WO2009100932A2 - Vorrichtung und verfahren zur aufladung von aerosolen - Google Patents

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Christian LÜBBERT
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Brandenburgische Technische Universität Cottbus
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Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for electrically charging aerosols, which is designed and regulated so that the power consumption is reduced by the space charge effect of the charged particles to a few percent of power consumption without particles in the gas stream.
  • the electrical charging of aerosols or gas-borne particles is used in conjunction with a variety of techniques, e.g. in the electrostatic coating of surfaces, and to improve the separability with filters.
  • the electrical charging of aerosols is also an essential part of the function of electrostatic precipitators, where the energetic efficiency of the charge due to the large volume flows to be treated is of particular importance.
  • electrostatic precipitators in plate or tubular construction are characterized by a relatively high power requirement (0.1 - 0.5 mA / m 2 ), which corresponds to a specific power of 0.05 - 2 kWh / 1000 m 3 [F. Löffler: Staubabscheiden, 1988].
  • Two-stage electrostatic precipitators, which initially charge the particles in a charging device and then deposit in the electric field, are also known.
  • the high current can continue to lead with low Staubleit refineen to the so-called back-spraying, which makes frequent cleaning of the collecting electrodes required and thus increases the emission. It is therefore often used in practice pulsed high voltage to keep the potential difference across the dust cake low.
  • the power supply is correspondingly expensive and complex.
  • the object of the invention is to allow a charge of aerosols with much lower specific energy consumption.
  • a charging device is used for charging and possibly partial deposition of the particles, which is geometrically and control technology designed so that the corona discharge is almost completely quenched.
  • the corona current, the required power to charge and the voltage drop across the deposited aerosol on the collecting electrode are minimized.
  • Charged particles that have not already been deposited in the charging device can be exposed to an electric field in a further device and deposited there.
  • corona quenching is understood to mean the significant decrease of a corona current caused by the presence of charged particles in the electrode gap of a corona discharge.
  • corona quenching runs in several phases, which are traversed spatially successively in a continuously operated, flowed through electrical charging device or an electrostatic precipitator.
  • electrical charging device or an electrostatic precipitator.
  • electrostatic precipitator In a discontinuously operated aerosol charging device, the same phases are passed in succession after the application of the high voltage, as is apparent from FIG.
  • phase 1 when an uncharged aerosol enters the separator, a high current initially flows. This leads in a short time to charge the particles and to form a space charge. Due to the increase of the space charge bound to the particles, the corona discharge in phase 2 is increasingly suppressed (increasing corona quenching) until a minimum is reached. At high particle concentrations, a space charge is generated, which shields the spray electrode so far that the power consumption is almost zero. The space charge density is in this case !! of the well-formed corona quencher (phase 3), for example - A -
  • phase 3 may vary slightly with the spatial distribution of the space charge. If the space charge density reaches such a value, phase 3 follows; if such a value can not be achieved for given geometry and voltage, phase 4 follows directly.
  • phase 3 a further corona discharge is only possible to the extent that already charged particles are deposited are removed by the flow from the charging device. In the course of phase 3, therefore, a gradual decrease of the particle concentration takes place, while the average charge of the particles increases, so that the space charge remains constant overall and the current consumption changes only slightly (fully developed corona quencher).
  • the duration of phase 3 can be estimated at constant distance between the spray and precipitation electrode and the constant threshold voltage across the length of the charging device according to the following formula: Quench with
  • E NE (UE) mean field strength at the precipitation electrode at threshold voltage
  • the transition to phase 4 the decreasing corona quenching, occurs.
  • the decrease in the particle concentration can no longer be compensated by an increase in the particle charge, so that the particle-bound space charge decreases and the current consumption increases progressively.
  • the ion-bound space charge becomes more important, so that the current consumption after a point of inflection in phase 5 approaches the value that is typical for the discharge in the particle-free gas.
  • the invention is thus based on the finding that, until the end of phase 4, the decreasing corona quenching, the charging of the particles takes place almost up to the maximum possible particle charge, while at the same time only a minimal current consumption takes place.
  • the length of the individual phases and the power consumption occurring are very much dependent on the respective aerosol concentration and size distribution as well as the system geometry and the flow velocity.
  • This finding allows a targeted design and control of a charging device.
  • Fig. 1 the course of the flowing stream as a function of the
  • Figs. 3 to 13 different designs of charging devices according to the invention
  • FIG 3 shows a charging device in the construction of a conventional pipe electrode.
  • the local current consumption of the charging device corresponds to qualita- tively the course shown in Figure 1.
  • the length of phase 3 can be shifted in accordance with equation 2 by changing the operating voltage in the separator.
  • the voltage can be regulated so that phase 4 is always at the outlet of the charging device.
  • the regulation of the voltage can be done here - as shown - on the current consumption of the separator.
  • the voltage is regulated here in such a way that the current consumption is significantly reduced under the influence of the particle-bound space charge compared to the current consumption without aerosol.
  • FIG. 4 shows the same charging device with a different regulation.
  • the voltage is regulated here after the power consumption near the outlet of the separator. This offers the possibility to set the desired discharge state at the end of the charging device, regardless of the course of current consumption in phase 4.
  • the voltage can be regulated so that a certain percentage of the current that would be achieved at the same voltage without aerosol always flows at the outlet (see FIG. 2).
  • a measurement of the aerosol concentration at the inlet into the charging device enables a precontrol with rapid time change of the concentration.
  • Figure 5 also shows a charging device in tube-wire geometry.
  • the spray electrode is divided into two areas, each having its own, regulated power supply.
  • the input-side spray electrode can be regulated here to constant current consumption.
  • the voltage then increases with increasing aerosol concentration and can be included as a measure of the current aerosol concentration in the regulation of the voltage for the output-side spray electrode.
  • the regulation of the voltage at the output-side spray electrode can be carried out as in the description of FIG.
  • FIG. 6 shows a tube-wire geometry charging device in which the diameter of the spray electrode increases in the flow direction. Because of the increasing threshold voltage of the corona discharge in the flow direction, the particle-bound space charge density required for a significant reduction of the current decreases (see equation 1). Phase 3 is therefore extended. The large difference between operating and operating stress at the inlet results in rapid separation (see Equation 3), the small difference at the outlet results in a high degree of separation (see Equation 4).
  • the regulation of the voltage takes place here over the entire high-voltage side current consumption of the charging device.
  • FIG. 7 shows a charging device in tube-wire geometry in which the distance between the precipitation and spray electrodes increases in the flow direction.
  • the increasing distance between the spray and the precipitation electrode affects the amount of particle-bound space charge required for a significant reduction of the current (see equation 1).
  • Phase 3 is therefore extended. Small electrode spacing and large difference between operating and operating voltage at the inlet result in rapid separation (see equation 3), the low voltage difference and the large electrode gap at the outlet lead to a high separation efficiency.
  • the regulation of the voltage takes place here, for example, over the entire, earth-side current consumption of the charging device.
  • the charging devices shown in FIGS. 3 to 7 can be realized analogously also in the design of a plate electrostatic precipitator or in a series connection of tip-plate discharges or the like.
  • FIG. 8 shows a charging device in the design of a plate electroabsorber.
  • an increase in the corona use voltage in Flow direction can be achieved by reducing the distance between the Sprühelektroden.
  • the voltage is regulated according to the high-voltage side current consumption.
  • FIG. 9 shows a charging device in the design of a plate electrostatic precipitator, in which a plurality of adjacent spray electrodes each have a common voltage supply.
  • the voltage of the input-side and the middle electrodes can each be controlled so that a fixed, small current flows or so that the last in the flow direction electrode is in a state which is near the beginning of phase 4 (see Figure 4).
  • the voltage at the exit-side electrodes is controlled so that the end of the charging device coincides with the end of phase 4.
  • the self-adjusting voltages of the first electrode groups can be used for a pilot control.
  • FIG. 10 shows a multi-stage electrostatic precipitator.
  • the filter consists of two charging devices in the design of plate electrostatic precipitators, which are operated according to the invention and two separators.
  • the particles are charged and partially separated.
  • the aerosol leaving the charging device has a more or less wide mobility distribution.
  • the aerosol After leaving the first charging device, the aerosol enters the first separator.
  • a large part of the particles is separated. Particles with low mobility may possibly remain in the gas. These particles continue to be charged in the second charging device. Because of the already greatly reduced particle concentration, this charging device has a significantly greater distance between the spray and precipitation electrode.
  • this charging device can thus be operated according to the invention despite the low concentration.
  • the aerosol charged in the second charging device then enters the second separator.
  • the second Aufladevorrichtun ⁇ deposited sufficiently charged particles. Because of the low power consumption of the device, the deposition is particularly energy efficient.
  • FIG. 11 shows a charging device in the form of a mixing container with a spraying electrode.
  • the aerosol flows into the mixing tank at the inlet and mixes with the already charged aerosol.
  • the space charge density is thus locally constant.
  • the current consumption is evenly distributed over the spray electrode. Rapid concentration changes in the input aerosol cause virtually no control problems because of the mixing. Since the discharge is in the same state throughout the charging device, here is a regulation on the total current consumption, which can be measured on the precipitation electrode side for optimum adjustment of the voltage.
  • the aerosol leaves the charging device at the exit.
  • FIG. 12 shows a cyclone-type charging device.
  • the aerosol flows tangentially into the charging device at the inlet and then initially flows downwards in a spiral near the wall. The still little charged particles are charged at the edge despite the relatively low ion concentration.
  • the already partially charged aerosol flows near the spray electrode in the region of high ion concentration in the direction of exit and is further charged.
  • the generated ions are very well utilized. Since the highly charged particles are located at the top in the direction of exit, and the less charged ones at the bottom, and this is reversed at the wall-near flow, the current consumption over the length of the discharge electrode is well distributed.
  • FIG. 13 shows a charging device with electrodes flowed through.
  • the distance between the electrodes can be adjusted very easily and adapted to the parameters of the aerosol.
  • the choice of the direction of flow from the passive electrode to the suction electrode makes it possible to largely avoid the leakage of exposed particles on the passive electrode.
  • One Such supercharger is therefore particularly suitable for applications in which the charged particles should be used as completely as possible in a subsequent process.
  • Another area of application is the charging of aerosols, which would otherwise form a highly insulating layer on the passive electrode and cause re-spraying.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur energetisch optimierten Abscheidung von (konzentrierten) Aerosolen in zweistufigen Elektroabscheidern mit Hilfe einer Korona-Entladung und/oder zur energetisch optimierten Aufladung von Aerosolen in einer Aufladestufe. Erfindungsgemäß wird die Intensität der Aufladung in der Aufladestufe auf einen Betriebspunkt am Übergang vom starken Corona Quenching zum abnehmenden Corona Quenching eingestellt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Aufladung von Aerosolen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum elektrischen Aufladen von Aerosolen, die so ausgelegt und geregelt wird, dass die Stromaufnahme durch den Raumladungseffekt der geladenen Partikel auf wenige Prozent der Stromaufnahme ohne Partikel im Gasstrom herabgesetzt wird.
Die elektrische Aufladung von Aerosolen bzw. gasgetragenen Teilchen wird in Verbindung mit den verschiedensten Techniken eingesetzt, z.B. bei der elektrostatischen Beschichtung von Oberflächen, und zur Verbesserung der Abscheidbarkeit mit Filtern. Insbesondere ist die elektrische Aufladung von Aerosolen auch ein wesentlicher Bestandteil der Funktion von Elektroabscheidern, wo der energetischen Effizienz der Aufladung wegen der großen zu behandelnden Volumenströme eine besondere Bedeutung zukommt.
Elektroabscheider [F. Löffler: Staubabscheiden, 1988, H. White: Industrial Electro- static Precipitation, 1962, VDI-KRDL-Richtlinie 3678 ] dienen der Abscheidung gasgetragener Teilchen und werden bevorzugt zur Reinigung großer Aerosolvolumenströme eingesetzt. Anderen Abscheideverfahren gegenüber zeichnen sie sich durch einen besonders geringen Druckverlust und geringen Wartungsaufwand aus. Einsatzgebiete sind z. B. Müllverbrennungsanlagen, Kraftwerke und die Erzaufbereitung.
Bekannte Elektroabscheider in Platten- oder Röhrenbauweise zeichnen sich dabei durch einen relativ hohen Strombedarf (0,1 - 0,5 mA/m2) aus, was einer spezifischen Leistung von 0,05 - 2 kWh/1000 m3 entspricht [F. Löffler: Staubabscheiden, 1988]. Zweistufige Elektroabscheider, bei denen zunächst eine Aufladung der Partikel in einem Aufladevorrichtung erfolgt und anschließend eine Abscheidung im elektrischen Feld, sind ebenfalls bekannt.
Die hohen verwendeten Ströme machen leistungsfähige und damit teure Hochspannungsversorgungen erforderlich. Die laufenden Energiekosten sind proportional zum Strombedarf.
Dabei wird ein Großteil des Stromes nicht für die Aufladung der Teilchen genutzt, bzw. es wird eine Aufladung weit über das für eine erfolgreiche Abscheidung erforderliche Maß hinaus durchgeführt.
Der hohe Strom kann weiterhin bei geringen Staubleitfähigkeiten zum sogenannten Rücksprühen führen, was eine häufige Abreinigung der Niederschlagselektroden erforderlich macht und damit die Emission erhöht. Man verwendet daher in der Praxis häufig gepulste Hochspannung, um die Potentialdifferenz über den Staubkuchen gering zu halten. Die Spannungsversorgung wird entsprechend teuer und komplex.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Aufladung von Aerosolen mit wesentlich niedrigerem spezifischem Energiebedarf zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der Merkmale des
Δ ncnrurhc 1 πolrtct Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.
In der vorliegenden Erfindung wird zur Aufladung und evtl. partiellen Abscheidung der Partikel eine Aufladevorrichtung verwendet, die geometrisch und regelungstechnisch so gestaltet ist, dass die Koronaentladung fast vollständig gequencht ist. Der Koronastrom, die erforderliche Leistung zur Aufladung und der Spannungsabfall über das abgeschiedene Aerosol auf der Niederschlagselektrode werden minimiert. Geladene Partikel, die nicht bereits in der Aufladevorrichtung abgeschieden wurden, können in einer weiteren Vorrichtung einem elektrischen Feld ausgesetzt und dort abgeschieden werden.
Im Sinne dieser Erfindung wird unter Korona-Quenching die durch Anwesenheit geladener Partikeln im Elektrodenzwischenraum einer Corona-Entladung hervorgerufene, signifikante Abnahme eines Koronastroms verstanden.
Der Vorgang des Korona-Quenching verläuft dabei in mehreren Phasen, die in einer kontinuierlich betriebenen, durchströmten elektrischen Aufladevorrichtung bzw. einem Elektroabscheider räumlich nacheinander durchlaufen werden. In einer diskontinuierlich betriebenen Aerosol - Aufladevorrichtung werden dieselben Phasen nach dem Anlegen der Hochspannung zeitlich nacheinander durchlaufen, wie sich aus der Fig. 1 ergibt.
In Phase 1 , beim Eintritt eines ungeladenen Aerosols in den Abscheider, fließt zunächst ein hoher Strom. Dieser führt in kurzer Zeit zur Aufladung der Teilchen und zur Ausbildung einer Raumladung. Durch die Zunahme der an die Teilchen gebundenen Raumladung wird in Phase 2 die Coronaentladung zunehmend unterdrückt (zunehmendes Corona-Quensching), bis ein Minimum erreicht wird. Bei hohen Partikelkonzentrationen wird dabei eine Raumladung erzeugt, die die Sprühelektrode soweit abschirmt, dass die Stromaufnahme fast Null ist. Die Raumladungsdichte ist in diesem Fa!! des voü ausσebildeten Corona-Quenschinαs (Phase 3) etwa - A -
Figure imgf000005_0001
(Gleichung 1),
in welcher a 2 für Platte-Draht Geometrie a 4 für Rohr Draht Geometrie
UB Betriebsspannung
UE Corona-Einsatzspannung rS-N Abstand zwischen Sprühelektrode und Niederschlagselektrode ε0 Dielektrizitätskonstante pι p Raumladungsdichte bedeuten.
Der Wert von p, p kann mit der räumlichen Verteilung der Raumladung leicht variieren. Erreicht die Raumladungsdichte einen solchen Wert, folgt Phase 3, kann ein solcher Wert für gegebene Geometrie und Spannung nicht erreicht werden, folgt direkt Phase 4. In Phase 3 ist eine weitere Coronaentladung nur noch in dem Maße möglich, wie bereits geladene Teilchen abgeschieden werden bzw. durch die Strömung aus dem Aufladevorrichtung entfernt werden. Im Verlauf von Phase 3 findet daher eine allmähliche Abnahme der Teilchenkonzentration statt, während die mittlere Aufladung der Teilchen zunimmt, so dass die Raumladung insgesamt konstant bleibt und die Stromaufnahme sich nur wenig ändert (voll ausgebildetes Corona- Quensching). Die Dauer von Phase 3 kann bei konstantem Abstand zwischen Sprüh- und Niederschlagselektrode und konstanter Einsatzspannung über die Länge der Aufladevorrichtung nach folgender Formel abgeschätzt werden: Quench mit
Figure imgf000006_0002
Figure imgf000006_0001
(Gleichung 2)
Symbole:
B Beweglichkeit der Teilchen
C0 Anzahlkonzentration im Rohgas nQE mittlere Ladung der Partikel am Ende des Qυenchvorgangs
ENE(UE) mittlere Feldstärke an der Niederschlagselektrode bei Einsatzspannung
A Abscheidefläche
V Volumen der Aufladevorrichtung
Die zeitliche Änderung der Konzentration ist in dieser Phase
Figure imgf000006_0003
(Gleichung 3)
Mit den zusätzlichen Variablen c Partikelanzahlkonzentration t Zeit
Cu Cunningham-Korrekturfaktor d- Pθ.rti.kθ!durchmΘSSθr
Gasviskosität Der Abscheidegrad am Ende dieser Phase ist
Figure imgf000007_0001
(Gleichung 4)
Zusätzliche Symbole
e Elementarladung
Wenn die Aufladung der Teilchen sich dem maximal möglichen Wert nähert, erfolgt der Übergang zu Phase 4, dem abnehmenden Corona-Quenching. Dabei kann die Abnahme der Teilchenkonzentration nicht mehr durch eine Zunahme der Teilchenladung kompensiert werden, sodass die partikelgebundene Raumladung abnimmt und die Stromaufnahme progressiv zunimmt. Mit der zunehmenden Stromaufnahme gewinnt die ionengebundene Raumladung an Bedeutung, sodass die Stromaufnahme nach einem Wendepunkt in Phase 5 auf den Wert zuläuft, der für die Entladung im partikelfreien Gas typisch ist.
Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass bis zum Ende der Phase 4, des abnehmenden Corona-Quenching, die Aufladung der Teilchen fast bis zur maximal möglichen Teilchenladung erfolgt, während gleichzeitig nur eine minimale Stromaufnahme erfolgt. Dabei sind die Länge der einzelnen Phasen und die dabei auftretenden Stromaufnahmen sehr stark von der jeweiligen Aerosolkonzentration und -größenverteilung sowie der Anlagengeometrie und der Strömungsgeschwindigkeit abhängig. Über eine geeignete Spannungsregelung ist es möglich, den Quenchvorgang so zu steuern, dass das Ende der Phase 4 immer am Austritt aus dem Aufladevorrichtung liegt. Damit wird eine energetisch optimale Aufladung erzielt.
Unter Verwendung der Spannung als Stellgröße kann eine solche Betriebsführung technisch umgesetzt werden. Lokale oder integrale Stromdichten und/oder Partikelkonzentrationen im Aufladevorrichtung können als Messgrößen für eine Regelung dienen. Weil die Differenz zwischen Betriebs- und Einsatzspannung quadratisch in die Quenchzeit eingeht (siehe Gleichung 2), kann ein großer Konzentrationsbereich abgedeckt werden.
Die Quenchzeit und der Abscheidegrad am Ende von Phase 3 sinken mit zunehmender Spannung und abnehmendem Abstand zwischen Sprüh- und Niederschlagselektrode (Gleichungen 2 und 4). Die Abscheideleistung nimmt dagegen zu (Gleichung 3).
Diese Erkenntnis erlaubt eine zielgemäße Auslegung und Regelung einer Aufladevorrichtung.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig. 1 : den Verlauf des fließenden Stroms in Abhängigkeit von der
Länge des Abscheiders,
Fig. 2: ein Strom-Spannungsdiagramm,
die Fig. 3 bis 13: unterschiedliche Bauformen erfindungsgemäßer Aufladevorrichtungen
Figur 3 zeigt eine Aufladevorrichtung in der Bauweise eines üblichen Rohrelektro- abscheiders. Die lokale Stromaufnahme des Aufladevorrichtungs entspricht qualita- tiv dem in Figur 1 gezeigten Verlauf. Bei einer festen Länge des Aufladevorrich- tungs kann die Länge von Phase 3 gemäß Gleichung 2 durch Änderung der Betriebsspannung im Abscheider verschoben werden. Die Spannung kann dabei so geregelt werden, dass Phase 4 immer am Austritt des Aufladevorrichtungs liegt. Die Regelung der Spannung kann hier - wie dargestellt - über die Stromaufnahme des Abscheiders erfolgen. Erfindungsgemäß wird die Spannung hier so geregelt, dass die Stromaufnahme unter dem Einfluss der partikelgebundenen Raumladung deutlich verringert ist gegenüber der Stromaufnahme ohne Aerosol.
Figur 4 zeigt die gleiche Aufladevorrichtung mit anderer Regelung. Die Spannung wird hier nach der Stromaufnahme nahe dem Austritt des Abscheiders geregelt. Dies bietet die Möglichkeit, den gewünschten Entladungszustand am Ende der Aufladevorrichtung unabhängig vom Verlauf der Stromaufnahme in Phase 4 einzustellen. Die Spannung kann zum Beispiel so geregelt werden, dass am Austritt immer ein bestimmter Prozentsatz des Stroms fließt der bei gleicher Spannung ohne Aerosol erreicht würde (siehe Figur 2). Eine Messung der Aerosolkonzentration am Eintritt in die Aufladevorrichtung ermöglicht eine Vorsteuerung bei schneller zeitlicher Änderung der Konzentration.
Figur 5 zeigt ebenfalls eine Aufladevorrichtung in Rohr-Draht-Geometrie. Die Sprühelektrode ist in zwei Bereiche unterteilt, die jeweils eine eigene, geregelte Spannungsversorgung besitzen. Die eingangsseitige Sprühelektrode kann hier auf konstante Stromaufnahme geregelt werden. Die Spannung steigt dann mit zunehmender Aerosolkonzentration und kann als Maß für die aktuelle Aerosol- Konzentration mit in die Regelung der Spannung für die ausgangsseitige Sprühelektrode einfließen. Die Regelung der Spannung an der ausgangsseitigen Sprühelektrode kann wie in der Beschreibung zu Figur 4 erfolgen.
Wegen der höheren Spannung im ersten Teil des Aufladevorrichtungs wird bei gleichen Abmessungen ein höherer Trenngrad erreicht als in den Aufladevorrichtungtypen, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt sind. Figur 6 zeigt einen Aufladevorrichtung in Rohr-Draht-Geometrie, bei der der Durchmesser der Sprühelektrode in Strömungsrichtung zunimmt. Wegen der zunehmenden Einsatzspannung der Coronaentladung in Strömungsrichtung nimmt die partikelgebundene Raumladungsdichte, die für eine signifikante Verringerung des Stroms erforderlich ist, ab (siehe Gleichung 1). Phase 3 wird daher verlängert. Die große Differenz zwischen Betriebs- und Einsatzspannung am Eintritt hat eine schnelle Abscheidung zu Folge (siehe Gleichung 3), die geringe Differenz am Austritt führt zu einem hohen Abscheidegrad (siehe Gleichung 4).
Die Regelung der Spannung erfolgt hier über die gesamte, hochspannungsseitige Stromaufnahme des Aufladevorrichtungs.
Figur 7 zeigt eine Aufladevorrichtung in Rohr-Draht-Geometrie, bei der der Abstand zwischen Niederschlags- und Sprühelektrode in Strömungsrichtung zunimmt. Neben der zunehmenden Einsatzspannung der Coronaentladung in Strömungsrichtung wirkt sich der zunehmende Abstand zwischen Sprüh- und Niederschlagselektrode auf die die Menge der partikelgebundenen Raumladung, die für eine signifikante Verringerung des Stroms erforderlich ist, aus (siehe Gleichung 1). Phase 3 wird daher verlängert. Geringer Elektrodenabstand und große Differenz zwischen Betriebs- und Einsatzspannung am Eintritt haben eine schnelle Abscheidung zu Folge (siehe Gleichung 3), die geringe Spannungsdifferenz und der große Elektrodenabstand am Austritt führen zu einem hohen Abscheidegrad.
Die Regelung der Spannung erfolgt hier beispielsweise über die gesamte, erdungs- seitige Stromaufnahme der Aufladevorrichtung.
Die in den Figuren 3 bis 7 dargestellten Aufladevorrichtungen können analog auch in der Bauart eines Plattenelektrofilters oder in einer Reihenschaltung von Spitze- Platte-Entladungen oder Ähnlichem realisiert werden.
In Figur 8 ist eine Aufladevorrichtung in der Bauart eines Plattenelektroabsπheiders dargestellt. Bei dieser Bauart kann eine Zunahme der Coronaeinsatzspannung in Strömungsrichtung durch Verringerung des Abstandes zwischen den Sprühelektroden erreicht werden.
Die Spannung wird nach der hochspannungsseitigen Stromaufnahme geregelt.
Figur 9 zeigt einen Aufladevorrichtung in der Bauart eines Plattenelektroabschei- ders, bei dem jeweils mehrere benachbarte Sprühelektroden eine gemeinsame Spannungsversorgung haben. Die Spannung der eintrittsseitigen und der mittleren Elektroden kann jeweils so geregelt werden, dass ein fester, kleiner Strom fließt oder so, dass sich die jeweils in Strömungsrichtung letzte Elektrode in einem Zustand befindet der nahe dem Anfang von Phase 4 liegt (siehe Figur 4). Die Spannung an den austrittsseitigen Elektroden wird so geregelt, dass das Ende des Auf- ladevorrichtungs mit dem Ende von Phase 4 zusammenfällt. Die sich einstellenden Spannungen der ersten Elektrodengruppen können dabei für eine Vorsteuerung verwendet werden.
Figur 10 zeigt einen mehrstufigen Elektrofilter. Der Filter besteht aus zwei Auflade- vorrichtungen in der Bauart von Plattenelektrofiltern, die erfindungsgemäß betrieben werden und zwei Abscheidern. Im ersten Aufladevorrichtung werden die Partikel aufgeladen und teilweise abgeschieden. Je nach Partikelgrößenverteilung und Abscheidegrad am Austritt des ersten Aufladevorrichtungs hat das Aerosol, das den Aufladevorrichtung verlässt eine mehr oder weniger breite Mobilitätsverteilung. Nach Verlassen des ersten Aufladevorrichtungs tritt das Aerosol in den ersten Abscheider ein. Hier wird ein Großteil der Partikel abgeschieden. Partikel mit nur geringer Mobilität können unter Umständen im Gas verbleiben. Diese Partikel werden in der zweiten Aufladevorrichtung weiter aufgeladen. Wegen der bereits stark verringerten Partikelkonzentration hat diese Aufladevorrichtung einen erheblich größeren Abstand zwischen Sprüh- und Niederschlagselektrode. Nach Gleichung 1 kann diese Aufladevorrichtung damit trotz der geringen Konzentration erfindungsgemäß betrieben werden. Das in der zweiten Aufladevorrichtung nachgeladene Aerosol tritt dann in den zweiten Abscheider ein. Hier werden die im zweiten Aufladevorrichtunα ausreichend geladenen Partikel abgeschieden. Wegen der geringen Stromaufnahme der Vorrichtung erfolgt die Abscheidung besonders energieeffizient.
Figur 11 zeigt einen Aufladevorrichtung in Form eines Mischbehälters mit Sprühelektrode. Das Aerosol strömt am Eintritt in den Mischbehälter und vermischt sich mit dem bereits geladenen Aerosol. Die Raumladungsdichte ist damit örtlich etwa konstant. Die Stromaufnahme ist gleichmäßig über die Sprühelektrode verteilt. Schnelle Konzentrationsänderungen im Eingangsaerosol verursachen wegen der Vermischung praktisch keine Regelungsprobleme. Da sich die Entladung in der gesamten Aufladevorrichtung im selben Zustand befindet, führt hier eine Regelung über die Gesamtstromaufnahme, die niederschlagselektrodenseitig gemessen werden kann zur optimalen Einstellung der Spannung.
Das Aerosol verlässt die Aufladevorrichtung am Austritt.
Figur 12 zeigt eine Aufladevorrichtung in Zyklonbauweise. Das Aerosol strömt am Eintritt tangential in den Aufladevorrichtung ein und strömt dann zunächst in Wandnähe spiralförmig nach unten. Dabei werden die noch wenig geladenen Partikel trotz der verhältnismäßig geringen lonenkonzentration am Rand aufgeladen.
Danach strömt das bereits teilaufgeladene Aerosol nahe der Sprühelektrode im Bereich hoher lonenkonzentration Richtung Austritt und wird dabei weiter aufgeladen. Die erzeugten Ionen werden sehr gut ausgenutzt. Da sich in der Richtung Austritt strömenden Kernströmung die hoch geladenen Partikel oben befinden und die weniger stark geladenen unten und dies bei der wandnahen Strömung umgekehrt ist, ist die Stromaufnahme über die Länge der Sprühelektrode gut verteilt.
Figur 13 zeigt eine Aufladevorrichtung mit durchströmten Elektroden. Bei diesem Auflader kann der Abstand der Elektroden besonders einfach verstellt und an die Parameter des Aerosols angepasst werden. Durch die Wahl der Strömungsrichtung von der passiven Elektrode hin zur Sürühelektrode kann die Ablaαerunα von aufαe- ladenen Teilchen auf der passiven Elektrode weitgehend vermieden werden. Ein solcher Auflader ist daher insbesondere für Anwendungen geeignet, bei denen die aufgeladenen Teilchen möglichst vollständig in einem nachfolgenden Prozess genutzt werden sollen. Ein andere Anwendungsbereich ist die Aufladung von Aerosolen, die sonst eine stark isolierende Schicht auf der passiven Elektrode bilden und Rücksprühen verursachen würden.
Die dargestellten konstruktiven und regelungstechnischen Maßnahmen können auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.

Claims

Vorrichtung und Verfahren zur Aufladung von AerosolenPatentansprüche
1. Verfahren zur energetisch optimierten Aufladung von Aerosolen in einer Aufladestufe, vorzugsweise zu deren Abscheidung in zweistufigen Elektroab- scheidem,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Intensität der Aufladung in der Aufladestufe auf einen Betriebspunkt am Übergang vom starken Corona-Quenching zum abnehmenden Corona- Quenching eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke als Meßgröße für die Regelung der Spannung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte hochspannungsseitige Stromaufnahme der Aufladevorrichtung als Meßgröße verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluß über die Niederschlagselektrode(n) als Meßgröße verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stromaufnahme einzelner oder mehrerer Elektroden der Aufladevorrichtung als Meßgröße^) verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stromaufnahme von Teilbereichen/eines Teilbereichs der passiven Elektrode als Meßgröße^) verwendet werden/verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Elektroden der Aufladevorrichtung auf die gleiche Spannung geregelt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden der Aufladevorrichtung auf unterschiedliche Spannungen geregelt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine positive Corona-Entladung verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine negative Corona-Entladung verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Spannung so eingestellt wird, dass der Strom durch den Einfluss des Aerosols auf weniger als 80 Prozent des Stroms, der bei gleicher Spannung und gleicher Geometrie ohne Aerosol erreicht wird, eingestellt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Spannung so eingestellt wird, dass der Strom durch den Einfluss des Aerosols auf weniger als 50 Prozent des Stroms, der bei gleicher Spannung und gleicher Geometrie ohne Aerosol erreicht wird, eingestellt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Spannung so eingestellt wird, dass der Strom durch den Einfluss des Aerosols auf weniger als 25 Prozent des Stroms, der bei gleicher Spannung und gleicher Geometrie ohne Aerosol erreicht wird, eingestellt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Spannung so eingestellt wird, dass der Strom durch den Einfluss des Aerosols auf weniger als 10 Prozent des Stroms, der bei gleicher Spannung und gleicher Geometrie ohne Aerosol erreicht wird, eingestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Spannung so eingestellt wird, dass der Strom durch den Einfluss des Aerosols auf weniger als 5 Prozent des Stroms, der bei gleicher Spannung und gleicher Geometrie ohne Aerosol erreicht wird, eingestellt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Spannung so eingestellt wird, dass der Strom durch den Einfluss des Aerosols am Austritt der Aufladevorrichtung auf weniger als 80 Prozent des Stroms, der bei gleicher Spannung und gleicher Geometrie ohne Aerosol erreicht wird, eingestellt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die SDannunα so einqestellt wird, dass der Strom durch den Einfluß des Aero- sols am Austritt der Aufladevorrichtung auf dem Prozentsatz des Stroms entspricht, der am Ende von Phase 4 des Quenchvorgangs erreicht wird.
18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für ein voll ausgebildetes Corona-Quenching mindestens erforderliche Raumladungskonzentration in Strömungsrichtung variiert wird.
19. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem turbulent durchmischten Mischbehälter mit Sprühelektrode besteht.
20. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Zyklon besteht.
21. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Schlaufenreaktors besteht.
22. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer in Längsrichtung vom Aerosol durchströmten Vorrichtung in Draht-Rohr-Geometrie oder Draht- Platten-Geometrie besteht.
23. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für ein voll ausgebildetes Corona-Quenching mindestens erforderliche Raumladungskonzentration in Strömungsrichtung abnimmt, indem mindestens eine der folgenden Maßnahmen zur Anwendung kommt: Erhöhung des Durchmessers der Sprühelektroden bzw. Verwendung von Sprühelektroden mit zunehmend höherer Korona-Einsatzspannung in Strömungsrichtung, in Strömungsrichtung kontinuierliche oder absatzweise Erhöhung des Abstandes zwischen Sprühelektrode und Niederschlagselektrode, in Strömungsrichtung getrennt regelbare Aufladevorrichtungsabschnitte, die mit abnehmender Betriebsspannung betrieben werden.
24. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für ein voll ausgebildetes Corona-Quenching mindestens erforderliche Raumladungskonzentration in Strömungsrichtung über die gesamte Länge der Aufladevorrichtung stetig oder abschnittsweise abnimmt.
25. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden derart beweglich angeordnet sind, dass ihr Abstand voneinander verstellbar ist und so an die Erosolparameter anpaßbar ist.
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