DE60008593T2 - Rohrförmige oder wabenförmige filterelemente aus metall als sicherheitsvorrichtungen bei der filterreinigung - Google Patents

Rohrförmige oder wabenförmige filterelemente aus metall als sicherheitsvorrichtungen bei der filterreinigung Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Heißgasreinigungsanlagen für Gas, das Turbinen zugeführt wird, und insbesondere eine Filterbaugruppe für solche Anlagen, welche eine Ganzmetall-Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung umfasst, die eine Anordnung von einzelnen kleinen Rohren aus porösen metallischen Werkstoffen oder eine poröse Konstruktion mit alternierenden Kanälen wie etwa ein wabenkörperförmiges Mittel aus metallischen Werkstoffen zum Auffangen von Partikeln enthält, wodurch zusätzliche Wärmeübertragungsflächen wie etwa Raschig-Ringe und Sieb-Baugruppen als Mittel zum Entfernen von Partikeln unnötig werden. Diese metallische Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung ist an einem Filterelement metallischen Typs befestigt.
  • HINTERGRUNDINFORMATION
  • Im Zusammenhang mit modernen industriellen Verfahren ist der Bedarf an einer Einrichtung entstanden, die in der Lage ist, hohe Temperaturen aufweisende Verbrennungsgase oder bei einer Vergasung entstehende Gase, die Feststoffpartikel enthalten, auf effiziente Weise zu filtern. Bei Anwendungen auf dem Gebiet der Verbrennungsturbinen verwendet zum Beispiel eine Verbrennungsturbine Energie, die aus heißen, unter Druck stehenden Verbrennungsgasen gewonnen wird, die durch das Verbrennen von Erdgas oder Propangas, Rohöldestillaten oder aschenarmem Heizöl erzeugt werden. Wenn Kohle und andere feste Brennstoffe verbrannt werden, können Feststoffpartikel, die von der Verbrennung dieser festen Brennstoffe mitgerissen werden, eine Erosion und eine Verschmutzung der Turbinenschaufeln verursachen. Eine wirksame Anlage zur Filtration solcher heißer Verbrennungsgase würde die Verwendung solcher fester Brennstoffe ermöglichen. Ein weiteres Beispiel hängt damit zusammen, dass beim herkömmlichen Kesselbetrieb die Kessel routinemäßig abgeschaltet werden, um die Kaminflächen zu reinigen und eine Inspektion durchzuführen. Eine effiziente Heißgasfiltrationsanlage würde die Lebensdauer eines Kessels und seine Betriebsdauer zwischen den Inspektionen beträchtlich verlängern. Eine Verschmutzung der Kaminfläche infolge von Ascheablagerungen und Korrosion würde verhindert oder auf ein Minimum reduziert.
  • Außerdem schützen Heißgasfiltrationsanlagen, als ein Hauptbestandteil von modernen, auf Kohle oder Biomasse basierenden energietechnischen Anwendungen, die dahinter angeordneten Wärmeaustauscher- und Gasturbinen-Bauteile vor Partikelverschmutzung und Erosion, indem sie das Prozessgas reinigen, so dass es den Anforderungen der Abgasvorschriften genügt. Wenn sie entweder in Anlagen mit druckaufgeladener Wirbelschichtfeuerung (DWSF; pressurized fluidized-bed combustion, PFBC) oder Anlagen mit zirkulierender Druckwirbelschichtfeuerung (pressurized circulating fluidized-bed combustion, PCFBC) oder Kombikraftwerke mit integrierter Vergasung (integrated gasification combined cycle, IGCC) eingebaut werden, sind niedrigere Kosten der nachgeschalteten Bauteile zu veranschlagen, zusätzlich zu einer verbesserten Energieausbeute, geringerem Wartungsaufwand und dem Wegfall zusätzlicher teurer Brennstoff- oder Rauchgasreinigungsanlagen. Die langfristige Leistungsfähigkeit, Haltbarkeit und Lebensdauer der Filterelemente als kritischer Komponenten und der zugehörigen Hochtemperaturdichtungen sind für den erfolgreichen Betrieb von Heißgasfiltrationsanlagen bei modernen Verbrennungs- und Vergasungs-Anwendungen wesentlich.
  • Die US-Patentschriften Nr. 5.185.019; 5.433.771 und 5.876.471 (Haldipur et al.; Bachovchin et al. bzw. Lippert et al.) lehren verbesserte Dichtungsbaugruppen, die bei herkömmlichen oder dünnwandigen Filtern mit Keramikkerze verwendet werden können. Alle drei weisen separate Halter/Kammern für Fail-Safe-Regeneratorblöcke auf. Bachovchin et al. lehren eine Kombination von vier Drahtsieben in der Kombination mit einem Bett von Partikeln, wie etwa Raschig-Ringen aus nichtrostendem Stahl, wie sie in 6 dargestellt sind. Feine Siebe fangen Feststoffpartikel in der Baueinheit auf und verhindern, dass die gesammelten Feststoffpartikel während des Rückspülimpulses freigesetzt werden. Die Raschig-Ringe bilden einen Wärmeregenerator, welcher die Impulse von kaltem Gas während der Rückspulung erwärmt. Lippert et al. zeigen in ihrer 4 eine weitere solche Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung, die fest in einem zugehörige Dichtungen aufweisenden Filtergehäuse angebracht ist, das wiederum mit einem Filter mit Keramikkerze in Kontakt steht. Die Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung verhindert auf ähnliche Weise, dass Feststoffpartikel in den Reingasbereich des Druckbehälters gelangen, wenn ein Keramikfilterelement ausfällt.
  • Obwohl diese Erfindungen zum technischen Fortschritt beitragen, werden verbesserte, über Siebe und Raschig-Ringe hinausgehende Möglichkeiten des Abscheidens von Partikeln benötigt, sowie die Eignung jeder neuen Baugruppe für die Nachrüstung vorhandener Filteranlagen. Außerdem ist eine noch effizientere Wärmeübertragung während der Vorgänge der Reinigung der Filterbaugruppe erforderlich.
  • Neben diesen Kerzenfiltern speziellen Typs wurden von anderen Autoren als Filter verwendete Wabenkonstruktionen bereitgestellt, wie es in den US-Patentanmeldungen Nr. 4.364.760 und 5.069.697 (Higuchi et al. bzw. Hamaguchi et al.) gelehrt wird. Diese Konstruktionen weisen durch den Körper hindurchführende parallele Kanäle auf, wobei eine Hälfte an einem Ende abgedichtet ist und die andere Hälfte am anderen Ende abgedichtet ist, zur Verwendung zum Auffangen von Ruß aus Gas bei Dieselmotoren. Diese Patente definieren die "Waben"-Konstruktion in der Filtertechnik.
  • In US 5.944.859 (Lipert et al.) wird eine Filterbaugruppe offenbart, die eine Fail-Safe-/Regenerator-Vorrichtung zur Filtration von Gas umfasst, welche poröse Filterelemente enthält. Sie enthält Heizelemente zum Erwärmen des zurückströmenden Gases während des Spülens des Filters, um einen Thermoschock für die Bestandteile des Filters zu verhindern.
  • Es besteht nach wie vor Bedarf an der Entwicklung von Filterkonfigurationen mit höherer Zuverlässigkeit für den Einsatz in modernen Anwendungen des kohlebeheizten Betriebs. Es besteht außerdem Bedarf an einer verbesserten Wärmeübertragung im Zusammenhang mit dem einströmenden kalten Gas, das während der Gegendruckreinigung der Filterelemente in die Filterelemente strömt. Schließlich wäre es wünschenswert, dass eine verbesserte Filterbaugruppe für einen Einbau in vorhandene Anlagen durch Auswechseln geeignet ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Deshalb besteht eine Hauptaufgabe dieser Erfindung darin, eine verbesserte Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung (Regenerator- Filter-Vorrichtung mit sicherheitsgerichtetem Ausfallverhalten) bereitzustellen, die eine verbesserte Filtrationsleistung aufweist und die beständig gegenüber Schwefel, Alkali, Chloriden, Dampf und anderen Fremdbestandteilen ist, die in Kohlengasströmen zu finden sind.
  • Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Wirksamkeit der Wärmeübertragung des Fail-Safe-/Regenerators während der Reinigungsvorgänge zu verbessern und eine Konstruktion bereitzustellen, die leicht durch Auswechseln in vorhandene Anlagen eingebaut werden kann.
  • Diese und weitere Aufgaben werden gelöst, indem eine Filterbaugruppe zur Filtration von Gas bereitgestellt wird, welche eine Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung und ein lang gestrecktes Filterelement in einem Druckbehälter einer Heißgasreinigungsanlage, der einen Eingang für verunreinigtes Heißgas aufweist, umfasst, wobei die besagte Filterbaugruppe folgendes umfasst: ein Filtergehäuse, wobei das besagte Filtergehäuse eine sich entlang des Umfangs erstreckende Seitenwand aufweist, wobei die besagte Seitenwand eine innere Kammer definiert; einen porösen, lang gestreckten Filterelement-Körper, der am unteren Ende der Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung befestigt ist; und eine aus einem Stück bestehende Ganzmetall-Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung, die ein oberes und ein unteres Ende aufweist und in der inneren Kammer des Filtergehäuses angeordnet ist, wobei die besagte Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung eine metallische Abstützung enthält, die an einer Vielzahl von porösen lang gestreckten Durchgangselementen befestigt ist, bei denen es sich wahlweise handeln kann um: 1) lang gestreckte Rohre, die ein unteres Ende mit Öffnungen aufweisen, und 2) Wabenelemente, die ein unteres Ende mit Öffnungen und eine Vielzahl von parallelen Durchgängen aufweisen, wobei die Durchgänge abwechselnd am oberen Ende und am unteren Ende abgedichtet sind, wobei die offenen unteren Enden dem Filterelement zugewandt sind. Die Durchgänge sind folglich entweder rohrförmig oder bilden eine wabenkörperförmige Patrone. Diese Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung ermöglicht vorzugsweise den Verzicht auf die Verwendung von Raschig-Ringen, Drahtsieben und ähnlichem, und die porösen Wände der Gasdurchgänge bieten eine große Oberfläche nicht nur zum Erwärmen des einströmenden Gasimpulses, sondern auch zum Auffangen kleinster Feststoffpartikel.
  • Es können vielfältige nachgiebige Dichtungen in vielfältigen Kombinationen verwendet werden, um die Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Einheit und das (die) Filterelement(e) abzudichten oder zu halten.
  • Die porösen metallischen Werkstoffe, die bei der Herstellung der Durchgänge der Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung verwendet werden, können entweder aus einer einzigen Pulverteilchen- oder Faserschicht (Membran) entlang vorzugsweise der inneren und/oder stattdessen der äußeren Flächen der Vorrichtung bestehen. Die Durchgänge können auch aus porösen, faser- oder vorzugsweise pulverförmigen, metallischen, intermetallischen, korrosionsbeständigen Superlegierungs-Zusammensetzungen hergestellt sein. Mit dieser Art von Durchgängen werden Partikelabscheidegrade von mehr als 99,99% für "Feinstoffe" von über 1 bis 5 μm (Mikron) und Kennziffern des Druckabfalls von weniger als 12,2 kPa/m/s bis 24,4 kPa/m/s (0,25 bis 0,50 Zoll Wassersäule (in-wg)/1 Fuß pro Minute (fpm)) erzielt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung kann auf die als Beispiel dienenden Ausführungsformen Bezug genommen werden, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, wobei:
  • 1 eine Längsschnittdarstellung eines Druckbehälters ist, der eine Filterbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
  • 2 eine Seitenansicht einer Anordnung von Filterbaugruppen ist, die Filterelemente enthalten, die mit einem Rohrboden verbunden sind, wie in 1 dargestellt ist;
  • 3 eine dreidimensionale Ansicht einer rohrförmigen Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung zeigt, die in 6 eingebaut dargestellt ist;
  • 4 eine dreidimensionale Ansicht einer Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung mit einem Wabenkörper aus porösen metallischen Werkstoffen zeigt, die in 7 eingebaut dargestellt ist;
  • 5 einen Teilquerschnitt der Filtervorrichtung von 4 zeigt, welcher den inneren Aufbau des Wabenkörpers zeigt;
  • 6, welche die Erfindung am besten beschreibt, eine Schnittdarstellung einer lang gestreckten rohrförmigen Filterbaugruppe ist, die eine Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung enthält, bei der rohrförmige Durchgänge zur Anwendung kommen, mit einem zugehörigen, damit verbundenen, porösen, hohlen Filterelement, und bei der eine Ausführungsform der Anbringung einer Dichtung verwendet wird; und
  • 7 eine Schnittdarstellung einer Wabenkörper-Filterbaugruppe ist, die eine Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung enthält, bei der wabenförmige Durchgänge aus porösen metallischen Werkstoffen zur Anwendung kommen, mit einem zugehörigen, damit verbundenen, porösen, hohlen Filterelement, und bei der eine Ausführungsform der Anbringung einer Dichtung verwendet wird.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt eine Filtrationseinrichtung 20 zum Herausfiltern von Feststoffpartikeln aus einem Gasstrom. Diese Einrichtung umfasst einen Druckbehälter 22, in welchem eine Vielzahl von Bauteilgruppen 24 angebracht ist, die eine Vielzahl von Filterelementanordnungen 26 umfassen. Diese Filterelementanordnungen 26 enthalten eine Vielzahl von metallischen, intermetallischen und/oder keramischen Filterelementen 28.
  • Der Druckbehälter 22 weist ein kuppelförmiges Kopfstück 30 und ein Gehäuse 32 auf. Das kuppelförmige Kopfstück 30 endet in einer geraden Spitze 34, die eine Austrittsöffnung oder Düse 36 für das aus dem Behälter 22 zu entfernende gefilterte Gas definiert. Das Gehäuse 32 umfasst einen Rohgaseintritt 25, durch den Gas mit einer Temperatur von etwa 600°C (1110°F) bis etwa 1000°C (1830°F) einströmt. Das Gehäuse umfasst außerdem ein Oberteil 38, das eine im Wesentlichen kreiszylinderförmige Gestalt besitzt und an das sich ein kegelstumpfförmiger Aschentrichter 40 zur Aufnahme der Feststoffpartikel anschließt, der in einer geraden Spitze endet, die eine Öffnung oder Düse 42 definiert, die an eine Ascheabzugsleitung angeschlossen ist. von dem kuppelförmigen Kopfstück 30 aus erstreckt sich eine Vielzahl von Kanälen 44. Die Kanäle 44 dienen als Stellen zum Einbau von Messgeräteausrüstung und zum Beobachten des Inneren des kuppelförmigen Kopfstückes 30 während der Stillstandszeiten. Durch jeden Kanal hindurch können Rohre 46 zum Zuführen eines Rückspülgas-Impulses zur Reinigung der Filter 28 angebracht werden.
  • Es wird nun auf 2 Bezug genommen; der Druckbehälter enthält einen Rohrboden 48. Der Rohrboden 48 stützt die Vielzahl von Filterelementanordnungen 26. Jede Filterelementanordnung 26 umfasst einen Sammelraum, der von einer oberen Platte 50 und einer unteren Platte 52 sowie einer Seitenplatte gebildet wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedes Filterelement 28 von einer Filterbaugruppe 60 gehalten und ist über diese mit der entsprechenden unteren Platte 52 des Sammelraumes verbunden. Die Filterbaugruppen 60 sind mit Hilfe von Sammelraum-Stützrohren 54 zu einer konstruktiven Einheit verbunden. Jedes Sammelraum-Stützrohr 54 ist in dem Druckbehälter 22 zentral befestigt. Außerdem ist ein Staubschutzschirm oder Partikelabweiser 56 dargestellt, der eine im Wesentlichen kegelstumpfförmige Gestalt hat.
  • Frühere Erfahrungen haben gezeigt, dass eine Oxidation von Matrizen aus nicht auf Oxiden basierenden keramischen monolithischen endlosfaserverstärkten Keramikverbundstoffen (continuous fiber reinforced ceramic composites, CFCC) und aus vernetzter Schaumkeramik stattfand, wenn diese Werkstoffe bei der Herstellung von porösen Kerzenfilterelementen verwendet wurden, welche längere Zeit den Bedingungen eines industriellen Einsatzes ausgesetzt waren, das heißt, 500–3000 Stunden druckaufgeladener Wirbelschichtfeuerung (DWSF; pressurized fluidized-bed combustion, PFBC) oder zirkulierender Druckwirbelschichtfeuerung (pressurized circulating fluidized-bed combustion, PCFBC). Ebenso wurde nachgewiesen, dass auf Oxiden basierende monolithische Werkstoffe durch Wärmeermüdung und/oder Thermoschock während des Prozessbetriebes verändert werden können. Es wurde nachgewiesen, dass aus auf Oxiden basierenden CFCC bestehende und in Wickeltechnik hergestellte Matrizen halb verdichtete Flansche mit geringer Festigkeit aufweisen; dass sie Filterkörper mit geringer Festigkeit und Lastaufnahmefähigkeit aufweisen; dass die Möglichkeit einer Versprödung der enthaltenen CFCC-Fasern besteht; und dass die Möglichkeit einer Lösung der Bindungen entlang eingesetzter Verschlussstopfen, Nähte, aufgebrachter Membranen, Teilschichten usw. besteht. Aus diesem Grunde waren in jüngster Zeit unternommene Anstrengungen in der Heißgasfiltrations-Technik auf die Entwicklung und die Einschätzung der potentiellen Verwendbarkeit von metallischen und intermetallischen Werkstoffen bei modernen Anwendungen des kohlebeheizten Betriebs sowohl für Kerzenfilter- als auch für andere Filterkonfigurationen und andere Bauteile gerichtet.
  • Für den Einsatz in modernen Rußbeseitigungsanlagen, welche in PFBC-, PCFBC-, IGCC-, Biomasse- und industriellen Anwendungen eingebaut und betrieben werden, sollten die porösen keramischen, metallischen oder intermetallischen Filterelemente vorteilhafterweise die folgenden Partikelabscheidegrade, Kenngrößen des Druckabfalls sowie Konfigurations- und Maßtoleranzen erreichen: Partikelabscheidegrade, die höher als 99,999 sind; einen Anfangsdruckabfall von nicht mehr als 490 kPa/m/s (10 in-wg (Zoll Wassersäule)/10 fpm (Fuß pro Minute)) eine Bescheinigung, dass die porösen keramischen und/oder metallischen Werkstoffe und/oder Schweißwerkstoffe der oxidierenden und/oder korrosiven Einwirkung von hohe Temperaturen aufweisenden Prozessgasströmen standhalten werden, welche Dampf, gasförmigen Schwefel, Chloride und/oder Alkaliarten enthalten; und dass sie geeignet sind, einer Druckimpulsreinigung unterzogen zu werden, bei der Asche von der Filtrationsfläche entfernt wird und zu einem verringerten Druckabfall zurückgekehrt wird. Die bevorzugte Filterbaugruppe 60 der vorliegenden Erfindung wird zusammen mit einer Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung verwendet, bei der poröse, lang gestreckte Filterdurchgänge verwendet werden und die nun beschrieben werden soll.
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt zwei wahlweise verwendbare Ausführungsformen von metallischen Fail-Safe-/Regenerator-Filtern zum Auffangen von Partikeln im Falle eines Ausfalls, einer Beschädigung oder eines Bruchs eines porösen Kerzenfilters während des Betriebs in modernen, auf Kohle basierenden Energieerzeugungsanlagen und/oder Biomasse- und industriellen Anwendungen. Außerdem können die besagten metallischen Fail-Safe-/Regenerator-Filter unmittelbar an metallischen und intermetallischen Filterelementen angebracht werden, so dass ein einheitliches Ganzes gebildet wird und der Einbau in vorhandene Filtrationsanlagen erleichtert wird. Für diese metallischen Fail-Safe-/Regenerator-Filter werden poröse metallische Werkstoffe verwendet, die auf eine solche Weise eingesetzt werden, dass sie eine große Oberfläche und eine gute Eignung zum Herausfiltern und Zurückhalten von Partikeln gewährleisten, so dass nicht nur das Impulsreinigungsgas erwärmt wird, um die Auswirkungen des Thermoschocks auf aus poröser monolithischer Keramik bestehende, keramische in Wickeltechnik hergestellte und/oder aus endlosfaserverstärkten Keramikverbundstoffen (CFCC) bestehende Kerzen- oder Rohrfilter sowie auf poröse metallische und/oder intermetallische Kerzen- oder Rohrfilter zu verringern, sondern auch sichergestellt wird, dass das Eindringen von partikelförmigen Feinstoffen in den Reingasstrom im Falle eines Ausfalls eines Filters oder einer Dichtung verhindert wird. Sie schützen auch die nachgeschaltete Gasturbinen- und Wärmeaustauscherausrüstung und sorgen dafür, dass die Luftreinhaltungs-Emissionsgrenzwerte für den Betrieb der Anlage eingehalten werden.
  • Diese Fail-Safe-/Regenerator-Filter ermöglichen die Montage für die Nachrüstung und/oder die Anbringung in metallischen Filtergehäusen; sie gewährleisten die Reduzierung von Partikel-Sickerwegen im Bereich der derzeitigen und dem Stand der Technik entsprechenden Filterflansche, Dichtungen und/oder Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Einheiten; sie ermöglichen die Verwendung zusammen mit porösen monolithischen keramischen, keramischen in Wickeltechnik hergestellten und/oder aus CFCC bestehenden Kerzen- oder Rohrfiltern sowie mit porösen metallischen und/oder intermetallischen Kerzen- oder Rohrfiltern und ähnlichem. Ausführungsformen zum direkten Schweißen der aus einem Stück bestehenden metallischen Flansch-/Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Einheiten in die Halter-Baugruppe werden ebenfalls als Bestandteil der Erfindung betrachtet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das aus einem Stück bestehende Fail-Safe-/Regenerator-Filter-/metallische oder intermetallische Filterelement an das Filtergehäuse angeschweißt wird, wodurch die Verwendung von entsprechenden Dichtungen entfallen kann und in vorhandenen Filtrationsanlagen eine vollständige Sperrfiltration gewährleistet wird.
  • Wie 3 zeigt, weisen die porösen, lang gestreckten, aus metallischen Werkstoffen bestehenden Rohre 120 des Fail-Safe-/Regenerator-Filters 129 geschlossene poröse Oberseiten 122 auf, werden beim Zusammenbau in Löcher eingepasst, die durch eine dichte, mit Löchern versehene Abstützungs-Metallplatte 121 hindurchführen, und sind fest an die Abstützungs-Metallplatte 121 angeschweißt oder auf andere Weise an ihr befestigt, wobei diese wiederum an einen in 6 dargestellten metallischen Distanzring 123 angeschweißt ist, wodurch eine rohrförmige, metallische Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung gebildet wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass, wie 4 zeigt, eine Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung 129, die eine zylindrische, poröse, lang gestreckte, aus metallischen Werkstoffen bestehende wabenkörperförmige Patrone 130 umfasst, direkt an eine Abstützungs-Metallplatte 122 und anschließend an einen in 7 dargestellten metallischen Distanzring 123 angeschweißt ist, wodurch eine wabenkörperförmige, aus metallischen Werkstoffen bestehende Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung gebildet wird. 5 zeigt einen Teilquerschnitt des Wabenkörpers. Der Begriff "Wabenkörper" ist hier als ein Körper definiert, der eine Vielzahl von parallelen, sich durch den Körper hindurch erstreckenden Durchgängen oder Kanälen 200 aufweist, wobei die Kanäle, wie in 5 dargestellt, abwechselnd am oberen Ende 150 und am anderen Ende 155 dicht verschlossen sind, so dass im Falle eines Ausfalls, einer Beschädigung oder eines Bruchs eines Filters oder einer Dichtung mit Partikeln verunreinigtes Gas 151 in den Durchgang 152 einströmen muss. Das Gas durchdringt die Wände 150' des angrenzenden Kanals und strömt über den Durchgang 152' aus, wobei die Partikel im Durchgang 152 zurückgehalten werden. Die sich abwechselnden Durchgänge mit offenem Boden 152' und am oberen Ende geschlossenen Durchgänge 152 sind in 7 ebenfalls dargestellt. Der Begriff "Wabenkörper" soll auch geringfügige Abweichungen von der oben beschriebenen Anordnung mit einschließen. Zum Beispiel umfasst der Begriff auch einen strukturierten Körper, der eine Vielzahl von durch ihn hindurchführenden parallelen Kanälen aufweist, wobei ausgewählte Kanäle an einem Ende dicht verschlossen sind, während die übrigen Kanäle an den entgegengesetzten Enden dicht verschlossen sind. Ein angebauter äußerer, poröser oder dichter, keine Durchgangskanäle aufweisender Bereich 157 umgibt den Umfang der aus metallischen Werkstoffen bestehenden wabenkörperförmigen Patrone.
  • Ähnlich wie bei der wabenkörperförmigen Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung strömt im Falle eines Ausfalls, einer Beschädigung oder eines Bruchs eines Filters oder einer Dichtung mit Partikeln verunreinigtes Gas in den Durchgang 152 des (der) in 6 dargestellten porösen, lang gestreckten, aus metallischen Werkstoffen bestehenden Rohrs (Rohre) 120; das Gas durchdringt die porösen Rohre und strömt über den Durchgang 152' aus, wobei die Partikel im Durchgang 152 zurückgehalten werden.
  • Sowohl die aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden Rohre 120 als auch die zylindrische, aus porösen metallischen Werkstoffen bestehende wabenkörperförmige Patrone 130 werden mit einem festgelegten relativen Porenvolumen hergestellt, um die Anforderungen an den Gasströmungswiderstand und die Aufnahme von Partikeln im Falle eines Ausfalls, einer Beschädigung oder eines Bruchs eines Filters oder einer Dichtung zu erfüllen und damit das Eindringen von Partikeln aus dem Prozess-Rohgasstrom in den Reingasstrom zu verringern. Wie die 6 und 7 zeigen, werden durch die aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden Rohre 120 und wabenförmigen Kanäle 152 und 152' lang gestreckte Durchgänge 200 zur Verfügung gestellt, mit verbesserten Möglichkeiten der Absorption von Partikeln sowohl in den inneren Poren der aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden Wände als auch in der kleinen inneren Bohrung der porösen metallischen Rohre bzw. wabenförmigen Kanäle. Die eine große Oberfläche aufweisenden porösen metallischen Werkstoffe, die bei der Konstruktion sowohl der rohrförmigen als auch der wabenkörperförmigen Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtungen 129 verwendet werden, erwärmen außerdem das einströmende Impulsreinigungsgas, wodurch sie die Auswirkungen der Wärmeermüdung des Filterelements 28 in der in 1 dargestellten Filteranordnung 26 verringern.
  • Der Bereich 210 zwischen den besagten aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden Rohren 120, die an eine Abstützungs-Metallplatte 121 angeschweißt sind, und/oder zwischen der zylindrischen, aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden wabenkörperförmigen Patrone 130, die an eine Abstützungs-Metallplatte 122 angeschweißt ist, und dem metallischen Distanzring 123 kann ein Hohlraum sein, wie in den 6 und 7 dargestellt, oder er kann eine geschweißte gelochte Metallplatte, ein oder mehrere feinmaschige und weitmaschige Siebe und Raschig-Ringe enthalten. Der Einbau von geschweißten, gelochten Metallplatten, feinmaschigen und weitmaschigen Drahtsieben und Raschig-Ringen kann eine zusätzliche Erwärmung des Impulsreinigungsgases bewirken, falls dies erforderlich ist, sowie zusätzliche Möglichkeiten des Auffangens von Partikeln; diese dem Stand der Technik entsprechenden Merkmale sind jedoch fakultativ.
  • Die Werkstoffe, aus denen die Fail-Safe-/Regeneratoren mit aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden Rohren und/oder mit zylindrischer, aus porösen metallischen Werkstoffen bestehender wabenkörperförmiger Patrone bestehen, umfassen unter anderem 3105, Inconel 600, Hastelloy X, andere Hochtemperaturlegierungen, intermetallische Verbindungen und ähnliches. Die besagten Legierungen können vorzugsweise aus Pulver oder aus Metallfasern hergestellt sein. Ähnlich können sowohl die Fail-Safe-/Regenerator-Filter mit aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden Rohren als auch die mit zylindrischer, aus porösen metallischen Werkstoffen bestehender wabenkörperförmiger Patrone als nahtlose monolithische Konstruktion gefertigt sein und eine innere Membranschicht 127 und/oder eine äußere Membran 127' enthalten, die aus ein kleineres relatives Porenvolumen aufweisenden, gesinterten, metallischen Werkstoffen bestehen, um ein verbessertes Auffangen von Partikeln in der Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Einheit zu ermöglichen.
  • Die besagten Fail-Safe-/Regenerator-Filter mit aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden Rohren und/oder mit zylindrischer, aus porösen metallischen Werkstoffen bestehender wabenkörperförmiger Patrone können vorzugsweise aus Metallpulver oder Metallfasern hergestellt sein. Die besagten aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden Rohre können unter anderen mittels eines Strangpressprozesses geformt sein, mit anschließendem Hochtemperatursintern in einem Vakuum oder in einer Schutzgasumgebung. Ähnlich kann die zylindrische, aus porösen metallischen Werkstoffen bestehende wabenkörperförmige Patrone auf dieselbe Weise geformt sein, oder mittels eines Tintenstrahldruckprozesses mit anschließendem Hochtemperatursintern unter Vakuum oder in einer Schutzgasumgebung, oder mittels eines anderen Fertigungsprozesses. Die besagten aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden rohrförmigen und/oder wabenkörperförmigen Fail-Safe-/Regenerator-Filter 129 werden mit einem festgelegten relativen offenen Porenvolumen gefertigt, um Partikelabscheidegrade von mehr als 99,999% für Feinstoffe von über 1–5 μm (Mikron) und Kennziffern des Druckabfalls von weniger als 12,2 kPa/m/s bis 24,4 kPa/m/s (0,25–0,5 in-wg/1 fpm) zu erzielen.
  • Die porösen, rohrförmigen, aus metallischen Werkstoffen bestehenden und/oder eine poröse, aus metallischen Werkstoffen bestehende, wabenkörperförmige Patrone umfassenden Fail-Safe-/Regenerator-Filter 129 können dauerhaft oder demontierbar in den Innenraum 66 des Filtergehäuses 62 eingebaut sein. Wenn sie als eine demontierbare Einheit eingebaut sind, wird für die porösen, rohrförmigen, aus metallischen Werkstoffen bestehenden und/oder eine poröse, aus metallischen Werkstoffen bestehende, wabenkörperförmige Patrone umfassenden Fail-Safe-/Regenerator-Filter 129 eine nachgiebige obere oder oberste Dichtung 74 als die primäre Dichtung zwischen dem abgestuften Teil des Filtergehäuses 19 und der Oberseite 124 des geschweißten metallischen Distanzrings verwendet. Die Verwendung der oberen oder obersten nachgiebigen Dichtung 74 ermöglicht den Verzicht auf die Verwendung des herkömmlichen Fiberfrax-Papiers, und sie dient als die primäre Dichtung, um zu verhindern, dass Partikel aus dem Prozess-Rohgasstrom in den Reingasstrom gelangen. Eine mittlere oder der Mitte am nächsten befindliche nachgiebige Dichtung 75 ist gewöhnlich zwischen der Unterseite 125 des geschweißten metallischen Distanzrings und der Oberseite 18 des Filterflansches angeordnet.
  • Wenn ein Kerzenfilter 28 in die Filterhalter- und Dichtungs-Baugruppe 60 eingebaut ist, wird die mittlere oder der Mitte am nächsten befindliche nachgiebige Dichtung 75 auf ungefähr 5 mm zusammengedrückt, wobei eine Abdichtung zwischen der metallischen Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Einheit 129 und dem Filterelement 28 bewirkt wird. Eine untere oder unterste nachgiebige Dichtung 76 wird als Polster und Partikelsperrdichtung zwischen dem Filterelement 28, dem Filtergehäuse 62 und der Gussmutter 78 verwendet. Eine Keramikhülse oder ein "Strumpf" 72 kann entlang der Außenseite des Filterelements 28 angebracht sein. Die Keramikhülse oder der "Strumpf" 72 wird verwendet, um eine Ansammlung von Feinstoffen zu verhindern und außerdem als Polster zwischen dem Filterelement 28, dem Filtergehäuse 62 und der Gussmutter 78 zu wirken. Die obere oder oberste nachgiebige Dichtung 74, die mittlere oder der Mitte am nächsten befindliche nachgiebige Dichtung 75 oder die untere oder unterste nachgiebige Dichtung 76 sind vorzugsweise aus einem aus einer einzigen Komponente bestehenden, geflochtenen oder gewobenen Oxidtuch oder -schlauch hergestellt, das bzw. der eine Matte aus Endlosfasern oder Kurzfasern auf Oxidbasis einschließt, eine an einem Ende zusammengerollte Einzelspirale oder zusammengerolltes Oxidgewebe oder -schlauchgewebe, oder eine an zwei Enden zusammengerollte Doppelspirale oder ein geschichtetes Oxidgewebe oder -schlauchgewebe.
  • Die in den 6 und 7 dargestellten porösen, rohrförmigen, aus metallischen Werkstoffen bestehenden und/oder eine poröse, aus metallischen Werkstoffen bestehende, wabenkörperförmige Patrone umfassenden Fail-Safe-/Regenerator-Filter 129 sind dazu bestimmt, zusammen mit monolithischen porösen keramischen Filterelementen oder porösen metallischen oder intermetallischen Filterelementen 28 verwendet zu werden. Keramische in Wickeltechnik hergestellte und aus endlosfaserverstärkten Keramikverbundstoffen (CFCC) bestehende Filter, welche mit einer kleineren Filterwand sowie einer Flanschoberseite 18 hergestellt sind, erfordern die zusätzliche Anbringung eines verlängerten Bunds 126 an der Unterseite des geschweißten metallischen Distanzrings 123, um die mittlere oder der Mitte am nächsten befindliche nachgiebige Dichtung 75 zwischen der Unterseite 125 des geschweißten metallischen Distanzrings und der Oberseite 18 der Kerze zu sichern und dadurch ein Hineinrutschen der mittleren oder der Mitte am nächsten befindlichen nachgiebigen Dichtung 75 in die innere Bohrung der Kerze 28 während einer Impulsreinigung und ein sich anschließendes Ratcheting (ruckartiges verrutschen) der Kerze 28 in der Filtergehäuse- und Dichtungs-Baugruppe 60 und/oder einen letztendlichen Ausfall des Kerzenfilters 28 zu verhindern. Die aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden rohrförmigen (und/oder aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden, wabenkörperförmigen) Fail-Safe-/Regenerator-Filter 129 können auch mit einem aus CCFC bestehenden Filter mit einer sehr dünnen Wand verwendet werden, indem zusätzlich ein verlängerter metallischer Einsatz angebracht wird, der so geformt ist, dass er zur Innendurchmesser-Flanschoberfläche des CCFC-Elements passt, und indem eine zugehörige nachgiebige Dichtung eingefügt wird, die zwischen dem verlängerten metallischen Einsatz und der inneren Flanschoberfläche angeordnet wird.
  • Wenn poröse metallische oder intermetallische Kerzen verwendet werden, können die porösen, rohrförmigen, aus metallischen Werkstoffen bestehenden und/oder eine poröse, aus metallischen Werkstoffen bestehende, wabenkörperförmige Patrone umfassenden Fail-Safe-/Regenerator-Filter 129 wie zuvor für keramische Kerzenfilter 28 beschrieben verwendet werden, oder sie können direkt an die Oberseite des Filterflansches 18 angeschweißt werden, so dass ein einheitliches Ganzes gebildet wird. Es werden nur eine obere oder oberste nachgiebige Dichtung 74 und eine untere oder unterste nachgiebige Dichtung 76 verwendet, um das einheitliche Ganze aus dem porösen, rohrförmigen, aus metallischen Werkstoffen bestehenden und/oder eine poröse, aus metallischen Werkstoffen bestehende, wabenkörperförmige Patrone umfassenden Fail-Safe-/Regenerator und dem porösen metallischen oder intermetallischen Filterelement in der Filtergehäuse- und Dichtungs-Baugruppe 60 abzudichten. Die Verwendung der Keramikhülse oder des "Strumpfes" 72 ist fakultativ, wenn poröse metallische und/oder intermetallische Filter in die Filtergehäuse- und Dichtungs-Baugruppe 60 eingebaut sind.
  • Bei einer Verwendung als fest geschweißte Vorrichtung mit Anwendung auf metallische oder intermetallische Kerzen- oder Rohrfilter 28 entfallen sämtliche nachgiebigen Dichtungen. Die dauerhafte Schweißung würde zu einer Abdichtung zwischen der Oberseite 124 des metallischen Distanzrings und dem abgestuften Teil des Filtergehäuses 19 führen, wobei, falls erforderlich, zusätzliches Volumen im Innenraum 66 des Filtergehäuses 60 zur Verfügung gestellt würde. Durch die Verwendung eines geraden porösen metallischen oder intermetallischen Rohres anstelle einer mit einem Flansch versehenen Kerze und das Anschweißen des geraden porösen metallischen oder intermetallischen Rohres an die verschweißte Einheit aus rohrförmigem oder wabenkörperförmigem Fail-Safe-/Regenerator-Filter und metallischem Distanzring, durch welches die flache Platte und der verlängerte Teil 126 entfallen, und durch das anschließende Anschweißen der besagten Einheit an das Filtergehäuse 60 würde eine aus porösen metallischen Werkstoffen bestehende Filtrationsvorrichtung mit innewohnenden Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Kapazitäten bereitgestellt, welche die Abdichtung mit nachgiebigen Dichtungen unnötig macht und verhindert, dass Partikel aus dem Prozess-Rohgasstrom in den Reingasstrom gelangen. Die Dicke der Oberseite 18 des porösen metallischen oder intermetallischen Kerzenfilters oder der Oberseite des porösen metallischen oder intermetallischen Rohrfilters kann variieren. Die oben beschriebene Konzeption eines porösen rohrförmigen bzw. wabenkörperförmigen metallischen Fail-Safe-/Regenerator-Filters kann so geändert werden, dass sie für die Verwendung bei anderen Konfigurationen des Filterelements geeignet ist. Eine andere Möglichkeit könnte darin bestehen, dass die porösen rohrförmigen oder wabenkörperförmigen metallischen Fail-Safe-/Regenerator-Filter 129 fest in das Filtergehäuse 60 eingeschweißt sind und als eine Vorrichtung getrennt und gesondert von einem porösen keramischen oder metallischen Filterelement verwendet werden, mit Verwendung einer zugehörigen mittleren oder der Mitte am nächsten befindlichen nachgiebigen Dichtung 75, einer unteren oder untersten Dichtung 76 und einer Gussmutter 78.
  • Die primären Funktionen der porösen rohrförmigen und wabenkörperförmigen metallischen Fail-Safe-/Regenerator-Filter 129 bestehen darin, verbesserte Möglichkeiten des Auffangens von Partikeln sowohl in den inneren Poren der Wände aus porösen Werkstoffen als auch in der kleinen inneren Bohrung der porösen metallischen Rohre bzw. wabenförmigen Kanaldurchgänge zu gewährleisten sowie das Impulsreinigungsgas zu erwärmen. Ein zusätzliches Auffangen und Zurückhalten von Feinstoffen kann innerhalb des Bereiches 210 erfolgen. Diese Einheiten 129 sind für die Nachrüstung vorhandener Filtrationsanlagen geeignet und können mit monolithischen keramischen, keramischen in Wickeltechnik hergestellten, aus endlosfaserverstärkten Keramikverbundstoffen (CFCC) bestehenden, metallischen und/oder intermetallischen Filterelementen verwendet werden. Ähnlich können die porösen rohrförmigen und wabenkörperförmigen metallischen Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Einheiten leicht ausgetauscht oder ersetzt werden, nachdem sie in Betrieb genommen wurden. Außerdem können die porösen rohrförmigen und wabenkörperförmigen metallischen Fail-Safe-/Regenerator-Filter von porösen metallischen oder intermetallischen Filterelementen getrennt sein, oder sie können direkt an diese angeschweißt sein, so dass ein einheitliches Ganzes "metallisches Fail-Safe-/Regenerator-/poröses metallisches oder intermetallisches Filterelement" gebildet wird. Die besagte Einheit "metallisches Fail-Safe-/Regenerator-/poröses metallisches oder intermetallisches Filter" kann die Konfiguration einer Kerze oder eines Rohrs aufweisen. Die besagte Einheit "metallisches Fail-Safe-/Regenerator-/poröses metallisches oder intermetallisches Filter" kann sich entweder aus dem Filtergehäuse ausbauen lassen oder direkt an dieses angeschweißt sein. Außerdem kann die Konzeption des porösen rohrförmigen und wabenkörperförmigen metallischen Fail-Safe-/Regenerator-Filters dahingehend modifiziert werden, dass sie für die Anwendung bei anderen Konfigurationen von Filterelementen geeignet ist, wie die des Querstrom-, des Schichten-, des umgekehrten Kerzenfilters u. ä.
  • Die aus porösen metallischen Werkstoffen bestehende Rohre und/oder eine zylindrische, aus porösen metallischen Werkstoffen bestehende wabenkörperförmige Patrone umfassenden Fail-Safe-/Regenerator-Filter machen die Verwendung der feinmaschigen Siebe und schweren Stütz-Drahtsiebe, die derzeit bei vorhandenen Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Konzepten eingebaut sind, unnötig, und sie machen auch die Verwendung dünner Fiberfrax-Dichtungen unnötig, indem sie eine verbesserte primäre Abdichtung durch die Verwendung einer nachgiebigen Dichtung sicherstellen. Die aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden Rohre und die poröse metallische Wabenkörperkonstruktion funktionieren als ein einheitliches Ganzes, wobei sie das Erwärmen des Impulsreinigungsgases bei gleichzeitigen verbesserten Möglichkeiten des Auffangens von Partikeln sowohl in den inneren Poren von Wänden aus porösen Werkstoffen als auch in der kleinen inneren Bohrung der porösen metallischen Rohre bzw. wabenförmigen Kanaldurchgänge ermöglichen. Sollte ein zusätzliches Erwärmen des Impulsreinigungsgases bzw. sollten zusätzliche Möglichkeiten des Auffangens von Partikeln erforderlich sein, so können eine geschweißte gelochte Metallplatte, ein feinmaschiges Sieb, ein weitmaschiges Drahtsieb und Raschig-Ringe, wie sie in der Technik bereits früher beschrieben wurden, leicht in die Konzepte der rohrförmigen, aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden und/oder eine aus metallischen Werkstoffen bestehende wabenkörperförmige Patrone umfassenden Fail-Safe-/Regenerator-Filter integriert werden.

Claims (8)

  1. Filterbaugruppe (20) zur Filtration von Gas, welche eine Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung (129) und ein lang gestrecktes Filterelement (129) in einem Druckbehälter (30, 32) einer Heißgasreinigungsanlage, der einen Eingang für verunreinigtes Heißgas (25) aufweist, umfasst, wobei die besagte Filterbaugruppe umfasst: (a) ein Filtergehäuse (32), wobei das besagte Filtergehäuse eine sich entlang des Umfangs erstreckende Seitenwand aufweist, wobei die besagte Seitenwand eine innere Kammer definiert; (b) einen porösen, lang gestreckten Filterelement-Körper (120), der am unteren Ende der Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung befestigt (129) ist; und (c) eine aus einem Stück bestehende Ganzmetall-Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung, die ein oberes und ein unteres Ende aufweist und in der inneren Kammer des Filtergehäuses angeordnet ist, wobei die besagte Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung eine metallische Abstützung enthält, die an einer Vielzahl von porösen lang gestreckten Durchgangselementen befestigt ist, bei denen es sich wahlweise handeln kann um: (1) lang gestreckte Rohre (120), die ein unteres Ende mit Öffnungen aufweisen, und (2) Wabenelemente (150), die ein unteres Ende mit Öffnungen und eine Vielzahl von parallelen Durchgängen aufweisen, wobei die Durchgänge abwechselnd am oberen Ende und am unteren Ende abgedichtet sind, wobei die offenen unteren Enden dem Filterelement zugewandt sind.
  2. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, wobei bei der Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung ausschließlich die lang gestreckten Durchgangselemente zum Herausfiltern von Partikeln verwendet werden, während die besagte Vorrichtung keine zusätzlichen Wärmeübertragungsflächen wie etwa Raschig-Ringe oder Drahtsiebe als Mittel zum Entfernen von Partikeln enthält.
  3. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, welche außerdem nachgiebige Dichtungen (19, 74) enthält, die neben dem Filterelement angeordnet sind und bewirken, dass eine Abdichtung zwischen dem verunreinigten einströmenden Heißgas und dem gefilterten Gas sichergestellt wird.
  4. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, welche außerdem ein Mittel zum Verbinden (18) des Filtergehäuses, der Fail-Safe-/Regenerator-Filter-Vorrichtung und des Filterelements enthält.
  5. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, wobei es sich bei den Durchgängen entweder um Durchgänge vom rohrförmigen Typ oder um Durchgänge vom wabenkörperförmigen Typ handelt.
  6. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, wobei es sich bei den Durchgangselementen entweder um eine Vielzahl von aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden Rohren, die an eine gelochte Platte angeschweißt sind, oder um eine aus porösen metallischen Werkstoffen bestehende wabenkörperförmige Patrone handelt.
  7. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Durchgangselemente aus porösen metallischen Werkstoffen bestehende Rohre sind, die an eine gelochte Platte angeschweißt sind.
  8. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Durchgangselemente aus einer aus porösen metallischen Werkstoffen bestehenden wabenkörperförmigen Patrone bestehen.
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