EP2621636B1 - Kollektorstufe eines elektrostatischen abscheiders zur reinigung von aus verbrennungsprozessen entstandenem rauchgas - Google Patents

Kollektorstufe eines elektrostatischen abscheiders zur reinigung von aus verbrennungsprozessen entstandenem rauchgas Download PDF

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EP2621636B1
EP2621636B1 EP11773384.0A EP11773384A EP2621636B1 EP 2621636 B1 EP2621636 B1 EP 2621636B1 EP 11773384 A EP11773384 A EP 11773384A EP 2621636 B1 EP2621636 B1 EP 2621636B1
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brush
pipe
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collector pipe
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Hanns-Rudolf Paur
Andrei Bologa
Klaus Woletz
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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    • B03C3/40—Electrode constructions
    • B03C3/45—Collecting-electrodes
    • B03C3/49—Collecting-electrodes tubular

Definitions

  • the invention relates to the collector stage of an electrostatic precipitator.
  • Flue gases from combustion chambers, wood stoves or other wood burning equipment used for heating are treated.
  • the flue gas to be purified is introduced into the ionization stage and flowed through the electric field between a high voltage electrode and a lying at a reference potential, usually ground potential electrode in which the particles are electrically charged via corona discharge at the high voltage electrode.
  • a reference potential usually ground potential electrode in which the particles are electrically charged via corona discharge at the high voltage electrode.
  • the charged particles are deposited there on the surface lying on the reference potential and electrically neutralized, with electrical forces additionally favoring the deposition due to space charge formation from charged particles after leaving the ionization stage and in the collector region.
  • Electrostatic separators are generally used for gas purification.
  • the method of aerosol collection in an electrostatic precipitator with space charge formation is based on the particle charge in a corona discharge and the deposition of unipolar charged particles corresponding to the field of their own space charge.
  • the mechanism of deposition via space charge is described in [1] .
  • the collector of known electrostatic precipitators needs replacement and cleaning, i. Cleaning the sewer or sewer pipe, the tube bundle and the collector chamber. Therefore, the electrostatic precipitator often has to be switched off, opened and closed. This increases the operating costs of the separator. Complicates the removal and installation of the unit as well as the setting of the ionization stage and the collector stage.
  • the object of the invention is to propose a collector stage which avoids the disadvantages and limitations listed.
  • the Effizenz should the particle separation can be increased from the gas stream.
  • a collector stage in which the helical brush is mounted on an axis with a plurality of sections, wherein the sections are arranged offset from one another.
  • the helical brush consists of a plurality of sections offset from each other centrally arranged, sitting coaxially to the collector tube rod or tube on the outer surface radially protruding radially to the coil axis brush wires tuft-like touch with their free end of the collector tube and brush the inner wall upon rotation of the brush , At least the inner wall of the collector tube and the seated therein brush are at a common electrical reference potential, usually ground potential. Therefore, the brush itself acts as a separation surface.
  • the brush is thus a helical brush in several sections.
  • Each of these sections consists of a rod or tube, which is arranged centrally or coaxially to the collector tube in this and on the outer circumferential surface along a helical line tuft-like brush wires protrude.
  • the sections are arranged axially one behind the other in the collector tube, wherein the protruding brush wires touch the inner wall of the collector tube.
  • the sections are rotatable to the collector tube.
  • the sections of the helical brush are offset from each other, ie angularly arranged (twisted arrangement, ie the aforementioned helical line of the helical brush on the lateral surfaces is interrupted by the transition between two sections and runs with an angular offset twisted to the previous section in the subsequent section on.
  • twisted arrangement ie the aforementioned helical line of the helical brush on the lateral surfaces
  • the staggered arrangement of the brush segments in this case has the effect that, as the spiral brush flows through the particle-laden gas, brush elements which serve as separation surfaces enter the flow path of the gas and thus increase the particle separation. This happens without an increase in the differential pressure in the collector tube.
  • the helical brush is made of electrically conductive material, preferably metal or steel wires and is rotated in the collector tube during the gas flow at predetermined intervals, so that the deposited on the inner surface of the respective collector tube and electrically neutralized particles brushed and to the lowest Brushed area of a collector.
  • the self deposited on the helical brush and electrically neutralized Particles fall off by cleaning the brush on the rail to this lowest lying area.
  • Fig.1 schematically shows the collector stage of an electrostatic precipitator.
  • Fig.2 shows three sections of the spiral brush, wherein the axes of the spiral brush sections are arranged offset by 120 °.
  • Fig.1 shows the collector stage of an electrostatic precipitator consisting of an ionization stage 1 and the downstream gas downstream, vertical collector stage. 2
  • the ionization stage 1 is not subject of the invention, but indicated in its contour as a central component of the electrostatic precipitator. In it, indicated by an arrow raw or flue gas is introduced and charged the particles therein in a corona discharge.
  • the collector stage 2 consists here of the one vertical collector tube 3 , in which the coil around the rod or the tube 4 which winds like a vertically wound band 5 coaxial with the axis of the collector tube 3 .
  • the brush wires of the brush 5 are made of an electrically conductive material and their free ends touch the inner collector wall of the collector tube 3 always.
  • the ionization stage precedes the collector stage ( Fig.1 ).
  • the raw or flue gas flows in Fig.1 on the right into the ionization stage 1 and cleanly leaves the collector stage 3 upwards (in Fig.1 represented by two indicated arrows). This means that the raw or flue gas already is ionized by the ionization stage 1 and ionized enters the subsequent collector stage 3 .
  • the rod or tube 4 and thus the helical brush 5 consists as in Fig. 2 shown, from three sections, each offset, that are arranged axially to the collector tube 3 twisted by 120 °.
  • a rigid and parallel to the axis of the collector tube 3 on the inner wall of the collector tube 3 seated rail 6 is shown.
  • the rail 6 which is narrow-side or angularly directed radially to the axis, be an upright standing strip material with a rectangular cross-section or a pointed tube profile with triangular cross-section or a V-shaped angle.
  • a part of the flowing, electrically charged particles form a space charge cloud, with which the electrically charged particles are electrically accelerated toward the inner surface located on the electrical reference potential and deposited thereon upon impact and are electrically neutralized.
  • the electrically charged particles are at the located on an electrical reference potential inside Surface and also lying on a reference potential brush 5 deposited and electrically neutralized.
  • the helical brush 5 is rotated in each collector tube 3 at predetermined intervals, so that brushed off on the inner surface of a collector tube 3 and electrically neutralized particles brushed and brushed to the lowest area of a collector 2 .
  • the self-deposited on the helical brush 5 and electrically neutralized particles fall on the cleaning of the brush 5 on the rail 6 for this to the lowest lying area down.
  • the inner wall of the collector tube 3 is brushed free via the brush 5 and adjusted by the local heat transfer through the collector tube 3 to the environment, a temperature gradient from the center of the collector tube 3 ago.
  • suspended particles are thermophoretically accelerated towards the inner wall of the collector tube 3 via the collector tube in this zone.

Landscapes

  • Electrostatic Separation (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft die Kollektorstufe eines elektrostatischen Abscheiders.
  • Es werden Rauchgase aus Verbrennungskammern, Holzöfen oder sonstigen Holzverbrennungseinrichtungen, die für die Erwärmung eingesetzt werden, behandelt. Im elektrostatischen Abscheider wird das zu reinigende Rauchgas in die Ionisierungsstufe eingeleitet und durch das elektrische Feld zwischen einer Hochspannungselektrode und einer auf einem Bezugspotential, meist Erdpotential, liegenden Elektrode geströmt, in dem die Partikel über Koronaentladung an der Hochspannungselektrode elektrisch geladen werden. Beim Weiterströmen in die Kollektorstufe werden die geladenen Partikel dort auf der auf Bezugspotential liegenden Oberfläche abgeschieden und elektrisch neutralisiert, wobei elektrische Kräfte durch Raumladungsbildung aus geladenen Partikeln nach Austritt aus der Ionisierungsstufe und im Kollektorbereich die Ablagerung zusätzlich begünstigen.
  • Elektrostatische Abscheider werden ganz allgemein zur Gasreinigung eingesetzt. Das Verfahren der Aerosolaufsammlung in einem elektrostatischen Abscheider mit Raumladungsausbildung beruht auf der Partikelladung in einer Koronaentladung und der Abscheidung unipolar geladener Partikel entsprechend dem Feld ihrer eigenen Raumladung. Der Mechanismus der Abscheidung über Raumladung ist in [1] beschrieben.
  • Die Entwicklung und Anwendung der Raumladungsabscheider zur Aufsammlung von Partikeln aus Verbrennungsgasen wird in [2] vorgestellt. In dem elektrostatischen Abscheider gelangen die Verbrennungsgase durch den Ionisierer, in dem die Partikel in einer Koronaentladung geladen werden. Die Koronaentladung wird an der scharfen Kante der Hochspannungselektrode gebildet. Der Gaskanal ist geerdet. Die geladenen Partikel werden auf der inneren Oberfläche des Gasrohrs, dem Kollektorrohr, abgeschieden und gesammelt, hauptsächlich stromabwärts der Ionisierungsstufe.
  • Das Problem der trockenelektrostatischen Abscheider besteht in der notwendigen Reinigung der Abscheideelektroden. Stellt man den Vergleich zwischen dem konventionellen und dem elektrostatischen Abscheider mit Raumladung an, gelangt man zu der Ansicht, dass der elektrostatische Abscheider mit Raumladung Vorteile hat, insbesondere beim Austauschen und Reinigen des Kollektors, weil letzterer von der Ionisierungsstufe getrennt ist.
  • Der Kollektor der bekannten elektrostatischen Abscheider braucht Austausch und Reinigung, d.h. Reinigung des Kanals oder des Kanalrohrs, der Röhrenbündel und der Kollektorkammer. Deshalb muss der elektrostatische Abscheider oft abgeschaltet, geöffnet und geschlossen werden. Das erhöht die Betriebskosten des Abscheiders. Kompliziert den Aus- und Einbau der Einheit wie auch die Einstellung der Ionisierungsstufe und der Kollektorstufe.
  • Aus dem Stand der Technik sind Kollektorstufen mit Bürsten zur Abreinigung der Abscheideflächen bekannt. Derartige Kollektorstufen sind zum Beispiel in [3] oder [4] offenbart. [3] offenbart darüber hinaus, dass die Bürsten selbst als Abscheideflächen fungieren. Ein Nachteil hierbei ist, dass die Partikel, die sich zentral im Gasstrom zwischen zwei Wendeln der Bürste befinden, nicht abscheiden. Dieser Nachteil kann prinzipiell durch eine engere Wendelabstände konstruktiv gelöst werden, jedoch führt dies zu einer Erhöhung des Differenzdrucks im Kollektorrohr und dadurch zu einer Beeinträchtigung des als Schornsteineffekt bekannten, Strömungsverhaltens.
  • Ausgehend davon liegt die Aufgabe der Erfindung darin, eine Kollektorstufe vorzuschlagen, die die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen vermeidet. Insbesondere soll die Effizenz der Partikelabscheidung aus dem Gasstrom erhöht werden.
  • Gelöst wird diese Aufgabe im Hinblick auf die Kollekorstufe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird eine Kollektorstufe vorgeschlagen, bei der die Wendelbürste auf einer Achse mit mehreren Teilstücken angebracht ist, wobei die Teilstücke versetzt zueinander angeordnet sind. Die Wendelbürste besteht dabei aus einem aus mehreren Teilstücken versetzt zueinander angeordneten zentralen, koaxial zum Kollektorrohr sitzenden Stab oder Rohr, auf dessen äußerer Mantelfläche radial zur Wendelachse abstehende Bürstendrähte büschelartig sitzen, die mit ihrem freien Ende das Kollektorrohr berühren und die Innenwand bei Drehung der Bürste abbürsten. Zumindest die Innenwand des Kollektorrohrs und die darin sitzende Bürste liegen an einem gemeinsamen elektrischen Bezugspotential, meist Erdpotential. Die Bürste wirkt daher somit selbst auch als Abscheidefläche.
  • Die Bürste ist folglich eine wendelförmige Bürste in mehreren Teilstücken. Jedes dieser Teilstücke besteht aus einem Stab oder Rohr, das zentral bzw. koaxial zum Kollektorrohr in diesem angeordnet ist und auf deren äußeren Mantelfläche entlang einer wendelförmigen Linie büschelartig Bürstendrähte abstehen. Die Teilstücke sind axial hintereinander im Kollektorrohr angeordnet, wobei die abstehenden Bürstendrähte die Innenwandung des Kollektorrohres berühren. Die Teilstücke sind zum Kollektorrohr drehbar.
  • Die Teilstücke der wendelförmigen Bürste sind gegeneinander versetzt, d.h. winkelverdreht angeordnet (verdrehte Anordnung, d.h. die vorgenannte wendelförmige Linie der Wendelbürste auf den Mantelflächen wird durch den Übergang zwischen zwei Teilstücke unterbrochen und läuft mit einem Winkelversatz verdreht zum vorangegangenen Teilstück im nachfolgenden Teilstück weiter. Bei einem Übergang zwischen zwei Teilstücken kommt es zu einer Unstetigkeit der wendelförmigen Linie und damit der Wendelbürste, d.h. die in der Wendelbürste geführte Gasströmung erhält eine Umlenkung oder eine zusätzliche Strömungsstörung. Die versetzte Anordnung der Bürstensegmente bewirkt dabei, dass beim Durchströmen der Wendelbürste durch das partikelgeladene Gases Bürstenelemente, die als Abscheideflächen dienen, in den Strömungsweg des Gases gelangen und somit die Partikelabscheidung erhöhen. Dies geschieht ohne eine Erhöhung des Differenzdrucks im Kollektorrohr.
  • Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Kollektorstufe wird ein Verfahren zum Betreiben dieser in einer elektrostatischen Abscheiderstufe mit den folgenden Verfahrensschritten angegeben: Die in einer Koronaentladung des Ionisierers elektrisch geladenen Partikel des Rauchgases werden in die Kollektorstufe eingeströmt, in dem sich teilweise die elektrisch geladenen Partikel an der sich auf einem elektrischen Bezugspotential befindenden inneren Oberfläche ablagern und elektrisch neutralisiert werden; und teilweise die strömenden, elektrisch geladenen Partikel eine Raumladungswolke im Kollektor bilden, aus der die elektrisch geladenen Partikel auf die sich auf dem elektrischen Bezugspotential befindende innere Oberfläche hin elektrisch beschleunigen, bzw. darauf zu triften. Auch diese werden und beim Auftreffen und Ablagern darauf elektrisch neutralisiert.
  • Die wendelförmige Bürste ist aus elektrisch leitfähigem Material, vorzugsweise Metall- bzw. Stahldrähten hergestellt und wird in dem Kollektorrohr während der Gasströmung in vorgebbaren Zeitabständen gedreht, damit die auf der inneren Oberfläche des jeweiligen Kollektorrohrs abgelagerten und elektrisch neutralisierten Partikel abgebürstet und zu dem am tiefsten liegenden Bereich eines Kollektors hingebürstet werden. Die auf der wendelförmigen Bürste selbst abgelagerten und elektrisch neutralisierten Partikel fallen über die Reinigung der Bürste an der Schiene zur diesem am tiefsten liegenden Bereich hin ab.
  • In den Unteransprüchen 2 und 3 sind technische Maßnahmen beschrieben, die einen Langzeitbetrieb vorteilhaft unterstützen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispiels und der Figuren näher erläutert.
  • Fig.1 zeigt schematisch die Kollektorstufe eines elektrostatischen Abscheiders. Fig.2 zeigt drei Teilstücke der Wendelbürste, wobei die Achsen der Wendelbürstenabschnitte jeweils um 120° versetzt angeordnet sind.
  • Fig.1 zeigt die Kollektorstufe eines elektrostatischen Abscheiders bestehend aus einer Ionisierungsstufe 1 und der sich gasstromabwärts anschließenden, senkrecht stehenden Kollektorstufe 2. Die Ionisierungsstufe 1 ist nicht Erfindungsgegenstand, aber als ein zentraler Bestandteil des elektrostatischen Abscheiders in seiner Kontur angedeutet. In ihr wird durch einen Pfeil angedeutete Roh- oder Rauchgas eingeleitet und die Partikel darin in einer Koronaentladung aufgeladen. Die Kollektorstufe 2 besteht hier aus dem einen senkrecht stehenden Kollektorrohr 3, in dem die sich um den Stab oder das Rohr 4 die wie ein senkrecht gewundenes Band windende Bürste 5 koaxial zur Achse des Kollektorrohrs 3 lagert. Die Bürstendrähte der Bürste 5 sind aus einem elektrisch leitenden Material und ihre freien Enden berühren die innere Kollektorwand des Kollektorrohres 3 stets.
  • Die Ionisierungsstufe ist der Kollektorstufe vorgeschaltet ( Fig.1 ). Das Roh- oder Rauchgas strömt in Fig.1 rechts in die Ionisierungsstufe 1 ein und verlässt gereinigt die Kollektorstufe 3 nach oben (in Fig.1 durch zwei angedeutete Pfeile dargestellt). Dies bedeutet, dass das Roh- oder Rauchgas bereits durch die Ionisierungsstufe 1 ionisiert wird und ionisiert in die nachfolgende Kollektorstufe 3 eintritt.
  • Der Stab oder das Rohr 4 und damit die Wendelbürste 5 besteht dabei wie in Fig. 2 gezeigt, aus drei Teilstücken, die jeweils versetzt, d.h. axial zum Kollektorrohr 3 verdreht um 120° angeordnet sind.
  • In Fig.1 ist darüber hinaus zur Reinigung der Bürste 5 eine starr und parallel zur Achse des Kollektorrohres 3 auf der Innenwand des Kollektorrohrs 3 sitzende Schiene 6 gezeigt. Die Schiene 6, die schmalseitig oder kantig radial zur Achse gerichtet ist, ein hochkant stehendes Bandmaterial mit rechteckigem Querschnitt oder ein spitzes Rohrprofil mit dreieckigem Querschnitt oder ein v-förmiger Winkel sein.
  • Erläuternd dargestellt wird ein Verfahren zum Betreiben einer Kollektorstufe gemäß vorgenannten Beschreibung, d.h. eines elektrostatischen Abscheiders zur Reinigung von aus Verbrennungsprozessen entstandenem Rauchgas, wobei der Abscheider aus einer Ionisierungsstufe 1 mit Rauchgaseintritt und der sich gasstromabwärts anschließenden Kollektorstufe mit Reingasaustritt besteht. Das Verfahren besteht aus den folgenden Verfahrensschritten:
    • In einem ersten Verfahrensschritt strömen die in einer Koronaentladung der Ionisierungsstufe 1 elektrisch geladenen Partikel des Rauchgases in die Kollektorstufe 2 ein.
  • In dieser bilden ein Teil der strömenden, elektrisch geladenen Partikel eine Raumladungswolke aus, womit die elektrisch geladenen Partikel auf die sich auf dem elektrischen Bezugspotential befindende innere Oberfläche hin elektrisch beschleunigt werden und beim Auftreffen darauf ablagern und elektrisch neutralisiert werden. Die elektrisch geladenen Partikel werden an der sich auf einem elektrischen Bezugspotential befindenden inneren Oberfläche und den sich ebenfalls auf einem Bezugspotential liegenden Bürsten 5 abgelagert und elektrisch neutralisiert.
  • In der Kollektorstufe 2 wird die wendelförmige Bürste 5 in jedem Kollektorrohr 3 in vorgebbaren Zeitabständen gedreht, damit die auf der inneren Oberfläche eines Kollektorrohrs 3 abgelagerten und elektrisch neutralisierten Partikel abgebürstet und zu dem am tiefsten liegenden Bereich eines Kollektors 2 hingebürstet werden. Die auf der wendelförmigen Bürste 5 selbst abgelagerten und elektrisch neutralisierten Partikel fallen über die Reinigung der Bürste 5 an der Schiene 6 zur diesem am tiefsten liegenden Bereich hin ab.
  • Die Innenwand des Kollektorrohrs 3 wird über die Bürste 5 frei gebürstet und durch den dortigen Wärmeübergang durch das Kollektorrohr 3 zur Umgebung ein Temperaturgefälle vom Zentrum des Kollektorrohrs 3 her eingestellt. Zusätzlich werden über das Kollektorrohr in dieser Zone schwebende Partikel zur Innenwand des Kollektorrohrs 3 hin thermophoretisch beschleunigt.
    • Literatur:
    1. [1] J.R. Melcher, K.S. Sachar, E.P. Warren, Overview of Electrostatic Devices for Control of Submicrometric Particles, Proceedings of the IEEE, vol.65, No. 12, 1977, p.1659-1669
    2. [2] CH 694 645
    3. [3] DE 10 2008 012 151
    4. [4] DE 10 2008 049 211
    Bezugszeichenliste:
    • 1
    Ionisierungsstufe
    2
    Kollektorstufe
    3
    Kollektorrohr
    4
    Rohr
    5
    Bürste
    6
    Schiene

Claims (3)

  1. Kollektorstufe eines elektrostatischen Abscheiders zur Reinigung von aus Verbrennungsprozessen entstandenem Rauchgas, wobei die Kollektorstufe (2) mindestens einen Kollektor in Form eines Kollektorrohres (3) mit kreisförmig lichtem Querschnitt umfasst, in dem eine Bürste (5) drehbar gelagert in dem Kollektorrohr (3) sitzt, wobei die Bürste (5) eine wendelförmige Bürste ist, umfassend einen Stab oder ein Rohr (4), der bzw. das zentral, koaxial zum Kollektorrohr (3) angeordnet ist, auf dessen äußerer Mantelfläche abstehende Bürstendrähte büschelartig sitzen, die mit ihrem freien Ende die Innenwand des Kollektorrohres (3) streifend berühren, so dass bei Drehung der Bürste (5) auf der Innenwand des Kollektorrohrs (3) abgelagerte Partikel wegbürstbar sind, und wobei eine Schiene (6) in dem Kollektorrohr angebracht ist, wobei das Kollektorrohr und die Bürste an einem gemeinsamen elektrischen Bezugspotential liegen
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der zentrale, koaxial zum Kollektorrohr (3) sitzende Stab oder das Rohr (4) aus mindestens zwei Teilstücken mit jeweils einem Bürstensegment besteht und die Teilstücke winkelverdreht zueinander angeordnet sind.
  2. Kollektorstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrehungswinkel α= 360/n Grad beträgt, wobei n die Anzahl der Teilstücke ist und wobei der zentrale, koaxial zum Kollektorrohr (3) sitzende Stab oder das zentrale, koaxial zum Kollektorrohr (3) sitzende Rohr (4) aus n Teilstücken besteht.
  3. Kollektorstufe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Stirn des Stabes (4) oder des Rohres (4) ein Handantrieb oder ein Motorantrieb ansetzt.
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