DE4403855A1

DE4403855A1 - Einrichtung zur Entfernung von Staubpartikeln aus Abgasen

Info

Publication number: DE4403855A1
Application number: DE19944403855
Authority: DE
Inventors: Andreas B Dr Kwetkus
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1994-02-08
Filing date: 1994-02-08
Publication date: 1995-08-10

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Entfernung von Staubpartikeln aus Abgasen, mit einem in einem Filterge häuse angeordneten Oberflächenfilter welcher Oberflächenfil ter im wesentlichen in Gruppen angeordnete zylindrische Filte relemente umfaßt, und wobei jeder Gruppe und/oder jedem Fil terelement zumindest eine Hochspannungselektrode zugeordnet ist und jedes Filterelement eine Masseelektrode aufweist, die entweder an dessen Oberfläche oder im Filterelement selbst liegt, und mit einer Hochspannungs-Gleichstrommquelle zur Er zeugung eines elektrischen Feldes zwischen den Hochspannungs- und Masseelektroden.

Eine Einrichtung dieser Art ist beispielsweise aus der US-A- 5,217,511 bekannt.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

Zur Abscheidung von Staubpartikeln aus Abgasen, z. B. Rauchga sen von kohlebefeuerten Verbrennungsanlagen, haben sich neben Elektrofiltern sogenannte Oberflächenfilter (engl. fabric fil ters) durchgesetzt. Das zu entstaubenden Abgas gelangt über eine Abgasleitung in den Filter. Bei Passieren des Oberflä chenfilters, der regelmäßig als Schlauchfilter ausgebildet ist, setzen sich die Staubpartikel auf der äußeren Oberfläche des Filterschlauches ab. Sie werden in regelmäßigen Abständen durch Klopf- oder Rüttelvorrichtungen oder auch Druckluft stöße entfernt und gelangen in trichterförmige Sammler am Bo den des Filtergehäuses.

Die sich dabei auf dem Filterschlauch aufbauende Staubschicht wirkt dabei ebenfalls als Filter. Wird diese Staubschicht zu dick und/oder zu kompakt, führt dies zu Strömungsverlusten, die durch öfteres Abreinigen verhindert werden müssen, was die Betriebskosten der Filteranlage erhöht. Auch ist der erzeugte Filterkuchen oftmals nur sehr schwer abzureinigen.

In der eingangs genannten US-A-5,217,511 werden Maßnahmen vorgeschlagen, um den Aufbau dieser Staubschicht zu beeinflus sen, und zwar dergestalt, daß sich die Staubpartikel als ver gleichsweise poröser Belag (Filterkuchen) auf dem Filtermate rial absetzen. Dies wird durch die Kombination von zwei Naß nahmen erreicht: Die Staubpartikel werden zunächst durch einen Vorauflader geleitet und dort mittels Koronaentladungen auf geladen. Danach werden die nunmehr aufgeladenen Partikel in einem elektrischen Gleichfeld, das im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche verläuft, auf der sie abgeschieden werden sol len, abgeschieden. Dieses Gleichfeld wird dadurch erzeugt, daß im Inneren jedes Filterschlauchs eine gitterförmige Elek trode angeordnet ist, die auf Erdpotential liegt, die mit ei ner außerhalb des Filterschlauchs liegenden Koronaelektrode zusammenwirkt. Dies bedingt die Einhaltung enger Toleranzen, damit die Koronaentladungen überall möglichst gleichmäßig ist.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Entfernung von Staubpartikeln aus Abgasen zu schaffen, die ho he Abscheideraten ermöglicht und dabei einfach und wirtschaft lich herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Oberflächenfilter im Zuge der Abgasleitung unmittelbar hinter der Partikelquelle angeordnet ist, wo Temperaturen von 500°C und höher herrschen, daß die Anordnung und Ansteuerung der Hochspannungselektroden derart ausgebildet ist, daß im we sentlichen ein elektrostatisches Feld ohne Koronaentladungen zwischen den Hochspannungs- und Masselektroden sich ausbildet.

Der Erfindung liegt dabei folgende Erkenntnis zugrunde: Aus einem Verbrennungsprozeß stammende Partikel weisen eine na türliche, meist negative Partikelladung auf. Mit abnehmender Abgastemperatur und zunehmender Entfernung vom Verbrennungs raum verlieren sie diese Ladung immer mehr, weil sich zum einen ein thermodynamisches Gleichgewicht mit den Abgasen einstellt, und zum anderen Kontakte mit geerdeten Oberflächen (Rohrwänden etc.) die Partikel entladen.

Bringt man nun den Oberflächenfilter so nahe wie möglich an die Partikelquelle (Verbrennungsraum) heran, genügt ein elek trostatisches Feld, um an der Filteroberfläche den gewünschten lockeren porösen Filterkuchen zu erzeugen, der nicht nur leicht wieder zu entfernen ist, sondern auch auf Grund seiner Porösität einen vergleichsweise geringen Druckabfall im Abgas strom bewirkt. Infolge der wesentlich höheren Temperaturbean spruchung des Filtermaterials - erfahrungsgemäß liegen die Abgastemperaturen unmittelbar hinter dem Verbrennungsraum zwischen 500 und 900°C - werden die Investitionskosten für solche Filteranlagen höher, doch wird die Betriebssicherheit der Anlage erhöht, weil keine keine elektrischen Entladungen mehr auftreten.

Die Filterelemente sind gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung als selbstragende Strukturen ausgebildet. Im Gegen satz den bei niedrigen Temperaturen verwendeten Schlauchfil tern mit textilem Filtermaterial aus Polyaramid- oder Glasfa sern kommen für die Erfindung nur Filterelemente aus hochtem peraturfesten Materialien wie Keramik oder Metall in Frage.

Derartige Filterelemente sind bekannt und in der einschlägigen Literatur beschrieben. Sofern diese Filterelemente nicht aus Metall oder aus Keramik mit einem metallischen Träger beste hen, sind sie mit einer Masseelektrode zu versehen. Diese kann bei den handelsüblichen keramischen Filterkerzen, z. B. Schuma cher-Kerzen, durch eine poröse Metallbeschichtung oder ein Me tallgiter auf der Innen- oder Außenfläche des Filterelements hergestellt sein.

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

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

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

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Verbrennungsanlage mit ei nem in der Abgasleitung angeordneten Partikelfilter zur Entfernung von Staubpartikeln;

Fig. 2 einen vereinfachten Längsschnitt durch den Partikel filter gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen vereinfachten teilweisen Querschnitt durch den Partikelfilter gemäß Fig. 2, wobei die Hochspan nungselektroden innerhalb der Filterelemente ange ordnet sind;

Fig. 3 einen vereinfachten teilweisen Querschnitt durch einen Partikelfilter, bei dem die Hochspannungselek troden außerhalb der Filterelemente angeordnet sind;

Fig. 4 eine vereinfachte perspektivische Darstellung eines Filterelements, das aus einem Hohlzylinder aus Hoch temperatur-Keramik und einem den Hohlzylinder umge benden gitterförmigen Masseelektrode besteht.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die in Fig. 1 dargestellte Verbrennungsanlage mit Einrichtung zur Entfernung von Staubpartikeln aus Abgasen umfaßt einen Verbrennungsraum 1 mit einer Abgasleitung 2, an den sich un mittelbar ein Partikelfilter 3 in Form eines Oberflächenfil ters anschließt. Das von Staubpartikeln befreite Abgas ver läßt den Oberflächenfilter 3 und gelangt in eine optionale Gasreinigungsanlage 4. Hier werden gasförmige Schadstoffe wie Schwefeldioxid, Stickoxide und dergl. nach bekannten Methoden abgeschieden und in einer Aufbereitungsanlage 5 weiterverar beitet. Der im Partikelfilter 3 abgeschiedene Filterstaub wird in einer Entsorgungsanlage 6 behandelt, z. B. nach einem be kannten Verfahren verglast.

Erfindungsgemäß ist nun das Partikelfilter 3 so nahe am Ver brennungsraum 1 angeordnet - im Grenzfall bildet es mit der Verbrennungseinrichtung eine Baueinheit, daß sich die Ver brennungsgase und die mitgeführten Partikel nur unwesentlich abkühlen oder miteinander und/oder mit den Wänden der Abgas leitung in Wechselwirkung treten können. Auf diese Weise ver lieren die Partikel ihre durch den Verbrennungsprozeß hervor gerufene "natürliche" Ladung nicht.

Sie gelangen gemäß Fig. 2 in ein Filtergehäuse 7 mit einem Einlaß 8 und einem Auslaß 9. Die einzelnen Filterelemente 10, 11, 12 sind vertikal angeordnet und auf geeignete Weise im Filtergehäuse 7 gehalten. Sie bestehen aus Rohren aus Fiberme tall (vgl. Fig. 3). Derartige Filter sind bekannt und bei spielsweise in der Veröffentlichung von Fred K. Pethick "High Temperature Baghouse Operation Using a Unique Mettalic Fiber Filter Design", The User and Fabric Filtration Equipment Conf. Toronto/Canada, Sept. 1992, pp. 99-110, beschrieben und sind bis hin zu Temperaturen von 900°C verwendbar. Sie weisen eine vergleichsweise hohe Porösität (engl. void volume) von bis zu 80% auf, d. h. der Druckabfall im Filterelement ist sehr ge ring.

Alle Filterelemente sind am oberen Ende verschlossen, am unte ren Ende hingegen offen. Im Inneren der Filterelemente verläuft koaxial eine draht- oder stabförmige Hochspannungselektrode 13, die isoliert durch den oberen Verschluß und ebenso iso liert durch die Decke 7a des Filtergehäuses 7 geführt sind. Die (metallischen) Filterelemente 10, 11, 12 werden von einer Art Rohrboden 14 getragen und liegen - durch den Einbau be dingt - auf Nassepotential und bilden gleichzeitig die Maß elektroden. Eine Hochspannungs-Gleichstromquelle 15 dient zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes zwischen den Hoch spannungselektroden 13 und den Filterelementen 10, 11, 12.

Das zwischen 500 und 900°C heiße, staubbeladene Abgas ge langt durch den Einlaß 8 unten in das Filtergehäuse 7 und dann in das Innere der Filterelemente 10, 11, 12. Beim Passie ren der Filtermaterials lagern sich die Staubpartikel an der Innenwand der Filterelemente ab. Das von den Partikeln be freite Abgas verläßt den Partikelfilter durch den Auslaß 9.

Unter dem Einfluß des elektrostatischen Gleichfeldes zwischen den Hochspannungselektroden 13 und den auf Massepotential lie genden Filterelementen 10, 11, 12 lagern sich die Staubparti kel als lockere und damit gasdurchlässige Schicht (Filterkuchen) an der Innenwand der Filterelemente ab. Dieser wird dann in bestimmten Zeitabständen in bekannter Weise durch Klopf- oder anderen Einrichtungen entfernt und fällt in das sich trichterförmig verengende Bodenteil 7b des Filtergehäu ses.

Aufgrund der Tatsache, daß die Partikel im Filterelement noch einen Großteil ihrer natürlichen Ladung besitzen, erfolgt der Aufbau des Filterkuchens ohne daß eine Voraufladung erfolgen muß. Auch bedarf es keiner speziellen Elektrodengeometrie und entsprechender Spannungswerte, um gezielt Koronaentladungen zu erzeugen.

Anstelle von Hochspannungselektroden 13 im Inneren der Filter elemente 10, 11, 12 können die Hochspannungselektroden auch außerhalb der Filterelemente angeordnet sein, wie es in Fig. 4 veranschaulicht ist. Dies ist u. a. auch deshalb möglich, weil es bei der Erfindung nicht unbedingt darauf ankommt, ein mög lichst homogenes elektrisches Feld zu erzeugen. Das elektro statische Feld und die daraus resultierenden auf die Partikel einwirkenden Kräfte sorgen zusammen mit der Gasströmung für die Ausbildung eines porösen gasdurchlässigen und leicht ab zureinigenden Filterkuchens. Solche Filterelemente und die zu gehörigen (äußeren) Hochspannungselektroden 13′ können analog Fig. 2 in ein Filtergehäuse eingebaut werden, wobei in Abwei chung zu Fig. 2 das Innere der Filterelemente 10, 11, 12 gaseinlaßseitig verschlossen und gasauslaßseitig offen sind und der Rohrboden 14 am oberen Ende der Filterelemente liegt. Die Gasströmung vollzieht sich dann von außen durch die po röse Wand der Filterelemente in deren Inneres.

Neben der bevorzugten Ausbildung des Filterelements aus Me tallfibern sind auch andere Membranfiltermaterialien und An ordnungen möglich. So werden in der Publikation von William W. Greg et al. "Survey of Availiable Technology for High Tempera ture Dry Filtration to 2000°F", einer Arbeit, die an der sel ben Konferenz veröffentlicht wurde, wie die Arbeit von Pethick a.a.O., rohrförmige Filterelemente aus Alluminium-Bor-Sili zium-Keramik , die unter der Bezeichnung NEXTEL im Handel er hältlich sind, beschrieben. Auch sogenannte Filterkerzen und Kreuzstromfilter eignen sich für die vorliegende Erfindung. All diese Filter eignen sich für Temperaturen bis 950°C und sind selbsttragend. Um solche Filterelemente für den erfin dungsgemäßen Zweck einsetzen zu können, sind sie mit einer Masseelektrode zu versehen. Dies kann beispielsweise durch Aufbringen eines Drahtgitters 16 aus einem temperaturbeständi gem Material, z. B. Wolfram, auf die äußere oder innere Ober fläche des Filterrohres 17 erfolgen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die innere oder äußere Oberfläche mit einem temperaturbeständigen Metall zu beschichten, das aber die Po ren des keramischen Filtermaterials nicht zusetzt.

Bezugszeichenliste

1 Verbrennungsraum
2 Abgasleitung
3 Partikelfilter
4 Gasreinigungsanlage
5 Aufbereitungsanlage
6 Filterstaubentsorgung
7 Filtergehäuse
7a Decke von 7
7b trichterförmiger Boden von 7
8 Gaseinlaß
9 Gasauslaß
10, 11, 12 Filterelemente
13 Hochspannungselektrode
14 Rohrboden
15 Hochspannungsquelle
16 Metallgitter
17 Keramikrohr

Claims

1. Einrichtung zur Entfernung von Staubpartikeln aus Abga sen, mit einem in einem Filtergehäuse (7) angeordneten Oberflächenfilter , welcher Oberflächenfilter im wesent lichen in Gruppen angeordnete zylindrische Filterelemente (10, 11, 12) umfaßt, und wobei jeder Gruppe und/oder jedem Filterelement zumindest eine Hochspannungselektrode (13; 13′) zugeordnet ist und jedes Filterelement eine Nas seelektrode aufweist, die entweder an dessen Oberfläche oder im Filterelement selbst liegt, und mit einer Hoch spannungs-Gleichstromquelle (15) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen den Hochspannungs- und Mas seelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der Ober flächenfilter (3) im Zuge der Abgasleitung (2) unmittel bar hinter der Partikelquelle (1) angeordnet ist, wo Tem peraturen von 500°C und höher herrschen, daß die Anord nung und Ansteuerung der Hochspannungselektroden (13; 13′) derart ausgebildet ist, daß im wesentlichen ein elektrostatisches Feld ohne Koronaentladungen zwischen den Hochspannungs- und Masselektroden sich ausbildet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (10, 11, 12) rohrförmig ausgebildet sind und die Hochspannungselektrode (13) konzentrisch im Rohr inneren angeordnet ist, und daß als Masseelektrode ent weder das Filterelement selbst oder eine auf dem Filtere lement.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (10, 11, 12) rohrförmig ausgebildet sind und die Hochspannungselektrode (13) außerhalb des Filte relements angeordnet ist, und daß als Masseelektrode entweder das Filterelement selbst oder eine auf dem Fil terelement.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Filterelemente aus Metallfibern oder aus poröser Hochtemperatur-Keramik bestehen.