EP4389289A1 - Vorrichtung und verfahren zum abscheiden von partikeln aus einem zu reinigenden gasstrom - Google Patents

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EP4389289A1
EP4389289A1 EP22214973.4A EP22214973A EP4389289A1 EP 4389289 A1 EP4389289 A1 EP 4389289A1 EP 22214973 A EP22214973 A EP 22214973A EP 4389289 A1 EP4389289 A1 EP 4389289A1
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EP
European Patent Office
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electrode
perforated plate
cleaned
ionization
bore
Prior art date
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Application number
EP22214973.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Olaf SCHÄFER-WELSEN
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • B03C2201/12—Cleaning the device by burning the trapped particles

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for separating particles from a gas stream to be cleaned according to the preamble of claim 1 and claim 10, respectively.
  • Electrostatic particle separators are known for separating particles from a gas stream that is to be cleaned.
  • wet electrostatic precipitators the gas stream that is to be cleaned is brought to a saturated state. This usually happens by energy-intensive cooling of the entire gas stream below the dew point or alternatively by injecting larger quantities of water.
  • Such electrostatic particle separators usually have a flow channel for the gas flow to be cleaned. Furthermore, at least one ionization electrode, usually in the form of a spray electrode designed as a high-voltage electrode, and at least one precipitation electrode are provided.
  • the particles in the gas flow to be cleaned are strongly charged in the electric field between the ionization electrode and the precipitation electrode. This charging process usually occurs when passing through a high-energy non-equilibrium plasma between the spray electrode and the precipitation electrode.
  • the charged particles usually have a negative charge and are attracted to the precipitation electrode.
  • the particles accumulate on the precipitation electrode, so that the precipitation electrode has to be cleaned at regular intervals.
  • Such a device is described, for example, in the publication EN 10 2015 104168 A1 described.
  • electrostatic precipitators are also known, which charge the particles positively and apply a correspondingly analogous principle.
  • the collecting electrode of the particle separator is usually located downstream of the spray electrode or in close proximity to the spray electrode, so that the particles not only accumulate on the collecting electrode, but also on the spray electrode. This also causes the spray electrode to become dirty, so that the performance of the particle separator decreases over time.
  • the invention is therefore based on the object of proposing a device and a method for separating particles from a gas stream to be cleaned, which operates in an energy-efficient manner and reduces the contamination of the spray electrode.
  • the device according to the invention for separating particles from a gas stream to be cleaned comprises - as is known per se - at least one ionization electrode and at least one precipitation electrode, the precipitation electrode being formed with a perforated plate with at least one bore. Furthermore, a voltage can be applied between the ionization electrode and the precipitation electrode to form a stable plasma.
  • the collecting electrode is designed and arranged in the flow path of the gas flow to be cleaned and in cooperation with the ionization electrode in such a way that the gas flow to be cleaned flows through at least one bore of the collecting electrode.
  • Plasma which forms when a voltage is applied between the ionization electrode and the precipitation electrode, completely covers at least one hole in the perforated plate of the precipitation electrode.
  • the precipitation electrode also extends downstream of the perforated plate in the flow path of the gas stream to be cleaned.
  • the invention is based on the applicant's finding that, due to the arrangement according to the invention, the entire gas flow to be cleaned and thus each particle must pass through the plasma between the ionization electrode and the perforated plate of the collecting electrode and is thereby reliably charged.
  • particles refers to both solid particles in the gas stream to be cleaned and aerosols.
  • the device according to the invention thus differs in essential aspects from previously known devices: Due to the inventive arrangement of the collecting electrode and ionization electrode in the flow path of the gas flow to be cleaned, a plasma discharge cone is formed between the ionization electrode and the at least one hole in the perforated plate of the collecting electrode.
  • the plasma discharge cone forms from the tip of the spray electrode to the edge of the hole and completely covers the hole.
  • the gas flow to be cleaned flows through this at least one hole, which is completely covered by the plasma.
  • every particle in the gas flow to be cleaned is reliably charged and attracted to the collecting electrode, which extends further downstream of the perforated plate in the flow path of the gas flow to be cleaned.
  • the device has an inflow chamber and an outflow chamber which are fluidically connected to one another, with the perforated plate of the collecting electrode being arranged in the flow path between the inflow and outflow channels.
  • the gas flow to be cleaned thus first flows into the inflow chamber and then passes through the perforated plate of the collecting electrode into the outflow chamber.
  • plasma discharge cones are created.
  • each particle of the gas flow to be cleaned is captured by the plasma and charged.
  • a free jet is generated that impacts on an opposite wall of the outflow chamber and creates a stagnation point flow there. If a free jet flow encounters an obstacle, such as the opposite wall of the outflow chamber, the flow builds up and deviates to the side. This creates a stagnation point area with a stagnation point at which the speed perpendicular to the obstacle is zero. This is the so-called stagnation point.
  • the ionization electrode is preferably arranged at the stagnation point. This has the advantage that the speed of the flow at the ionization electrode is zero and no particles accumulate.
  • the stagnation point depends on the geometry of the bore and is located on the symmetry axis of the bore.
  • the ionization electrode is therefore preferably arranged centrally to the bore.
  • the perforated plate has a plurality of holes.
  • an ionization electrode is provided for each hole.
  • each ionization electrode is arranged centrally to the hole at a distance from the stagnation point of the hole.
  • the device has a collecting electrode with more than 10 holes and more than 10 corresponding spray electrodes.
  • the spray electrodes are preferably in matrix form
  • the ionization electrode is particularly preferably designed with 64 spray electrodes in the form of pins. Each of the 64 pins is assigned a hole in the perforated plate of the precipitation electrode, so that the pin is arranged at a distance from, but centrally to, the hole.
  • the perforated plate is thus designed with 64 holes.
  • the device has an inflow and an outflow chamber, which are fluidically connected to one another, wherein the perforated plate of the precipitation electrode is arranged in the flow path between the inflow and outflow chambers.
  • the gas flow to be cleaned flows through the holes of the precipitation electrode as described above. At this point, ionized particles are already deposited on the holes of the precipitation electrode.
  • the precipitation electrode also has a precipitation region without holes, which extends into the outflow chamber in such a way that the precipitation region of the precipitation electrode and the ionization electrode are arranged at a distance from one another. The particles that have not already deposited on the holes are attracted to the precipitation region of the precipitation electrode and deposit there.
  • the precipitation area of the precipitation electrode and the ionization electrode are arranged at a distance from each other, the particles from the gas flow are attracted away from the ionization electrode towards the precipitation electrode. This has the advantage that the ionization electrode becomes less contaminated.
  • the precipitation region of the precipitation electrode is part of a wall of the outflow chamber.
  • the surface of the collecting electrode is coated at least in some areas, preferably with a catalyst.
  • the catalyst is, for example, a Mn 2 O 3 catalyst for the oxidation of soot particles.
  • the respective catalyst depends on the chemical properties of the particles in the gas stream to be cleaned. This results in the advantage that the accumulating particles can be treated accordingly.
  • the ionization electrode is designed as a spray electrode as described.
  • a spray electrode is a high-voltage electrode, which is preferably needle-shaped and pointed and is preferably made of a material that can be operated permanently and stably in the plasma, for example a low-carbon stainless steel.
  • the surface temperature of the precipitation electrode is adjustable.
  • the precipitation electrode is either heated or cooled or kept at a constant temperature. This results in the advantage that physical effects on the surface of the precipitation electrode such as evaporation or condensation of liquids or chemical effects such as oxidation reactions or catalytic reactions can be specifically initiated or controlled.
  • the collecting electrode is at least partially designed as a thermal diode or is in thermal contact with a thermal diode.
  • thermal diode refers to a thermal component that conducts heat in one direction and blocks it in the other direction.
  • the collecting electrode can be designed in the form of a heat pipe or using a heat pipe. This has the advantage that a large amount of heat can be dissipated with a low temperature gradient.
  • the flow of the gas stream to be cleaned near the wall in the area of the collecting electrode is cooled below the dew point of the gas stream to be cleaned.
  • This causes condensate to form on the collecting electrode, which serves to transport the separated particles away and continuously cleans the collecting electrode.
  • This has the advantage that not - as with solutions known from the state of the art - the entire gas stream to be cleaned is brought to a saturated state by energy-intensive cooling, but only the flow near the wall. This makes the device significantly more energy efficient.
  • chemical reactions can be specifically initiated or controlled by coating the surface or injecting a liquid.
  • the collecting electrode can have a macroscopic and/or microscopic structuring of the surface of the collecting electrode, at least in some areas.
  • the surface is preferably structured in such a way that the liquid film with the deposited particles drains off easily.
  • the surface of the precipitation electrode has a macroscopic and/or microscopic structure so that a very thin liquid film can form and at the same time the distance between the electrodes is not reduced so much that the plasma in these areas turns over and voltage breakdowns occur.
  • the device comprises means for introducing liquid into the region of the collecting electrode and/or into the gas stream to be cleaned.
  • the liquid can be injected, for example, to rinse the collecting electrode.
  • liquid can be injected to saturate the gas stream.
  • the device preferably comprises a liquid circuit, in particular using capillaries and/or capillary-acting structures.
  • the previously described object is further achieved by the method according to claim 9.
  • the method according to the invention for separating particles from a gas stream to be cleaned is carried out, as is known per se, with an electrostatic particle separator with at least one ionization electrode and at least one precipitation electrode.
  • the precipitation electrode is formed with a perforated plate with at least one bore.
  • a voltage is applied between the ionization electrode and the precipitation electrode to form a stable plasma. This creates plasma discharge cones that form between the ionization electrode and the edge of the bore of the precipitation electrode.
  • the gas flow to be cleaned is guided through at least one hole.
  • the plasma is passed between the at least one hole of the Perforated plate of the precipitation electrode and the ionization electrode.
  • the plasma completely covers at least one hole in the perforated plate of the precipitation electrode.
  • the gas flow to be cleaned therefore necessarily passes through the plasma so that all particles are ionized.
  • the method according to the invention also has the above-described advantages of the device according to the invention or of a preferred embodiment of the device according to the invention.
  • the method according to the invention is preferably carried out by means of the device according to the invention and/or a preferred embodiment of the device according to the invention.
  • the device according to the invention is preferably designed to carry out the method according to the invention and/or a preferred embodiment of the method according to the invention.
  • the perforated plate comprises a plurality of bores and the same number of ionization electrodes, wherein each ionization electrode is assigned to a bore, so that the stable plasma is formed between a bore and the associated ionization electrode.
  • the gas stream to be cleaned flows through the perforated plate of the collecting electrode from an inflow chamber into an outflow chamber.
  • the flow through the perforated plate generates a stagnation point flow, particularly preferably the flow through the perforated plate generates a stagnation point flow whose stagnation point is at the tip of the ionization electrode.
  • a free jet is generated which impacts on the opposite wall of the outflow chamber and generates a stagnation point flow there. At this point, the flow stagnates and deviates to the side.
  • particles of the gas flow to be cleaned come into contact with the ionization electrodes. However, these particles are then so strongly charged that they do not precipitate there, but rather move in the direction of the precipitation electrode due to the low flow velocity at the stagnation point in this area due to the applied high-voltage field.
  • the collecting electrode is cleaned, preferably by introducing liquid in the region of the collecting electrode, particularly preferably by injecting liquid onto the collecting electrode and/or into the gas stream to be cleaned.
  • At least the surface of the collecting electrode is tempered at least in some regions, preferably that the collecting electrode is cooled or heated or that the temperature is kept constant.
  • the flow of the gas stream to be cleaned near the wall in the area of the collecting electrode is cooled below the dew point of the gas stream to be cleaned.
  • This causes condensate to form on the collecting electrode, which serves to transport the separated particles away and continuously cleans the collecting electrode.
  • This has the advantage that not - as with solutions known from the state of the art - the entire gas stream to be cleaned is brought to a saturated state by energy-intensive cooling, but only the flow near the wall. This makes the device significantly more energy efficient.
  • chemical reactions can be specifically initiated or controlled by coating the surface or injecting a liquid.
  • the particles in the gas stream to be cleaned are accelerated after passing through the plasma towards the precipitation electrode and away from the ionization electrodes. This After passing through the plasma discharge cone, particles are so strongly charged that they do not precipitate on the ionization electrode, but move towards the precipitation electrode due to the low flow velocity at the stagnation point in this area and the applied high-voltage field.
  • the liquid for cleaning the precipitation electrode is guided in a liquid circuit, preferably by means of capillaries and/or capillary-acting structures. This has the advantage that the liquid with the particles is guided in a closed system and potentially health- or environmentally hazardous contaminants are not released into the environment in an uncontrolled manner.
  • the device and method according to the invention are particularly suitable for separating fine dust.
  • the solution according to the invention is significantly less energy-intensive than comparable technologies and avoids contamination of the high-voltage electrode, which is used as an ionization electrode. This is a significant advantage for continuous operation. Due to the design according to the invention, there is only a small pressure loss compared to other separation technologies, so that subsequent integration into existing systems without extensive modifications is possible and sensible.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a device according to the invention for separating particles from a gas stream to be cleaned.
  • the device is designed as an electrostatic particle separator.
  • the device for separating particles comprises at least one ionization electrode 1 and at least one precipitation electrode 2.
  • the ionization electrode 1 is in the form of a high-voltage electrode as a spray electrode. A voltage is applied between the ionization electrode 1 and the precipitation electrode 2 to form a stable plasma.
  • the collecting electrode is provided with a perforated plate 3, see Figure 3a , which has at least one bore 4.
  • Figure 1 For the sake of simplicity, only one hole 4 is shown. However, it is also within the scope of the invention that a plurality of holes 4 are provided, see Figure 3a .
  • a plasma discharge cone 5 is created between the ionization electrode/spray electrode 1 and the edge of the bore 4, see Figure 2 which completely covers the bore 4.
  • the spray electrode 1 is arranged centrally and at a distance from the center of the bore 4.
  • the hole 4 has a diameter of 4 mm.
  • the distance between the spray electrode 1 and the center of the hole 4 is 10 mm.
  • the precipitation electrode extends further around the hole 4 and has precipitation areas 2a, 2b without holes. These precipitation areas have an area that is approximately the same as the area with holes. However, the precipitation areas without holes can also be larger if this is necessary for the task of separating very small particles.
  • the perforated plate 3 with holes is rectangular and has a width of 10 cm and a length of 5 cm.
  • the precipitation areas 2a, 2b without holes also have a width of 10 cm and a length of 4 cm.
  • the height of the channel is 14 mm.
  • the pins of the spray electrode protrude 4 mm into the channel. The distance between the tips of the pins of the ionization electrode and the corresponding center of a hole is therefore 10 mm.
  • the particles in the gas stream to be cleaned pass through the bore 4 and are strongly charged in the plasma, i.e. the electric field between the spray electrode and the collecting electrode. In this case, the particles therefore have a negative charge and are attracted to the collecting electrode 2. Some of the particles settle on the collecting electrode at the edge of the bore 4, and some of the particles settle on the collecting areas 2a, 2b of the collecting electrode 2.
  • the plasma discharge cone between the spray electrode and the collecting electrode is shown.
  • the plasma discharge cone forms between the edge of the bore 4 and the tip of the spray electrode 1.
  • the spray electrode 1 is designed as a metal tip made of low-carbon stainless steel.
  • the spray electrode 1 has a certain shape, as for example in the EN 10 2015 104 168 A1 described to prevent dripping of accumulating liquid on the spray electrode without contaminating the tip of the spray electrode 1.
  • Figure 3 with the partial figures 3a and 3b shows the flow path of the gas flow 6 to be cleaned.
  • the device has an inflow chamber 8 and an outflow chamber 9, which are fluidically connected to one another.
  • the gas flow 6 to be cleaned flows from the right into the inflow chamber 8 arranged below.
  • the collecting electrode 2 is arranged between the inflow chamber 8 and the outflow chamber 9 in the flow path of the gas flow 6 to be cleaned.
  • the collecting electrode 2 here has 64 bores 4.
  • a spray electrode 1 with 64 pins is arranged above the area of the collecting electrode 2 with bores 4, in such a way that a pin 1 is assigned to each bore 4, so that the respective pin 1a, 1b, 1c is arranged centrally and at a distance from the bore 4.
  • the individual pins of the spray electrode are very sharp needles made of stainless steel, which are connected to a high-resistance series resistor and protrude only a few millimeters from the spray electrode 1, in this case approx. 4 mm.
  • each particle of the gas stream 6 to be cleaned passes through a plasma discharge cone 5 between the spray electrode 1 and the associated bore 4, as shown in Figure 2 shown.
  • the spray electrode 1 is arranged at the stagnation point 7, so that at the tip of the spray electrode 1 the flow velocity is zero and no Particles accumulate on the tip of the spray electrode. This prevents or significantly reduces contamination of the spray electrode 1.
  • the position of the stagnation point 7 depends on the geometry of the bore 7 through which the flow 6 passes. In this case, the stagnation point 7 is located on the axis of symmetry of the bore 4. The bore 4 is round in this case. The stagnation point 7 is thus located on the axis of symmetry of the bore 4, centrally spaced from the center of the bore 4 on the wall of the outflow chamber 9.
  • Figure 4 shows the path of the particles 11 after passing through the hole 4.
  • the particles 11 are ionized when passing through the hole 4 and thus the plasma discharge cone 5, ie are negatively charged.
  • the negatively charged particles 11 are attracted to the positively charged precipitation area 2a, 2b of the precipitation electrode 2.
  • the particles 11 therefore do not migrate towards the spray electrode 1, but are deflected and deposit on the precipitation areas 2a, 2b of the precipitation electrode 2.
  • Figure 5 shows an embodiment of the invention with a liquid film on the precipitation areas 2a, 2b of the precipitation electrode 2.
  • Figure 6 shows an embodiment with precipitation areas 2a, 2b of the precipitation electrode 2, which are coated with a catalyst 13.
  • the catalyst material for example a Mn 2 O 3 coating for soot oxidation, depends on the application and the application temperature.
  • the catalytic effect can directly change the chemical conversion of the particles to be deposited, or also act on the chemical composition of the species in the gas phase.
  • the precipitation electrode is designed to be temperature-controlled, ie the precipitation regions 2a, 2b of the precipitation electrode 2 can be heated or cooled or kept at a selected temperature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abscheiden von Partikeln (11) aus einem zu reinigenden Gasstrom (6) mit zumindest einer Ionisierungselektrode (1) und zumindest einer Niederschlagselektrode (2), wobei die Niederschlagselektrode (2) mit einem Lochblech (3) mit zumindest einer Bohrung (4) ausgebildet ist und zwischen der Ionisierungselektrode (1) und der Niederschlagselektrode (2) eine Spannung zur Bildung eines stabilen Plasmas anlegbar ist. Wesentlich ist, dass die Niederschlagselektrode (2) derart ausgebildet und im Strömungsweg des zu reinigenden Gasstroms (6) mit der Ionisierungselektrode (1) zusammenwirkend angeordnet ist, dass der zu reinigende Gasstrom (6) durch die zumindest eine Bohrung (4) strömt, wobei das Plasma die zumindest eine Bohrung (4) des Lochblechs (3) der Niederschlagselektrode (2) vollständig abdeckt, und sich die Niederschlagselektrode (2) stromabwärts des Lochblechs (3) im Strömungsweg des zu reinigenden Gasstroms (6) erstreckt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Abscheiden von Partikeln aus einem zu reinigenden Gasstrom gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 10.
  • Zur Abscheidung von Partikeln aus einem zu reinigenden Gasstrom sind elektrostatische Partikelabscheider bekannt. Hier wird zwischen trocken arbeitenden Systemen - ggf. mit Einspritzung von Flüssigkeiten - und nass arbeitenden Partikelabscheidern wie Nasselektrofiltern unterschieden. Bei solchen Nasselektrofiltern wird der zu reinigende Gasstrom in einen gesättigten Zustand gebracht. Dies passiert üblicherweise durch ein energieintensives Abkühlen des gesamten Gasstroms unter den Taupunkt oder alternativ durch Einspritzung von größeren Wassermengen.
  • Solche elektrostatischen Partikelabscheider weisen üblicherweise einen Strömungskanal für den zu reinigenden Gasstrom auf. Weiter sind zumindest eine lonisierungselektrode, üblicherweise in Form einer als Hochspannungselektrode ausgebildeten Sprühelektrode, sowie zumindest eine Niederschlagselektrode vorgesehen. Die Partikel in dem zu reinigenden Gasstrom werden in dem elektrischen Feld zwischen der lonisierungselektrode und der Niederschlagselektrode stark aufgeladen. Dieser Aufladevorgang passiert üblicherweise beim Durchqueren eines hochenergetischen Nichtgleichwichts-Plasmas zwischen Sprühelektrode und Niederschlagselektrode. Die aufgeladenen Partikel weisen üblicherweise eine negative Ladung auf und werden von der Niederschlagselektrode angezogen. Die Partikel lagern sich an der Niederschlagselektrode an, sodass die Niederschlagselektrode in regelmäßigen Abständen gereinigt werden muss. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2015 104168 A1 beschrieben.
  • Alternativ zu dem beschriebenen Mechanismus sind auch Elektrofilter bekannt, welche die Partikel positiv aufladen und ein entsprechend analoges Prinzip anwenden.
  • Nachteilig an solchen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist zum einen, wie bereits erwähnt, der energieintensive Betrieb. Darüber hinaus ist die Niederschlagselektrode des Partikelabscheiders üblicherweise stromabwärts der Sprühelektrode bzw. in räumlicher Nähe zu der Sprühelektrode angeordnet, sodass sich die Partikel nicht nur auf der Niederschlagselektrode, sondern auch an der Sprühelektroden anlagern. Dadurch verschmutzt auch die Sprühelektrode, sodass die Leistungsfähigkeit des Partikelabscheiders mit der Zeit abnimmt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Abscheidung von Partikeln aus einem zu reinigenden Gasstrom vorzuschlagen, welches energieeffizient arbeitet und die Verschmutzung der Sprühelektrode reduziert.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung finden sich in den Ansprüchen 2 bis 9. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 11 bis 15. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abscheidung von Partikeln aus einem zu reinigenden Gasstrom umfasst - wie an sich bekannt - zumindest eine lonisierungselektrode und zumindest eine Niederschlagselektrode, wobei die Niederschlagselektrode mit einem Lochblech mit zumindest einer Bohrung ausgebildet ist. Weiter ist zwischen der lonisierungselektrode und der Niederschlagselektrode eine Spannung zur Bildung eines stabilen Plasmas anlegbar.
  • Wesentlich ist, dass die Niederschlagselektrode derart ausgebildet und im Strömungsweg des zu reinigenden Gasstroms und mit der lonisierungselektrode zusammenwirkend angeordnet ist, dass der zu reinigende Gasstrom durch die zumindest eine Bohrung der Niederschlagselektrode strömt. Dabei deckt das Plasma, das sich bei Anlegen einer Spannung zwischen der lonisierungselektrode und der Niederschlagselektrode bildet, die zumindest eine Bohrung des Lochblechs der Niederschlagselektrode vollständig ab. Weiter erstreckt sich die Niederschlagselektrode stromabwärts des Lochblechs im Strömungsweg des zu reinigenden Gasstroms.
  • Die Erfindung ist in der Erkenntnis der Anmelderin begründet, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung der gesamte zu reinigende Gasstrom und damit jedes Partikel durch das Plasma zwischen lonisierungselektrode und Lochblech der Niederschlagselektrode hindurchtreten muss und dadurch zuverlässig aufgeladen wird.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung werden unter dem Begriff "Partikel" sowohl Feststoffteilchen in dem zu reinigenden Gasstrom als auch Aerosole verstanden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich somit in wesentlichen Aspekten von vorbekannten Vorrichtungen: Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Niederschlagselektrode und lonisierungselektrode im Strömungsweg des zu reinigenden Gasstroms bildet sich zwischen der lonisierungselektrode und der zumindest einen Bohrung im Lochblech der Niederschlagselektrode ein Plasmaentladungskegel. Der Plasmaentladungskegel bildet sich von der Spitze der Sprühelektrode zum Rand der Bohrung und deckt die Bohrung vollständig ab. Der zu reinigende Gasstrom strömt durch diese zumindest eine Bohrung, welche von dem Plasma vollständig abgedeckt wird. Dadurch wird jedes Partikel in dem zu reinigenden Gasstrom zuverlässig aufgeladen und von der Niederschlagselektrode, die sich weiter stromabwärts des Lochblechs im Strömungsweg des zu reinigenden Gasstroms erstreckt, angezogen.
  • Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass sich die Partikel nicht an der lonisierungselektrode anlagern, sondern wie beschrieben zur Niederschlagselektrode wandern. Dies reduziert die Verschmutzung der lonisierungselektrode deutlich. Dies ist insbesondere für den Dauerbetrieb ein wesentlicher Vorteil.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Einströmungskammer und eine Ausströmungskammer auf, welche fluidisch miteinander verbunden sind, wobei das Lochblech der Niederschlagselektrode im Strömungsweg zwischen Einströmungs- und Ausströmungskanal angeordnet ist. Der zu reinigende Gasstrom strömt somit zunächst in die Einströmungskammer und tritt dann durch das Lochblech der Niederschlagselektrode in die Ausströmungskammer. Wie oben beschrieben, entstehen bei Anlegen einer Spannung zwischen der lonisierungselektrode und den Rändern der Bohrungen der Niederschlagselektrode Plasmaentladungskegel. Beim Hindurchtreten durch das Lochblech der Niederschlagselektrode wird also jedes Partikel des zu reinigenden Gasstroms von dem Plasma erfasst und aufgeladen.
  • Bei der Durchströmung der zumindest einen Bohrung des Lochblechs der Niederschlagselektrode wird ein Freistrahl erzeugt, der auf eine gegenüberliegende Wand der Ausströmungskammer aufprallt und dort eine Staupunktströmung erzeugt. Trifft eine Freistrahlströmung auf ein Hindernis, wie z. B. die gegenüberliegende Wand der Ausströmungskammer, staut sich die Strömung auf und weicht seitlich aus. Dadurch entsteht ein Staupunktgebiet mit einem Staupunkt, an dem die Geschwindigkeit senkrecht zum Hindernis gleich Null ist. Dies ist der sogenannte Staupunkt. Vorzugsweise ist die lonisierungselektrode im Staupunkt angeordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Geschwindigkeit der Strömung an der lonisierungselektrode gleich Null ist und sich keine Partikel anlagern.
  • Der Staupunkt ist abhängig von der Geometrie der Bohrung und befindet sich auf der Symmetrieachse der Bohrung. Die lonisierungselektrode ist daher vorzugsweise zentrisch zu der Bohrung angeordnet.
  • Vorzugsweise weist das Lochblech eine Vielzahl an Bohrungen auf. Insbesondere bevorzugt ist zu jeder Bohrung eine lonisierungselektrode vorgesehen. Insbesondere bevorzugt ist jede lonisierungselektrode zentrisch zu der Bohrung beabstandet im Staupunkt der Bohrung angeordnet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Niederschlagselektrode mit mehr als 10 Bohrungen und mehr als 10 korrespondierende Sprühelektroden auf. Bevorzugt sind die Sprühelektroden in Matrixform angeordnet. Insbesondere bevorzugt ist die lonisierungselektrode mit 64 Sprühelektroden in Form von Pins ausgebildet. Jedem der 64 Pins ist eine Bohrung in dem Lochblech der Niederschlagselektrode zugeordnet, sodass der Pin beabstandet, aber zentrisch zu der Bohrung angeordnet ist. Das Lochblech ist somit mit 64 Bohrungen ausgebildet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Einströmungs- und eine Ausströmungskammer auf, welche fluidisch miteinander verbunden sind, wobei das Lochblech der Niederschlagselektrode im Strömungsweg zwischen Einströmungs- und Ausströmungskammer angeordnet ist. Der zu reinigende Gasstrom durchströmt wie oben beschrieben die Bohrungen der Niederschlagselektrode. Bereits an diesem Punkt lagern sich ionisierte Partikel an den Bohrungen der Niederschlagselektrode an. Die Niederschlagselektrode weist weiter einen Niederschlagsbereich ohne Bohrungen auf, welcher sich derart in der Ausströmungskammer erstreckt, sodass der Niederschlagsbereich der Niederschlagselektrode und die lonisierungselektrode voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Partikel, die sich nicht bereits an den Bohrungen angelagert haben, werden von dem Niederschlagsbereich der Niederschlagselektrode angezogen und lagern sich dort an.
  • Da der Niederschlagsbereich der Niederschlagselektrode und die lonisierungselektrode voneinander beabstandet angeordnet sind, werden die Partikel aus dem Gasstrom von der lonisierungselektrode weg hin zur Niederschlagselektrode angezogen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die lonisierungselektrode weniger verschmutzt.
  • Bevorzugt ist der Niederschlagsbereich der Niederschlagselektrode Teil einer Wand der Ausströmungskammer.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche der Niederschlagselektrode zumindest bereichsweise beschichtet, vorzugsweise mit einem Katalysator. Bei dem Katalysator handelt es sich beispielsweise um einen Mn2O3-Katalysator zur Oxidation von Russpartikeln. Der jeweilige Katalysator ist abhängig von den chemischen Eigenschaften der Partikel in dem zu reinigenden Gasstrom. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die sich anlagernden Partikel entsprechend behandelt werden können.
  • Bevorzugt ist die lonisierungselektrode wie beschrieben als Sprühelektrode ausgebildet. Bei einer Sprühelektrode handelt es sich um eine Hochspannungselektrode, die bevorzugt nadelförmig spitz ausgeführt ist und vorzugsweise aus einem Material gefertigt ist, das dauerhaft stabil im Plasma betrieben werden kann, zum Beispiel einem kohlenstoffarmen Edelstahl.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Oberflächentemperatur der Niederschlagselektrode einstellbar. Hier liegt es ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass die Niederschlagselektrode entweder erwärmt oder gekühlt oder auf einer konstanten Temperatur gehalten wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass physikalische Effekte auf der Oberfläche der Niederschlagselektrode wie Verdampfen oder Kondensieren von Flüssigkeiten oder chemische Effekte wie Oxidationsreaktionen oder katalytische Reaktionen gezielt initiiert bzw. gesteuert werden können.
  • Vorzugsweise ist die Niederschlagselektrode zumindest teilweise als thermische Diode ausgebildet oder steht in thermischem Kontakt mit einer thermischen Diode. Unter dem Begriff "thermische Diode" wird ein thermisches Bauelement verstanden, welches Wärme in eine Richtung leitet und in die andere Richtung sperrt. Beispielsweise kann die Niederschlagselektrode in Form eines Wärmerohrs oder unter Einsatz eines Wärmerohrs ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine große Wärmemenge mit geringem Temperaturgradienten abgeführt werden kann.
  • Wird die Oberfläche der Niederschlagselektrode gekühlt, wird dadurch die wandnahe Strömung des zu reinigenden Gasstroms im Bereich der Niederschlagselektrode unter den Taupunkt des zu reinigen Gasstroms abgekühlt. Dadurch bildet sich auf der Niederschlagselektrode ein Kondensat, welches zum Abtransport der abgeschiedenen Partikel dient und die Niederschlagselektrode kontinuierlich reinigt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass nicht - wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen - der gesamte zu reinigende Gasstrom durch energieintensives Abkühlen in einen gesättigten Zustand gebracht wird, sondern lediglich die wandnahe Strömung. Dadurch arbeitet die Vorrichtung deutlich energieeffizienter.
  • Wird die Oberfläche der Niederschlagselektrode erwärmt, können beispielsweise chemische Reaktionen mit einer Beschichtung der Oberfläche oder einer eingespritzten Flüssigkeit gezielt initiiert bzw. gesteuert werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Niederschlagselektrode zumindest bereichsweise eine makroskopische und/oder mikroskopische Strukturierung der Oberfläche der Niederschlagselektrode auf. Vorzugsweise ist die Oberfläche derart strukturiert, dass der Flüssigkeitsfilm mit den abgelagerten Partikeln gut abläuft.
  • Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche der Niederschlagselektrode eine makroskopische und/oder mikroskopische Strukturierung aufweist, sodass sich ein sehr dünner Flüssigkeitsfilm ausbilden kann und sich gleichzeitig der Abstand zwischen den Elektroden nicht so stark verringert, dass das Plasma in diesen Bereichen umschlägt und es zu Spannungsdurchbrüchen kommt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung Mittel zum Einbringen von Flüssigkeit im Bereich der Niederschlagselektrode und/oder in den zu reinigenden Gasstrom. Die Flüssigkeit kann beispielsweise eingespritzt werden, um die Niederschlagselektrode zu spülen. Alternativ oder zusätzlich kann Flüssigkeit eingespritzt werden, um den Gasstrom zu sättigen. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung einen Flüssigkeitskreislauf, insbesondere unter Einsatz von Kapillaren und/oder kapillarwirkenden Strukturen.
  • Die zuvor beschriebene Aufgabe ist weiter gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 9. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abscheiden von Partikeln aus einem zu reinigenden Gasstrom wird, wie an sich bekannt, mit einem elektrostatischen Partikelabscheider mit zumindest einer lonisierungselektrode und zumindest einer Niederschlagselektrode durchgeführt. Die Niederschlagselektrode ist mit einem Lochblech mit zumindest einer Bohrung ausgebildet. Zwischen der lonisierungselektrode und der Niederschlagselektrode wird eine Spannung zur Bildung eines stabilen Plasmas angelegt. Dadurch entstehen Plasmaentladungskegel, die sich zwischen der lonisierungselektrode und dem Rand der Bohrung der Niederschlagselektrode bilden.
  • Wesentlich ist, dass der zu reinigende Gasstrom durch die zumindest eine Bohrung geführt wird. Das Plasma wird zwischen der zumindest einen Bohrung des Lochblechs der Niederschlagselektrode und der lonisierungselektrode ausgebildet. Dabei deckt das Plasma die zumindest eine Bohrung des Lochblechs der Niederschlagselektrode vollständig ab. Somit, durchtritt der zu reinigende Gasstrom zwingend das Plasma, sodass alle Partikel ionisiert werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist ebenfalls die oben beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt. Ebenso ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Lochblech eine Vielzahl Bohrungen und die gleiche Anzahl lonisierungselektroden, wobei jede lonisierungselektrode einer Bohrung zugeordnet ist, sodass das stabile Plasma jeweils zwischen einer Bohrung und der zugeordneten lonisierungselektrode gebildet wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens fließt der zu reinigende Gasstrom durch das Lochblech der Niederschlagselektrode aus einer Einströmungskammer in eine Ausströmungskammer. Bevorzugt wird durch die Durchströmung des Lochblechs eine Staupunktströmung erzeugt, insbesondere bevorzugt, dass durch die Durchströmung des Lochblechs eine Staupunktströmung erzeugt wird, deren Staupunkt an der Spitze der lonisierungselektrode liegt. Bei der Durchströmung der zumindest einen Bohrung des Lochblechs der Niederschlagselektrode wird ein Freistrahl erzeugt, der auf die gegenüberliegende Wand der Ausströmungskammer aufprallt und dort eine Staupunktströmung erzeugt. In diesem Punkt staut sich die Strömung auf und weicht seitlich aus. Dadurch entsteht ein Staupunktgebiet mit einem Staupunkt, an dem die Geschwindigkeit senkrecht zum Hindernis, d. h. zu der Wand vorliegend, gleich Null ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die lonisierungselektrode nicht verschmutzt wird, da die Partikel die lonisierungselektrode nicht erreichen.
  • Zwar liegt es auch im Rahmen der Erfindung, dass Partikel des zu reinigenden Gasstroms in Kontakt mit den lonisierungselektroden kommen. Diese Partikel sind aber dann so stark aufgeladen, dass sie dort nicht niederschlagen, sondern sich aufgrund der geringen Strömungsgeschwindigkeit im Staupunkt in diesem Bereich aufgrund des anliegenden Hochspannungsfelds in Richtung der Niederschlagselektrode bewegen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Niederschlagselektrode gereinigt, bevorzugt durch das Einbringen von Flüssigkeit im Bereich der Niederschlagselektrode, insbesondere bevorzugt mittels des Einspritzens von Flüssigkeit auf die Niederschlagselektrode, und/oder in den zu reinigenden Gasstrom.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest die Oberfläche der Niederschlagselektrode zumindest bereichsweise temperiert, bevorzugt dass die Niederschlagselektrode gekühlt oder geheizt wird oder dass die Temperatur konstant gehalten wird.
  • Wird die Oberfläche der Niederschlagselektrode gekühlt, wird dadurch die wandnahe Strömung des zu reinigenden Gasstroms im Bereich der Niederschlagselektrode unter den Taupunkt des zu reinigen Gasstroms abgekühlt. Dadurch bildet sich auf der Niederschlagselektrode ein Kondensat, welches zum Abtransport der abgeschiedenen Partikel dient und die Niederschlagselektrode kontinuierlich reinigt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass nicht - wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen - der gesamte zu reinigende Gasstrom durch energieintensives Abkühlen in einen gesättigten Zustand gebracht wird, sondern lediglich die wandnahe Strömung. Dadurch arbeitet die Vorrichtung deutlich energieeffizienter.
  • Wird die Oberfläche der Niederschlagselektrode erwärmt, können beispielsweise chemische Reaktionen mit einer Beschichtung der Oberfläche oder einer eingespritzten Flüssigkeit gezielt initiiert bzw. gesteuert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Partikel in dem zu reinigenden Gasstrom nach Durchqueren des Plasmas hin zu der Niederschlagselektrode und weg von den lonisierungselektroden beschleunigt. Diese Partikel sind nach Durchqueren des Plasmaentladungskegels so stark aufgeladen, dass sie sich nicht an der lonisierungselektrode niederschlagen, sondern sich aufgrund der geringen Strömungsgeschwindigkeit im Staupunkt in diesem Bereich aufgrund des anliegenden Hochspannungsfelds in Richtung der Niederschlagselektrode bewegen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Flüssigkeit zur Reinigung der Niederschlagselektrode in einem Flüssigkeitskreislauf geführt, bevorzugt mittels Kapillaren und/oder kapillarwirkender Strukturen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Flüssigkeit mit den Partikeln in einem geschlossenen System geführt wird und potentiell gesundheits- oder umweltgefährdende Verschmutzungen nicht unkontrolliert an die Umwelt abgegeben werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind insbesondere geeignet, um Feinstäube abzuscheiden. Dabei arbeitet die erfindungsgemäße Lösung deutlich weniger energieintensiv als vergleichbare Technologien und vermeidet eine Verschmutzung der Hochspannungselektrode, die als lonisierungselektrode eingesetzt wird. Dies ist für den Dauerbetrieb ein wesentlicher Vorteil. Aufgrund der erfindungsgemäßen Bauform entsteht auch nur ein geringer Druckverlust im Vergleich zu anderen Abscheidetechnologien, sodass auch eine nachträgliche Integration in bestehende Anlagen ohne weitreichende Umbauten möglich und sinnvoll ist.
  • Weitere bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert.
  • Dabei zeigt:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
    Figur 2
    eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit dargestelltem Plasmakegel;
    Figur 3
    mit den Teilabbildungen 3a und 3b eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung im Betrieb;
    Figur 4
    eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
    Figur 5
    eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
    Figur 6
    eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Alle Maßangaben sind exemplarisch zu verstehen und stellen keine über die Ansprüche hinausgehende Beschränkung dar.
  • Zur Vermeidung von Wiederholungen wird vorliegend lediglich auf die Unterschiede zwischen den Figuren eingegangen.
  • Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abscheiden von Partikeln aus einem zu reinigenden Gasstrom. Die Vorrichtung ist als elektrostatischer Partikelabscheider ausgebildet. Die Vorrichtung zum Abscheiden von Partikeln umfasst zumindest eine lonisierungselektrode 1 und zumindest eine Niederschlagselektrode 2. Die lonisierungselektrode 1 ist vorliegend in Form einer Hochspannungselektrode als Sprühelektrode ausgebildet. Zwischen der lonisierungselektrode 1 und der Niederschlagselektrode 2 wird eine Spannung zur Ausbildung eines stabilen Plasmas angelegt.
  • Die Niederschlagselektrode ist mit einem Lochblech 3, siehe Figur 3a, ausgebildet, das zumindest eine Bohrung 4 aufweist. Vorliegend ist in der Figur 1 zur Vereinfachung lediglich eine Bohrung 4 dargestellt. Es liegt jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass eine Vielzahl an Bohrungen 4 vorgesehen ist, siehe Figur 3a. Zwischen der lonisierungselektrode/Sprühelektrode 1 und dem Rand der Bohrung 4 entsteht ein Plasmaentladungskegel 5, siehe Figur 2, der die Bohrung 4 vollständig abdeckt. Die Sprühelektrode 1 ist zentrisch und beabstandet zum Mittelpunkt der Bohrung 4 angeordnet.
  • Die Bohrung 4 weist vorliegend einen Durchmesser von 4 mm auf. Der Abstand zwischen Sprühelektrode 1 und Mittelpunkt der Bohrung 4 beträgt vorliegend 10 mm. Um die Bohrung 4 herum erstreckt sich die Niederschlagselektrode weiter und weist Niederschlagsbereiche 2a, 2b ohne Bohrungen auf. Diese Niederschlagsbereiche weisen eine Fläche auf, die näherungsweise gleich der Fläche mit Bohrungen ist. Die Niederschlagsbereiche ohne Bohrungen können jedoch auch größer sein, falls dies für die Aufgabe der Abscheidung sehr kleiner Partikel erforderlich sein sollte.
  • Vorliegend ist das Lochblech 3 mit Bohrungen rechteckig ausgebildet und weist eine Breite von 10 cm und eine Länge von 5 cm auf. Der Niederschlagsbereiche 2a, 2b ohne Bohrungen weist ebenfalls eine Breite von 10 cm und eine Länge von 4 cm. Die Höhe des Kanals beträgt 14 mm. Die Pins der Sprühelektrode ragen 4 mm in den Kanal. Der Abstand zwischen den Spitzen der Pins der lonisierungselektrode und und dem dazugehörigen Mittelpunkt einer Bohrung beträgt somit 10 mm.
  • Die Partikel in dem zu reinigenden Gasstrom treten durch die Bohrung 4 und werden in dem Plasma, d. h. dem elektrischen Feld zwischen der Sprühelektrode und der Niederschlagselektrode stark aufgeladen. Vorliegend weisen die Partikel dadurch eine negative Ladung auf und werden von der Niederschlagselektrode 2 angezogen. Teilweise setzen sich die Partikel bereits an der Niederschlagselektrode am Rande der Bohrung 4 ab, teilweise lagern sich die Partikel an den Niederschlagsbereichen 2a, 2b der Niederschlagselektrode 2 ab.
  • In Figur 2 ist der Plasmaentladungskegel zwischen Sprühelektrode und Niederschlagselektrode dargestellt. Der Plasmaentladungskegel bildet sich zwischen dem Rand der Bohrung 4 und der Spitze der Sprühelektrode 1. Die Sprühelektrode 1 ist im einfachsten Fall vorliegend als Metallspitze ausgebildet aus einem kohlenstoffarmen Edelstahl.
  • Es liegt jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass die Sprühelektrode 1 eine bestimmte Form aufweist, wie beispielsweise in der DE 10 2015 104 168 A1 beschrieben, um das Abtropfen von sich anlagernder Flüssigkeit an der Sprühelektrode zu unterstützen, ohne dass die Spitze der Sprühelektrode 1 verschmutzt wird.
  • Figur 3 mit den Teilabbildungen 3a und 3b zeigt den Strömungsweg des zu reinigenden Gasstroms 6. Die Vorrichtung weist eine Einströmungskammer 8 und eine Ausströmungskammer 9 auf, welche fluidisch miteinander verbunden sind. Vorliegend strömt der zu reinigende Gasstrom 6 von rechts in die unten angeordnete Einströmungskammer 8. Zwischen Einströmungskammer 8 und Ausströmungskammer 9 ist die Niederschlagselektrode 2 im Strömungsweg des zu reinigenden Gasstroms 6 angeordnet. Die Niederschlagselektrode 2 weist vorliegend 64 Bohrungen 4 auf. Korrespondierend zu den 64 Bohrungen 4 ist über dem Bereich der Niederschlagselektrode 2 mit Bohrungen 4 eine Sprühelektrode 1 mit 64 Pins, beispielhaft gekennzeichnet 1a, 1b, 1c, angeordnet, derart, dass jeder Bohrung 4 ein Pin 1 zugeordnet ist, sodass der jeweilige Pin 1a, 1b, 1c zentrisch und beabstandet zur Bohrung 4 angeordnet ist.
  • Die einzelnen Pins der Sprühelektrode sind vorliegend sehr spitze Nadeln aus Edelstahl, die mit einem hochohmigen Vorwiderstand verschaltet sind und nur wenige Millimeter aus der Sprühelektrode 1 herausstehen, vorliegend ca. 4 mm.
  • Nach dem Durchtreten der Niederschlagselektrode 2 gelangt der zu reinigende Gasstrom 6 in die Ausströmungskammer 9. Hierbei durchtritt jedes Partikel des zu reinigenden Gasstroms 6 einen Plasmaentladungskegel 5 zwischen Sprühelektrode 1 und zugehöriger Bohrung 4, wie in Figur 2 dargestellt.
  • Wie in dem Ausschnitt in Figur 3b zu einer Bohrung 4 im Detail dargestellt, wird bei der Durchströmung der einen Bohrung 4 des Lochblechs der Niederschlagselektrode 2 ein Freistrahl 6b erzeugt, der auf die gegenüberliegende Wand der Ausströmungskammer 9 aufprallt und dort eine Staupunktströmung erzeugt. In diesem Staupunkt 7 staut sich die Strömung auf und weicht seitlich aus. Dadurch entsteht ein Staupunktgebiet mit einem Staupunkt 7, an dem die Geschwindigkeit senkrecht zum Hindernis, d. h. zu der Wand vorliegend gleich Null ist.
  • Die Sprühelektrode 1 ist im Staupunkt 7 angeordnet, sodass an der Spitze der Sprühelektrode 1 die Strömungsgeschwindigkeit gleich Null ist und sich keine Partikel an der Spitze der Sprühelektrode anlagern. Dadurch wird eine Verschmutzung der Sprühelektrode 1 vermieden bzw. deutlich reduziert.
  • Die Lage des Staupunkts 7 ist abhängig von der Geometrie der Bohrung 7, durch die die Strömung 6 tritt. Vorliegend befindet sich der Staupunkt 7 auf der Symmetrieachse der Bohrung 4. Die Bohrung 4 ist vorliegend rund. Der Staupunkt 7 befindet sich somit auf der Symmetrieachse der Bohrung 4, zentrisch beabstandet von dem Mittelpunkt der Bohrung 4 an der Wand der Ausströmungskammer 9.
  • Figur 4 zeigt den Weg der Partikel 11 nach dem Durchtreten der Bohrung 4. Wie bereits zu den vorherigen Figuren beschrieben, werden die Partikel 11 beim Durchtreten der Bohrung 4 und damit des Plasmaentladungskegels 5 ionisiert, d. h. vorliegend negativ geladen. Die negativ geladenen Partikel 11 werden von dem positiv geladenen Niederschlagsbereich 2a, 2b der Niederschlagselektrode 2 angezogen. Die Partikel 11 wandern somit nicht Richtung Sprühelektrode 1, sondern werden abgelenkt und lagern sich an den Niederschlagsbereichen 2a, 2b der Niederschlagselektrode 2 an.
  • Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Flüssigkeitsfilm auf den Niederschlagsbereichen 2a, 2b der Niederschlagselektrode 2. In dem die Niederschlagsbereichen 2a, 2b der Niederschlagselektrode 2 gekühlt werden, wird die wandnahe Strömung des zu reinigenden Gasstroms 6 unter den Taupunkt der Strömung des zu reinigenden Gasstroms 6 abgekühlt. Dadurch bildet sich Kondensat auf den Niederschlagsbereichen 2a, 2b der Niederschlagselektrode 2, welches einen Flüssigkeitsfilm 12 bildet. Dieser Flüssigkeitsfilm 12 dient zum Abtransport der abgeschiedenen 11 Partikel. Die Niederschlagselektrode 2 wird somit kontinuierlich "abgewaschen".
  • Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Niederschlagsbereichen 2a, 2b der Niederschlagselektrode 2, die mit einem Katalysator 13 beschichtet sind. Das Katalysatormaterial, zum Beispiel eine Mn2O3 Beschichtung zur Ruß-Oxidation, ist abhängig vom Anwendungsfall und der Anwendungstemperatur. Die katalytische Wirkung kann direkt die chemische Umsetzung der abzuscheidenden Partikel verändern, oder auch auf die chemische Zusammensetzung der Spezies in der Gasphase wirken.
  • Der Katalysator reagiert mit den sich ablagernden Partikel 11. Um im optimalen Temperaturfenster für die erforderliche chemische Reaktion zu arbeiten, ist die Niederschlagselektrode temperierbar ausgebildet, d. h. die Niederschlagsbereiche 2a, 2b der Niederschlagselektrode 2 können erwärmt oder gekühlt oder auf einer gewählten Temperatur gehalten werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    lonisierungselektrode
    2
    Niederschlagselektrode
    3
    Lochblech
    4
    Bohrung
    5
    Plasmaentladungskegel
    6
    Gasstrom
    7
    Staupunkt
    8
    Einströmungskammer
    9
    Ausströmungskammer
    10
    Pin
    11
    Partikel
    12
    Flüssigkeitsfilm
    13
    Katalysator

Claims (16)

  1. Vorrichtung zum Abscheiden von Partikeln (11) aus einem zu reinigenden Gasstrom (6) mit zumindest einer lonisierungselektrode (1) und zumindest einer Niederschlagselektrode (2), wobei die Niederschlagselektrode (2) mit einem Lochblech (3) mit zumindest einer Bohrung (4) ausgebildet ist und zwischen der lonisierungselektrode (1) und der Niederschlagselektrode (2) eine Spannung zur Bildung eines stabilen Plasmas anlegbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Niederschlagselektrode (2) derart ausgebildet und im Strömungsweg des zu reinigenden Gasstroms (6) mit der lonisierungselektrode (1) zusammenwirkend angeordnet ist, dass der zu reinigende Gasstrom (6) durch die zumindest eine Bohrung (4) strömt, wobei das Plasma die zumindest eine Bohrung (4) des Lochblechs (3) der Niederschlagselektrode (2) vollständig abdeckt, und sich die Niederschlagselektrode (2) stromabwärts des Lochblechs (3) im Strömungsweg des zu reinigenden Gasstroms (6) erstreckt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vorrichtung eine Einströmungskammer (8) und eine Ausströmungskammer (9) aufweist, welche fluidisch mit einander verbunden sind, wobei das Lochblech (3) der Niederschlagselektrode (2) im Strömungsweg zwischen Einströmungskammer (8) und eine Ausströmungskammer (9) angeordnet ist, sodass durch die Durchströmung der zumindest einen Bohrung (4) des Lochblechs (3) der Niederschlagselektrode (2) ein Freistrahl erzeugbar ist, der auf eine gegenüberliegende Wand der Ausströmungskammer (9) aufprallt und dort eine Staupunktströmung erzeugt, wobei die lonisierungselektrode (1) stromabwärts, vorzugsweise im Wesentlichen zentrisch zu der Bohrung (4), im Staupunkt (7) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vorrichtung eine Einströmungskammer (8) und eine Ausströmungskammer (9) aufweist, welche fluidisch miteinander verbunden sind, wobei das Lochblech (3) der Niederschlagselektrode (2) im Strömungsweg zwischen Einströmungskammer (8) und Ausströmungskammer (9) angeordnet ist und die Niederschlagselektrode (2) einen Niederschlagsbereich ohne Bohrungen (4) aufweist, welcher sich in der Ausströmungskammer (9) erstreckt, sodass der Niederschlagsbereich der Niederschlagselektrode (2) und die lonisierungselektrode (1) voneinander beabstandet angeordnet sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Niederschlagselektrode einen Niederschlagsbereich ohne Bohrungen aufweist, welcher stromabwärts des Lochblechs vorgesehen ist, bevorzugt dass der Niederschlagsbereich Teil einer Wand der Ausströmungskammer ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die lonisierungselektrode (1) als Sprühelektrode ausgebildet ist, bevorzugt dass die lonisierungselektrode (1) eine Mehrzahl von Sprühelektroden umfasst, insbesondere bevorzugt, dass die Mehrzahl von Sprühelektroden in Matrixform angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Lochblech (3) eine Vielzahl Bohrungen (4) umfasst, vorzugsweise dass das Lochblech (3) eine Anzahl von Bohrungen (4) umfasst und die gleiche Anzahl lonisierungselektroden (1) vorgesehen ist, wobei jede lonisierungselektrode (1) einer Bohrung (4) zugeordnet ist, insbesondere bevorzugt, dass jede lonisierungselektrode (1) zentrisch, beabstandet zu einer Bohrung (4) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Oberflächentemperatur der Niederschlagselektrode (2) einstellbar ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vorrichtung Mittel zum Einbringen von Flüssigkeit im Bereich der Niederschlagselektrode (2) und/oder in den zu reinigenden Gasstrom (6) umfasst, bevorzugt das die Vorrichtung einen Flüssigkeitskreislauf umfasst, insbesondere unter Einsatz von Kapillaren und/oder kapillarwirkenden Strukturen.
  9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Niederschlagselektrode (2) beschichtet ist, vorzugsweise mit einem Katalysator (13) beschichtet ist.
  10. Verfahren zum Abscheiden von Partikeln (11) aus einem zu reinigenden Gasstrom (6) mit einem elektrostatischen Partikelabscheider mit zumindest einer lonisierungselektrode (1) und zumindest einer Niederschlagselektrode (2), wobei die Niederschlagselektrode (2) mit einem Lochblech (3) mit zumindest einer Bohrung (4) ausgebildet ist und zwischen der lonisierungselektrode (1) und der Niederschlagselektrode (2) eine Spannung zur Bildung eines stabilen Plasmas angelegt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der zu reinigende Gasstrom (6) durch die zumindest eine Bohrung (4) geführt wird, und das Plasma zwischen der zumindest einen Bohrung (4) des Lochblechs (3) der Niederschlagselektrode (2) und der lonisierungselektrode (1) ausgebildet wird, sodass das Plasma die zumindest eine Bohrung (4) des Lochblechs (3) der Niederschlagselektrode (2) vollständig abdeckt und der zu reinigende Gasstrom (6) durch das Plasma verläuft.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Lochblech (3) eine Vielzahl Bohrungen (4) umfasst, vorzugsweise dass das Lochblech (3) eine Anzahl Bohrungen (4) umfasst und die gleiche Anzahl lonisierungselektroden (1) vorgesehen ist, wobei jede lonisierungselektrode (1) einer Bohrung (4) zugeordnet ist, sodass das stabile Plasma jeweils zwischen einer Bohrung (4) und der zugeordneten lonisierungselektrode (1) gebildet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der zu reinigenden Gasstrom (6) durch das Lochblech (3) der Niederschlagselektrode (2) aus einer Einströmungskammer (8) in eine Ausströmungskammer (9) fließt, insbesondere dass durch die Durchströmung des Lochblechs (3) eine Staupunktströmung erzeugt wird, bevorzugt dass durch die Durchströmung des Lochblechs (3) eine Staupunktströmung erzeugt wird, wobei die lonisierungselektrode (1) im Staupunkt (7) angeordnet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Niederschlagselektrode (2) gereinigt wird, bevorzugt durch das Einbringen von Flüssigkeit im Bereich der Niederschlagselektrode (2), insbesondere bevorzugt mittels des Einspritzens von Flüssigkeit auf die Niederschlagselektrode (2), und/oder in den zu reinigenden Gasstrom (6).
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Niederschlagselektrode (2) zumindest bereichsweise gekühlt und/oder erwärmt und/oder auf einer konstanten Temperatur gehalten wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Partikel (11) in dem zu reinigenden Gasstrom (6) nach Durchqueren des Plasmas hin zu der Niederschlagselektrode (2) und weg von den lonisierungselektroden (1) beschleunigt werden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Flüssigkeit zur Reinigung der Niederschlagselektrode (2) in einem Flüssigkeitskreislauf geführt wird, bevorzugt mittels Kapillaren und/oder kapillarwirkender Strukturen.
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