DE69116338T2 - Filter sowie vorrichtungen zu seiner regenerierung - Google Patents

Filter sowie vorrichtungen zu seiner regenerierung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Filter zum Entfernen von Materiepartikeln, welche ein verflüchtigbares Material aus Gasströmen enthalten. Insbesondere trifft die Erfindung einen Filter zum Entfernen von kohlenstoffhaltigen Materiepartikeln, welcher eine Vorrichtung zur Regenerierung des Filters durch Umwandlung des Kohlenstoffs in Kohlenstoffdioxid aufweist. Hauptsächlich ist die Erfindung zur Verwendung bei Dieselmotorabgasen, Energieerzeugungsanlagen mit fossilem Brennstoff und für Abgasabgaben von chemischen Verfahren oder dergleichen vorgesehen.
  • Es gibt viele industrielle Anwendungen, bei denen die Verarbeitung von Gasströmen das Entfernen von verflüchtigbaren, insbesondere kohlenstoffhaltigen Partikeln betrifft. Ein besonders wichtiges Gebiet dabei ist die Behandlung von Abgasen von Dieselmotoren. Abgaspartikel dieser Dieselmotore sind zu einem der schwerwiegensten Probleme bei der Luftverschmutzung geworden. Aufgrund der Art der Verbrennung des Brennstoffs in einem Dieselmotor enthält das Abgas einen merklichen Partikelanteil in Form von feinen Kohlenstoffteilchen. Dies ergibt sich beispielsweise durch die Kondensation von Kohlenstoffmonoxid. Umweltstandards verändern sich in einer solchen Weise, daß eine erhebliche Reduzierung der Verschmutzung der Atmosphäre durch Kohlenstoffmonoxid, sowie durch Kohlenstoff enthaltene Partikel erfolgen muß. Gemäß des EPA-Standards müssen die Abgase von dieselangetriebenen Schwerlastwagen 1994 einen Wert von 0,1 g/PS-Std erreichen. Für Stadtbusse wird dies bereits der Standard im Jahre 1991 sein.
  • Eine weitere Anwendung zum Filtern von abgegebenen Gasen, in denen kohlenstoffhaltige Partikel gefunden werden, ergibt sich bei den verschiedenen Kohlevergasungsverfahren. Andere Anwendungen betreffen beispielsweise Schieferretorten und mit Kohle betriebene Turbinen.
  • Im Bereich der Abgase von Dieselmotoren sind Forschungen durchgeführt worden, um die Verunreinigungsstoffe zu reduzieren. Das Filterfallenverfahren wird als das vielversprechendste zur Reduzierung der Abgaspartikel betrachtet. Verschiedene Filterkonfigurationen sind untersucht worden, einschließlich der Wandflußfilter, bei denen die Gase durch Durchtreten durch eine dünne Membrane von einem Führungskanal in einen benachbarten Führungskanal gefiltert werden (typischerweise in Form einer Bienenwabe). Ein weiterer untersuchter Filtertyp wird als Schaumfilter bezeichnet, bei dem das Gas während des Durchtritts durch einen Körper mit ausgewählter Porosität gefiltert wird. Diese Filter werden typischerweise aus Keramikmaterialien wie Dichroit und Mullit gefertigt. Allerdings sind auch einige mit einem Drahtgitter hergestellt worden.
  • Eine Zusammenfassung dieser Untersuchungen ist in "Advances in Diesel Particulate Control" veröffentlicht durch die Society of Automotive Engineers, Inc. im Februar 1990 als Bericht SP-816 veröffentlicht worden. Dies ist eine Zusammenfassung von Veröffentlichungen, die auf dem SAE International Congress and Exposition 1990 vorgestellt wurden.
  • In Zusammenhang mit diesem Filteransatz fanden Untersuchungen bezüglich der periodischen Regenerierung der Filter statt, welche erfolgen sollte, wenn ein übermäßiger Druckabfall über dem Filter aufgrund einer dortigen Partikelablagerung auftritt. Die Zykluszeit zur Regenerierung wird sich in Abhängigkeit von der Zeitdauer zum Erreichen dieses oberen Wertes des Druckabfalls ändern, wobei typischerweise eine Regenerierung alle 200 Meilen für dieselangetriebene Schwerlastwagen erfolgen wird. Verschiedene Formen der Regenerierung sind betrachtet worden, welche in der Regel Dieselkraftstoffbrenner, elektrische Widerstandszünder, Katalysatorhilfen und andere solche Systeme aufweisen.
  • In der US-A-4281512 wird die Verwendung eines Filterpaares in paralleler Anordnung offenbart. Während ein Filter zur Entfernung der nicht gasförmigen Verunreinigungsstoffe verwendet wird, wird der zweite Filter durch Hindurchführen einer verbrennungsunterstützenden Gases und der abgelagerten, nicht gasförmigen Verunreinigungsstoffe regeneriert, wobei Ventile den Gasstrom des Abgases und des verbrennungsunterstützenden Gases leiten und die Ablagerungen auf dem Filter zu dessen Regenenerung verbrannt werden.
  • US-Patente, die eine elektrische Wärmeregeneration betreffen, sind US-A-4319896 von W.M. Sweeney vom 16. März 1982, US-A- 4744216 von V.D.N. Rao vom 17. Mai 1988 und US-A-4548625 von Y. Ishida et al vom 22. Oktober 1985. Eine katalytische Regenerierung ist in dem US-A-4102127 von J. Saiki et al vom 25. Juli 1978 beschrieben.
  • In der JP 1, 304, 022 wird ein typischer keramischer, extrudierter Bienenwabenkörper mit alternierend geschlossenen Löchern zur Zwangsführung des Abgases zur Filterung durch die Wand offenbart. Der Filter ist unterschiedlich zu anderen solchen Bienenwabenfiltern, in dem die Einlaßkanäle lose mit keramischen Whiskern gefüllt sind, um eine zusätzliche Filterung zu ermöglichen. Demgemäß ist dieser Filter kein monolitischer Filter aus Whiskern. Weiterhin ist vorgesehen, den Filter unter Verwendung eines Gasbrenners oder eines elektrischen Zünders zu heizen, wie sie in der Regel für Filterregenerierungen dieses Types verwendet werden.
  • Eine Betrachtung bei der Filterregenerierung sowie bei dessen Normalbetrieb ist die strukturelle Beschaffenheit des Filters, die durch Temperaturgradienten innerhalb des Filters und die Stärke des Filtermaterials beeinflußt wird. Werden die Kohlenstoffpartikel auf einer Filterseite angezündet, bewegt sich eine Flammenfront oder -linie mit intensiver Hitze entlang der Länge des Filters und erzeugt einen thermischen Schock über die Flammenlinie. Zur Verminderung dieses Nachteils hat eine Untersuchungsgruppe den Gebrauch von einer Mikrowellenheizung einer Aufnahme auf einer Seite des Filters zum Einleiten der Regenerierung untersucht. Eine zweite Aufnahme an einer Unterseite wird dabei durch Mikrowellen geheizt, um vergleichbare Temperaturen zu erhalten, wodurch die Temperaturdifferenz und der Temperaturgradient reduziert wird. Diese Arbeit wird auf den Seiten 131 bis 140 des obengenannten SAE-Berichts dargestellt und ist nach Auskunft Gegenstand einer Patentanmeldung möglicherweise in Kanada. Ob die Herstellung aus getrennten Teilen (keramische Filter mit Aufnahmen) oder als einteiliges Bauteil erfolgt, das Ergebnis ist einfach ein besserer Zünder, wobei allerdings die intrinsinschen Probleme der Basisfiltereinheit nicht gelöst werden. Beispielsweise kann bei dieser Konstruktion keine gleichmäßige Erwärmung der gesamten Vorrichtung erzielt werden, da eine unterschiedliche Erwärmung an zwei getrennten Punkten in der Filtereinheit erfolgt. Weiterhin gibt es die Möglichkeit eines gewissen Typs von "Reaktion" zwischen den Heizbereichen und dem Filterelement selbst während intensiver Nutzung und Regenerierung. Schließlich wird bei diesem Aufbau noch das schwächere Keramikfiltermaterial im Hauptbereich des Filters verwendet.
  • Bei Systemen mit elektrischem Widerstandszünder wird meistens eine Fehlfunktion festgestellt, die durch Korrosion der elektrischen Verbindungen verursacht wird, welche den korrodierenden Gasströmen ausgesetzt sind.
  • In der JP 59-58114 wird die Verwendung von Mikrowellenenergie zur Regenerierung von Filtern offenbart. Das Filterelement bei dieser Druckschrift ist eine standardmäßig extrudierte Keramikbienenwabe, die den Wanddurchfluß ermöglicht. Wärme zur Regenerierung wird durch hochenergetische Mikrowellenstrahlung erzeugt, die von den abgelagertem Kohlenstoff in einer solchen Weise reflektiert wird, daß ein Funkeneffekt ähnlich wie bei Metallen in einem Mikrowellenherd auftritt. Diese Reflektion der Mikrowellenstrahlung tritt nur auf, wenn sich genügend Kohlenstoff gebildet hat. Tatsächlich wird ein stetiger, niederenergetischer Mikrowellenstrahl verwendet, um den Aufbau von Kohlenstoff zu überwachen und es wird nur auf den Hochenergiestrahl umgeschaltet, wenn eine genügende Dichte von Kohlenstoff vorhanden ist. Erfolgt das Verbrennen sehr lokalisiert, wird durch die auftretende Hitze eine thermische Beanspruchung hervorgerufen, die für keramische Filterelemente schädlich ist. Weiterhin werden große (dichte) Ablagerungen von Kohlenstoff Ablagerungen mit geringerer Dichte abdecken, so daß deren Verbrennen wahrscheinlich verhindert wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Filter zum Entfernen von kohlenstoffhaltigen Partikeln und anderen verflüchtigbaren Materialien von Gasströmen bereitzustellen, wobei der Filter einen vorteilhaften Aufbau aufweist, der unter Verwendung von Mikrowellenenergie regenerierbar ist, wobei der Filter eine gleichmäßige Temperatur in einem merklichen Bereich des Filters annimmt und wobei Korrosion kein Problem darstellt und das Filterelement aus einem Material hergestellt ist, das die erwünschte Filtrierung ermöglicht und weiterhin die Mikrowellenstrahlung einkoppelt, um die Mikrowellenenergie in thermische Energie umzuwandeln.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und das Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Filterelement zum Einführen in einen Gasstrom bestehend aus kohlenstoffhaltigen und anderen verflüchtigbaren Partikeln eingeführt, um diese Partikel aus dem Gas zu entfernen. Das Filterelement ist aus Siliziumkarbidwhiskern oder anderen Siliziumkarbidmaterialien gebildet, die Mikrowellenenergie in thermische Energie umwandeln können. Gemäß der Erfindung wird weiterhin ein mit dem Filterelement assoziierter Mikrowellenhohlraum bereitgestellt, wodurch Mikrowellenenergie dem Filterelement zum Erreichen einer im wesentlichen gleichmäßigen Temperatur über einen beträchtlichen Bereich des Filters zuführbar ist. Dadurch werden Kohlenstoff und andere ähnliche Materialien gleichmäßig während der Filterregeneration verbrannt. Eine Messung des Druckunterschieds über dem Filterelement kann zum Einleiten der Regeneration verwendet werden. Weiterhin kann eine Temperaturmeßeinrichtung zur Steuerung des Mikrowellengenerators verwendet werden, um die richtigen Temperaturen zur Regeneration zu erhalten.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich durch die Unteransprüche. Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ausführlichen Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Figuren erläutert.
  • Es zeigen:
  • Figur 1 einen Querschnitt zur Darstellung der wichtigen Bauteile der vorliegenden Erfindung mit einem Filterelement (und dessen thermischer Isolierung), welches von einem Mikrowellenhohlraum trennbar ist, wenn dessen Ersetzung notwendig ist;
  • Figur 2 einen Querschnitt zur Darstellung der vorliegenden Erfindung bei Einsatz in einem Abgassystem zur Verarbeitung eines Gasstroms, der kohlenstoffhaltige (und/oder andere verflüchtigbare) Partikel enthält; und
  • Figur 3 eine schematische Darstellung eines Gesamtsystems der vorliegenden Erfindung.
  • Die grundlegenden Bauteile der vorliegenden Erfindung sind am besten unter Bezugnahme auf Figur 1 verständlich, in welcher eine Kombination aus Filter und Heizung allgemein mit Bezugszeichen 10 versehen ist. Zentral innerhalb dieser Vorrichtung ist ein Filterelement 12 angeordnet, das bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel aus Siliziumkarbidwhiskern hergestellt ist. Dabei betrifft der Begriff "Whisker" ein kristalline, diskontinuierliche Fasern, welche typischerweise eine mittlere Dicke von bis zu wenigen Mikrometern und eine Länge typischerweise vom 10- bis 100-fachen der Dicke aufweisen. Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung der Whisker wird im folgenden beschrieben. Diese Whisker werden zu einer Filtereinheit 12 durch jedes passende Verfahren gebildet. Beispielsweise können diese Whisker in einer Vorform verdichtet werden, die eine zylindrische Konfiguration, wie dargestellt, haben kann. Diese Vorform sollte eine nominelle Porositätsgröße von 25 um +/- 5% aufweisen. Alternativ können die Whisker in eine dünne Schicht (ein Papier oder Pappe) eingeformt und zur Bildung des Filterelements aufgewickelt werden. Dabei soll wieder die obengenannte nominale Porosität vorliegen. Natürlich sind weitere physikalische Formen der Filter innerhalb des Schutzbereichs der Filter enthalten.
  • Die Filtereinheit 12 ist von einer thermischen Isolationsschicht 14 umgeben. Diese ist in der Regel aus Aluminium- oder Zirkoniumoxid als fester Faserisolation hergestellt. Bei der bevorzugten Konstruktion ist die Isolationsschicht gegen die peripheren Oberfläche 16 der Filtereinheit 12 gestellt, so daß der Filter angemessen abgestützt ist. Auf diese Weise erhält man eine ausreichende Festigkeit zur Handhabung während der Fabrikation und/oder beim Austausch. Bevorzugt ist die Isolationsschicht 14 mit einer Vielzahl von Kühlkanälen 18 ausgebildet, wodurch die Isolierung unterhalb einer ausgewählten Temperatur gehalten wird.
  • Der Filter-Isolierungsaufbau ist von einem Mikrowellenhohlraum 20 umgeben. Dieser Hohlraum ist ringförmig bezüglich des Filter-Isolationsaufbaus und ist mit einer Zentralöffnung 22 ausgebildet, in der die Außenfläche 24 des Filter- Isolationsaufbaus eng aufgenommen ist. Folglich kann der Filter-Isolationsaufbau in die Öffnung 22 eingesetzt oder aus dieser entnommen werden zum Zusammenbauen oder Erneuern der Einrichtung 10.
  • Die in Figur 1 dargestellten Bauteile weisen eine Konfiguration von aufgerichteten Kreiszylindern auf. Dies ist eine bevorzugte Form. Allerdings können andere Konfigurationen je nach Anwendungen der Einrichtung verwendet werden.
  • In Figur 2 ist eine typische Konstruktion des gesamten Filter- Heizungsaufbaus dargestellt. Die Zeichnung weist keinen bestimmten Maßstab auf und dient nur zur Illustration der allgemeinen Anordnung der Bauteile. Ein Einlaß des Aufbaus ist mit einem Einlaßrohr 26 versehen, das von der Quelle der zu filternden Gase herangeführt ist. Gewöhnlich ist der Durchmesser des Einlaßrohres geringer als der der Filterelementeinheit. Daher ist ein divergenter Bereich 28 zum Erreichen der richtigen Größe vorgesehen. Dieser divergente Bereich endet in einem Flansch 30, der lösbar an einem Flansch 32 des Mikrowellenhohlraums 20 beispielsweise mit einer Vielzahl von mechanischen Befestigungseinrichtungen 34 befestigt ist. Ähnlich ist gewöhnlich ein konvergenter Bereich 36 eines Rohres am Auslaß der Filtereinheit 12 erforderlich, der zu einem Auslaßrohr 38 führt. Dieser konvergente Bereich 36 endet ähnlich in einem Flansch 40 passend zu einem Bodenflansch 42 des Mikrowellenhohlraums, an dem er mittels einer Vielzahl von Befestigungseinrichtungen 44 lösbar befestigt ist. Um die Filtereinheit (und die Isolierung) am Flansch 30 zu halten und Straßenstöße zu vermindern, ist typischerweise ein Federelement 46 vorgesehen. Weiterhin, um jegliche Lücken zwischen Filtereinheit 12 und konvergierendem Bereich 36 zu überbrücken, weist die Filter-Isolationseinheit typischerweise eine flexible Verlängerungshülse 48 auf. Um Einlaß- und Auslaßbereiche des gesamten Aufbaus thermisch zu schützen, ist jeder mit einer Isolierung 50, 52 versehen.
  • Mikrowellenenergie wird dem Hohlraum 20 zugeführt, wie durch Bezugszeichen 54 dargestellt. Dies geschieht über jede passende und typische Kopplungseinrichtung zwischen einer Mikrowellenenergiequelle (siehe Figur 3) und dem Hohlraum 20.
  • Der Betrieb der vorliegenden Erfindung kann unter Bezugnahme auf Figur 3 verstanden werden. Wie dargestellt, ist die Filter- Heizungseinrichtung zwischen Einlaßrohr 26 und Abgasrohr 38 (keine Isolation dargestellt) angeordnet. Der Differenzdruck zwischen Einlaß- und Abgasrohr wird durch Druckleitungen 56 für den Druck PU stromaufwärts und 58 für den Druck PD stromabwärts bestimmt. Diese Drücke werden einer Steuerschaltung 60 übermittelt, wobei, wenn der Differenzdruck einen vorbestimmten Wert überschreitet, die Regenerierung der Filter-Heizungseinrichtung eingeleitet wird. Der erste Schritt dieser Regenerierung wird durch einen Bypass für die Filter-Heizungseinheit erreicht. Eine entsprechende Vorrichtung ist nicht dargestellt, ist allerdings von bekanntem Aufbau. Danach wird ein Mikrowellengenerator 32 durch ein Ausgangssignal der steuerschaltung 60 über Leitung 64 aktiviert. Die Mikrowellenenergie, typischerweise ungefähr 2,45 GHz bei ungefähr 1 KW bis 3 KW, wird der Filter- Heizungseinrichtung 10 über die oben beschriebene Kopplung 54 zugeführt, wobei die interne Filtereinheit gleichmäßig auf ungefähr 600 bis 800º C aufgeheizt wird. Bei diesem spezifischen Frequenzbereich wurde festgestellt, daß die Kopplung mit dem Siliziumkarbidwhiskern zur Umwandlung der Mikrowellenenergie in thermische Energie besonders gut ist. Allerdings sind auch andere Frequenzen verwendbar, die mit den Whiskern koppeln. Diese Temperatur kann innerhalb von 5 bis 15 Minuten erreicht werden und, da die Whisker des Filters die Heizelemente sind, erreicht der Hauptteil der Filtereinheit die gleiche Temperatur zum gleichen Zeitpunkt. Während des Aufheizens kann dem Filterelement Luft von einer Quelle 68 oder von jeder anderen passenden Luftquelle zugeführt werden, um den Verbrennungsprozeß zu unterstützen. Die Filtertemperatur TF wird mit einer entsprechenden Einrichtung überwacht, so daß bei einer erwünschten Temperatur außerhalb des erwünschten Bereichs ein Signal über Leitung 66 zur Steuerschaltung 60 zur Regulierung des Betriebs des Mikrowellengenerators 62 übermittelt wird. Diese Regenerierung durch Mikrowellenheizen wird für eine ausgewählte Zeit fortgesetzt, um das verflüchtigbare Material im wesentlichen zu verbrennen. Ein Kühlgas (typischerweise atmosphärische Luft) kann von Quelle 68 durch die Führungen in der Isolationsschicht geführt werden, wenn ein Heizen des Mikrowellenhohlraums schädlich ist. Passende Siliziumkarbidwhisker zur Verwendung in Filtereinheit 12 können durch das im US-A-4,873,069 dargestellte Verfahren, wie im folgenden Ausgeführt, hergestellt werden. Dieses US-Patent wird als Referenz angesprochen. Sehr kleine flockige Siliziumdioxidteilchen mit einer sehr großen Oberfläche werden mit einem flockigen aufgekohltem Material vermischt. Diese Materialien haben beide ein Hohlraumvolumen von 40% oder größer. Der Anteil der Siliziumdioxidteilchen in dieser Mischung betrifft gewichtsmäßig das ungefähr 1,5- bis 2,75-fache der Kohlenstoffasern. Die Mischung wird bis auf eine Temperatur von ungefähr 1.600 bis 1.900º C für wenigstens ungefähr 0,2 h erhitzt, währenddessen die gasförmigen Reaktionsprodukte von Reaktionen zwischen den zwei Materialien an der Oberfläche der Mischung in einem stationären Zustand durch Fließen eines inerten Gases durch den Ofen gehalten werden. Vorzugsweise wird ein Katalysator aus der Gruppe bestehend aus Aluminium-Metall und zerlegbaren Verbindungen von Bor, Aluminium und Lanthan (oder Mischungen aus diesen) vor dem Aufheizschritt zugefügt. Das folgende Beispiel I beschreibt detaillierter die Herstellung von Siliziumkarbidwhiskern zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung.
    • Beispiel I
  • Sehr kleine (0.002 um) flockige Siliziumdioxidteilchen mit einer sehr großen Oberfläche (200 m²/g) werden innig mit vollständig verkohlten Baumwollfasern im trockenen Zustand vermischt. Solche Siliziumdioxidteilchen werden als "Cab-O-Sil" durch die Cabot Corporation hergestellt. Ein geringer Anteil von anhydrischen Boroxid (B&sub2;O&sub3;) und gepulvertem Aluminiummetall werden der Mischung zugesetzt, um als Katalysator für das SiC- Whiskerwachstum zu dienen.
  • Die Mischung wird in einem Graphitsynthesebehälter eingefüllt und besteht zu ungefähr 40% aus Hohlraum im geschlossenen Behälter auf. Die Mischung wird in einer Argonatmosphäre für 30 bis 90 Minuten auf eine Temperatur von 1700 +/- 50º C erhitzt. Das Argon fließt stetig über den Behälter, um gasförmige Nebenprodukte der Reaktion während der Bildung der SiC-Whisker zu entfernen.
  • Das erhaltene Produkt ist zu mehr als 98% Siliziumkarbid, welches mehr als 80% trennbare, 1 bis 3 um im Durchmesser große Siliziumcarbidwhisker enthält. Der Rest besteht aus Makroteilchen und verschmolzenen whiskerähnlichem Material. Das nicht aus Whiskern bestehende Material wird von einem wärmebehandelten Material durch mechanische Separierung getrennt, um das endgültige Siliziumkarbidwhiskerprodukt zu erhalten.
  • Whisker, die nach dem obigen Verfahren hergestellt wurden, werden zur Herstellung von beispielsweise einem "Filz" oder Papier aus Siliziumcarbidwhiskern verwendet. Diese Schichten von Whiskern werden dann typischerweise zu einer monolitischen gewikkelten Filterstruktur (12) zur Anordnung innerhalb eines thermischen Isolationskörpers 14 geformt, welcher typischerweise aus Aluminiumoxid- oder Zirkonoxidfasern hergestellt ist. Die Filtereinheit ist in der Regel ein aufrechter Kreiszylinder mit 5 bis 9 Zoll (12,7 bis 22,9 cm) Durchmesser und weist eine Länge von 9 bis 12 Zoll (22,9 bis 30,5 cm) auf. Die Isolationshülse zur thermischen Isolierung hat typischerweise die gleiche Länge wie die Filtereinheit und eine Dicke von 1,5 Zoll (3,8 cm). Damit ergibt sich für den Filter-Isolationsaufbau in der Regel ein Durchmesser von ungefähr 8 bis 12 Zoll (20,3 bis 30,5 cm). Die folgenden Beispiele II und III beschreiben typische Formationen eines Filterelements.
    • Beispiel II
  • Der Siliciumkarbidwhiskerfilter muß bestimmte Kriterien erfüllen, um feine Materiepartikel aus einem mit hoher Geschwindigkeit strömenden, eine hohe Temperatur aufweisenden Gasstrom zu entfernen. Diese Kriterien führen zu widersprüchlichen Anforderungen bei den Materialeigenschaften. Der Filter muß eine ausreichende Porosität haben, um einen Druckabfall von weniger als 2 Zoll Waser im Abgasstrom zu erzeugen. Die Porosität muß fein genug sein oder die Oberfläche muß groß genug sein, um wenigstens 85% der Teilchen mit Größen von 0,1 um oder größer aufzuhalten. Daher muß es eine sehr große Oberfläche und eine sehr geringe Wandstärke aufweisen, welche eine ausreichende Stärke zum Widerstehen des Abgasstromdruckes hat.
  • Eine hohe Oberfläche erhält man in der Regel durch Erzeugen von Spiralen oder Falten in der Filterwand.
  • Die Bildung solcher geometrischer Formen erfordert eine biegbare Form des Siliziumkarbidwhiskermaterials. Diese Form ist dadurch erhältlich, in dem man Whiskerpapier mit Whiskern hergestellt nach Beispiel I macht. Ein Blatt Papier aus Zellulosefasern ist durch den bekannten Fourdrinier-Prozeß hergestellt, bei dem das Papier ungefähr zwischen 0,003 bis 0,025 Zoll dick ist. Ein Blatt von Whiskerpapier wird über dem Zellulosefaserpapier gebildet, das eine Dicke von ungefähr 0,008 bis 0,050 Zoll aufweist. Ein Abdeckblatt aus Zellulosefaser, identisch zu dem oben beschriebenen Blatt, wird über dem SiC-Whiskerpapier gebildet. Folglich ist das SiC-Whiskerpapier für die folgenden Schritte gestützt.
  • Die sich ergebende zusammengesetzte Struktur wird entweder gefaltet oder in eine spiralenförmige Anordnung geformt und zur Stabilisierung des Filters in ein Hochtemperaturfutter eingesetzt. Filter und Futter werden in ein Vakuumofen gesetzt und auf ungefähr 1.200º C zum Ausbrennen des Zellulosepapiers erhitzt. Methyltrichlorosilan und Wasserstoff oder ähnliche SiC bildende Gase werden durch die SiC-Papierfilterwand zur Bildung von SiC, HCl und H&sub2;-Produkten gezwungen. Das in diesem Schritt gebildet SiC bindet an den SiC-Whiskern in dem Papier, wodurch die Filterform fest und stark wird. Der Filter wird abgekühlt und aus dem Futter entnommen. Dann wird er in eine Isolationsaußenhülle aus einer keramischen Faser eingepaßt und dort befestigt. Anschließend werden End-Deckeladapter befestigt.
    • Beispiel III
  • Ein poröses Metall oder eine Plastikform wird in einer gefalteten oder spiralförmigen Filterform gebildet. Eine dünne (0,010 bis 0,032 Zoll) Kartonvorform wird innerhalb der porösen Form eingepaßt. Siliziumkarbidwhisker hergestellt nach dem Verfahren von Beispiel I, werden in einer Wasserlösung unter Verwendung von Ammoniakhydroxid und Darvon C als Dispergenten gelöst. Darvon C wird von der R.T. Vanderbilt hergestellt. Weiterhin wird Methylcellulose als Binder verwendet. Die Lösung sollte 40 bis 70 Gew% SiC Whisker enthalten. Diese Lösung wird durch das Innere der Form bewegt, während ein Vakuum von 5 bis 15 Zoll Hg durch die Form gezogen wird. Dieses Vakuum bildet die Whisker auf der Kartonvorform mit einer Dicke von ungefähr 0,008 bis 0,5 Zoll. Der Aufbau wird getrocknet und die Kartonvorform und der Whiskerfilter als Einheit fertig zum Verfestigen entfernt.
  • Dies wird durch Carbonisieren bei 800 bis 900º C in Argon erreicht, wobei Karton und Methylzellulosebinder zu Kohlenstoffteilchen umgewandelt werden. Der Ofen wird dann weiter auf 1450 bis 1650º C erhitzt. Ist diese Temperatur erreicht, wird die Einheit mit geschmolzenem Silizium besprüht oder in dieses eingetaucht. Dieses geschmolzene Silizium reagiert mit dem Kohlenstoff unter Bildung von Siliziumkarbid zur Bindung der Sihziumkarbidwhisker, wodurch der Filter versteift wird. Dann kann dieser in die thermisch isolierende Hülse eingesetzt werden und jeder Endadapter kann angebracht werden.
  • Die Filterisolationsanordnung ist gleitfähig innerhalb des Mikrowellenhohlraums 20, siehe Figur 2, aufgenommen. Bei dieser Konfiguration verursacht die in den Hohlraum gerichtete Mikrowellenenergie im wesentlichen ein gleichmäßiges Aufheizen der Filtereinheit in einem Hauptbereich des Filters. Aufgrund dieser gleichförmigen Aufheizung tritt im wesentlichen kein Temperaturgradient innerhalb des Filters während der Kohlenstoffverbrennung auf. Folglich ergibt sich keine potentielle Beschädigung während entweder einer Nutzung des Filters oder dessen Regenerierung. Es wird erwartet, daß die Filterisolationsanordnung ausreichend arbeitet für wenigstens 150.000 Betriebsmeilen des schwersten dieselangetriebenen Lastwagen oder ähnlicher Fahrzeuge. Ist zu einem Zeitpunkt die Regenerierung nicht mehr ausreichend, wie durch den Differenzdruck über den Filter bestimmt wird, kann die Einheit entfernt werden und eine neue Filterisolationseinheit installiert werden. Natürlich wird ein solcher Filter, wenn er mit ausreichender Festigkeit zur Handhabung hergestellt ist, nur allein ersetzt, wenn nicht die Isolierung ebenfalls einen Schaden aufweist.
  • Die hier beschriebene Struktur kann auch für andere Anwendungen als bei Dieselabgasen eingesetzt werden. Beispielsweise gibt es viele Kohlvergasungssysteme, bei denen die Abgase schädigende Mengen von Kohlenstoff enthaltenden Teilchen aufweisen. Weiterhin gibt es Fließbettverbrenner, direkt mit Kohlenfeuerungsgas betriebene Turbinen und dergleichen, bei denen Materiepartikel bei relativ hoher Temperatur entfernt werden müssen. Alle diese Partikel können durch Verwendung eines Filter-Heizungssystems wie beschrieben entfernt werden, wobei der Filterbereich periodisch oder bei Erfordernis unter Verwendung der Mikrowellenheizung regeneriert wird. Die Siliziumkarbidwhisker sind im wesentlichen inaktiv bezüglich anderer Verunreinigungen der Gase, wie beispielsweise Ca, Zn, P, S, Fe und Oxide, die gewöhnlich in Dieseltreibstoff und Schmiermitteln gefunden werden.
  • Aus dem Vorangehenden ist verständlich, daß eine Einrichtung entwickelt wurde, die eine monolithische Filterstruktur zur Entfernung von Kohlenstoff und anderen verbrennbaren flüssigen Materiepartikeln aus einem Gasstrom bereitstellt. Enthält das Partikelmaterial solche verbrennbaren Stoffe, können sie von dem Filter durch Heizen mit Mikrowellenenergie entfernt werden, in dem die verbrennbaren Stoffe verbrannt werden und typischerweise Kohlendioxid bilden. Aufgrund der bestimmten Natur des monolithischen Filters erfolgt das Aufheizen im wesentlichen gleichmäßig innerhalb des Filters, so daß ein Temperaturgradient in der Regel fehlt und ein Springen oder andere schädliche Strukturschäden (verursacht durch den thermischen Expansionsgradienten) nicht vorhanden sind. Die Einrichtung ist insbesondere in Abgassystemen von dieselbetriebenen Motoren von Nutzen. Allerdings hat sie auch einen Wert in vielen anderen Anwendungsgebieten, in denen gasförmige Ströme mit kohlenstoffhaltigen Partikeln (oder anderen Partikeln, von denen der Hauptteil durch Heizen entfernt werden kann) auftreten.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Filterelements verwendet Siliziumkarbidwhisker. Allerdings sind andere Formen von Siliziumkarbidmaterialien verwendbar, die eine angemessene Filtration ermöglichen und die mit der Mikrowellenstrahlung koppeln, um thermische Energie passend zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung zu erreichen.
  • Auch wenn bestimmte Details bei der Erläuterung der vorliegenden Erfindung angegeben wurden, sind diese nur zu Illustrationszwecken und nicht zur Beschränkung der Erfindung dargestellt. Folglich ist die Erfindung nur durch die beiliegenden Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.

Claims (13)

1. Eine Filter-Heizungsstruktur (10) zum Entfernen von Partikelmaterial aus einem Gasstrom, wobei das Partikelmaterial primär bei Anwendung von Hitze sich verflüchtigt, und zur Regenerierung der Struktur, welche aufweist:
ein monolithisches Filterelement (12), welches aus Siliziumkarbidmaterial zur Entfernung des Partikelmaterials aus dem Gasstrom hergestellt ist, wobei das Siliziumkarbidmaterial Mikrowellenenergie in thermische Energie umwandelt und wobei das Filterelement (12) eine nominale Porositätsgröße von ungefähr 25 um +/- 50% aufweist; und
eine Einrichtung (20, 62) zum Bestrahlen des Siliziumkarbidmaterials des Filterelements (12) mit Mikrowellenstrahlung einer Frequenz passend zum Einkoppeln in das Siliziumkarbidmaterial zum gleichförmigen Anheben der Temperatur des Filterelements auf eine Temperatur zum verflüchtigen der verflüchtigbaren Bestandteile des vom Filterelements gehaltenen Partikelmaterials.
2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumkarbidmaterial Siliziumkarbidwhisker sind.
3. Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20, 62) zum Bestrahlen der Siliziumkarbidwhisker des Filterelements aufweist:
eine Mikrowellenenergiequelle (62); und
eine Einrichtung (20) zum Einkoppeln der Mikrowellenenergiequelle zur Aufheizung der Siliziumkarbidwhisker des Filterelements (12).
4. Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenenergiequelle (62) eine bevorzugte Energie von ungefähr 2,45 Ghz mit einer Leistung von ungefähr 1.000 bis 3.000 Watt abgibt.
5. Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung (20) ein Mikrowellenhohlraum ist, der das Filterelement im wesentlichen umgibt.
6. Struktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine thermische Isolierung (14) zwischen Mikrowellenhohlraum (20) und Filterelement (12) angeordnet ist.
7. Struktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung (14) mit Durchtrittswegen (18) zum Hindurchführen eines Kühlmittels (68) durch die thermische Isolierung ausgebildet ist.
8. Struktur nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (60) zum Erfassen einer Druckdifferenz über dem Filterelement (12) verursacht durch das auf diesem gehaltene Partikelmaterial und zur Erzeugung eines der Druckdifferenz entsprechenden Signal; und
eine Einrichtung (60) zum Betreiben der Mikrowellenenergiequelle (62), wenn das der Druckdifferenz entsprechende Signal bis auf einen ausgewählten Wert steigt, wodurch die Mikrowellenenergie ein Aufheizen der Siliziumkarbidwhisker des Filterelements (12) und ein Verflüchtigen der verbrennbaren Anteile des Partikelmaterials verursacht, und zum Abstellen der Mikrowellenenergiequelle (62) nach einer vorbestimmten Zeitperiode, nach der die Regenerierung des Filterelements im wesentlichen abgeschlossen ist.
9. Struktur nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch, eine Temperaturmeßeinrichtung (TF,60), die dem Filterelement (12) zugeordnet ist, wobei die Temperaturmeßeinrichtung ein Signal erzeugt, durch welches die Mikrowellenenergiequelle zur Erzeugung einer vorbestimmten Temperatur innerhalb des Filterelements angeregt wird.
10. Struktur nach Ansprüchen 1 bis 5, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine thermische Isolierung (14) zwischen dem Mikrowellenhohlraum (20) und dem Filterelement (12) angeordnet ist und im wesentlichen das Filterelement umgibt, wobei die thermische Isolierung mit einer Einrichtung (18) zu ihrer Kühlung ausgebildet ist; eine Einrichtung (26, 28) zum Einführen des Gasstroms in das Filterelement (12) angeordnet ist; und eine Einrichtung (36, 38, 48) zum Transportieren des Gasstroms vom Filterelement (12) nach Entfernen der Materiepartikel vorgesehen ist, wobei der Gasstrom vom Filterelement die verbrennbaren Bestandteile der von dem Filterelement (12) gehaltenen Materiepartikeln nach Verflüchtigen dieser Komponenten mit Mikrowellenbestrahlung enthält.
11. Verfahren zum Entfernen von kohlenstoffhaltigen Partikeln aus einem diese enthaltenen Gasstrom mit den folgenden Schritten:
Führen des Gasstroms durch ein Filterelement (12) aus Siliziumkarbidwhiskern, welche Mikrowellenenergie in thermische Energie umwandeln, wobei das Filterelement eine Porositätsgröße von ungefähr 25 um +/- 50% aufweist und das Filterelement die Partikel von dem Gasstrom entfernt;
Überwachen einer Druckdifferenz über dem Filterelement (12) zur Bestimmung eines Ansammelns der Partikel auf dem Filterelement;
Isolieren des Filterelements (12) von dem Gasstrom, wenn die Druckdifferenz über dem Filterelement einen vorbestimmten oberen Wert erreicht;
Heizen der Siliziumkarbidwhisker des Filterelements (12) mit Mikrowellenenergie einer vorbestimmten Frequenz bis zu einer ausgewählten Temperatur für eine ausgewählte Zeit, um die kohlenstoffhaltigen Partikel zur Regenerierung des Filterelements zu verflüchtigen, wenn die Druckdifferenz den vorbestimmten oberen Wert erreicht, welcher eine maximale effektive Ansammlung von Partikeln auf dem Filterelement anzeigt;
Führen von Luft durch das Filterelement (12) während des Aufheizens, um das Verflüchtigen der kohlenstoffhaltigen Partikel zu unterstützen;
Abbauen der verflüchtigten kohlenstoffhaltigen Partikel von dem Filterelement;
Beenden des Heizens der Siliziumkarbidwhisker des Filterelements (12) nach einer vorbestimmten Zeitperiode, nachdem die Regenerierung des Filterelements im wesentlichen vollzogen ist; und
Wiedereinkoppeln des Filterelements in den zu filternden Gasstrom.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizen mit einer Mikrowellenstrahlung einer Frequenz von ungefähr 2,45 Ghz und einer Leistung von ungefähr 1.000 bis 3.000 Watt erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Temperatur ungefähr 600 bis 800º beträgt.
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