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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Heißgasreinigungsanlagen
für Gas,
das Turbinen zugeführt
wird, und insbesondere eine Filterbaugruppe für solche Anlagen, welche eine
Ganzmetall-Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung umfasst, die miteinander
verflochtene und verfilzte Fasern mit hohem Aspektverhältnis enthält. Die
Verwendung solcher Fasern gewährleistet
ein effizientes Abscheiden von Partikeln und macht Wärmeübertragungsflächen wie
etwa Raschig-Ringe und weitmaschige/feinmaschige Fail-Safe-Siebelemente
unnötig.
Das Bett aus verschachtelten Fasern ist äußerst widerstandsfähig gegen
eine Qualitätsverschlechterung
infolge von Thermoschocks und somit besonders wirksam in seiner
Regeneratorfunktion.
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Hintergrundinformation
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Im Zusammenhang mit modernen industriellen
Verfahren ist der Bedarf an 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 Filtrationsanlage
für Heißgase 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.
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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 integrierten Vergasungs- und
Kombianlagen (IVK; 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. Ein kritisches
Bauteil der Heißgasfiltrationsanlage
ist eine effiziente Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung (Regeneratorvorrichtung
mit sicherheitsgerichtetem Ausfallverhalten). Diese Vorrichtung
schaltet den Betrieb des einzelnen Filterelements ab, falls ein
Ausfall des Elements, Undichtigkeiten der Dichtung oder andere Ereignisse eintreten,
welche das Entweichen von Feststoffpartikeln zu den nachgeschalteten
Bauteilen ermöglichen würden.
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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 eines oberen weitmaschigen
Drahtsiebes und von fünf
unteren weitmaschigen/feinmaschigen Drahtsieben in der Kombination
mit einem Bett von Partikeln, wie etwa Raschig-Ringen aus nichtrostendem
Stahl, wie sie in 6 ihrer Patentschrift
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,
und das obere weitmaschige Sieb absorbiert während der Rückimpulsreinigung den Thermoschock.
In vielen Fällen
wird auch am oberen Ende des Regeneratorblockes ein feinmaschiges
Drahtsieb verwendet, das von dem weitmaschigen Sieb und den Raschig-Ringen
gestützt
wird.
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Lippert et al. zeigen in ihrer 4 eine weitere solche Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung,
welche dauerhaft in einem zugehörige
Dichtungen aufweisenden Filtergehäuse angebracht ist, das sich
mit einem Filter mit Keramikkerze in Kontakt befindet. Die Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung
verhindert auf ähnliche
Weise, dass Feststoffpartikel in den Reingasbereich des Druckbehälters gelangen,
wenn ein Keramikfilterelement ausfällt. Außerdem wurde durch US-A-6.123.746 (Alvin
et al.) eine verbesserte gewalzte/geschichtete Dichtung mit einem
optionalen Fail-Safe-/Regenerator bereitgestellt und die mögliche Verwendung
von Metallfilterelementen beschrieben, welche denselben Anschluss
und dieselbe Konfiguration wie standardmäßige Filter mit Keramikkerze
aufweisen, und US-A-6.273.925 (Alvin et al.) lehrt eine Ganzmetall-Filterkonfiguration
mit vermindertem Einsatz von Dichtungen und eine in das Filter integrierte
Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung, die der von Bachovchin et al. ähnlich ist.
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Obwohl diese Erfindungen zum technischen Fortschritt
beitragen, werden verbesserte, über
Siebe und Raschig-Ringe hinausgehende Möglichkeiten des Abscheidens
von Partikeln benötigt,
sowie die Eignung einer neuen Baugruppe für die Nachrüstung vorhandener Filteranlagen,
und es ist eine noch effizientere Wärmeübertragung während der
Vorgänge der
Filterreinigung erforderlich. Außerdem wurde festgestellt,
dass Raschig-Ringe und ähnliches
im Falle eines ausgefallenen Filters nicht automatisch so schnell
und vollständig,
wie es wünschenswert wäre, den
Strom versperren und verhindern. Die Eignung dieser Vorrichtungen
zum Abscheiden sehr feiner Partikel erwies sich als besonderes Problem.
Außerdem
hängt eine
wesentliche Einschränkung
der derzeitigen Konstruktion von Fail-Safe-Regeneratoren, wie sie in Bachovchin
et al. dargestellt ist, mit der Lebensdauer der feinmaschigen Siebe
zusammen. Bei hoher Temperatur erfolgende Oxidation, Korrosion,
Versprödung
und Thermoschock sind wahrscheinlich für die Qualitätsverschlechterung
der feinmaschigen Siebe innerhalb einer relativ kurzen Betriebsdauer
(d. h. von ca. 1650 Stunden) verantwortlich. Ferner kann das Durchbiegen
der feinen Siebe gegen das relativ grobmaschige Material des Stützsiebes
zu einem Reißen
der feinen Siebe führen.
Es wurde beobachtet, dass in den Sieben Löcher mit einer Größe von 0,32
cm (1/8 Zoll) entstehen, und in einigen Fällen, dass sie sich vollständig auflösen (und wahrscheinlich
stromabwärts
mitgerissen werden).
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In der US-Patentschrift Nr. 4.976.934
(Maringer et al.) wird ein nichtstatisches Bett aus kontinuierlich
fließenden
Fasern mit Aspektverhältnissen
zwischen 50 und 170, die ineinandergeschachtelt sind, verwendet,
um Flüssigkeiten
und Gase zu filtern, die unerwünschte
Partikel enthalten. Dort wurde festgestellt, dass sich in einem
feststehenden Bett aus ineinandergeschachtelten Fasern aus Metall
oder einem feuerfesten Material einen für die Filtration wirksamer
Anfangsbereich herausbildet, in dem die meisten Partikel abgeschieden
wurden, während
der Rest des Bettes im Wesentlichen vergeudetes Volumen ist. Das
erfindungsgemäße Bett
wird nach unten bewegt, "entschachtelt", von verunreinigenden
Partikeln gereinigt, zum oberen Ende des Bettes zurückgeführt und
erneut ineinandergeschachtelt. Diese kontinuierliche Bewegung ermöglicht dem
Anschein nach das Zerbrechen einer erheblichen Menge der nadelartigen
Partikel, wodurch sich das Gesamt-Aspektverhältnis verringert, das ein beträchtliches
Auswechseln nach mehreren Zyklen erfordert. Maringer et al. empfehlen
ein hohes Hohlraumvolumen, mit einem relativen Porenvolumen von
etwa 90% (mindestens) bis 96% (Hohlräume), und 4% bis 10% Fasern in
dem ineinandergeschachtelten Bett, um das dendritische Abscheiden
von Partikeln zu verstärken
und den Druckabfall zu verringern. Ein Anwendungsbeispiel war das
katalytische Kracken von hochsiedenden Kohlenwasserstoffen zu Benzinfraktionen
bei 500°C.
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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 einem verbesserten Schutz vor dem Thermoschock durch das einströmende kalte
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.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Deshalb besteht eine Hauptaufgabe
dieser Erfindung darin, eine verbesserte Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung
bereitzustellen, die eine verbesserte Eignung zum Abscheiden von
Teilchen aufweist, die beständig
gegenüber
Schwefel, Alkali, Chloriden, Dampf und anderen Fremdbestandteilen
sind, die in Kohlengasströmen
zu finden sind, und welche in einer Situation, die ein sicherheitsgerichtetes
Ausfallverhalten erfordert, den Durchgang schnell und vollständig verschließt. Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine verbesserte Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung
bereitzustellen, welche, wenn sie in eine Hochtemperatur-Filtrationsanlage
eingebaut ist, eine erhöhte
Zuverlässigkeit gewährleistet.
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Eine weitere Aufgabe besteht darin,
die Thermoschockbeständigkeit
des Fail-Safe-/Regenerators während
der Reinigungsvorgänge
zu verbessern und eine Konstruktion bereitzustellen, die leicht durch
Auswechseln in vorhandene Anlagen eingebaut werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird eine Filterbaugruppe
zur Filtration von Fremdstoffpartikel enthaltendem Gas bereitgestellt,
welche eine Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung und ein lang gestrecktes
Filterelement in einem Druckbehälter
einer Heißgasreinigungsanlage,
der einen Eingang für
mit Fremdstoffpartikeln verunreinigtes Heißgas aufweist, umfasst, wobei
die besagte Filterbaugruppe 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-/Regeneratorvorrichtung befestigt ist; und
eine aus einem Stück
bestehende Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung, die ein oberes und
ein unteres Ende aufweist und in der inneren Kammer des Filtergehäuses angeordnet
ist, wobei die besagte Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung umfasst:
ein starres, statisches Bett von im Allgemeinen miteinander verflochtenen
Drähten
mit einem relativen Porenvolumen von 70% bis 92%, wobei die Drähte ein
Aspektverhältnis
aufweisen, das größer ist
als etwa 30.
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Der keramische oder metallische Werkstoff der
Nadeln muss bei Betriebstemperaturen von über 1110°F (600°C) bewirken, dass mit ihm in
Kontakt kommende Partikel fest an oder in seinem Gefüge gebunden
werden. Diese Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung macht die Verwendung
von Raschig-Ringen unnötig
und sorgt dafür,
dass die Verwendung von Drahtsieben auf ein Minimum begrenzt oder
entfallen kann. Die Wärmeaustauschfunktion
(Regeneratorfunktion) der Raschig-Ringe wird durch die Drähte ersetzt,
welche eine auf das 5- bis 10-fache vergrößerte Oberfläche aufweisen.
Das Fail-Safe-Bett aus miteinander verflochtenen Drähten kann
weiter verbessert werden, indem das Bett aus miteinander verflochtenen
Drähten
der Einwirkung von Wärme und/oder
Druck (Sintern) ausgesetzt wird. Eine solche zusätzliche Verarbeitung würde Bindungen
zwischen den Drähten
erzeugen (Metall mit Metall oder Oxid mit Oxid oder Überzug mit Überzug).
Solche Bindungen zwischen den Drähten
können
von Nutzen sein, indem sie verhindern, dass einzelne Drähte durch
die relativ großen Öffnungen
in dem weitmaschigen oder perforierten Metall an den Enden der Baueinheit
hindurchrutschen. Das aus den Drähten bestehende
Bett wäre
dann statisch und würde
ständig
zwischen dem oberen und dem unteren Maschensieb oder der oberen
und der unteren Lochplatte gehalten. Es können vielfältige geeignete Dichtungen
in vielfältigen
Kombinationen verwendet werden, um die Fail-Safe-/Regeneratoreinheit
und das Filterelement abzudichten und festzuhalten.
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Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein vollständiges Notabschaltungs-Sicherheitsfilter,
das im Reingasstrom zwischen der Verdichter-Turbogenerator-Einrichtung
und der Filtrationseinrichtung, welche die Filterbaugruppe enthält, angeordnet
ist. Dieses Sicherheitsfilter umfasst eine Reihe von Teilkammern,
die ähnliche
miteinander verflochtene Drähte
enthalten, welche unter einem Winkel von 90° quer zum Reingasstrom angeordnet
sind. Dadurch wird ein äußerst wirksames
Sicherheitsfilter für
den Fall bereitgestellt, dass gleichzeitig größere Beschädigungen an einer größeren Anzahl
der Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtungen aufgetreten sind.
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Der mit miteinander verflochtenen
Drähten (oder
Fasern) ausgestattete Fail-Safe-Regenerator bietet die folgenden
Vorteile gegenüber
herkömmlichen
Konstruktionen: verlängerte
Lebensdauer der Baueinheit, Thermoschockbeständigkeit, schnelleres Verstopfen
(Verschließen)
der Baueinheit, vollständiges
Verstopfen der Baueinheit, und das Verstopfen der Baueinheit bietet
mehr Widerstand gegen Wiederauflösung
der Verstopfung durch Rückspülimpulse.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Zum besseren Verständnis der
Erfindung kann auf die als Beispiel dienenden Ausführungsformen
Bezug genommen werden, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt
sind, wobei:
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1 eine
Längsschnittdarstellung
eines Druckbehälters
ist, der eine Filterbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung
enthält;
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2 eine
Seitenansicht einer Anordnung von Filterbaugruppen ist, die mit
einem Rohrboden verbunden sind, wie in 1 dargestellt ist;
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3 eine
Schnittdarstellung einer aus einem Filterhalter und einer Dichtung
bestehenden Baugruppe ist, die zusammen mit einem herkömmlichen
monolithischen dickwandigen Kerzenfilter verwendet wird;
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4,
welche die Erfindung am besten beschreibt, Einzelheiten einer Ausführungsform
des miteinander verflochtene Fasern enthaltenden Fail-Safe-Regenerators
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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5 eine
Ausführungsform
des nachgeschalteten Sicherheitsfilters zeigt, bei dem miteinander
verflochtene Drähte
quer, unter einem Winkel von 90°,
zum Reingasstrom angeordnet sind und das im Gasstrom vor den Verdichtern
und Turbogeneratoren angebracht ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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.
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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 1110°F
(600°C)
bis etwa 1830°F
(1000°C)
einströmt. Das
Gehäuse
umfasst außerdem
ein Oberteil 38, das eine im Wesentlichen kreiszylinderförmige Gestalt besitzt,
an die sich ein kegelstumpfförmiger
Aschentrichter 40 zur Aufnahme der Feststoffpartikel anschließt, und
das 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, zum Beobachten des Inneren
des kuppelförmigen
Kopfstückes 30 während der
Stillstandszeiten und zum Zuführen
eines Rückspülgas-Impulses
zur Reinigung der Filter 28.
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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 Hauptfilterelement 28 von einer Filterbaugruppe 60 gehalten
und ist mit der entsprechenden unteren Platte 52 des Sammelraumes
verbunden. Die Filterbaugruppen 60 sind mittels eines Sammelraum-Stützrohres 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 Allgemeinen kegelstumpfförmige Gestalt hat.
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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 dieser Werkstoffe bei der Herstellung von
porösen
Kerzenfilterelementen verwendet wurden, welche dann 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-Technologie 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.
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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 99,999% betragen; einen Anfangsdruckabfall von nicht mehr als
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, indem 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-/Regeneratorvorrichtung 60 verwendet, in der
miteinander verflochtene Drähte/Fasern
mit hohem Aspektverhältnis,
die für
gewundene, sich schlängelnde,
unregelmäßige Durchgangswege
durch das Filter sorgen, verwendet werden und die nun beschrieben
werden soll.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt
eine Ausführungsform
eines metallischen und/oder keramischen Fail-Safe-/Regenerators
zur Abscheidung von großen
und kleinen Partikeln im Falle eines Ausfalls, einer Beschädigung oder
eines Bruches des Hauptkerzenfilters während des Betriebs in modernen
Energieerzeugungsanlagen auf Kohlebasis und/oder Biomasse- und industriellen
Anwendungen. Außerdem
kann die besagte metallische Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung direkt
an metallischen und intermetallischen Filterelementen befestigt
werden, womit eine aus einem Stück
bestehende Baueinheit bereitgestellt und ein einfacher Einbau in vorhandene
Filtrationsanlagen ermöglicht
wird. Bei diesen Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtungen, die in 3 und 4 dargestellt sind, wird eine metallische und/oder
keramische, stark "ineinandergeschachtelte" Draht-/Fasermasse
verwendet, welche eine große
Oberfläche
und hervorragende Eignung zum Zurückhalten von Partikeln aufweist,
um nicht nur das zur Impulsreinigung verwendete Gas zu erwärmen, um
den Thermoschock für
sie selbst und für
die porösen
monolithischen keramischen, keramischen in Wickeltechnik hergestellten
und/oder aus endlosfaserverstärktem
Keramikverbundstoff (CFCC) bestehenden Kerzenfilter sowie porösen metallischen und/oder
intermetallischen Kerzenfilter zu mildern, sondern auch um sicherzustellen,
dass verhindert wird, dass im Falle eines Ausfalls des Filters oder
der Dichtung partikelförmige
Feinstoffe in den Reingasstrom gelangen. Sie schützen auch die nachgeschaltete
Gasturbinen- und Wärmeaustauscherausrüstung und
sorgen dafür,
dass die Luftreinhaltungs-Emissionsgrenzwerte für den Betrieb der Anlage eingehalten
werden.
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Diese Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtungen 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-/Regeneratoreinheiten; sie ermöglichen
die Verwendung zusammen mit porösen
monolithischen keramischen, keramischen in Wickeltechnik hergestellten
und/oder aus CFCC bestehenden Kerzenfiltern sowie mit porösen metallischen
und/oder intermetallischen Kerzenfiltern und ähnlichem.
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Es wird nun auf 3 Bezug genommen; sie zeigt ein Beispiel
einer Filterbaugruppe 60. Die Filterbaugruppe 60 umfasst
ein Filtergehäuse 62, das
eine sich entlang des Umfangs erstreckende Seitenwand 64 aufweist,
welche eine innere Kammer 66 definiert, eine in 4 im Detail dargestellte Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung 68,
die in der inneren Kammer 66 angebracht ist, einen ringförmigen Distanzring 70,
der in der inneren Kammer 66 angebracht ist, eine Dichtungshülse 72,
eine obere gefügige
Dichtung 74, ein mittleres gefügiges Polster 76 und
eine Gussmutter 78.
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Der Distanzring 70 ist vorzugsweise
dauerhaft an dem Fail-Safe-/Regenerator
angebracht, so dass eine einzige Baueinheit gebildet wird, welche
in der inneren Kammer 66 des Filtergehäuses angebracht ist. In diesem
Falle kann der Distanzring 70 so mit der Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung 68 verschweißt sein,
dass sie aneinander anliegen, um die Fail-Safe-/Regeneratoreinheit 68 zu
befestigen und zu verhindern, dass sich das Filterelement 28 bewegt und
das Filtergehäuse 62 berührt, wodurch
eine eventuelle Beschädigung
des Hauptfilterelements 28 verhindert wird. Die Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung 68 ist
dazu vorgesehen zu verhindern, dass Feststoffpartikel in den Reingasbereich
des Druckbehälters
gelangen, falls ein Filterelement ausfällt, beschädigt ist oder bricht. Außerdem erwärmt der Fail-Safe-/Regenerator 68 das
bei den Rückspülimpulsen
zurückströmende Gas,
das im Allgemeinen kühler
als der Gasstrom ist, um zu verhindern, dass die Filterelemente 28 einer
Wärmeermüdung oder Rissbildung
ausgesetzt sind.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
einer Filterbaugruppe 60 ist in 4 dargestellt, welche die Reserve-Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung 68 zeigt. Ein
Zwischenraum 80 ist gewöhnlich
zwischen einem Distanzring 70 und einer unteren perforierten Haupt-Metallplatten-Abstützung 82 vorgesehen,
welche die Reserve- Sicherheitseinrichtung
in der Position über
dem Zwischenraum 80 abstützt. Der Zwischenraum 80 ermöglicht die
Verteilung des Gases über
die Oberfläche
der Reserve-Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung 68. Die bevorzugte
Reserve-Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung umfasst gewöhnlich die
folgenden Metallstützschichten
auf der Oberseite der Abstützung 82:
ein erstes unteres Grobsieb 84, ein optionales erstes unteres
Feinsieb 86, ein zweites oberes Grobsieb 88 und
eine obere perforierte Haupt-Metallplatten-Abstützung 90. Die Drähte 92,
wobei dieser Begriff in dem Sinne definiert ist, dass er die Begriffe "Nadeln" und "Fasern" einschließt, haben
ein Aspektverhältnis
(Länge/Durchmesser),
das größer ist
als etwa 30, wobei wahlweise wenigstens einige (definiert als mehr
als etwa 10 Masseprozent bis etwa 80 Masseprozent) miteinander verflochtene
Drähte
ein Aspektverhältnis
aufweisen, das größer ist
als etwa 150 und vorzugsweise zwischen 90 und 2000 liegt, so dass
sie blockiert und miteinander verfilzt sind. Bei der am meisten
bevorzugten Ausführungsform
weist eine erhebliche Menge (über
20 Masseprozent) der miteinander verflochtenen Drähte ein
Aspektverhältnis
von mehr als etwa 190 auf, um für
eine starre, statische Masse mit einem relativen Porenvolumen oder
einem Hohlraumanteil von etwa 70% bis 92% (mit einer theoretischen
Dichte von 8% bis 30%), vorzugsweise von 80% bis 92% zu sorgen.
Ein sehr nützlicher
Bereich des Aspektverhältnisses
ist 30 bis 150, mit einer erheblichen Menge von miteinander verflochtenen Drähten, welche
ein Aspektverhältnis
von mehr als etwa 190 aufweisen. Selbst wenn eine Anzahl von Drähten an
der Oberseite des Bettes bricht, zum Beispiel während einer Gegendruckreinigung,
bleibt die verfilzte Anordnung erhalten und erfüllt weiterhin ihre Funktion.
Indem wenigstens einige sehr lange Drähte verwendet werden, die Aspektverhältnisse
von mehr als 150 aufweisen, wird die gesamte Matte zu einer einheitlichen
Struktur vereinigt, insbesondere wenn Überkreuzungspunkte gesintert
werden.
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Die Drähte, Nadeln oder Fasern 92 verlaufen im
Allgemeinen quer, unter einem Winkel von 90°, zur Richtung des zugeführten verunreinigten
Gasstroms und weisen viele Überkreuzungspunkte 94 auf,
so dass die Masse vereinheitlicht und die Starrheit weiter verbessert
wird. Sie können
durch Wärme und/oder
Druck an den Überkreuzungspunkten
zusammengesintert werden, um für
eine unlösbare Verbindung
an den Grenzflächen
zu sorgen. Wie in 4 dargestellt,
können
die Fasern eine im Wesentlichen parallele, horizontale Anordnung
in der Anordnung von oben nach unten aufweisen. Sie tendieren dazu,
sich nicht zu bewegen. Dies gewährleistet
einen besseren Querschnitt für
den Einschluss von Staub. Die Nadeln sind aus der Gruppe gewählt, die
aus Metall oder Keramik und Mischungen davon besteht. Nickelfasern
gewährleisten
eine gute Verfilzung und bilden beim Sintern Schmelze-Kügelchen und
eine "stahlwolleartige" Matte. Nichtrostender Stahl
kann ebenfalls verwendet werden. Keramische Fasern, zum Beispiel
Mullit (3Al2O3·2SiO2), Tonerde, Zirkondioxid und Siliziumoxid
(falls verfügbar)
könnten
ebenfalls zu einer guten Vermaschung und guten Oxid-zu-Oxid-Bindungen
beim Sintern führen.
Sintern ist auch vorteilhaft, indem es verhindert, dass einzelne
Fasern durch die relativ großen Öffnungen der
sie zurückhaltenden
Abstützungen 82 und 90 aus weitmaschigem,
porösem
Gewebe oder perforiertem Metall hindurchrutschen. Normalerweise
können
die Fasern Längen
von 10 mm bis 250 mm und Durchmesser von etwa 0,08 bis 0,5 mm aufweisen.
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Das statische Bett gemäß der vorliegenden Erfindung
macht sich einen Mangel des in der Patentschrift von Maringer et
al. dargelegten eigentlichen Konzeptes des kontinuierlichen Filters
mit ineinandergeschachtelten Fasern zunutze. Ineinandergeschachtelte
Fasern lassen sich nämlich
gewöhnlich schwer
reinigen und können
daher nicht ohne weiteres in einem Umlaufprozessfilter wiederverwendet werden.
Dieses "Problem" ist für die Fail-Safe-Regeneratorvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Vorteil, da es wünschenswert
ist, dass das Bett bei dieser Erfindung schnell und vollständig verstopft
und während
der Rückspülimpulse
einem Lösen
der Verstopfung widersteht. Das statische Bett aus miteinander verflochtenen
Fasern gemäß der vorliegenden
Erfindung ist von Natur aus widerstandsfähig gegen eine Qualitätsverschlechterung infolge
von Thermoschocks. Während
nämlich
das feinmaschige Sie am stromabwärts
befindlichen Ende herkömmlicher
Fail-Safe-Regeneratoren der vollen Wärmeeinwirkung eines Rückspülimpulses ausgesetzt
wäre, wäre nur die
Oberseite des Bettes aus miteinander verflochtenen Fasern einem
solchen Thermoschock ausgesetzt. In dem Maße, wie die Fasern ein wirksamer
Regenerator sind, würde
der Thermoschock von der Oberseite zur Unterseite des Bettes hin
allmählich
immer geringer. Außerdem könnte, wie
in 4 dargestellt, eine
Nachrüstung vorhandener
Heißgasfilter-Konstruktionen,
wie etwa solcher des Typs von Bachovchin et al., einfach darin bestehen,
dass die feinmaschige Siebe und Raschig-Ringe umfassenden Mittel
vorhandener Fail-Safe-Regeneratoren
gegen diese Konstruktion mit miteinander verflochtenen Fasern ausgetauscht werden.
Bei einer solchen Konfiguration könnten die Fasern auch die Funktion
der Raschig-Ring-Mittel als Wärmeaustauscher
zum Schutz des Filters vor Thermoschocks während der Rückspülimpulse erfüllen. Tatsächlich wäre zu erwarten,
dass die größere Oberfläche der
ineinandergeschachtelten Fasern beim Wärmeaustausch einen Vorteil
gegenüber
Raschig-Ringen darstellt.
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5 zeigt
eine Ausführungsform
einer zusätzlichen,
nachgeschalteten Sicherheitsfilter-Einrichtung 99, die
zwischen der Filtrationseinrichtung 20 (in 1) und der Turbineneinrichtung, welche Wärmeaustauscher,
Verdichter und Gasturbinen-Generatoren enthält, angeordnet ist. Diese wirkt
als eine Sicherheitseinrichtung der "letzten Chance", falls ein schwerwiegender Ausfall
einer erheblichen Anzahl von Kerzenfiltern und Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtungen
aufgetreten ist. Das Sicherheitsfilter ist mit der Austrittsdüse 36 verbunden,
welche bei dieser Ausführungsform
an der Seite der Filtrationseinrichtung 20 und nicht an
ihrem oberen Ende angeordnet ist. Falls der Innendurchmesser 104 der
Austrittsdüse 36 x
cm beträgt,
so beträgt
der Innendurchmesser des Sicherheitsfilters vorzugsweise 3x bis
5x cm, und am meisten zu bevorzugen ist ein Innendurchmesser von
4x cm (wie dargestellt). Das Sicherheitsfilter umfasst eine Vielzahl
von Teilkammern 102, von denen jede ein ein relatives Porenvolumen
von 70% bis 92% aufweisendes, starres, statisches Bett aus im Allgemeinen
miteinander verflochtenen Drähten
mit Überkreuzungs-Kontaktpunkten
aufweist, welche ein Aspektverhältnis
von mehr als etwa 30 besitzen, wobei wahlweise wenigstens einige
miteinander verflochtene Drähte
ein Aspektverhältnis
von mehr als etwa 150 besitzen, wobei das Bett zwischen einem oberen
und einem unteren Satz von porösen,
gewöhnlich
perforierten metallischen Abstützungen 82 und 90 angeordnet
ist.
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Zwischen den Abstützungen 82 und 90 befindet
sich, wie die Abbildung zeigt, eine Anzahl innerer Abstützungen 100,
um dem Filter
99 Steifigkeit zu verleihen. Die miteinander
verflochtenen Drähte
weisen bevorzugte relative Porenvolumina und Abmessungen auf, wie
weiter oben beschrieben, und sind vorzugsweise an ihren Kontaktpunkten
durch Sintern verbunden, um die aufgrund des großen Durchmessers des Filters 99 erforderliche
Steifigkeit zusätzlich zu
sichern. Die miteinander verflochtenen Drähte müssen im Allgemeinen quer, unter
einem Winkel von 90°,
zum Reingasstrom 103, der an der Stelle des Kontakts mit
dem Sicherheitsfilter 99 nach unten gerichtet ist, und
zur Richtung der Schwerkraft angeordnet sein, da sich andernfalls
die Partikel auf der Oberseite der Abstützungswände 100 sammeln und dadurch
das Hindurchströmen
von Gas ermöglichen würden. Zwischen
den Teilkammern 102 und der Stelle des Eintritts des Gases
in das Sicherheitsfilter 99 wird ein erheblicher Abstand
Y gelassen, um eine ausreichende Länge zur Verfügung zu
stellen, damit der expandierende Gasstrom 103 mit allen
Teilkammern und nicht nur mit den mittleren in Kontakt kommt.
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Das aus der verflochtenen Matte bestehende Bett
gemäß dieser
Erfindung ist ein statischer "Überlastschalter", der dazu bestimmt
ist, im Falle eines Bruches des Hauptfilterelements den gesamten Strom
passiv zu unterbrechen. Die Fasern bewegen sich nicht. Tatsächlich muss,
während
eine kontinuierliche Filteranordnung mit ineinandergeschachtelten
Fasern nicht verfilzte Fasern mit einer relativ geringen Dichte
aufweisen muss, um ihre Eignung zum Fließen zu verbessern, bei der
Fail-Safe-Vorrichtung mit miteinander verflochtenen Fasern gemäß der vorliegenden
Erfindung das statische, verfilzte Faserbett erhalten bleiben. Dies
wird erreicht, indem das Bett mit einer Maschen aufweisenden Decke
an der Oberseite und an der Unterseite eingeschlossen wird, indem
wahlweise die Fasern durch Sintern zu einer einheitlichen Masse
vereinigt werden und indem Fasern mit einem hohen Aspektverhältnis verwendet werden,
die zu einem "stahlwolleähnlichen" Kissen verwoben
werden können,
das in durchströmendem Gas
oder während
eines Rückspülimpulses
seinen Zusammenhalt nicht verliert. Zum Vergleich, bei einem Filter
mit ineinandergeschachtelten Fasern würde man Fasern mit niedrigem
Aspektverhältnis
verwenden, gewöhnlich
von 60 bis 1, damit man diese zirkulieren lassen kann, während man
bei einer Fail-Safe-Vorrichtung mit verflochtenen Fasern aus der
Verfilzung Nutzen ziehen könnte, indem
man wenigstens einige oder eine beträchtliche Menge von Fasern mit
einem hohen Aspektverhältnis
von ungefähr
150–2000
zu 1 verwendet.
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BEISPIEL
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Eine Masse aus Stahlfasern, welche
die Zusammensetzung von nichtrostendem Stahl der Sorte 316, eine
Länge von
ungefähr
16 mm und einen Durchmesser von ungefähr 0,5 mm, was ein Aspektverhältnis von
etwa 32 zu 1 ergibt, aufweisen, wurde zu einer verfilzten Masse
von Form einer Matte zusammengepresst. Diese Matte, die ein relatives
Porenvolumen von etwa 92% aufwies, wurde anschließend in
einem Behälter
angebracht, um einen Betrieb als Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung in einer Filterbaugruppe
zur Filtration von Heißgas
zu simulieren. Ein Heißgasstrom
von (1550°F)
850°C und
ein Strom aus groben Aschepartikeln (Tidd) wurden durch die Baueinheit
geleitet, um den Betrieb in einer heißen gebrochenen Filterkonfiguration
mit Rückspülimpulsen
zu simulieren. Der Systemdruck betrug 120 psig (827 kPa), die Staubbelastung
am Einlass betrug 4400 ppm, die Anströmungsgeschwindigkeit betrug
5 ft/min (1,52 m/min), und der Rückspülimpuls-Druck betrug
265 psig (1827 kPa). Die Fail-Safe-Vorrichtung funktionierte gut,
das heißt,
sie verstopfte relativ schnell und unterbrach den gesamten Partikelstrom, und
die Verstopfung löste
sich während
der Rückspülimpulse
nicht auf.