Vorrichtung zum Reinigen von GasenDevice for cleaning gases
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Reinigen von Gasen nach der Gattung des Hauptanspruches. Eine derartige Vorrichtung ist bereits vorgeschlagen worden, wobei der Feldgradient eines elektrischen Hochspannungsfeldes genutzt wird um die Partikel aus dem Gasstrom abzusaugen. (P 33 24 886.9).The invention relates to a device for cleaning gases according to the preamble of the main claim. Such a device has already been proposed, the field gradient of an electrical high-voltage field being used to suck the particles out of the gas stream. (P 33 24 886.9).
Aus der DE-OS 32 38 793 ist es grundsätzlich bekannt, elektrisch leitfähige oder halbleitende Partikel wie Ruß und dgl. durch Influenz oder Polarisation in einem Hochspannungsfeld unterhalb der Ionisationsfeldstärke zu elektrischen Dipolen zu formen, welche sich dann zu größeren Agglomeraten zusammenlagern und hierdurch in einer nachgeschalteten mechanischen Abscheidevorrichtung aufgrund ihrer vergrößerten Masse relativ leicht abgeschieden werden können. Eine derartige Anordnung arbeitet grundsätzlich zufriedenstellend, jedoch soll durch gezielte
Maßnahmen die Koagulationsrate noch gesteigert werden, so daß man eine entsprechende Vorrichtung mit kleinerem Volumen bei gleicher Abscheidungsrate bauen kann. Dies erreicht man durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung erzielt man durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen. Hierbei hat sich insbesondere eine konzentrische Anordnung hohlzylindriger Elektroden bewährt, bei denen der Drahtdurchmesser eines Drahtgeflechtes, bzw. die Lochdurchmesser und Lochabstände eines feingelochten Bleches in den genannten Grenzen bewegen.From DE-OS 32 38 793 it is known in principle to form electrically conductive or semiconducting particles such as soot and the like by means of influence or polarization in a high voltage field below the ionization field strength to form electrical dipoles, which then assemble into larger agglomerates and thereby in one downstream mechanical separator can be separated relatively easily due to their increased mass. Such an arrangement works in principle satisfactorily, but should by targeted Measures the coagulation rate can be increased so that you can build a corresponding device with a smaller volume at the same deposition rate. This is achieved by the characterizing features of claim 1. Advantageous further developments and improvements of the invention are achieved by the measures listed in the subclaims. A concentric arrangement of hollow cylindrical electrodes, in which the wire diameter of a wire mesh, or the hole diameter and hole spacing of a finely perforated sheet, move within the limits mentioned, has proven particularly useful.
Zeichnungdrawing
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt eine konzentrische Anordnung mehrerer Elektroden, welche teilweise auf Massepotential und teilweise auf positivem Hochspannungspotential liegen. Die Figuren 2a und 2b zeigen Ausschnitte aus den Elektroden mit einem Drahtgeflecht und einem feingelochten Blech.Embodiments of the invention are shown schematically in the drawing and explained in more detail in the following description. FIG. 1 shows a concentric arrangement of a plurality of electrodes which are partly at ground potential and partly at positive high-voltage potential. Figures 2a and 2b show sections of the electrodes with a wire mesh and a finely perforated sheet.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In Figur 1 ist durch einen Pfeil 10 ein Gasstrom angedeutet, welcher von Teilchen oder Tröpfchen gereinigt werden soll. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um den Abgasstrom aus Verbrennungsprozessen fossiler Brennstoffe, vorzugsweise in Dieselmotoren, deren Abgase insbesondere von Rußpartikeln gereinigt werden sollen.
Der Gasstrom gemäß Pfeil 10 tritt über einen Anschlußstutzen 1 1a in ein metalisches Gehäuse 12 eines Koagulators 18 ein und verläßt dieses, wie mit dem Pfeil 13 angedeutet, über einen Anschlußstutzen 1 1b. Das Gehäuse 12 liegt auf Massepotential. Es hat vorzugsweise eine hohlzylindrige Gestalt und beherbergt weitere, konzentrisch angeordnete Zylinderelektroden. Im Gehäuse liegt bei der Ausführung gemäß Abbildung 1 zunächst eine positive Zylinderelektrode 14, innerhalb derer eine negative Zylinderelektrode 15 angeordnet ist. Der positive Pol der Hochspannungsquelle ist mit 16 bezeichnet, der negative Pol, welcher auf Masse liegt, mit dem Bezugs zeichen 17. An den Anschlußstutzen 1 1b ist ein mechanischer Abscheider 21, z.B. ein Zyklon angeflanscht, den die gereinigten Gase 26 und die abgeschiedenen Partikel 27 getrennt verlassen.An arrow 10 in FIG. 1 indicates a gas stream which is to be cleaned of particles or droplets. This is preferably the exhaust gas flow from combustion processes of fossil fuels, preferably in diesel engines, the exhaust gases of which, in particular, are to be cleaned of soot particles. The gas flow according to arrow 10 enters a metallic housing 12 of a coagulator 18 via a connecting piece 1 1a and leaves it, as indicated by arrow 13, via a connecting piece 1 1b. The housing 12 is at ground potential. It preferably has a hollow cylindrical shape and houses further, concentrically arranged cylinder electrodes. In the embodiment according to FIG. 1, there is initially a positive cylinder electrode 14 in the housing, within which a negative cylinder electrode 15 is arranged. The positive pole of the high-voltage source is denoted by 16, the negative pole, which is connected to ground, with the reference character 17. At the connecting piece 1 1b, a mechanical separator 21, for example a cyclone, is flanged, which the cleaned gases 26 and the separated particles Leave 27 separately.
In den Figuren 2a und 2b ist schematisch die Gestalt der Elektroden 1 4 und 15 gezeichnet. Figur 2a zeigt ein Drahtgeflecht 19, welches aus Einzeldrähten 20 hergestellt ist. Die Drähte haben einen Durchmesser von ca. 0,3 mm bis 1 mm. Figur 2b zeigt ein gelochtes Blech, welches anstelle des Drahtgeflechtes gemäß Figur 2a zur Herstellung der Elektroden besonders geeignet ist. Die Lochdurchmesser sind darin mit 23, die Lochabstände mit 24 bezeichnet. Günstige Verhältnisse haben sich ergeben, wenn die Lochdurchmesser und die Lochabstände zwischen 1 mm und 10 mm liegen, vorzugsweise zwischen 1 mm und 5 mm. Die Blechstärke, bzw. die Drahtdicke sind so gewählt, daß die Elektroden selbsttragend sind und kein zusätzliches Stützgerüst benötigen.The shape of the electrodes 1 4 and 15 is shown schematically in FIGS. 2a and 2b. Figure 2a shows a wire mesh 19, which is made of individual wires 20. The wires have a diameter of approximately 0.3 mm to 1 mm. FIG. 2b shows a perforated sheet which is particularly suitable for producing the electrodes instead of the wire mesh according to FIG. 2a. The hole diameters are designated 23, the hole spacing 24. Favorable conditions have arisen if the hole diameter and the hole spacing are between 1 mm and 10 mm, preferably between 1 mm and 5 mm. The sheet thickness or the wire thickness are selected so that the electrodes are self-supporting and do not require an additional support structure.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist verwendbar zur Eliminierung aller Teilchen und Tröpfchen mit einer Dielektrizitätszahl, welche wesentlich größer ist als 1. Die Messung der Dielektrizität szahl von Rußpartikeln aus Dieselmotor-Abgasen ergab eine Dielektrikzitäts
zahl von ungefähr 100. Innerhalb des Gehäuses 12 setzen sich die influenzierten Dipole, bei denen ohne Entladung im elektrischen Feld eine Polarisation der Ladungen stattfindet, an den metallischen Elektroden 14 und 15 ab. Die Strömungsgeschwindigkeit der Gase sollte hierbei relativ klein sein und vorzugsweise einen Wert < 1 m/s nicht überschreiten. Befinden sich die elektrischen Dipole dicht vor der Oberfläche einer geladenen Elektrode 16, so erfährt der Dipol eine Beschleunigung zur Oberfläche hin. Der negative Pol des Dipoles ist dabei der positiven Elektrodenoberfläche zugewendet und umgekehrt.The device according to the invention can be used to eliminate all particles and droplets with a dielectric constant which is substantially greater than 1. The measurement of the dielectric constant of soot particles from diesel engine exhaust gases gave a dielectric constant number of approximately 100. Within the housing 12, the influenced dipoles, in which polarization of the charges takes place without discharge in the electric field, settle on the metallic electrodes 14 and 15. The flow velocity of the gases should be relatively low and should preferably not exceed a value of <1 m / s. If the electrical dipoles are located close to the surface of a charged electrode 16, the dipole experiences an acceleration towards the surface. The negative pole of the dipole faces the positive electrode surface and vice versa.
Rußpartikel besitzen überwiegend stäbchenförmige Geometrie, weshalb die Teilchen sich im elektrischen Feld leicht ausrichten. Beim Auftreffen eines Teilchens auf der Elektrode 1 4 halten Adhäsionskräfte das Teilchen an einem Stabende fest. Hierbei findet teilweise ein Ladungsaustausch statt, da der Kohlenstoff von Rußpartikeln ein elektrischer Halbleiter ist. Das freie Stabende der Rußpartikel besitzt dann die gleiche Ladung wie die Elektrodenoberfläche selbst. Die abstoßende Wirkung aufgrund der gleichnamigen elektrischen Ladungen wird durch die Adhäsionskräfte aufgehoben.Soot particles have predominantly rod-shaped geometry, which is why the particles align themselves easily in the electric field. When a particle hits the electrode 1 4, adhesive forces hold the particle at one end of the rod. In some cases there is a charge exchange because the carbon of soot particles is an electrical semiconductor. The free rod end of the soot particles then has the same charge as the electrode surface itself. The repulsive effect due to the electrical charges of the same name is canceled out by the adhesive forces.
Am freien Ende der auf der Oberfläche einer Zylinderelektrode 14 angelagerten Rußpartikel entsteht ein starkes inhomogenes Feld wegen des sehr kleinen Krümmungsradius des stabförmigen Partikels von ungefähr 40 nm. In diesem inhomogenen elektrischen Feld werden nun die benachbarten Dipole zum Ort der größten Feldstärke beschleunigt, so daß sich die nächsten Teilchen am freien Ende des auf der Elektrode 14 sitzenden Rußpartikels anlagern. Dieser Mechanismus führt zum raschen An
wachsen eines turmartigen Gebildes auf der Elektrode 14. Der Wachstumsprozess endet, wenn die Ablösekräfte des strömenden Gases 10, 13 auf das Rußagglomerat größer als die adhäsiven Haftkräfte zwischen der Elektrode 14 und den Rußagglomeraten sind. Diese werden weggespült und ein neuer Anlagerungsprozeß kann beginnen.At the free end of the soot particles deposited on the surface of a cylinder electrode 14, a strong inhomogeneous field arises because of the very small radius of curvature of the rod-shaped particle of approximately 40 nm. In this inhomogeneous electrical field, the neighboring dipoles are now accelerated to the location of the greatest field strength, so that deposit the next particles at the free end of the soot particle sitting on the electrode 14. This mechanism leads to rapid initiation growing a tower-like structure on the electrode 14. The growth process ends when the release forces of the flowing gas 10, 13 on the soot agglomerate are greater than the adhesive forces between the electrode 14 and the soot agglomerates. These are washed away and a new attachment process can begin.
Der Anlagerungsprozeß an den positiven und an den negativen Elektroden erfolgt zusätzlich zu einem Koagulationsprozeß innerhalb des Gasstromes, wo sich aufgrund ihrer Dipolkräfte wei t ere Part ikel zu größeren Agglomeraten zus ammenlagern . Auf diese Weise erhält die Vorrichtung einen besonders hohen Wirkungsgrad, d.h., daß auf relativ kleinem Raum eine große Anzahl großer Agglomerate 27 entsteht, welche in dem nachgeschalteten mechanischen Abscheider 21 nach dem Verlassen des Koagulators 18 durch den Stutzen 11b mit geringem Aufwand abgeschieden werden können.The attachment process on the positive and on the negative electrodes takes place in addition to a coagulation process within the gas stream, where further particles accumulate to form larger agglomerates due to their dipole forces. In this way, the device has a particularly high efficiency, i.e. that a large number of large agglomerates 27 are formed in a relatively small space, which can be separated in the downstream mechanical separator 21 after leaving the coagulator 18 through the nozzle 11b with little effort.
Die Vorrichtung ist nicht nur für Rußpartikel verwendbar sondern auch für andere Teilchen oder Tröpfchen mit ausreichend großer Dielektrizitätskonstanten. Beispielsweise kann die Vorrichtung auch benutzt werden zum Abscheiden von Tröpfchen, insbesondere von Wassertröpfchen, in denen andere Stoffe gelöst sind, z.B. zum Abscheiden von Wassertröpfchen, die als Aerosole aus Reinigungsanlagen entweichen.The device can be used not only for soot particles but also for other particles or droplets with a sufficiently high dielectric constant. For example, the device can also be used to separate droplets, especially water droplets in which other substances are dissolved, e.g. for separating water droplets that escape as aerosols from cleaning systems.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Elektroden 1 4 , 15 aus einem Drahtgeflecht 19 oder einem feingelochten Blech 22 hat den Vorteil, daß die Wachstumsrate der angelagerten Partikel auf den Elektrodenoberflächen hoch ist und die gesamte Agglomerationsrate beträchtlich gesteigert wird. Gegenüber glatten Elektrodenflachen erhöht sich aufgrund
des inhomogenen Feldes an den Drahtradien und/oder den Kanten des Lochbleches die Wechselwirkung zwischen Elektrodenoberfläche und abzuscheidenden Partikeln, so daß dasThe device according to the invention with electrodes 1 4, 15 made of a wire mesh 19 or a finely perforated sheet 22 has the advantage that the growth rate of the deposited particles on the electrode surfaces is high and the overall agglomeration rate is increased considerably. Compared to smooth electrode surfaces increases due to of the inhomogeneous field on the wire radii and / or the edges of the perforated plate, the interaction between the electrode surface and the particles to be separated, so that the
Anlagerungswachstum beschleunigt wird. Darüber hinaus bilden sich bei der vorgeschlagenen Elektrodenausbildung Strömungswirbel in dem zu reinigenden Gas, welche die Ablösung der stabförmigen Agglomerate von den Elektrodenoberflächen verbessern. Eine ungewollte übermäßige Ablagerung der Partikel auf den Elektroden 14 und 15 unterbleibt.Accretion growth is accelerated. In addition, with the proposed electrode formation, flow vortices form in the gas to be cleaned, which improve the detachment of the rod-shaped agglomerates from the electrode surfaces. An unwanted excessive deposition of the particles on the electrodes 14 and 15 does not occur.
Aufgrund des Strömungsprofils in der hohlzylindrigen Anordnung, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit entlang der Elektroden wesentlich niedriger ist als in Strömungsmitte, können durch einfache Versuche günstige Abmessungen und eine optimierte Geometrie der Vorrichtung geschaffen werden. Die Feldstärke innerhalb der Vorrichtung bleibt trotz kleiner Krümmungsradien an den Elektroden unterhalb der Ionisationsfeldstärke, der verhältnismäßig geringfügige Ladungstransport durch die Ablösung geladener Teilchen ist vernachlässigbar. Messungen hierzu haben ergeben, daß die gesamte Verlustleistung nur in der Größenordnung von etwa 1 Watt liegt.
Due to the flow profile in the hollow-cylindrical arrangement, in which the flow velocity along the electrodes is significantly lower than in the middle of the flow, simple dimensions and an optimized geometry of the device can be created by simple tests. The field strength within the device remains below the ionization field strength, despite the small radii of curvature at the electrodes, the relatively minor charge transport by the detachment of charged particles is negligible. Measurements have shown that the total power loss is only in the order of about 1 watt.