DE4410213C1

DE4410213C1 - Verfahren zur Konditionierung von Abgasen

Info

Publication number: DE4410213C1
Application number: DE19944410213
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Kogelschatz
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Management AG
Priority date: 1994-03-24
Filing date: 1994-03-24
Publication date: 1995-08-31
Anticipated expiration: 2014-03-25
Also published as: WO1995025597A1; AU1753095A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Konditionie rung von Abgasen durch Einwirken von Schwefeltrioxid auf das Abgas und anschließende Abscheidung der im Abgas mitgeführten Partikel in einem elektrostatischen Filter.

Ein Verfahren dieser Gattung ist beispielsweise im Konferenz bericht von William G. Hankins und Ray E. George "A Novel, En ergy-efficient SO₃ Flue Gas Conditioning Process", 10th Parti culate Control Symposium, Washington D.D., April 5-8, 1993, Session B4 (Ash Properties and Particulate Collector Performance) bekannt.

Technologischer Hintergrund und Stand der Technik

Für die Entstaubung von Abgasen werden neben Schlauchfiltern hauptsächlich elektrostatische Filter verwendet. Die Abschei deleistung dieser Elektrofilter ist u. a. von der Zusammenset zung der Flugasche abhängig. Bei Flugasche mit geringer elek trischer Leitfähigkeit (spezifischer elektrischer Widerstand < 10¹¹ Ω cm) nimmt die Abscheideleistung drastisch ab. Der Grund für diese Abnahme liegt darin, daß die auf den Abscheideelektroden im Filter abgeschiedene Staubschicht (Filterkuchen) ein Hindernis für den zwischen Sprüh- und Abscheideelektroden fließenden Strom darstellt. Die Staubschicht wird dann so dick und hat einen derart hohen elektrischen Widerstand, daß an ihr ein Großteil der Span nung abfällt, so daß Spannungsüberschläge im Filterkuchen auftreten. Diese Spannungsüberschläge führen zu Gasentladungen an den Abscheideelektroden, ein Effekt, der in der Literatur mit Rücksprühen (engl. back corona oder back ionization) bezeichnet wird. Die Folge dieser (unerwünschten) Entladungen ist, daß Ionen mit entgegengesetzter Polarität freigesetzt werden, die sich in Richtung der Sprühelektroden bewegen und die Ladung der entgegenkommenden Staubpartikel erniedrigen. Ein weiterer unerwünschter Effekt ist darin zu sehen, daß durch das Rücksprühen bereits abgeschiedene Staubpartikel aus dem Filterkuchen herausgeschleudert werden.

Die geschilderten Vorgänge treten insbesondere bei der Abgas reinigung von kohlebefeuerten Kraftwerken auf, in denen Kohle mit niedrigem Schwefelgehalt verbrannt wird.

Um die Abscheideleistung der Abgasreinigungsanlage derartiger Kraftwerke zu erhöhen, wird seit langem dem Abgas vor dem Elektrofilter Wasserdampf, Schwefeltrioxid oder Ammoniak zuge setzt. Diese Zusätze - in vergleichsweise geringer Dosierung zugesetzt - erhöhen die elektrische Leitfähigkeit der Flug asche um eine oder mehrere Größenordnungen, haben jedoch den Nachteil, daß aufwendige Zusatzeinrichtungen zur Lagerung, Aufbereitung und Einbringen des Zusatz es in das Abgas vor dem Elektrofilter notwendig sind. So wird im eingangs zitierten Konferenzbericht zunächst elementarer Schwefel zu Schwefeldi oxid verbrannt und anschließend in einem Katalysator in Schwefeltrioxid umgewandelt, wobei komplizierte Randbedingun gen eingehalten werden müssen. Hinzu kommt, daß an einigen Standorten die Konditionierung durch Zusatz von Chemikalien nicht erwünscht oder gar durch gesetzliche Vorschriften nicht gestattet ist.

Bei einem anderen aus der US 5,011,516 bekannten Verfahren wird vor dem elektrostatischen Filter ein Teil des Schwefeldioxid enthaltenden heißen Abgasstroms katalytisch in Schwefeltrioxid umgewandelt und der so behandelte Teilstrom wieder in den Gashauptstrom eingedüst, der vor der Eindüsstelle auf eine niedrigere Temperatur herabgekühlt wurde.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Konditionierung von Abgasen anzugeben, das die Abscheideleistung im nachgeschalteten elektrostatischen Filter auch bei vergleichsweise geringen Schwefelkonzentrationen im Abgas erhöht und darüber hinaus ohne chemische Zusätze auskommt und einfach und wirtschaftlich durchzuführen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Abgas vor dem Eintritt in den elektrostatischen Filter durch eine Gasentladungsstrecke mit stillen elektrischen Entladungen geführt wird, welche Gasentladungsstrecke quer zum Abgasstrom angeordneten stab- oder gitterförmige Hochspannungs- und Masseelektroden aufweist, die an eine Hochspannungsquelle angeschlossen sind, wobei mindestens eine der Elektrodenarten, vorzugsweise die Hoch spannungselektroden, mit einem Dielektrikum versehen sind, in welcher Gasentladungsstrecke im wesentlichen aus dem im Abgas mitgeführten Wasserdampf OH-Radiakle erzeugt werden, die mit dem im Abgas stets vorhandenen Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid reagieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß in je dem Abgas, das von einer Verbrennungsanlage stammt, Wasser dampf enthalten ist. Ferner enthält Abgas aus derartigen Anla gen stets einen gewissen Anteil an Schwefeldioxid. Bei Feue rungen, in denen Kohle mit hohem Schwefelgehalt (1-10%) ver brannt wird, beträgt der Anteil Schwefeldioxid im Abgas ty pisch 1000 bis 2000 ppm SO₂. Selbst bei der Verbrennung von Kohle mit niedrigen Schwefelgehalt (0,1-1%) liegt der SO₂- Gehalt immer noch bei einigen Hundert ppm SO₂. Bedenkt man nun, daß zur Konditionierung des Abgases zwecks Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Filterkuchens im Elektrofilter lediglich 5 bis 10 ppm SO₃ erforderlich sind, erhellt, daß es genügt, auch bei extrem wenig Schwefeldioxid enthaltenden Ab gasen nur einen vergleichsweise kleinen Anteil des Schwefeldi oxid in Schwefeltrioxid umzusetzen, um die gewünschte Wirkung zu erhalten.

Die Erzeugung von OH-Radikalen aus Wasserdampf im Abgas und die anschließende Umwandlung von SO₂ in SO₃ erfolgt dabei in der Weise, daß in der elektrischen Entladung OH-Radikale ent stehen, diese einen Teil des SO₂ über die Zwischenstufe HSO₃ zu SO₃ und schließlich zu H₂SO₄ umwandeln. H₂SO₄ kondensiert auf den abzuscheidenden Staub- oder Aschepartikel und führt auf diese Weise zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit des Filterku chens auf den Abscheideelektroden des Elektrofilters.

H₂O in Form von Wasserdampf ist im Abgas reichlich vorhanden (typisch 6-9% und mehr). Der Hauptbestandteil des Abgases ist Stickstoff mit zwischen 70 und 75%. Wird in einem solchen Gasgemisch eine Gasentladung initiiert, so bilden sich in er ster Linie positive Ionen N₂+ und H₂O⁺. OH-Radikale entstehen durch Dissoziation von Wassermolekülen durch Kollisionen mit Elektronen

e + H₂O → e + H + OH (1)

und durch Ionen-Rekombinationen

H₂O⁺ + H₂O → H₃O⁺ + OH (2).

Die am häufigsten vorkommenden Ionenart N₂⁺ geht dabei nicht verloren, sondern gibt ihre Ladung an Wassermoleküle ab und nimmt damit an der Reaktionskette (2) teil:

N₂⁺ + H₂O → H₂O⁺ + N₂ (3).

Zusätzlich zu diesen Reaktionen bilden sich aus den Spezies N₂_* und O(¹D) OH-Radikale:

N₂_* + H₂O → OH + N₂ + O (4)

O(¹D) + H₂O → OH + OH (5)

Reaktionen von OH-Radikalen und SO₂ führen in einer sehr schnellen Dreierstoßreaktion zu HSO₃:

SO₂ + OH + M → HSO₃ + M (6)

worin M einen dritten Reaktionspartner bedeutet. Dieser kann irgendein Gasmolekül im Gasgemisch oder irgendeine Oberfläche sein, z. B. ein Flugaschepartikel sein. In einer zweiten sehr schnell ablaufenden Reaktion wird HSO₃ in SO₃ umgewandelt:

HSO₃ + OH → SO₃ + H₂O (7)

Dies führt bei den im Abgas herrschenden Bedingungen unmittel bar zur Bildung von H₂SO₄:

SO₃ + H₂O → H₂SO₄ (8)

Modellrechnungen haben ergeben, daß unter Bedingungen, die typisch für Abgas sind, die Reaktionen (1) bis (8) sich in etwa 0,1 ms abspielen. Somit gestaltet sich die Integration der Gasentladungsstrecke in die Abgasreinigungsanlage sehr einfach. Es sind keine großen Behandlungsstrecken notwendig. Die Gasentladungsstrecke kann in den Abgaskanal zwischen Kes sel und Filter z. B. als eigenständige und auch nachrüstbare Baueinheit eingebaut werden. Sie läßt sich jedoch auch direkt am Filtereintritt oder den Diffusor des Elektrofilters ein bauen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Entladungs strecke an Stellen vorzusehen, wo der Abgasstrom ohnehin umge lenkt oder auch abgelenkt werden muß.

Als Entladungstyp kommt vorzugsweise die stille elektrische Entladung (engl. dielectric-barrier discharge) in frage. Die ser Entladungstyp hat im Zusammenhang mit Ozonerzeugern große Bedeutung erlangt und ist sehr gut erforscht und dokumentiert. Die Entladungsstrecke besteht dabei aus einer Mehrzahl quer zur Abgasströmung angeordneter Hochspannungs- und Masseelek troden, die wechselsweise an die beiden Anschlüsse einer Wech selspannungsquelle angeschlossen sind. Ein Pol der Wechsel spannungsquelle liegt dabei auf Erdpotential und ist mit dem (regelmäßig) aus Metall bestehenden Abgaskanal bzw. Filterge häuse verbunden. Prinzipiell genügt es, wenn dabei eine der Elektrodentypen, z. B. die Hochspannungselektroden mit einer dielektrischen Schicht (Glas-, Keramik-, Email- oder Kunst stoff-Dielektrikum) überzogen sind.

Die Ausgangsspannung der Wechselspannungsquelle muß dabei so hoch sein, daß sich zwischen den Masse- und Hochspannungs elektroden stille elektrische Entladungen ausbilden. Die Fre quenz der Wechselspannungsquelle liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10 kHz und einigen 10 MHz, einem Frequenzbereich, den moderne Schaltnetzteile (engl. switch-mode power supply) lie fern können.

Daß durch elektrische Entladungen chemische Prozesse beeinflußt oder initiiert werden können ist an sich bekannt. So wird in der US 4,695,384 ein Verfahren beschrieben, bei welchem Schwefeldioxid und/oder Stickoxide in Mischung mit einem anderen Gas durch elektrische Entladungen in eine abscheidbare Substanz umgewandelt werden. Dabei wird jedoch ein spezieller Entladungstyp verwendet, der im englischen Sprachraum als "continous pulsed streamer corona discharge" bezeichnet wird. Die dabei anzulegenden Spannungen liegen in der Größenordnung mehrerer 10 kVolt, mit Ansteigsgeschwindigkeiten zwischen 10 ns und 10 µs und Pulsfrequenzen zwischen 1 Hz und 10 kHz. Allein die Bereitstellung einer geeigneten Spannungsquelle für diesen Entladungstyp ist mit erheblichen Kosten verbunden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung 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 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen Abgaskanal mit integrierter Entladungsstrecke, wobei Masse- und Hochspannungselektroden mit einem Dielek trikum beschichtet sind;

Fig. 2 einen vereinfachten Querschnitt durch die Entla dungsstrecke gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform einer Entladungs strecke, bei der nur ein Elektrodentyp mit einem Di elektrikum beschichtet sind;

Fig. 4 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Ent ladungsstrecke in einer Biegung des Abgaskanals ange ordnet ist;

Fig. 5 eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der die Entladungsstrecke am Filtereintritt angeord net ist.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 der Zeichnung gelang mit Partikeln beladenes Abgas aus einer Verbrennungsanlage 1, z. B. ein kohlebefeuerter Kes sel eines Kraftwerks, über eine Abgasleitung 2 zu einem elek trostatischen Filter 3. in der Abgasleitung 2 ist eine gene rell mit der Bezugsziffer 4 bezeichnete Entladungsstrecke vor gesehen, deren Aufbau aus Fig. 2 hervorgeht.

Quer zur Strömungsrichtung des Abgases sind im Beispielsfall abwechselnd drei Hochspannungselektroden 5 und zwei Masseelek troden 6 eingebaut. In der Praxis ist die Anzahl der Elektro den erheblich größer. Alle Elektroden 5, 6 weisen einen me tallischen Kern auf und sind mit einem Dielektrikum 7 be schichtet. Die Elektroden können wie in Fig. 1 und 3 darge stellt kreisrunden Querschnitt haben. Sie können jedoch auch plattenförmig sein, wobei dann die Platten parallel zur Strö mungsrichtung des Abgases verlaufen. Das Dielektrikum 7 be steht aus Glas, Quarz, Email, Keramik oder einem gefüllten Kunststoff, also Materialien, wie sie auch beim Bau von Ozon erzeugern seit vielen Jahren verwendet werden. Weil es aus reicht, wenn nur ein Elektrodentyp mit einem Dielektrikum 7 beschichtet ist, sind in der alternativen Ausführung der Ent ladungsstrecke 4 gemäß Fig. 3 nur die Hochspannungselektroden 5 mit einem Dielektrikum versehen.

Der Abstand zwischen benachbarten Elektroden beträgt wenige Millimeter bis 50 mm. Die Masseelektroden 6 sind jeweils par allelgeschaltet und mit dem einen auf Erdpotential liegenden Anschluß einer Hochspannungsquelle 8 verbunden. Die Abgaslei tung liegt ebenfalls auf Erdpotential. Die Hochspannungselek troden 5 sind gleichfalls parallelgeschaltet und an den ande ren Pol der Hochspannungsquelle 8 angeschlossen. Die Hochspan nungsquelle 8 liefert eine Wechselspannung, deren Spannung so hoch ist, daß sich zwischen den Masse- und Hochspannungselek troden 6 bzw. 5 stille elektrische Entladungen ausbilden, also typischerweise im Bereich 10-100 kV. Die Frequenz der Wech selspannungsquelle liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10 kHz und einigen 10 MHz, einem Frequenzbereich, den moderne Schaltnetzteile (engl. switch-mode power supply) liefern kön nen.

Bei einer praktischen Realisierung der Erfindung ist die Ent ladungsstrecke 4 vorzugsweise als separate Baueinheit ausge bildet und kann leicht in den Abgaskanal eingebaut werden.

In Fig. 4 ist veranschaulicht, wie sich die Entladungsstrecke 4 mit Leiteinrichtungen an einer Umlenkstelle der Abgasleitung 2 kombinieren lassen. Dort sind die Hochspannungselektroden und die Masseelektroden als gebogene Platten 5a bzw. 6a ausgebil det, die jeweils mit einer dielektrischen Schicht 7a versehen sind.

Fig. 5 schließlich zeigt eine Möglichkeit, die Entladungs strecke direkt in den Einlaß oder Diffusor 3a des elektrosta tischen Filter 3 einzubauen. Die Masse- und Hochspannungselek troden können analog Fig. 1 bis 3 stabförmig ausgebildet sein. Hier dienen als Masseelektroden zwei planparallel zueinander verlaufende Drahtgitter oder Lochbleche 9a und 9b, zwischen denen ein weiteres Drahtgitter oder Lochblech 10 isoliert vom Filtergehäuse angeordnet ist. Dieses Drahtgitter oder Loch blech 10 ist allseits mit einer dielektrischen Schicht (nicht eingezeichnet) versehen, z. B. emailliert. Eine derartige Elek trodenkonfiguration kann selbstverständlich auch bei der An ordnung der Entladungsstrecke im Abgaskanal gemäß Fig. 1 und 3 verwendet werden.

Im Betrieb und bei eingeschalteter Hochspannung laufen bei al len Ausführungsformen die eingangs anhand von Summenreaktionen geschilderten Vorgänge ab. Der im Abgas stets vorhandene Was serdampf reagiert - initiiert durch die Entladungen in der Ent ladungsstrecke 4 mit dem ebenfalls vorhandenen Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid und schließlich zu Schwefelsäure, die auf den Staubpartikel kondensiert und letztendlich die Leitfähig keit des Filterkuchens erhöht, der sich auf den Abscheide elektroden des elektrostatischen Filters 2 bildet.

Bezugszeichenliste

1 Verbrennungsanlage
2 Abgasleitung
3 elektrostatisches Filter
5, 5a Hochspannungselektroden
6, 6a Masselektroden
7 Dielektrikum
8 Hochspannungsquelle
9a, 9b, 10 Metallgitter

Claims

1. Verfahren zur Konditionierung von Abgasen durch Einwirken von Schwefeltrioxid auf das Abgas und anschließende Abscheidung der im Abgas mitgeführten Partikel in einem elektrostatischen Filter (3), dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas vor dem Eintritt in den elektrostatischen Filter (3) durch eine Gasentladungsstrecke (4) mit stillen elektrischen Entladungen geführt wird, welche Gasentladungsstrecke quer zum Abgasstrom angeordneten stab- oder gitterförmige Hochspannungs- (5, 5a, 10) und Masseelektroden (6; 9a, 9b) aufweist, die an eine Hochspannungsquelle (8) angeschlossen sind, wobei mindestens eine der Elektrodenarten, vorzugsweise die Hoch spannungselektroden, mit einem Dielektrikum (7) versehen sind, in welcher Gasentladungsstrecke im wesentlichen aus dem im Abgas mitgeführten Wasserdampf OH-Radiakle erzeugt werden, die mit dem im Abgas stets vorhandenen Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid reagieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Abgas in der zwischen Verbrennungsanlage (1) und elektrostatischen Filter (3) befindlichen Abgasleitung (2) eingewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Abgas am Gaseintritt in das elektrostatische Fil ter (3) eingewirkt wird.