DE69715005T2

DE69715005T2 - Multimembranfilter

Info

Publication number: DE69715005T2
Application number: DE69715005T
Authority: DE
Inventors: Anne Alvin
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 1996-04-23
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2017-04-16
Also published as: EP0914187B1; WO1997039820A1; US6451081B1; KR20000010649A; AR006788A1; DE69715005D1; KR100442691B1; JP2000508965A; CA2252476C; EP0914187A1; CA2252476A1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Hochtemperatur-Gasreinigung- bzw. -Clean-up-Systeme und insbesondere auf Heißgas-Reinigungs- Multimembranfilter, um feines, schmutziges, teilchenförmiges Material bzw. teilchenförmige Stoffe aus einem Gas herauszufiltern und um intakte bzw. unversehrte Filterelemente vor einem irreversiblen verstopfenden Arbeiten bzw. Verstopfungseffekt bei dem Vorhandensein von Filterelementen zu schützen, die defekt sind bzw. versagt haben.

Hintergrund der Erfindung

Heißgas-Reinigungssysteme, die ausgeführt sind, um teilchenförmiges Material aus einem Gasstrom zu reinigen, sind in der Technik wohlbekannt. Diese Systeme werden gegenwärtig dazu verwendet, um kohlegefeuertes Gas bzw. durch Kohlefeuerung entstehendes Gas, unter Druck gesetztes bzw. unter Druck stehendes Wirbelbett- bzw. Fließbett- Verbrennungsgas, Gaserzeugung bzw. Vergasung und Abfall- bzw. Müll-Verbrennung bzw. -Veraschung zu reinigen. Zusätzlich können diese Gasreinigungssysteme bei der Katalysator- und Edelmetall-Wiedergewinnung bzw. Rückgewinnung, bei der Kalzinierung, beim katalytischen Kracken und bei der Wiedergewinnung bzw. Rückgewinnung von Material während chemischer Bearbeitung bzw. Behandlung angewendet werden.
Herkömmliche Heißgas-Reinigungssysteme weisen im Allgemeinen eine Filteranordnung auf, die innerhalb eines Druckbehälters bzw. -kessels angeordnet ist. Die Filteranordnung weist ferner auf: Eine Mehrzahl von Filterelementen; eine Mehrzahl von Rohrwänden bzw. -böden zum Abstützen der Filterelemente; Plenumrohre; und ein Rückimpulssystem zum Reinigen bzw. Ausblasen teilchenförmigen Materials von den Filterelementen. Diese Systeme können eine Vielfältigkeit von Filterelementen verwenden, um schmutzige Teilchen aus einem Gasstrom herauszufiltern.
Zu Beispielen von verwendeten, typischen Filterelementen gehören Rückstrom- bzw. Gegenstrom-Filter, wie in dem US-Patent Nr. 4,737,176 für Ciliberti offenbart, Filterbeutel bzw. -säcke, wie in dem US-Patent Nr. 4,764,190 für Ciliberti offenbart, poröse Metallfilter, Einschicht-Membranfilter, keramische, kreiszylindrische Filter (Kerzen- und Schlauchtilter), die entweder ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende oder zwei offene Enden aufweisen.
Die US-A-5,460,637 offenbart ein Filterelement, aufweisend: Einen tragenden bzw. abstützenden, festen, porösen Filterkörper, der eine hohle, kreiszylindrische Gestalt aufweist, wobei dieser Filterkörper eine poröse Seitenwand aufweist und diese Seitenwand eine Außenseite und eine Innenseite aufweist, die es einem Gas erlauben, hindurchzuströmen, und eine Membranschicht, die aus keramischem Membrangarn gebildet ist und die Außenseite bedeckt, um teilchenförmiges Material bzw. teilchenförmige Stoffe daran zu hindern, in die Seitenwand von der Außenseite einzudringen.
Dieses Dokument fasst das Problem eines Filterausfalls bzw. -defekts bzw. einer Filterstörung ins Auge, stellt jedoch fest, dass dieses Problem bereits zufriedenstellend gelöst ist, weil, wenn die Membran versagen bzw. defekt sein sollte, die Abstützung deren Funktion annehmen wird, wodurch Teilchen daran gehindert werden, die Stromabwärtsseite zu erreichen, und durch Sich-Volisetzen oder "Verstopfen" wird die Beschädigung des Filters automatisch geheilt werden.
Filterelemente werden im allgemeinen innerhalb eines Druckbehälters angeordnet, so dass ein Gas durch das Filterelement derart strömen kann, dass ein wesentlicher Teil von schmutzigen, feinen Teilchen innerhalb des Gases hieraus entfernt werden kann. In typischer Weise sammeln sich, wenn ein Gasstrom durch ein Filterelement strömt, schmutzige, feine Teilchen an der Außenseite des Filters, während das reine Gas durch die Filtermedien in die Plenumrohre und heraus zu der Reingasseite der Rohrwände bzw. Rohrböden strömt. Eine wesentliche Menge der schmutzigen, feinen Teilchen, die an der Außenseite des Filterelements gesammelt werden, werden hiervon mittels eines durch das Rückimpulssystem gelieferten Umkehrgasimpulses entfernt, der die Teilchen aus dem Filterelement herausbläst. Die entfernten schmutzigen, feinen Teilchen werden sodann in einem Trichter gesammelt und abgegeben bzw. auslaufen gelassen.
Eine andere Art eines rohr- bzw. schlauchförmigen Filterelements, das verwendet wird, ist eines mit Seitenwänden, die eine Bohrung und zwei offene Enden definieren, und einer Membran an der Innenseite. Ein schmutziges Gas verläuft entlang des inneren Durchmessers des Rohres bzw. Schlauches, um gefiltert zu werden, wobei das gereinigte Gas durch die Wand verläuft und entlang des Außendurchmessers des Filterelements freigegeben wird.
Filterelemente können zu Bruch gehen, wenn sich teilchenförmige Asche ansammelt oder zusammenbackt, oder wegen Materialverschlechterung; d. h., Wärme- bzw. Hitzeschock, Wärmeermüdung, Kriechen oder Rissbildung. Wenn ein Filterelement zu Bruch geht oder ausfällt, fahren die Teilchen damit fort, sich zu der Reingasseite der Rohrwand bzw. des Rohrbodens zu bewegen, um somit mehrere Probleme zu verursachen. Wenn einmal die Teilchen an der Reinseite sind, werden die Teilchen in das Innere benachbarter, unversehrter Filterelemente eintreten, wenn das Rückimpulssystem aktiviert wird, wodurch die unversehrten Filterelemente durch Füllen oder Verstopfen der Filterelementporen verunreinigt werden.
Gegenwärtig muss, wenn Filterelemente zu Bruch gehen oder ausfallen, das gesamte Reinigungssystem für eine Anzahl von Tagen stillgelegt bzw. abgestellt werden, so dass die zu Bruch gegangenen Filterelemente gefunden bzw. lokalisiert und ersetzt werden können. Jedoch werden die verunreinigten Filterelemente unversehrt gelassen. Unglücklicherweise wird mit den noch in dem System befindlichen, verunreinigten Filterelementen ein Verlust in der Filterungsleistungsfähigkeit des gesamten Systems herbeigeführt. Es ist daher wünschenswert, ein verbessertes Filterelement zu schaffen, das die Risiken einer Filterverunreinigung abschwächen und die Filterungsfähigkeiten des gesamten Reinigungssystems verbessern wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Filterelement gemäß Anspruch 1 vorgesehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beifolgenden Zeichnungen, die der Patentschrift hinzugefügt sind und einen Bestandteil dieser bilden, veranschaulichen eine Ausführungsform der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht eines Druckbehälters, in dem Multimembranfilterelemente entsprechend der vorliegenden Erfindung eingebracht sind;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer Multimembranfilterelement-Anordnung bzw. -Gruppierung, die mit einem Rohrboden innerhalb des in Fig. 1 gezeigten Druckbehälters verbunden ist;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht des Multimembranfilterelements entsprechend der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 ist eine entlang der Schnittlinie 4-4 des in Fig. 3 gezeigten Multimembranfilters genommene Schnittansicht.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Filterungsvorrichtung 20 zum Trennen von teilchenförmigem Material bzw. teilchenförmigen Stoffen aus einem Gasstrom. Die Vorrichtung weist einen Druckbehälter 22 auf, in dem eine Mehrzahl von Gruppen 24 angeordnet sind. Jede Gruppe 24 weist eine Mehrzahl von Filterelementanordnungen 26 auf.
Jede Filterelementanordnung 26 weist eine Mehrzahl von Filterelementen 28 auf.
Der Druckbehälter 22 weist einen haubenförmigen Kopf 30 und einen Körper 32 auf. Der haubenförmigen Körper 30 endet in einem geradlinigen Endstück 34, das eine Austrittsöffnung oder eine Austrittsdüse 36 für das in dem Behälter 22 verarbeitete Gas definiert. Der Körper 32 weist einen Schmutzgaseinlass 25 und einen oberen Teil 38 mit einer im Wesentlichen kreiszylindrischen Gestalt auf, der mit einem kegelstumpfförmigen, unteren Teil 40 verbunden ist. Der untere Teil 40 ist ausgebildet, um teilchenförmiges Material aufzunehmen. Der untere Teil 40 weist ein geradliniges Endstück auf, das eine Öffnung oder eine Düse 42 definiert, die mit einem (nicht gezeigten) Trichter verbunden ist, um teilchenförmiges Material zu sammeln. Eine Mehrzahl von Öffnungen 44 erstreckt sich von dem haubenförmigen Kopf 30. Die Öffnungen 44 ergeben eine Stelle zum Einbringen einer Instrumentierung bzw. von Mess- und Regeleinrichtungen und zur Bobachtung des Inneren des haubenförmigen Kopfes 30 während Stillegungs- bzw. Abschaltperioden. Rohre bzw. Röhren 46 zum Zuführen eines Rückimpuls- Stoßes von Gas zum Reinigen der Kerzenfilter 28 sind mit entsprechenden Öffnungen 44 verbunden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 wird erläutert, dass der Druckbehälter einen Rohrboden 48 aufweist. Jeder Rohrboden 48 weist eine obere Platte 50 und eine herabhängende, untere Platte 52 auf. Jedes Filterelement 28 ist innerhalb einer Filterhalter- und Dichtungsbaugruppe 60 gehalten und mit einer entsprechenden unteren Platte 52 verbunden. Die Filterelemente 28 sind in eine strukturelle Einheit mittels Plenumrohren 54 integriert. Jedes Plenumrohr 54 ist innerhalb des Druckbehälters 22 befestigt. Ein Schirmdach oder ein Teilchenablenker bzw. -deflektor 56 mit einer im wesentlichen kegelstumpfförmigen Gestalt ist oberhalb jedes Rohrbodens 50, mit Ausnahme des obersten Rohrbodens, wie in Fig. 1 gezeigt, angebracht.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist ein Filterelement 28, d. h., ein hohles, rohrförmiges Filterelement, entsprechend der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Filterelement 28 weist einen Kerzenfilterkörper 28a auf, der eine poröse Seitenwand 72, ein geschlossenes Ende 76 und ein offenes Ende 74 aufweist. Die poröse Seitenwand 72 weist eine Außenseite 78 und eine Innenseite 80 auf (in Fig. 4 gezeigt). Die bevorzugte Ausführungsform des Filterelements weist eine erste Membranschicht 90 und eine zweite Membranschicht 92 (in Fig. 4 gezeigt) zur Verwendung in einem herkömmlichen Gasreinigungssystem auf. Die erste Membran 90 ist mit der Außenseite 78 in Verbindung. Die zweite Membran 92 ist mit der Innenseite 80 in Verbindung (in Fig. 4 gezeigt). Die Membranschichten 90, 92 sind dazu vorgesehen, um teilchenförmiges Material daran zu hindern, in die Filterporen einzudringen, entweder, wenn das Rückimpulssystem aktiviert ist, oder während eines normalen Gasstromes bzw. - Strömung.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 sind die poröse Seitenwand 72, die Außenseite 78, die Innenseite 80 und die Membranen 90, 92 in näheren Einzelheiten gezeigt. Die Seitenwand 72 definiert eine Bohrung 82, die sich an dem offenen Ende 74 beginnend erstreckt und an dem geschlossenen Ende 76 endet. Die Bohrung 82 ergibt einen Strömungsweg entweder für ein Reingas oder für ein teilchenbeladenes Gas.
Jede Membranschicht 90, 92 ist vorzugsweise aus einem porösen keramischen Material oder aus einem gesinterten metallischen Material hergestellt, sie kann aber ebenfalls bestehen aus: Einem feineren Kornmaterial, ähnlich zu der darunterliegenden Trägermatrix; einer gehackten bzw. geschnittenen oder kontinuierlichen, feineren, faserigen Matrixschicht; einem gesinterten Metall; einem feineren oder enger bzw. dichter gewickelten, keramischen Garn, das entweder beschichtet oder unbeschichtet ist; oder aus Faserbündeln, die aus Teilchen und Sol-Gel und einer ähnlichen Matrix bestehen.
Die Membranschichten 90, 92 können auf einen Filterkörper aufgebracht sein, der hergestellt ist aus: einem monolithischen, keramischen Material, einem zusammengesetzten keramischen Material bzw. Verbundkeramikmaterial, einem gesinterten metallischen Material oder einem zusammengesetzten metallischen Material bzw. Verbundmetall- material. Die Membranschichten 90, 92 werden vorzugsweise auf die Filterkörper während des Filterelementherstellungsverfahrens aufgebracht. Die Membranschichten 90, 92 können durch ein Aufschlämmverfahren, ein "isopressing"-Verfahren, ein chemisches Dampfinfiltrationsverfahren, ein Aufwickelverfahren, ein Vakuuminfiltrationsverfahren, ein Schlickergussverfahren und dergleichen aufgebracht werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Kerzenfilterelement 28 entweder ein herkömmliches Kerzenfilter oder ein "invertiertes" Kerzenfilter sein kann. Das herkömmliche Kerzenfilter wird innerhalb eines Reinigungssystems in der Weise verwendet, dass ein teilchenbeladenes Gas durch die Außenseite 78 des Filterelements und heraus durch die Innenseite 80 geht, während das Reingas durch die Bohrung 82 zu der Reingasseite des Druckbehälters verläuft. Im Gegensatz hierzu wird das "invertierte" Kerzenfilterelement in einem Reinigungssystem in der Weise verwendet, dass das teilchenbeladene Gas durch die Bohrung 82 und die Innenseite 80 strömt, um gefiltert zu werden, wohingegen das Reingas durch die Außenseite 78 des Filterelements herausströmt.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Fachmann anerkennen wird, dass die vorliegende Erfindung bei anderen Typen von Filterelementen angewendet werden kann, z. B. Querstromfilterelementen, rohr- bzw. schlauchförmigen Filterelementen mit zwei offenen Enden, wobei alle von diesen innerhalb von Gasreinigungssystemen verwendet werden können.
Das Reinigungssystem in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erlaubt es teilchenbeladenem Gas, durch den Schmutzgaseinlass 25 einzudringen bzw. einzutreten. Teilchenförmiges Material aus dem Gas sammelt sich an der Außenseite 78 eines jeden Filterelements 28. Das gefilterte Reingas verläuft durch die Bohrung 82 weiter und zu der Reingasseite des Rohrbodens 50. Das Reingas verläuft sodann durch jedes Plenumrohr 54, bis es den haubenförmigen Gasauslaß 36 erreicht und aus diesem haubenförmigen Gasauslaß 36 heraustritt. Periodisch bzw. in Abständen wird teilchenförmiges Material von den Filterelementen 28 durch kurze Impulse von komprimiertem Gas entfernt, das durch das Rückimpulssystem geliefert wird.

Claims

1. Filterelement (28), aufweisend:

einen festen, porösen Filterkörper (28a), der in Gestalt eines hohlen Kreiszylinders ausgebildet ist, wobei der Filterkörper eine poröse Seitenwand (72) aufweist und die Seitenwand eine Außenseite (78) und eine Innenseite (80) aufweist, die es einem Gas erlauben, hindurchzuströmen;

eine erste Membran (90), die die Außenseite bedeckt, um teilchenförmiges Material bzw. teilchenförmige Stoffe daran zu hindern, in die Seitenwand von der Außenseite einzudringen;

eine zweite Membran (92), die die Innenseite bedeckt, um teilchenförmiges Material bzw. teilchenförmige Stoffe daran zu hindern, in die Seitenwand von der Innenseite einzudringen;

wobei die erste Membran und die zweite Membran aus irgendeinem Material aus der Gruppe hergestellt sind, die besteht aus: einem porösen, keramischen, körnigen Material, das feiner als das Seitenwandmaterial und ähnlich zu dem Seitenwandmaterial ist, einem gesinterten Metall, einer fasrigen, gehackten bzw. geschnittenen Matrixschicht, die feiner als das Seitenwandmaterial ist, einer fasrigen, kontinuierlichen Matrixschicht, die feiner als das Seitenwandmaterial ist, einem gewickelten, keramischen Garn, das Teilchen und Sol-Gel aufweist, und einem beschichteten, gewickelten, keramischen Garn, das Teilchen und Sol-Gel aufweist; und

wobei der Filterkörper aus einem Material aus der Gruppe hergestellt ist, die aus einer monolithischen Keramik, einer zusammengesetzten bzw. Verbundkeramik und einem gesinterten metallischen Material besteht.

2. Filterelement nach Anspruch 1, wobei der Filterkörper ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende aufweist und die poröse Seitenwand eine Bohrung definiert, die sich von einer an dem offenen Ende beginnenden Stelle erstreckt und an dem geschlossenen Ende endet, um es einem Gas zu erlauben, zu strömen.