau von Ruß zu vermeiden, der als Block von dem Rauchgasrohr aufgrund von Vibrationen, Schocks oder ähnlichen Gegebenheiten auftreten kann.

Tests mit der Maßnahme nach der Erfindung wurden am Abgassystem einer Dieselmotorgruppe mit einer 3860 cm³ Maschine und einem Generator mit 40 kW Nennleistung bei 1500 U/min. durchgeführt. Die Maschine lief zwischen 1300 und 1480 U/min. während der Tests.

Die Rußstrippervorrichtung bestand aus einem oder zwei 1000 m langen Stahlzylindern mit 150 mm Innendurchmesser (parallel und die entweder gemeinsam oder alternativ arbeiteten) mit einer axial eingesetzten Stange oder Schiene aus Stahl mit 15 mm Durchmesser.

Eine Spannung von 30 kW bei 0,5 mA wurde zwischen dem äußeren Zylinder und die Axialstange gelegt. Jeder Test lief eine Stunde lang, eine kontinuierliche Probe von 500 Litern wurde von den Gasen, die die Vorrichtung durchströmten, entnommen. Die Probe wurde durch ein poröses Filter gegeben, die auf diese Weise gesammelten Partikel wurden gewogen. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle aufgelistet.

Tabelle

Abgeschiedener Ruß wurde schnell abgebrannt, wenn ein Strom von Luft bei 490°C durch die Trenneinheit geleitet wurde.

War das Abgas mit Luft angereichert, so wurde es während des Trennverfahrens verbrannt. Die den "gestrippten prozentualen Anteil" betreffende Zahl wurde um 12 bis 13 Punkte verbessert.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Verminderung partikelförmiger Stoffe in Abgas-, Auspuff- oder Rauchgasen, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wurden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rußstripper- oder Abstreifervorrichtung in ein die Abgase führendes Rohr eingesetzt ist, das besteht aus:

• - einem Hochspannungsgenerator;
• - Einrichtungen für die elektrostatische Abtrennung der partikelförmigen Stoffe;
• - und Einrichtungen zum Eliminieren der gesammelten Partikel;

wobei diese Einrichtungen für die elektrostatische Abtrennung des partikelförmigen Stoffes aus wenigstens einem Paar von Leitern bestehen, zwischen denen die Abgasrauchgase geführt sind, wobei jeder dieser Leiter in geeigneter Weise mit einem der Anschlüsse dieses Spannungsgenerators verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Leiter eines Paares von Leitern aus zwei sich gegenüberstehenden Wandungen in einer Leitung, die in geeigneter Weise gegeneinander isoliert sind, bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser eine Leiter eines Paares von Leitern mit wenigens einer Spitze gegen den anderen Leiter gerichtet ist, der aus einer Wandung besteht, die sich vor dem anderen Leiter, gegen den er elektrisch isoliert ist, erstreckt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiter dieses Paares von Leitern aus der Innenfläche einer Leitung (1) besteht und der andere - in geeigneter Weise hiergegen isolierte (3) - aus einem länglichen längs der Achse dieser Leitung verlaufenden Leiter (2) besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel zum Eliminieren der Partikeln aus Einrichtungen bestehen, die die Temperatur des partikelförmigen Materials erhöhen und so ausgebildet sind, daß sie es entweder mit Hilfe der gegebenenfalls mit Luft angereicherten Rauchgase selbst oder mit Luft verbrennen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel zum Eliminieren des partikelförmigen Stoffes aus einer entfernbaren auswechselbaren Einrichtung (3; 4) bestehen, die von dem zu reinigenden System abgebaut werden und durch andere ähnliche, bereits saubere Mittel ersetzt werden können.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel zum Erhöhen der Temperatur des partikelförmigen Materials aus einem Hilfsbrenner bestehen, der an oxydierenden Substanzen reiche Gase auf dieses partikelförmige Material leitet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel zum Erhöhen der Temperatur des partikelförmigen Materials aus einem elektrischen Heizkomplex (5) bestehen, der dieses partikelförmige Material in Anwesenheit eines Stroms von Abgasen oder von Luft oder von einem Gemisch von Luft und Abgasen erwärmt.

9. Vorrichtung zum Vermindern des Anteils partikelförmiger Stoffe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Heizkomplex aus wenigstens einer Zünd- oder Glühkerze besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab- oder Rauchgase mit Luft während des Vorgang des Abscheidens der Partikel anreicherbar sind, derart, daß die Verbrennung wenigens eines Teiles der Partikel herbeiführbar ist.