DE4338017A1

DE4338017A1 - Einrichtung zur Entstaubung von Abgasen

Info

Publication number: DE4338017A1
Application number: DE4338017A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Kogelschatz
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1993-11-08
Filing date: 1993-11-08
Publication date: 1994-10-06

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Entstau bung von Abgasen aus Verbrennungsanlagen und Verbrennungsma schinen mit negativen Sprühelektroden und jeweils beidseitig davon angeordneten Abscheideelektroden, welche zwischen sich einen Abgaskanal definieren, durch welche das zu entstaubende Abgas im wesentlichen senkrecht zu den Sprühelektroden geführt ist, und einer an die Sprühelektroden angeschlossenen Hoch spannungsquelle, deren einer Pol mit den Sprühelektroden und deren anderer Pol an die Abscheideelektroden angeschlossen ist.

Einrichtungen dieser Gattung sind beispielsweise aus der DE-A- 34 18 112 bekannt.

Technologischer Hintergrund und Stand der Technik

Für die Entstaubung von Abgasen werden Elektrofilter verwen det, die eine oder mehrere Sprühelektroden aufweisen. Diese bestehen aus Drähten, weitmaschigen Gitternetzen oder dergl. und sind an ein negatives Potential angeschlossen. Beidseitig einer jeden Sprühelektrode ist in definiertem Abstand jeweils eine flächige Abscheideelektroden angeordnet. Diese liegen in der Regel auf Erdpotential. Das zu entstaubende Abgas wird durch den Raum zwischen den Abscheidelektroden hindurchge leitet. Die Staubteilchen werden von den (gegenüber der Sprühelektrode) positiven oder negativen Abscheideelektroden angezogen und lagern sich auf deren Oberfläche ab. Hierdurch kommt es zur Ausbildung von hochohmigen Belägen auf der Ab scheideelektrode. Dies wiederum führt zu einer Verminderung der Abscheideleistung. Hat sich auf der Abscheideelektrode eine zu große Staubschicht gebildet, so kann es vorkommen, daß der Staub an den Abscheideelektroden nicht mehr haften bleibt, sondern in den Gasstrom zurückgesprüht wird.

Neuere Arbeiten auf dem Gebiet der Elektrofilter haben erge ben, daß die Vorgänge bei der Abscheidung weitaus komplexer sind, als man bislang angenommen hatte. Aufgrund der diskreten Natur der Koronaentladungen erfolgt die Abscheidung nicht gleichmäßig über die Oberfläche der Abscheideelektrode ver teilt. Es bilden sich vielmehr charakteristische Muster aus. Neben Zonen mit vergleichsweise kompakten Staubbelägen gibt es solche mit losem Staubbelag, wobei dort der Staub eher locker abgeschieden wird. Der lockere Staub wird durch den Abgasstrom mitgerissen (englisch "re-entrainment"). Somit ist die Strö mungsgeschwindigkeit des Abgases durch den Abgasfilter auf Werte um 2 bis 3 m/sec begrenzt (vgl. A.A. Self et al. "CORONA DISCHARGE STRUCTURE AND ITS INFLUENECE ON PRECIPITATION AND REEINTRAINMENT" in IEEE-IAS Conference Record, Philadelphia, Oct. 1981, pp. 1128-1135).

Um die Abscheideleistung zu verbessern, wird in der eingangs genannten DE-A-34 18 112 vorgeschlagen, die Abscheideelektroden als bewegliche Endlosbänder auszubilden. Jedes Endlosband ist über zwei Walzen geführt, so daß es möglich ist, das Endlos band kontinuierlich weiterzubewegen. Hat sich eine auf der Oberfläche der Abscheideelektrode eine Staubschicht abgesetzt, so wird das Endlosband durch Drehen der Walzen in einen Be reich bewegt, der außerhalb des Einwirkungsbereichs der Sprühelektroden liegt. Dort sind Vorrichtungen zum Entfernen der Staubschicht vorgesehen. Gleichzeitig kommt durch das Wei terdrehen ein frischer Abschnitt der Abscheidelektroden in die eigentliche Abscheidezone.

Entstaubungseinrichtung dieser Art haben sich in der Vergan genheit sehr bewährt, erfordern aber gegenüber herkömmlichen Anlagen mit festen Abscheidelektroden zusätzlichen Aufwand. Darüberhinaus ist das oben angesprochene Problem der ungleich mäßigen Verteilung mit beweglichen Abscheidelektroden nicht gelöst.

Eine auf den heutigen Erkenntnissen aufbauende naheliegende Lösung könnte darin bestehen, die relative Lage von Sprüh- und Abscheideelektroden ständig zu verändern, z. B. durch Hin- und Herbewegen der Sprühelektroden in Richtung der Gasströmung. Sie kommt aber aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht in Frage.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Entstaubung von Abgasen aus Verbrennungsanlagen und Verbren nungsmaschinen zu schaffen, welche das Abscheiden von großen Mengen Staubes aus großen Abgasmengen in kurzer Zeit erlaubt, oder bei gleichem Bauvolumen und wenig zusätzlichem Aufwand größere spezifische Abscheideleistungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß daß die Sprühelektroden gruppenweise an eine Hochspannungsquelle anschaltbar sind, und daß zwischen jeder Sprühelektrode der einen Gruppe eine Sprühelektrode der anderen Gruppe(n) ange ordnet ist.

Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, nicht die Elek troden, sondern das für die Abscheidung verantwortliche elek trische Feld zu bewegen. Auf diese Weise werden die Bereiche mit kompakter Abscheidung und solche mit lockerer Abscheidung "verschmiert", so daß sich keine diskreten Zonen der geschil derten Art mehr ausbilden können. Ein wichtiger Nebeneffekt ist dabei, daß in den Zonen mit anfänglich lockerer Abschei dung die lockere Staubschicht verdichtet wird. Die abgeschie dene Staubschicht haftet besser an den Abscheideelektroden. Es findet praktisch kein "re-entrainment" mehr statt. Damit wird die Abscheideleistung gegenüber den bekannten Elektrofiltern wesentlich erhöht. Es können höhere Strömungsgeschwindigkeiten vorgesehen werden, das Bauvolumen des Filter sinkt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie die damit erzielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung sche matisch dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen stark vereinfachten Horizontalschnitt durch einen Elektrofilter mit zwei Gruppen von Sprühelek troden, wobei jede Gruppe an eine separate Hochspan nungsquelle angeschlossen ist;

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch den Elektrofilter gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform eines Elektrofil ters, bei dem die Sprühelektroden in einem Rahmen gespannt sind;

Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch einen Elektrofilter ge mäß Fig. 3 auf der Höhe der ersten Gruppe Sprühelek troden;

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch einen Elektrofilter ge mäß Fig. 3 auf der Höhe der zweiten Gruppe Sprüh elektroden;

Fig. 6 ein erstes Diagramm, das den zeitlichen Spannungs verlauf zwischen der erste Gruppe der Sprühelektro den und den beiden Abscheideelektroden zeigt;

Fig. 7 ein zweites Diagramm, das den zeitlichen Spannungs verlauf zwischen der zweiten Gruppe der Sprühelek troden und den beiden Abscheideelektroden zeigt;

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Feldverlaufs im Abgaskanal;

Fig. 9 eine Variante zur Anspeisung eines Elektrofilters gemäß Fig. 1 mit getrennter Vorspannungserzeugung mit separaten Gleichspannungsquellen;

Fig. 10 eine Variante zur Anspeisung eines Elektrofilters gemäß Fig. 1 mit getrennter Vorspannungserzeugung mit einer einzigen Gleichspannungsquelle.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Der Elektrofilter gemäß Fig. 1 und 2 weist zwei parallel zu einander verlaufende plattenförmige Abscheideelektroden 1, 2 auf, die zwischen sich einen Abgaskanal 3 definieren. Das mit Staubpartikeln (Flugasche, Rußpartikel und dergl.) beladene Abgas durchströmt den Filter in Pfeilrichtung von links nach rechts. Im Abgaskanal 3 sind Sprühelektroden 4a, 4b angeordnet. Sie erstrecken sich, wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, im wesent lichen über die gesamte Höhe des Elektrofilters und verlaufen in Richtung der vertikalen Symmetrieebene des Filters.

Gemäß Fig. 2 sind die Sprühelektroden 4a (4b) als Drähte aus gebildet und am oberen Ende an einem oberen Isolierteil 5 isoliert aufgehängt und dort außerhalb des Abgaskanals mit einer Anschlußarmatur 6 versehen. Ein Gewicht 7 am unteren Ende strafft die Sprühelektroden. Anstelle von Drähten können auch Drahtwendeln, mit Stacheln versehene Drähte oder andere Elektrodenformen verwendet werden.

Der Abstand zwischen den beiden Abscheideelektroden 1 und 2 beträgt typisch 300 bis 400 mm, der Abstand zwischen den Sprühelektroden 4a und 4b liegt ebenfalls in diesem Bereich. Die Höhe des Abgaskanals 3 kann mehrere Meter betragen, ebenso seine Länge in Strömungsrichtung der Abgase.

Anstelle von freihängenden, durch Gewichte gestraffte Sprüh elelektroden 4a, 4b können diese auch gemäß Fig. 3 in einem Rahmen 8 mit zwei horizontal verlaufenden Rahmenteilen 8a, 8b und vertikal verlaufenden Rahmenteilen 9, 9′ einspannt sein. Die Rahmenteile 8a, 8b bestehen aus Metall, die Rahmenteile 9, 9′ bestehen aus Isoliermaterial. Die erste Sprühelektro dengruppe 4a ist direkt, d. h. elektrisch leitend, mit dem oberen horizontal verlaufenden Rahmenteil 8a verbunden. Die zweite Sprühelektrodengruppe 4b ist direkt, d. h. elektrisch leitend, mit dem unteren horizontal verlaufenden Rahmenteil 8b verbunden. Die jeweils entgegengesetzten Enden der Sprühelek troden 4a, 4b sind unter Zwischenschaltung eines Isolierglie des I jeweils mit dem gegenüberliegenden Rahmenteil 8b bzw. 8a verspannt (vgl. Fig. 4 und 5).

Erfindungsgemäß sind nun die beiden Gruppen von Sprühelektro den 4a und 4b an separate Hochspannungsquellen 10, 11 ange schlossen, wobei erste Gruppe Sprühelektroden 4a allesamt pa rallel geschaltet sind und z. B. an den Minuspol der ersten Hochspannungsquelle 10, die zweite Gruppe Sprühelektroden 4b ebenfalls parallel geschaltet sind und an den gleichnamigen Pol der zweiten Hochspannungsquelle 11 angeschlossen sind. Im Falle der Ausführung nach den Fig. 3 bis 5 übernehmen dabei die horizontalen Rahmenteile 8a und 8b die Funktion von Sam melschienen, wobei die Isolierglieder I, z. B. Nylonfäden oder dergleichen, zur Potentialtrennung dienen. Die anderen gleich namigen Pole der beiden Hochspannungsquellen 10, 11 sind un tereinander verbunden und je mit den beiden Abscheideelektroden 1, 2, die auf Erdpotential liegen, verbunden.

Wird nun die erste Hochspannungsquelle 10 aktiviert, bewirken die Koronaentladungen zwischen der ersten Gruppe Sprühelektro den 4a und den Abscheideelektroden 1 und 2 kompakte Staubab lagerungen im Einflußbereich A dieser Sprühelektroden 4a (Fig. 8 - die Feldlinien sind dort durch ausgezogene Linien symbolisiert). Wird nun die erste Gruppe Sprühelektroden 4a abgeschaltet und die zweite Gruppe Sprühelektroden 4b einge schaltet, so "wandert" der Einflußbereich B um einen Sprüh elektrodenabstand weiter. Das sich nun ausbildende Feld ist in Fig. 8 durch strichlierte Feldlinien symbolisiert. Aus Fig. 8 erkennt man sehr gut, daß ein Verschmieren der Einflußbe reiche der beiden Sprühelektrodengruppen stattfindet, das eine Vergleichmäßigung der Staubablagerung auf den Abscheideelek troden 1, 2 zur Folge hat. Danach wird wieder auf die erste Gruppe Sprühelektroden 4a zurückgeschaltet.

Im zeitlichen Mittel lassen sich auf diese Weise hohe Strom dichten erreichen und damit große Menge Staub abscheiden. Durch das ständige Hin- und Herschalten ergibt sich zudem eine kompakte Staubschicht auf den Abscheideelektroden 1, 2, die durch das durch den Abgaskanal 3 strömende Gas nicht so leicht wieder abgetragen werden kann, d. h. die Abscheideleistung er höht sich bei gleichbleibenden Bauvolumen des Elektrofilters.

Die Umschaltung der Sprühelektrodengruppen erfolgt selbstver ständlich nicht von Hand, sondern erfolgt mittels einer Steuereinrichtung 12, an welche die beiden Hochspannungsquel len 10, 11 angeschlossen sind. Zu diesem Zweck sind die beiden Hochspannungsquellen als Schaltnetzteile (engl. "switch-mode power supply") ausgebildet mit Schaltfrequenzen von typisch 20 bis 50 kHz. Derartige Schaltnetzteile sind Stand der Technik. Ihre Ausgangsspannung läßt sich durch externe Steuersignale in wenigen Mikrosekunden ein- und auch wieder einschalten. Die Taktfrequenz für das Zu- und Abschalten der Sprühelektroden gruppen 4a, 4b - sie liegt typisch in der Größenordnung 50 Hz bis 10% der Schaltfrequenz - kann auf diese Weise in weiten Grenzen variiert werden und gestattet eine einfach durchzufüh rende Optimierung der Spannungsversorgung des Elektrofilters.

Die Ausgangsspannung von Schaltnetzteilen läßt sich auch zwischen zwei vorgegebenen Werten hin- und herschalten. Diese Eigenschaft macht sich eine Weiterbildung der Erfindung zunutze:

Um zu verhindern, daß sich unerwünschte Koronaentladungen zwischen benachbarten Sprühelektroden 4a, 4b ausbilden, sollte das Potential der (momentan) abgeschalteten Sprühelektroden nicht bis auf Nullpotential abfallen, sondern während dieser Phase nur auf einen Wert gesenkt werden, der wenig unterhalb der Einsatzspannung der Koronaentladung (engl. "corona onset voltage") liegt.

In den Diagrammen gemäß Fig. 6 und 7 sind die an den beiden Sprühelektrodengruppe 4a, 4b gegenüber Erdpotential anstehen den Spannungen U_A bzw. U_B in ihrem zeitlichen Verlauf darge stellt. Zu beachten ist dabei, daß jeweils die Spannung an den Sprühelektroden im "abgeschalteten" Zustand nur wenig un ter die Einsatzspannung U_C der Koronaentladung fällt.

Das gleiche Resultat läßt sich erzielen, wenn die Vorspan nungserzeugung (= Einsatzspannung U_C der Koronaentladung) für beide Sprühelektrodengruppen 4a, 4b mittels separater Gleich spannungsquellen 13, 14 erfolgt, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Zur gleichspannungsmäßigen Entkopplung der Hochspan nungsquellen 10, 11 sind dann Trennkondensatoren 15, 16 vorgesehen.

Anstelle zweier separater Gleichspannungsquellen kann auch für die Vorspannungserzeugung eine einzige Gleichspannungsquelle 17 gemäß Fig. 10 vorgesehen sein. In diesem Fall sorgen Trenn drosseln 18, 19 für die gleichspannungsmäßige Entkopplung der Sprühelektrodengruppen 4a, 4b.

Die Erfindung wurde im vorstehenden anhand eines Elektrofil ters mit zwei Gruppen Sprühelektroden 4a, 4b erläutert. Es versteht sich von selbst, daß die erfindungsgemäßen Zu- und Abschaltung von Sprühelektrodengruppen auch für drei und mehr Gruppen vorgesehen werden kann.

Bezugszeichenliste

1, 2 Abscheideelektroden
3 Abgaskanal
4a, 4b Sprühelektroden
5 oberes Isolierteil
6 Anschlußarmatur
7 Gewicht
8a oberes horizontales Rahmenteil
8b unteres horizontales Rahmenteil
9, 9′ vertikale Rahmenteile
10, 11 Hochspannungsquellen
12 Steuereinrichtung
13, 14, 17 Gleichspannungsquellen
15, 16 Trennkondensatoren
18, 19 Trenndrosseln
I Isolierglieder.

Claims

1. Einrichtung zur Entstaubung von Abgasen aus Verbrennungs anlagen und Verbrennungsmaschinen mit negativen Sprühelek troden (4a, 4b) und jeweils beidseitig davon angeordneten Abscheideelektroden (1, 2), welche zwischen sich einen Ab gaskanal (3) definieren, durch welche das zu entstaubende Abgas im wesentlichen senkrecht zu den Sprühelektroden geführt ist, und einer an die Sprühelektroden angeschlos senen Hochspannungsquelle (10, 11), deren einer Pol mit den Sprühelektroden und deren anderer Pol an die Abschei deelektroden (1, 2) angeschlossen ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sprühelektroden (4a, 4b) gruppenweise an eine Hochspannungsquelle (10, 11) anschaltbar sind, und daß zwischen jeder Sprühelektrode der einen Gruppe (4a) eine Sprühelektrode der anderen Gruppe(n) angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühelektroden (4a, 4b) in einem Rahmen mit zwei in Strömungsrichtung des Abgases verlaufenden elektrisch leitenden Rahmenteilen (8a, 8b) und quer dazu verlaufenden Rahmenteilen (9, 9′) aus Isoliermaterial gehalten sind, wobei die Sprühelektroden der einen Gruppe (4a) direkt mit dem einen elektrisch leitenden Rahmenteil (8a), die jenigen der anderen Gruppe mit dem anderen elektrisch leitenden Rahmenteil (8b) elektrisch verbunden sind, und daß die anderen Enden der Sprühelektroden (4a, 4b) je weils isoliert am gegenüberliegenden elektrisch leitenden Rahmenteil (8b, 8a) befestigt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß jeder Gruppe von Sprühelektroden eine eigene Hochspannungsquelle (10, 11) zugeordnet ist, und die Hochspannungsquellen von einer Steuereinrichtung (12) gesteuert sind, derart, daß beim Zuschalten der einen Gruppe Sprühelektroden die Spannung an der anderen Gruppe Sprühelektroden zumindest auf eine Spannung reduziert wird, die unterhalb der Einsatzspannung (U_C) der Korona entladung liegt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß Mittel (13, 14) zur Erzeugung einer ständig an den Sprühelektroden aller Gruppen anliegenden Vorspannung vorgesehen sind, welche Vorspannung unterhalb der Ein satzspannung (U_C) der Koronaentladung liegt.