DE4431816A1 - Filter mit keramischen Filterkerzen für Gase hoher Temperatur und hohem Druck - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft aus hohlen und porösen Zylindern beste­ hende Filterelemente, die an einem Ende geschlossen und am an­ deren Ende offen sind und aus keramischem Werkstoff bestehen. Die Filtrierung erfolgt derart, daß die Verunreinigungen/Staub enthaltenden Gase das Filterelement von außen durchströmen und auf der Außenseite sich die vom Gas mitgeführten Partikel abla­ gern, während vom Inneren die gereinigten Gase abgezogen wer­ den. Mit zunehmender Filtrierungsdauer nimmt die sich auf der Außenseite ablagernde Schmutzschicht und gleichzeitig der Durchströmwiderstand für Gas durch ein Filterelement zu. Um den Filter zu regenieren, muß im Innern des Filterelementes ein Überdruckimpuls wirksam werden, bei dem für einen Augenblick die Strömungsrichtung des Gases umkehrt und die außen am Fil­ terelement haftende Schmutzschicht abgelöst wird.

Da der Wärmedehnungskoeffizient keramischer Werkstoffe etwa drei- bis viermal kleiner ist als der von Stahl, treten grund­ sätzliche Schwierigkeiten bei der Verbindung dieser Werkstoffe auf. Andererseits ist die Zugfestigkeit keramischer Werkstoffe viel geringer als ihre Druckfestigkeit, was als weiterer Faktor bei der Befestigung oder sonstigen Verwendung solcher Elemente berücksichtigt werden muß.

In industriellen Anwendungen ist die Anzahl dieser Filterele­ mente bedeutend angestiegen, da ihr Einsatz ein optimales Ver­ hältnis von Filtervolumen zu Filteroberfläche ermöglicht.

Bei bisher bekannten, einfacheren Filtern sind die Filterele­ mente in bzw. von einer Rohrwand hängend angeordnet, wobei die Filterelemente von oben herunterhängen. Wenn das obere Ende der Filterkerze kugelförmig (erweitert) ist, entsteht eine Bettung mit einem guten Sitz auf der Dichtung, die zwischen Filterele­ ment und der Rohrwand (Rohrboden) angeordnet ist. Das Festhal­ ten des Filterelementes am Rohrboden erfolgt mittels eines oben auf der Filterkerze angeordneten oder von oben wirkenden Gewichtes. Die Rohrwand (Rohrboden) teilt den Filterbehälter in zwei Bereiche, einen sauberen oberen und einen verschmutzten unteren Bereich.

Wenn die Anzahl der Filterelemente erhöht werden soll, müssen der Durchmesser des Rohrbodens und gleichzeitig seine Wandstär­ ke vergrößert werden, womit man an die Grenzen der Baugruppe stößt. Die Abdichtung der Elemente mit Hilfe des Andrück- oder Gegengewichtes kann in bestimmten Fällen, wenn der Verlust am Filterdurchsatz gewisse Werte übersteigt, aufgrund der Entla­ stung bzw. des Abhebens der Filterkerzen versagen.

Wird die Fixierung der Filterkerzen verstärkt, was die Andrück- oder Gegengewichte ermöglichen, so kann sich dies auf die Fil­ terkerzen wegen des Auftretens von Biegemomenten im Fixierungs­ bereich schädlich auswirken.

Aus der Europa-Patentschrift 0 328 862 ist ein Filter bekannt, bei dem die Filterkerzen durch horizontale derart geformte Kollektoren vertikal abgestützt sind, daß die Abdichtung der Filterkerzen durch ihr Eigengewicht und mit Hilfe des sich während der Filtration einstellenden Differenzdruckes stattfin­ det. Zusätzlich ist oben auf den Filterkerzen ein Gewicht ange­ ordnet. Zur bestmöglichen Raumausnutzung können im Innern des Filterbehälters Sammeleinrichtungen und Filterkerzen auf unter­ schiedlichen Höhen angeordnet sein.

Während des Reinigungszeitpunktes baut sich in Abhängigkeit von der Dicke der Staub- oder Schmutzschicht und deren Durchlässig­ keit im Innern der Filterelemente ein Druck auf, wobei auch in diesem Fall die Abdicht- oder Andrückkraft der Filterkerzen durch Abheben der Filterkerzen verlorengehen kann. Zusätzlich dazu lagert sich der herabfallende Staub dicht am Andrückbe­ reich ab, und im Falle eines Lecks an der Anschlußstelle kann dann eine größere Staubmenge in das gefilterte Gas mitgezogen werden.

Erfindungsgemäß wird ein Filter vorgeschlagen, bei dem ein wesentliches Merkmal darin besteht, daß die Abdicht- oder An­ drückkraft der Filterkerzen diese stets unter Pressung hält. Diese Kraft ist größer als sie mittels Gegengewicht erreichbar ist, und darüber hinaus ist sie mit Hilfe der Überwachung des Druckes im Innern von aufweitbaren/dehnbaren Dichtungen eine leicht steuerbare Kraft.

Im besonderen zeichnet sich der erfindungsgemäße Filter dadurch aus, daß die Filterkerzen über Einmündungen in den unteren Ab­ schnitt erster Sammeleinrichtungen sowie über als untere Ab­ stützung dienende Dehnelemente verfügen.

Ausführungsbeispiele des Filters gemäß der Erfindung sind nach­ folgend anhand von Zeichnungen näher erläutert, in denen Ein­ zelteile, solange der Erfindungsgedanke erhalten bleibt, aus­ wechselbar sind. Es zeigen, jeweils schematisch:

Fig. 1 einen Aufriß des erfindungsgemäßen Filters,

Fig. 2 eine Draufsicht auf Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung der Filterkerzenanordnung aus Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine halbgeschnittene Darstellung einer anderen Aus­ führungsform der unteren Filterkerzenabstützung und

Fig. 5 eine geschnittene Darstellung einer anderen Ausfüh­ rungsform des oberen Anschlusses zwischen Filterkerze und Sammeleinrichtung.

Nachfolgend ist ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung beschrieben, ohne damit andere grundsätzlich gleichwirken­ de Ausführungsformen auszuschließen.

In einem Behälter 9 ist ein Einlaß 11 für zu filternde verun­ reinigte Gase und ein Auslaß 12 für die ungefilterten festen Reststoffe, z. B. Asche, vorgesehen.

Die verunreinigten Gase werden durch Filterkerzen 8 aus kerami­ schem Material gefiltert, die zur Weiterleitung des schon ge­ filterten, sauberen Gases in erste Sammeleinrichtungen 1 mün­ den, die ihrerseits an eine ihnen jeweils zugeordnete zweite Sammeleinrichtung 2 angeschlossen sind, die wiederum in eine Hauptsammeleinrichtung 13 einer weiterführenden Leitung für sauberes Gas münden.

Aufgrund der Tatsache, daß die Arbeitstemperaturen etwa 800°C erreichen können und dementsprechend große Wärmeausdehnungen auftreten, daß ferner Arbeitsdrücke etwa 16 atm oder mehr be­ tragen und deshalb der zylindrische Behälter 9 erforderlich sind, und daß eine wirtschaftliche Raumausnutzung angestrebt wird, bilden die ersten Sammeleinrichtungen 1 zusammen mit ihrer jeweils zugehörigen zweiten Sammeleinrichtung 2 einen rautenförmigen oder rhomboedrischen Modul r.

Bei dieser praktischen Ausführungsform (Fig. 2) sind die ersten Sammeleinrichtungen 1 an einem Ende durch Schweißung 20 an die zweite Sammeleinrichtung 2 angeschlossen und weisen an ihrem anderen Ende ein gemeinsames Anschlußelement 21 auf, das bei­ spielsweise in zwei Auflageschienen oder -streifen 22 gleitend abgestützt ist, die entweder beide am Behälter 9 oder, wie in Fig. 2, das eine an der zweiten Sammeleinrichtung 2 und das andere am Behälter 9 befestigt sein können.

Die Anordnung der Filterkerzen 8 mit ihren Anschlußversiegelun­ gen ist in Fig. 3 dargestellt.

Am oberen Ende der Filterkerze 8 ist eine Sockelhülse 5 vorge­ sehen, die in diesem Beispiel aus Metall besteht, an die erste Sammeleinrichtung 1 angeschweißt ist, als Halterung oder Ein­ spannung der Filterkerze 8 dient und innen eine Versiegelungs­ dichtung 6 aus keramischen Material, beispielsweise aus Kera­ mikfaser enthält, die insbesondere im Hinblick auf Wärmeausdeh­ nungen, Dichtigkeit, Ausfluchtung der Krafteinwirkungen etc. eine vollkommene Verbindung und technische Funktionsweise ge­ währleistet.

Die bestehende Verbindung 5, 6 zwischen der Filterkerze 8 und der ersten Sammeleinrichtung 1, verhindert in dem unterhalb von ihr befindlichen Bereich Ansammlungen von Staub, und möglicher­ weise auftretende, quer durch besagte Verbindung verlaufende kleine Lecks werden lediglich eine vernachlässigbare Staubmenge verursachen.

Für jede Filterkerze 8 ist eine Halterung 4 vorgesehen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit ersten und zweiten Sammel­ einrichtungen 1, 2 verbunden ist.

Diese Halterung 4 kann mittels zugehöriger Trennelemente mit benachbarter angrenzender (Halterungen) aus jedem rautenförmi­ gen Modul r verbunden sein und somit Rahmen wie in Fig. 1 bilden.

Jede Filterkerze 8 stützt sich auf der jeweiligen Halterung 4 mittels einer Expansions- oder Dehndichtung 3 ab, die in man­ chen Fällen durch eine Druckfeder ersetzt sein kann.

Die Expansions- oder Dehndichtung 3 umfaßt bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel

• - einen ersten Blindflansch 23, der die Filterkerze 8 unmittel­ bar abstützt,
• - einen zweiten Blindflansch 24, der auf der Halterung 4 auf­ sitzt,
• - einen Balg 25 aus unbehandelten Keramikfasern,
• - eine auf eine Richtung beschränkte Führung 26 mit Anschlag und
• - eine aus Keramikfasergewebe bestehende Verbindung 28 zwischen den Flanschen 23 und 24.

Der Innenraum 27 der Dehndichtung 3 steht über einen Anschluß 7 mit einer äußeren Druckquelle in Verbindung.

Die Dehndichtung 3 ist unter Vorspannung derart eingebaut, daß sie bei kalten Bedingungen unter eigener axialer Druckkraft wie eine Feder auf den unteren Abschnitt des Keramikelementes 8 wirkt und dies gegen die erste Sammeleinrichtung 1 angepreßt hält.

Je nachdem, welche Temperatur der Filter erreicht, wird die Dehndichtung 3 über den Anschluß 7 derart unter Druck gesetzt, daß sie mittels einfacher Überwachung des Druckes im Innern der Dichtung 3 eine steuerbare Kraft auf das Filterelement 8 aus­ übt. Diese Kraft ist unabhängig von Durchsatzausfällen bzw. -unterbrechungen oder vom Gewicht des Systems und bleibt wäh­ rend der gesamten Funktionsdauer des Filters konstant; dennoch dürfen sich diese Bedingungen im Gebrauch ändern, da ja der durch den Anschluß 7 zu übertragende Druck überwacht wird.

In Fig. 4 erkennt man bei einer anderen Ausführungsform, daß am Halterungsträger 4 für die die Filterkerzen 8 stützenden Dehn­ dichtungen durch Schweißung ein Außenmantel C_e und eine Boden­ platte t_f eines Dehnungskompensators 3₁ befestigt sind, der nach oben durch eine Deckelplatte t_s mit einer Öffnung O₁ ge­ schlossen ist, in der eine Distanzhülse C_d gleitend geführt ist. Der Dehnungskompensator 4 enthält einen Balg f, der oben mit der Deckelplatte t_s und unten mit einem Kopfstück cc ver­ bunden ist, dessen Durchmesser d₁ geringfügig kleiner ist als Innendurchmesser d₂ des Außenmantels C_e, so daß zwischen den beweglichen und den festen Bauteilen des Dehnungskompensators 3₁ ein abgedichteter Raum c_t entsteht.

Damit oberhalb des Kopfstückes cc der Distanzhülse C_d der Umgebungsdruck P₁ wirkt, enthält die Hülse C_d eine längliche Öffnung O₂. Während des Betriebs wirkt von unten auf das Kopf­ stück cc ein gesteuerter Druck P₂, der normalerweise höher als der Umgebungsdruck ist P₂ < P₁ und durch den sich die Höhenlage des Kopfes cc und somit die der Distanzhülse C_d steuern läßt.

Der Steuerdruck P₂ wird beispielsweise durch eine kalibrierte Öffnung O₃ der Bodenplatte t_f oder von der Seite her zugeführt.

Die Eichung der Öffnung O₃ kann wichtig sein, um im Falle eines Bruches im Dehnungskompensator 3₁ zu vermeiden, daß an einer Filterkerze 8 eine übermäßige Durchströmmenge verlorengeht und dadurch die Stabilität der anderen Filterkerzen 8 beeinträch­ tigt wird.

Viele der in solchen Filtereinrichtungen zur Anwendung kommen­ den Bauelemente, wie die Sammeleinrichtung 1 und der Halte­ rungsträger 4, stammen aus dem Apparatebau, der größere Ferti­ gungs- und Montagetoleranzen zuläßt als man bei der Verbindung eines Dehnungskompensators 3₁ mit einer Filterkerze 8 zulassen kann, woraus die Notwendigkeit entsteht, derartige Unstimmig­ keiten auszugleichen. Zu diesem Zweck ist auf die an ihrem obe­ ren Ende mit einem Gewinde versehene Distanzhülse C_d ein Aus­ gleichsteil s aufgeschraubt, das auf seiner Oberseite die Fil­ terkerze unterstützt. An der Distanzhülse C_d ist außerdem ein den Außenmantel C_e aufnehmender nach oben geschlossener Schutz­ mantel C_h befestigt.

Wenn im Lauf der Zeit die (porösen) keramischen Wände verstop­ fen, wird eine Reinigung der Filterkerzen durch Gegenströmung C_t entsprechend Fig. 5 notwendig.

Aufgrund des langen Weges von der Druckquelle zur Erzeugung des Gegenstroms bis zur letzten von diesem Druck erreichten Filter­ kerze werden die ersten bzw. stromauf liegenden Filterkerzen schnell gesäubert, während sich stromab die letzten Filterker­ zen noch am Beginn ihrer Reinigung befinden.

Unter diesen Umständen ist die Luft des Gegenstroms bestrebt, durch die bereits gereinigten Filterkerzen, in denen sie auf keinen Widerstand trifft, zu entweichen, womit die Reinigung der letzten Filterkerzen sogar noch erschwert wird.

Um dies Problem zu beseitigen, ist im Verbindungsweg zwischen Sammeleinrichtung 1 und Filterkerze 8 eine Begrenzung e für den Fluiddurchgang derart vorgesehen, daß der an ihr auftretende Durchsatz-Verlust Δh in dem Maß zunimmt, wie entsprechend Fig. 5 die Druckdifferenz zwischen dem Innendruck P₁ und dem Außen­ druck P₂ an der Filterkerze abnimmt, d. h., wie die Filterkerze gereinigt wird und dabei dem Luftdurchgang durch ihre Wände weniger Widerstand bietet.

Bei diesem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Hülse 5 eine Durchgangsöffnung O₃ mit einer Verengung e, in der mit zunehmender (Gegenstrom-)Luftgeschwindigkeit der lami­ nare Strömungszustand abgebaut wird und den Durchsatzverlust vergrößernde Turbulenzen zunehmen.

Die Hülse 5 ist an einer oberen Abschrägung 50 durch Schweißung mit der Sammeleinrichtung 1 verbunden und an ihrer Unterseite mit einer Aussparung 51 zum Einpassen der Filterkerze 8 und am Umfang mit einem Ringwulst 52 versehen, der als Anschlag für eine Sicherungsmuffe 53 dient, die außen entlang der Hülse gleitend beweglich ist, so daß sie in der angehobenen Stellung (unterbrochene Linien) die Filterkerze 8 beim Wiedereinsetzen oder Montieren frei läßt und in der herunterbewegten Stellung (ausgezogene Linien) als Buchsenmantel den oberen Abschnitt der Filterkerze 8 umfaßt oder in diesen eingreift, um dann deren Freigabe zu verhindern. In der Aussparung 51 kann wie im Beispiel von Fig. 3 eine Dichtung vorgesehen sein.

Claims (17)

1. Filter für unter hoher Temperatur und hohem Druck stehende Gase mittels keramischer Filterkerzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkerzen (8) mit ihren Mündungen an einem unteren Abschnitt erster Sammeleinrichtungen (1) angeschlossen und über als untere Halterung dienende Dehnelemente (3) abgestützt sind.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnelemente aufweitbare oder dehnbare Dichtungen (3) sind, deren Innendruck steuerbar ist.

3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnelemente aus Druckfedern bestehen oder diese enthalten.

4. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Filterkerzen (8) bezüglich jeder zuge­ ordneten ersten Sammeleinrichtung (1) in einer Reihe angeordnet sind, wobei jeweils ein(e) Verbund/Gruppe erster Sammeleinrich­ tungen (1) gemeinsam in eine zweite Sammeleinrichtung (2) mündet, die ihrerseits in eine Hauptsammeleinrichtung (13) als Ausgang für das gereinigte Gas mündet.

5. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede(r) Verbund/Gruppe erster Sammeleinrich­ tungen (1) mit der zugeordneten zweiten Sammeleinrichtung (2) ein rautenförmiges bzw. rhomboedrisches Modul (r) bildet.

6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das rau­ tenförmige bzw. rhomboedrische Modul (r) an mindestens einer seiner Seiten Gleitabstützungen (22) aufweist.

7. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede Dehndichtung (3) auf einer, insbesondere rahmenförmigen, Halterung (4) abgestützt ist.

8. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hal­ terung (4) an den ersten Sammeleinrichtungen (1) befestigt ist.

9. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede Filterkerze (8) über eine Sockelhülse (5), deren Inneres eine Verbunddichtung (6) aus keramischem Ma­ terial als Anlage für die Mündung der Filterkerze (8) enthält, mit der ersten Sammeleinrichtung (1) in Verbindung steht.

10. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dehndichtung (3) von vornherein vorge­ spannt ist und ihr Inneres bei ansteigender Temperatur unter Druck gesetzt wird.

11. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dehndichtung (3) über eine in eine Rich­ tung verlaufende Führung (26) mit einem Anschlag verfügt.

12. Filter nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halterungen (4) jedes Moduls (r) unterein­ ander verbunden oder vereinigt sind.

13. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dehndichtungen (3) jeweils aus einem Deh­ nungskompensator (3₁) bestehen, dessen Kolben aus einer Di­ stanzhülse (C_d) besteht, auf deren Oberteil ein Ausgleichsteil (s) aufgeschraubt ist, das an seiner Oberseite den Boden der Filterkerze (8) aufnimmt (Fig. 4).

14. Filter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Mündungsanschluß der Filterkerze (8) eine an der ersten Sammel­ einrichtung (1) befestigte Hülse (5) aufweist, auf der eine mit Anschlag (52) versehene Sicherungsmuffe (53) verschiebbar ist, wobei die Filterkerze (8) in die Unterseite der Hülse (5) ein­ gepaßt und an ihrem oberen Bereich durch die Sicherungsmuffe (53) als äußere Aufnahme überfaßt ist (Fig. 5).

15. Filter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehndichtung

• a) einen Außenmantel (C_e) und eine Bodenplatte (t_f) aufweist, die an einem Balkenträger (4) befestigt sind, und eine am Außenmantel (C_e) befestigte obere Deckelplatte (t_s) mit einer zentralen Öffnung (O₁), in der
• b) die Distanzhülse (C_d) verschiebbar geführt ist, deren Kopf (cc) im Innern des Außenmantels (C_e) gleitet, und
• c) einen Balg (f), der mit dem Deckelteil (t_s) und mit dem Kopf (cc) der Distanzhülse (C_d) fest verbunden ist.

16. Filter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzhülse (C_d) eine längliche Öffnung (O₂) aufweist, so daß sich in deren Innerem atmosphärischer Druck (P₁) einstellt, und daß eine Druckquelle zur Beaufschlagung mit Überdruck der zwi­ schen dem Kopf (cc) und der Bodenplatte (t_f) der Distanzhülse (C_d) gebildeten Kammer (C_t) vorgesehen ist.

17. Filter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mündung der Filterkerzen (8) in den unteren Abschnitt der ersten Sammeleinrichtung (1) im Bereich der Verbindungsöffnung Sammeleinrichtung-Filterkerze eine Verengung (e) für den Fluid­ durchgang vorgesehen ist, deren Durchsatzverringerung in dem Maß ansteigt, wie die Druckdifferenz zwischen dem Innern und dem Äußeren der Filterkerze (8) abnimmt.