EP0658380A1

EP0658380A1 - Einrichtung zur Entfernung von Staubpartikeln aus Abgasen

Info

Publication number: EP0658380A1
Application number: EP94810704A
Authority: EP
Inventors: Dr. Andreas Kwetkus; Dr. Oliver Riccius
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 1993-12-16
Filing date: 1994-12-07
Publication date: 1995-06-21
Also published as: ZA949968B; DE4342965A1; CA2138118A1

Abstract

Die Einrichtung zur Entfernung von Staubpartikeln aus Abgasen weist ein in einem Filtergehäuse (1) angeordnetes Oberflächenfilter (2) auf. Ein vor dem Filtergehäuse (1) in die Abgasleitung (3) eingebauter Vorauflader (4) dient zur Aufladung der Staubpartikel, bevor diese zum Oberflächenfilter (2) gelangen. Der Vorauflader (4) ist als eigenständige Baueinheit ausgebildet. Der Vorauflader (4) umfasst zumindest zwei annähernd planparallel zueinander verlaufende gitterförmige Elektroden (8,9), die quer zum Abgasstrom ausgerichtet sind. Die Elektroden sind an eine einseitig an Erdpotential liegende Hochspannungsquelle (12) angeschlossen. Durch diese Massnahmen werden die Staubpartikel optimal voraufgeladen und setzen sich aufgrund ihrer Aufladung als lokkere, poröse und damit gasdurchlässige Schicht auf dem Oberflächenfilter ab, ohne dass dort zusätzliche elektrische Felder vorhanden sein müssen. Die Plazierung in der Abgasleitung vor dem Filter macht aufgrund der dort herrschenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten Klopf- und Reinigungsvorrichtung im Vorauflader entbehrlich. <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Entfernung von Staubpartikeln aus Abgasen, mit einem in einem Filtergehäuse angeordneten Oberflächenfilter, bei welcher ein Vorauflader zur Aufladung der Staubpartikel vorgesehen sind, bevor diese zum Oberflächenfilter gelangen, wobei der Vorauflader Hochspannungs- und Masseelektroden umfasst, die an eine Hochspannungsquelle angeschlossen sind.
Eine Einrichtung dieser Art ist beispielsweise aus der US-A-3,910,779 bekannt.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

Zur Abscheidung von Staubpartikeln aus Abgasen, z.B. Rauchgasen von kohlebefeuerten Verbrennungsanlagen, haben sich neben Elektrofiltern sogenannte Oberflächenfilter (engl. fabric filters) durchgesetzt. Das zu entstaubenden Abgas gelangt über eine Abgasleitung in den Filter. Bei Passieren des Oberflächenfilters, der regelmässig als Schlauchfilter ausgebildet ist, setzen sich die Staubpartikel auf der äusseren Oberfläche des Filterschlauches ab. Sie werden in regelmässigen Abständen durch Klopf- oder Rüttelvorrichtungen oder auch Druckluftstösse entfernt und gelangen in trichterförmige Sammler am Boden des Filtergehäuses.
Die sich dabei auf dem Filterschlauch aufbauende Staubschicht wirkt dabei ebenfalls als Filter. Wird diese Staubschicht zu dick und/oder zu kompakt, führt dies zu Strömungsverlusten, die durch öfteres Abreinigen verhindert werden müssen.
In der eingangs genannten US-A-3,910,779 werden Massnahmen vorgeschlagen, um den Aufbau dieser Staubschicht zu beinflussen, und zwar dergestalt, dass sich die Staubpartikel als vergleichsweise poröser Belag (Filterkuchen) auf dem Filtermaterial absetzen. Dies wird durch die Kombination von zwei Massnahmen erreicht: Die Staubpartikel werden zunächst durch einen Vorauflader geleitet und dort mittels Koronaentladungen aufgeladen. Danach werden die nunmehr aufgeladenen Partikel in einem elektrischen Gleichfeld, das im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche verläuft, auf der sie abgeschieden werden sollen, abgeschieden. Dieses Gleichfeld wird dadurch erzeugt, dass im Inneren jedes Filterschlauchs eine gitterförmige Elektrode angeordnet ist, die auf Erdpotential liegt, die mit einer ausserhalb des Filterschlauchs liegenden Hochspannungselektrode zusammenwirkt. Zwingend ist, dass in diesem Gleichfeld keine Koronaentladungen stattfinden dürfen, weil sonst die gewünschte Porösität des Filterkuchens nicht mehr gewährleistet ist.
Die bekannte Einrichtung ist aus mehreren Gründen problematisch:

Partikelfilter für kohlebefeuerte Verbrennungsanlagen bestehen aus Tausenden von "parallelgeschalteten" Filterschläuchen, die meist mehere Meter lang sind. Der Aufwand für die Anspeisung der Hochspannungselektroden ist damit beträchtlich. Darüberhinaus muss der Aufbau so sein, dass keine grossen Relativbwegungen zwischen den Filterschläuchen und den ihnen zugeordneten Hochspannungselektroden auftreten können, um Koronaentladungen zu verhindern.
Die Strömungsgeschwindigkeit des staubbeladenen Gases durch den Schlauchfilter (typisch 5 cm/sec.) ist um mehrere Grössenordnungen kleiner als die Strömungsgeschwindigkeit in der Abgasleitung zum Filter, die in der Grössenordnung von 10 m/sec. liegt. Integriert man nun wie im Fall der Einrichtung nach der US-A-3,910,779 den Vorauflader in das Filtergehäuse, so findet dort bereits im Vorauflader (Position 14) eine Abscheidung von Staubpartikeln statt. Dies bedingt auch in diesem Bereich Mittel zum Entfernen und Austragen des Staubes.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Entfernung von Staubpartikeln aus Abgasen zu schaffen, die bei bestehehenden Filteranlagen einfach nachrüstbar ist, eine optimale Voraufladung ermöglicht und im Vorauflader praktisch keine Staubabscheidung auftritt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Vorauflader zur Aufladung der Staubpartikel als eigenständige Baueinheit ausgebildet ist, die in die Zuleitung zum Filtergehäuse eingebaut ist, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit durch den Oberflächenfilter sehr hoch ist, und dass die Masseelektrode(n) des Voraufladers Gitterstruktur mit kreuz und quer verlaufenden Gitterelementen aufweist bzw. aufweisen und quer zum Abgasstrom ausgerichtet ist bzw. sind, und dass die Hochspannungselektrode(n) als Sprühelektroden ausgebildet sind oder als solche wirkenund annähernd planparallel zur Masselektrode(n) verläuft bzw. verlaufen und annähernd parallel verlaufende Gitterelemente umfasst. Vorzugsweise ist dabei auch die Hochspannungselektrode aus kreuz und quer verlaufenden Gitterelementen aufgebaut, wobei die Maschenweiten beider Gitterstrukturen unterschiedlich sind.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass sich hohe Abscheideraten im Partikelfilter ohne Zuhilfenahme elektrischer Felder erreichen lassen, wenn optimal vorgeladene Partikel auf den Partikelfilter auftreffen. Dies gelingt durch die erfindungsgemässe Doppelgitteranordnung ausserhalb des Filtergehäuses in der Abgasleitung. Durch die erfindungsgemässe Plazierung des Voraufladers in der Abgasleitung kurz vor dem Eintritt in den Partikelfilter ergibt sich ein zusätzlicher Effekt: Bei den hier herrschenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten von typisch 10 m/sec. und mehr findet im Vorauflader paraktisch keine Staubabscheidung mehr statt, weil solche Partikel sofort von der Strömung mitgerissen werden. Somit entfallen die sonst vorzusehenden Massnahmen zur Reinigung und zum Staubaustrag im oder am Vorauflader, was die Konstruktion wesentlich vereinfacht. Der erfindungsgemässe Vorauflader kann leicht nachgerüstet werden, womit sich die Abscheideleistung des Oberflächenfilters ohne Eingriffe in den Filter selbst erheblich erhöhen lässt. Sollte die Voraufladung nicht ausreichend sein, können - wiederum ohne Eingriffe in den eigentlichen Partikelfilter - mehrere Doppelgitter in einer Baueinheit zusammengefasst hintereinander geschaltet werden, oder es können mehrere Baueinheiten hintereinander angeordnet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie die damit erzielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt:

Fig.1: eine schematische Darstellung eines Oberflächenfilters mit vorgeschaltetem Vorauflader;
Fig.2: einen vereinfachten Längsschnitt durch den Vorauflader von Fig.1;
Fig.3: einen vereinfachten Querschnitt durch den Vorauflader gemäss Fig.2;
Fig.4: einen ersten Querschnitt durch einen Vorauflader auf der Höhe der Hochspannungselektrode, wobei die Elektroden als Drahtgitter ausgebildet sind, die in einem Metallrahmen gehalten sind und von einem Gehäuse aus Isoliermaterial umgeben sind;
Fig.5: einen zweiten Querschnitt durch den Vorauflader gemäss Fig.4 auf der Höhe der auf Erdpotential liegenden Elektroden.
Fig.6: einen teilweisen Längsschnitt durch die Doppelgitteranordnung mit einer Hochspannungselektrode aus Stacheldraht;
Fig.7: einen teilweisen Längsschnitt durch die Doppelgitteranordnung mit einer Hochspannungselektrode aus Metallstreifen mit einseitig aus der Streifenebene herausgebogenen spitzen Lappen, die gegen die Masseleketrode gerichtet sind;
Fig.8: einen teilweisen Querschnitt durch die Doppelgitteranordnung mit einer Hochspannungselektrode aus Metallstreifen mit beidseitig aus der Streifenebene herausgebogenen spitzen Lappen, die aufeinanderzugerichtet sind;
Fig. 9: einen teilweise Längsschnitt durch die Doppelgitteranordnung mit einer Hochspannungselektrode in Form eines Sägeblattes;
Fig.10: einen teilweisen Querschnitt durch die Doppelgitteranordnung mit einer Hochspannungselektrode aus zickzackförmig gebogenen Metallstreifen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die in Fig.1 dargestellte Einrichtung zur Entfernung von Staubpartikeln aus Abgasen umfasst ein in einem Filtergehäuse 1 angeordnetes Oberflächenfilter, z.B. ein Schlauchfilter 2, und einen in die zum Oberflächenfilter 2 führende Abgasleitung 3 eingebauten Vorauflader (engl. precharger) 4. Aufbau und Funktionsweise von Oberflächenfiltern sind bekannt.
Der Vorauflader 4 ist als eigenständige Baueinheit ausgeführt und ist mittels Flanschen 5,6 (Fig.2) in die Abgasleitung 3 kurz vor dem Eintritt in das Filtergehäuse 1 montiert. Gemäss Fig.2 und 3 weist er ein metallisches Gehäuse 7 auf, dessen freier Querschnitt demjenigen der Abgasleitung 3 entspricht. Quer zur Strömungsrichtung des Abgases sind im Gehäuse 7 metallische Gitter 8, 9 aus kreuz und quer gespannten Metalldrähten, Metallstreifen oder Metallstäben im Abstand von typisch 100 mm vorgesehen. Die drei mit 8 bezeichneten Gitter liegen auf Erdpotential und sind mit der Gehäusewand direkt verbunden. Sie bilden die Massenelektroden. Die jeweils zwischen den Masseelektroden (Gitter 8) liegenden Gitter 9 sind in einem metallischen Rahmen 9a gehalten der gegenüber dem Gehäuse 7 mittels Isolatoren 10a, 10b elektrisch isoliert befestigt ist. Die oberen Isolatoren 10a dienen gleichzeitig als elektrisch Durchführung für den Hochspannungsanschluss 11 des Gitters 9. Die Gitter 9 bilden die Sprühelektroden. Die Gitter 8 und 9 sind jeweils parallel geschaltet und je mit dem einen und dem anderen Pol einer Spannungsquelle 12 verbunden, die eine Gleichspannung in der Grössenordnung von 40 - 100 kVolt liefert.
Eine besonders wirkungsvolle Aufladung der Staubpartikel im Vorauflader 4 lässt sich erzielen, wenn die Maschenweiten der beiden Gitter 8 und 9 unterschiedlich sind, wobei es weniger darauf ankommt, ob das auf Erdpotential liegende Gitter 8 oder das Hochspannungsgitter 9 die kleinere Maschenweite aufweist.
Wesentlich ist nur, dass die sich zwischen benachbarten Gittern ausbildenden Sprüh- oder Koronaentladungen möglichst über den gesamten Querschnitt des Gehäuses 7 und damit der Abgasleitung erstrecken.
In der in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsvariante sind die beiden Gitter 8 und 9 je in einem Metallrahmen 13 bzw. 14 eingespannt, die ihrerseits in einem Gehäuse 7a aus Isoliermaterial befestigt sind. Hochspannungsanschluss 15 und Masseanschluss 16 der Gitter 8 bzw. sind durch die Gehäusewand nach aussen geführt. Auch bei dieser Ausführungsform sind die Maschenweiten beider Gitter 8, 9 aus den oben genannten Gründen unterschiedlich gewählt.
Obwohl nach den derzeitigen Erkenntnissen eine Doppelgitteranordnung mit kreuz und quer angeordneten Metalldrähten als die technisch wirtschaftlich einfachte Ausführung angesehen wird, bestehen - ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen - zahlreiche Abwandlungen hinsichtlich der Geometrie der Hochspannungseleketroden 9. So können anstelle von kreuz und quer gespannten Drähten auch Gitter mit nur parallel verlaufenden Metalldrähten 17, Metallstreifen oder Metallstäben verwendet werden, die in regelmässigen Abständen mit Spitzen 18 in der Art von Stacheldraht (Fig.6) versehen sind, um die Entladung gezielt über den Querschnitt des durchströmten Querschnitts zu verteilen. Weiterhin sind Metallstreifen 19 geeignet, aus denen regelmässig verteilt spitze Lappen 20 herausgebogen sind, wobei diese Lappen entweder in Richtung des auf Massepotential liegenden Gitters 8 weisen (Fig.7) oder aufeinanderzu gerichtet (Fig.8). Ferner sind Gitterelemente in Form eines Sägeblatts 21 (Fig.9) möglich, wobei auch hier die Spitzen vorzugsweise in Richtung des Gitters 8 weisen. Auch sind zickzackförmige Gitterelemente 22 (Fig.10) geeignet. All diese Elektrodengeometrieen bieten wenig Strömungswiderstand für das durch sie strömende Abgas. Sie lassen sich alle in einem Rahmen einspannen. Auf ihnen sammelt sich auch keine Filterstaub an.
Bei anliegender Hochspannung wird ein beträchtlicher Teil der im Abgas mitgeführten Partikel aufgeladen. Sie behalten ihre Ladung bis zum Auftreffen auf das Filtermaterial der Schlauchfilter 2 und bilden dort einen vergleichsweise lockeren luftdurchlässigen Filterkuchen, der die Durchströmung durch das Filtermaterial wenig behindert. Auf diese Weise lassen sich die Intervalle zwischen den Reinigungsphasen verlängern. Die Anordnung des Voraufladers in der Abgasleitung 3, also in einem Gebiet mit hoher Strömungsgeschwindigkeit, verhindert dort Staubabscheidungen, so dass dort auch keine Reinigungsund Staubaustragvorrichtungen vorgesehen werden müssen.

BEZEICHNUNGSLISTE

1: Filtergehäuse
2: Schlauchfilter
3: Abgasleitung
4: Vorauflader
5,6: Flansche
7: Voraufladergehäuse
7a: Voraufladergehäuse aus Isoliermaterial
8: gitterförmige Masseelektroden
9: gitterförmige Hochspannungselektroden
10a: Isolierteil mit elektrischer Durchführung
10b: Isolierteil
11: Hochspannungsanschluss
12: Hochspannungsquelle
13,14: Metallrahmen
15: Masseanschluss
16: Hochspannungsanschluss
17: Metalldraht
18: Spitzen
19: Metallstreifen
20: Lappen
21: sägeblattartiger Metallstreifen
22: zickzackförmige Streifen

Claims

Einrichtung zur Entfernung von Staubpartikeln aus Abgasen, mit einem in einem Filtergehäuse (1) angeordneten Oberflächenfilter (2), bei welcher ein Vorauflader (4) zur Aufladung der Staubpartikel vorgesehen ist, bevor diese zum Oberflächenfilter (2) gelangen, wobei der Vorauflader Hochspannungs- und Masseelektroden umfasst, die an eine Hochspannungsquelle angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorauflader (4) zur Aufladung der Staubpartikel als eigenständige Baueinheit ausgebildet ist, die in die Zuleitung (3) zum Filtergehäuse (1) eingebaut ist, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit durch den Oberflächenfilter (2) sehr hoch ist, und dass die Masseelektrode(n) (8) des Voraufladers (4) Gitterstruktur mit kreuz und quer verlaufenden Gitterelementen aufweist bzw. aufweisen und quer zum Abgasstrom ausgerichtet ist bzw. sind, und dass die Hochspannungselektrode(n) (9) als Sprühelektroden ausgebildet sind oder als solche wirken und annähernd planparallel zur Masseleketrode(n) (8) verläuft bzw. verlaufen und annähernd parallel verlaufende Gitterelemente umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Hochspannungselektrode(n) (9) Gitterstruktur mit kreuz und quer verlaufenden Metalldrähten, Metallstreifen oder Metallstäben aufweist bzw. aufweisen.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Baueinheit eine Mehrzahl von Elektroden (8,9) angeordnet sind, die abwechselnd mit dem einen und dem anderen Pol der Hochspannungsquelle (12) verbunden sind.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere als Baueinheiten ausgebildete Vorauflader in die Zuleitung zum Filtergehäuse (1) eingebaut sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (8,9) aus vorzugsweise kreuz und quer gespannten Metalldrähten, Metallstreifen oder Metallstäben bestehen, von denen die Masseelektroden Elektrode(n) (8) direkt mit dem metallischen Gehäuse (7) des Voraufladers (4) verbunden sind.
Einrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (8,9) aus vorzugsweise kreuz und quer gespannten Metalldrähten, Metallstreifen oder Metallstäben bestehen, die je in einem metallischen Rahmen (13,14) gehalten sind, und dass das Gehäuse (7a) des Voraufladers (4) aus einem Isoliermaterial besteht.