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Anordnung zur elektrischen Gasreinigung Bei den bekannten Einrichtungen
zur elektrischen Gasreinigung wird zwischen sogenannten Ausströmer- oder Sprühelektroden
und einer zweiten Elektrode, die in der Regel die Niederschlagselektrode bildet,
ein starkes elektrisches Feld erzeugt, das zugleich zur Erzeugung von Ionen, zum
Aufladen der im Gase schwebenden Teilchen mit diesen Fönen und zur Ab scheidung
der geladenen Teilchen dient.
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Es ist auch bekannt, bei derartigen Anlagen durch einen unabhängig
regelbaren Vorgang eine zusätzliche Ionenzufuhr zu erzeugen, sei es, daß man zwischen
benachbarte Ausströmerelektroden eine hohe Wechselspannung legt oder daß man die
zusätzlichen Ionen durch hohe Temperaturen, Glühdrähte o. dgl. erzeugt. Auch bei
diesen Anordnungen erfüllen die Ausströmerelektroden nach wie vor die Aufgabe, mittels
des zwischen ihnen insgesamt und der Niederschlagselektrode herrschenden Feldes
zugleich Ionisation und Aufladung sowie Niederschlagung der im Gase schwebenden
Teilchen zu bewirken.
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Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Anordnung zur elektrischen Gasreinigung
durch ein zwischen Elektroden erzeugtes, nur zur Ionisation dienendes Feld gekennzeichnet,
dem ein anderes, zur Aufladung und gegebenenfalls Niederschlagung von Schwebeteilchen
dienendes, zwischen Elektroden erzeugtes elektrisches Feld einer anderen Spannung
ganz oder teilweise überlagert ist.
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Die Erfindung greift mit diesem Vorschlag aus den drei für die elektrische
Gasreinigung maßgebenden Vorgängen, nämlich Zonenerzeugung, Aufladung und Abscheidung,
zunächst die Bildung von Ladungsträgern heraus, indem sie vorschlägt, für die Ionenerzeugung,
Ionisation ein besonderes Feld, erzeugt durch eine Sonderspannung, vorzusehen, das
diese und keine andere Aufgabe hat. Sodann schlägt> die Erfindung für den Vorgang
des Aufladens vor, dem besonderen Ionisationsfeld ein weiteres elektrisches Feld
zu überlagern, welches sich aus der Ionisationszone Ionen eines Vorzeichens herausholt
und hierdurch eine unipolare Raumladung erzeugt, durch welche der Gasstrom geleitet
und dabei aufgeladen wird. Die Niederschlagung der so geladenen Teilchen kann dann
wahlweise durch das Aufladefeld oder ein Sonderfeld bewirkt werden.
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Die zwei sich überlagernden Felder werden praktisch ein gemeinsames
Feld bilden. Dieses Feld ist aber beim Erfindungsgegenstand nicht willkürlich gestaltet
und gelagert, sondern zeitigt als Resultate zweier mit bestimmten Funktionen betrauter
und
dementsprechend gewählter Felder bestimmte, für die beabsichtigten
Zwecke in besonderem Maße geeignete Wirkungen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann so getroffen werden, daß die Ionisation
zwischen zwei oder mehreren unter sich jeweils parallel geschalteten Reihen von
Leitern erfolgt, die, beispielsweise an die verschiedenen Pole einer Wechselstromquelle
angeschlossen, vorzugsweise in gemeinsamer Fläche oder Ebene liegen, welche parallel
zur Hauptrichtung des Gasstromes angeordnet ist. Das zweite Feld kann zwischen plattenförmigen
Elektroden oder zwischen den Ionisationselektroden, vorzugsweise einer Polarität,
und plattenförmigen Gegenelektroden gebildet werden und beispielsweise durch eine
Gleichspannung erzeugt werden. Die plattenförmigen Elektroden oder Gegenelektroden
liegen vorzugsweise parallel der Fläche oder Ebene der Ionisationselektroden. Die
Ionisationselektroden selbst können mit Isolation bedeckt oder umhüllt sein.
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Aus der Anordnung gemäß der Erfindung ergeben sich neuartige Verhältnisse
hinsichtlich Konstruktion und Wirkungsweise von elektrischen Gasreinigern.
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Durch die Trennung des Ionisationsvorganges von den übrigen Faktoren
der Gasreinigungsanlage ergibt sich einesteils die Möglichkeit einer vorteilhaften,
funktionell außerordentlich befriedigenden Ausbildung des Ionisators, die insbesondere
durch die Abkehr von den üblichen dünnen Ausströmer-oder Sprühelektroden gekennzeichnet
ist. Mit der Wahl möglichst dünner Drähte, wie sie zur Erzielung der Ionisation
schon bei niedrigen Spannungen für die Sprühelektroden meist. gewählt werden, ist
die Gefahr des Zerreißens der Drähte verbunden. Infolge der in Richtung auf die
Sprühelektroden hin wirkenden Gradientkraft bedecken sich die dünnen Ausströmerelektroden
schnell mit einer dicken Staubschicht, 'die eine Verminderung der Inhomogenität
des Feldes und der Ionisationsstärke zur Folge hat.
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Da sich -andererseits benachbarte Sprühdrähte in der Feldverteilung
schädlich beeinflussen, muß bei parallelen Drähten deren Abstand groß gewählt werden;
so daß der Absc>eideraum schlecht ausgenutzt ist und sich eine örtlich begrenzte
Ionisation entwickelt.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung treten derartige unerwünschte
Erscheinungen nicht auf; vielmehr sind durch die Erfindung die Voraussetzungen zu
einer gleichmäßigen, flächenhaften Verteilung der Ionisation und damit zu einer
gleichmäßigen Ausnutzung des gesamten Filterraumes gegeben. Als Ionisätionselektroden
können stabile Körper; z. B. Stäbe oder Röhren, verwendet werden, von denen etwa
abwechselnd die eine isoliert, die andere blank ist. Es sind keine Spitzen, haarähnliche
Drähtchen o. dgl., die schwierig zu befestigen und gegen unerwünschte Bewegungen
im elektrischen Feld zu sichern sind, erforderlich.
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Da der Abstand der Ionisationselektroden verschiedener Polarität voneinander
verhältnismäßig klein gewählt werden kann, lassen sich die Ionen mit Wechselstromspannungen
erzeugen, die kleiner sind, als wenn sie zwischen der Ausströmerelektrode und der
Niederschlagselektrode, die sich in verhältnismäßig großem Abstand voneinander befinden,
erzeugt werden müssen. Eine Gleichrichtung des Wechselstromes wird überflüssig;
mau kann beispielsweise mit Wechselstrom der üblichen technischen Frequenz von 5o
Perioden eine sehr intensive Ionisation unter günstigen ökonomischen Verhältnissen
erzeugen.
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Gegen die Niederschlagselektroden hin ergibt sich aus den neuen Grundsätzen
gemäß der Erfindung die bei den üblichen Gasreinigungssystemen mit Ausströmerelektroden
nicht vorhandene Möglichkeit, mit der Niederschlagsspannung, beispielsweise Gleichspannung,
außerordentlich stark herunterzugehen, so daß nur eine geringe oder gar keine Abstoßung
der Schwebeteilchen an den Niederschlagselektroden eintritt. An sich ist mit Rücksicht
auf eine starke Ionenerzeugung eine hohe Feldstärke zwischen den Ionisationselektroden
erwünscht. Andererseits ist es aber auch gefährlich, das Abscheidefeld stark zu
wählen, da hierbei leicht ein elektrischer Durchschlag von den Ionisationselektroden
nach den Abscheideelektroden hin eintritt. Ein derartiger Durchschlag würde die
Gasreinigungsanlage kurzzeitig abschalten und dadurch den Betrieb stören, wenn nicht
sogar eine Zersetzung der elektrischen Apparatur oder Explosionen im Gas eintreten
würden. Diese Gefahr wird bei der Erfindung dadurch behoben, daß die Feldstärke
zwischen den Ionisationselektroden hoch ist im Vergleich zu der Feldstärke des oder
der anderen nicht ionisierenden Felder, womit zugleich die erwähnte Verminderung
der Wiederabstoßungskraft an den Abscheideplatten, die bekanntlich proportional
dem Quadrat der Feldstärke an den Abscheideplatten ist, erzielt wird.
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Da man bei der erfindungsgemäßen Anordnung vom Sprühen zur Erzeugung
von Ionen absehen kann, liegt auch kein Bedürfnis mehr vor, das Aufladefeld gegen
die Ionisationselektroden hin wachsen zu lassen, vielmehr wird durch die unipolare
Raumladung zwischen den Ionisations- und Abscheideelektroden sogar eine Verstärkung
des Niederschlagsfeldes
in Richtung auf die Niederschlagselektroden
hin hervorgerufen.
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Zur Erklärung dieser Erscheinung wird auf die bekannte Tatsache verwiesen,
daß am Anfang jeder elektrischen Kraftlinie eine positive Ladung, am Ende eine negative
Ladung sitzt. Da nun bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Abscheideelektrode
geerdet und positiv gegenüber dem Ionisator ist, und da ferner die Raumladung negativ
ist, also die gleiche Polarität wie der Ionisator besitzt, so endigt ein großer
Teil der von der positiven Elektrode ausgehenden Kraftlinien bereits in den im Raumladungsgebiet
befindlichen negativen Ionen. Auf dieseWeise nimmt die Dichte der Feldlinien gegen
den Ionisator hin ab. Da nun aber die Dichte der Feldlinien proportional der Feldstärke
ist, so ergibt sich, daß beim Erfindungsgegenstand eine Verstärkung des Niederschlagsfeldes
gegen die Niederschlagselektroden hin eintritt. Zugleich aber ergibt sich nunmehr,
daß die sogenannte Gradientkraft, die sich als eine durch die Änderung eines elektrischen
Feldes auf Schwebeteilchen mit merklicher Leitfähigkeit oder höherer Dielektrizitätskonstante
als das umgebende Gas bedingte Kraftwirkung in Richtung des Anwachsens des Feldes
darstellt, auch nicht mehr, wie bei den bekannten Sprühelektroden, die Schwebeteilchen
gegen die Ionisationselektroden hin zu treiben sucht und dabei der -Coulombschen
Feldkraft (Feldstärke X Ladung der Schwebeteilchen) entgegenwirkt, sondern daß sich
Gradientkraft und Coulombsche Feldstärke in Richtung auf die Niederschlagselektroden
hin unterstützen. Durch diesen bisher unbekannten Vorgang wird die Geschwindigkeit
der geladenen Schwebeteilchen in Richtung auf die Niederschlagselektroden zu erhöht,
so daß für eine bestimmte zu reinigende Gasmenge die Abmessungen der gesamten Reinigungsvorrichtung
erheblich vermindert werden können.
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Eine weitere, außerordentlich vorteilhafte Wirkung des Erfindungsgegenstandes
liegt in der Verminderung bzw. Ausschaltung des sogenannten Ionenwindes.
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Es ist bekannt, daß beim Ausgehen elektrischer Entladungen von diskreten
Punkten, z. B. Glimmpunkten, die elektrischenLadungsträger bei ihrer Bewegung ungeladene
Gasmoleküle durch Reibung mit sich reißen. Hierdurch entsteht eine Gasströmung.
Ist zwischen den Abscheideelektroden einer Gasreinigungsanlage ein Sprühdraht angeordnet
wie bei den bisher üblichen Gasreinigungssystemen, so bläst dieser sogenannte Ionenwind
von den einzelnen Glimmpunkten auf dem Sprühdraht aus mehr oder weniger kräftig
gegen die Abscheideelektroden hin. Naturgemäß muß infolge der Kontinuität des Gases
diese Gasströmung vor dem Erreichen der Abscheideplatten seitlich abbiegen und wenigstens
teilweise in Richtung auf den Sprühdraht zurückkehren. Hierdurch tritt eine kräftige
Durchwirbelung des Gases auf, insbesondere auch ein Wiederaufwirbeln von bereits
niedergeschlagenen Staubteilchen. Auf ihrer rückläufigen Bewegung gelangen die ungeladenen,
durch den Ionenwind bewegten Schwebeteilchen häufig unter den Einfluß der in der
Nähe der Sprühelektroden besonders hohen Gradientkraft und werden hierbei unmittelbar
auf die Ionisationselektroden gebracht.
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Der Ionenwind ist nur möglich, wenn, wie erwähnt, eine elektrische
Entladung an diskreten Punkten stattfindet. Ist dagegen, wie bei der vorliegenden
Erfindung, die Ionisation gleichmäßig auf eine große Fläche verteilt und verläuft
deshalb die elektrische Strömung mit konstanter Dichte nach den Abscheideelektroden
hin, so kann ein Ionenwind vom Ionisator nach den Abscheideplatten hin. nicht eintreten,
vielmehr fliegen die geladenen Schwebeteilchen völlig gleichmäßig und ruhig nach
den Abscheideelektroden hin.
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Die im vorstehenden dargelegten Verhältnisse wirken sich in unmittelbaren
grundlegenden Unterschieden zwischen den seither üblichen Gasreinigungamethoden
und dem erfindungsgemäßen System hinsichtlich der Funktionen zwischen Reinigungsgrad,
Gasgeschwindigkeit und Apparategröße aus.
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Bei Apparaten nach dem Sprühdrahtsystem sinkt gemäß bekannten Formeln
die Menge des nicht abgeschiedenen Staubes mit der Apparategröße lediglich asymptotisch
auf Null ab, so daß - sich der Reinigungsgrad mit wachsender Apparategröße bzw.
sinkender Gasgeschwindigkeit nur langsam asymptotisch den ioo °%o nähert. Hingegen
steigt im erfindungsgemäßen Fall der Reinigungsgrad mit wachsender Apparategröße
oder sinkender Gasgeschwindigkeit so -schnell, daß es möglich ist, mit einer verhältnismäßig
kleinen Apparatur einen praktisch ioo°%igen Reinigungsgrad zu erreichen.
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Die erfindungsgemäß hergestellten Gasreinigungsanlagen ermöglichen
somit auch bei großer Gasgeschwindigkeit verhältnismäßig kurze Niederschlagswege
und dementsprechend kleine Abmessungen der Gesamteinrichtung. Für den Ionisator
und die Niederschlagselektroden ergeben sich konstruktiv und mechanisch bequeme,
brauchbare Formen. Die Betriebsspannung der Anlage läßt sich gegenüber bekannten
Einrichtungen wesentlich herabsetzen, so daß auch bezüglich der Bedienung, Betriebssicherheit
und Anlagekosten Vorteile gegeben sind.
Einige Ausführungsbeispiele.
der Erfindung sind in der Zeichnung veranschaulicht.
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In Fig. i sind im Schnitt zwei stabförmige Ionisationselektroden ii,
i2 veranschaulicht, denen zur Erzeugung des Ionisationsfeldes eine geeignete Spannung,
Gleichstrom oder Wechselstrom, aus einer beliebigen Spannungsquelle 13 zugeführt
wird. Die zweiten Elektroden, die hier zugleich als Niederschlagselektroden dienen,
sind mit 16, 17 bezeichnet.. Ihnen wird die Spannung, sei es Gleichstrom oder Wechselstrom,
aus einer Spannungsquelle ig zugeführt. Es entstehen somit zwei Gebiete, von denen
das eine zur Ionisation dienende sich vorwiegend zwischen den Ionisationselektroden
erstreckt, während das andere Gebiet, das im vorliegenden Beispiel zugleich Aufladungs-
und Niederschlagsgebiet ist, aus den beiden Teilgebieten besteht, die sich jenseits
der Ionisationselektroden nach den Niederschlagselektroden hin erstrecken.
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Werden nun die Elektroden an Spannung gelegt, so entstehen zwischen
den Elektroden 1i, 12 durch Stoßionisation bei genügend hoher Spannung Ladungsträger,
die von dem zwischen den Elektroden 16, 17 herrschenden Feld, das das Ionisationsfeld
überlagert, durch das Aufladegebiet nach den Niederschlagselektroden hin befördert
werden. Auf diesem Wege der Elektrizitätsträger werden die in dem beispielsweise
in Richtung der Pfeile i9 zwischen den Niederschlagselektroden strömenden Gase schwebenden
Teilchen aufgeladen und gelangen unter dem Einfluß des zwischen den Elektroden 16,
17 herrschenden Feldes (oder eines besonderen Feldes) zu den Niederschlagselektroden.
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Die Elektroden, zwischen denen das Ionisationsfeld erzeugt wird, können
je nach der Wahl der zur Ionisation dienenden Spannung mehr oder weniger dicht aneinander
angeordnet werden, so daß die Ionisation unter günstigen Verhältnissen erfolgt.
Bei dem kurzen Abstand der Ionisationselektroden voneinander ist es möglich, mit
Hilfe von mäßig hohen Spannungen die Feldstärke hoch zu wählen im Vergleich zur
Feldstärke des oder der anderen nicht ionisierenden Feldes oder Felder. Da die Ionisation
von einer besonderen Spannung bewirkt wird, ergibt sich der weitere erhebliche Vorteil,
daß die Spannung zwischen den Elektroden 16, 17, die die Ladungsträger in
das Aufladegebiet befördert und gegebenenfalls auch die dort aufgeladenen Teilchen
niederschlägt, sehr klein sein kann, weil der erforderliche Energieaufwand zur Beförderung
der Elektrizitätsträger in das Aufladegebiet und zum Niederschlagen der geladenen
Teilchen erheblich kleiner ist als der zur Ionisation erforderliche. Es lassen sich
so bei den Anordnungen gemäß der Erfindung auf einfachem Wege hohe Raumladungen
erzeugen. Man kann, indem man den Ionisationseleltroden eine hohe Wechselstromspannung
zuführt, eine intensive Ionisation erzeugen, während durch die Zuführung einerGleichspannung
zwischen den anderen Elektroden die Ladungen ohne großen Energieaufwand in das Aufladungsgebiet
befördert werden und dort zu beiden Seiten der Ionisationselektroden unipolare Raumladungen
einander entgegengesetzten Vorzeichens bilden.
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Die linear sich erstreckenden Leiter können auch in einer großen Reihe
nebeneinander angeordnet sein. Ein Beispiel zeigt Fig.2. Hier sind zwei Scharen
unter sich parallel verlaufender und unter sich parallel geschalteter linearer Leiter
23,_ 2q. angeordnet. Wird diesen Ionisationselektroden eine ausreichend hohe Spannung
zugeführt, so tritt die Ionisation in einem Gebiet auf, das sich flächenartig erstreckt
und zu dessen beiden Seiten sich nach den Niederschlagselektroden 26, 27 hin das
Auflade- und Abscheidegebiet anschließt, durch welches die Gasströmung parallel
der Ionisationsfläche geführt ist.
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Die Leiter 23, 24 können als volle Stäbe beliebigen Querschnitts oder
auch als Röhren aus beliebigem Leitermaterial hergestellt sein. Die Leiter können,
wie Fig.2 zeigt, blank sein, sie können aber auch mit einem Isolationsmaterial,
Email, Glas o. dgl., überzogen sein, wie dies Fig. 3 zeigt, bei der die Leiter 30,
31 mit Isolationsschichten 33 umgeben sind.
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Das die Elektrizitätsträger aus dem Ionisationsgebiet herausbefördernde
Feld kann entweder zwischen den beiden N iederschlagselektroden i6, 17 gebildet
sein, indem man ihnen eine Spannung zuführt, wie dies die Ausführungsbeispiele der
Fig. i und 3 zeigen; man kann aber auch so vorgehen (vgl. Fig. 2), daß man die blanken
Leiter des einen Pols 24 mit der Stromquelle 18 des zweiten Feldes verbindet, während
die Niederschlagselektroden 16, 17 parallel geschaltet sind und mit dem zweiten
Pol der Spannungsquelle iS verbunden sind. Das zweite Feld wird in diesem Fall zwischen
den Ionisationselektroden einerseits und den zweiten Elektroden oder Niederschlagselektroden
andererseits gebildet. Bei dieser Schaltung, bei der das Auflade- und Abscheidefeld
zwischen den in einer Fläche angeordneten Ionisationselektroden symmetrisch nach
den beiden Abscheideelektroden hin ausgebildet wird, entstehen zwei völlig gleichwertige
und einander entsprechende Abschnitte der Einrichtung, für die die Ionisationsfläche
eine Symmetrieebene bildet. Jede Hälfte enthält alle zur Durchführung
des
erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Elemente, so daB jede Hälfte, bestehend
aus Ionisationsfläche und einer Niederschlagselektrode, für sich zur elektrischen
Gasreinigung genügt.
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Die einzelnen stabförmigen Ionisationselektroden können achsparallel
mit der Richtung der Gasströmung oder auch hintereinander mit quer zur Richtung
des Gasstromes angeordneter Achse liegen. Immer aber wird die von ihnen gebildete
Fläche parallel zur Strömungsrichtung des Gases und in Richtung der zugehörigen
Niederschlagselektrode oder -elektroden liegen. Man kann auf diese Weise bei planparalleler
Anordnung von Ionisationsfläche und Niederschlagselektroden eine gleichmäßige, räumlich
konstante Stromdichte über den ganzen Bereich des dein Ionisationsfeld überlagerten
Querfeldes erreichen, das, beispielsweise zwischen den flächenartig angeordneten
Ionisationselektroden und der Niederschlagselektrode durch die Aufladespannung bzw.
Niederschlagsspannung erzeugt, beiderseits der Ionisationsfläche hervorgerufen wird,
wenn die Niederschlagselektroden symmetrisch zur Ionisationsfläche beiderseits derselben
angeordnet sind.
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Da die Ionisationsspannung unabhängig von der Auflade- und Niederschlagsspannung
geregelt wird, werden die Verhältnisse der Aufladung und des Niederschlagens völlig
beherrscht.