EP0740585A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung gasgetragener partikel - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur behandlung gasgetragener partikel

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EP0740585A1
EP0740585A1 EP95906297A EP95906297A EP0740585A1 EP 0740585 A1 EP0740585 A1 EP 0740585A1 EP 95906297 A EP95906297 A EP 95906297A EP 95906297 A EP95906297 A EP 95906297A EP 0740585 A1 EP0740585 A1 EP 0740585A1
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EP
European Patent Office
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electrodes
particles
flow channel
gas
needle
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EP95906297A
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Andreas Gutsch
Friedrich LÖFFLER
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Individual
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    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
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    • B03C3/38—Particle charging or ionising stations, e.g. using electric discharge, radioactive radiation or flames
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/017—Combinations of electrostatic separation with other processes, not otherwise provided for
    • B03C3/0175—Amassing particles by electric fields, e.g. agglomeration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/40—Electrode constructions
    • B03C3/41—Ionising-electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C2201/00—Details of magnetic or electrostatic separation
    • B03C2201/10—Ionising electrode has multiple serrated ends or parts

Definitions

  • the invention relates to a method for treating gas-borne particles, in particular for the electrically induced agglomeration of gas-borne particles, according to the preamble of claim 1, and to a device for carrying out the method according to the preamble of claim 7.
  • Such methods and devices have a whole range of uses.
  • they are used in the field of particle separation in order to expand the effectiveness of known particle separation methods and devices in the direction of small and very small particles.
  • problems arise with conventional particle separation techniques in the generation of electricity from fossil fuels, in waste incineration, in metallurgical high-temperature processes and in catalytic gas-solid syntheses, since the primary particle size of the aerosols to be treated in the aforementioned processes is in is generally well below 1 ⁇ m and particles of this size cannot be separated, or at least cannot be separated economically, using conventional particle separation techniques.
  • the desired particle enlargement can be achieved in various ways.
  • wet in which the particle enlargement takes place by condensation of water vapor from a supersaturated atmosphere
  • dry processes in which the desired agglomeration is caused by a collision of Particles occur in a fluid phase.
  • direct agglomeration is therefore that the individual particles in the fluid phase have a relative speed to one another.
  • This relative speed can be generated by means of thermal and turbulent diffusion or by a particle movement induced by force fields.
  • gravity fields, centrifugal fields, sound fields or electrical fields come into consideration as force fields.
  • DE OS 1 407 534 discloses an electrostatic filter which serves to separate particles from gas streams and which has ionization electrodes and separation electrodes.
  • the ionization electrodes are designed as oppositely arranged, needle-shaped electrodes, two opposing ionization electrodes each projecting into a hollow body serving as a separating electrode.
  • the desired separation of the particles occurs due to a potential difference between the ionization electrodes and the separation electrode assigned to them, i.e. in this arrangement there is also a unipolar charging of the particles.
  • a method and a device for separating solid or liquid particles from a gas stream by means of an electric field is known from US Pat. No. 4,734,105.
  • the particle-laden gas stream is passed through a flow channel in which a plurality of flat, flat or curved pairs of electrodes are arranged.
  • At least the main electrodes have needle-shaped projections protruding into the flow channel with spherical or hemispherical tips, at which corona discharges and thus ionization of gas molecules occur after application of an electrical field.
  • the spherical or hemispherical tips of the needle-shaped electrode extensions have a diameter that is larger than the diameter of the needle shaft.
  • the area in which the gas is ionized is to be separated from that area in the radial direction of the flow channel in which the parts charged with the gas ions are separated. collide.
  • the application of a strong electric field is to be made possible, by means of which the solution to the problem specified in US Pat. No. 4,734,105 is to be achieved, namely to significantly shorten the distance necessary in the direction of flow for separating particles.
  • the device described in US Pat. No. 4,734,105 is a further developed electrostatic filter.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for treating gas-borne particles, in particular for the electrically induced agglomeration of gas-borne particles, with which it is possible to provide an aerosol which is at least almost symmetrically bipolar and at the same time to minimize particle deposition during deployment.
  • needle-shaped is not intended to limit the size of the electrodes used, but rather only to relate them characterize on their pen shape and their tip, whose rounding diameter is smaller than the diameter of the electrode shaft.
  • the electrodes must be wired so that they are ungrounded. Furthermore, it must be ensured that the electrical field is only coupled into the flow channel via the needle-shaped electrodes and that the latter is otherwise free of external electrical fields. These measures ensure that the electric field is coupled in a spatially narrow area, so that the particle agglomeration essentially takes place in areas in which there is no external electric field. In this way it is prevented that incomplete recombination of oppositely charged particles leads to a particle drift in the radial direction of the flow channel and thus to the separation of particles in the flow channel.
  • a spatial separation of the charging zones i. H.
  • volume flow division for separate, polarity-specific charging is no longer necessary according to the invention, as a result of which the particle separation in the region of the charging zones is largely reduced.
  • the absence of an external electric field leads to an increased collision rate of the bipolar charged aerosol and thus to a more effective agglomeration.
  • the necessary wiring of the electrodes is much easier because of the absence of additional auxiliary electrodes.
  • Fine aerosols ie aerosols which essentially contain particles in the submicron range, that is to say particles smaller than 1 ⁇ m, preferably smaller than 0.5 ⁇ m and in particular smaller than 0.1 ⁇ m, can now be agglomerated in an efficient manner.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are particularly suitable for the electrically induced agglomeration of small and smallest gas-borne particles, ie that even particles whose size is in the nanometer range can be agglomerated.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are suitable for neutralizing larger and highly unipolar charged, gas-borne particles.
  • Larger particles here mean particles which are larger than approximately 1 to 2 ⁇ m and in particular larger than 5 ⁇ m. Measurements of the charge distribution in the particle size range above about 1.5 ⁇ m have shown that a bipolar charged aerosol is also generated here when the electrodes are connected bipolar.
  • the number of elementary charges per particle in these larger particles is not significantly greater than in the case of substantially smaller particles which have been treated with the method and the device according to the invention.
  • the number of elementary charges should be approximately proportional to the particle size.
  • Examples of the problems mentioned are the undesired electrical scattering, the deposition of particles on walls of all kinds, the charging of the entire process apparatus and a resulting spark discharge on the apparatus.
  • the number of electrical elementary charges per particle after charging by means of the method or the device according to the invention is likewise in the range from 10 to 20.
  • a stronger charge cannot be achieved due to physical limits in the submicron range.
  • the small number of elementary charges mentioned is sufficient to increase the agglomeration rate, since smaller particles, in particular particles with a size in the nanometer range, have very high mobility, which is why even the smallest attractive interactions between them individual particles significantly influence the particle dynamics.
  • a decisive advantage of the method according to the invention or a device according to the invention can be seen in the focusing action of the needle-shaped electrodes, the arrangement of which opposite makes it possible to generate oppositely charged particles in the immediate vicinity and in a spatially narrow area , as a result of which the agglomeration speed is significantly increased compared to conventional methods or devices and the separation of particles, particularly in the area of the corona electrodes, is greatly reduced.
  • the aerosol flowing through the flow channel is preferably charged repeatedly in the bipolar direction in order to compensate for the charge recombination occurring in the case of agglomeration of oppositely charged particles and to ensure a high collision rate.
  • the agglomerate size can also be influenced in a targeted manner by the repeated bipolar charging of the aerosol.
  • the stepwise connection of further pairs of electrodes leads to an additional shift in the resulting particle size distribution in the range of larger particle sizes.
  • a saturation of the agglomeration effect due to multiple bipolar charging of the aerosol could not be determined.
  • the wall of the flow channel preferably consists either of electrically insulating plastic or of a metal which is provided on the inside with an electrically insulating coating. The focusing effect of the needle-shaped electrodes with respect to the electric field is increased in this way.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention in a perspective, partially broken away representation
  • FIG. 2 shows a needle-shaped electrode used in the device according to FIG. 1 in an exploded view.
  • a device 10 for the electrically induced agglomeration of gas-borne particles essentially consists of a closed flow channel 12 through which an aerosol flows in the direction of the arrow, which contains gas-borne particles 14, which can be solid or liquid.
  • the electrodes 20 and 22, the structure of which can be seen in more detail in FIG. 2, are connected via an electrical line 24, which is only indicated in FIG. 1, to a high-voltage direct current source, not shown, and are disconnected from earth, ie the electrodes 20 in FIG the DC voltage source connected, while the opposite, lower electrodes 22 are connected to the negative pole of the DC voltage source.
  • the term "ungrounded” should therefore mean here that none of the electrodes 20 and 22 is connected to ground, but is actually connected to a plus or minus potential.
  • a high voltage alternating current source can also be used.
  • Each electrode 20 and one electrode 22 together form a pair of electrodes 20, 22, the tips 26 of which lie directly opposite one another at a distance which can be in the range of at least approximately 10 mm to approximately 40 mm. In the case of a very large flow channel, the distance between the tips 26 can also be significantly more than 40 mm.
  • Electrodes 20 Five such electrode pairs 20, 22 are arranged in the center of the top surface 16 and the bottom surface 18 with a distance of 10 cm each in the direction of flow.
  • the distance at which successive electrode pairs are arranged in the flow direction results from the dwell time that particles 14 should have between successive electrode pairs 20, 22, and thus depends on the geometry of the flow channel used and the flow velocity of the aerosol. It has been found that the residence time between electrode pairs 20, 22 which follow one another in the direction of flow is advantageously in the region of one second.
  • an electrical potential is provided at the opposite tips 26 of the electrodes 20 and 22, which is sufficient to generate a stable corona discharge at each tip 26. Field strengths of around 2,000 V / cm are required for this. If the distance between the tips 26 of a pair of electrodes 20, 22 is, for example, 20 mm, a voltage of approximately 4,000 V must nevertheless be applied to the electrodes 20 and 22.
  • the potential ratio between the electrodes 20 and 22 is set such that a largely symmetrical, bipolar charging of the aerosol conducted through the flow channel 12 takes place.
  • the agglomeration of the charged particles takes place in part in the area of the charging zone, i.e. H. between the electrodes 20 and 22, but essentially immediately downstream. Outside the charging zones there is no external electric field due to the electric field strongly focused by the tips 26 and because of the electrodes 20 and 22 electrically insulated from the flow channel 12.
  • the five electrode pairs 20, 22 ensure that the agglomeration of oppositely charged particles that takes place during the dwell time of the aerosol in the flow channel 12 and the charge recombination that occurs, which leads to a reduction in the attractive interaction potential within the particle collective, is balanced and overcompensated and thus one high collision rate is maintained over the entire length of the flow channel 12. With targeted overcompensation, the resulting agglomerate size can be influenced by increasing the aerosol's repeated bipolar charging.
  • 2 shows the structure of a needle-shaped electrode 20 and its fastening in the top surface 16 in more detail.
  • the electrodes 22 have the same structure and are fixed in the same way in the bottom surface 18 of the flow channel 12.
  • the heart of the electrode 20 is a thin, long stainless steel needle 28, on the tip 26 of which the inner end of the flow channel 12 is formed.
  • An external thread 30 is present on the larger part of the stainless steel needle 28.
  • the part of the needle shaft 31 which protrudes into the flow channel 12 when ready for operation is enclosed by an electrical insulation 32 which only leaves the tip 26 free and thus extends from the shaft-side end of the tip 26 to the beginning of the external thread 30.
  • the stainless steel needle 28 is screwed into a brass sleeve 34, which for this purpose has a through hole 36 with a suitable internal thread 38.
  • the brass sleeve 34 has an external thread 40 with which it can be screwed into the cover surface 16, in which a hole with a corresponding internal thread is provided for this purpose.
  • an open-ended or ring spanner attachment 42 is formed at its end facing away from the flow channel 12.
  • the electrical connection of the electrode 20 takes place by means of a further sleeve 44, which likewise has a through hole with an internal thread matching the external thread 30 of the stainless steel needle 28.
  • This sleeve 44 which is connected to the line 24, which is not shown here, is screwed onto the part of the external thread 30 which projects outward from the brass sleeve 34. 46 with a handle attached to the sleeve 44 is designated, which at the same time serves for electrical insulation.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung gasgetragener Partikel
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung gasgetra¬ gener Partikel, insbesondere zur elektrisch induzierten Agglo¬ meration gasgetragener Partikel nach dem Oberbegriff des An¬ spruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah¬ rens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Solche Verfahren bzw. Vorrichtungen haben eine ganze Reihe von Einsatzbereichen. Insbesondere werden sie auf dem Gebiet der Partikelabscheidung benutzt, um die Wirksamkeit bekannter Parti¬ kelabscheideverfahren und -Vorrichtungen in Richtung kleiner und kleinster Partikel zu erweitern. So kommt es beispielsweise bei der Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen, bei der Müll¬ verbrennung, bei metallurgischen Hochtemperaturprozessen und bei katalytischen Gas-FeststoffSynthesen zu Problemen mit her¬ kömmlichen Partikelabscheidetechniken, da die Primärpartikel¬ größe der bei den vorgenannten Prozessen zu behandelnden Aero¬ sole in der Regel deutlich unterhalb von 1 μm liegt und Parti¬ keln dieser Größe mit herkömmlichen Partikelabscheidetechniken nicht oder zumindest nicht wirtschaftlich abscheidbar sind.
Schaltet man jedoch der eigentlichen Partikelabscheidung eine Stufe vor, in der die zu behandelnden Partikel zu Partikel¬ verbänden agglomeriert werden, so verbessert sich bei unver- änderter Abscheidetechnik das erzielbare, durch den Gesamtab- scheidegrad repräsentierte Ergebnis deutlich.
Ein weiterer Einsatzbereich ist die Feststoffsynthese aus Gas¬ phasenreaktionen. Bei derartigen Synthesen beträgt die Primär¬ partikelgröße häufig nur wenige Nanometer. Schon aus wirtschaft¬ lichen Gründen ist hier eine äußerst effektive Partikelabschei¬ dung erforderlich, da die im Aerosol vorliegenden Partikeln den zu gewinnenden Wertstoff darstellen. Primär ist daher auch im Rahmen solcher FeststoffSynthesen die Partikelvergrößerung vor der eigentlichen Partikelabscheidung die Hauptaufgabe, jedoch kann durch das gewählte Agglomerationsverfahren auch die entste¬ hende Agglomeratstruktur beeinflußt werden.
Grundsätzlich kann die gewünschte Partikelvergrößerung auf ver¬ schiedene Weise erreicht werden. Neben sogenannten "nassen" Verfahren, bei denen die Partikelvergrößerung durch Kondensa¬ tion von Wasserdampf aus einer übersättigten Atmosphäre er¬ folgt, sind die auch als "trockene" Verfahren bezeichneten Ag¬ glomerationstechniken bekannt, bei denen die gewünschte Agglo¬ meration durch eine Kollision von Partikeln in einer fluiden Phase erfolgt. Voraussetzung für diese sogenannte direkte Ag¬ glomeration ist demnach, daß die einzelnen Partikeln in der fluiden Phase untereinander eine Relativgeschwindigkeit auf¬ weisen. Diese Relativgeschwindigkeit kann mittels thermischer und turbulenter Diffusion oder durch eine von Kraftfeldern in¬ duzierte Partikelbewegung erzeugt werden. Als Kraftfelder kom¬ men insbesondere Schwerefelder, Zentrifugalfelder, Schallfelder oder elektrische Felder in Frage. Der Vorteil einer elektrisch induzierten Agglomeration, d. h. der Erzeugung von Relativge¬ schwindigkeiten der Partikel mittels eines elektrischen Feldes, liegt in dem beispielsweise im Vergleich zu Schallfeldern er¬ heblich niedrigeren Energiebedarf, insbesondere im Bereich kleiner und kleinster Partikel, wo elektrische Kräfte bei nur geringem Leistungsbedarf noch einen erheblichen Einfluß auf die Partikelbewegungen ausüben. Aus der DE 37 37 343 AI und aus der US 3 826 063 sind Elektro- filter bekannt, in denen ein partikelbeladener, zu reinigender Gasstrom in zwei räumlich voneinander getrennte Teilgasströme aufgeteilt wird. Jeder Teilgasstrom wird in herkömmlicher Weise durch zumindest ein Elektrodenpaar unipolar aufgeladen. Nach der unipolaren Aufladung der Teilgasströme werden letztere wie¬ der zusammengeführt.
Aus der DE OS 1 407 534 ist ein zur Abscheidung von Partikeln aus Gasströmen dienender Elektrofilter bekannt, der Ionisati¬ onselektroden und Abscheideelektroden aufweist. Die Ionisati- onselektroden sind als gegenüberliegend angeordnete, nadeiför¬ mige Elektroden ausgebildet, wobei je zwei sich gegenüberlie¬ gende Ionisationselektroden in einen als Abscheideelektrode dienenden Hohlkörper ragen. Zur gewünschten Abscheidung der Partikel kommt es aufgrund einer Potentialdifferenz zwischen den Ionisationselektroden und der diesen zugeordneten Abschei¬ deelektrode, d.h. es findet auch bei dieser Anordnung eine uni¬ polare Aufladung der Partikel statt.
Aus der US Patentschrift 4 734 105 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abtrennung fester oder flüssiger Partikel aus einem Gasstrom mittels eines elektrischen Feldes bekannt. Dabei wird der partikelbeladene Gasstrom durch einen Strömungskanal geleitet, in dem mehrere flächig ebene bzw. flächig gekrümmte Elektrodenpaare angeordnet sind. Zumindest die Hauptelektroden weisen in den Strömungskanal hineinragende, nadeiförmige Fort¬ sätze mit kugelförmigen oder halbkugelförmigen Spitzen auf, an denen es nach Anlegen eines elektrischen Feldes zu Koronaentla¬ dungen und damit zur Ionisation von Gasmolekülen kommt. Die ku¬ gelförmigen bzw. halbkugelförmigen Spitzen der nadeiförmigen Elektrodenfortsätze weisen dabei einen Durchmesser auf, der größer als der Durchmesser des Nadelschaftes ist. Mittels zwei¬ er beispielsweise gitterförmiger Hilfselektroden soll erreicht werden, daß der Bereich, in dem das Gas ionisiert wird, von demjenigen Bereich in radialer Richtung des Strömungskanals ge¬ trennt ist, in dem die mit Hilfe der Gasionen aufgeladenen Par- tikel zusammenstoßen. Auf diese Weise soll das Anlegen eines starken elektrischen Feldes ermöglicht werden, durch das die Lösung des in der US Patentschrift 4 734 105 angegebenen Pro¬ blems erzielt werden soll, nämlich die in Strömungsrichtung zur Abscheidung von Partikeln notwendige Strecke deutlich zu ver¬ kürzen. Es handelt sich demnach bei der in der US Patentschrift 4 734 105 beschriebenen Vorrichtung um einen weiterentwickelten Elektrofilter.
Der Grundgedanke, die Kollisionsrate von sich in einem Gasstrom befindenden Partikeln durch Anlegen eines elektrischen Feldes zu erhöhen, ist also bekannt. Jedoch ist es bisher nicht gelun¬ gen, mit Hilfe der bekannten Methoden zur Partikelaufladung ein zumindest nahezu symmetrisch bipolar geladenes Aerosol bereit¬ zustellen, das im Hinblick auf eine Erhöhung der Kollisions- wahrscheinlichkeit besonders wünschenswert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung gasgetragener Partikel, ins¬ besondere zur elektrisch induzierten Agglomeration gasgetra¬ gener Partikel bereitzustellen, mit dem bzw. mit der es möglich ist, ein zumindest nahezu symmetrisch bipolar geladenes Aerosol bereitzustellen und gleichzeitig die Partikeldeposition während der Bereitstellung zu minimieren.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Verfahren, das die im Anspruch 1 genannten Schritte aufweist, und mit einer Vor¬ richtung gelöst, die die im Anspruch 7 genannten Merkmale auf¬ weist.
Demnach ist erkannt worden, daß es zur erfolgreichen bipolaren Aufladung gasgetragener, fester oder flüssiger Partikeln erfor¬ derlich ist, die gesamten Elektroden nadeiförmig auszubilden und so anzuordnen, daß sich die Spitzen eines jeden Elektro- denpaares im Strömungskanal gegenüberliegen. Der Ausdruck "nadeiförmig" soll die verwendeten Elektroden nicht hinsicht¬ lich ihrer Größe beschränken, sondern sie lediglich in Bezug auf ihre Stiftform und ihre Spitze charakterisieren, deren Rundungsdurchmesser kleiner als der Durchmesser des Elektro- denschaftes ist.
Die Elektroden müssen dabei so beschaltet sein, daß sie erdfrei sind. Weiterhin muß sichergestellt sein, daß das elektrische Feld nur über die nadeiförmigen Elektroden in den Strömungs- kanal eingekoppelt wird und letzterer im übrigen frei von äußeren elektrischen Feldern ist. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß das elektrische Feld in einem räumlich eng be¬ grenzten Bereich eingekoppelt wird, so daß die Partikelagglo¬ meration im wesentlichen in Bereichen stattfindet, in denen kein äußeres elektrisches Feld vorhanden ist. Auf diese Weise wird verhindert, daß es bei unvollständiger Rekombination ent¬ gegengesetzt geladener Partikel zu einer Partikeldrift in Ra¬ dialrichtung des Strömungskanals und damit zur Abscheidung von Partikeln im Strömungskanal kommt. Eine räumliche Trennung der Aufladezonen, d. h. eine Volumenstromteilung zur getrennten, polaritätsspezifischen Aufladung wie bei herkömmlichen Verfah¬ ren und Vorrichtungen üblich, ist erfindungsgemäß nicht mehr erforderlich, wodurch die Partikelabscheidung im Bereich der Aufladezonen weitgehend reduziert ist. Darüber hinaus führt, wie Versuche ergeben haben, das Fehlen eines äußeren elektri¬ schen Feldes zu einer erhöhten Kollisionsrate des bipolar ge¬ ladenen Aerosols und damit zu einer wirksameren Agglomeration. Auch ist beim erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungs- gemäßen Vorrichtung die erforderliche Beschaltung der Elektro¬ den wegen des Fehlens zusätzlicher Hilfselektroden wesentlich einfacher.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung brennen Koronen nicht wie im angegebenen Stand der Technik zwischen Elektroden, die sich auf ein- und derselben Seite eines Strömungskanals befinden, sondern zwischen den Spit¬ zen von je zwei sich gegenüberliegend angeordneten Elektroden. Neben einer Verminderung des konstruktiven Aufwands führt diese Anordnung dazu, daß eine elektrostatische Zerstreuung gleichge- ladener Gasionen im Bereich der Nadelspitzen erfolgt, so daß nahezu der gesamte Raum des Strömungskanals mit Ladungsträgern erfüllt ist, obwohl das zur Einkopplung dienende elektrische Feld räumlich stark begrenzt ist. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es durch Anlegen eines zumindest nahezu symme¬ trischen Potentialverhältnisses an sich gegenüberliegende Elek¬ troden erstmals möglich, nahezu 100 % der gasgetragenen Parti¬ keln so aufzuladen, daß sich ein nahezu symmetrisch bipolar geladenes Aerosol ergibt. Damit können nun auch Feinstaerosole, d. h. Aerosole, die im wesentlichen Partikel im Submikrometer- bereich enthalten, also Partikel kleiner als 1 μm, bevorzugt kleiner als 0,5 μm und insbesondere kleiner als 0,1 μm, auf effiziente Weise agglomeriert werden.
Neben der Möglichkeit, herkömmliche Partikelabscheidetechniken durch Vorschalten des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch für bisher nicht wirtschaft¬ lich abscheidbare Partikeln einzusetzen, eröffnet sich auch die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Verfahren oder eine erfindungs¬ gemäße Vorrichtung im Rahmen von FeststoffSynthesen aus Gaspha¬ senreaktionen zur gezielten Beeinflussung entstehender Agglome- rate zu benutzen. Mit Hilfe der elektrisch induzierten Agglome¬ ration können beispielsweise hinsichtlich Konzentration, Struk¬ tur und Größe quasi "in situ" spezifische Agglomeratstrukturen erzielt werden, die sich deutlich von jenen Agglomeratstruktu¬ ren unterscheiden, wie sie bei diffusionsmotivierter Agglomera¬ tion, d. h. Agglomeration aufgrund thermischer und turbulenter Diffusion, auftreten. Anwendungsbeispiele werden derzeit in der Glasfasersynthese, in der TiO -Pigmentsynthese, in der Synthese von Matrixmaterial (AI O ) für die Chip-Industrie sowie in der Halb- und Supraleitersynthese gesehen.
Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Ver¬ fahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere zur elektrisch induzierten Agglomeration kleiner und kleinster gas¬ getragener Partikel geeignet sind, d.h., daß selbst Partikel agglomeriert werden können, deren Größe im Nanometer-Bereich liegt. Allerdings hat sich auch herausgestellt, daß das erfindungs¬ gemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu ge¬ eignet sind, größere und hoch unipolar geladene, gasgetragene Partikel zu neutralisieren. Mit größeren Partikeln sind hier Partikel gemeint, die größer als ungefähr 1 bis 2 μm und insbe¬ sondere größer als 5 μm sind. Messungen der Ladungsverteilung im Partikelgrößenbereich oberhalb von etwa 1,5 μm haben ge¬ zeigt, daß auch hier bei bipolarer Beschaltung der Elektroden ein bipolar geladenes Aerosol erzeugt wird. Überraschenderweise ist jedoch bei diesen größeren Partikeln die Anzahl der Ele¬ mentarladungen pro Partikel nicht signifikant größer als bei wesentlich kleineren Partikeln, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung behandelt wor¬ den sind. Aufgrund theoretischer Überlegungen wurde eigentlich erwartet, daß die Zahl der Elementarladungen ungefähr propor¬ tional zur Partikelgröße sein müßte.
Somit ist es erfindungsgemäß möglich, sehr stark unipolar auf¬ geladene größere Partikel (ca. 500 bis 1000 Elementarladungen pro Partikel) in ein symmetrisch bipolar geladenes Aerosol um¬ zuwandeln, wobei jedes Partikel nur noch etwa 20 oder weniger Elementarladungen aufweist. Ein solcher Wert gilt bei den ange¬ sprochenen, größeren Partikeln (bevorzugt größer als 2 μm und insbesondere größer als 5 μm) schon als nahezu neutral. Zwar sind elektrische Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Par¬ tikeln noch vorhanden, jedoch wirken sich diese aufgrund der geringen Mobilität der größeren Partikel nicht auf die Parti- keldynamik aus. Das bedeutet, daß mit Hilfe des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung Pro¬ bleme vermieden werden können, die in Prozessapparaturen durch die Anwesenheit hoch aufgeladener und insbesondere hoch uni¬ polar aufgeladener Partikel auftreten können. Als Beispiele für die erwähnten Probleme seien die unerwünschte elektrische Zer¬ streuung, die Ablagerung von Partikeln an Wänden aller Art so¬ wie die Aufladung der gesamten Prozessapparatur und eine daraus resultierende Funkenentladung an der Apparatur genannt. Bei kleineren und kleinsten Partikeln haben Messungen ergeben, daß die Zahl der elektrischen Elementarladungen pro Partikel nach der Aufladung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls im Bereich von 10 bis 20 liegt. Eine stärkere Aufladung ist aufgrund physika¬ lischer Grenzen im Submikrometerbereich jedoch nicht realisier¬ bar. Im übrigen reicht bei kleinen und kleinsten Partikeln die genannte geringe Anzahl an Elementarladungen zur Erhöhung der Agglomerationsrate vollkommen aus, da kleinere Partikel, insbe¬ sondere Partikel mit einer Größe im Nanometer-Bereich, eine sehr hohe Mobilität besitzen, weshalb auch kleinste attraktive Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Partikeln die Partikel- dynamik deutlich beeinflussen.
Ein entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Fokussier- wirkung der nadeiförmigen Elektroden zu sehen, deren gegenüber¬ liegende Anordnung es ermöglicht, entgegengesetzt geladene Par¬ tikel in unmittelbarer Nähe und in einem räumlich eng begrenz¬ ten Bereich zu generieren, wodurch die Agglomerationsgeschwin¬ digkeit gegenüber herkömmlichen Verfahren bzw. Vorrichtungen wesentlich erhöht ist und eine Abscheidung von Partikeln, ins¬ besondere im Bereich der Koronaelektroden, stark reduziert ist.
Bevorzugt wird das durch den Strömungskanal fließende Aerosol in Strömungsrichtung gesehen wiederholt bipolar aufgeladen, um die bei einer Agglomeration entgegengesetzt geladener Partikel auftretende Ladungsrekombination auszugleichen und eine hohe Kollisionsrate zu gewährleisten. Durch die wiederholte bipolare Aufladung des Aerosols kann auch die Agglomeratgröße gezielt beeinflußt werden. Versuche haben ergeben, daß die stufenweise Zuschaltung weiterer Elektrodenpaare zu einer zusätzlichen Ver¬ schiebung der sich ergebenden Partikelgrößenverteilung in Be¬ reiche größerer Partikelgrößen führt. Eine Sättigung der Agglo¬ merationswirkung aufgrund mehrfacher bipolarer Aufladung des Aerosols konnte nicht festgestellt werden. Es hat sich ferner herausgestellt, daß es besonders vorteilhaft ist, den Bereich, in dem das elektrische Feld in den Strömungs- kanal eingekoppelt wird, so klein wie möglich zu halten. Dies wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung dadurch erreicht, daß der Schaft jeder Elek¬ trode von einer elektrischen Isolierung umgeben ist, so daß der Bereich der Ladungsgenerierung auf die Spitzen der nadeiförmi¬ gen Elektroden beschränkt ist.
Die Wandung des Strömungskanals besteht bevorzugt entweder aus elektrisch isolierendem Kunststoff oder aus einem Metall, das innen mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen ist. Die fokussierende Wirkung der nadeiförmigen Elektroden bezüglich des elektrischen Feldes wird auf diese Weise noch erhöht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnun¬ gen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in perspekti¬ vischer, teilweise aufgebrochener Darstellung, und
Fig. 2 eine in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 zum Einsatz kommende, nadeiförmige Elektrode in auseinanderge¬ zogener Darstellung.
Eine Vorrichtung 10 zur elektrisch induzierten Agglomeration gasgetragener Partikel besteht im wesentlichen aus einem ge¬ schlossenen Strömungskanal 12, durch den in Pfeilrichtung ein Aerosol strömt, das gasgetragene Partikel 14 enthält, die fest oder flüssig sein können. Die Wandungen des Strömungskanals 12, d. h. die Deckfläche 16, die Bodenfläche 18 und die beiden Sei¬ tenflächen, bestehen aus Metall, das innen mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen ist. Ebensogut können die Wandungen aber auch aus einem elektrisch isolierenden Kunst¬ stoff bestehen. Der besseren Erkennbarkeit wegen ist die dem Betrachter zugewandte Seitenfläche des Strömungskanals 12 le¬ diglich in der Figur durchsichtig dargestellt. In der Deckfläche 16 und der Bodenfläche 18 des Strömungskanals 12 sind gegenüber diesem elektrisch isoliert stift- bzw. nadei¬ förmige Elektroden 20, 22 befestigt, die die Flächen 16 und 18 durchdringen und sich von ihnen aus rechtwinklig je gleich weit in den Strömungskanal 12 hineinerstrecken. Die Elektroden 20 und 22, deren Aufbau genauer aus Fig. 2 hervorgeht, sind über eine in Fig. 1 nur angedeutete elektrische Leitung 24 mit einer nicht gezeigten Hochspannungsgleichstromquelle verbunden und erdfrei geschaltet, d. h. die in Fig. 1 oberen Elektroden 20 sind mit dem Pluspol der Gleichspannungsstro quelle verbunden, während die jeweils gegenüberliegenden, unteren Elektroden 22 mit dem Minuspol der Gleichspannungsstromquelle verbunden sind. Der Begriff "erdfrei" soll demnach hier bedeuten, daß keine der Elektroden 20 und 22 auf Masse gelegt ist, sondern tatsächlich mit einem Plus- bzw. Minuspotential verbunden ist. Statt der Gleichspannungsstromquelle kann auch eine Hochspannungswechsel- stromquelle verwendet werden.
Je eine Elektrode 20 und eine Elektrode 22 bilden zusammen ein Elektrodenpaar 20, 22, dessen Spitzen 26 sich in einem Abstand, der im Bereich von zumindest etwa 10 mm bis etwa 40 mm liegen kann, direkt gegenüberliegen. Bei einem sehr großen Strömungs- kanal kann der Abstand der Spitzen 26 auch deutlich mehr als 40 mm betragen.
Fünf solcher Elektrodenpaare 20, 22 sind in der Deckfläche 16 bzw. der Bodenfläche 18 mit einem Abstand von je 10 cm in Strö¬ mungsrichtung mittig angeordnet. Der Abstand, in dem aufeinan¬ derfolgende Elektrodenpaare in Strömungsrichtung angeordnet sind, ergibt sich aus der Verweilzeit, die Partikel 14 zwischen aufeinanderfolgenden Elektrodenpaaren 20, 22 haben sollen, hängt also von der Geometrie des verwendeten Strömungskanals und der Strömungsgeschwindigkeit des Aerosols ab. Es hat sich herausgestellt, daß die Verweilzeit zwischen in Strömungsrich¬ tung aufeinanderfolgenden Elektrodenpaaren 20, 22 vorteilhaft im Bereich einer Sekunde liegt. Durch Anlegen der Gleichspannungsstromquelle in der beschrie¬ benen Weise wird an den sich gegenüberliegenden Spitzen 26 der Elektroden 20 und 22 ein elektrisches Potential bereitgestellt, das zur Erzeugung einer stabilen Koronaentladung an jeder Spit¬ ze 26 ausreicht. Hierzu sind Feldstärken von etwa 2.000 V/cm erforderlich. Beträgt der Abstand zwischen den Spitzen 26 eines Elektrodenpaares 20, 22 beispielsweise 20 mm, so muß dennoch eine Spannung von etwa 4.000 V an die Elektroden 20 und 22 angelegt werden.
Die aufgrund den zwischen den Spitzen 26 stabil brennenden Ko¬ ronen erzeugten, lokal sehr hohen elektrischen Feldstärken füh¬ ren zur Ionisation des Trägergases. Die so erzeugten Gasionen und die freien Elektronen bewirken anschließend durch eine Kol¬ lision mit den gasgetragenen Partikeln deren Aufladung. Dabei ist das Potentialverhältnis zwischen den Elektroden 20 und 22 so eingestellt, daß eine weitgehend symmetrische, bipolare Auf¬ ladung des durch den Strömungskanal 12 geleiteten Aerosols er¬ folgt. Die Agglomeration der aufgeladenen Partikeln findet zum Teil schon im Bereich der Aufladezone, d. h. zwischen den Elek¬ troden 20 und 22, im wesentlich jedoch unmittelbar stromabwärts statt. Außerhalb der Aufladezonen ist wegen des durch die Spit¬ zen 26 stark fokussierten elektrischen Feldes und wegen der gegenüber dem Strömungskanal 12 elektrisch isolierten Elektro¬ den 20 und 22 kein äußeres elektrisches Feld vorhanden.
Die fünf Elektrodenpaare 20, 22 sorgen dafür, daß die während der Verweilzeit des Aerosols im Strömungskanal 12 stattfindende Agglomeration entgegengesetzt geladener Partikel und die dabei auftretende Ladungsrekombination, die zu einer Reduktion des attraktiven Wechselwirkungspotentials innerhalb des Partikelkol¬ lektivs führt, ausgeglichen und überkompensiert und damit eine hohe Kollisionsrate über die gesamte Länge des Strömungskanals 12 aufrechterhalten wird. Bei gezielter Überkompensation kann durch die wiederholte bipolare Aufladung des Aerosols die ent¬ stehende Agglomeratgröße im Sinne einer Vergrößerung derselben beeinflußt werden. Fig. 2 zeigt den Aufbau einer nadeiförmigen Elektrode 20 und deren Befestigung in der Deckfläche 16 genauer. Die Elektroden 22 sind gleich aufgebaut und in gleicher Weise in der Bodenflä¬ che 18 des Strömungskanals 12 befestigt.
Das Herzstück der Elektrode 20 ist eine dünne lange Edelstahl¬ nadel 28, an deren bezüglich des Strömungskanals 12 innerem Ende die Spitze 26 ausgebildet ist. Auf dem größeren Teil der Edelstahlnadel 28 ist ein Außengewinde 30 vorhanden. Der Teil des Nadelschaftes 31, der im betriebsfertigen Zustand in den Strömungskanal 12 hineinragt, ist von einer elektrischen Iso¬ lation 32 umschlossen, die nur die Spitze 26 freiläßt und somit vom schaftseitigen Ende der Spitze 26 bis zum Beginn des Außen¬ gewindes 30 reicht.
Mit ihrem Außengewinde 30 wird die Edelstahlnadel 28 in eine Messinghülse 34 geschraubt, die hierfür eine Durchgangsbohrung 36 mit einem passenden Innengewinde 38 aufweist. An ihrem dem Strömungskanal 12 zugewandten Ende hat die Messinghülse 34 ein Außengewinde 40, mit dem sie in die Deckfläche 16 einschraubbar ist, in der hierzu ein Loch mit einem entsprechenden Innengewin¬ de vorgesehen ist. Zum leichteren Einschrauben der Messinghülse 34 ist an ihrem dem Strömungskanal 12 abgewandten Ende ein Maul¬ bzw. Ringschlüsselansatz 42 ausgebildet.
Der elektrische Anschluß der Elektrode 20 erfolgt mittels einer weiteren Hülse 44, die ebenfalls eine Durchgangsbohrung mit ei¬ nem zum Außengewinde 30 der Edelstahlnadel 28 passenden Innenge¬ winde aufweist. Diese Hülse 44, die mit der hier nicht darge¬ stellten Leitung 24 verbunden ist, wird auf den Teil des Außen¬ gewindes 30 geschraubt, der nach außen aus der Messinghülse 34 herausragt. Mit 46 ist ein an der Hülse 44 angebrachtes Griff¬ stück bezeichnet, das gleichzeitig zur elektrischen Isolation dient.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Behandlung gasgetragener Partikel, insbe¬ sondere zur elektrisch induzierten Agglomeration solcher Par¬ tikel, mit den Schritten:
Leiten einer partikelbeladenen Gasströmung durch einen geschlossenen Strömungskanal, und
Einkoppeln eines elektrischen Feldes, das zur Ionisation des den Strömungskanal durchströmenden Gases geeignet ist, in den Strömungskanal mittels zumindest eines Elektrodenpaares, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden eines jeden Elektrodenpaares sich im Strö¬ mungskanal gegenüberliegen und nadeiförmig ausgebildet sind, die Elektroden erdfrei geschaltet sind, die Ionisation des Gases zwischen Elektroden entgegenge¬ setzter Polarität stattfindet, und eine Agglomeration der Partikeln im Strömungskanal im we¬ sentlichen in Bereichen ohne äußeres elektrisches Feld erfolgt,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel nahezu symmetrisch bipolar aufgeladen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel in Strömungsrichtung wiederholt bipolar aufgeladen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung der Partikel im Gleichspannungsfeld erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld in einem räumlich sehr eng begrenzten Bereich zwischen den Spitzen der nadeiförmigen Elektroden fokussiert ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufzuladenden Partikeln kleiner als 1 μm, bevorzugt kleiner als 0,5 μm und insbesondere kleiner als 0,1 μm sind.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem geschlossenen Strömungskanal (12) , zumindest einem im Strömungskanal (12) angeordneten Elek¬ trodenpaar (20, 22) , und
- einer mit dem oder den Elektrodenpaar(en) verbundenen Strom¬ quelle, deren Stärke zur Erzeugung von Koronaentladungen zwi¬ schen den Elektroden (20 und 22) jedes Elektrodenpaares (20, 22) ausreicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (20 und 22) eines jeden Elektrodenpaares (20, 22) sich gegenüberliegend im Strömungskanal (12) angeord¬ net und nadeiförmig ausgebildet sind, die Elektroden (20 und 22) gegenüber der Strömungskanalwan¬ dung isoliert und zudem erdfrei geschaltet sind, und die Koronaentladungen zwischen Elektroden (20 und 22) entgegengesetzter Polarität stattfinden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den gegenüberliegenden Elektroden (20 und 22) anliegende Potentialverhältnis zumindest nahezu symmetrisch ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungskanal (12) mehrere Elektrodenpaare (20, 22) in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle eine Hochspan- nungs-Gleichstromquelle ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Nadelschaft (31) jeder Elek¬ trode (20 und 22) von einer elektrischen Isolierung (32) um¬ geben ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenpaare (20, 22) mit einem Abstand von zumindest annähernd 10 cm in Strömungsrich¬ tung angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberliegenden Spitzen (26) eines jeden Elektrodenpaares (20, 22) einen Abstand von¬ einander im Bereich von 10 mm bis 40 mm aufweisen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (20 und 22) mittels zweier Hülsen (34, 44) in der Kanalwandung befestigt sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalwandung aus elektrisch isolierendem Kunststoff besteht.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalwandung aus Metall besteht und innen mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung verse¬ hen ist. /
17. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16 zur Neutralisation hoch unipolar aufgeladener, gasgetragener Partikel.
18. Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel größer als 1,5 μm, bevorzugt größer als 2 μm und insbesondere größer als 5 μm sind.
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