DE60101256T2 - Filterelemente aus miteinander verbundenen fasern als sicherheitsvorrichtungen bei der filterreinigung - Google Patents

Filterelemente aus miteinander verbundenen fasern 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-/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.
  • Hintergrundinformation
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 mit einem Rohrboden verbunden sind, wie in 1 dargestellt ist;
  • 3 eine Schnittdarstellung einer aus einem Filterhalter und einer Dichtung bestehenden Baugruppe ist, die zusammen mit einem herkömmlichen monolithischen dickwandigen Kerzenfilter verwendet wird;
  • 4, welche die Erfindung am besten beschreibt, Einzelheiten einer Ausführungsform des miteinander verflochtene Fasern enthaltenden Fail-Safe-Regenerators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • BEISPIEL
  • 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.

Claims (17)

  1. Filterbaugruppe (60) zur Filtration von Fremdstoffpartikel enthaltendem Gas, welche eine Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung und ein lang gestrecktes Filterelement (28) in einem Druckbehälter (22) einer Heißgasreinigungsanlage, der einen Eingang (25) 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 als etwa 30 ist.
  2. Filter nach Anspruch 1, wobei wenigstens einige miteinander verflochtene Drähte ein Aspektverhältnis aufweisen, das größer als 90 ist.
  3. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die miteinander verflochtenen Drähte der Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung zwischen einer oberen und einer unteren Gruppe von Abstützungen angebracht sind.
  4. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die miteinander verflochtenen Drähte der Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung in der Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung fixiert sind.
  5. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die miteinander verflochtenen Drähte der Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung ein Aspektverhältnis aufweisen, das größer als 30 ist.
  6. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die miteinander verflochtenen Drähte der Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung innerhalb des Bettes viele Überkreuzungspunkte aufweisen.
  7. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die miteinander verflochtenen Drähte der Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung aus der Gruppe gewählt sind, die aus Metall oder Keramik und Mischungen davon besteht.
  8. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die miteinander verflochtenen Drähte der Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung ein Bett bilden, das ein relatives Porenvolumen von etwa 80% bis 92% aufweist.
  9. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die miteinander verflochtenen Drähte aus Metall bestehen.
  10. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die miteinander verflochtenen Drähte aus Keramik bestehen.
  11. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, die in einer Umgebung eines heißen, mit Fremdstoffpartikeln verunreinigtem Gasstroms und von dessen Eintritt in einem Druckbehälter einer Heißgasreinigungsanlage betrieben wird, der in einer Filtrationseinrichtung zwischen einer Quelle von verunreinigtem zugeführtem Gas und einer Turbineneinrichtung angeordnet ist.
  12. Filterbaugruppe nach Anspruch 11, wobei die Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung heißes, von Fremdstoffpartikeln freies Gas in einer Richtung durchlässt und auch kaltes, von Fremdstoffpartikeln freies Gas zum Reinigen des statischen Bettes durchlassen kann, wobei die besagten, miteinander verflochtenen Drähte bewirken, dass kalte Gase vorgewärmt werden.
  13. Filterbaugruppe nach Anspruch 1, die außerdem ein zugehöriges nachgeschaltetes Filter aufweist, das eine Vielzahl von Teilkammern umfasst, wobei jede Teilkammer ein ein relatives Porenvolumen von 70% bis 92% aufweisendes, starres, statisches Bett aus im Allgemeinen miteinander verflochtenen Drähten aufweist, wobei die Drähte ein Aspektverhältnis von mehr als etwa 30 besitzen.
  14. Filter nach Anspruch 5 oder 13, wobei eine erhebliche Menge der miteinander verflochtenen Drähte ein Aspektverhältnis von mehr als 190 aufweist.
  15. Filterbaugruppe nach Anspruch 1 oder 13, wobei die miteinander verflochtenen Drähte durch Sintern verbunden sind.
  16. Vorrichtung zum Auffangen und Sammeln von Partikeln, die eine Filterbaugruppe (60) zur Filtration von Fremdstoffpartikel enthaltendem Gas einschließt, welche eine Fail-Safe-/Regeneratorvorrichtung und ein lang gestrecktes Filterelement (28) in einem Druckbehälter (22) einer Heißgasreinigungsanlage, der einen Eingang (25) 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 als etwa 30 ist.
  17. Verfahren zur Filtration von Gas in einem Filter nach Anspruch 1, welches die folgenden Schritte umfasst: Aufnahme von Fremdstoffpartikel enthaltendem Gas an einem Eingang (25); und Durchlassen des besagten Gases durch das besagte Filter.
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