EP1691931B1 - Vorrichtung zur elektrostatischen partikelabscheidung in gasströmen - Google Patents

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EP1691931B1
EP1691931B1 EP04789813A EP04789813A EP1691931B1 EP 1691931 B1 EP1691931 B1 EP 1691931B1 EP 04789813 A EP04789813 A EP 04789813A EP 04789813 A EP04789813 A EP 04789813A EP 1691931 B1 EP1691931 B1 EP 1691931B1
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EP
European Patent Office
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electrode
flue gas
suspended
particle separation
small scale
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EP04789813A
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EP1691931A1 (de
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Volker Schmatloch
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Eidgenoessische Materialprufungs und Forschungsanstalt EMPA
EMPA
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Eidgenoessische Materialprufungs und Forschungsanstalt EMPA
EMPA
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    • 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
    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/66—Applications of electricity supply techniques
    • B03C3/68—Control systems therefor
    • 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
    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/40—Electrode constructions
    • B03C3/41—Ionising-electrodes
    • 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
    • B03C2201/00—Details of magnetic or electrostatic separation
    • B03C2201/10—Ionising electrode has multiple serrated ends or parts

Definitions

  • the present invention relates to a device for electrostatic particle separation in gas streams.
  • the device is particularly suitable for cleaning or filtering the flue gas of small furnaces. These small furnaces with capacities up to about 70kW are different heat generators for the space heating needs as well as for cooking. In particular, fireplace ovens, tiled stoves, wood-burning stoves, cookers and wood-fired boilers are included.
  • Aerodynamically relevant to human health are particles with an aerodynamic diameter of significantly less than 10 microns, because particles can accumulate from such a smallness in the lung. In Switzerland, therefore, an immission limit value for particles in this size range has been set since 1998, which is exceeded frequently and at several measuring points. These particles also bind dioxins, which are absorbed by humans following the deposition of particles on soil and plants via the food chain. Measurements of the size spectrum of particles emitted by small furnaces at the Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA) have now shown that the emitted particles of wood firing are in the critical range of less than 10 ⁇ m in diameter. It is therefore necessary, also in the range of simple wood combustion systems incorporate suitable flue gas devices to retain these tiny particles.
  • EMPA Materials Science and Technology
  • the EMPA is presented a device for flue gas cleaning of small furnaces, which can be installed in the existing flue of such a furnace.
  • Either this flue gas duct is electrically conductive, for example because the stovepipe is made of sheet steel, chrome steel or aluminum, or else the chimney is built entirely of stone and masonry or of plastic.
  • the device forms a lid which can be placed gas-tight on an associated opening on the flue gas channel.
  • a spray electrode is held on insulators.
  • the device includes a high-voltage generator for establishing a DC voltage between this spray electrode and the inner wall of the electrically conductive flue gas channel section.
  • a portion of an electrically conductive tube is mounted to the lid to form a collector surface.
  • the typical connection value of the electrode is between 10 and 50VA and it can be operated with 220V / 50Hz or 110V / 60Hz alternating current.
  • the charging of the spray electrode can be negative or positive to the earth.
  • the cleaning of the collector part can easily be done by hand after removal of the electrode wire with the bracket.
  • this device has a self-supporting rod electrode in the form of a metal strip, which is strong enough that he can carry himself. Instead of such a metal strip but also a wire of sufficient strength can be used.
  • the decisive feature of the spray electrode is the presence of the smallest possible radii, where high local field strengths occur. It has now been shown that the best results are achieved with a wire as thin as possible, which extends with its free end in the middle along a flue gas tube. With a thin, rod-like wire but also disadvantages are traded. It begins to vibrate as a result of the resulting charge conditions. The high electrical charge of the wire generates image charges of opposite polarity at the proximal inner surface of the exhaust pipe. The wire opposite pipe wall is therefore positively charged.
  • the free-hanging tip of the electrode wire is therefore attracted to the pipe wall and due to its mechanical elastic bending it swings back after reaching the maximum deflection and is then deflected in the opposite direction and vice versa, in many cases it swings so strong back and forth that they regularly and in a short sequence of the pipe wall comes so close that electrical flashovers occur. This causes very disturbing noises, which of course is not desirable in practice.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device for electrostatic particle separation in gas streams, which is particularly suitable for the flue gas cleaning of small furnaces, and which allows efficient separation of the finest particles by means of a rod-shaped spray electrode, that is of particles with a diameter ⁇ 10 ⁇ m, and can achieve an efficiency of up to 90%.
  • this device should come up with reasonable acquisition and operating costs and be easily monitored and cleaned by the operator himself at sufficiently long intervals. It should also be retrofitted in a flue pipe and this in the living area, where so many such firings are.
  • the device should overcome the above-described disadvantages of a rod-like spray electrode and greatly reduce their vibration or even completely prevent it.
  • the device takes advantage of the fact that in small furnaces so far the chimney anyway acted as Abscheide Diagram, but not consistently due to an electrical charge.
  • flue gas pipes in sheet steel, chrome steel or aluminum as they are being widely used today, but already has an electrically conductive Abscheide Diagram.
  • a chrome steel pipe can be retrofitted longitudinally into the flue gas duct over a certain distance.
  • Electrostatic precipitators basically work on the principle that electrically charged, solid or liquid particles are deflected in an electric field. The soot particles must therefore first be charged electrically. The unipolar charged particles subsequently deposit on separation plates as a result of the action of the electrostatic field. With such electrostatic precipitators dust and aerosols with particle sizes from 0.01 to 60 ⁇ m can be deposited. The efficiency of the deposition also depends on the flow velocity of the particles and the dust concentration in the gas flow, as well as on the temperature and humidity in the inflowing gas.
  • FIG. 1 a first embodiment of a device for electrostatic particle separation in gas streams is shown, which is also suitable for flue gas cleaning of small furnaces. It is designed for installation in a straight section of an existing, electrically conductive stovepipe 1.
  • the device comprises an electrode holder 6 made of metal, preferably made of stainless steel, which is provided for receiving the electrode 4 with a bore.
  • the socket 6 has an electrode thickness of 0.3 mm in the socket area a diameter of several millimeters and is held by a clamp or bayonet connection in a metallic holder 7, as shown in enlarged section.
  • the holder 7 is attached to a support rod 2, which is also preferably made of stainless steel.
  • the holding bar 2 is guided by an insulator 3 in the flue gas pipe 1.
  • the insulator 3 is advantageously made of a plastic, for which polyetheretherketone (PEEK) is suitable, because this material has a certain Charge migration allows, so that no charge nests can form, but charges flow continuously. In contrast, in a porcelain or ceramic insulator under DC voltage charge nests, which then migrate to the outside and lead to spontaneous breakthroughs (TE).
  • the insulator 3 is firmly connected to the lid 5.
  • the socket 6 may be cylindrical or spherically shaped as shown here, with a diameter of about 10mm and a central bore in which the electrode 4 is seated and held.
  • the opening on Ofenrchr 1 is designed so large that the holder 7 is inserted under elastic bending of the wire 4 in the furnace tube 1, and thereafter, the opening 1 is closed gas-tight with the lid 5, including offering about suitable clamps, clamping lever or clamping screws ,
  • a high voltage generator with rectifier function is both electrically and thermally isolated from the furnace tube 1 and is powered by a power cable.
  • the high voltage output is passed through the insulator 3 via the socket 6 to the spray electrode 4.
  • the other pole is at ground potential and is electrically connected to the furnace tube 1, which acts opposite the electrode 4 as Abscheide imagery.
  • an electrostatic filter is formed, wherein the wire 4 forms the Sprü.helektrode, and the inside of the furnace tube 1 over the length of the electrode wire 4 also forms the collecting electrode or collector surface, so that the entire chimney, so far as it consists of conductive material, as a collector surface can work.
  • the high voltage is first turned off. Then.
  • the holder 7 is removed with the electrode 4 from the furnace tube 1. Thereafter, the inside of the stovepipe 1 can be rubbed off with a damp cloth, whereby the electrically retained particles are wiped off and stuck on the cloth. Alternatively, the collected particles can also be wiped off and vacuumed with the vacuum cleaner brush.
  • the electrode 4 is then reintroduced into the furnace tube 1 and the lid 5 placed gas-tight on the opening and clamped. The cleaned collector surfaces are now free again with new particles to be misted, because now also the electrical attraction is fully effective again.
  • the wire 4 shown here is of constant thickness, so he would soon start to oscillate after applying a high voltage, and the vibration would rock quickly, because yes, the tip of the electrode wire 4, for example, is negatively charged, while the furnace tube 1 opposite the wire tip is positively charged.
  • the wire tip is attracted to the Ofenrohrwandung and after reaching a maximum deflection oscillates the electrode 4 due to their mechanical elasticity back in the other direction and vice versa.
  • the swinging causes the wire tip to hit the furnace tube wall and to swing rapidly within the furnace tube 1 at frequencies up to several Hz, causing unpleasant and far audible noise in a building. Remedy brings the visible here tapering of the wire electrode 4 towards their ends. This rejuvenation is ideally parabolic, but can also be linear.
  • an electrode of, for example, both sides 25cm in length and a thickness of 0.3mm in the range of the version and 0.1mm thickness at its tip hardly vibrates visible.
  • a wire electrode of both sides 30cm in length and a taper that goes from the thickness of 0.3mm in the socket area down to 0.08mm at the top the electrode along the center of a tube 1 of 120mm to over 250mm diameter is arranged, is hardly more one oscillation of the whole electrode present. Only in the area of the tip does it oscillate back and forth by a few mm, and this also behaves at voltages of up to 20kV.
  • this electrode is made of tungsten, because this compared to about stainless steel has an increased modulus of elasticity and therefore with the same strength allows a greater length than a steel wire. With such an electrode, namely a tapered tungsten wire, it is possible to deposit up to 90% of the particles in the flue gas.
  • FIG. 2 is another method for damping the electrode wire oscillation shown schematically.
  • the length of the electrode wire 4 is with denotes the current deflection of the electrode tip with ⁇ x.
  • the measure described here for damping the oscillation can be used in addition to an electrode wire that tapers towards its tip or else it can be used alone, that is, with a regular electrode wire of uniform thickness, be it a tungsten wire or a steel wire.
  • collector shells 12-15 are arranged here in the interior of the tube 1 distributed around its circumference, which are held by insulators, for example on the tube inner wall or on a suitable frame inside the tube.
  • FIG. 3 you can see the device after FIG. 2 seen in a cross section through the flue gas tube 1 and also the associated controller 10 for the variation of the collector voltages at a negatively charged electrode 4 is shown.
  • the currents flowing from the four collector shells 12-15, one each with north, east, south and west, are denoted by I N , I O , I S and I W , and the voltages to earth are U N , U O , U S , and U W.
  • the prevailing voltage conditions and the flowing electrical currents are given below for three different deflection states A, B and C of the electrode 4. In state A, the electrode 4 lies exactly in the center of the tube 1.
  • FIG. 4a finally shows a device with unstabilized electrode and in contrast the FIG. 4b ) a device with schematically marked passive electrode stabilization.
  • a counter electrode 11 is arranged opposite the tip of the rod-like and free-hanging electrode wire. This forms a perpendicular to the direction of the electrode wire 4 oriented plate and is electrically connected to the tube 1. Accordingly, it is then positively charged and attracts the negatively charged electrode tip constantly so that it remains in the region of the center of the tube 1.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Electrostatic Separation (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrostatischen Partikelabscheidung in Gasströmen. Die Vorrichtung ist insbesondere geeignet zum Reinigen oder Filtern des Rauchgases von Kleinfeuerungen. Bei diesen Kleinfeuerungen mit Leistungen bis zu etwa 70kW handelt es sich um verschiedene Wärmerzeuger für den Raumwärmebedarf sowie auch zum Kochen. Namentlich zählen Cheminéeöfen, Kachelöfen, Zimmeröfen, Kochherde und Heizkessel, die mit Holz befeuert werden, dazu.
  • Die Nutzung von Holz als nachwachsender Brennstoff nimmt seit einigen Jahren wieder stetig zu. In der Schweiz zum Beispiel nahm gemäss der Schweizerischen Holzenergiestatistik [EDMZ] die jährlich genutzte Holzenergiemenge innerhalb des Jahrzehnts von 1990 bis 2000 stark zu und nimmt weiter zu. Die Anzahl von Einzelraumheizungen nimmt in der Schweiz tendenziell zu, während jene von ganzen Gebäudeheizungen abnimmt. Die moderne, hochwärmedämmende Bauweise wird künftig diesen Trend noch verstärken. Bei Niedrigenergiehäusern muss nämlich nur noch ein kleiner Restwärmebedarf durch eine Zusatzheizung gedeckt werden und immer öfter kommt hierzu ein zentraler Holz-, Cheminee- oder Speicherofen zum Einsatz, also eine Kleinfeuerung. Das gilt auch für andere Länder, wo mit Holzfeuerungen geheizt wird.
  • Bei all diesen Kleinfeuerungen liegt die Verantwortung für die Brennstoffqualität und die Feuerungseinstellung in erster Linie beim Betreiber. Den Optimierungsmöglichkeiten der anlagenseitigen Feuerungstechnik sind relativ enge Grenzein gesetzt. Und deshalb entlassen diese Kleinfeuerungen gemessen am gesamten Rauchemissionsaufkommer unverhältnismässig viele Schadstoffe in die Atmosphäre. Beim zuständigen Schweizer Bundesamt erkannte man, dass im Jahr 2000 die Staubemissionen aus Kleinfeuerungen bereits ca. 5% der jährlichen Gesamtstaubemissionen ausmachten. Das entspricht immerhin etwa einem Drittel der Partikelemissionen des gesamten Motorfahrzeugverkehrs. Durch die vorgeschriebene Abgasreinigung bei Fahrzeugen mittels Katalysatoren und Partikelfiltern wird der Anteil der Partikelemissionen aus Kleinfeuerungsanlagen bald denjenigen der Auspuffemissionen des Strassenverkehrs übersteigen und deshalb vermehrt ins Bewusstsein rücken. Es kommt dazu, dass diese Staubteile aufs Kleinfeuerungen vor allem in städtischen Bezirken und Agglomerationen emittiert werden, wo derartige Kleinfeuerungen eben in grosser Anzahl vorhanden sind, das heisst, dieser grosse Anteil am Gesamtpartikelausstoss konzentriert sich auf stark besiedelte Gebiete. Neben dieser örtlichen Konzentration treten die Emissionen von Holzfeuerungen zudem in erster Linie im Winter auf, so dass diese Luftbelastungen sich auch noch auf einen begrenzten Zeitraum konzentrieren.
  • Lufthygienisch relevant für die Gesundheit des Menschen sind Teilchen mit einem aerodynamischen Durchmesser von deutlich weniger als 10µm, weil sich Teilchen ab einer solchen Kleinheit in der Lunge festsetzen können. In der Schweiz ist deswegen seit 1998 ein Immissionsgrenzwert für Teilchen in diesem Grössenbereich festgesetzt worden, welcher jedoch häufig und an mehreren Messstellen überschritten wird. Diese Partikel binden auch Dioxine, weiche nach der Partikeldeposition auf Böden und Pflanzen über die Nahrungskette von den Menschen aufgenommen werden. Nun haben an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) durchgeführte Messungen des Grössenspektrums der von Kleinfeuerungen ausgestossenen Partikel aufgezeigt, dass die emittierten Partikel von Holzfeuerungen im kritischen Bereich von unter 10 µm Durchmesser liegen. Es ist deshalb notwendig, auch im Bereich von einfachen Holzfeuerungsanlagen geeignete Rauchgaseinrichtungen einzubauen, um diese Kleinstpartikel zurückzuhalten.
  • In der EP 1 193 445 A2 , die als nïchstliegenden Stand der Technik angeschen wird, der EMPA wird eine Vorrichtung zur Rauchgasreinigung an Kleinfeuerungen vorgestellt, die in den bestehenden Rauchgaskanal einer solchen Feuerung einbaubar ist. Entweder ist dieser Rauchgaskanal elektrisch leitfähig, indem das Ofenrohr etwa aus Stahlblech, Chromstahl oder Aluminium besteht, oder aber der Kamin ist gänzlich aus Stein und Mauerwerk oder aus Kunststoff gebaut. Im ersten Fall bildet die Vorrichtung einen Deckel, der gasdicht auf eine zugehörige Öffnung am Rauchgaskanal aufsetzbar ist. An der Innenseite dieses Deckels ist über Isolatoren eine Sprühelektrode gehalten. Weiter gehört zur Vorrichtung ein Hochspannungs-Erzeuger zum Aufbau einer Gleichspannung zwischen dieser Sprühelektrode und der Innenwand des elektrisch leitfähigen Rauchgaskanalabschnittes. Im zweiten Fall wird ein Abschnitt eines elektrisch leitfähigen Rohres an den Deckel montiert, um eine Kollektorfläche zu bilden. Der typische Anschlusswert der Elektrode liegt zwischen 10 und 50VA und sie kann mit 220V/50Hz bzw. 110V/60Hz Wechselstrom betrieben werden. Die Aufladung der Sprühelektrode kann negativ oder positiv zur Erde erfolgen. Die Abreinigung des Kollektorteils kann nach Ausbau des Elektrodendrahtes mit der Halterung problemlos von Hand erfolgen.
  • In einer Ausführung dieser Vorrichtung weist diese eine selbsttragende Stabelektrode in Form eines Blechstreifens auf, der stark genug ist, dass er sich selbst tragen kann. Anstelle eines solchen Blechstreifens kann aber auch ein Draht von genügender Stärke eingesetzt werden. Das entscheidende Merkmal der Sprühelektrode ist das Vorhandensein möglichst kleiner Radien, bei denen hohe lokale Feldstärken auftreten. Es hat sich nun gezeigt, dass mit einem möglichst dünnen Draht, der sich mit seinem freien Ende in der Mitte längs eines Rauchgasrohres erstreckt, die besten Ergebnisse erzielt werden. Mit einem dünnen, rutenartigen Draht werden jedoch auch Nachteile eingehandelt. Er beginnt nämlich infolge der entstehenden Ladungsverhältnisse zu schwingen. Die hohe elektrische Ladung des Drahtes erzeugt an der naheliegenden Innenfläche des Abgasrohres Bildladungen von entgegengesetzter Polarität. Die dem Draht gegenüberliegende Rohrwand ist daher positiv geladen. Die freihängende Spitze des Elektrodendrahtes wird deshalb von der Rohrwand angezogen und aufgrund ihrer mechanischen elastischen Biegung schwingt sie nach Erreichen der grössten Auslenkung zurück und wird dann in die Gegenrichtung ausgelenkt und umgekehrt, in vielen Fällen schwingt sie so stark hin und her, dass sie regelmässig und in kurzer Folge der Rohrwand so nahe kommt, dass elektrische Überschläge auftreten. Dies verursacht sehr störende Geräusche, was in der Praxis natürlich nicht erwünscht ist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zur elektrostatischen Partikelabscheidung in Gasströmen anzugeben, die insbesondere auch für die Rauchgasreinigung an Kleinfeuerungen geeignet ist, und welche eine effiziente Abscheidung der feinsten Partikel mittels einer rutenförmigen Sprühelektrode ermöglicht, das heisst von Partikeln mit einem Durchmesser <10µm, und hierbei eine Effizienz von bis zu 90% erreichen kann. Weiter soll diese Vorrichtung mit zumutbaren Anschaffungs- und Betriebskosten aufwarten und vom Betreiber selbst in hinreichend langen Intervallen leicht zu überwachen und zu reinigen sein. Sie soll auch nachträglich in ein Rauchgasrohr einbaubar sein und dies auch im Wohnbereich, wo ja viele derartige Feuerungen stehen. Dabei soll aber die Vorrichtung die oben beschriebenen Nachteile einer rutenartigen Sprühelektrode überwinden und deren Schwingung stark reduzieren oder gar ganz unterbinden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst von einer Vorrichtung zur elektrostatischen Partikelabscheidung in Gasströmen, geeignet zur Rauchgasreinigung an Kleinfeuerungen, welche in das Rauchgasrohr einbaubar ist und einen Deckel aufweist, der gasdicht und leitend auf eine zugehörige Öffnung am Rauchgasrohr aufsetzbar ist, sodass in dessen Zentrum ein rutenförmiger und selbsttragender, mit mindestens seinem einen Ende freihängender Elektrodendraht über einen Isolator befestigt ist, und dass sie einen Hochspannungs-Erzeuger mit Gleichrichterfunktion zum Aufbau einer Gleichspannung zwischen der Elektrode und dem Rauchgaskanal aufweist, und die sich dadurch auszeichnet, dass zur Stabilisierung der Elektrode bzw. zur Dämpfung ihrer Schwingung eines oder mehrere der folgenden Merkmale vorhanden sind:
    • Die Elektrode ist gegen jedes frei hängende Ende hin verjüngt,
    • Die Elektrode ist aktiv elektrisch stabilisiert,
    • Die Elektrode ist passiv stabilisiert.
  • Die Vorrichtung macht sich zunutze, dass bei Kleinfeuerungen bisher der Kamin ohnehin als Abscheidefläche wirkte, jedoch durchwegs nicht infolge einer elektrischen Ladung. Im Falle von Rauchgasrohren in Stahlblech, Chromstahl oder Aluminium, wie sie heute verbreitet gebaut werden, verfügt man aber bereits über eine elektrisch leitfähige Abscheidefläche. Bei Kaminen aus Stein oder Kunststoff kann über eine bestimmte Wegstrecke ein Chromstahlrohr nachträglich längs in den Rauchgaskanal montiert werden. Die sofort ins Auge springenden Vorteile dieser Vorrichtung sind, dass es sich um ein Elektrofilter handelt, das keine gesonderten Abscheideplatten aufweist, das keinen Rauchgasventilator benötigt, keine wesentliche Rauchgaskanal-Verengung mit sich bringt, und dessen Abscheidezone je nach Bedarf dimensioniert werden kann.
  • In den Zeichnungen sind drei Ausführungsbeispiete einer solchen Vorrichtung zur elektrostatischen Partikelabscheidung in Gasströmen und besonders für die Rauchgasreinigung an Kleinfeuerungen dargestellt und sie werden in der nachfolgenden Beschreibung erklärl.
    • Es zeigt:
    • Figur 1 :
    Eine Vorrichtung zum Einbau in einen geraden, vertikalen Abschnitt eines elektrisch leitfähigen Ofenrohres mit einer sich gegen die Enden hin verjüngenden Elektrode;
    Figur 2 :
    Eine Vorrichtung mit schematisch eingezeichneter aktiver Elektroden-Stabilisierung;
    Figur 3 :
    Die Vorrichtung nach Figur 2 in einem Querschnitt durch das Rauchgasrohr gesehen, mit dem zugehörigen Regler für die Variation der Kollektorspannungen;
    Figur 4a) :
    Eine Vorrichtung mit Elektrode ohne deren Stabilisierung;
    Figur 4b) :
    Eine Vorrichtung mit schematisch eingezeichneter passiver Elektroden-Stabilisierung.
  • Elektrofilter funktionieren grundsätzlich nach dem Prinzip, dass elektrisch geladene, feste oder flüssige Teilchen in einem elektrischen Feld abgelenkt werden. Die Russpartikel müssen daher zunächst elektrisch geladen werden. Die unipolar aufgeladenen Teilchen lagern sich hernach infolge der Wirkung des elektrostatischen Feldes an Abscheideplatten ab. Mit solchen Elektrofiltern lassen sich Stäube und Aerosole mit Korngrössen von 0.01 bis 60µm abscheiden. Die Effizienz der Abscheidung hängt auch von der Anströmgeschwindigkeit der Partikel und von der Staubkonzentration im angeströmten Gas ab, sowie von der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit im anströmenden Gas.
  • In Figur 1 ist eine erste Ausführung einer Vorrichtung zur elektrostatischen Partikelabscheidung in Gasströmen gezeigt, die sich auch zur Rauchgasreinigung an Kleinfeuerungen eignet. Sie ist für den Einbau in einem geraden Abschnitt eines bestehenden, elektrisch leitfähigen Ofenrohrs 1 ausgelegt. Die Vorrichtung weist eine Elektrodenfassung 6 aus Metall, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl auf, die zur Aufnahme der Elektrode 4 mit einer Bohrung versehen ist. Die Fassung 6 weist bei einer Elektrodendicke von 0.3mm im Fassungsbereich einen Durchmesser von mehreren Millimetern auf und wird durch eine Klemm- oder Bajonettverbindung in einer metallischen Halterung 7 gehalten, wie das im vergrössert dargestellten Ausschnitt gezeigt ist. Die Halterung 7 ist an einem Haltestab 2 befestigt, der ebenfalls vorzugsweise aus nicht rostendem Stahl gefertigt ist. Der Haltestab 2 wird durch einen Isolator 3 in das Rauchgasrohr 1 geführt. Der Isolator 3 ist vorteilhaft aus einem Kunststoff gefertigt, wofür sich Polyetheretherketon (PEEK) eignet, weil dieses Material eine gewisse Ladungswanderung zulässt, sodass sich keine Ladungsnester bilden können, sondern Ladungen kontinuierlich abfliessen. Im Gegensatz dazu entstehen bei einem Porzellan- oder Keramikisolator unter Gleichspannung Ladungsnester, die dann nach aussen wandern und zu spontanen Durchbrüchen (TE) führen. Der Isolator 3 ist fest mit dem Deckel 5 verbunden. Die Fassung 6 kann zylindrisch oder wie hier abgebildet kugelförmig gestaltet sein, mit einem Durchmesser von etwa 10mm und einer zentralen Bohrung, in welcher die Elektrode 4 sitzt und gehalten ist. Die Öffnung am Ofenrchr 1 ist so gross gestaltet, dass die Halterung 7 unter elastischer Biegung des Drahtes 4 in das Ofenrohr 1 einführbar ist, und hernach wird die Öffnung 1 mit dem Deckel 5 gasdicht verschlossen, wozu sich etwa geeignete Spannklammern, Spannhebel oder Spannschrauben anbieten. Ein Hochspannungs-Erzeuger mit Gleichrichterfunktion ist sowohl elektrisch als auch thermisch vom Ofenrohr 1 isoliert und wird über ein Netzkabel mit Strom versorgt. Der Hochspannungsausgang wird durch den Isolator 3 über die Fassung 6 an die Sprühelektrode 4 geführt. Der andere Pol liegt auf Erdpotential und ist mit dem Ofenrohr 1 elektrisch leitend verbunden, welches gegenüber der Elektrode 4 als Abscheidefläche wirkt. Somit ist ein Elektrofilter gebildet, wobei der Draht 4 die Sprü.helektrode bildet, und die Innenseite des Ofenrohrs 1 über die Länge des Elektrodendrahtes 4 hinaus die Niederschlagselektrode oder Kollektorfläche bildet, sodass also der gesamte Kamin, soweit er aus leitfähigem Material besteht, als Kollektorfläche wirken kann.
  • Zur regelmässigen Reinigung der Niederschlagselektrode, das heisst der Innenwand des Ofenrohrs 1, wird zunächst die Hochspannung ausgeschaltet. Dann .wird die Halterung 7 mit der Elektrode 4 aus dem Ofenrohr 1 entfernt. Hernach kann die Innenseite des Ofenrohrs 1 mit einem feuchten Lappen abgerieben werden, wodurch die elektrisch zurückgehaltenen Teilchen weggewischt werden und am Lappen hängenbleiben. Als Alternative können die eingesammelten Partikel auch mit der Staubsaugerbürste weggewischt und abgesaugt werden. Die Elektrode 4 wird dann wieder ins Ofenrohr 1 eingeführt und der Deckel 5 gasdicht auf die Öffnung aufgesetzt und verspannt. Die gereinigten Kollektorflächen sind nun wieder frei, um mit neuen Partikeln beschlagen zu werden, weil jetzt auch die elektrische Anziehungskraft wieder voll wirksam ist.
  • Wäre nun der hier gezeigte Draht 4 jedoch von konstant gleicher Dicke, so würde er nach Anlegen einer Hochspannung alsbald zu schwingen anfangen, und die Schwingung würde schnell aufgeschaukelt, weil ja die Spitze des Elektrodendrahtes 4 zum Beispiel negativ geladen ist, während das Ofenrohr 1 gegenüber der Drahtspitze positiv geladen ist. Die Drahtspitze wird von der Ofenrohrwandung angezogen und nach Erreichen einer maximalen Auslenkung schwingt die Elektrode 4 infolge ihrer mechanischen Elastizität zurück in die andere Richtung und umgekehrt. Das Schwingen führt zum Anschlagen der Drahtspitze an der Ofenrohrwandung und zum raschen Hin- und Herschwingen innerhalb des Ofenrohres 1, mit Frequenzen von bis zu einigen Hz, was unangenehme und in einem Gebäude weit hörbare Geräusche verursacht. Abhilfe bringt die hier sichtbare Verjüngung der Drahtelektrode 4 gegen ihre Enden hin. Diese Verjüngung ist idealerweise parabelförmig, kann aber auch linear sein. Es hat sich gezeigt, dass eine Elektrode von zum Beispiel beidseits 25cm Länge und einer Stärke von 0.3mm im Bereich der Fassung und 0.1mm Stärke an ihrer Spitze kaum mehr sichtbar schwingt. Bei einer Drahtelektrode von beidseits 30cm Länge und einer Verjüngung, die ab der Stärke von 0.3mm im Fassungsbereich bis hinunter auf 0.08mm an der Spitze geht, wobei die Elektrode längs des Zentrums eines Rohres 1 von 120mm bis über 250mm Durchmesser angeordnet ist, ist kaum mehr eine Schwingung der ganzen Elektrode vorhanden. Bloss im Bereich der Spitze schwingt dieselbe noch um wenige mm hin und her, und dies verhält sich so auch bei Spannungen von bis zu 20kV. Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn diese Elektrode aus Wolfram besteht, weil dieses gegenüber etwa rostfreiem Stahl ein erhöhtes E-Modul aufweist und deshalb bei gleicher Stärke eine grössere Länge erlaubt als ein Stahldraht. Mit einer solchen Elektrode, nämlich einem verjüngten Wolframdraht, gelingt es, bis zu 90% der Partikel im Rauchgas abzuscheiden.
  • In Figur 2 ist eine andere Methode für die Dämpfung der Elektrodendraht-Schwingung schematisch dargestellt. Die Länge des Elektrodendrahtes 4 ist mit bezeichnet, die aktuelle Auslenkung der Elektrodenspitze mit Δx. Die hier beschriebene Massnahme zur Dämpfung der Schwingung kann zusätzlich zu einem sich gegen seine Spitze hin verjüngenden Elektrodendraht eingesetzt werden oder auch alleine, das heisst mit einem gewöhnlichen Elektrodendraht mit gleichmässiger Stärke, sei es ein Wolframdraht oder ein Stahldraht. Zum Dämpfen der Schwingung sind hier im Innern des Rohres 1 um dessen Umfang herum verteilt Kollektorschalen 12-15 angeordnet, die über Isolatoren zum Beispiel an der Rohrinnenwand oder an einem geeigneten Gestell im Rohrinnern gehalten sind. An diese Kollektoren 12-15 wird über einen Regler eine je nach Schwingungsverhalten variable Spannung gegenüber der Erde angelegt, sodass sie eine jeweils gleiche Ladung aufweisen wie die gegen sie hin schwingende Elektrode 4. Es wird dadurch eine elektrisch abstossende Kraft erzeugt und mit geeigneter Regelung dieser Spannungen an den Kollektorschalen 12-15 kann der Elektrodendraht 4 einigermassen in das Zentrum des Rohres 1 gezwungen werden.
  • In Figur 3 sieht man die Vorrichtung nach Figur 2 in einem Querschnitt durch das Rauchgasrohr 1 gesehen und ausserdem ist der zugehörige Regler 10 für die Variation der Kollektorspannungen bei einer negativ geladenen Elektrode 4 gezeigt. Die von den vier Kollektorschalen 12-15, je eine mit Anordnung Nord, Ost, Süd und West, abfliessenden Ströme sind mit IN, IO, IS, und IW bezeichnet und die Spannungen gegenüber der Erde mit UN, UO, US, und UW. Die herrschenden Spannungsverhältnisse und die fliessenden elektrischen Ströme werden hernach für drei verschiedene Auslenkungszustände A, B und C der Elektrode 4 angegeben. Im Zustand A liegt die Elektrode 4 genau im Zentrum des Rohres 1. Im Zustand B ist sie um etwas mehr als 1/3 des Rohrradius gegen Nord ausgelenkt und im Zustand C um fast 2/3 des Rohrradius gegen Südwest. Folgende Verhältnisse gelten dann für die Spannungen und Ströme:
    Zustand A: Gleichgewicht: IN = IS = IW = IO sowie UN = US = UW = UO
    Zustand B: Auslenkung nach N: IN > IO = IW > IS sowie UN > US = UW > UO
    Zustand C: Auslenkung nach SW: IN = IO < IS = IW sowie UN = UO < US = UW
  • Die Figur 4a) zeigt schliesslich eine Vorrichtung mit nicht stabilisierter Elektrode und im Gegensatz dazu die Figur 4b) eine Vorrichtung mit schematisch eingezeichneter passiver Elektroden-Stabilisierung. Hier ist gegenüber der Spitze des rutenartigen und freihängenden Elektrodendrahtes eine Gegenelektrode 11 angeordnet. Diese bildet eine senkrecht zur Verlaufrichtung des Elektrodendrahtes 4 ausgerichtete Platte und ist elektrisch mit dem Rohr 1 verbunden. Entsprechend ist sie dann positiv geladen und zieht die negativ aufgeladene Elektrodenspitze ständig an, sodass diese im Bereich der Mitte des Rohres 1 verbleibt.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur elektrostatischen Partikelabscheidung in Gasströmen, geeignet zur Rauchgasreinigung an Kleinfeuerungen, welche in das Rauchgasrohr (1) einbaubar ist und einen Deckel (5) aufweist, der gasdicht und leitend auf eine zugehörige Öffnung am Rauchgasrohr (1) aufsetzbar ist, sodass in dessen Zentrum ein rutenförmiger und selbsttragender, mit mindestens seinem einen Ende freihängender Elektrodendraht (4) über einen Isolator (3) befestigt ist, und dass sie einen Hochspannungs-Erzeuger mit Gleichrichterfunktion zum Aufbau einer Gleichspannung zwischen der Elektrode (4) und dem Rauchgaskanal (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung der Elektrode (4) bzw. zur Dämpfung ihrer Schwingung die folgenden Merkmale vorhanden sind:
    • Die Elektrode (4) ist gegen jedes frei hängende Ende hin verjüngt,
    • Die Elektrode (4) ist aktiv elektrisch stabilisiert,
    • Die Elektrode (4) ist passiv stabilisiert.
  2. Vorrichtung zur elektrostatischen Partikelabscheidung in Gasströmen, geeignet zur Rauchgasreinigung an Kleinfeuerungen, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung der Elektrode (4) bzw. zur Dämpfung ihrer Schwingung wobei die folgenden Merkmale vorhanden sind:
    • Die Elektrode (4) ist gegen das frei hängende Ende oder ihre beiden frei hängenden Enden hin verjüngt,
    • Die Elektrode (4) ist aktiv elektrisch stabilisiert, indem mehrere voneinander getrennte, um den Umfang der Elektrode (4) aneinander anschliessende und die Elektrode (4) insgesamt umfassende Kollektoren (12-15) angeordnet sind, deren Spannung gegenüber der Elektrodenspitze über einen Regler (10) variierbar sind,
    • Die Elektrode (4) ist passiv elektrisch stabilisiert , indem gegenüber jedem frei hängenden Elektrodenende eine Gegenelektrode (11) angeordnet ist, die zur Elektrodenspitze gegenteilig aufladbar ist.
  3. Vorrichtung zur elektrostatischen Partikelabscheidung in Gasströmen, geeignet zur Rauchgasreinigung an Kleinfeuerungen, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung der Elektrode (4) bzw. zur Dämpfung ihrer Schwingung die Elektrode (4) ein Wolframdraht ist, der gegen sein frei hängendes Ende oder gegen seine beiden frei hängenden Enden hin entweder linear oder parabolisch verjüngt ist.
  4. Vorrichtung zur elektrostatischen Partikelabscheidung in Gasströmen, geeignet zur Rauchgasreinigung an Kleinfeuerungen, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (4) in einer metallischen Fassung (6) durch eine Klemm- oder Bajonettverbindung gehalten ist, deren Durchmesser bei einer Elektrodendicke von 0.3mm im Fassungsbereich mehrere Millimeter misst und die zur Aufnahme der Elektrode (4) eine Bohrung aufweist.
  5. Vorrichtung zur elektrostatischen Partikelabscheidung in Gasströmen, geeignet zur Rauchgasreinigung an Kleinfeuerungen, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung der Elektrode (4) bzw. zur Dämpfung ihrer Schwingung die Elektrode (4) ein Stahl- oder Wolframdraht von 20cm bis 35cm Länge und 0.3mm bis 0.5mm Durchmesser ist, der gegen sein frei hängendes Ende oder gegen seine beiden frei hängenden Enden hin entweder linear oder parabolisch zu einem Durchmesser von 0.08mm bis 0.1 mm an seiner Spitze verjüngt ist.
  6. Vorrichtung zur elektrostatischen Partikelabscheidung in Gasströmen, geeignet zur Rauchgasreinigung an Kleinfeuerungen, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung der Elektrode (4) bzw. zur Dämpfung ihrer Schwingung die Elektrode (4) ein Wolframdraht von 30cm Länge und 0.3mm Durchmesser ist, der gegen sein frei hängendes Ende oder gegen seine beiden frei hängenden Enden hin linear oder parabolisch zu einem Durchmesser von 0.08mm an seiner Spitze verjüngt ist.
  7. Vorrichtung zur elektrostatischen Partikelabscheidung in Gasströmen, geeignet zur Rauchgasreinigung an Kleinfeuerungen, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung der Elektrode (4) bzw. zur Dämpfung ihrer Schwingung die Elektrode (4) ein verjüngter Stahl- oder Wolframdraht ist, der aktiv elektrisch stabilisiert ist, indem mehrere voneinander getrennte, um den Umfang der Elektrode (4) aneinander anschliessende und die Elektrode (4) insgesamt umfassende Kollektoren (6-9) angeordnet sind, deren Spannung gegenüber der Elektrodenspitze über einen Regler (10) variierbar sind.
  8. Vorrichtung zur elektrostatischen Partikelabscheidung in Gasströmen, geeignet zur Rauchgasreinigung an Kleinfeuerungen, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung der Elektrode (4) bzw. zur Dämpfung ihrer Schwingung die Elektrode (4) ein verjüngter Stahl- oder Wolframdraht ist, der passiv elektrisch stabilisiert ist, indem gegenüber jedem frei hängenden Elektrodenende eine Gegenelektrode (11) angeordnet ist, der zur Elektrodenspitze gegenteilig aufladbar ist.
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