DE3526009A1 - Regelverfahren fuer ein elektrofilter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Optimie­ rung der Energiezufuhr und zur Vermeidung des Rücksprühens bei einem Elektrofilter, bei dem die Energiezufuhr durch Gleichspannungspulse oder durch Gleichspannung mit über­ lagerten Pulsen erfolgt.

Nach einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-OS 30 72 172) soll ein Elektrofilter mit in der Höhe veränderbarer Gleichspannung und überlagerten Impulsen in der Weise betrieben werden, daß die Gleichspannung und/oder einer der Parameter der Impulse auf iterativem Wege selbsttätig so verändert werden, daß die Summe der vom Filter aufgenommenen elektrischen Energien aus Gleich­ spannung und Impulsen bei Einhaltung eines vorgegebenen Mittelwertes der Reingasstaubbeladung einem Minimum zustrebt.

Ferner ist aus der DE-OS 31 14 009 ein Elektrofilter bekanntgeworden, bei dem die Staubabscheidung dadurch erfolgt, daß zwischen den Niederschlagselektroden und den Sprühelektroden eine mittels Thyristor regelbare Gleich­ strom-Hochspannung angelegt wird. Außerdem ist eine Steuerschaltung zur intermittierenden Ansteuerung des Thyristors vorgesehen, durch die die Wiederholungsperiode und/oder die Impulsbreite der Gleichstromhochspannung manuell oder automatisch einstellbar ist. Mit einer der­ artigen Steuerschaltung soll die Abscheideleistung des Elektrofilters insbesondere bei hohem spezifischen Staub­ widerstand im Bereich von 10¹¹ bis 10¹³ Ω cm ver­ bessert werden, in dem ein Elektrofilter normalerweise infolge von Gegen-Koronaeffekten nur unbefriedigend arbei­ tet.

Bei der bekannten Steuerschaltung wird der Thyristor in der Weise angesteuert, daß die Gleichstrom-Hochspannung während einer ersten Phase T ₁ (von beispielsweise 0,001 bis 1 s) angelegt und während einer zweiten Phase T ₂ (von beispielsweise 0,01 bis 1 s) unterbrochen wird. Für das Verhältnis von T ₁ zu (T ₁ + T ₂), also von Ein­ schaltzeit zu Einschalt- und Pausenzeit eines jeden Schaltzyklus ist der Ausdruck k-Wert gebräuchlich und für das gesamte Verfahren "Regelung mittels Semipulsen".

Das bekannte Verfahren zielt insbesondere darauf ab, einen Gegen-Koronaeffekt zu vermeiden, der im Strom-Spannungs­ kennfeld durch einen vergleichsweise sehr steilen Anstieg des Stroms bei nur geringfügiger Erhöhung der Spannung gekennzeichnet ist. Bei derartigen Kennlinien ist ein hoher Energieaufwand mit niedriger Staubabscheideleistung des Elektrofilters verbunden. Da jedoch das Auftreten des Gegen-Koronaeffektes mit einer gewissen Verzögerung gegen­ über einer von der üblichen Regelung veranlaßten Erhöhung der Spannung bzw. des Stroms erfolgt, ist es möglich mit der Methode des Semipulsens die Gegen-Koronaeffekte weit­ gehend zu vermeiden und einen wirtschaftlichen Betrieb des Elektrofilters zu erreichen.

Bei diesen und anderen Vorschlägen wird die Verbesserung der Abscheideleistung bzw. die Optimierung des Energiever­ brauchs nicht differenziert genug behandelt. Vielfach wird von einer Optimierung der Abscheidleistung gesprochen, obwohl dies im allgemeinen nur dann gefordert werden kann, wenn der dazu erforderliche Energieaufwand keine Rolle spielt. Technisch und wirtschaftlich sinnvoll kann es nur sein, von einem vorgegebenen Reingasstaubgehalt auszugehen und auf diese Vorgabe hin die Abscheideleistung des Elek­ trofilters so einzustellen, daß sie mit geringstmöglichem Energieaufwand erreicht wird. Aber selbst diese Forderung ist für den Betrieb eines Elektrofilters mit pulsweiser Energieversorgung noch nicht ausreichend differenziert. Für die Abscheidung eines Staubteilchens aus einem Gas­ strom kommt es nämlich erstens darauf an, möglichst viele Ladungsträger in den Gasstrom einzubringen, damit die Staubteilchen gut ionisiert werden, und zweitens darauf, daß das optimal ionisierte Staubteilchen auf dem zur Ver­ fügung stehenden Strömungsweg durch das Elektrofilter eine hinreichend große Stecke quer zur Strömungsrichtung zurücklegt, um eine Niederschlagselektrode zu erreichen. Diese beiden Teilfunktionen des Elektrofilters werden einerseits durch eine entsprechende Anordnung der Sprüh­ elektroden und der Niederschlagselektroden realisiert, andererseits aber auch durch Pulsen auf rein elektrischem Wege. Während der Pulszeiten erfolgt die Ionisierung und während der Pausenzeiten die Abscheidung der Staubteilchen an den Niederschlagselektroden. Die pauschale Forderung nach einer Minimierung des Energieaufwandes muß daher genauer lauten, daß während der Pulszeiten möglichst viel Energie in das Elektrofilter einzubringen ist und daß gleichwohl der Gesamtenergiebedarf zu minimieren ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Energiezufuhr im vorgenann­ ten Sinne zu opitmieren und das Rücksprühen zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Zyklen bestehend aus Pulszeiten mit einem Ladepuls und Pausenzeiten mit der Dauer von mehreren Pulsen vorgesehen sind und daß die Amplitude des Ladungspulses (Parameter a) in aufeinanderfolgenden Zyklen iterativ derartig verändert wird, daß die Zeit für das Abklingen der Filterspannung vom Scheitelwert Û auf eine vorgegebene Restspannung U _R ihren größten Wert erreicht.

Die Restspannung U _R wird zweckmäßigerweise in Höhe der Koronaeinsatzspannung vorgegeben. In weiterer Ausführung des Erfindungsgedankens kann das Optimierungsverfahren noch dadurch verbessert werden, daß unter Beibehaltung der optimalen Amplitude des Ladepulses die Pulsbreite in auf­ einanderfolgenden Zyklen iterativ derartig verändert wird, daß die Zeit für das Abklingen der Filterspannung vom Scheitelwert U auf eine vorgegebene Restspannung U _R ihren größten Wert erreicht. Außerdem kann unter Beibehal­ tung der optimalen Amplitude des Ladepulses und der opti­ malen Pulsbreite noch die Anzahl der Ladepulse so lange um jeweils einen Puls erhöht werden, wie der letzte Scheitel­ wert der Filterspannung nicht kleiner ist als der vorletz­ te Scheitelwert und die Abklingzeit nicht unter den ermit­ telten größten Wert absinkt.

Bei der Energieversorgung des Elektrofilters mit Gleich­ strom und überlagerten Pulsen, können Pulszeiten mit mehreren Pulsen vorgesehen werden, wobei dann außer der Amplitude der Ladepulse, der Pulsbreite und der Anzahl der Ladepulse auch noch der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen im Hinblick auf die Einhaltung einer größtmöglichen Abklingzeit interativ verändert wird. Schließlich kann das Optimierungsverfahren für einen oder mehrere der Parameter Amplitude des Ladungspulses, Puls­ breite, Anzahl der Ladepulse und zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen auch wiederholt angewendet werden.

Als weitere, wesentliche Verbesserung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß unter Beibehaltung der optimierten Parameter im Anschluß an das Abklingen der Filterspannung vom Scheitelwert Û auf die Restspan­ nung U _R durch Nachladen im Filter eine Spannung in Höhe der Restspannung U _R aufrechterhalten wird und daß die Zeit zwischen dem Ende der Abklingzeit und dem Beginn des nächsten Pulses (Nachladezeit) in aufeinanderfolgenden Zyklen schrittweise so lange ausgedehnt wird, wie die Gesamtenergieaufnahme des Elektrofilters abnimmt und der Reingasstaubgehalt unterhalb des vorgegebenen Sollwertes bleibt. Dabei ist dann vorgesehen, daß, wenn schon bei Einstellung der kleinstmöglichen Nachladezeit ein Anstei­ gen des Reingasstaubgehaltes auf einen Wert über dem Soll­ wert festgestellt wird, das Optimierungsverfahren insge­ samt oder in Teilen beginnend mit einem schrittweise erhöhten Wert der Restspannung U _R ein- oder mehrmals wiederholt wird.

Das Elektrofilter kann während der Puls- und Nachladezeit mit Gleichspannungspulsen beaufschalgt werden oder - zumindest während der Pulszeit - mit Gleichspannung und überlagerten Pulsen. Für die Energiezufuhr zum Elektrofil­ ter kann eine Pulsspannungsquelle mit einer Frequenz von 50 bis 1000 Hertz benutzt werden. Schließlich ist es bei einem Elektrofilter mit mehr als einem gesondert geregel­ ten Abscheidefeld zweckmäßig, das Verfahren in der Weise anzuwenden, daß jedes Abscheidefeld für sich optimiert und darüber hinaus eine Koordinierung der Felder untereinander vorgenommen wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild für ein dreifeldriges Elektrofilter.

Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Schaltung für die Ausfüh­ rung des Erfindungsgedankens.

Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Verlauf der Filterspannung über der Zeit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Fig. 4 zeigt typische Kurven für den Reingasstaubgehalt als Funktion des Energieaufwands bei unterschiedlichem Staubwiderstand.

In Fig. 1 sind drei Zonen bzw. drei Abscheidefelder 1, 2, 3 eines Elektrofilters dargestellt, die von links nach rechts von dem zu reinigenden Gasstrom durchströmt werden. Jedem Abscheidefeld 1, 2, 3 ist eine eigene, netzgespeiste Einrichtung 4 zur Versorgung mit hochgespanntem Gleich­ strom zugeordnet. Diese werden über Mikroprozessoren 5 gesteuert. Den Mikroprozessoren 5 ist noch ein Optimie­ rungsrechner 6 überlagert, in den auch der mittels Meßfüh­ ler 7 ermittelte Reingasstaubgehalt eingegeben wird.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht die Einrichtung 4 (im strichpunktierten Rahmen) zur Versorgung des Abscheide­ feldes mit hochgespanntem Gleichstrom aus einem Hochspan­ nungsgleichrichter 8, der über einen Hochspannungstrans­ formator 9 und ein primärseitiges Thyristorstellglied 10 an eine Netzspannung von z.B. 50 Hertz angeschlossen ist. Durch eine entsprechende Ansteuerung der antiparallelge­ schalteten Thyristoren in dem primärseitigen Thyristor­ stellglied 10 ist es u.a. möglich, eine vorgegebene Zahl von Halbwellen der Netzspannung auszublenden und an­ schließend wieder für eine vorgegebene Zahl von Halbwellen das Filter mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß das Verhältnis Puls- zu Pausenzeit zwischen 1 : 50 und 50 : 1 einstellbar ist. Zusätzlich zu dieser Halbwellensteuerung ist auch noch eine Amplitudensteuerung durch entsprechenden Phasenan­ schnitt der primärseitigen Netzspannungshalbwellen mög­ lich. Auf diese Weise kann die Amplitude der Ladepulse wie auch die Höhe der Nachladespannung eingestellt werden.

Das primärseitige Thyristorstellglied 10 erhält seine Steuerbefehle von einer Zündlogik 11, die ihrerseits von der Mikroprozessorsteuerung 5 angesteuert wird. Diese Steuerung bildet aus den Werten von Primär- und Sekundär­ spannung U _P , U _F bzw. Primär- und Sekundärstrom J _P , J _F entsprechende Steuerbefehle für die Zündlogik 11. Zusätzlich können - wie durch die gestrichelte Linie ange­ deutet - der Mikroprozessorsteuerung 5 auch noch Signale von anderen Meßwerten wie z.B. Gasgeschwindigkeit v, Gas­ temperatur T, Staubgehalt S, Klopftakthäufigkeit K usw. zugeführt werden. Normalerweise wird man diese Werte aber in den Optimierungsrechner 6 eingeben, in dem auch die erfindungsgemäßen Iterationen zur Auffinden der optimalen Betriebsparameter durchgeführt werden.

Einzelheiten von Steuerungen der vorgenannten Art sind u.a. in den folgenden Druckschriften näher beschrieben:. Europäische Patente Nr. 30 320, 30 321, 31 056, 35 209, 38 505.

In Fig. 3 ist für hochohmige Stäube der Verlauf der Fil­ terspannung über der Zeit bei Anwendung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens dargestellt. Auf die Pulszeit t _P - hier für zwei Pulse mit der Amplitude U und der Puls­ breite t _PH dargestellt - folgt die Sperrzeit t _Sp und danach die Nachladezeit t _N . Aus der Summe dieser drei Zeiten ergibt sich die Dauer eines Zyklus, an den sich ein nächster Zyklus mit gleichen Zeiten, Amplituden und Puls­ breiten anschließt, wenn das Verfahren erfindungsgemäß vollständig optimiert ist. Diese Bedingung wird selbst­ tätig laufend überprüft, indem beispielsweise die Amplitu­ de des Ladepulses nach Ablauf einer bestimmten Zeit schrittweise erhöht wird, um festzustellen, ob die Zeit für das Abklingen der Filterspannung vom Scheitelwert Û auf eine vorgegebene Restspannung U _R ihren größten Wert erreicht hat oder noch verlängert werden kann. Desgleichen können auch in bestimmten Zeitabständen die Parameter Pulsbreite, Anzahl der Ladepulse und zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen iterativ verän­ dert und die jeweils größtmögliche Abklingzeit festge­ stellt werden. Sollte sich dabei eine Abweichung der Para­ meterwerte von den zuvor benutzten ergeben, wird erfin­ dungsgemäß ferner geprüft, ob die Nachladezeit noch opti­ mal eingestellt ist. Der Anstoß für eine erneute iterative Optimierung der einzelnen Parameter kann selbstverständ­ lich auch daraus abgeleitet werden, daß bestimmte Para­ meter oder Meßwerte von vorgegebenen Sollwerten mehr oder weniger stark abweichen.

Es sei noch bemerkt, daß sich elektrisch gesehen ähnliche Spannungsverhältnisse am Elektrofilter erreichen lassen, wenn statt der Sperrung von Halbwellen der Primärspannung eine Gleichspannung benutzt wird, der Impulse aus einer gesonderten Impulsspannungsquelle überlagert sind (vergl. z.B. DE-OS 30 27 172).

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geht man zweckmäßigerweise so vor, daß man mit einem einzigen Ladepuls der Amplitude U ₁ beginnt und feststellt, wie lange es dauert, bis die Filterspannung Û auf den gegebe­ nen Wert U _R abgefallen ist. Im nächsten Zyklus wird die Amplitude des Ladepulses auf U ₂ erhöht und die dabei ermittelte Abklingzeit mit der des voraufgegangenen Zyklus verglichen. Ist die zuletzt gemessene Abklingzeit größer als die zuerst gemessene, wird mit schrittweise vergrößer­ ten U ₃, U ₄, U ₅ usw. fortgefahren, bis sich die Ab­ klingzeit nicht mehr steigern läßt. Umgekehrt wird, wenn die Abklingzeit eines Zyklus kleiner ist als diejenige des voraufgegangenen Zyklus, die Amplitude des Ladepulses schrittweise verkleinert, bis die Abklingzeit bei weiter verkleinerter Amplitude nicht mehr kürzer wird. Auf diese Weise kann unter wechselnden Betriebsbedingungen stets diejenige Amplitude der Ladepulse ermittelt werden, bei der sich eine optimale Abklingzeit ergibt.

Ist die optimale Amplitude der Ladepulse ermittelt, können in ähnlicher Weise auch die anderen Parameter, nämlich Pulsbreite, Anzahl der Ladepulse und zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen optimiert wer­ den. Auf diese Weise wird erreicht, daß unter den jeweils gegebenen Verhältnissen die maximal mögliche Menge an Ladungsträger bei kleinstmöglichem Energieaufwand in das Abscheidefeld eingebracht wird.

Erfindungsgemäß kann dieses Optimierungsprogramm weiter verbessert werden, wenn nach dem Abklingen der Filter­ spannung auf den vorgegebenen Wert U _R das Filter nicht sofort wieder mit Ladepulsen beaufschlagt wird, sondern wenn eine Nachladephase vorgesehen wird, in der die Span­ nung U _R aufrechterhalten und die Nachladezeit in aufein­ anderfolgenden Zyklen schrittweise so lange ausgedehnt wird, wie der Gesamtenergieverbrauch eines Abscheidefeldes sinkt und der Reingasstaubgehalt den vorgegebenen Sollwert nicht überschreitet. Es wird also die Gesamtenergieauf­ nahme aufeinanderfolgender Zyklen mit schrittweise verlän­ gerter Nachladezeit miteinander verglichen und die Nachla­ dezeit so lange verlängert, wie die Energieaufnahme eines Zyklus noch kleiner ist als die des voraufgegangenen und der Reingasstaubgehalt unter dem vorgegebenen Sollwert bleibt. Wird der Sollwert erreicht, ist die für die je­ weiligen Verhältnisse mögliche längste Nachladezeit ermit­ telt, was gleichbedeutend mit geringstmöglichem Energie­ aufwand im Hinblick auf den vorgegebenen Reingassollwert ist.

Zur weiteren Erläuterung dieser Zusammenhänge sei noch auf Fig. 4 mit typischen Verläufen des Reingasstaubgehaltes S über der Energieaufnahme E bei verschiedenen Staubwider­ ständen verwiesen. Fig. 4a zeigt den Verlauf des Reingas­ staubgehaltes bei niedrigem Staubwiderstand, wobei im all­ gemeinen eine Erhöhung des Energieaufwandes zu einer Ver­ minderung des Reingasstaubgehaltes führt.

Fig. 4b zeigt die Kennlinie für einen Staubwiderstand von etwa 10¹¹ Ω cm, also an der Grenze zu Staubwiderstän­ den mit Rücksprühgefahr. In diesem Fall sinkt der Reingas­ staubgehalt zunächst proportional zum Energieaufwand, um dann asymmtodisch gegen einen Minimalwert zu verlaufen, der nicht unterschritten werden kann, selbst wenn die Anlage für noch höheren Energiebedarf ausgelegt ist. Fig. 4c schließlich zeigt den typischen Verlauf für sehr hoch­ ohmige Stäube, bei dem sich wegen des Rücksprüheffektes ein Minimum des Reingasstaubgehaltes unterhalb des höchsten, auslegungsmäßigen Energiebedarfs ergibt.

Anlagen für hochohmige Stäube sind in ihren Energieversor­ gungseinrichtungen in der Regel überdimensioniert, weil man eine ganze Reihe von Unsicherheiten einkalkulieren muß und bisher nicht in der Lage war, die optimale Betriebs­ weise mit Sicherheit festzustellen. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Elektrofilter genau­ er auf den tatsächlichen Bedarf zugeschnitten und optimal betrieben werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Optimierung der Energiezufuhr und zur Vermeidung des Rücksprühens bei einem Elektrofilter, bei dem die Energiezufuhr durch Gleichspannungspulse oder Gleichspannung mit überlagerten Pulsen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß Zyklen bestehend aus Puls­ zeiten mit einem Ladepuls und Pausenzeiten mit der Dauer von mehreren Pulsen vorgesehen sind und daß die Amplitude des Ladungspulses (Parameter a) in aufein­ anderfolgenden Zyklen iterativ derartig verändert wird, daß die Zeit für das Abklingen der Filterspan­ nung vom Schetelwert Û auf eine vorgegebene Rest­ spannung U _R ihren größten Wert erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restspannung U _R in Höhe der Koronaeinsatz­ spannung vorgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter Beibehaltung der optimalen Amplitude des Lade­ pulses die Pulsbreite (Parameter b) in aufeinander­ folgenden Zyklen iterativ derartig verändert wird, daß die Zeit für das Abklingen der Filterspannung vom Scheitelwert Û auf eine vorgegebene Restspannung U _R ihren größten Wert erreicht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter Beibehaltung der optimalen Aplitude des Lade­ pulses und der optimalen Pulsbreite die Anzahl der Ladepulse (Parameter c) so lange um jeweils einen Puls erhöht wird, wie der letzte Scheitelwert der Filter­ spannung nicht kleiner ist als der vorletzte Scheitel­ wert und die Abklingzeit nicht unter den ermittelten größten Wert absinkt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Energieversorgung des Elektrofilters mit Gleichstrom und überlagerten Pulsen Pulszeiten mit mehreren Pulsen vorgesehen sind und daß außer der Amplitude der Ladepulse, der Pulsbreite und der Anzahl der Ladepulse auch noch der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen (Pulsfolgefrequenz = Parameter d) im Hinblick auf die Einstellung einer größtmöglichen Abklingzeit interativ verändert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Optimierungsverfahren für einen oder mehrere der Parameter a bis d wiederholt angewendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß unter Beibehaltung der optimierten Parameter a bis d im Anschluß an das Abklingen der Filterspannung vom Scheitelwert Û auf die Restspan­ nung U _R durch Nachladen im Filter eine Spannung in Höhe der Restspannung U _R aufrechterhalten wird und daß die Zeit zwischen dem Ende der Abklingzeit und dem Beginn des nächsten Pulses (Nachladezeit) in aufeinan­ derfolgenden Zyklen schrittweise so lange ausgedehnt wird, wie die Gesamtenergieaufnahme des Elektrofilters abnimmt und der Reingasstaubgehalt unterhalb des vor­ gegebenen Sollwerts bleibt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenn schon bei Einstellung der kleinstmöglichen Nach­ ladezeit ein Ansteigen des Reingasstaubgehaltes auf einen Wert über dem Sollwert festgestellt wird, das Optimierungsverfahren insgesamt oder in Teilen, be­ ginnend mit einem schrittweise erhöhten Wert der Rest­ spannung U _R ein oder mehrmals wiederholt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrofilter während der Puls- und Nachladezeit mit Gleichspannungspulsen beaufschlagt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrofilter zumindest während der Pulszeit mit Gleichspannung und überlager­ ten Pulsen beaufschlagt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einem Elektrofilter mit mehr als einem gesondert geregelten Abscheidefeld in der Weise angewendet wird, daß jedes Abscheidefeld für sich optimiert und darüberhinaus eine Koordinierung der Felder untereinander vorgenommen wird.