EP0740585B1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung gasgetragener partikel - Google Patents

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EP0740585B1
EP0740585B1 EP95906297A EP95906297A EP0740585B1 EP 0740585 B1 EP0740585 B1 EP 0740585B1 EP 95906297 A EP95906297 A EP 95906297A EP 95906297 A EP95906297 A EP 95906297A EP 0740585 B1 EP0740585 B1 EP 0740585B1
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EP
European Patent Office
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particles
electrodes
flow duct
gas
needle
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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
    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/38—Particle charging or ionising stations, e.g. using electric discharge, radioactive radiation or flames
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • 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
    • 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, especially for electrically induced agglomeration gas-borne particles according to the preamble of the claim 1 and an apparatus for performing the method according to the preamble of claim 7.
  • Such methods and devices have a whole range of Areas of application.
  • they are in the field of Particle separation used to test the effectiveness of known particle separation processes and devices towards smaller and expand the smallest particles.
  • the desired particle enlargement can be different Way to be achieved.
  • agglomeration techniques also known as “dry” processes known in which the desired agglomeration due to a collision of particles in a fluid Phase.
  • dry processes known in which the desired agglomeration due to a collision of particles in a fluid Phase.
  • a prerequisite for this so-called direct agglomeration is therefore that the individual particles in the fluid phase have a relative speed to one another.
  • This relative speed can be determined by means of thermal and turbulent diffusion or by one induced by force fields Particle movement are generated. Coming as force fields especially heavy fields, centrifugal fields, sound fields or electric fields in question.
  • the advantage of an electric induced agglomeration, d. H. the generation of relative speeds the particles by means of an electric field lies, for example, considerably in comparison to sound fields lower energy requirements, especially in the area small and smallest particles where electrical forces at only low power requirements still have a significant impact on the Exercise particle movements.
  • DE-A-1 407 534 describes one for the separation of particles known from gas streams serving electrostatic precipitators, the ionization electrodes and has deposition electrodes.
  • the ionization electrodes are arranged opposite, needle-shaped Electrodes formed, two opposite each other Ionization electrodes in a separating electrode serving cabbage protrude.
  • For the desired separation of the Particles occur due to a potential difference between the ionization electrodes and the deposition electrode assigned to them, i.e. with this arrangement there is also a unipolar one Charging the particles instead.
  • From US-A-4 734 105 is a method and a Device for separating solid or liquid particles known a gas flow by means of an electrical field.
  • the particle-laden gas flow through a flow channel headed, in which several flat or flat curved Electrode pairs are arranged.
  • At least the main electrodes have needle-shaped projections protruding into the flow channel with spherical or hemispherical tips on which there are corona discharges after application of an electric field and this leads to the ionization of gas molecules.
  • the spherical or hemispherical tips of the needle-shaped Electrode extensions have a diameter that is larger than the diameter of the needle shaft.
  • grid-shaped auxiliary electrodes should be reached be that the area in which the gas is ionized by that area separated in the radial direction of the flow channel is where the particles charged with the help of the gas ions collide.
  • the creation of a strong electric field are made possible by the Solution to the problem identified in US-A-4,734,105 to be achieved, namely in the direction of flow Separation of particles significantly shorten the necessary distance. It is accordingly the one in US Pat. No. 4,734,105 described device for a further developed Electrostatic precipitator.
  • the invention has for its object a method and a device for treating gas-borne particles, in particular for the electrically induced agglomeration of gas-borne Provide particles with which it is possible is an at least almost symmetrically bipolar charged aerosol to provide and at the same time the particle deposition during to minimize deployment.
  • the electrodes must be wired so that they are ungrounded are. Furthermore, it must be ensured that the electrical Field only over the needle-shaped electrodes in the flow channel is coupled and the latter is otherwise free of external electrical fields. Through these measures achieved that the electric field in a spatially limited Area is coupled so that the particle agglomeration takes place mainly in areas where there is no external electric field. In this way prevents it from being reversed in the event of incomplete recombination charged particle to a particle drift in the radial direction of the flow channel and thus for the separation of Particles in the flow channel comes.
  • the method and the device according to the invention are suitable for this are larger and highly unipolar charged, gas-borne Neutralize particles.
  • larger particles are here Particles are meant that are larger than approximately 1 to 2 ⁇ m and in particular are larger than 5 ⁇ m.
  • Charge distribution measurements in the particle size range above about 1.5 ⁇ m have shown that even with bipolar wiring of the electrodes a bipolar charged aerosol is generated.
  • Process and the device according to the invention have been treated are. Due to theoretical considerations actually expects the number of elementary charges to be roughly proportional should be to particle size.
  • a decisive advantage of the method according to the invention or a device according to the invention is in the focusing action of the needle-shaped electrodes can be seen, their opposite Arrangement enables oppositely charged particles in the immediate vicinity and in a spatially limited area Generate area, reducing the agglomeration speed compared to conventional methods or devices is significantly increased and a separation of particles, in particular in the area of the corona electrodes, is greatly reduced.
  • the aerosol flowing through the flow channel is preferred repeatedly bipolar charged in the flow direction the agglomeration of oppositely charged particles charge recombination occurring and a high Ensure collision rate. Due to the repeated bipolar Charging the aerosol can also target the agglomerate size to be influenced. Experiments have shown that the gradual Connection of additional electrode pairs for an additional shift the resulting particle size distribution in areas leads to larger particle sizes. Saturation of the agglomeration effect due to multiple bipolar charging of the Aerosols could not be determined.
  • the wall of the flow channel preferably consists of either electrically insulating plastic or a metal that provided with an electrically insulating coating on the inside is.
  • a device 10 for electrically induced agglomeration gas-borne particles essentially consist of a closed one Flow channel 12 through the in the direction of the arrow Aerosol flows containing gas-borne particles 14 that are solid or can be liquid.
  • the walls of the flow channel 12 d. H. the top surface 16, the bottom surface 18 and the two side surfaces, are made of metal, the inside with an electric insulating coating is provided. They can just as well But walls also made of an electrically insulating plastic consist. Because of the better recognizability it is that Side face of the flow channel 12 facing the observer only shown transparently in the figure.
  • the upper electrodes 20 in FIG. 1 are connected to the positive pole of the DC voltage source, while the opposite, lower electrodes 22 are connected to the negative pole of the DC voltage source.
  • the term "floating" should therefore mean here that none of the Electrodes 20 and 22 are connected to ground, but actually is connected with a plus or minus potential.
  • the DC power source can also be a high voltage AC power source be used.
  • Electrode pairs 20, 22 are in the top surface 16 or the bottom surface 18 with a distance of 10 cm in the flow direction arranged in the middle.
  • the distance at which successive Electrode pairs arranged in the flow direction are from the residence time, the particles 14 between successive pairs of electrodes 20, 22 should have depends on the geometry of the flow channel used and the flow rate of the aerosol. It has found that the dwell time between in the direction of flow successive pairs of electrodes 20, 22 advantageous is in the range of one second.
  • the five pairs of electrodes 20, 22 ensure that the during the residence time of the aerosol taking place in the flow channel 12 Agglomeration of oppositely charged particles and the same Charge recombination occurring, which leads to a reduction of the attractive interaction potential within the particle collective leads, balanced and overcompensated and thus one high collision rate over the entire length of the flow channel 12 is maintained. With targeted overcompensation due to the repeated bipolar charging of the aerosol Agglomerate size in the sense of increasing it to be influenced.
  • Fig. 2 shows the structure of a needle-shaped electrode 20 and their fastening in the top surface 16 more precisely.
  • the electrodes 22 are constructed identically and in the same way in the bottom surface 18 of the flow channel 12 attached.
  • the heart of the electrode 20 is a thin long stainless steel needle 28, at the inner with respect to the flow channel 12 End 26 is formed. On the larger part of the Stainless steel needle 28 has an external thread 30.
  • the part of the needle shaft 31, which is in the operational state in the Flow channel 12 protrudes from an electrical insulation 32 enclosed, which only leaves the tip 26 and thus from the shaft end of the tip 26 to the start of the external thread 30 is enough.
  • the stainless steel needle 28 With its external thread 30, the stainless steel needle 28 is in a Screwed brass sleeve 34, which has a through hole for this 36 with a suitable internal thread 38. At their the End facing the flow channel 12 has the brass sleeve 34 External thread 40, with which it can be screwed into the cover surface 16 is in this a hole with a corresponding internal thread is provided. For easier screwing in of the brass sleeve 34 is a mouth or at its end facing away from the flow channel 12. Ring wrench attachment 42 formed.
  • the electrical connection of the electrode 20 takes place by means of a another sleeve 44, which also has a through hole with a internal thread matching the external thread 30 of the stainless steel needle 28 having.
  • This sleeve 44 which with the not shown here Line 24 is connected to the part of the external thread 30 screwed out of the brass sleeve 34 protrudes.
  • a handle attached to the sleeve 44 called that at the same time for electrical insulation serves.

Landscapes

  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Electrostatic Separation (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung gasgetragener Partikel, insbesondere zur elektrisch induzierten Agglomeration gasgetragener Partikel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens 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 Partikelabscheideverfahren und -vorrichtungen in Richtung kleiner und kleinster Partikel zu erweitern. So kommt es beispielsweise bei der Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen, bei der Müllverbrennung, bei metallurgischen Hochtemperaturprozessen und bei katalytischen Gas-Feststoffsynthesen zu Problemen mit herkömmlichen Partikelabscheidetechniken, da die Primärpartikelgröße der bei den vorgenannten Prozessen zu behandelnden Aerosole in der Regel deutlich unterhalb von 1 µm liegt und Partikeln 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 Partikelverbänden agglomeriert werden, so verbessert sich bei unveränderter Abscheidetechnik das erzielbare, durch den Gesamtabscheidegrad repräsentierte Ergebnis deutlich.
Ein weiterer Einsatzbereich ist die Feststoffsynthese aus Gasphasenreaktionen. Bei derartigen Synthesen beträgt die Primärpartikelgröße häufig nur wenige Nanometer. Schon aus wirtschaftlichen Gründen ist hier eine äußerst effektive Partikelabscheidung 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 entstehende Agglomeratstruktur beeinflußt werden.
Grundsätzlich kann die gewünschte Partikelvergrößerung auf verschiedene Weise erreicht werden. Neben sogenannten "nassen" Verfahren, bei denen die Partikelvergrößerung durch Kondensation von Wasserdampf aus einer übersättigten Atmosphäre erfolgt, sind die auch als "trockene" Verfahren bezeichneten Agglomerationstechniken bekannt, bei denen die gewünschte Agglomeration durch eine Kollision von Partikeln in einer fluiden Phase erfolgt. Voraussetzung für diese sogenannte direkte Agglomeration ist demnach, daß die einzelnen Partikeln in der fluiden Phase untereinander eine Relativgeschwindigkeit aufweisen. Diese Relativgeschwindigkeit kann mittels thermischer und turbulenter Diffusion oder durch eine von Kraftfeldern induzierte Partikelbewegung erzeugt werden. Als Kraftfelder kommen insbesondere Schwerefelder, Zentrifugalfelder, Schallfelder oder elektrische Felder in Frage. Der Vorteil einer elektrisch induzierten Agglomeration, d. h. der Erzeugung von Relativgeschwindigkeiten der Partikel mittels eines elektrischen Feldes, liegt in dem beispielsweise im Vergleich zu Schallfeldern erheblich 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-A- 37 37 343 und aus der US-A- 3 826 063 sind Elektrofilter 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 wieder zusammengeführt.
Aus der DE-A- 1 407 534 ist ein zur Abscheidung von Partikeln aus Gasströmen dienender Elektrofilter bekannt, der Ionisationselektroden und Abscheideelektroden aufweist. Die Ionisationselektroden sind als gegenüberliegend angeordnete, nadelförmige Elektroden ausgebildet, wobei je zwei sich gegenüberliegende Ionisationselektroden in einen als Abscheideelektrode dienenden Kohlkörper ragen. Zur gewünschten Abscheidung der Partikel kommt es aufgrund einer Potentialdifferenz zwischen den Ionisationselektroden und der diesen zugeordneten Abscheideelektrode, d.h. es findet auch bei dieser Anordnung eine uni-polare Aufladung der Partikel statt.
Aus der US-A- 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, nadelförmige Fortsätze mit kugelförmigen oder halbkugelförmigen Spitzen auf, an denen es nach Anlegen eines elektrischen Feldes zu Koronaentladungen und damit zur Ionisation von Gasmolekülen kommt. Die kugelförmigen bzw. halbkugelförmigen Spitzen der nadelförmigen Elektrodenfortsätze weisen dabei einen Durchmesser auf, der größer als der Durchmesser des Nadelschaftes ist. Mittels zweier beispielsweise gitterförmiger Hilfselektroden soll erreicht werden, daß der Bereich, in dem das Gas ionisiert wird, von demjenigen Bereich in radialer Richtung des Strömungskanals getrennt ist, in dem die mit Hilfe der Gasionen aufgeladenen Partikel zusammenstoßen. Auf diese Weise soll das Anlegen eines starken elektrischen Feldes ermöglicht werden, durch das die Lösung des in der US-A- 4 734 105 angegebenen Problems erzielt werden soll, nämlich die in Strömungsrichtung zur Abscheidung von Partikeln notwendige Strecke deutlich zu verkürzen. Es handelt sich demnach bei der in der US-A- 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 gelungen, mit Hilfe der bekannten Methoden zur Partikelaufladung ein zumindest nahezu symmetrisch bipolar geladenes Aerosol bereit-zustellen, das im Hinblick auf eine Erhöhung der Kollisionswahrscheinlichkeit besonders wünschenswert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung gasgetragener Partikel, insbesondere zur elektrisch induzierten Agglomeration gasgetragener 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 Vorrichtung gelöst, die die im Anspruch 7 genannten Merkmale aufweist.
Demnach ist erkannt worden, daß es zur erfolgreichen bipolaren Aufladung gasgetragener, fester oder flüssiger Partikeln erforderlich ist, die gesamten Elektroden nadelförmig auszubilden und so anzuordnen, daß sich die Spitzen eines jeden Elektrodenpaares im Strömungskanal gegenüberliegen. Der Ausdruck "nadelförmig" soll die verwendeten Elektroden nicht hinsichtlich ihrer Größe beschränken, sondern sie lediglich in Bezug auf ihre Stiftform und ihre spitze charakterisieren, deren Rundungsdurchmesser kleiner als der Durchmesser des Elektrodenschaftes ist.
Die Elektroden müssen dabei so beschaltet sein, daß sie erdfrei sind. Weiterhin muß sichergestellt sein, daß das elektrische Feld nur über die nadelförmigen Elektroden in den Strömungskanal 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 begrenzten Bereich eingekoppelt wird, so daß die Partikelagglomeration im wesentlichen in Bereichen stattfindet, in denen kein äußeres elektrisches Feld vorhanden ist. Auf diese Weise wird verhindert, daß es bei unvollständiger Rekombination entgegengesetzt geladener Partikel zu einer Partikeldrift in Radialrichtung 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 Verfahren 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 elektrischen Feldes zu einer erhöhten Kollisionsrate des bipolar geladenen Aerosols und damit zu einer wirksameren Agglomeration. Auch ist beim erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung die erforderliche Beschaltung der Elektroden 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 Spitzen von je zwei sich gegenüberliegend angeordneten Elektroden. Neben einer Verminderung des konstruktiven Aufwands führt diese Anordnung dazu, daß eine elektrostatische Zerstreuung gleichgeladener 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 symmetrischen Potentialverhältnisses an sich gegenüberliegende Elektroden erstmals möglich, nahezu 100 % der gasgetragenen Partikeln so aufzuladen, daß sich ein nahezu symmetrisch bipolar geladenes Aerosol ergibt. Damit können nun auch Feinstaerosole, d. h. Aerosole, die im wesentlichen Partikel im Submikrometerbereich 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 wirtschaftlich abscheidbare Partikeln einzusetzen, eröffnet sich auch die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Verfahren oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Rahmen von Feststoffsynthesen aus Gasphasenreaktionen zur gezielten Beeinflussung entstehender Agglomerate zu benutzen. Mit Hilfe der elektrisch induzierten Agglomeration können beispielsweise hinsichtlich Konzentration, Struktur und Größe quasi "in situ" spezifische Agglomeratstrukturen erzielt werden, die sich deutlich von jenen Agglomeratstrukturen unterscheiden, wie sie bei diffusionsmotivierter Agglomeration, d. h. Agglomeration aufgrund thermischer und turbulenter Diffusion, auftreten. Anwendungsbeispiele werden derzeit in der Glasfasersynthese, in der TiO2-Pigmentsynthese, in der Synthese von Matrixmaterial (Al2O3) für die Chip-Industrie sowie in der Halb- und Supraleitersynthese gesehen.
Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere zur elektrisch induzierten Agglomeration kleiner und kleinster gasgetragener Partikel geeignet sind, d.h., daß selbst Partikel agglomeriert werden können, deren Größe im Nanometer-Bereich liegt.
Allerdings hat sich auch herausgestellt, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu geeignet 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 insbesondere größer als 5 µm sind. Messungen der Ladungsverteilung im Partikelgrößenbereich oberhalb von etwa 1,5 µm haben gezeigt, daß auch hier bei bipolarer Beschaltung der Elektroden ein bipolar geladenes Aerosol erzeugt wird. Überraschenderweise ist jedoch bei diesen größeren Partikeln die Anzahl der Elementarladungen pro Partikel nicht signifikant größer als bei wesentlich kleineren Partikeln, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung behandelt worden sind. Aufgrund theoretischer Überlegungen wurde eigentlich erwartet, daß die Zahl der Elementarladungen ungefähr proportional 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 umzuwandeln, wobei jedes Partikel nur noch etwa 20 oder weniger Elementarladungen aufweist. Ein solcher Wert gilt bei den angesprochenen, größeren Partikeln (bevorzugt größer als 2 µm und insbesondere größer als 5 µm) schon als nahezu neutral. Zwar sind elektrische Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Partikeln noch vorhanden, jedoch wirken sich diese aufgrund der geringen Mobilität der größeren Partikel nicht auf die Partikeldynamik aus. Das bedeutet, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung Probleme vermieden werden können, die in Prozessapparaturen durch die Anwesenheit hoch aufgeladener und insbesondere hoch unipolar aufgeladener Partikel auftreten können. Als Beispiele für die erwähnten Probleme seien die unerwünschte elektrische Zerstreuung, die Ablagerung von Partikeln an Wänden aller Art sowie 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 physikalischer Grenzen im Submikrometerbereich jedoch nicht realisierbar. Im übrigen reicht bei kleinen und kleinsten Partikeln die genannte geringe Anzahl an Elementarladungen zur Erhöhung der Agglomerationsrate vollkommen aus, da kleinere Partikel, insbesondere Partikel mit einer Größe im Nanometer-Bereich, eine sehr hohe Mobilität besitzen, weshalb auch kleinste attraktive Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Partikeln die Partikeldynamik deutlich beeinflussen.
Ein entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Fokussierwirkung der nadelförmigen Elektroden zu sehen, deren gegenüberliegende Anordnung es ermöglicht, entgegengesetzt geladene Partikel in unmittelbarer Nähe und in einem räumlich eng begrenzten Bereich zu generieren, wodurch die Agglomerationsgeschwindigkeit gegenüber herkömmlichen Verfahren bzw. Vorrichtungen wesentlich erhöht ist und eine Abscheidung von Partikeln, insbesondere 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 Verschiebung der sich ergebenden Partikelgrößenverteilung in Bereiche größerer Partikelgrößen führt. Eine Sättigung der Agglomerationswirkung 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 Strömungskanal eingekoppelt wird, so klein wie möglich zu halten. Dies wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch erreicht, daß der Schaft jeder Elektrode von einer elektrischen Isolierung umgeben ist, so daß der Bereich der Ladungsgenerierung auf die Spitzen der nadelförmigen 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 nadelförmigen Elektroden bezüglich des elektrischen Feldes wird auf diese Weise noch erhöht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1
eine erfindungsgemäße Vorrichtung in perspektivischer, teilweise aufgebrochener Darstellung, und
Fig. 2
eine in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 zum Einsatz kommende, nadelförmige Elektrode in auseinandergezogener Darstellung.
Eine Vorrichtung 10 zur elektrisch induzierten Agglomeration gasgetragener Partikel besteht im wesentlichen aus einem geschlossenen 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 Seitenflächen, bestehen aus Metall, das innen mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen ist. Ebensogut können die Wandungen aber auch aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff bestehen. Der besseren Erkennbarkeit wegen ist die dem Betrachter zugewandte Seitenfläche des Strömungskanals 12 lediglich in der Figur durchsichtig dargestellt.
In der Deckfläche 16 und der Bodenfläche 18 des Strömungskanals 12 sind gegenüber diesem elektrisch isoliert stift- bzw. nadelförmige 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 Gleichspannungsstromquelle 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 Hochspannungswechselstromquelle 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 Strömungskanal 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 Strömungsrichtung mittig angeordnet. Der Abstand, in dem aufeinanderfolgende 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 Strömungsrichtung aufeinanderfolgenden Elektrodenpaaren 20, 22 vorteilhaft im Bereich einer Sekunde liegt.
Durch Anlegen der Gleichspannungsstromquelle in der beschriebenen 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 Spitze 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 Koronen erzeugten, lokal sehr hohen elektrischen Feldstärken führen zur Ionisation des Trägergases. Die so erzeugten Gasionen und die freien Elektronen bewirken anschließend durch eine Kollision mit den gasgetragenen Partikeln deren Aufladung. Dabei ist das Potentialverhältnis zwischen den Elektroden 20 und 22 so eingestellt, daß eine weitgehend symmetrische, bipolare Aufladung des durch den Strömungskanal 12 geleiteten Aerosols erfolgt. Die Agglomeration der aufgeladenen Partikeln findet zum Teil schon im Bereich der Aufladezone, d. h. zwischen den Elektroden 20 und 22, im wesentlich jedoch unmittelbar stromabwärts statt. Außerhalb der Aufladezonen ist wegen des durch die Spitzen 26 stark fokussierten elektrischen Feldes und wegen der gegenüber dem Strömungskanal 12 elektrisch isolierten Elektroden 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 Partikelkollektivs 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 entstehende Agglomeratgröße im Sinne einer Vergrößerung derselben beeinflußt werden.
Fig. 2 zeigt den Aufbau einer nadelförmigen Elektrode 20 und deren Befestigung in der Deckfläche 16 genauer. Die Elektroden 22 sind gleich aufgebaut und in gleicher Weise in der Bodenfläche 18 des Strömungskanals 12 befestigt.
Das Herzstück der Elektrode 20 ist eine dünne lange Edelstahlnadel 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 Isolation 32 umschlossen, die nur die Spitze 26 freiläßt und somit vom schaftseitigen Ende der Spitze 26 bis zum Beginn des Außengewindes 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 Innengewinde vorgesehen ist. Zum leichteren Einschrauben der Messinghülse 34 ist an ihrem dem Strömungskanal 12 abgewandten Ende ein Maulbzw. Ringschlüsselansatz 42 ausgebildet.
Der elektrische Anschluß der Elektrode 20 erfolgt mittels einer weiteren Hülse 44, die ebenfalls eine Durchgangsbohrung mit einem zum Außengewinde 30 der Edelstahlnadel 28 passenden Innengewinde aufweist. Diese Hülse 44, die mit der hier nicht dargestellten Leitung 24 verbunden ist, wird auf den Teil des Außengewindes 30 geschraubt, der nach außen aus der Messinghülse 34 herausragt. Mit 46 ist ein an der Hülse 44 angebrachtes Griffstück bezeichnet, das gleichzeitig zur elektrischen Isolation dient.

Claims (18)

  1. Verfahren zur Behandlung gasgetragener Partikel, insbesondere zur elektrisch induzierten Agglomeration solcher Partikel, 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,
    gekennzeichnet durch
    Ionisieren des Gases zwischen erdfrei geschalteten, sich im Strömungskanal radial gegenüberliegenden, nadelförmigen Elektroden entgegengesetzter Polarität, wodurch eine Agglomeration der Partikeln im Strömungskanal im wesentlichen 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 nadelförmigen 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) und mehreren darin angeordneten Elektroden (20, 22), die alle nadelförmig und gegenüber der Strömungskanalwandung isoliert sind und die sich paarweise im Strömungskanal (12) radial gegenüberliegen, und mit einer Stromquelle, die mit den Elektroden (20, 22) verbunden ist und deren Stärke dazu ausreicht, zwischen den erdfrei geschalteten Elektroden (20, 22) entgegengesetzter Polarität jedes Elektrodenpaares (20 und 22) Koronaentladungen zu erzeugen.
  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 Hochspannungs-Gleichstromquelle ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Nadelschaft (31) jeder Elektrode (20 und 22) von einer elektrischen Isolierung (32) umgeben 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 Strömungsrichtung 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 voneinander 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 versehen 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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