DE69507469T2 - Vorrichtung zum filtrieren von gasen von hoher temperatur - Google Patents

Vorrichtung zum filtrieren von gasen von hoher temperatur

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung fürs Filtern von Hochtemperaturgasen, wie etwa aus einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor abgeleiteten Hochdruckgasen. Die Filtervorrichtung umfaßt typisch poröse keramische Filterelemente. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren fürs Filtern von feste Verunreinigungen enthaltenden Hochtemperaturgasen und fürs wirksame Entfernen des angesammelten Feststoffs von den Filterelementen auf sichere Weise.
  • Beim Stand der Technik ist es bekannt, keramische Filter zu einzusetzen, um Teilchen aus Heißgasströmen zu entfernen. Es ist zum Beispiel bekannt, durch einen gekühlten Rohrboden abgestützte keramische Kerzenfilter (wie sie im US-Patent 4,869, 207 dargestellt sind) zur Reinigung von Heißgasen zu benutzen. Die Größe einer solchen Filtereinheit ist jedoch derzeit begrenzt; die praktische Grenze für den Durchmesser eines Druckgefäßes mit Kerzenfilter liegt bei ungefähr 3-5 m.
  • Es ist ebenfalls bekannt, keramisch Durchfluß-Filterrohre zu benutzen, die in Filtereinheiten durch gekühlte Trägerplatten vertikal abgestützt sind. Die Größe dieser Filtergehäuse ist praktisch beschränkt, weil es wegen der Ausdehnung des Gefäßes selbst und wegen der von der Trägerplatte erforderterten Steifheit schwierig ist, große wassergekühlte Trägerplatten mit einem Durchmesser von zum Beispiel über 2 m auszuführen.
  • Bekanntlich ist es auch wesentlich, die Filter zum Beispiel nach gewissen vorbestimmten Betriebsperioden zu reinigen, um den gewünschten Druckabfall beibehalten zu können. Die in der Regel zur Reinigung des Filters angewandten Methoden nutzen einen Gas-Rückwärtsimpuls zum Durchspülen des Filters.
  • Um größere Filtereinheiten zustande zu bringen, hat man vorgeschlagen, ein Filtergehäuse mit gekühlten Wänden und einer Vielzahl Rohre vorzusehen, die horizontal innerhalb des Schmutzgasraums im Filtergehäuse montiert sind. Die Rohre erstrecken sich zum Beispiel von einer Wand zur gegenüberliegenden Wand im Filtergehäuse. Falls jedoch große Mengen fester Teilchen aus dem Gas abgeschieden werden sollen, kann das sich auf den Rohren ansammelnde partikelförmige Material leicht Verstopfungsprobleme zur Folge haben. Die Filtereinheiten müssen häufig durch Impulse abgereinigt werden. Die Impulsbeaufschlagung der Filterrohre muß auf solche Weise erfolgen, daß den zerbrechlichen keramischen Rohren kein Schaden zugefügt wird, was unter Umständen schwierig zu vermeiden sein kann. Die Anordnung mit horizontalen Rohrfiltern bietet einen Vorteil gegenüber konventionellen Kerzenfiltern insofern, als größere Filtereinheiten gebaut werden können; doch sind noch größere Einheiten mit größerer Filterfläche pro Filtergehäusevolumen und leichter abzureinigenden Filtern gewünscht.
  • Man hat auch vorgeschlagen, poröse monolithische keramische Filter einzusetzen, die eine große Filterfläche pro Filtergehäusevolumen bieten. Die monolithischen keramischen Filter haben eine Vielzahl Durchlässe, die sich in Längsrichtung vom Eintrittsende zum Austrittsende erstrecken, welche Durchlässe aber verschlossen sind, um direkten Durchlauf des Zulaufs durch die Durchlässe von der Eintrittsseite (Schmutzgasseite) zur Austrittsseite (Reingasseite) zu verhindern, wodurch Reingas gezwungen ist, durch das poröse keramische Material in einen benachbarten Durchlaß zu fließen, der mit der Reingasseite des Filters verbunden ist. Die Reinigungsleistung von Bündeln solcher monolithischer keramischer Filter ist viel höher als bei konventionellen Kerzenfiltern oder rohrförmigen keramischen Filtern. Die monolithischen keramischen Filter beanspruchen dabei weniger Platz als konventionelle keramische Rohr- oder Kerzenfilter.
  • Hierbei wird ebenfalls auf US-A-5 284 498, insbesondere auf die Ausführungsform von Fig. 10 und 11 des Dokuments verwiesen, das eine Vorrichtung des vorliegenden Typs beschreibt, die zwei konzentrische vertikale Gefäße umfaßt, wobei das zwischen die beiden eingeführte Schmutzgas durch keramische Filterelemente in den Wänden des Innengefäßes in den darin befindlichen Reingasraum fließen kann. Dieses Dokument zeigt ebenfalls die Möglichkeit zur Abreinigung der Filterabstützung auf, doch in einer etwas andersartigen Ausführungsform, siehe Fig. 3.
  • Der Einbau dieser monolithischen Elemente in Filtergefäße in Hochtemperaturumgebung und eventuell mit Temperaturschwankungen hat zu sehr komplizierten und teueren Konstruktionen geführt. Bei Reinigung von Hochtemperaturgasen aus Feuerungen, Vergasern oder dergleichen wird die gesamte Filtergefäß-Konstruktion erhitzt und muß aus teuerem heißfestem Material gefertigt werden. Es ist somit wirtschaftlich unpraktisch, große Filtereinheiten zu bauen.
  • Die Seitenwände einer Hochtemperatur-Filtereinheit mit monolithischen Filterelementen sind beim Erhitzen der Einheit zum "Leben", zur Ausdehnung, geneigt, wodurch Verbindungen zwischen monolithischen Filterelementen und Seitenwänden ebenfalls "leben" und Probleme verursachen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung fürs Filtern von Hochtemperaturgasen vorzusehen.
  • Im besonderen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine keramische Hochtemperatur-Hochdruck-Filtereinheit für druckbeaufschlagte Verbrennung, Vergasung oder damit verwandte Prozesse vorzusehen, um die obenerwähnten Probleme aus der Welt zu schaffen und eine billige, einfache und zuverlässige Gasreinigungsvorrichtung bereitzustellen.
  • Der vorliegenden Erfindung zufolge ist eine Vorrichtung fürs Filtern von Hochtemperaturgasen sowohl aus druckbeaufschlagten Systemen (d. h. Systemen auf überatmosphärischem Druck) als auch atmosphärischen Systemen nach Anspruch 1 vorgesehen.
  • Das aufrechte Innengefäß ist aus Wasserrohrpaneelen aufgebaut, wo benachbarte vertikale Wasserrohre jeweils über Flossen miteinander verbunden sind. Das Innengefäß ist konzentrisch im Außengefäß angeordnet, und die monolithischen keramischen Filterelemente sind an ihrem schmutzigen Einlaßende mit Öffnungen der Wasserrohrpaneele verbunden. Der größte Teil der Filterelemente steht mit dem Reingas- Ende durch das Wasserrohrpaneel in den Reingasraum heraus, wobei nur ein sehr kleiner Teil < 1/3 der Länge des Filterelements oder fast gar nichts vom Filterelement in den Schmutzgasraum vorspringt. Mittel zur Rückspülung der Filterelemente sind vor dem Reingas-Ende der Filterelemente vorgesehen.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Filtervorrichtung ist ein Einlaß für Schmutzgas in der Decke des Außengefäßes vorgesehen, eine Stützplatte ist im oberen Teil des Außengefäßes vorgesehen, welche Stützplatte den Gasraum im Außengefäß in eine Schmutzgasseite oberhalb der Stützplatte und eine Reingasseite unterhalb der Stützplatte aufteilt. Das obere Ende des Innengefäßes ist mit einer Öffnung der Stützplatte auf solche Weise verbunden, daß der größte Teil des Innengefäßes unterhalb der Stützplatte angeordnet ist. Das Innere des Innengefäßes ist durch die Öffnung der Stützplatte mit der Schmutzgasseite oberhalb der Stützplatte verbunden. Ein Reingasraum befindet sich auf der Außenseite des Innengefäßes. Die Filterelemente stehen von der Schmutzgasseite des Innengefäßes auswärts in den reinen Gasraum außerhalb des Innengefäßes heraus. Ein Reingasauslaß ist in einer Seitenwand des Außengefäßes unterhalb der Stützplatte vorgesehen. Ein Feststoffpartikelauslaß ist im Boden des Innengefäßes vorgesehen, welcher Feststoffpartikelauslaß mit einem Feststoffpartikelauslaß im Boden des Außengefäßes verbunden ist.
  • Monolithische keramische Filterelemente können auf verschiedene Weisen mit den Öffnungen der Wasserrohrpaneele oder -wände verbunden sein. Die Öffnungen können in breiten Flossen zwischen jeweils benachbarten Wasserrohren vorgesehen sein, wobei die Breite der breiten Flossen hauptsächlich in der gleichen Größenordnung ist wie der Durchmesser der Filterelemente, so daß ein Filterelement in die Öffnung eingesetzt werden kann. Die Filterelemente sind zum Beispiel kreisförmigen, quadratischen oder vieleckigen Querschnitts. Die monolithischen keramischen Filterelemente können wahlweise mit Öffnungen verbunden sein, die in einem Wasserrohrpaneel dadurch gebildet sind, daß jeweils zwei benachbarte oder mehrere Wasserrohre auseinandergebogen sind, um zwischen den Wasserrohren einen Abstand vorzusehen, der dem Durchmesser der keramischen Filterelemente entspricht.
  • Eine Schicht feuerfester Auskleidung kann zur allseitigen Bedeckung des Wasserrohrpaneels solcherart vorgesehen sein, daß die Enden der keramischen Elemente und die Oberfläche der Schicht feuerfester Auskleidung eine hauptsächlich glatte Außen- und Innenfläche im Innengefäß bilden.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung eine Innengefäßwand umfassen, die Öffnungen für Filterelemente in mehrere, parallelen vertikalen Reihen mit Abstand zueinander aufweist. Die Öffnungen sind übereinander mit Abstand zueinander vorgesehen. Verbindungselemente sind zumindest in den vertikalen Teilen der Öffnungen vorgesehen, um die Filterelemente mit der Umfassungswandkonstruktion zu verbinden, d. h. einen Sitz für die monolithischen keramischen Filterelemente in den Öffnungen vorzusehen.
  • Die vertikalen Wasserrohrpaneele, die zum Beispiel aus 2-4 vertikalen Wasserrohren gebildet werden, die über Flossen miteinander verbunden sind und zur Abkühlung der Umfassungswand eingesetzt werden, haben hauptsächlich eine der Länge eines keramischen Elements entsprechende horizontale Breite, und die Paneele sind zwischen den vertikalen Reihen von Filterelementen, senkrecht zur Wandebene, montiert. Gemäß dieser Ausführungsform stehen die Wasserrohrpaneele hauptsächlich in einem Winkel von 90º zur Ebene der Innenfläche des Innengefäßes. Die Paneele bilden dabei keine konventionellen Wasserrohrwände im Gefäß. Bei einem zylindrischen Gefäß zum Beispiel bilden die getrennten Wasserrohrpaneele radial angeordnete Kühlpaneele zwischen den Filterelementreihen.
  • Um eine Umfassungswand für das Innengefäß zu bilden, können zusätzliche Elemente, wie z. B. feuerfest ausgekleidete Metallplatten oder andere feuerfest ausgekleidete Konstruktionen benutzt werden, um benachbarte Wasserrohrpaneele miteinander zu verbinden und somit einen gasdichten Einschluß für das Innengefäß zu bilden. Die Wasserrohrpaneele kühlen wirksam die Verbindungselemente ab, die zur Fixierung der Filterelemente in die Öffnungen der Umfassungswand notwendig sind. Die Abkühlung kann noch verbessert werden, indem zwischen Kühlrohren und Verbindungselementen Stege oder Flossen angeordnet werden. Durch die Kühlung der Verbindungselemente wird übermäßige Ausdehnung derselben verhindert und einen zuverlässigen Sitz für die Filterelemente gebildet. Des weiteren bilden die Rohrpaneele, die senkrecht in der Umfassungswand des Innengefäßes angeordnet sind, stabilisierende und tragende Elemente für die Gesamtkonstruktion des Innengefäßes.
  • Bei einer alternativen beispielhaften Ausführungsform der Filtervorrichtung gibt es einen Einlaß für Schmutzgas in der Seitenwand des Außengefäßes, eine Stützplatte im oberen Teil des Außengefäßes, welche Stützplatte den Gasraum im Außengefäß in eine Reingasseite oberhalb der Stützplatte und eine Schmutzgasseite unterhalb der Stützplatte aufteilt. Das obere Ende des Innengefäßes ist mit einer Öffnung der Stützplatte solcherart verbunden, daß der größte Teil des Innengefäßes unterhalb der Stützplatte zu liegen kommt. Das Innere des Innengefäßes ist über die Öffnung der Stützplatte mit der Reingasseite oberhalb der Stützplatte verbunden, und ein Schmutzgasraum befindet sich auf der Außenseite des Innengefäßes. Dabei stehen die Filterelemente von der Schmutzgasseite des Innengefäßes in den Reingasraum innerhalb der Innengefäßes heraus. Ein Reingasauslaß ist in der Decke des Außengefäßes oberhalb der Stützplatte vorgesehen, und ein Feststoffpartikelauslaß ist im Boden des Außengefäßes vorgesehen.
  • Bei einer noch anderen alternativen beispielhaften Ausführungsform der Filtervorrichtung gibt es einen Einlaß für Schmutzgas in der Decke des Außengefäßes, ein Innengefäß unterhalb des Schmutzgaseinlasses und ein Führungselement zwischen Einlaß und Innengefäß zur Leitung von durch den Einlaß in das Außengefäß fließendem Schmutzgas radial auswärts. Ein Schmutzgasraum ist auf der Außenseite des Innengefäßes und ein Reingasraum auf der Innenseite des Innengefäßes vorgesehen. Eine Feststoff-Ablaufkanal ist im Boden des Außengefäßes und eine Reingas- Auslaßkanal im Innengefäß vorgesehen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es leicht, die Temperatur der Konstruktionen um den keramischen Filterelementen zu regeln, die in Öffnungen einer Umfassungswand einer Filterkammer montiert sind. Die Temperatur der Umfassungswand des inneren Filtergefäßes, die die Filterelemente aufnimmt, läßt sich jederzeit mühelos voraussagen. Plötzliche hohe Temperaturspitzen werden vermieden, wodurch das Risiko von auf Wärmeschocks zurückzuführende Schäden verringert wird.
  • Zu weiteren Vorteilen, die sich aus der Kühlung der Umfassungswände des inneren Filtergefäßes ergeben, zählen:
  • - Ausdehnung des Innengefäßes kann leichter kontrolliert werden;
  • - die Stützkonstruktion der keramischen Elemente kann leichter arrangiert werden;
  • - die Temperatur im Filtergefäß kann niedriger gehalten und leichter geregelt werden;
  • - das Filtersystem kann in einer kürzeren Zeit angefahren werden und kann größeren Temperaturschwankungen standhalten, und
  • - durch Temperaturschwankung während der Rückspülung werden keine Probleme verursacht.
  • Darüber hinaus können die keramischen Elemente derart abgestützt sein, daß ein Ende des Filterelements oder beide Enden des Filterelements sich frei thermisch ausdehnen können, weil das Element ziemlich kurz im Vergleich zu rohrförmigen keramischen Filtern ist, die an beiden Enden Abstützung benötigen. Die monolithischen keramischen Filterelemente können in eine sehr kompakte Konfiguration gepackt sein, die ein kleineres äußeres Druckgefäß ermöglicht.
  • Auch andere Vorteile werden erreicht, insbesondere beim Rückspülen der keramischen Filter, wenn die Filterelemente derart angeordnet sind, daß ihr reines Ende ziemlich weit, zum Beispiel mehr als bis zur Hälfte, zur Seite des Reingasraums zum Beispiel innerhalb des Gefäßes heraussteht. Der Hochdruck-Reinigungsimpuls drückt dabei die Teile der keramischen Filterelemente innerhalb der rohrförmigen Kammer von allen Seiten zusammen, wodurch mechanische Beschädigung der Filterelemente verhindert wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine schematische seitliche Schnittansicht einer beispielhaften Filtervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2 ist eine vergrößerte Vorderansicht eines Abschnitts eines Rohrwandpaneels in der beispielhaften Filtervorrichtung von Fig. 1 gemäß der vorliegenden Erfindung; .
  • Fig. 3 ist eine vergrößerte Vorderansicht eines Abschnitts eines anderen Rohrwandpaneels in einer anderen beispielhafter Filtervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 4 ist ein horizontaler Querschnitt eines Innengefäßes einer weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Filtervorrichtung;
  • Fig. 5 ist eine vergrößerte horizontale Schnittansicht eines Abschnitts einer Umfassungswand eines Innengefäßes einer noch anderen beispielhaften Filtervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • Fig. 6 und 7 sind schematische seitliche Schnittansichten von zwei anderen weiteren beispielhaften Filtervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Eine beispielhafte Filteranordnung für Hochtemperaturgase ist allgemein durch das Bezugszeichen 10 in Fig. 1 dargestellt. Sie umfaßt ein generell aufrechtes Außengefäß 12 mit Decke 14, Seitenwand 16 und Boden 18. In der Decke 14 befindet sich ein Gaseinlaß 20 für partikelbeladenes Hochtemperatur-Schmutzgas. Der Einlaß kann zum Beispiel mit einer Wirbelschichtfeuerung, einem Vergaser oder dergleichen verbunden sein. Ein Filtermodul oder ein generell aufrechtes inneres Filtergefäß 22 ist im Außengefäß angeordnet.
  • Eine im allgemeinen horizontale, das Innengefäß 22 tragende Platte 24 ist im oberen Teil des Außengefäßes 12 vorgesehen und weist bei dieser Ausführungsform eine durchgehende Öffnung 26 auf. Die Stützplatte 24 teilt das Innere des Außengefäßes 12 in einen Schmutzgasraum 28 oberhalb der Stützplatte und einen Reingasraum 30 unterhalb der Stützplatte auf. Ein Reingasaustritt 32 ist in der Seitenwand 16 des Außengefäßes vorgesehen.
  • Das Filtermodul oder das Innengefäß 22 hat eine Decke 34 mit einem darin angeordneten Gaseinlaß 36, die Haupt-Umfassungswände 38 bildende vertikale Seitenwände im Innengefäß und einen Boden 40 mit einer darin angeordneten Feststoff- Ablauföffnung 42. Die Gaseinlaßöffnung 36 in der Decke 34 ist mit der Öffnung 26 der Stützplatte 24 verbunden, die den Schmutzgasraum 28 oberhalb der Stützplatte mit dem Gasraum 44 innerhalb des Innengefäßes 22 verbindet, aber die Gasströmung zwischen Reingasraum 30 und dem inneren Gasraum 44 oder dem Schmutzgasraum 28 oberhalb der Stützplatte verhindert. Die Decke 34 des Innengefäßes ist mittels Elementen 43 an die Öffnung 26 der Stützplatte flexibel montiert und über flexible Stützstangen 45 aufgehängt, wobei beides Wärmedehnung gewissermaßen zuläßt aber das Innengefäß in gasdichter Verbindung mit der Öffnung der Stützplatte hält. Die Feststoff-Ablauföffnung 42 ist gasdicht mit einer Ablauföffnung im Boden 18 des Außengefäßes verbunden.
  • In Fig. 1a bilden die seitlichen Umfassungswände 38 des Innengefäßes einen im allgemeinen gasdichten Einschluß. Poröse monolithische keramische Filterelemente 46 sind in Öffnungen 48 eingesetzt, die in der Umfassungswand 38 in vertikalen Reihen übereinander gebildet sind, wodurch Reingas die Filterelemente 46 vom Schmutzgasraum innerhalb des Innengefäßes zum ringförmigen Reingasraum 30 zwischen den Wänden 16 und 38 von Außen- und Innengefäß durchfließen kann. Die Filterelemente 46 sind gasdicht mit der Seitenwand 38 verbunden. Partikel, die durch die Filterelemente aus schmutzpartikelbeladenem Gas abgeschieden sind, sammeln sich auf der Oberfläche der Filterelemente 46 an.
  • Die monolithischen keramischen Filterelemente 46, die von der Form her zylindrisch sein können und ein Eintrittsende 50 und ein Austrittsende 52 haben, ragen fast über ihre gesamte Länge aus der Umfassungswand 38 in den Reingasraum 30 hervor. Die keramischen Filterelemente 46 können in den Öffnungen 48 durch eine Metallhülse geschützt sein, die in Fig. 1a nicht dargestellt ist. Die Metallhülse ist auch zylindrisch und hat im allgemeinen den gleichen Durchmesser wie das keramische Filterelement 46. Die Hülse ist zum Beispiel auf das keramische Filterelement aufgeschrumpft und gasdicht in die Öffnung 48 der Umfassungswand 38 eingeschweißt. Bei Bedarf kann zwischen der Hülse und dem keramischen Filterelement 46 eine Wärmeübergangsisolierung und/oder -sperre vorgesehen sein.
  • Mittel zur Rückspülung (backflushing) der keramischen Filterelemente 46 sind vor der Reingas-Austrittsseite 52 der Filterelemente 46 vorgesehen. Die Mittel zur Rückspülung umfassen eine Rückspülkammer 54 mit einem venturiförmigen Austritt 56 und einer Gaseinspritzdüse 58. Die in Fig. 1a dargestellte Rückspülkammer 54 besteht aus einer länglichen Kammer, die alle Filterelemente in einer vertikalen Reihe bedeckt, wobei jede Reihe eine getrennte Rückspülkammer vor den Filterelementen auf ihrer Reingas-Austrittsseite hat. Reingas, das durch die Filterelemente in die Rückspülkammer fließt, läuft durch einen venturiförmigen Austritt 56 aus der Rückspülkammer in den freien Reingasraum 30 ab. Eine Rückspüldüse 58 ist angeordnet, um Reinigungsgas mit hohem Druck in den Venturi-Austritt hineinzudrücken, wodurch in der Rückspülkammer ein Hochdruckimpuls entsteht und Gas veranlaßt wird, aus der Rückspülkammer in das Innengefäß zu fließen, wobei es gleichzeitig Feststoffteilchen ablöst, die sich auf der schmutzigen Seite 50 der Filterelemente angesammelt haben. Abgelöster Feststoff fällt in den Auslaß 42 und wird abgeleitet.
  • Es können Filterelemente in verschiedenen Konfigurationen verbindende Rückspülkammern benutzt werden, wie z. B. ringförmige Rückspülkammern oder Rückspülkam mern, die jeweils nur einige oder gar ein einziges Filterelement mit Rückspülimpulsen beaufschlagen.
  • Dadurch, daß die Filterelemente 46 tief in die Rückspülkammer hineinragen, wird das Zerbrechen der Filterelemente gar bei Hochdruck-Rückspülung verhindert, weil der Rückspüldruck das Filterelement 46 von allen Seiten zusammendrückt und dadurch zum Beispiel verhindert, daß sich verschiedene keramische Schichten voneinander lösen.
  • Die Umfassungswand 38 des Innengefäßes 22 ist eine aus Wasserrohren 60 gefertigte gekühlte Wand, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Benachbarte Wasserrohre 60 sind jeweils über Flossen 62, 64 miteinander verbunden. Einige der Flossen 64 sind breit genug, um Öffnungen 48 aufzunehmen, in die Filterelemente 46 eingesetzt werden können.
  • Fig. 3 zeigt eine andere Wasserrohrwand, wo alle Wasserrohre 60 generell über konventionelle schmale Flossen 62 miteinander verbunden sind. Um Öffnungen 48 für Filterelemente 46 bilden zu können, sind jeweils zwei benachbarte Wasserrohre auseinandergebogen, um einen fürs Einsetzen eines Filterelements ausreichend großen Raum zu bilden. Öffnungen können ausgeführt werden, indem mehrere benachbarte Wasserrohre in oder - falls notwendig - aus der senkrecht zur Wasserrohrwand liegenden Ebene gebogen werden, um Öffnungen für die Filterelemente zu bilden.
  • Fig. 4 zeigt einen Horizontalschnitt eines Innengefäßes, das aus Wasserrohrpaneelen gefertigt ist. In Fig. 4 sind die mit jenen der Ausführungsform von Fig. 1 bis 3 vergleichbaren Bauteile durch die gleichen Bezugszeichen, jedoch mit einer vorangesetzten "1", dargestellt. Die Umfassungswand 138 weist zwischen den Wasserrohrpaneelen 164 Öffnungen für Filterelemente 146 auf. Die Filterelemente sind von einer Metallhülse 166 umgeben, die zum Beispiel durch Schweißen mit den Wasserrohrpaneelen 164 verbunden ist, wobei die Paneele die Hülse wirksam abkühlen. Die Wasserrohrpaneele sind durch feuerfeste Auskleidung 168 überdeckt, damit das innerhalb und außerhalb des Innengefäßes fließende Gas nicht abkühlt. Die feuerfeste Auskleidung bildet auch eine glatte Außen- und Innenfläche des Gefäßes. Durch die glatte Oberfläche auf der Schmutzgasseite wird verhindert, daß sich Feststoffpartikel auf der Außenseite der Filterelemente ansammeln.
  • Fig. 5 zeigt einen Abschnitt eines Horizontalschnitts durch ein anderes Innengefäß, das in der Umfassungswand Wasserrohrpaneele aufweist. In Fig. 5 sind die mit jenen der Ausführungsform von Fig. 1 bis 4 vergleichbaren Bauteile durch die gleichen Be zugszeichen, nur mit einer vorangesetzten "2", dargestellt. In Fig. 5 sind Wasserrohrpaneele 264 in der Umfassungswand zwischen Filterelementen 246 senkrecht zur Wandebene angeordnet. Die Filterelemente 246 werden in Öffnungen der Umfassungswand mit Hilfe von Verbindungselementen 270 gehalten. Die Wasserrohrpaneele 264 und die Verbindungselemente 270 hat man in Wärmeübetragungskontakt durch Flossen oder Stege 272 gebracht, die sie miteinander verbinden. Die Rohrpaneele 264 sind durch feuerfeste Auskleidung 268 bedeckt. Oberhalb und unterhalb der Filterelemente kann die Umfassungswand aus Metallplatte gefertigt sein, die jeweils benachbarte Rohrpaneele 264 verbindet und durch feuerfeste Auskleidung bedeckt ist. Die Rohrpaneele 264 sorgen für eine sehr wirksame Kühlung der Verbindungselemente 270 über ihre gesamte Länge. Zusätzlich bieten die Wasserrohrpaneele eine gute Stützkonstruktion in der Umfassungswand des Innengefäßes.
  • Fig. 6 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht einer noch anderen beispielhaften Filtervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 6 sind die mit jenen der Ausführungsform von Fig. 1 bis 3 vergleichbaren Bauteile durch die gleichen Bezugszeichen, nur mit einer vorangesetzten "3", dargestellt. Die Vorrichtung umfaßt ein im allgemeinen aufrechtes Außengefäß 312 mit einem Gaseinlaß 320 in seiner Seitenwand 316 und einem Gasauslaß 332 in seiner Decke 314. Ein generell aufrechtes inneres Filtergefäß 322 ist innerhalb des Außengefäßes unter einer Stützplatte 324 angeordnet, die das Innere des Außengefäßes 312 in einen Schmutzgasraum 328 unterhalb der Stützplatte und einen Reingasraum 330 oberhalb der Stützplatte aufteilt. Das Innengefäß 322 hat einen geschlossenen Boden 340 und eine Öffnung 336 in seinem oberen Teil. Filterelemente 346 sind in die Umfassungswand 338 des Innengefäßes eingesetzt:
  • Ein Schmutzgasraum 328 für durch Einlaß 320 eingeführtes Gas wird im Ringraum zwischen den Seitenwänden von Außen- und Innengefäß gebildet. Reingas fließt durch die Filterelemente 346 in das Innere des Innengefäßes und wird durch den Reingasraum 330 oberhalb der Stützplatte und die Auslaßöffnung 332 abgezogen. Die Filterelemente ragen tief in das Innengefäß hinein und werden durch Rückspülmittel 354, 356, 358 rückgespült, die vor dem reinen Ende 352 der Filterelemente montiert sind. Die Umfassungswand 338 des Innengefäßes ist aus Wasserrohrpaneelen gebildet, wie bereits beschrieben wurde, wodurch sie eine solide Aufnahme für keramische Filterelemente bildet. Eine rohrförmiges Prallblech 54 kann vorgesehen sein.
  • Fig. 7 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht einer noch anderen beispielhaften Filtervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 7 sind die mit jenen der Ausführungsform von Fig. 1 bis 6 vergleichbaren Bauteile durch die gleichen Bezugszeichen, nur mit einer vorangesetzten "4", dargestellt.
  • Die Vorrichtung von Fig. 7 umfaßt ein im allgemeinen aufrechtes Außengefäß 410 mit einem Gaseinlaß 420 in seiner Decke 412. Ein allgemein aufrechtes inneres Filtergefäß 422 ist innerhalb des Außengefäßes angeordnet. Das Innengefäß 422 hat einen geschlossenen Boden 440 und eine geschlossene Decke 441. Filterelemente 446 sind in der Umfassungswand 438 des Innengefäßes vorgesehen. Schmutzgas, das durch Gaseinlaß 420 eingeführt wird und von Decke 441 innerhalb des Außengefäßes 412 radial nach außen geleitet wird, bildet im Außengefäß einen Schmutzgasraum 428. Reingas, das durch die Filterelemente 446 in das Innengefäß 422 fließt, bildet innerhalb des Innengefäßes ein Reingasvolumen 430. Eine Reingasleitung 432 leitet Reingas aus dem Innengefäß durch das Außengefäß zu seiner Außenseite ab.
  • Die Umfassungswand 438 des Innengefäßes kann der obigen Darstellung in Fig. 2 bis 5 entsprechend aufgebaut sein.
  • Die Kühlung der Seitenwände erleichtert das Verbinden von keramischen Filterelementen mit der Wand insofern, als Temperaturdifferenzen zwischen Seitenwand und keramischem Filter minimiert sind. In Hochtemperaturumgebung können sowohl die Seitenwand als auch Verbindungskonstruktion aus weniger teurem Material gefertigt werden, falls sie gekühlt sind. Und falls es notwendig ist, das Gas abzukühlen, kann es vorteilhafterweise im Filter gleichzeitig mit der Filterung des Gases abgekühlt werden. Wärme kann zurückgewonnen werden, wenn die Wasserrohre mit einer konventionellen Wärmerückgewinnungsvorrichtung verbunden werden, und kann zur Erzeugung von Dampf oder Heißwasser verwendet werden.
  • Die Abschnitte des Innengefäßes 22, 322, usw. werden vorzugsweise auf eine Temperatur unter ca. 500ºC abgekühlt. Die Abkühlung wird im großen und ganzen durchgeführt, um den Temperaturgradienten der Stahlkonstruktion wesentlich aller inneren Bauteile auszugleichen, und sie gleicht Beanspruchung und Spannung in der Stahlkonstruktion aus und vermeidet Überhitzung, die sie beschädigen kann.
  • Während mehrere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt wurden, soll es einleuchten, daß auch andere Modifikationen im Schutzumfang der Erfindung möglich sind. So können zum Beispiel die monolithischen keramischen Filterelemente andere Formen als die obenbeschriebene zylindrische Form haben. Die Filterelemente können zusätzlich u. a. mit katalytischem Material beschichtet oder auf ande re Weise verbunden sein für katalytische Aufbereitung von die Filterelemente durchfließenden Rauchgasen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird typisch eingesetzt, um Gase mit einer Temperatur von über 400ºC zu filtern. Die Kühlpaneele halten typisch die Bauteile der Vorrichtung, besonders jene zur Aufnahme der Filter, ungefähr 100ºC oder mehr unter der Temperatur des zu filternden Gases.
  • Das heißt, gemäß der Erfindung gibt es auch ein Verfahren zur Filterung von Gasen entweder mit atmosphärischem Druck oder überatmosphärischem Druck auf einer Temperatur von über 400ºC durch Nutzung eines aufrechten Außengefäßes mit zumindest einem aufrechten Innengefäß darin und einer Vielzahl monolithischer keramischer Filterelemente, die in in den Umfassungswänden des Innengefäßes angeordneten eingebaut sind. Das Verfahren umfaßt folgende Schritte: (a) Leitung von partikelbeladenem Gas mit einer Temperatur über 400ºC durch die keramischen Filterelemente, um die Partikel aus dem Gas herauszufiltern; und (b) Abkühlung zumindest der die keramischen Filterelemente aufnehmenden Teile des Innengefäßes, so daß deren Temperatur zumindest ungefähr 100ºC unter der Temperatur des zu filternden Gases liegt.
  • Um alle entsprechenden Vorrichtungen und Prozesse zu erfassen, soll die Erfindung deshalb nach der weitesten Auslegung der beigefügten Ansprüche aufgefaßt werden.

Claims (21)

1. Vorrichtung zur Filterung von Hochtemperaturgasen aus entweder druckbeaufschlagten oder atmosphärischen Systemen mit:
- einem im allgemeinen aufrechten Außengefäß (16) mit einer Decke (14), einem Boden (18) und einer Seitenwand (16);
- zumindest einem im allgemeinen aufrechten Innengefäß (22), das innerhalb des Außengefäßes (16) angeordnet ist, welches Innengefäß gasundurchlässige Umfassungswände hat, die einen Gasfluß durch die Wände verhindern und den Gasraum im Außengefäß in einen Schmutzgasraum (28) und einen Reingasraum (30) aufteilen,
- einer Vielzahl monolithischer keramischer Filterelemente (46), die in in den Umfassungswänden des Innengefäßes angeordneten Öffnungen (48) eingebaut sind, wodurch Gas zwecks Reinigung durch die Filterelemente aus dem Schmutzgasraum in den Reingasraum fließen kann; dadurch gekennzeichnet daß
- die Umfassungswände (38) des aufrechten Innengefäßes (22) aus Kühlrohrpaneelen konstruiert sind, die aus vertikalen Kühlrohren (60) gebildet sind, die über Flossen (62) miteinander verbunden sind, und
- die monolithischen keramischen Filterelemente (46) mit Öffnungen (48) verbunden sind, die zwischen den Kühlrohren (60) in den Kühlrohrpaneelen gebildet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die monolithischen keramischen Filterelemente (46) an ihrem schmutzigen, Einlaßende mit Öffnungen in den Kühlrohrpaneelen verbunden sind, wobei die Reingas-Enden der Filterelemente durch die Kühlrohrpaneele hindurch in den Reingasraum (30) hineinragen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Teil der Filterelemente in den Reingasraum hineinragt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, die des weiteren Mittel (54, 58) umfaßt zur Rückspülung der Filterelemente, die vor dem Reingas-Ende der Filterelemente montiert sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, bestehend des weiteren aus einem Einlaß für Schmutzgas in der Decke des Außengefäßes, einer Stützplatte im oberen Teil des Außengefäßes, welche Stützplatte den Gasraum im Außengefäß in eine Schmutzgasseite oberhalb der Stützplatte und eine reine Gasseite unterhalb der Stützplatte aufteilt; wobei das obere Ende des Innengefäßes mit einer Öffnung der Stützplatte verbunden ist, so daß der größte Teil des Innengefäßes unterhalb der Stützplatte zu liegen kommt und das Innere des Innengefäßes durch die Öffnung der Stützplatte mit der Schmutzgasseite oberhalb der Stützplatte verbunden ist und ein Reingasraum auf der Außenseite des Innengefäßes vorgesehen ist; welche Filterelemente von der Schmutzgasseite des Innengefäßes auswärts in den Reingasraum außerhalb des Innengefäßes hineinragen; einem Reingasauslaß in einer Seitenwand des Außengefäßes unterhalb der Stützplatte; und einem getrennten Partikelauslaß im Boden des Innengefäßes, welcher Partikelauslaß mit einem Partikelauslaß im Boden des Außengefäßes verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der monolithischen keramischen Filterelemente in Öffnungen montiert sind, die in breiten Flossen zwischen jeweils benachbarten Kühlrohren vorgesehen sind, wobei die Breite der breiten Flossen im wesentlichen hauptsächlich dem Durchmesser der Filterelemente gleich ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der monolithischen keramischen Elemente in Öffnungen montiert sind, die in einem Kühlrohrpaneel vorgesehen sind, indem jeweils zwei benachbarte Kühlrohre auseinandergebogen sind, um einen Raum zwischen den Kühlrohren zu bilden, der dem Durchmesser der keramischen Elemente entspricht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die monolithischen Filterelemente mit Öffnungen in einem Kühlrohrpaneel verbunden sind, welche Filterelemente auf einer oder den beiden Seiten des Kühlrohrpaneels herausstehen; und eine Schicht feuerfesten Materials beide Seiten des Kühlrohrpaneels auf solche Weise bedeckt, daß die Enden der keramischen Elemente und die Oberfläche des feuerfesten Materials eine vorwiegend glatte Außen- und Innenfläche im Innengefäß bildet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Öffnungen für Filterelemente in mehreren parallelen voneinander beabstandeten Reihen vorgesehen sind, in welchen Reihen die Öffnungen übereinander mit Abstand zueinander vorgesehen sind; bestehend des weiteren aus Verbindungselementen zumindest in den vertikalen Teilen der Öffnungen der Umfassungswand, um einen Sitz für die monolithischen keramischen Filterelemente zu bilden; und vertikalen Kühlrohrpaneelen mit im wesentlichen der Länge der keramischen Filterelemente entsprechender horizontaler Breite, die zwischen den keramischen Filterelementen in einem Winkel von 90º zur Ebene zur Umfassungswand des Innengefäßes zur Abkühlung der Verbindungselemente angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohrpaneele aus zwei bis vier vertikalen Wasserkühlrohren konstruiert sind, die über Flossen miteinander verbunden sind; und die des weiteren Wärmeübertragungsflossen oder Stege umfassen, die die Kühlrohre mit den Verbindungselementen zur Abkühlung der Verbindungselemente verbinden.
11. Vorrichtung nach Anspruch 2, umfassend des weiteren einen Einlaß für Schmutzgas in der Seitenwand des Außengefäßes; eine Stützplatte im oberen Teil des Außengefäßes, welche Stützplatte den Gasraum im Außengefäß in eine Reingasseite oberhalb der Stützplatte und eine Schmutzgasseite unterhalb der Stützplatte aufteilt; eine Verbindung zwischen dem oberen Ende des Innengefäßes und einer Öffnung der Stützplatte, so daß der größte Teil des Innengefäßes unterhalb der Stützplatte zu liegen kommt, wobei das Innere des Innengefäßes durch die Öffnung der Stützplatte mit der Reingasseite oberhalb der Stützplatte verbunden ist, und ein Schmutzgasraum auf der Außenseite des Innengefäßes gebildet wird; welche Filterelemente von der Schmutzgasseite des Innengefäßes einwärts in den Reingasraum innerhalb der Innengefäßes hineinragen; einen Reingasauslaß in der Decke des Außengefäßes oberhalb der Stützplatte und einen Auslaß für abgetrennte Partikel im Boden des Außengefäßes.
12. Vorrichtung nach Anspruch 2, umfassend des weiteren einen Einlaß für Schmutzgas in der Decke des Außengefäßes; ein Innengefäß unterhalb des Einlasses für Schmutzgas; ein Führungselement zwischen Einlaß und Innengefäß, um Schmutzgas radial auswärts zu leiten, das durch den Einlaß in das Außengefäß fließt, einen Schmutzgasraum auf der Außenseite des Innengefäßes und einen Reingasraum auf der Innenseite des Innengefäßes; einen Feststoff-Ablaufkanal in dem Boden des Außengefäßes; und einen Reingas-Ablaufkanal im Innengefäß.
13. Vorrichtung nach Anspruch 3, umfassend des weiteren einen Einlaß für Schmutzgas im oberen Teil des Außengefäßes; ein Innengefäß unterhalb des Einlasses für Schmutzgas; ein Führungselement zwischen Einlaß und Innengefäß, um Schmutzgas radial auswärts zu leiten, das durch den Einlaß in das Außengefäß fließt, einen Schmutzgasraum auf der Außenseite des Innengefäßes und einen Reingasraum auf der Innenseite des Innengefäßes; einen Feststoff-Ablaufkanal im Boden des Außengefäßes; und einen Reingas-Ablaufkanal im Innengefäß.
14. Vorrichtung nach Anspruch 4, umfassend des weiteren einen Einlaß für Schmutzgas in der Decke des Außengefäßes; ein Innengefäß unterhalb des Einlasses für Schmutzgas; ein Führungselement zwischen Einlaß und Innengefäß, um Schmutzgas radial auswärts zu leiten, das durch den Einlaß in das Außengefäß fließt; einen Schmutzgasraum auf der Außenseite des Innengefäßes und einen Reingasraum auf der Innenseite des Innengefäßes; einen Feststoff-Ablaufkanal im Boden des Außengefäßes; und einen Reingas-Ablaufkanal im Innengefäß.
15. Vorrichtung nach Anspruch 4, umfassend des weiteren einen Einlaß für Schmutzgas in der Seitenwand des Außengefäßes; eine Stützplatte im oberen Teil des Außengefäßes, welche Stützplatte den Gasraum im Außengefäß in eine Reingasseite oberhalb der Stützplatte und eine Schmutzgasseite unterhalb der Stützplatte aufteilt; eine Verbindung zwischen dem oberen Ende des Innengefäßes und einer Öffnung der Stützplatte, so daß der größte Teil des Innengefäßes unterhalb der Stützplatte zu liegen kommt, wobei das Innere des Innengefäßes durch die Öffnung der Stützplatte mit der Reingasseite oberhalb der Stützplatte verbunden ist und ein Schmutzgasraum auf der Außenseite des Innengefäßes gebildet wird; welche Filterelemente von der Schmutzgasseite des Innengefäßes einwärts in den Reingasraum innerhalb der Innengefäßes hineinragen; einen Reingasauslaß in der Decke des Außengefäßes oberhalb der Stützplatte und einen Auslaß für abgetrennte Partikel im Boden des Außengefäßes.
16. Vorrichtung nach Anspruch 3, umfassend des weiteren einen Einlaß für Schmutzgas in der Seitenwand des Außengefäßes; eine Stützplatte im oberen Teil des Au ßengefäßes, welche Stützplatte den Gasraum im Außengefäß in eine Reingasseite oberhalb der Stützplatte und eine Schmutzgasseite unterhalb der Stützplatte aufteilt; eine Verbindung zwischen dem oberen Ende des Innengefäßes und einer Öffnung der Stützplatte, so daß der größte Teil des Innengefäßes unterhalb der Stützplatte zu liegen kommt ist, wobei das Innere des Innengefäßes durch die Öffnung der Stützplatte mit der Reingasseite oberhalb der Stützplatte verbunden ist und ein Schmutzgasraum auf der Außenseite des Innengefäßes gebildet wird; welche Filterelemente von der Schmutzgasseite des Innengefäßes einwärts in den Reingasraum innerhalb der Innengefäßes hineinragen; einen Reingasauslaß in der Decke des Außengefäßes oberhalb der Stützplatte und einen Auslaß für abgetrennte Partikel im Boden des Außengefäßes.
17. Vorrichtung nach Anspruch 3, umfassend des weiteren einen Einlaß für Schmutzgas in der Decke des Außengefäßes; eine Stützplatte im oberen Teil des Außengefäßes, welche Stützplatte den Gasraum im Außengefäß in eine Schmutzgasseite oberhalb der Stützplatte und eine Reingasseite unterhalb der Stützplatte aufteilt; wobei das obere Ende des Innengefäßes mit einer Öffnung der Stützplatte verbunden ist, so daß der größte Teil des Innengefäßes unterhalb der Stützplatte zu liegen kommt, wobei das Innere des Innengefäßes durch die Öffnung der Stützplatte mit der Schmutzgasseite oberhalb der Stützplatte verbunden ist und ein Reingasraum auf der Außenseite des Innengefäßes gebildet wird; welche Filterelemente von der Schmutzgasseite des Innengefäßes auswärts in den Reingasraum außerhalb des Innengefäßes hineinragen; einen Reingasauslaß in einer Seitenwand des Außengefäßes unterhalb der Stützplatte; und einen Auslaß für abgetrennte Partikel im Boden des Innengefäßes, welcher Partikelauslaß mit einem Partikelauslaß im Boden des Außengefäßes verbunden ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 4, des weiteren umfassend einen Einlaß für Schmutzgas in der Decke des Außengefäßes; eine Stützplatte im oberen Teil des Außengefäßes, welche Stützplatte den Gasraum im Außengefäß in eine Schmutzgasseite oberhalb der Stützplatte und eine Reingasseite unterhalb der Stützplatte aufteilt, wobei das obere Ende des Innengefäßes mit einer Öffnung der Stützplatte verbunden ist, so daß der größte Teil des Innengefäßes unterhalb der Stützplatte zu liegen kommt, wobei das Innere des Innengefäßes durch die Öffnung der Stützplatte mit der Schmutzgasseite oberhalb der Stützplatte in Verbindung steht und ein Reingasraum auf der Außenseite des Innengefäßes gebildet wird; welche Filterelemente von der Schmutzgasseite des Innengefäßes auswärts in den Reingasraum außerhalb des Innengefäßes hineinragen: einen Reingasauslaß in einer Seitenwand des Außengefäßes unterhalb der Stützplatte; und einen Auslaß für abgetrennte Partikel im Boden des Innengefäßes, welcher Partikelauslaß mit einem Partikelauslaß im Boden des Außengefäßes verbunden ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfassungswände des Innengefäßes aus Kühlrohrpaneelen gefertigt sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kühlrohren Wasser, Dampf oder Luft zirkulieren.
21. Verfahren zur Filterung von Gas entweder mit atmosphärischem Druck oder überatmosphärischem Druck auf einer Temperatur von über 400ºC bei Benutzung eines aufrechten Außengefäßes mit
- zumindest einem aufrechtem Innengefäß innerhalb desselben, welches Innengefäß gasundurchlässige Umfassungswände hat, die einen Gasfluß durch die Wände verhindern und den Gasraum im Außengefäß in einen Schmutzgasraum und einen Reingasraum aufteilen, welche Umfassungswände aus Kühlrohrpaneelen aufgebaut sind, die aus vertikalen Kühlrohren gebildet sind, die über Flossen miteinander verbunden sind, und
- einer Vielzahl monolithischer keramischer Filterelemente, die in in den Umfassungswänden des Innengefäßes angeordneten Öffnungen montiert sind, welche monolithischen Filterelemente mit Öffnungen verbunden sind, die zwischen Kühlrohren in den Kühlrohrpaneelen gebildet sind,
welches Verfahren folgende Schritte umfaßt:
(a) Leiten partikelbeladenen Gases auf einer Temperatur von über 400ºC durch die keramischen Filterelemente, um die Partikel aus dem Gas herauszufiltern; und
(b) Abkühlen zumindest der die keramischen Filterelemente aufnehmenden Teile des Innengefäßes, so daß sie eine Temperatur haben, die zumindest ungefähr 100ºC niedriger als die Temperatur des zu filternden Gases ist.
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