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DE4003564A1 - Vorrichtung zur entfernung von aus partikeln bestehenden stoffen aus ab- und rauchgasen - Google Patents

Vorrichtung zur entfernung von aus partikeln bestehenden stoffen aus ab- und rauchgasen

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DE4003564A1
DE4003564A1 DE4003564A DE4003564A DE4003564A1 DE 4003564 A1 DE4003564 A1 DE 4003564A1 DE 4003564 A DE4003564 A DE 4003564A DE 4003564 A DE4003564 A DE 4003564A DE 4003564 A1 DE4003564 A1 DE 4003564A1
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Description

Während der Verbrennung von kohlenstoffreichen Substanzen werden oft in übermäßiger Weise Kohlenstoffpartikel (aus Partikeln bestehende Stoffe) aufgrund von Luftunterschuß in dem verbrannten Gemisch oder auch aufgrund schlechter Durchmischung emittiert.
Erfindungsgemäß werden nun die aus Partikeln bestehenden Stoffe entfernt durch ein System von Leitern, zwischen denen ein Hochspannungspotential hergestellt wird. Passieren die Kohlenstoffpartikel zwischen diesen Leitern, so werden sie zu einer Entladung veranlaßt, die sie aufleuchten läßt; sie werden verbrannt.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Strippen von partikelförmigen Stoffen, im Folgenden Partikel genannt, von Auspuff- und Rauchgasen. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Vorrichtung zum Eliminieren oder wenigstens zur starken Verminderung der Emission von partikelförmigen Stoffen aus dem "Auspuff" von Dieselmotoren oder aus den Rauchgasen, die bei all den Anwendungen entstehen, bei denen es um das Verbrennen von Gasöl oder schwereren Ölen, selbst im Gemisch mit aromatischen Fraktionen (Heizanlagen, tragbare Verstromgeneratoren, große Stromungsanlagen etc.) oder Kohle geht.
Im Folgenden wird aus Gründen der Vereinfachung immer auf Dieselmotoren bezug genommen; die genannten Merkmale und diskutierten Punkte sowie die gezogenen Schlüsse und erreichten Ergebnisse gelten aber in gleicher Weise für andere Anwendungsfälle.
Das Verbrennen von Kohlenwasserstoffen, ausgehend von Molekülen mit etwa 10 Kohlenstoffatomen oder einfachen aromatischen Molekülen führt nicht nur zu den üblichen Verbrennungsprodukten wie CO, CO2 und H2O, sondern auch zu Produkten wie nicht verbrannten organischen Verbindungen, Ruß und Stickoxiden. Das gleiche gilt für die Verbrennung von Kohle, zumindest soweit Ruß in Betracht kommt.
Die Zusammensetzung des Abgases kann erheblich variieren, und zwar abhängig von der zur Verbrennung eingesetzten Luftmenge. Für eine gute Prozeßausbeute jedoch (d.h. um ausreichend Leistung zu erhalten), ist das Luftbrennstoffverhältnis fest um gewisse Werte, was es schwierig macht, die Emission von Partikeln zu vermeiden.
Das Phänomen tritt besonders für den Betrachter für den Fall von Kraftfahrzeugdieselmotoren hervor, denen so vorgeworfen wird, schwere Luftverschmutzung hervorzurufen und die öffentliche Gesundheit ernsthaft zu gefährden.
Allgemein gesagt sind diese Vorwürfe grundlos. Verglichen mit Benzinmotoren nämlich emittieren Diesel zwischen vier- bis sechsmal weniger Kohlenmonoxid (bei dem es sich um ein starkes Gift handelt, da es den Blut-Sauerstoffaustausch blockiert), etwa die halbe Menge nicht verbrannter Kohlenwasserstoffe (die sehr krebserzeugend sind) und etwa die Hälfte Stickoxide (die u.a. verantwortlich für den Sauren Regen sind). Diese Dieselmotoren emittieren jedoch vierzigmal mehr Kohlenstoffpartikel (was über längere Zeiträume zu Bronchitis oder Beschwerden im Brustbereich führt) sowie Schwefeloxide (die auch für den Sauren Regen verantwortlich sind, die aber eliminiert werden könnten, wenn der Dieselkraftstoff entschwefelt wäre, wie dies beim Benzin der Fall ist (Gasolin)).
Bekanntlich absorbiert Ruß unverbrannte Kohlenwasserstoffe und wirkt damit als Träger (Vektor) für diese karzinogenen Mittel.
Zusammengefaßt: es besteht kein Zweifel daran, daß der für die Verbrennung von Gasoil, Fueloil und dergleichen emittierte Ruß extrem unangenehm ist und daß solche Emissionen eliminiert oder wenigstens zum großen Teil reduziert werden sollten.
Eine gewisse Abnahme im partikelförmigen Material, hervorgerufen durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, läßt sich erreichen, indem man die Verbrennung durch elektronische Mittel verstellt. Diese Verstellung kann aber den partikelförmigen Anteil nur um etwa 20% reduzieren, was nicht ausreichend für eine große Anzahl von Anwendungsgebieten ist. Viele Versuche wurden zur Lösung dieses Problems unternommen.
Zahlreiche Patente (beispielsweise J63-2 32 817, EP 2 83 240 und 1 14 696, US 46 22 810, 46 04 868 und 45 71 938 etc.) verwenden keramische Filter unterschiedlichster Art, die mechanisch die partikelförmgen Stoffe einfangen und periodisch regeneriert werden, beispielsweise durch Verbrennung unter Verwendung von heißen Gasen, wie sie von einem Spezialbrenner oder einem Strom vorgewärmter Luft erzeugt werden. Das Filter wird oft mit einem Katalysator, im allgemeinen Platin, zur Erleichterung der Verbrennung imprägniert.
Auf diese Weise wird der Anteil partikelförmigen Materials erheblich reduziert. Die Komplexität der bisher verwirklichten Lösungen jedoch, Kosten und Brüchigkeit der keramischen Filter sowie Kosten und Beschädigungen der Katalysatoren (aufgrund von Vergiftung beispielsweise) haben bisher die Verwendung solcher Filter unökonomisch, insbesondere für Fahrzeuge, erscheinen lassen.
Die US-PS 47 41 746 schlägt die Verwendung eines elektrostatischen Abscheiders mit Coronaeffekt vor, um die Kohlenstoffpartikel aus den Dieselabgasen niederzuschlagen.
Die US-PS 45 87 808, die ebenfalls Dieselmotoren betrifft, ist auf die Verwendung eines Molekulardissoziators gerichtet, der mit einer Ladung bis zu 150 kV für die Dissoziation der CO-, CO2- und NO x -Moleküle und nicht verbrannter Kohlenwasserstoffe in die chemischen Bildungselemente und somit für die Entfernung der so erzeugten sowie den in den Abgasen bereits vorhandenen Kohlenstoffpartikeln mittels eines elektrostatischen Separators und eines Zyklons sorgt.
Auf der 1987 Paris Meeting on Air Pollution Caused by Transport wurde jedoch berichtet, daß wenn Systeme in Kraftfahrzeuge eingebaut wurden, die aus der industriellen Fertigung abgeleitet wurden, deren Wirkungsgrad zweifelhaft war (wie im Falle von Zyklonen) oder ihre Größe exzessiv war und ihre Komplexibilität prohibitiv sich darstellte (elektrostatische Separatoren). (Siehe in diesem Zusammenhang Atmospherique Special Number, Dezember 1987, Seiten 268-285).
Aus Vorstehendem geht hervor, daß im Falle der Anwendungen begrenzter Größe (wie in Kraftfahrzeugdieselmotoren etc. oder in Hausheizanlagen) die technischen und wirtschaftlichen Probleme, die mit der Reduktion bzw. Verminderung des Partikelgehalts der Gase zusammenhängen und aus der Verbrennung der Kohlenwasserstoffe resultieren, alles andere als gelöst erscheinen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in Partikelstrippersystemen existierenden Nachteile durch eine einfache preiswerte kompakte Vorrichtung zu lösen, durch die partikelförmige Emissionen in Gasen, die aus der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen resultieren, vermindert werden.
Erfindungsgemäß zeichnet sich eine solche Vorrichtung zur Entfernung partikelförmigen Stoffs aus durch die Kombination der folgenden Teile, die in ein Gas oder Auspuffrohr eingeführt sind, durch welches der Strom der Kohlenwasserstoffverbrennungsprodukte geht:
  • - Hochspannungsgenerator mit zwei Polen,
  • - mehrere Leiter, die alternativ mit dem einen oder anderen dieser Pole verbunden sind,
  • - Einrichtungen zum Einführen von Luft in dieses Rohr in Strömungsrichtung vor den Leitern,
  • - Einrichtungen zum Steuern dieser Mittel zum Einführen von Luft.
Diese Leiter bestehen je aus einem leitenden Metallgitter innerhalb dieses Rohrsatzes senkrecht zur allgemeinen Strömungsrichtung der Abgase.
Die Größe des Gitters (oder der prozentuale Anteil der Gesamtquerschnittsfläche der das Gitter bildenden Drähte oder Fäden zum Querschnitt des Rohres) muß geringer als 50% und vorzugsweise geringer als 35%, jedoch mehr als 10%, betragen.
Diktiert werden diese Werte durch die Notwendigkeit, einen guten Ausgleich zwischen der Notwendigkeit zu haben, die Querschnittsfläche des Rohres nicht übermäßig zu verlegen, während ein adäquater durch die elektrische Entladung bestrichener Bereich zur Verfügung gestellt wird.
Alternativ können diese Leiter aus Gittern und/oder Platten und/oder Drähten bestehen, die so angeordnet sind, daß sie flache Gebilde oder Rohre parallel zur allgemeinen Strömungsrichtung dieser Abgase bilden.
In diesem Fall kann der von diesen oben definierten Leitern eingenommene Raum weniger als 35% und mehr als 4% betragen, während das Gitter und/oder die Platten und/oder die Drähte parallel zur Achse dieses Rohres über eine Länge bis zum zehnfachen Rohrdurchmesser verlaufen können. In beiden Versionen können diese Leiter über Spitzen verfügen, die unter rechten Winkeln von ihrer Oberfläche vorstehen.
Die Stromzuführung zu den Leitern muß derart sein, daß ein elektrisches Feld zwischen 50 und 98% desjenigen geschaffen wird, das für eine Entladung im Gas bei Arbeitstemperatur und unter den relevanten Arbeitsbedingungen führen würde.
Diese Mittel zum Einführen von Luft in dieses Rohr bestehen aus einer mit Ventil und einer Pumpe ausgestatteten Leitung.
Diese Einrichtungen zum Regeln der Mittel zum Einführen von Luft bestehen aus einer Sonde, die das Abgas analysiert und die Ergebnisse an einen Mikroprozessor überträgt, der die Pumpe und das Ventil regelt, um die gewünschte Menge von Luft in das Rohr in Strömungsrichtung vor diesen Leitern einzuführen.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in
Fig. 1 eine allgemein schematische Auslegung der Vorrichtung;
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform, bei der die Leiter parallel zur allgemeinen Gasströmungsrichtung angeordnet sind;
Fig. 3 einen perspektivischen Schnitt durch eine Ausführungsform, bei der die Leiter senkrecht zur allgemeinen Gasströmungsrichtung angeordnet sind.
In Fig. 1 wird eine Leitung 2 in ein abgasführendes Rohr 1 eingesetzt. Diese Leitung ist komplett mit nicht dargestellten Leitern, die über Kabel 4 und 5 mit einem Stromgenerator 3 verbunden sind. Ein Mikroprozessor 9 verarbeitet die die Zusammensetzung des Gases betreffenden Signale, welche durch die Sonde 6 analysiert wurden und regelt das Ventil 8 an der Leitung 7, die mit der Leitung 2 verbunden ist, um in letztere die gewünschte Menge Luft, die über die Pumpe 10 zugeführt wird, zuzugeben.
Im Betrieb analysiert die Sonde 6 das Gas, insbesondere hinsichtlich seines CO-, CO2- und O2-Gehaltes. Die Signale werden an den Mikroprozessor 9 gesandt, der - auf der Basis vorher erstellter Programme und anderer den spezifischen Brennstoffverbrauch betreffende Informationen - die Menge nicht verbrannten Materials sowie von Ruß ermittelt und somit die für deren Verbrennung notwendige Luftmenge herleitet und die Pumpe 10 und das Ventil 8 somit regelt.
Gleichzeitig wird eine Hochspannung zwischen den Leitern über den Spannungsgenerator 3 hergestellt.
Strömt das Gas zwischen den Elektroden, so senkt der hierin enthaltene Ruß die Dielektrizitätskonstante des Systems und sorgt für einen starken Funken, der auf die Kohlenstoffpartikel entladen wird, sie zum Aufglühen, insbesondere zur Weißglut bringt, so daß sie verbrannt werden.
Eine Anreicherung des Gases mit Luft und die erreichte hohe Temperatur ermöglichten es, daß die meisten der Kohlenstoffpartikel verbrannt werden, während die Produktion im wesentlichen von Kohlendioxid sichergestellt wird. Hierdurch wird beispielsweise der sehr niedrige Kohlenmonoxidgehalt der Dieselmotorabgase aufrecht erhalten und in manchen Fällen sogar vermindert.
Zwei Ausführungsformen der Erfindung sind in den Fig. 2 und 3 verdeutlicht.
Nach Fig. 2 sind die Leiter in Form flacher Platten 12, 12′ und 13 parallel zur von links nach rechts gehenden allgemeinen Strömungsrichtung des Gases angeordnet; Kabel 4 bzw. 5 beaufschlagen die Platten bzw. Lamellen 12, 12′ und 13, das Kabel 5 ist durch die Wandung der Leitung 2 über einen isolierten Abschnitt 11 geführt. Die Platten können vorstehende Spitzen 14 haben, um zur Bildung elektrischer Entladungen zwischen den Kohlenstoffpartikeln und den Platten selbst beizutragen.
Nach Fig. 3 sind die Leiter in Form kreisförmiger Gitter 12, 12′, 13, 13′ senkrecht zur allgemeinen Gasströmungsrichtung eingesetzt und werden über Kabel 4 und 5 gespeist, während sie durch Isolatoren 11 isoliert gehalten werden. Diese erlauben auch die Durchführung der Kabel 4 und 5 durch die Wandung der Leitung 2.
Andere Gestalten und Anordnungen von Leitern 12 und 13 können ohne den Verlust eines gemäß der Erfindung zur Verfügung gestellten Schutzes verwendet werden.
Mit der Maßnahme nach der Erfindung wurden am Auspuffsystem einer dieselelektrischen Gruppe mit einem 3860 cm3 Motor und einem 40 kW bei 1500 U/min liefernden Generator durchgeführt (40 kW = Nennleistung). Der Motor wurde bei 1400 U/min während der Tests betrieben.
Die Leiter, in Form eines Gitters, wie in Fig. 3 wurden 3 cm voneinander entfernt angeordnet. Der Durchmesser der vier Paare von Leitern betrug 20% weniger als der Innendurchmesser des Abgasrohres. Die Spannung zwischen den Leitern eines Paares von Leitern lag zwischen 50 und 65 kV. Die Größe des quer von jedem Gitter der oben definierten Art eingenommene Raum betrug 22% der Querschnittsfläche des Rohres.
Während jedes Tests lief der Motor eine Stunde lang; die Vorrichtung zum Entfernen partikelförmigen Stoffes wurde über feste zeitliche Perioden betrieben. Gleichzeitig wurden Proben vom Abgas genommen und die Probe durch ein Wiegefilter (tariertes Filter) gegeben. Nach dem Durchgang von einem Kubikmeter Gas wurde das Filter mit der partikelförmigen Last erneut gewogen.
Die mittlere Menge von im Abgas enthaltenen Partikeln bzw. partikelförmigem Stoff, die erfindungsgemäß nicht behandelt wurde, lag bei 17,2 mg/m3, die Variabilität zwischen -3 und +4 mg/m3.
Wurden Paare von Gittern 1 nach dem anderen eingesetzt, so führte dies zu einer Abnahme im Partikelgehalt des behandelten Gases, der um etwa 15% variierte (im Falle eines Paares von Gittern mit einer Spannung von 52 kV) bis etwa 70% (mit vier Paaren von Gittern und einer Spannung von 60 kV) .

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Verminderung von partikelförmigem Stoff im Abgas in einem Auspuff- oder Abgasrohr (1), gekennzeichnet durch die jeweilige Kombination der folgenden Teile zueinander:
  • - eines Hochspannungsgenerators (3) mit zwei Polen;
  • - einer Vielzahl von Leitern (4; 5), die alternativ mit dem einen oder anderen dieser Pole verbunden sind;
  • - Einrichtungen (7) zum Einführen von Luft in dieses Rohr (2) in Strömungsrichtung vor diesen Leitern (12, 12′; 13, 13′) und
  • - Mittel (8; 10) zum Steuern dieser Einrichtungen zum Einführen von Luft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Leiter je aus einem leitfähigen Metallgitter bestehen, das innerhalb dieses Rohres senkrecht zur allgemeinen Strömungsrichtung dieser Abgase angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche jedes Gitters und der Rohrquerschnittsfläche geringer als 50% und mehr 10% ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis weniger als 35% beträgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter in Form von Gittern und/oder Platten und/oder Drähten vorliegen, die parallel zur allgemeinen Strömungsrichtung dieser Abgase angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche dieser Leiter und derjenigen des Querschnitts dieses Rohres zwischen 35 und 4% beträgt, wobei die Leiter parallel zur Achse dieses Rohres über eine Länge bis zum zehnfachen Rohrdurchmesser sich erstrecken.
7. Vorrichtung zur Verminderung partikelförmigen Stoffes gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder dieser Leiter eine große Anzahl vorstehender Spitzen hat.
8. Vorrichtung zur Verminderung partikelförmigen Stoffs gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Hochspannungsgenerator diese Leiter zur Bildung eines elektrischen Feldes zwischen 50 und 98% desjenigen speist, das notwendig ist, um eine Entladung zwischen den Leitern unter Arbeitsbedingungen herbeizuführen.
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