DE102009030803A1

DE102009030803A1 - Elektrostatischer Abscheider zur Rauchgasreinigung mit einem elektrischen Sperrfeld

Info

Publication number: DE102009030803A1
Application number: DE102009030803A
Authority: DE
Inventors: Andrei Dr. Bologa; Hanns-Rudolf Dr. Paur; Klaus Woletz
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2009-06-27
Filing date: 2009-06-27
Publication date: 2011-01-05
Also published as: EP2266702B1; EP2266702A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrostatischen Abscheider zur Reinigung von Rauchgasen, wie sie zum Beispiel in Verbrennungskammern, Holzöfen oder anderen Holzverbrennungsanlagen anfallen. Elektrostatische Abscheider umfassen eine Hochspannungsversorgung und einen Hochspannungsisolator, der durch Ruß- und Aschepartikelablagerungen verschmutzt. Zur Verminderung der Verschmutzung wird ein elektrostatischer Abscheider vorgeschlagen, bei dem der Hochspannungsisolator von dem zu reinigenden Rauchgas durch ein elektrisches Sperrfeld abgeschirmt ist. In diesem Sperrfeld werden die in dem Rauchgas enthaltenen Partikel elektrisch geladen und auf der auf Bezugspotential liegenden Oberfläche abgeschieden und elektrisch neutralisiert. Dadurch werden Ruß- und Aschepartikelablagerungen auf dem Isolator stark vermindert und die Reinigungsintervalle zur Vermeidung von Spannungsüberschlägen aufgrund dieser Ablagerungen werden erhöht.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Abscheider zur Reinigung von Rauchgasen, wie sie zum Beispiel in Verbrennungskammern, Holzöfen oder anderen Holzverbrennungsanlagen anfallen.
Elektrostatische Abscheider werden ganz allgemein zur Reinigung von Rauchgas durch Partikelabscheidung eingesetzt. Das zu reinigende Rauchgas wird in den elektrostatischen Abscheider eingeleitet, der eine Ionisierungsstufe, zur elektrischen Ladung der Partikel, und eine Kollektorstufe, zum Abscheiden der geladenen Partikel, umfasst. In der Ionisierungsstufe strömt das zu reinigende Gas durch das elektrische Feld zwischen einer Hochspannungselektrode und einer auf einem Bezugspotential, meist Erdpotential, liegenden Elektrode, in dem die im Rauchgas enthaltenen Partikel über Koronaentladung an der Hochspannungselektrode elektrisch geladen werden. Beim anschließenden Durchströmen der Kollektorstufe werden die Partikel dort auf der auf Bezugspotential liegenden Oberfläche abgeschieden und elektrisch neutralisiert.
Der Mechanismus der Abscheidung über Raumladung ist aus: „J. R. Melcher, K. S. Sachar, E. P. Warren, Overview of Electrostatic Devices for Control of Submicrometric Particles, Proceedings of the IEEE, vol. 65, No. 12, 1977, p. 1659-1669” bekannt. Die Entwicklung und Anwendung der Raumladungsabscheider zur Aufsammlung von Partikeln aus Verbrennungsgasen wird in der CH 649 645 vorgestellt. Ein Nachteil des dort beschriebenen elektrostatischen Abscheiders ist die konstruktionsbedingte Notwendigkeit aufwändiger Montage- und Demontageschritte, um die Anlage von Rückständen zu bereinigen.
Eine Reihe von Schriften beschreibt elektrostatische Abscheideanlagen, die zum Einbau in Rauchgasrohre vorgesehen sind.
Die DE 10 2008 005 096 beschreibt einen Abscheider, der in einem Rauchgasrohr, wie z. B. Kaminrohr, installiert werden kann und bei dem die sich im Rauchgas befindenden Partikel beim Passieren des Abscheiders zunächst geladen und dann an einer in Strömungsrichtung des Rauchgases angeordneten Abscheideelektrode abgeschieden werden. Ein weiterer elektrostatischer Abscheider zum Einbau in Rauchgaskanäle ist der EP 1974822 zu entnehmen. Auch bei dieser Vorrichtung wird der elektrostatische Abscheider in Strömungsrichtung des Rauchgases durchströmt. Diese Anordnung hat den Nachteil, dass die Effizienz der Partikelabscheidung reduziert wird, da bereits abgeschiedene Partikel durch den Gasstrom wieder mitgerissen werden können und so die Emissionswerte erhöhen können.
Ein weiterer Nachteil der bekannten elektrostatischen Abscheideanlagen ist die Verschmutzung des Hochspannungsisolators, der in die vom Gas durchströmte Kammer hineinragt, mit Partikeln aus z. B. Flugasche oder Ruß die in dem zu reinigenden Rauchgas enthalten sind. Dadurch kommt es zu Spannungsüberschlägen, die Effizienz des elektrostatischen Abscheiders verringern.
Ausgehend davon ist die Aufgabe der Erfindung die genannten Nachteile zu vermeiden und einen elektrostatischen Abscheider anzugeben, der eine effiziente Rauchgasreinigung bei verlängerter Betriebsdauer sichert. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Verkürzung der Ausfallzeiten für Reinigungsarbeiten.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung an.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein elektrostatischer Abscheider vorgeschlagen, bei dem der Hochspannungsisolator von dem zu reinigenden Rauchgas durch ein elektrisches Sperrfeld abgeschirmt ist. Dadurch werden Ruß- und Aschepartikelablagerungen auf dem Isolator stark vermindert und die Reinigungsintervalle zur Vermeidung von Spannungsüberschlägen aufgrund dieser Ablagerungen werden erhöht.
Zur Abschirmung des Hochspannungsisolators ist eine Abschirmelektrode axialradial zu einem Mitteln zum elektrischen Laden von Partikeln angeordnet. Diese Mittel bestehen vorzugsweise aus einem mit einer Hochspannung beaufschlagbaren Element, das auch als Hochspannungselektrode bezeichnet wird. Die Abschirmelektrode ist vorzugsweise rohrförmig ausgestaltet, wobei die Form des Querschnitts an die Bauform der umgebenden Elemente angepasst werden kann. Bei einer Beaufschlagung der Hochspannungselektrode mit einer Hochspannung bildet sich ein elektrisches Feld zwischen der Hochspannungselektrode und der Abschirmelektrode aus. Entscheidend für die Stärke des elektrischen Feldes ist die Größe des Spaltes zwischen der Hochspannungselektrode und der Abschirmelektrode. Durch radiale Verdickungen an der Hochspannungselektrode kann der Spalt, der vorzugsweise die Form eines Ringspaltes aufweist, verringert werden und die elektrische Feldstärke in diesem Bereich wird erhöht. Das elektrische Feld mit erhöhter Feldstärke wirkt als zusätzliche Barriere für das partikelbeladene Rauchgas. Ein Teil des Rauchgases strömt in diesen Bereich, wobei die sich in dem Rauchgas befindenden Partikel elektrisch geladen werden und beim weiteren Durchströmen des Rauchgases durch das elektrische Feld, kommt es zu einer Krafteinwirkung auf die im Rauchgas enthaltenen Partikel (elektrische Ladungsträger), wobei sich die elektrischen Ladungsträger an der inneren Wand der Abschirmelektrode abscheiden.
Durch eine geeignete Wahl des äußeren Durchmessers der radialen Verdickung, die als Sperrfeldelektrode bezeichnet wird, an der Hochspannungselektrode im Zusammenspiel mit dem inneren Durchmesser der Abschirmelektrode wird eine Feldstärke erzeugt, die eine verstärkte Abscheidung von geladenen Partikeln auf der auf Bezugspotential liegenden Abschirmelektrode zur Folge hat, jedoch keine Koronaentladung.
In einer Ausgestaltungsform des elektrostatischen Abscheiders ist neben der Sperrfeldelektrode mindestens eine weitere radiale Verdickung an dem aus der Abschirmelektrode herausragenden Ende der Hochspannungselektrode angebracht. Der Durchmesser der Sperrfeldelektrode kann sich dabei vom Durchmesser der weiteren radialen Verdickungen unterscheiden. In diesem Fall wird bei Beaufschlagung der Hochspannungselektrode, neben dem elektrischen Feld zwischen der Sperrfeldelektrode und der Abschirmelektrode, ein weiteres elektrisches Feldes zwischen der radialen Verdickung außerhalb der Abschirmelektrode und der Wand des elektrostatischen Abscheiders ausgebildet, da diese Wand auf einem Bezugspotential, meist Erdpotential, liegt.
Eine weitere Ausgestaltungsform umfasst eine Sperrfeldelektrode, die aus der Abschirmelektrode herausragt. In diesem Fall wird bei Beaufschlagung der Hochspannungselektrode mit einer Hochspannung, neben dem elektrischen Feld zwischen der Sperrfeldelektrode und der Abschirmelektrode, ein weiteres elektrisches Feld zwischen derselben Sperrfeldelektrode und der Wand des elektrostatischen Abscheiders ausgebildet.
In einer besonders bevorzugten Ausführform umfasst die Hochspannungselektrode an ihrem weiten Ende eine Koronaelektrode, die zusätzlich zu der Sperrfeldelektrode angeordnet ist. Ein Teil des Rauchgases umströmt diese Koronaelektrode und die im Rauchgas enthaltenen Partikel werden an dieser Koronaelektrode über Koronaentladung an der Hochspannungselektrode elektrisch geladen und auf der auf Bezugspotential liegenden Oberfläche abgeschieden und elektrisch neutralisiert. Das gereinigte Gas strömt durch den Reingasaustritt aus dem elektrostatischen Abscheider.
Die Erfindung wird mit einem Ausführungsbeispiel anhand der 1 näher erläutert. 1 zeigt eine schematische Ansicht des elektrostatischen Abscheiders mit einer Sperrfeldelektrode und einer konzentrisch um diese angeordnete rohrförmigen Abschirmelektrode.
Der elektrostatische Abscheider umfasst eine rohrförmige Abscheidekammer 1 mit einer seitlich angeordneten Einlassöffnung 2 für das Rauchgas und einer seitlich angeordneten Öffnung 3 für den Austritt des Reingases. Die Abscheidekammer 1 hat einen Deckel 13 und einen Boden 14. Ein Hochspannungsisolator 4 ist unterhalb des Deckels 13 und oberhalb der Einlassöffnung 2 angeordnet, wobei ein ringförmiges Element 5 als Auflager dient. An dem ringförmigen Element 5 ist ebenfalls die rohrförmige Abschirmelektrode 11 befestigt, die axial in die Abscheidekammer 1 hineinragt. Die Abscheidekammer 1, das ringförmige Element 5 und die rohrförmigen Abschirmelektrode 11 sind elektrisch leitend miteinander verbunden und haben das gleiche Bezugspotential, vorzugsweise Erdpotential.
Eine Hochspannungselektrode 6 ist in der Abscheidekammer 1 innerhalb der rohrförmigen Abschirmelektrode 11 axial angeordnet und ist an dem Hochspannungsisolator 4 befestigt und über ein Kabel 7, dass durch einen Öffnungskanal 8 geführt ist, mit einer, in der Figur nicht gezeigten, Hochspannungsquelle verbunden. Die Hochspannungselektrode 6 weist eine radiale Verdickung, die Sperrfeldelektrode 12 auf, die in der gezeigten Ausführform vollständig in die rohrförmige Abschirmelektrode 11 hineinragt.
In der in 1 dargestellten Ausführform weist die Hochspannungselektrode 6 eine weitere radiale Verdickung 9 auf, die in die Abscheidekammer 1 des elektrostatischen Abscheiders hineinragt und aus der röhrförmigen Abschirmelektrode 11 herausragt. Unterhalb der zweiten radialen Verdickung 9 ist eine Koronaelektrode 10 an der Hochspannungselektrode 6 angebracht.
Die Abschirmelektrode 11 bewirkt, dass der direkte Fluss von Ruß- und Flugaschepartikeln aus dem Rauchgas zu dem Hochspannungsisolator 4 unterbunden wird. Die Sperrfeldelektrode 12 an der Hochspannungselektrode 6 verursacht die Ausbildung eines elektrischen Feldes zwischen der Sperrfeldelektrode 12 und der auf einem Bezugspotential liegenden Abschirmelektrode 11. Gelangen geladene Partikel in dieses Feldes, scheiden sie sich unter Einfluss des elektrischen Feldes an der inneren Wand der Abschirmelektrode 11 ab. Ein weiteres elektrisches Feld bildet sich zwischen der zweiten radialen Verdickung 9 und der auf Bezugspotential liegenden Wand der Abscheidekammer 1 aus. Die Koronaelektrode 10 bewirkt im Zusammenspiel mit der auf Bezugspotential liegenden Oberfläche eine Koronaentladung, Abscheidung und elektrische Neutralisation der Partikel im Rauchgas.
Bezugszeichenliste

1: Abscheidekammer
2: Einlassöffnung für Rauchgaseintritt
3: Öffnung für Reingasautritt
4: Hochspannungsisolator
5: Ringförmiges Element, Auflager
6: Hochspannungselektrode
7: Kabel
8: Öffnungskanal
9: Radiale Verdickung
10: Koronaelektrode
11: Abschirmelektrode
12: Sperrfeldelektrode
13: Deckel
14: Boden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- CH 649645 [0003]
- DE 102008005096 [0005]
- EP 1974822 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- J. R. Melcher, K. S. Sachar, E. P. Warren, Overview of Electrostatic Devices for Control of Submicrometric Particles, Proceedings of the IEEE, vol. 65, No. 12, 1977, p. 1659-1669 [0003]

Claims

Elektrostatischer Abscheider zur Reinigung von partikelbeladenem Rauchgas umfassend, a) einen Rauchgaseintritt (2) b) Mittel zum elektrischen Laden von Partikeln (6) mit einem Hochspannungsanschluss c) Abscheideflächen (1, 11) mit einem Bezugspotential zum Potential des Hochspannungsanschlusses für die elektrisch geladenen Partikel d) einen Hochspannungsisolator (4) zwischen Hochspannungsanschluss und Abscheideflächen (1, 11) e) eine Abschirmelektrode (11) um die Mittel zum elektrischen Laden von Partikeln angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum elektrischen Laden von Partikeln eine Sperrfeldelektrode (12) zur Erzeugung eines elektrischen Sperrfeldes in einem Spalt zwischen den Mitteln (6) und der Abschirmelektrode (11) umfassen, wobei das Sperrfeld zwischen Rauchgaseintritt (3) und Hochspannungsisolator (4) angeordnet ist.
Elektrostatischer Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmelektrode (11) konzentrisch um die Sperrfeldelektrode (12) angeordnet ist und der Spalt ein Ringspalt ist.
Elektrostatischer Abscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Abscheidefläche (1, 11) konzentrisch um die Mittel (6) zum Laden von Partikeln angeordnet ist.
Elektrostatischer Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) zum elektrischen Laden von Partikel radiale Verdickungen (9) außerhalb der Abschirmelektrode aufweisen, wobei Ringspalten zwischen den radialen Verdickungen (9) und der Wand des elektrostatischen Abscheiders (1) bestehen.
Elektrostatischer Abscheider nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die radiale Verdickung (9) und die Sperrfeldelektrode (12) eine zusammenhängende Elektrode bilden.
Elektrostatischer Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) zum elektrischen Laden von Partikel an ihrem weiten Ende eine Koronaelektrode (10) umfassen.
Elektrostatischer Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsisolator (4) oberhalb des Sperrfeldes angeordnet ist.