DE9001339U1 - Vorrichtung zur Entfernung partikelförmiger Stoffe aus Auspuff- und Rauchgasen - Google Patents
Vorrichtung zur Entfernung partikelförmiger Stoffe aus Auspuff- und RauchgasenInfo
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Description
Während der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und anderer
fossiler Brennstoffe stellt sich oft eine übermäßige Emission von Kohlenstoffpartikeln (Kohle in Partikelform)
aufgrund eines Luftunterschusses in der verbrannten Miscaung
oder sogar aufgrund schlechter Durchmischung ein.
Erfindungsgemäß werden die Partikel mittels eises
Elektrofiiters entfernt, welches vorzugsweise aui? einem Teil
des Auspuffs- oder Rauchgassysterns gebildet sein kann.
Abhängig von dem Typ der Anlage, auf die die Erfindung sich
becieht, sind alternative Methoden zur Eliminierung der ;.o
gesammelten Partikel in Betracht zu ziehen.
Die Erfindung richtet si=." also auf eine Vorrichtung
Strippen partIkelförmiger Stoffe vom Abgas-, Auspuff- und
Rauchgasen, die durch Verbren?on fossiler Brennstoffe
erzeugt wurden. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Vorrichtung zur Eliminierung oder wenigstens der
erheblichen Verminderung der Emission partikelförmiger Stoffe aus Dieselauspuffgasen oder aus Rauchgasen, die bei
den obengenannten Anwendungen entstehen und bei denen es um die Verbrennung von Gasöl und schwereren ölen, seiiwt im
Gemisch mit aromatischen Fraktionen (Heizanlagen, tragbarer Stromgeneratoren, große Verstromungsanlagen etc.) oder Kohle
&Iacgr; 25 geht. Obwohl aus Einfachheitsgründen in der folgenden
Beschreibung hauptsächlich auf Dieselmotoren Bezug genommen wird, ist es klar, daß die genannten Merkmale und erreichten
Ergebnisse in gleicher Weise für die anderen Anwendungsfälle
gelten.
30
30
Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, ausgehend von
Molekülen mit etwa zehn Kohlenstoffatomen oder einfachen aromatischen Molekülen führt nicht nur zu üblichen
Verbrennungsprodukten, wie CO, CO2 und Hp1O, sondern auch zu
Produkten wie nicht verbrannten organischen Verbindungen, Ruß und Stickoxyden.
t t «
■ ·
Die Zusammensetzung des Ab- oder Rauchgases kann erheblich variieren, und zwar abhängig von der für die Verbrennung
eingesetzten Luftmenge. Für eine günstige Prozeßausbeute jedoch (beispielsweise um ausreichend Strom oder Leistung zu
erhalten), ist das Luftbrennstoffverhältnis um gewisse Werte
festgelegt, was es schwierig macht, die Emission pariikelförmiger Stoffe zu v^r^e
Das Phänomen ist für den Betrachter besonders deutlich im x® Falle von Kraftfahrzeugdieselmotoren, denen so vorgeworfen
wird, die Luft erheblich zu verschmutzen und die öffentliche Gesundheit ernsthaJt zu gefährden.
Allgemein gesprochen sind diese Vorwürfe grundlos.
Verglichen mit Benzinmotoren nämlich emittieren Dieselmotoren zwischen vier- und sechsmal weniger
Kohlenmonoxyd (bei dem es sich um ein starkes Gift handelt,
da es den Blutsauerstoffaustausch blockiert), etwa die halbe Menge nicht verbrannter Kohlenwasserstoffe (die höchst
krebsgefährdend sind) und etwa die Hälfte Stickoxyde (die zu denen gehören, die zum Sauren Regen beitragen).
Dieselmotoren jedoch emittieren vierzigmal mehr Kohlenstoffpartikel (was über den Langzeitraum zu Bronchitis
und anderen Krankheiten der Brust führen kann), sowie Schwefeldioxytf (ebenfalls verantwortlich für den Sauren
Regen), das jedoch eliminiert werden könnte, wenn Dieselbrennstoff, wie dies bei Benzin der Fall ist,
entschwefelt würde.
Es sollte darauf hingewiesen werden, daß Ruß nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe absorbiert und somit als ein
Vektor oder Träger für diese krebserzeugenden Mittel dient.
Zusammengefaßt kann gesagt werden: Es besteht kein Zweifel,
daß der die Verbrennung von Oasöl bzw. Diesel, Heizöl,
Xaphta und dgl. erzeugte Ruß äußerst anr,nae>n«hm ist imH Hj»
·- ■■_·,_·■■
solche Emissionen eliminiert, oder wenigstens zum qroßen Teil
reduziert werden sollten.
line gewisse Abnahme in der Menge an partikelförmigem
5
läßt sich erreichen, indem man die Verbrennung durch elektronische Einrichtungen verstellt. Diese Verstellung
kann jedoch nur den Rauchanteil um etwa 20 % senken, was unzureichend für viele Anwendungsfälle ist. Viele Mühen
1U wurden unternommen, um dieses Problem zu lösen.
verwenden keramische Filter unterschiedlicher Ausleuungen,
1^ die mechanisch die Partikel einfanden und periodisch
regeneriert werden, beispielsweise durch Verbrennung unter Verwendung heißer Gase, die durch einen Spezialbrsnner oder
durch einen Strom vorgewärmter Luft erzeugt wurden. Das Filter wird auch oft mit einem Katalysator, beispielsweise
*® Platin, zur Erleichterung der Verbrennung, imprägniert.
Auf diese Weise wird doch die Partikelmenge erheblich reduziert; die Komplexität der bis jetzt angewendeten
Lösungen, die Kosten und die Brüchigkeit der keramischen 2^ Filter sowie die Kosten und Beschädigung der Katalysatoren
(beispielsweise aufgrund von Vergiftung) haben aber bisher die Verwendung solcher Filter als unökonomisch, insbesondere
für Kraftfahrzeuge, erscheinen lassen.
3ö Die US-PS 4741746 legt die Verwendung eines elektrostatischen
Abscheiders mit Coronaeffekt nahe, um die Kohlenstoffpartikel aus Dieselabgasen niederzuschlagen.
Die US-PS 4587808, die ebenfalls Dieselmotoren betrifft, 3:i befaßt sich mit der Verwendung eines Molekulardissoziators,
der mit einer Ladung bis zu 150 kV für die Dissoziation der CO, CÜ2 und NOx Moleküle und nicht verbrannte
Kohlenwasserstoffe in die sie bildende chemischen Elemente
und somit für die Entfernung der so erzeugten Kohlenstoffpartikel sorgt. Es geht auch um die bereits im
Abgas vorhandenen und die Dissoziation erfolgt mittels eines 5
elektrostastischen Abscheideis und eines Zyklons-Auf
dem "1987 Paris-Meeting on Air Pollution Caused by Transport" wurde jedoch berichtet, daß dann, wenn indutriell
abgeleitete Svsteme in Autos eingebaut wurden, deren
&igr; &eegr;
Wirkungsgrad zweifelhaft (wie im Falle von Zyklonen) oder deren Größe exessiv und deren Komplexität prohibitiv
(elektrostatische Separatoren) war. (Siehe in diesem Zusammenhang Pollution Atmospherique, Spezialausgabe
Dezember 1987, Seite 268 - 285).
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Aus Vorstehendem wird klar, daß im Faj.le von Anwendungen mit
begrenzter Größe (wie dies bei Kraftfahrzeugdieselmotoren
etc. oder bei Hausheizungsanlagei. der Fall ist) die
technischen und wirtschaftlichen Probleme mit der Reduktion
der Rauchigkeit der Gase zusammenhängen, die aus der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen resultieren, alles
andere als gelöst angesehen werden können
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu eliminieren,
indem eine einfache, preiswerte, kompakte Vorrichtung vorgeschlagen wird, die für eine merkliche Verminderung in
der Partikelemission in Gasen sorgt, die aus der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen resultieren, wobei auch eine
einfache Einrichtung vorgeschlagen werden soll, die zusammen
mit einem solchen System arbeitet, ui.. den abgetrennten Ruß
zu eliminieren.
Erfindungsgemäß wird ein Staubstrippsystem bzw. -abstreifersystem
vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, daß es
in die Auspuff- oder Abgas- oder Rauchgasrohrsysteme zur Verbrennung fossiler Brennstoffe eingebaut wird und besteht
- einem Hochspannungsgenerator,
- Einrichtungen zur elektrostatischen Abtrennung von Ruß,
- sowie Einrichtungen zur Eliminierung des gesammelten
Rußes.
B
B
Diese Einrichtungen für die elektrostatische Trennung von Ruß umfassen wenigstens ein Paar von Leitern, durch welche
Auspuff-, Gas oder Rauchgase passieren, wobei jeder dieser Leiter zweckmäßig mit einem der Anschlüsse dieses
opäniiunysyenerators verbunden ist und einer dieser Leiter
eine Ladung trägt, deren Vorzeichen entgegengesetzt zu der des anderen Leiters ist.
Alternativ können diese Leiter aus einem Leiter mit wenigstens einer Spitze bestehen, die in Richtung des
anderen Leiters, gegen den er in geeigneter Weise isoliert ist, weist.
Nach einer anderen Ausführungsforrr, kann einer dieser Leiter durch die Innenfläche einer Leitung und der andere (von
diesem in geeigneter Weise isoliert) durch einen länglichen Leiter gebildet sein, der längs der Achse dieser Leitung
Diese Mittel zum Eliminieren des gesammelten Rußes können in Mitteln bestehen, die die Temperatur der Partikel erhöhen
und sie durch den Einfluß der Rauchgase selbst oder von Luft verbrennen. Der gesammelte Ruß kann auch dadurch beseitigt
werden, daß auswechselbare und ersetzbare Mittel verwendet .. 30 werden, die von der Vorrichtung entfernt und gereinigt
werden, während bekannte Mittel für gewisse Anwendungsfälle
eingesetzt werden können.
Diese Mittel zur Erhöhung der Temperatur der gesammelten 35 Partikel können die Form annehmen von
- einem kleinen Hi1fsbrenner, der heiße an oxydierenden
Mitteln reiche Gase auf die Partikel leitet,
- eine elektrische Heizeinrichtunq, welche die Partikel
in einem Strom von Abgas oder Luft oder einem Gemisch 5
hiervon erwärmt.
In Anwendungsfällen, wo di*» Abgas- oder Rauchgasleitung
vertikal verläuft, wie dies im Falle von Kaminen, gewissen Füchsen und in Austrittsleitungen aus gewissen kommerziellen
Fuhrssugsn der Fall ist, können diese Mittel zuin Eliminieren
der Stäube aus einer sammelnden F^lIe bestehen, die im
niedrigsten Teil des Partikelstrippsystems und der Stelle eingebaut sind, wo die Gase in den vertikalen Verlauf
eintreten. Ein Sammeln der Partikel in der Falle wird erleichtert durch eine zweckmäßige Vorrichtung wie
beispielsweise einen Vibrator, der während einer Unterbrechung im Verbrennungsprozeß oder der Gasströmung
betätigt wird.
*u Noch eine weitere Ausführungsform sollte für die Verwenduüg
eines in geeigneter Weise bemessenen Partikelnntfernungssystems
benutzt werden, das auch als Rußbei.alter wirkt, der von der Abgas-ZAuspuff-ZRauchgasleitursg getrennt «erden
kann, so daß er entfernt und so oft wie erforderlich gereinigt werden und dann erneut eingesetzt und wieder
verwendet werden kann.
Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die &mgr;&idigr;■ ^egenden
Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen: 30
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform der
Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt durch den Partikelabstreifteil , der
Fig. 2 einen Schnitt durch den Partikelabstreifteil , der
vom Rest des Austrittsrchrgassysuems entfernt werden
kann.
Xach Fig. i ist die Auspuffaustritts- oder Rauchgasleitung I
aus Stahl (vorzugsweise rostfreiem Stahl) auch einer der
Leiter des Partikelentfernungssystems und ist mit dem positiven Pol eines nicht dargestellten
Hochspannungsgenerators verbunden. Die Agase treten über die Leitung 9 ein. Der andere mit dem anderen Pol des Generators
verbundene Leiter 2 tritt in das Rohr 1 durch den Isolator 8 ein und verläuft längs der Achse dieses Rohres über ein
gewisses Stück und ist teilweise mittels eines Isolators 3 isoliert. Das freibleibende Ende des Leiters 2 ist von einem
geeigneten Isolator 4 in Form kleiner beabstandeter Stäbe abgestützt, die zwischen dem Rohr 1 und dem Leiter 2
eingesetzt sind. Das Rohr 1 verfügt über eine äußere Heizeinrichtung 5, eine Leitung 6 und Glüh- oder
Zündkerzen 10.
Im Betrieb werden Abgase über die Leitung 9 in das Rohr 1
geliefert, und durchströmen es von rechts nach links. Im Raum S zwischen Leiter 2 und Rohr 1 sind beide mit den
Anschlüssen eines Spannungsgenerators verbunden; die Kohlenstoffpartikel werden elektrisch geladen und gegen die
2^ Innenwand des Rohres 1 angezogen, wo sie entladen werden und
eine Abscheidung 7 bilden.
Kenn die Abscheidung eine gewisse Dicke erreicht hat oder wenn der Aufbau des Kohlenstoffs innerhalb des gesamten
Leiters 1 ein Stadium erreicht hat, wo die Leiter 1 und 2 nicht mehr vollkommen voneinander isoliert werden können,
nimmt die Spannung zwischen den Leitern, in manchen Fällen sehr erheblich, ab.
An dieser Stelle wird die Heizvorrichtung 5, die die Form
eines elektrischen Widerstands haben kann, in Aktion gebracht und/oder Glüh- oder Zündkerzen 10 werden
eingeschaltet und/oder sehr heißec vom Hilfsbrenner
kommendes Gau oder Luft werden durchqeblasen. Diese Vorgänge
'leti'iint ->der gekoppelt mit wenigstens einem der anderen
sind ::;<_> getroffen, daß die Feniper a tür der
Loh lenr.t of f abache idung 7 .nif im ti 1 I gemeinen 1000C I>i<; V)O"''
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erhöht wird, bei der Kohlenstoff brennt.
Um diesen Vorgang zu erleichtern werden wenigstens zwei dieser Rohre 1 parallel angeordnet; der Ruß wird vom
Rauchgas in wenigstens einem hiervon gestrippt, während die feuerabgeschiedenen Stäube in wenigstens einem der anderen
eliminiert werden. Auf diese Weise wirkt jedes det Rohre alternativ als Rußseperator und Eliminator.
Die Wahl der gewünschten Funktionen und das Arbeiten der Vent le, welche die Rauchgase von einem Rohr zum anderen
umlenken, kann vorteilhaft selbsttätig durch einen Timer
oder Mikroprozessor gere-^lt werden, der seine Information
von Speri-i.sonden erhält.
15
15
Nach Fig. 2, wo die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile wie in Fig. 1 bezeichnen, sieht man, daß das Rohr 1
den Endteil des Rauchgasrohres 11 bildet, mit dem es über die Verbindung 12 verbunden ist, die die Form einer
Bajonettkupplung beispielsweise haben kann.
Die Vorrichtung arbeitet hinsichtlich der Rußabtrennung in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform der Fig.
Auch hier wird es möglich, wenigstens zwei Rohre parallel zu positionieren, das Abgas passiert abwechselnd durch eines
dieser Rohre oder, wenn mehr als zwei vorhanden sind, nur durch einige hiervon für den Rußstrippvorgang.
Mit der Anordnung der Fig. 2 wird, sobald die Lage abgeschiedenen Rußes ein voreingestelltes Niveau erreicht,
der Anschluß i vom Hauptrohr 11 getrennt und wird gesondert gereinigt und durch einen anderen sauberen Anschluß ersetzt.
Versuche zeigen, daß der Partikelgehait der
Austrittsrauchgase J nicht um wenigstens 50 "0 ciesenkt werden
kann.
I · ■
1 .. Ill
Nach einer alternativen Ausführungsform sieht man, daß Luft
in das Rohr 1 selbst ohne Unterbrechung der Strömung der Abgase geschickt werden kann.
Auf diese Weise wird es möglich, die Komplizierungen zu vermeiden, die beim Positionieren von mehr als einer Leitung
parallel auftreten und den Aufbau von Ruß zu rirmeiden, der
als Block von dem Rauchgasrohr aufgrund von Vibrationen,
Schocks oder ähnlichen Gegebenheiten aiiftretüii kann.
10
Tejsts mit der Maßnahme nach der Erfindung wurden am
Abgassystem einer Dieselmotorgruppe mit einer 3860 cm^
Maschin« und. einem Jyaerr'-^r mit 4t kW Nennleistung bei
1500 U/min, durchgeführt Pie Maschine lief zwischen
&igr; &kgr;
1300 und 1480 U/min, während der 7-ists.
Die Rußstrippervorrichtung bestand aus einem oder zwei 1000 m langen -Stahlzylindern mit 150 mm Innendurchmesser
(parallel und die entweder gemeinsam oder alternativen
*w arbeiteten) mit einer axial eingesetzten Stange oder Schiene
aus Stahl mit 15 mm Durchmesser .
Eine Spannung von 30 kV bei 0,5 idA wurde zwischen dem
äußeren Zylinder und die Ajiialstange gelegt. Jeder Test lief
eine Stunde lang, eine kontinuierliche Probe von 500 Litern wurde von den Gasen, die die Vorrichtung durchströmten,
entnommen. Die Probe wurde durch ein poröses Filter gegeben, die auf diese Weise gesammelten Partikel wurden gewogen. Die
Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle aufgelistet. 30
| Anzahl von | ■ &igr; . i > ' »II. 1 > " -10- |
■ ■■· t ■ · · | gestrippter | |
| Rohren, | Tabelle | Anteil | ||
| Motor | parallel | Spannung | gesammelte | prozentual |
| U/min. | benutzt | Ja/Nein | Partikel | (A-B/A) |
| 1 | mg/m3 | |||
| 1 | 52.4 | |||
| A 1.300 | 2 | Nein | 13.46 | |
| B 1.300 | 2 | Ja | 6.4 | 67.3 |
| A 1.350 | 2 | Nein | 15.0 | |
| B 1.350 | 2 | Ja | 4.9 | 55.4 |
| A 1.380 | 1 | Nein | 16.4 | |
| B 1.380 | 1 | Ja | 7.32 | 58.9 |
| A 1.410 | 1 | Nein | 17.5 | |
| B 1.410 | 1 | Ja | 7.2 | 53.8 |
| A 1.430 | 2 | Nein | 21.3 | |
| B 1.430 | 2 | Ja | 9.83 | 66.7 |
| A 1.430 | 1 | Nein | 22.0 | |
| B 1.430 | 1 | Ja | 7.33 | 43.9 |
| A 1.480 | Nein | 24.8 | ||
| B 1.480 | Ja | 13. 0 | ||
Abgeschiedener Ru3 wurde schnell abctebrannt, wenn ein Strom
von Luft bei 49O0C durch die Trenneinheit rjeleitet wurde.
War das Abgas mit Luft angereichert, su wurde en während des
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Claims (10)
1. Vorrichtung zur Verminderung partikelförmiger Stoffe in
Abgas-, Auspuff- oder Rauchgasen, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wurden, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Rußstripper- oder Abstreifervorrichtung in ein die Abgase führendes Rohr
eingesetzt ist, das besteht aus:
- einem Hochspannungsgenerator (-);
- Einrichtungen (2;1) für die elektrostatische Abtrennung
der partikelförmigen Stoffe;
- und Einrichtungen zum Eliminieren der gesammelten
Partikel (7) ;
wobei diese Einrichtungen für die elektrostatische Abtrennung des partikelförmigen Stoffes aus wenigstens
einem Paar von Leitern bestehen, zwischen denen die Abgasrauchgase geführt sind, wobei jeder dieser Leiter
(2;1) in geeigneter Weise mit einen; der Anschlüsse diese»
Spannungsgenerators verbunden ist.
2b
2b
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß diese Leiter (2;1)
eines Paares von Leitern aus zwei sich gegenüberstehenden Wendungen in einer Leitung, die in geeigneter Weise
gegeneinander isoliert (3) sind, bestehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet , daß dieser eine Leiter (2) eines Paares von Leitern mit wenigens einer Spitze gegen
den anderen Leiter gerichtet ist, der aus einer Wandung (1) besteht, die sich vor dem anderen Leiter, gegen den
er elektrisch isoliert (3) ist, erstreckt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Leiter dieses
Paares von Leitern aus der Innenfläche einer Leitung (1) besteht und der andere - in geeigneter Weise hiergegen
isolierte (3) - aus einen, länglichen längs der Achse dieser Leitung verlaufenden Leiter (2) besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß diese Mittel zum
Eliminieren, der Partikeln aus Einrichtungen bestehen, die
die Temperatur des partikelförmigen Materials erhöhen und so ausgebildet sind, daß sie es entweder mit Hilfe der
gegebenenfalls mit Luft angereicherten Rauchgase selbst
oder mit Luft verbrennen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadu: ch gekennzeichnet ,. daß diese Mittel zum
Eliminieren des partikelförmigen Stoffes aus einer entfernbaren auswechselbaren Einrichtung (3;4) bestehen,
die von dem zu reinigenden System abgebaut werden und durch andere ähnliche, bereits saubere Mittel ersetzt
werden können.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß diese Mittel zum Erhöhen der Temperatur des partikelförmigen Materials aus
einem Hilfsbrenner bestehen, der an oxydierenden Substanzen reiche Gase auf dieses partikelförmige
Material leitet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß diese Mittel zum
Erhöhen der Temperatur des partikelförmigen Materials aus einem elektrischen Heizkomplex (5) bestehen, der dieses
partikelförmige Material in Anwesenheit eines Stroms von Abgasen oder von Luft oder von einem Gemisch von Luft und
Abgasen erwärmt.
9. Vorrichtung zum Vermindern des Anteils partikelformiger
Stoffe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß dieser Heizkomplex (5;10) aus wenigstens einer Zünd- oder Glühkerze (10)
^ besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine
Einrichtung, die die Ab- oder Rauchgase während de3
Vorgangs des Abscheidens der Partikel mit Luft anreichern, derart, daß die Verbrennung wenigsten« eines
Teiles der Fartikel herbeiführbar ist.
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