DE102024102234A1

DE102024102234A1 - Elektrostatischer Kondensationsabscheider, elektrostatisch verstärktes Kondensationssystem sowie Verfahren zur elektrostatischen Kondensationsabscheidung

Info

Publication number: DE102024102234A1
Application number: DE102024102234.5A
Authority: DE
Inventors: Andrei Bologa; Klaus Woletz
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2024-01-26
Filing date: 2024-01-26
Publication date: 2025-07-31

Abstract

Elektrostatischer Kondensationsabscheider für Rauchgase oder Pyrolysegase, umfassend ein Gehäuse (1, 13) mit einem Gaseintritt (2) und einem Gasaustritt (3) und eine dazwischen im Gehäuse angeordnete Gasführung mit Abscheidestufen (17, 34), wobei die Abscheidestufen Abscheideflächen (34) mit Kondensatauslass (4) darunter sowie Mittel zum elektrischen Laden des Pyrolysegases umfassen, die Mittel mindestens einen Hochspannungsanschluss (15) jeweils mit isolierender Hochspannungsdurchführung (14) in das Gehäuse aufweisen sowie die Abscheideflächen mit einem Bezugspotential zum Potential des Hochspannungsanschlusses aufweisen, wobei erste Temperierungsmittel (7) für eine Temperierung der Abscheideflächen vorgesehen sind, die mindestens eine isolierende Hochspannungsdurchführung abseits und oberhalb der Gasführung angeordnet sind, mindestens eine an den Hochspannungsanschluss angeschlossene Sperrfeldelektrode (18) mit Sperrfeldabscheideflächen (33) als Aerosolbarriere unterhalb der mindestens einen Hochspannungsdurchführung und oberhalb der Gasführung angeordnet sind sowie zweite Temperierungsmittel (10) für eine Temperierung des Gehäuses um die mindestens eine isolierende Hochspannungsdurchführung auf eine Temperatur oberhalb der der Temperierung der Abscheideflächen vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Kondensationsabscheider für die Reinigung von Rauchgasen oder Pyrolysegasen, vorzugsweise aus technischen Umwandlungsprozessen, vorzugsweise Verbrennungsprozessen wie z.B. aus Kleinfeuerungsanlagen, Öfen, Verbrennungsmotoren oder sonstige Verbrennungsanlagen gemäß dem ersten Patentanspruch. Weiterhin betrifft die Erfindung ein elektrostatisch verstärktes Kondensationssystem sowie ein Verfahren zur elektrostatischen Kondensationsabscheidung mit einem elektrostatischen Kondensationsabscheider der vorgenannten Art gemäß dem zehnten bzw. elften Patentanspruch.
Rauchgase sind partikelhaltige Gase mit festen und/oder flüssigen Bestandteilen. Sie weisen eine gasförmige Trägerkomponente auf, in die feste Partikel und/oder Flüssigtropfen suspendiert sind. Pyrolysegase sind Rauchgase aus einem Pyrolyseprozess.
Bei der Verbrennung oder Pyrolyse fester kohlenstoffhaltiger Stoffe wie Holz, Biomasse oder Kohle entstehen die vorgenannten Rauchgase. Diese verursachen Feinstaub- und Aerosolemissionen und damit einerseits eine Verunreinigung der Umwelt und andererseits emissionsbedingte Gesundheitsgefährdungen. Feinstaubpartikel und Aerosole können vor dem Austritt in die Umgebung durch wirksame Rauchgasreinigung abgefangen und weiterverarbeitet werden. Ein elektrostatischer Abscheider ist eine solche effektive Gasreinigungseinrichtung.
DE 10 2004 039 118 B3 beschreibt beispielhaft einen elektrostatischen Abscheider für die Abscheidung von Partikeln aus einem Rauchgas. Darin ist zu entnehmen, das Partikel in einem Ionisierungsfeld in einem Strömungskanal geladen und abgeschieden werden können. Geladene Partikel werden unter dem Einfluss einer Aerosol-Raumladung auf der inneren Oberfläche der Wände der Abscheiderkammer im Strömungskanal, durch die die Rauchgase gelangen, abgeschieden und treten dann gereinigt aus dem Abscheider aus.
Eine zentrale Komponente eines elektrostatischen Kondensationsabscheiders für Rauchgase oder Pyrolysegase bildet mindestens eine Entladungselektrode im Strömungskanal. Zwischen diesen Elektroden und den Wandungen des Strömungskanals als Gegenelektroden spannt sich das Ionisierungsfeld auf. Die Entladungselektroden müssen wiederum an eine Hochspannungsquelle angeschlossen sein, d.h. es muss eine Hochspannungsleitung über eine Hochspannungsdurchführung in den Strömungskanal vorgesehen werden.
Ein Nachteil der bekannten elektrostatischen Abscheideanlagen ist die Verschmutzung des Hochspannungsisolators, der in die vom Gas durchströmte Kammer (Strömungskanal) hineinragt mit Partikeln aus z.B. Flugasche oder Ruß die in dem zu reinigenden Rauchgas enthalten sind. Nachteilig ist dabei, dass sich Aerosole und/oder Partikel (Kondensat) nicht nur in einem diskreten Abscheidungsbereich absetzen, sondern grundsätzlich im gesamten Innenwandungsbereich des Strömungskanals. Insbesondere der Bereich der Hochspannungsdurchführung weist beim Anliegen eines Hochspannungspotentialunterschieds zwischen Strömungskanalwandung und Hochspannungsleitung aufgrund des dort vorliegenden geringen Abstands zwischen den genannten Komponenten eine besonders hohe Feldstärke auf. Dies bewirkt wiederum eine bevorzugte Abscheidung von Partikeln bis hin zur Ausbildung von elektrischen Leiterbahnen und damit von Kurzschlüssen zwischen Wandung und Leitung gerade in diesem Bereich.
Es ist weiterhin z.B. aus der DE 10 2009 030 804 B4 bekannt, dass ein steiler Temperaturgradient zwischen dem einströmenden Rauchgas und dem Isolator zu Verwirbelungen führt, die eine vermehrte Anlagerung von Ruß- und Aschepartikeln an dem Isolator zur Folge haben. Damit steigt auch die Wahrscheinlichkeit von Spannungsüberschlägen, die die Effizienz des elektrostatischen Abscheiders verringern.
Es liegt im allgemeinen Bestreben, diese bevorzugte Abscheidung sowie die damit verbundene erhöhte Kurzschlussgefahr zu reduzieren und die damit einhergehende geringe Betriebsdauer zwischen den Reinigungsintervallen zu erhöhen. Die erfolgt beispielsweise dadurch, dass eine Platzierung der Hochspannungsdurchführung abseits Rauchgasströmung und/oder stromaufwärts des Ionisierungsfeldes erfolgt und/oder der für einen Kurzschluss die mit abgeschiedenen Partikeln zu überbrückende Wegstrecke verlängert wird.
DE 10 2009 030 804 B4 beschreibt ferner einen elektrostatischen Abscheider der eingangs genannten Art, bei dem die Hochspannungsdurchführung nicht nur abseits, stromaufwärts und auch oberhalb des Ionisierungsfeldes angeordnet ist und die starre Hochspannungsleitung vertikal im Strömungskanal überwiegend in einem Isolierschlauch geführt ist, sondern auch mit einer gasdichten Abdeckkappe umgeben ist, die aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht und in ein Rohr hineinragt, welches mit dem Reingasaustritt verbunden ist und durch erwärmtes Reingas temperiert wird. Damit lässt sich die Hochspannungsdurchführung ohne einen zusätzlichen Energieeintrag erwärmen und die Abscheidung von Aerosolen und Partikeln aus dem Rauchgas in diesem Bereich reduzieren.
Ausgehend davon ist die Aufgabe der Erfindung einen weiter verbesserten elektrostatischen Kondensationsabscheider vorzuschlagen, der eine effiziente Rauchgasreinigung bei verlängerter Betriebsdauer sichert.
Insbesondere soll die Verschmutzung des Hochspannungsisolators durch Aerosole wie Ölnebel und auch Partikel (Kondensat) vermieden oder weiter reduziert werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen elektrostatischen Kondensationsabscheider für Rauchgase oder Pyrolysegase mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Ferner wird die Aufgabe durch ein elektrostatisches Kondensationsabscheidungssystem gemäß dem Anspruch 10 sowie ein Verfahren zur elektrostatischen Kondensationsabscheidung gemäß Anspruch 11 gelöst. Die Unteransprüche geben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen an.
Die Lösung der Aufgabe basiert auf einem elektrostatischen Kondensationsabscheider für Rauchgase oder Pyrolysegase. Dieser umfasst ein Gehäuse mit einem Gaseintritt und einem Gasaustritt und dazwischen im Gehäuse angeordneten Strömungskanal, vorzugsweise mit seriell angeordnete Abscheidestufen in einer Gasführung. Der Strömungskanal erstreckt sich vom Gaseintritt zum Gasaustritt. Die Abscheidestufen dienen der Abscheidung eines Kondensats aus dem Rauchgas, Pyrolysegas oder einem anderen Aerosolhaltigen Rohgas, die dann im Gehäuse zu einem Kondensatauslass vorzugsweise schwerkraftgetrieben weitergeleitet und dort aus dem Gehäuse geleitet wird. Die Gasführung im Strömungskanal ist in eine Rauchgasführung, die grundsätzlich vor, und in eine Reingasführung, die grundsätzlich nach der jeweiligen Abscheidestufen aufteilbar.
Ferner sind die mindestens eine isolierende Hochspannungsdurchführung abseits und abzweigend oberhalb des Strömungskanals und der Gasführung angeordnet. Weiterhin ist zwischen der mindestens einen Hochspannungsdurchführung und des Gaseintrittes jeweils eine an den Hochspannungsanschluss angeschlossene Sperrfeldelektrode mit Sperrfeldabscheideflächen als Aerosolbarriere angeordnet, deren Ausgestaltung der der vorgenannten Koronaentladungselektroden sowie deren geometrischen Anordnung zu den angrenzenden Abscheideflächen im Gehäuseinnern entsprechen. Diese Ausgestaltung reduziert die Neigung einer Ablagerung an der Hochspannungsdurchführung und damit die Bildung von elektrischen Nebenschlüssen zwischen Hochspannungsanschluss und Gehäuse bereits in vorteilhafter Weise signifikant. Insbesondere eine Ablagerung von Aerosolen wie an sich elektrisch nicht leitfähigen Ölnebel auf der Oberfläche der Isolierung zwischen elektrischen Leitern mit hohem Potentialunterschieden (Hochspannung) im Bereich der Hochspannungsdurchführung bewirkt in unvorteilhafter Weise eine laufende Anfeuchtung dieses Bereichs und damit dort eine erhöhte Adsorptionsfähigkeit für Verschmutzungen. Damit einher geht eine den Abreinigungsbetrieb massiv einschränkende reduzierte elektrische Überschlagsfestigkeit an der Hochspannungsdurchführung.
Die Abscheidestufen umfassen Mittel zum elektrischen Laden des Pyrolysegases, wobei die Mittel mindestens einen Hochspannungsanschluss jeweils mit der isolierenden Hochspannungsdurchführung in das Gehäuse aufweisen sowie die Abscheideflächen mit einem Bezugspotential zum Potential des Hochspannungsanschlusses aufweisen und damit eine Koronaentladungsanordnung bilden. Beim elektrischen Laden und der Abscheidung findet somit im Strömungskanal eine Koronaentladung statt, wobei Aerosolbestandteile im Gas zunächst in einem elektrostatischen Feld ionisiert und anschließend von Abscheideflächen elektrostatisch angezogen und dort abgeschieden werden. Die Abscheidestufen weisen jeweils Abscheideflächen mit Kondensatauslass darunter auf. Der Kondensationsabscheider sieht für eine Optimierung der Kondensatabscheidung erste Temperierungsmittel für eine Temperierung der Abscheideflächen vor, wobei vorzugsweise eine Temperatur unterhalb der im Strömungskanal anliegenden Gastemperatur angestrebt wird, die eine erneute Wiederaufnahme des Kondensats durch das strömende Gas reduziert wird.
Die genannte Koronaentladungsanordnung ist im Strömungskanal angeordnet. Diese umfasst bevorzugt mindestens eine, weiter vorzugsweise mindestens zwei scheibenförmige Koronaentladungselektroden und die genannten Abscheideflächen, geeignet für eine Ausbildung eines umlaufenden elektrischen Feldes zwischen Koronaentladungselektrode und den Abscheideflächen als Gegenelektroden. Im Falle von mehreren Koronaentladungselektroden sind diese im Strömungskanal in Strömungsrichtung seriell angeordnet und vorzugsweise miteinander elektrisch verbunden.
Im Kondensationsabscheider sind vorzugsweise Mittel zum elektrischen Laden der Koronaentladungselektroden vorgesehen, umfassend mindestens einen Hochspannungsanschluss jeweils mit isolierende Hochspannungsdurchführung in das Gehäuse sowie Abscheideflächen mit einem Bezugspotential zum Potential des Hochspannungsanschlusses. Die mindestens eine isolierende Hochspannungsdurchführung ist dabei abseits und oberhalb der Gasführung angeordnet. Ferner ist mindestens eine an den Hochspannungsanschluss angeschlossene Sperrfeldelektrode mit Sperrfeldabscheideflächen als Aerosolbarriere unterhalb der mindestens einen Hochspannungsdurchführung und oberhalb der Gasführung vorgesehen.
Wesentliche Merkmale betreffen diese Aerosolbarriere zwischen Hochspannungsanschluss und Strömungskanal. Diese umfassen insbesondere zweite Temperierungsmittel für eine Temperierung des Gehäuses um die mindestens eine isolierende Hochspannungsdurchführung auf eine erhöhte Temperatur, zumindest aber oberhalb der der Temperierung der Abscheideflächen durch die vorgenannten ersten Temperierungsmittel. Der Bereich der isolierende Hochspannungsdurchführung wird durch die erhöhte Temperatur ebenfalls erwärmt, was dort wiederum Kondensatabscheidung und damit die Gefahr von elektrischen Stromübertragungsbrücken zwischen dem Gehäuse (vorzugsweise geerdet, d.h. auf Erdpotential) und Hochspannungsanschluss (mit Potentialunterschied zum Gehäuse) in vorteilhafter Weise reduziert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweiten Temperierungsmittel des Gehäuses oberhalb und vorzugsweise auch abseits der Sperrfeldabscheideflächen, d.h. die Innenflächen des Gehäuses oberhalb des Strömungskanals, die den Sperrfeld gegenüberstehen und damit mit denen im Gehäuse auf gleicher Höhe positioniert sind, angeordnet sind. Die Sperrfeld ist Teil der Aerosolbarriere, die unterhalb der Hochspannungsdurchführung, aber oberhalb und abseits des Strömungskanals angeordnet ist. Der Bereich des Sperrfeldes wird durch die zweiten Temperierungsmittel folglich nicht direkt temperiert; es stellt sich da eine Temperatur ein, die zwischen der der Hochspannungsdurchführung und der des Strömungskanal ein. Eine Anordnung der Hochspannungsdurchführung, der Aerosolbarriere und des Strömungskanals übereinander weist somit in besonders vorteilhafter Weise ein schichtweises Einstellen einer Temperatur in einer mit der Anordnung aufsteigenden Temperatur auf. Es kommt zu einer thermischen Gasschichtung im Gehäuse, wobei die Sperrfeldelektroden Verwirbelungen und damit eine Vermischung der einzelnen Gasschichten miteinander nicht nur zusätzlich behindert, sondern auch den unerwünschten Zugang von Aerosolen von dem Strömungskanal zur Hochspannungsdurchführung weiter reduziert. Eine solche thermische Schichtung ist besonders gut realisierbar, wenn das Gehäuse bevorzugt durch ein Mantelrohr gebildet wird, das oben über der Sperrfeldabscheideflächen wie beschrieben durch das zweite Temperierungsmittel aufgeheizt und unten im Bereich der Abscheideflächen durch das erste Temperierungsmittel gekühlt wird. Gerade dieses Zusammenspiel von Aerosolbarriere und die darüber bevorzugt selektiv auf die Hochspannungsdurchführung einwirkende angeordnete zweite Temperierung reduziert nicht nur den Zugang von Aersolbestandteilen zur, sondern auch die Kondensation dieser an der Hochspannungsdurchführung in besonders wirksamer Weise.
Vorzugsweise sind die scheibenförmigen Koronaentladungselektroden orthogonal zu der Durchströmungsrichtung im Strömungskanal angeordnet, womit eine Umlenkung der Rauchgasdurchströmung im Strömungskanal durch das elektrische Feld hindurch möglichst im gesamten Feld gleichmäßig homogen erfolgt. Zur Erzeugung einer gleichmassigen elektrischen Feldstärke über das gesamte Feld wird vorgeschlagen, dass der kürzeste Abstand des umlaufenden Rands der Koronaentladungselektrode vorzugsweise zu jeweils der nächstliegenden Innenwandung jeweils gleich ist. Entsprechend ist das elektrische Feld zwischen dem umlaufenden Rand einer Koronaentladungselektrode und dem jeweils kürzesten Abstand zur Innenwandung maximal.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der mindestens einen scheibenförmige Koronaentladungselektrode kennzeichnet sich dadurch aus, dass diese umlaufend radial vorstehenden Elektrodenspitzen aufweist, wobei dann der Abstand der Elektrodenspitzen als kürzester Abstand maßgeblich und zu jeweils der nächstliegenden Abscheidefläche vorzugsweise einheitlich gleich groß ist.
Die Abscheideflächen werden durch die Innenwandungsbereiche des Strömungskanals gebildet. Vorzugsweise sind dabei die Abscheideflächen im Strömungskanal geerdet (Nullpotential), während die mindestens eine Koronaentladungselektrode bevorzugt an eine vorzugsweise gemeinsame Hochspannungsquelle angeschlossen ist und durch diese mit einer Potentialdifferenz zum Nullpotential, vorzugsweise mit einem negativen Gleichspannungspotential beaufschlagt ist. Dabei sind das Gehäuse oder zumindest die Innenwandungen des Strömungskanals oder zumindest die Abscheideflächen elektrisch leitfähig bzw. leitfähig beschichtet. Die Abscheideflächen erstrecken sich in ihrer Gesamtheit grundsätzlich über alle elektrisch leitfähigen oder leitfähig beschichteten Innenwandungen des Strömungskanals, die elektrisch miteinander verbunden sind und hierdurch mit einem gleichen Potential zueinander beaufschlagt sind.
Eine wesentliche Verbesserung wird folglich dadurch erreicht, dass eine Temperierung der Sperrfeldabscheideflächen auf eine Temperatur oberhalb der der Temperierung der Abscheideflächen vorgesehen sind. Dies wird durch einen Einsatz der vorgenannten zweiten Temperierungsmittel trotz fehlender direkter Wärmeübertragung allein schon wegen der räumlichen Nähe dieser zur Aerosolsperre dennoch unterstützt. Allein mit einer Kühlung der Abscheideflächen wird die Abscheideeffizienz der in Richtung der Hochspannungsdurchführung fehlgeleiteten Aerosolbestandteile auf diesen Abscheideflächen erheblich erhöht und somit die Wirksamkeit des Sperrfelds vergrößert.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, die Abscheideflächen und die Sperrfeldabscheideflächen durch die innere Gehäusewandung zu bilden und die ersten und zweiten Temperierungsmittel von außen auf die äußeren Gehäusewandungen aufzusetzen oder in diese zu integrieren. Damit erreicht man beispielsweise eine verbesserte Handhabung bei einem möglichen Komponententausch.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, das Gehäuse durch ein vertikal ausgerichtetes Innenvolumen mit serieller Anordnung von Hochspannungsdurchführung und darunter angeordneten Aerosolbarriere, Gaseintritt, Abscheidestufe und Gasaustritt in der genannten Reihenfolge auszugestalten. Die Aerosolbarriere mit dessen Abscheideflächen ist somit unterhalb der Hochspannungsdurchführung angeordnet, sodass die abgeschiedenen fehlgeleiteten Aerosolbestandteile nicht zur Hochspannungsdurchführung, sondern bevorzugt schwerkraftbetrieben nach unten zur Abscheidestufe weitergeleitet und von dort gemeinsam mit den dort abgeschiedenen Aerosolbestandteilen zum Kondensatauslass weiter abgeleitet werden. Diese Zusammenführung und gemeinsamen Ableitung der abgeschiedenen Aerosolbestandteile bedeutet summa summarum eine weitere Effizienzerhöhung des Kondensationsabscheiders.
Die genannten ersten und/oder zweiten Temperierungsmittel sind oder umfassen weiter bevorzugt Wärmetauscher mit Durchleitungen für ein Wärmetauscherfluid, die einen wärmeleitenden Festkörperkontakt zu den jeweiligen Abscheideflächen des Kondensationsabscheider bzw. Aerosolbarriere aufweisen. Weiter bevorzugt sind Schaltmittel für eine serielle Verschaltung der Durchleitungen durch die ersten und zweiten Temperierungsmittel vorgesehen, womit insbesondere ein Temperaturunterschied zwischen dem Aerosolabscheider über dem Gaseintritt und dem Kondensationsabscheider unterhalb dem Gaseintritt realisierbar wird.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, die Temperatur der Sperrfeldabscheideflächen der Aerosolbarriere über die der der Abscheideflächen des Kondensationsabscheiders einzustellen. Bei einer Abkühlung dieser Flächen wird das Wärmetauscherfluid dazu zunächst für die Temperierung (Abkühlung) des Kondensationsabscheiders genutzt und mit dem Durchlauf durch den entsprechenden Wärmetauscher ausgewärmt, um anschließend mit der erhöhten Temperatur für die Temperierung der Aerosolbarriere über dem Gaseintritt herangezogen zu werden. Ist eine Erwärmung dieser Flächen durch das Wärmetauscherfluid vorgesehen, erfolgt durch die Wärmetauscher eine Abkühlung des Wärmetauscherfluids. Es wird dann eine serielle Hindurchleitung des Wärmetauscherfluids durch die Wärmetauscher zunächst der Aerosolbarriere und dann etwas abgekühlt des Kondensationsabscheiders vorgeschlagen, wobei sich auf den Abscheideflächen im Kondensationsabscheider bevorzugt eine geringere Temperatur als auf den Sperrfeldabscheideflächen in der Aerosolbarriere einstellt. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die ersten und zweiten Temperierungsmittel in mindestens einem Kreislauf für das Wärmetauscherfluid einzeln oder gemeinsam fluidisch mit einer externen Wärmequelle oder -senke verbunden sind.
Vorzugsweise wird aber insbesondere vorgeschlagen, die Temperierung der Abscheideflächen des Kondensationsabscheiders auf eine Temperatur unterhalb der Gastemperatur und die Temperierung der Sperrfeldabscheideflächen der Aerosolbarriere auf eine Temperatur oberhalb der Gastemperatur vorzusehen.
Eine alternative bevorzugte Ausführungsform sieht vor, die ersten und/oder zweiten Temperierungsmittel Wärmetauscher mit elektrothermische Wandler, bevorzugt elektrische Heizelemente und/oder Peltierelemente anstelle der Verwendung eines Wärmetauscherfluids umfassen. Dies schließt ebenfalls bevorzugte Mischformen nicht aus, beispielsweise eine fluidische Temperierung als Grundtemperierung mit lokal und/oder temporär zuschaltbaren elektrothermischen Wandlerelemente für lokale thermische Feineinstellungen.
Ferner wir ein elektrostatisch verstärktes Kondensationssystem vorgeschlagen, umfassend eine serielle und/oder parallele Verschaltung der Gasführungen von mindestens zwei elektrostatischen Kondensationsabscheider der vorgenannten Art. Damit wir eine Modulbauform vorgeschlagen, die nicht nur eine bessere Dimensionierung des Kondensationssystems mit standardisierten Komponenten (ermöglicht, sondern auch je nach Erfordernis (z.B. Durchsatz, gesetzliche Rahmenbedingungen) eine Erweiterung und/oder eine Reduzierung der Kapazität oder Abreinigungsgüte durch eine Weg- oder Hinzunahme von weiteren Kondensationsabscheider signifikant begünstigt.
Weiterhin wird ein Verfahren zur elektrostatischen Kondensationsabscheidung mit einem elektrostatischen Kondensationsabscheider oder einem elektrostatisch verstärktem Kondensationssystem der vorgenannten Art vorgeschlagen, bei dem die Temperierung der Sperrfeldabscheideflächen auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur der Abscheideflächen des Kondensationsabscheiders vorgesehen ist, vorzugsweise durch die vorgeschlagenen seriellen Verschaltung der hierfür vorgesehenen Wärmetauscher.
Mit dem Kondensationsabscheider und dem damit aufgebauten Systems lässt sich in besonders vorteilhafter Weise ein signifikant verbesserter Schutz der Hochspannungsdurchführung in das Gehäuse vor Aerosolbestandteile erzielen und so ein stabiler Langzeitbetrieb des elektrostatischen Kondensationsabscheiders oder elektrostatisch verstärkten Kondensationssystems erzielen. Damit und vor allem durch den vorgeschlagenen modularen Aufbau begünstigt in besonderer Weise einen kompakten Aufbau von Kondensationsabscheider insbesondere im Bereich der Hochspannungsdurchführung sowie des Systems aufgrund seines modularen Aufbaus. Dies wiederum ermöglicht auch eine Reduzierung der erforderlichen Herstellungs- und Wartungskosten und des Wartungsaufwands. Eine besonders flexible Systemdimensionierung an vorgegebene Rahmenbedingungen wird durch den vorgeschlagenen modularen Aufbau erst ermöglicht. Eine Anordnung der Hochspannungsdurchführung (Hochspannungsisolators) oberhalb der Gaseingangs unterstützt zudem die Reduzierung der Verunreinigungsgefahr.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen (bevorzugte Ausführungsformen), den folgenden Figuren und Beschreibungen näher erläutert. Alle dargestellten Merkmale und deren Kombinationen sind nicht nur auf diese Ausführungsbeispiele und deren Ausgestaltungen begrenzt. Vielmehr sollen diese stellvertretend für weitere mögliche, aber nicht explizit als Ausführungsbeispiele dargestellte weitere Ausgestaltungen kombinierbar angesehen werden. Es zeigen

1 schematische Darstellungen einer Ausführungsform eines elektrostatischen Kondensationsabscheiders für Rauchgase oder Pyrolysegase,
2 eine schematische Detaildarstellung des oberen Bereichs des elektrostatischen Kondensationsabscheiders gemäß 1 oberhalb des Gaseintritts mit einer Hochspannungsdurchführung und Aerosolbarriere,
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines elektrostatischen Kondensationsabscheiders mit den primären und sekundären Gasauslassrohren,
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines elektrostatischen Kondensationsabscheiders mit fluiden Kühl- und Heizvorrichtungen für die Speisung der ersten und zweiten Temperierungsmitteln mit einem Wärmetauscherfluid in einem gemeinsamen Kreislauf,
5a und b schematische Darstellungen der einer Ausführungsform eines elektrostatischen Kondensationsabscheiders mit fluidischem Wärmetauscherfluid (a) oder mit elektrischen (b) Heizelementen für das zweite Temperierungsmittel sowie fluidischen Kühlmitteln (Wärmetauscherfluid) für das erste Temperierungsmittel, beides von außen auf die äußeren Gehäusewandungen aufgesetzt,
6 eine schematische Darstellung eines elektrostatisch verstärkten Kondensationssystems, umfassend eine serielle Verschaltung der Gasführungen von drei elektrostatischen Kondensationsabscheidern über jeweils einer Verbindungsleitung,
7 eine schematische Darstellung eines elektrostatisch verstärkten Kondensationssystems gemäß 6, wobei die Verbindungsleitungen als Kondensationsstrecken mit Temperierungsmitteln ausgestaltet sind,
8 eine schematische Darstellung eine alternative Gestaltung eines elektrostatisch verstärkten Kondensationssystems, umfassend eine serielle Verschaltung der Gasführungen von drei elektrostatischen Kondensationsabscheidern über jeweils einer Verbindungsleitung, wobei die Durchströmungsrichtung durch die Kondensationsabscheider im Wechsel zur Aersolbarriere weg und hin verläuft.

Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines elektrostatischen Kondensationsabscheiders für Rauchgase oder Pyrolysegase umfasst ein vorzugsweise vertikal angeordnetes Mantelrohr 1 als Teil des Gehäuses, vorzugsweise mit rundem Querschnitt, mit Gaseintritt 2 im oberen Teil 5 und Gasaustritt 3 im unteren Teil 6 des Mantelrohrs sowie dem dazwischen angeordneten Strömungskanal im Innern des Mantelrohrs. Das untere Ende des Mantelrohrs mündet zudem nach unten hin in einen Auslass 4 für flüssiges Kondensat (Kondensatauslass) aus. Das Mantelrohr selbst, vorzugsweise aber die Innenwandung des Mantelrohrs ist durchgehend aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt. Ein Mantelrohr aus Metall weist vorzugsweise nicht nur eine elektrische, sondern in vorteilhafter Weise auch eine thermische Leifähigkeit auf, die einer effizienten Temperierung der Rohrinnenflächen sehr entgegenkommt.
Um das Mantelrohr ist auf der Mantelfläche zwischen dem Gaseintritt und Gasaustritt ein Hauptwärmetauscher 7 als erstes Temperierungsmittel mit einem Wärmefluideinlass 8 und einem Wärmefluidauslass 9 aufgesetzt. Ferner ist um das Mantelrohr oberhalb des Gaseintrittes 2 ein Sekundärwärmetauscher 10 als zweites Temperierungsmittel mit einem Wärmefluideinlass 11 und einem Wärmefluidauslass 12 aufgesetzt. Grundsätzlich ist der Hauptwärmetauscher 7 wie auch der Sekundärwärmetauscher 10 im Falle der dargestellten fluidischen Ausführungen als Gleichstrom oder - bevorzugt - als Gegenstromwärmetauscher einsetzbar.
Ein einzelner elektrostatischen Kondensationsabscheider stellt ein einstufiges Kondensatabescheidersystem dar. In diesem strömt das Pyrolysegas über den Gaseintritt 2 in das System ein und wird im Mantelrohr 1 nach unten umgeleitet.
Das Mantelrohr 1 ist - wie auch in 2 dargestellt - nach oben hin mit einer Kappe 13, ebenfalls ein Teil des Gehäuses, abgeschlossen. In der Kappe ist vorzugsweise wie dargestellt zentral und entlang der Symmetrielinie des Mantelrohrs eine isolierende Hochspannungsdurchführung 14 mit einem Hochspannungsleiter 15 eingesetzt. Der Hochspannungsleiter durchdringt dabei die Hochspannungsdurchführung. Vorzugsweise besteht auch die Kappe selbst aus einem elektrisch isolierenden Material und dient bevorzugt als alleinige fixierende Aufnahme und Führung für die Hochspannungsdurchführung und Hochspannungsleiter im Mantelrohr. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeweils ein Teil der Isolation der Hochspannungsdurchführung oberhalb und unterhalb der Kappe angeordnet, wobei der untere Teil der Isolation vorzugsweise wie dargestellt von oben nach unten in das Innenvolumen des Mantelrohrs bis in den Wirkungsbereich der zweiten Temperierungsmittel hineinragt. Der Wirkungsbereich eines Temperierungsmittels der vorgenannten ersten und zweiten Art in das Mantelrohr erstreckt sich dabei axial im Mantelrohr entsprechend zur jeweiligen axialen Erstreckung der Temperierungsmittel zum Mantelrohr.
Der Hochspannungsleiter 15 ist ober sein oberes Ende 16 mit einer nicht weiter dargestellten Hochspannungsquelle verbunden. Als elektrischer Gegenpol des Hochspannungsleiters dient die Innenwandung des Mantelrohrs 1. Er ragt ferner nach unten vorzugsweise axial mittig entlang der Symmetrielinie in das Mantelrohr 1 hinein und durchdringt dabei den Wirkungsbereich des Sekundärwärmetauschers 10 vollständig sowie den des Hauptwärmetauschers 7 zumindest teilweise, vorzugsweise wie dargestellt ebenso vollständig in axialer Richtung. Vorzugsweise ist das Mantelrohr 1 wie auch der Gegenpol auf Erdpotential gelegt, beispielsweise über den Erdungsanschluss 19 geerdet.
Der Hochspannungsleiter 15 dient insbesondere als Anschluss und Träger von primären Koronaentladungselektroden 17 im Strömungskanal des Kondensationsabscheiders, d.h. im Innern des Mantelrohrs 1 zwischen Gaseintritt 2 und Gasaustritt 3. Die im Strömungskanal im Innern des Mantelrohrs abgeschiedenen Aerosolbestandteile sollten möglichst nicht wieder verdampfen, d.h. dort nicht aufgewärmt werden, sondern als Flüssigkeitsbestandteile schwerkraftbetrieben nach unten hin zum Auslass 4 geleitet werden. Insofern erfolgt bevorzugt eine Kühlung der Kondensationsflächen an den Innenwandungen des Mantelrohrs 1 auf Höhe der primären Koronaentladungselektroden 17 mit Hilfe des Hauptwärmetauschers 7.
Weiterhin sind am Hochspannungsleiter zwischen Gaseintritt und Wirkbereich des Sekundärwärmetauschers 10 sekundäre Koronaentladungselektroden 18 eingesetzt, die mit den Innenwandungen des Mantelrohrs eine Aerosolbarriere zur isolierenden Hochspannungsdurchführung 14 hin bilden. Das Pyrolysegas, das in den Eingang der elektrostatischen Kondensationsstufe (Kondensationsabscheider) strömt, enthält Öl überwiegend in der Gasphase. In einer Kühlstufe zwischen Gaseintritt 2 und Gasaustritt 3 wird das Pyrolysegas abgekühlt, und es kommt zu einer Partikelkondensation des Öls. Aufgrund von Schwankungen der Pyrolysegasdurchflussrate, aufgrund von Turbulenzen des Gases auf der Höhe des Gaseinlasses und aufgrund des elektrischen Windes, der sich zwischen den primären Koronaentladungselektroden 17 und dem geerdeten Gehäuse bildet, ist mit einem Eindringen eines Anteils des kondensierten Öls (in Form feiner Tröpfchen) in den Raum eines Hochspannungsisolators zu rechnen. Daher sorgt die Erwärmung des Gases auf der Höhe der sekundären Hochspannungselektroden 18 für die Verdampfung der feinen Tröpfchen im Raum des Hochspannungsisolators und verringert die Belastung der isolierenden Hochspannungsdurchführung 14 mit Kondensat. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Temperatur des Gases auf der Höhe der primären und sekundären Hochspannungselektroden. Aufgrund der etwas höheren Temperatur auf der Höhe der sekundären Hochspannungselektroden 18 beginnt die Koronaentladung hier früher als auf der Höhe der primären Hochspannungselektroden. Somit gewährleistet die früh begonnene Koronaentladung einen elektrostatischen Schutz des Hochspannungsdurchführung auf der Ebene der sekundären Hochspannungselektroden 18 sowohl während des Startvorgangs als auch während des Dauerbetriebs der Koronaentladung.
Mit einem Anlegen einer Spannung an den Hochspannungsleiter 15 entsteht an den primären und sekundären Koronaentladungselektroden 17 bzw. 18 ein Potentialunterschied zum Mantelrohr 1; zwischen den Rändern der Koronaentladungselektroden und den Innenwandungen des Mantelrohrs erfolgt eine Koronaentladung, wobei aufgeladene Partikel oder Aerosolbestandteile aus dem Rohgas von der geerdeten Innenwandung des Mantelrohrs 1 elektrostatisch angezogen werden. Die Koronaentladung an den sekundären Koronaentladungselektroden 18 oberhalb des Gaseintritts 2 gewährleistet mit einem elektrischen Sperrfeld mit der Innenwandung des Mantelrohrs als Kondensationsflächen (Sperrfeldabscheideflächen 33) einen elektrohydrodynamischen Schutz der Hochspannungsdurchführung 14. Die Koronaentladung an den sekundären Koronaentladungselektroden 17 unterstützt die elektrostatische Kondensation an den Abscheideflächen 34 im bevorzugt gekühlten Teil der Innenwandungen des Mantelrohrs 1, was die Effizienz des Kondensationssystems erhöht. Die an der Innenwandung kondensierten Tröpfchen bilden einen Flüssigkeitsfilm aus dem Kondensat, der nach unten abfließt und durch den Auslass 4 ausgleitet werden.
Das abgereinigte Gas verlässt das Mantelrohr 1 über den Gasaustritt 3. Vorzugsweise liegen die Temperaturen der Wärmetauscherfluide im Hauptwärmetauscher 7 unter denen im Sekundärwärmetauscher 10, wobei die Gastemperatur am Gaseinlass 2 vorzugsweise dazwischen liegt.
Die Temperatur im Hauptwärmetauscher 7 ist vorzugsweise über die Wärmetauscherfluide veränderbar einstellbar, wenn beispielsweise eine fraktionierte Ölkondensation zur Qualitätsverbesserung des Kondensats angestrebt werden soll. Ferner wird vorzugsweise vorgeschlagen, die an der Hochspannungsleitung 15 eingespeiste Spannung z.B. über ein regelbares HV-Netzteil in ihrer Höhe und/oder ihrem Verlauf einstellbar oder regelbar zu gestalten, mit dem Ziel, insbesondere bei nicht konstanter Aerosolbeladung im Gasstrom dennoch eine stabile Koronaentladung und minimale Funkenentladungen an den primären und sekundären Koronaentladungselektroden zu gewährleisten. Eine Koronaentladung im Inneren des Mantelrohrs 1 erzeugt zudem elektrischen Wind, die mit anderen thermodynamische und elektrostatische Phänomene die Flüssigkeitskondensation verbessert.
Sowohl primäre als auch sekundäre Koronaentladungselektroden sind scheibenförmig und im Beispiel orthogonal zur Symmetrieline des Mantelrohrs und dabei mittig im Strömungskanal angeordnet, wobei der jeweils kürzeste Abstand des umlaufenden Rands ein jeder Koronaentladungselektrode vorzugsweise zu jeweils der nächstliegenden Innenwandung jeweils gleich ist. Entsprechend ist das elektrische Feld zwischen dem umlaufenden Rand einer Koronaentladungselektrode und dem jeweils kürzesten Abstand zur Innenwandung maximal.
Der Kondensationsabscheider ist nach außen hin gasdicht, während des Betriebs gelangen keine Gase aus diesem in die Umgebung.
2 zeigt im Detail den oberen Bereich des in 1 dargestellten Kondensationsabscheiders mit Hochspannungsdurchführung und Aerosolbarriere oberhalb des Gaseintritts. Die isolierende Hochspannungsdurchführung 14 ist bevorzugt aus einem dielektrischen Material gefertigt, womit eine ausreichende mechanische, thermische und chemische Stabilität für die Fixierung des Hochspannungsleiters 15 im Mantelrohr 1 erzielbar ist. Sie schließt im Falle einer optionalen leitfähigen Kappe 13 einen direkten elektrischen Kontakt des Hochspannungsleiters 15 mit dem Mantelrohr 1 aus. Das Gehäuse des Kondensationsabscheider umfasst das Mantelrohr 1, die Kappe 13 als oberen Abschluss sowie den Kondensatauslass 4 als unteren Abschluss. Der untere Teil der isolierende Hochspannungsdurchführung innerhalb des Mantelrohrs weist eine in Umfangsrichtung gerippte äußere Mantelfläche 20 auf, die mögliche Leckströme über die Mantelfläche des Isolators weiter reduziert. Der untere Teil der isolierenden Hochspannungsdurchführung 14 weist zudem einen Hohlraum 21 auf, deren Gestaltung zu einer weiteren Wegverlängerung für mögliche Leckströme zwischen Hochspannungsleiter zu der Kappe und der Innenwandung des Mantelrohrs führt und einer verbesserten und längerfristigen Betriebsstabilität zugutekommt.
Die Verwendung des Sekundärwärmetauschers 10 gewährleistet die Erwärmung des oberen Teils des Mantelrohrs 1 und die Erwärmung des Gases um die Hochspannungsdurchführung 14 und bewirkt damit ein verringertes Eindringen von Aerosol- wie Öldampf aus dem Pyrolyse- oder Rauchgas in diesen Bereich allein durch die Temperaturdifferenz und damit der hervorgerufenen Wärmeschichtung im Rauch- oder Pyrolysegas im Innern des Mantelrohrs zu der darunter angeordneten nicht oder geringer erwärmten elektrostatischen Aerosolbarriere. Die genannte Erwärmung verringert somit weiter die Belastung der isolierenden Hochspannungsdurchführung 14 mit Aerosolen.
Optional wird vorgeschlagen, den Hochspannungsleiter 15 in der isolierenden Hochspannungsdurchführung 14 axial bewegbar auszugestalten, was eine Verschiebung oder Verdrehung der primären und sekundären Koronaentladungselektroden im Mantelrohr 1 ermöglicht und damit weiteres Abreinigungsoptimierungspotential eröffnet. Ebenso wird eine optionale Austauschmöglichkeit des Hochspannungsleiters 15 in der isolierenden Hochspannungsdurchführung 14 vorgeschlagen.
Die Koronaentladung im Rauch- oder Pyrolysegas wird zwischen von den Koronaentladungselektroden 17 und 18 und der Innenwandung des Mantelrohrs 1 erzeugt. Vorzugsweise wird eine Gleichstrom-Koronaentladung angelegt, wobei an den Koronaentladungselektroden entweder ein positiver oder vorzugsweise negativer einstellbarer Potentialunterschied zu der Innenwandung angelegt wird.
3 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines elektrostatischen Kondensationsabscheiders mit den primären und sekundären Gasauslassrohren als eine spezielle Ausgestaltung des vorgenannten Gasaustritts. Das primäre Gasauslassrohr 22 ist wie der in 1 dargestellte Gasaustritt im unteren Teil des Mantelrohrs angeordnet und weist wie dieses schräg nach oben, endet innen im Mantelrohr nicht unmittelbar an der Mantelrohrwandung, sondern ragt durch diese in das Innere und wird dort bis zu einem sekundären Gasauslassrohr 23 im Mantelrohr innen weitergeführt, in das es dann seitlich auch ausmündet. Das sekundäre Gasauslassrohr 23 ist koaxial im Mantelrohr über den Auslass 4 für ablaufendes Kondensat eingesetzt und beidseitig offen gestaltet. Zwischen Mantelrohr 1 und sekundärem Gasauslassrohr 23 bildet sich ein Ringspaltvolumen 24 in das das primäre Gasauslassrohr 22 gerade nicht ausmündet. Diese Ausgestaltung verringert in vorteilhafter Weise die unerwünschte Weiterleitung von kondensierter Flüssigkeit aus dem Mantelrohr in das primäre Gasauslassrohr 22, da die an der Innenwandung des Mantelrohrs kondensierte Flüssigkeit am sekundärem Gasauslassrohr 23 vorbei nach unten zum Auslass 4 weitergeleitet wird. Der Abstand zwischen dem unteren Ende des Hochspannungsleiters 15 und dem oberen Ende des sekundären Gasauslassrohrs 23 ist größer dem Abstand, vorzugsweise mindestens dem 1,5 fachen des Abstands zwischen primärer Koronaentladungselektrode 17 und Innenwandung des Mantelrohrs 1 zu wählen, um Funkenentladungen während des Anlagenbetriebs auszuschließen.
4 repräsentiert eine Ausführungsform eines elektrostatischen Kondensationsabscheiders mit fluiden Kühl- und Heizvorrichtungen für die Speisung der ersten und zweiten Temperierungsmitteln in einem Kreislauf. Die Temperierungsmittel sind als ein Hauptwärmetauscher 7 (dargestellt als Gegenstromwärmetauscher) und ein Sekundärwärmetauscher 10 der eingangs genannten Art realisiert, die in einem gemeinsamen fluidischen Kreislauf für ein Wärmetauscherfluid miteinander geschaltet sind. Eine Heizvorrichtung 25 und eine Kühlvorrichtung 26 sind jeweils zwischen Hauptwärmetauscher 7 und Sekundärwärmetauscher 10 zwischengeschaltet. Sie sind vorzugsweise als Durchlaufkühler oder -erhitzer ausgeführt und dienen - wie dargestellt - der Erwärmung des Wärmetauscherfluids vor Eintritt in den Sekundärwärmetauscher und Kühlung des Wärmetauscherfluids vor Eintritt in den Hauptwärmetauscher. Das Temperaturniveau im Hauptwärmetauscher und im Sekundärwärmetauscher ist somit nicht nur absolut, sondern vor allem auch relativ zueinander besser einstellbar. Vorzugsweise liegt das durchschnittliche Temperaturniveau im Sekundärwärmetauscher 5°C bis 100°C, vorzugsweise 20°C bis 50°C höher als die Temperatur des das Kondensationssystem über den Gaseintritt 2 einströmenden Rohgases.
Eine optionale Ausgestaltung der vorgenannten Ausführungsform mit fluidischen Kreislauf sieht einen Carnot-Kreislaufprozess vor, bei dem die Heizvorrichtung durch einen Kompressor und die Kühlvorrichtung durch ein Expansionsventil gebildet sind.
5a und b zeigen schematisch Ausführungsformen eines elektrostatischen Kondensationsabscheiders mit fluidischen Wärmetauscherfluid (5a) oder elektrischen (5b) Heizmitteln als zweites Temperierungsmittel für den Sekundärwärmetauscher 10 sowie fluidischen Kühlmitteln als Wärmetauscherfluid für den Hauptwärmetauscher 7, beide Temperierungsmittel von außen auf die äußeren Gehäusewandungen aufgesetzt.
In 5a ist der Aufbau des elektrostatisch unterstützten Kondensationssystems dargestellt, bei dem der Hauptwärmetauscher 7 und der Sekundärwärmetauscher 10 von separaten Wärmetauscherfluidkreisläufen gespeist werden, die jeweils über eine eigene Peripherie mit entsprechenden Kühl- und Heizgeräten angebunden sind. Während die in 4 dargestellte Ausführungsform ein und dasselbe Wärmetauscherfluid für die Speisung des Hauptwärmetauschers 7 und des Sekundärwärmetauschers 10 vorsieht, ermöglicht die in 5a dargestellte Ausführung nicht nur individuelle Einstellungen von Druck und Durchflussmenge der beiden Wärmetauscherfluidkreisläufe 32, sondern auch eine individuelle Auswahl der Wärmetauscherfluid für jeden Kreislauf. Beispielsweise lassen sich so auch die Phasenübergänge in den Wärmetauscherfluiden zwischen flüssig und gasförmig und damit eine damit verbundene konstante Temperatur, die Phasenübergangstemperatur, in einem Wärmetauscher allein durch die Auswahl und den anliegenden Druck des Wärmetauscherfluids im Kreislauf einstellen, und zwar für jeden Wärmetauscher individuell und über den anliegenden Druck auch während eines laufenden Betriebs.
In 5b ist der Aufbau eines elektrostatisch unterstützten Kondensationssystems dargestellt, bei dem der Hauptwärmetauscher 7 ein fluidisch betriebener Rohrbündelwärmetauscher 29 und der Sekundärwärmetauscher 10 eine elektrisch beheizte Ummantelung 27 ist, die wärmeisoliert und von einer Steuereinheit 28 gespeist und geregelt wird.
6 bis 8 repräsentieren Ausführungsbeispiele von elektrostatisch verstärkten Kondensationssystemen mit mehreren Reinigungsstufen, umfassend eine serielle Verschaltung der Gasführungen von mehreren, mindestens zwei, in den dargestellten Beispielen jeweils drei der zuvor beschriebenen elektrostatischen Kondensationsabscheidern über Verbindungsleitungen 29. Die Verbindungsleitungen verbinden jeweils den Gasaustritt 3 eines Kondensationsabscheiders mit dem Gaseintritt 2 eines nachfolgenden Kondensationsabscheiders fluidisch miteinander. Vorzugsweise sind alle Kondensationsabscheider eines Kondensationssystems grundsätzlich identisch konzipiert, aufgebaut und auch dimensioniert, müssen aber nicht zwingend, werden aber bevorzugt mit einer einheitlichen Spannung und/oder einheitlichen Temperaturniveaus betrieben. Die Ausführungsbeispiele unterscheiden sich apparativ folglich vorzugsweise nur durch die Ausgestaltung der Verbindungsleitungen, im Beispiel gemäß 8 auch in der Durchflussrichtung des Gasstroms durch die Kondensationsabscheider. Vorzugsweise sind die Kondensationsabscheider zugunsten einer platzsparenden Anordnung z.B. in einem nicht weiter dargestellten gemeinsamen Gehäuse und/oder für die Realisierung möglichst kurzer gemeinsamer elektrischer Anschlussleitungen für die Hochspannungsleiter 15 parallel nebeneinander positioniert.
Eine erste Ausgestaltung dieser Verbindungsleitungen repräsentiert 6. Jede Verbindungsleitung 29 setzt sich in dieser dargestellten Ausgestaltung seriell aus einer Verlängerung eines Gasaustritts 30, ein bevorzugt vertikales nach oben durchströmbares Verbindungsrohr 32 und einer Verlängerung eines Gaseintritts 31 in der genannten Reihenfolge zusammen. Wesentlich ist dabei, dass Verbindungsleitung keine Öffnung wie Anschlüsse für eine Zu- oder Ableitung nach außen aufweist. Dabei ist sicherzustellen, dass in der Verbindungsleitung keine Kondensation stattfindet, d.h. auch kein Kondensat oder keine Ablagerungen entstehen. Vorzugsweise wird vorgeschlagen, die Verbindungsleitung auf eine Temperatur über der des durchströmenden Gases einzustellen, ggf. mit zusätzlichen Temperierungsvorrichtungen. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für eine serielle Abscheidung ein und desselben Kondensats mit dem Ziel einer möglichst vollständigen Abscheidung.
Eine zweite Ausgestaltung dieser Verbindungsleitungen repräsentiert 7. Anders als in der vorgenannten Ausgestaltung gem. 6 weist hier das vertikales nach oben durchströmbares Verbindungsrohr 32 sowohl eine eigene Temperierung durch einen dargestellten Kühlmantel 33 als auch einen Kondensatauslass 4 vorzugsweise am tiefsten Punkt im jeweiligen Verbindungsrohr 32 auf. Jedes Verbindungsrohr hat wie jeder Kondensationsabscheider einen eigenen Kondensatauslass für ein getrenntes Sammeln und eine getrennte Ableitung des jeweilig abgeschiedenen Kondensats. Eine Zwischenkondensation in der Verbindungsleitung ist gewollt, insbesondere wenn eine separate Abscheidung je Kondensationsabscheider z.B. von unterschiedlichen Kondensatbestandteilen sichergestellt werden soll. In diesem Fall muss sichergestellt werden, dass die Kondensatbestandteile aus den in Reihe geschalteten Kondensationsabscheidern nicht vermischen sollen, sondern sortenrein abgeschieden werden. Die Kondensation in der Verbindungsleitung dient dabei der weiteren Nachabscheidung vor Eintritt des Gasstroms in den nachfolgenden Kondensationsabscheider. Dieser Ansatz gewährleistet eine effektive fraktionierte Kondensation der Kondensate und verbessert zudem deren Qualität.
Eine dritte Ausgestaltung dieser Verbindungsleitungen repräsentiert 8. Anders als bei den vorgenannten beiden Ausführungsformen gemäß der 6 und 7 fehlt hier in der Verbindungsleitung 29 das Verbindungsrohr vollständig; der Auslass 3 eines Kondensationsabscheiders ist direkt und vorzugsweise fluchtend mit dem Einlass 2 des darauffolgenden Kondensationsabscheiders verbunden. Dadurch bedingt ist eine umgekehrte Durchströmungsrichtung eines jeden zweiten Kondensationsabscheiders (im Beispiel des mittleren).
Das Mantelrohr 1 ist zwischen der Kappe 13 oben und dem Kondensatauslass 4 unten bei allen dargestellten Ausführungsformen bevorzugt als ein durchgehendes Rohr aus Metall oder einer metallischen Innenwandung ausgebildet.
Getestet wurde ein elektrostatische Kondensationsabscheider gemäß den 1 bis 4 (einstufiges Kondensationssystem), das einem Pyrolysereaktor für die thermische Pyrolyse von Kunststoffabfällen nachgeschaltet ist. Der Gasdurchfluss durch die Stufe betrug zwischen 1,5 und 2 m³/h. Der Innendurchmesser des Mantelrohrs 1 betrug 50 mm. Die Breite des Elektrodenspalts zwischen den im Beispiel fünf gleichartigen und -großen primären Koronaentladungselektroden 17 (Abscheidefeldelektroden) und den Abscheideflächen 34 sowie im Beispiel zwei gleichartigen und -großen sekundären Koronaentladungselektroden 18 (Sperrfeldelektroden) und den Sperrfeldabscheideflächen 33 im Mantelrohr betrugen jeweils 15 mm. Auf dem Hochspannungsleiter 15 wurden primäre und sekundäre Koronaentladungselektroden 17 und 18 fixiert. Zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zur Koronaentladung wurde am Hochspannungsleiter wurde eine Gleichspannung negativer Polarität angelegt. Der Potentialunterschied zu den Sperrfeldabscheideflächen 33 und Abscheideflächen 34 betrug zwischen 1 und 1,5 kV, womit sich ein Koronaentladungsstromstärke zwischen 1 und 3 mA einstellte. Die Temperatur der Abscheideflächen 34 im Mantelrohr betrug zwischen 5 und 60 °C, der Sperrfeldabscheideflächen 33 ca. 30 bis 50°C darüber. Mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung des Sperrfeldes reduzierte sich die Verschmutzungsgefahr insbesondere im Bereich der Hochspannungsdurchführung 14 signifikant, was auch die Betriebsstabilität des elektrostatischen Kondensationsabscheiders insgesamt wesentlich verbesserte. Durch den Einsatz einer regelbaren Hochspannung konnte die Effizienz der elektrostatischen Kondensation und Ausfällung von Öltröpfchen gesteigert werden. Zusammen mit der Temperierung im Mantelrohr und der elektrostatisch verstärkten Kondensation von Öldampf konnte eine Abscheidung auf über 99 % als flüssiges Kondensat gesteigert werden.
Bezugszeichenliste:

1: Mantelrohr
2: Gaseintritt
3: Gasaustritt
4: Auslass für Kondensat
5: oberer Teil des Mantelrohrs
6: unterer Teil des Mantelrohrs
7: Hauptwärmetauscher
8: Wärmefluideinlass für den Hauptwärmetauscher
9: Wärmefluidauslass für den Hauptwärmetauscher
10: Sekundärwärmetauscher
11: Wärmefluideinlass für den Sekundärwärmetauscher
12: Wärmefluidauslass für den Sekundärwärmetauscher
13: Kappe
14: Hochspannungsdurchführung
15: Hochspannungsleiter
16: Oberes Ende des Hochspannungsleiters
17: primäre Koronaentladungselektrode
18: sekundäre Koronaentladungselektrode
19: Erdungsanschluss
20: Mantelfläche
21: Hohlraum
22: Primärer Gasauslassrohr
23: Sekundärer Gasauslassrohr
24: Ringspaltvolumen
25: Heizvorrichtung
26: Kühlvorrichtung
27: elektrisch beheizte Ummantelung
28: Steuereinheit für die elektrisch beheizte Ummantelung
29: Verbindungsleitung
30: Verlängerung eines Gasaustritts
31: Verlängerung eines Gaseintritts
32: Wärmetauscherfluidkreislauf
33: Sperrfeldabscheideflächen
34: Abscheideflächen

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

DE 10 2004 039 118 B3 [0004]
DE 10 2009 030 804 B4 [0007, 0009]

Claims

Elektrostatischer Kondensationsabscheider für Rauchgase oder Pyrolysegase, umfassend ein Gehäuse (1, 13) mit einem Gaseintritt (2) und einem Gasaustritt (3) und eine dazwischen im Gehäuse angeordnete Gasführung mit Abscheidestufen (17, 34), wobei die Abscheidestufen Abscheideflächen (34) mit Kondensatauslass (4) darunter sowie Mittel zum elektrischen Laden des Pyrolysegases umfassen, die Mittel mindestens einen Hochspannungsanschluss (15) jeweils mit isolierender Hochspannungsdurchführung (14) in das Gehäuse aufweisen sowie die Abscheideflächen mit einem Bezugspotential zum Potential des Hochspannungsanschlusses aufweisen, wobei a) erste Temperierungsmittel (7) für eine Temperierung der Abscheideflächen (34) vorgesehen sind, b) die mindestens eine isolierende Hochspannungsdurchführung (14) abseits und oberhalb der Gasführung angeordnet sind sowie c) mindestens eine an den Hochspannungsanschluss angeschlossene Sperrfeldelektrode (18) mit Sperrfeldabscheideflächen (33) als Aerosolbarriere unterhalb der mindestens einen Hochspannungsdurchführung (14) und oberhalb der Gasführung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass d) zweite Temperierungsmittel (10) für eine Temperierung des Gehäuses um die mindestens eine isolierende Hochspannungsdurchführung auf eine Temperatur oberhalb der der Temperierung der Abscheideflächen (34) vorgesehen sind.
Elektrostatischer Kondensationsabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Temperierungsmittel (10) des Gehäuses oberhalb und vorzugsweise auch abseits der Sperrfeldabscheideflächen (33) angeordnet sind.
Elektrostatischer Kondensationsabscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideflächen (34) und die Sperrfeldabscheideflächen (33) durch Innenwandungen eines Mantelrohrs (1) des Gehäuses (1, 13) gebildet sind und die ersten und zweiten Temperierungsmittel (7, 10) von außen auf die äußeren Gehäusewandungen aufgesetzt oder in diese integriert sind.
Elektrostatischer Kondensationsabscheider nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein vertikal ausgerichtetes Innenvolumen mit serieller Anordnung von Hochspannungsdurchführung (14) und darunter angeordneten Aerosolbarriere (18, 33), Gaseintritt (2), Abscheidestufe (17, 34) und Gasaustritt (3) in der genannten Reihenfolge umfasst.
Elektrostatischer Kondensationsabscheider nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Temperierungsmittel (7, 10) Wärmetauscher mit Durchleitungen für ein Wärmetauscherfluid umfassen.
Elektrostatischer Kondensationsabscheider nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel (25, 26) für eine serielle fluidische Verschaltung der Durchleitungen durch die ersten und zweiten Temperierungsmittel vorgesehen sind.
Elektrostatischer Kondensationsabscheider nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Temperierungsmittel (7, 10) in mindestens einem Kreislauf (32) für das Wärmetauscherfluid einzeln oder gemeinsam fluidisch mit einer externen Wärmequelle oder -senke verbunden sind.
Elektrostatischer Kondensationsabscheider nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Temperierungsmittel (7, 10) Wärmetauscher mit Durchleitungen für ein Wärmetauscherfluid oder elektrothermische Wandler umfassen.
Elektrostatischer Kondensationsabscheider nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrothermischen Wandler elektrische Heizelemente und/oder Peltierelemente umfassen.
Elektrostatisch verstärktes Kondensationssystem, umfassend eine serielle und/oder parallele Verschaltung der Gasführungen von mindestens zwei elektrostatischen Kondensationsabscheider nach einem der vorgenannten Ansprüche.
Verfahren zur elektrostatischen Kondensationsabscheidung mit einem elektrostatischen Kondensationsabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einem elektrostatisch verstärktem Kondensationssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Sperrfeldabscheideflächen (33) auf einer Temperatur oberhalb der Temperatur der Abscheideflächen (34) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierung der Abscheideflächen (34) auf eine Temperatur unterhalb der Gastemperatur und die Temperierung der Sperrfeldabscheideflächen (33) auf eine Temperatur oberhalb der Gastemperatur vorgesehen ist.