EP1679123A1 - Verfahren und Vorrichtung zur elektrostatischen Aufladung und Abscheidung schwierig abzuscheidender Partikel - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur elektrostatischen Aufladung und Abscheidung schwierig abzuscheidender Partikel Download PDF

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EP1679123A1 EP05000380A EP05000380A EP1679123A1 EP 1679123 A1 EP1679123 A1 EP 1679123A1 EP 05000380 A EP05000380 A EP 05000380A EP 05000380 A EP05000380 A EP 05000380A EP 1679123 A1 EP1679123 A1 EP 1679123A1
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    • B03C3/45—Collecting-electrodes
    • B03C3/51—Catch- space electrodes, e.g. slotted-box form

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for electrostatic charging and deposition of difficult to be separated particles of a gas fluid according to the preambles of independent claims 1 and 5. It is in other words an electrostatic precipitator and an electrostatic precipitator.
  • the reason that some particles are difficult to separate may be due to the electrical properties of the particles, which due to their chemical-physical nature at the collecting electrodes result in an insulating layer.
  • the physically effective charging mechanisms namely the so-called shock or field charging and the diffusion charging, a more or less pronounced minimum of the particle fraction separation efficiency occurs.
  • the Applicant has already developed electrostatic precipitators for dedusting industrial waste gases which operate with a negative spray system.
  • it has proposed a method in which particles which are difficult to deposit are removed from a gas fluid with the aid of electrostatic charging and deposition by means of only one high voltage source for a high voltage zone, wherein the particles within the high voltage zone successively and not simultaneously, in contrast to the so-called Cottrell electrostatic precipitators be ionized and separated.
  • a larger geometric gap is set than in the deposition region, as a result of which the field strength of the ionization region is smaller than the field strength of the deposition region.
  • Air filters and industrial filters are not comparable because air filters must meet completely different requirements than the large industrial electrostatic precipitators involved, and therefore they can not be used to clean industrial gases.
  • Air filters are also known, each working with a positive spray system and two high voltages. These air filters have a rectifier with two outputs for ionization and separation.
  • the field strengths in the known air filters are the same in the ionization and deposition area, but provided with different voltage potentials. Both areas must be carried out electrically isolated from each other.
  • positive discharge electrodes are provided, which cause a moderate ionization.
  • the invention has the object to avoid the disadvantages of the above-described electrostatic precipitator and electrostatic precipitator method and to reduce the energy consumption in the filtering of industrial emissions.
  • the separator according to the invention and the deposition method according to the invention thus work with a negative spray system in which a just sufficient charge of the particles is carried out with the aid of only one high-voltage source in each high-voltage zone. Accordingly, the transport of the charged particles and their deposition takes place with the least additional energy expenditure on the oppositely poled precipitation electrodes, the individual passages known from the conventional filters having a negative spray system being left unchanged.
  • the efficient and as complete as possible charging of the particles is carried out at an applied high voltage in the ionization region, which in turn generates a field strength in the subsequent deposition area with the lowest current flow, which is sufficient for transport and deposition of the particles.
  • multiple ionization and deposition sections within an electrostatic filter field may be sequentially arranged if the single particle charge is insufficient.
  • Fig. 1 shows the particle separation behavior in an electrostatic precipitator.
  • FIG. 2 shows how far the individual characteristics of the negative electrode geometries in question must differ so that the objective according to the invention can occur.
  • the characteristics in the left-hand part of the diagram correspond to the strongly current-collecting electrode forms (A, B and C type) for the ionization region, while the characteristics shown in the right-hand part of the diagram correspond to the current-poor electrode shapes (D, E and F type) for the deposition region correspond.
  • Fig. 3 shows the overview of a single Abscheidegasse with the working sections ionizing and deposition. Neighboring analogue streets are not shown.
  • a high voltage power source 1 a high voltage system 2 is connected, which is provided with power-intensive discharge electrodes 6 and voltage-intensive or low-current negative electrodes 7.
  • the spray electrodes 6 are located in an ionization region 4, which is formed by the grounded collecting electrodes 3.
  • the negative electrodes 7 are located in a deposition region 5, which is likewise formed by the precipitation electrodes 3. 11 marks the entire high-voltage zone.
  • ionization region 4 also referred to as ionization region, there is sufficient charge of the particles achieved, which are then optimally deposited in the following separation area 5 with greatly reduced turbulence or almost missing electrical wind.
  • a further ionization region 4a can be connected downstream of the ionization region 4 and the deposition region 5 with a deposition region 5a according to FIG.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a horizontally arranged electrostatic precipitator, a so-called horizontal field.
  • a plurality of rows of collecting electrodes 3 are provided within a filter housing 8 with the ground 12, which form several Abscheidegassen 13, which in turn have a lonisations Suite4 with the power-intensive discharge electrodes 6 and a deposition area with low-current negative electrodes 7.
  • the embodiment shown here has two Abscheidegassen 13, but more Abscheidegassen 13 can follow, as indicated by the dashed lines 14.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of the electrostatic precipitator according to the invention, wherein two ionization regions 4 or 4a and two deposition regions 5 and 5a are arranged within the three separation trays 13 shown. Moreover, the negative electrodes 7 having an elliptic shape shown in Fig. 6 have another candidate geometry.
  • FIG. 7 shows a third exemplary embodiment with an ionization region 4 in which the precipitation electrodes 9 which are earthed with 12 are designed as hollow bodies (cooling chamber 10) through which a coolant 9 flows.
  • a back ionization also referred to as back-spraying, due to an extreme electrical resistance of deposited particles in the ionization region 4 is avoided.

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  • Electrostatic Separation (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrofilterverfahren und einen Elektrofilter zum Abscheiden von Partikeln aus Industrieabgasen bei dem innerhalb einer Hochspannungszone in deren unveränderten Einzelgassen mit nur einer Hochspannungsversorgungsquelle eine optimale elektrische Aufladung bzw. Ionisierung im lonisierungsbereich durchgeführt wird, die die nachfolgende Partikelabscheidung im Abscheidebereich bei ausreichender Feldstärke sicherstellt und daher nur einen äußerst geringen Energieaufwand erfordert.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrostatischen Aufladung und Abscheidung schwierig abzuscheidender Partikel aus einem Gasfluid nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 5. Es handelt sich mit anderen Worten um ein Elektrofilterverfahren und einen Elektrofilter.
  • Bei den nach dem sogenannten Cottrell-Prinzip arbeitenden Elektrofilter zum Entstauben von Industrieabgasen, die auch als Elektroabscheidevorrichtungen bezeichnet werden können, erfolgt bekanntlich Aufladung und Transport der abzuscheidenden Partikel sowie deren Anlagerung an gegebenenfalls speziell geformte Niederschlagselektroden gleichzeitig in einem elektrischen Feld, wobei die Partikel nach ausreichender Ansammlung bzw. Agglomeration entweder durch mechanische Erschütterung (trockene Abreinigung) oder durch Spülung (nasse Abreinigung) von der Niederschlagselektrode entfernt werden. Nötigenfalls werden mehrere der vorbeschriebenen elektrischen Felder in Serie oder auch parallel geschaltet, um die gewünschte Gesamt-Abscheideleistung zu erzielen.
  • Die Ursache dafür, dass einige Partikel schwierig abzuscheiden sind, kann auf die elektrischen Eigenschaften der Partikel zurückzuführen sein, die aufgrund ihrer chemisch-physikalischen Beschaffenheit an den Niederschlagselektroden zu einer isolierenden Schicht führen. Hinzu kommt, dass aufgrund der elektrischen Strömungsturbulenz bzw. des sogenannten elektrischen Windes bei hoher Stromdichte als Folge der Gasionisierung im Bereich zwischen den Auflade- und Abscheideelektroden insbesondere der Anteil der Partikel im Kornbereich <10 µm zunehmend schwieriger an die Niederschlagselektroden anzulagern ist. Dabei ist bekannt, dass als Folge der physikalisch wirksamen Auflademechanismen, nämlich der sogenannten Stoss- oder Feldaufladung und der Diffusionsaufladung, ein mehr oder minder ausgeprägtes Minimum der Partikel-Fraktionsabscheideleistung auftritt. Um den Problemen elektrischer Strömungsturbulenz infolge des elektrischen Windes zu begegnen, wurden auch sogenannte 2-Stufen-Elektrofilter entwickelt, bei denen Aufladung und Abscheidung der Partikel in nacheinander geschalteten getrennten elektrischen Feldern erfolgen. Die räumlich notwendige Trennung der Stufen und deren unterschiedliche elektrische Hochspannungsversorgung ist dabei problematisch.
  • Um diese Probleme zu lösen hat die Anmelderin bereits elektrostatisch arbeitende Abscheider zum Entstauben von Industrieabgasen entwickelt, die mit einem negativen Sprühsystem arbeiten. Insbesondere hat sie ein Verfahren vorgestellt, bei dem mit Hilfe der elektrostatischen Aufladung und Abscheidung mittels nur einer Hochspannungsquelle für eine Hochspannungszone schwierig abzuscheidende Partikel aus einem Gasfluid entfernt werden, wobei im Gegensatz zu den sogenannten Cottrell-Elektrofiltern die Partikel innerhalb der Hochspannungszone nacheinander und nicht gleichzeitig ionisiert und abgeschieden werden. Zudem ist bei diesem Verfahren bzw. in den Vorrichtungen zur Verfahrensausführung im lonisierungsbereich ein größerer geometrischer Gassenabstand eingestellt als im Abscheidebereich, wodurch die Feldstärke des lonisierbereiches kleiner ist, als die Feldstärke des Abscheidebereiches. Dadurch ist es der Anmelderin bei ihrem Filterverfahren gelungen, die Nachteile der elektrischen Turbulenz weitestgehend zu vermeiden.
  • Aus dem Stand der Technik sind ähnlich funktionierende Luftfilter auch für die Reinigung von Atemluft bekannt, die insbesondere zur Verwendung in Haushalten, Lokalen und Hörsälen bestimmt sind. Luftfilter und Industriefilter sind jedoch nicht miteinander vergleichbar, da Luftfilter gänzlich andere Vorraussetzungen erfüllen müssen, als die hier betroffenen großen Industrie-Elektrofilter, sie können daher nicht zur Reinigung von Industrie-Gasen verwendet werden.
  • Auch sind Luftfilter bekannt, die jeweils mit einem positiven Sprühsystem und zwei Hochspannungen arbeiten. Diese Luftfilter weisen einen Gleichrichter mit zwei Ausgängen für die lonisierung und Abscheidung auf. Die Feldstärken bei den bekannten Luftfiltern sind im lonisierungs- und Abscheidebereich gleich, aber mit unterschiedlichen Spannungspotentialen versehen. Beide Bereiche müssen voneinander elektrisch isoliert ausgeführt werden. Außerdem sind bei den bekannten Filtern im lonisierungsbereich positive Sprühelektroden vorgesehen, die eine moderate lonisierung bewirken.
  • Vor dem Hintergrund der immer weiter steigenden Anforderungen an die Energie-Effizienz von Industrieanlagen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der vorbeschriebenen Elektrofilter und Elektrofilter-Verfahren zu vermeiden und den Energieaufwand bei der Filterung der von Industrieabgasen zu verringern.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 und der Vorrichtung gemäß Anspruch 5. Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Der erfindungsgemäße Abscheider und das erfindungsgemäße Abscheideverfahren arbeiten also mit einem negativen Sprühsystem, bei dem mit Hilfe nur einer Hochspannungsquelle in jeder Hochspannungszone eine gerade ausreichende Aufladung der Partikel durchgeführt wird. Dementsprechend erfolgt der Transport der aufgeladenen Partikel und deren Abscheidung bei geringstem zusätzlichen Energieaufwand an die entgegengesetzt gepolten Niederschlagselektroden, wobei die von den herkömmlichen Filtern mit negativem Sprühsystem bekannten Einzelgassen unverändert gelassen werden.
  • Dies bedeutet, dass einem Bereich extremer lonisierung mit entsprechend hoher elektrischer Turbulenz bzw. elektrischem Wind quer zur Gasströmung ein weitestgehend beruhigter praktisch laminarer Bereich - im Wesentlichen ohne elektrische Turbulenz - folgt, in welchem die Abscheidung der schwierig abzuscheidenden aufgeladenen Partikel hocheffizient und ungehindert erfolgen kann.
  • Die effiziente und möglichst vollständige Aufladung der Partikel wird bei einer angelegten Hochspannung im lonisierungsbereich durchgeführt, die ihrerseits im nachfolgenden Abscheidebereich bei geringstem Stromfluss eine Feldstärke erzeugt, die für Transport und Abscheidung der Partikel ausreichend ist.
  • Dies wird im Prinzip für verschiedene Elektrofilter-Ausführungsformen dadurch realisiert, dass in den Einzelgassen der Hochspannungszone bei unverändertem Gassenabstand extrem unterschiedliche physikalische Sprühabstände im lonisierungsbereich und im Abscheidebereich durch stark stromintensive bzw. stark stromunterdrückende Elektrodenformen an einer gemeinsamen Hochspannungsquelle zum Einsatz kommen, wobei weitest möglich auch das Prinzip des größeren geometrischen Sprühabstandes im Ionisierungsbereich und des geringeren geometrischen Sprühabstandes im Abscheidebereich eingestellt wird.
  • Gegebenenfalls können mehrere Abschnitte für lonisierung und Abscheidung innerhalb eines Elektrofilterfeldes nacheinander angeordnet werden, wenn die einmalige Partikel-Aufladung nicht ausreichen sollte.
  • Zur Erläuterung werden nachfolgend mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Figuren und Diagrammen näher beschrieben. Darin zeigen schematisch:
    • Fig. 1
    das allgemeine Partikel-Abscheideverhalten in einem Elektrofilter;
    Fig. 2
    Beispiele des typischen elektrischen Kennlinienverhaltens der Negativ-Elektrodenformen für den lonisationsbereich und den Abscheidebereich des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    Fig. 3
    eine Übersichtsanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels einer einzelnen Abscheidegasse der erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung;
    Fig. 4
    eine Übersichtsanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer einzelnen Abscheidegasse der erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung;
    Fig. 5
    ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrofilters mit zwei Abscheidegassen und einem lonisierungsbereich;
    Fig. 6
    ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrofilters mit drei Abscheidegassen und zwei lonisierungsbereichen; und
    Fig. 7
    ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrofilters mit zwei Abscheidegassen mit gekühlten Niederschlagselektroden im Ionisierungsbereich.
  • Fig. 1 zeigt das Partikel-Abscheideverhalten in einem Elektrofilter. Als Folge der physikalisch wirksamen Auflademechanismen, nämlich der sogenannten Stoss- oder Feldaufladung und der Diffusionsaufladung, tritt ein mehr oder minder ausgeprägtes Minimum der Partikel-Fraktionsabscheideleistung auf. Dies ist in jeder der dargestellten Kurven deutlich zu erkennen.
  • Fig. 2 zeigt auf, wie weit sich die Einzelcharakteristiken der in Frage kommenden Negativ-Elektrodengeometrien unterscheiden müssen, damit die erfindungsgemäße Zielsetzung eintreten kann. Dabei entsprechen die Charakteristiken im linksseitigen Diagrammteil den stark stromziehenden Elektrodenformen (A-, B- und C-Typ) für den Ionisationsbereich, während die im rechtsseitigen Diagrammteil dargestellten Charakteristiken den stromarmen Elektrodenformen (D-, E- und F-Typ) für den Abscheidebereich entsprechen.
  • Fig. 3 zeigt die Übersicht einer einzelnen Abscheidegasse mit den Arbeitsabschnitten Ionisieren und Abscheiden. Benachbarte analoge Gassen sind nicht dargestellt. An einer Hochspannungsstromquelle 1 ist ein Hochspannungssystem 2 angeschlossen, das mit stromintensiven Sprühelektroden 6 und spannungsintensiven bzw. stromarmen Negativ-Elektroden 7 versehen ist. Die Sprühelektroden 6 befinden sich in einem lonisierungsbereich 4, der von den mit 12 geerdeten Niederschlagselektroden 3 gebildet ist. Die Negativ-Elektroden 7 befinden sich in einem Abscheidebereich 5, der ebenfalls von den Niederschlagselektroden 3 gebildet ist. Mit 11 ist die gesamte Hochspannungszone gekennzeichnet. Im, auch Ionisationsbereich genannten, lonisierungsbereich 4 wird eine ausreichende Aufladung der Partikel erreicht, die dann im folgenden Abscheidebereich 5 mit stark reduzierten Turbulenzen bzw. nahezu fehlendem elektrischen Wind optimal abgeschieden werden.
  • Wenn die einmalige Partikelaufladung in einer Hochspannungszone für eine optimale Abscheidung nicht ausreicht, kann gemäss Fig. 4 dem lonisationsbereich 4 und dem Abscheidebereich 5 ein weiterer Ionisationsbereich 4a mit einem Abscheidebereich 5a nachgeschaltet werden.
  • Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines horizontal angeordneten Elektrofilters, eines sogenannten Horizontalfeldes. Hier sind innerhalb eines Filtergehäuses 8 mit der Erdung 12 mehrere Reihen Niederschlagselektroden 3 vorgesehen, die mehrere Abscheidegassen 13 bilden, die ihrerseits einen lonisationsbereich4 mit den stromintensiven Sprühelektroden 6 und einen Abscheidebereich mit stromarmen Negativ-Elektroden 7 haben. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel weist zwei Abscheidegassen 13 auf, wobei sich aber weitere Abscheidegassen 13 anschließen können, wie dies mit den gestrichelten Linien 14 angedeutet ist.
  • Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektrofilters, wobei innerhalb der drei dargestellten Abscheidegassen 13 zwei lonisierungsbereiche 4 bzw. 4a und zwei Abscheidebereiche 5 bzw. 5a angeordnet sind. Überdies weisen die in Fig. 6 gezeigten Negativ-Elektroden 7 mit einer elliptischen Form eine andere in Frage kommende Geometrie auf.
  • Fig. 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem lonisationsbereich 4, bei dem die mit 12 geerdeten Niederschlagselektroden 9 als Hohlkörper (Kühlkammer 10) ausgeführt sind, die von einem Kühlmittel 9 durchströmt werden. Mit dieser Kühlung wird eine, auch als Rücksprühen bezeichnete, Rückionisierung aufgrund eines extremen elektrischen Widerstandes abgeschiedener Partikel im lonisierungsbereich 4 vermieden.
  • Mit den Prinzipdarstellungen ist das Wesen der Erfindung deutlich aufgezeigt, nämlich innerhalb einer Hochspannungszone 11 in deren unveränderten Einzelgassen 13 mit nur einer Hochspannungsversorgungsquelle 1 eine optimale elektrische Aufladung bzw. lonisierung im lonisierungsbereich 4, 4a durchzuführen und die nachfolgende Partikelabscheidung im Abscheidebereich 5, 5a bei ausreichender Feldstärke sicherzustellen.

Claims (9)

  1. Verfahren, bei dem mit Hilfe der elektrostatischen Aufladung und Abscheidung mittels nur einer Hochspannungsversorgungsquelle für eine Hochspannungszone schwierig abzuscheidende Partikel aus einem Gasfluid entfernt werden, wobei die Partikel innerhalb der Hochspannungszone bei gleichbleibender Gassenbreite nacheinander ionisiert und abgeschieden werden und durch geeignete Wahl der negativen Elektrodengeometrie für lonisierungs- und Abscheidebereich im lonisierungsbereich ein wesentlich höherer Stromfluss als im Abscheidebereich erzeugt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass für die Abscheidung von Stäuben aus Industriegasen die Partikel sowohl im lonisierungsbereich der Einzelgassen als auch in deren Abscheidebereich durch zusammenhängende, an nur einer Hochspannungsversorgungsquelle mit nur einem Ausgang angeschlossene, negative Elektroden ionisiert und abgeschieden werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Partikel innerhalb der Einzelgassen der Hochspannungszone in einer Art Reihenschaltung zwei- oder mehrmals nacheinander ionisiert und abgeschieden werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Partikel der zu reinigenden Fluide innerhalb der Einzelgassen durch die angelegte negative Hochspannung in den lonisierungsbereichen mit mindestens 10-fachem Stromfluss gegenüber den Abscheidebereichen aufgeladen werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die geerdeten Elektroden des lonisierungsbereiches gekühlt werden.
  5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in einem elektrisch arbeitenden Filter mit einer Hochspannungszone mit Einzelgassen, die einen lonisierungsbereich mit jeweils nachgeschaltetem Abscheidebereich aufweisen,
    gekennzeichnet,
    durch einen Filter zum Abscheiden von Stäuben aus Industrieabgasen, wobei der Filter ein oder mehrere Hochspannungszonen aufweist, wobei jede dieser Zonen mit einer Hochspannungsversorgungsquelle versehen ist und wobei sowohl die lonisierungsbereiche (4) als auch die Abscheidebereiche (5) jeweils mit unterschiedlichen negativen Elektroden (6, 7) versehen sind, die zusammenhängend an einer Hochspannungsversorgungsquelle (1) mit nur einem Ausgang angeschlossen sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die negativen Elektroden in den lonisierungsbereichen (4) und den Abscheidebereichen (5) durch geeignete geometrische Ausführung so ausgebildet sind, dass in den lonisierungsbereichen (4) ein mindestens 10-facher Sprühstrom gegenüber den Abscheidebereichen (5) erzeugt wird.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Geometrien der negativ gepolten Elektroden (6, 7) für den lonisierungs- (4) und den Abscheidebereich (5) unterschiedlich ausgeführt sind, wobei für den lonisierungsbereich (4) hochstromintensive Sprühelektrodenformen (6) und für den Abscheidebereich (5) weitestgehend stromarme bzw. spannungsintensive Negativ-Elektrodenformen (7) eingesetzt sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in einer Hochspannungszone in den Einzelgassen mehrere lonisierungsbereiche (4, 4a) und Abscheidebereiche (5, 5a) in Fliessrichtung der Fluide hintereinander angeordnet sind.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Niederschlagselektroden (9) des lonisierungsbereiches (4) mit Kühlkammern (10) versehen sind.
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