Vorrichtung und Verfahren zur Aufladung von Aerosolen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum elektrischen Aufladen von Aerosolen, die so ausgelegt und geregelt wird, dass die Stromaufnahme durch den Raumladungseffekt der geladenen Partikel auf wenige Prozent der Stromaufnahme ohne Partikel im Gasstrom herabgesetzt wird.

Die elektrische Aufladung von Aerosolen bzw. gasgetragenen Teilchen wird in Verbindung mit den verschiedensten Techniken eingesetzt, z.B. bei der elektrostatischen Beschichtung von Oberflächen, und zur Verbesserung der Abscheidbarkeit mit Filtern. Insbesondere ist die elektrische Aufladung von Aerosolen auch ein wesentlicher Bestandteil der Funktion von Elektroabscheidern, wo der energetischen Effizienz der Aufladung wegen der großen zu behandelnden Volumenströme eine besondere Bedeutung zukommt.

Elektroabscheider [F. Löffler: Staubabscheiden, 1988, H. White: Industrial Electro- static Precipitation, 1962, VDI-KRDL-Richtlinie 3678 ] dienen der Abscheidung gasgetragener Teilchen und werden bevorzugt zur Reinigung großer Aerosolvolumenströme eingesetzt. Anderen Abscheideverfahren gegenüber zeichnen sie sich

durch einen besonders geringen Druckverlust und geringen Wartungsaufwand aus. Einsatzgebiete sind z. B. Müllverbrennungsanlagen, Kraftwerke und die Erzaufbereitung.

Bekannte Elektroabscheider in Platten- oder Röhrenbauweise zeichnen sich dabei durch einen relativ hohen Strombedarf (0,1 - 0,5 mA/m ² ) aus, was einer spezifischen Leistung von 0,05 - 2 kWh/1000 m ³ entspricht [F. Löffler: Staubabscheiden, 1988]. Zweistufige Elektroabscheider, bei denen zunächst eine Aufladung der Partikel in einem Aufladevorrichtung erfolgt und anschließend eine Abscheidung im elektrischen Feld, sind ebenfalls bekannt.

Die hohen verwendeten Ströme machen leistungsfähige und damit teure Hochspannungsversorgungen erforderlich. Die laufenden Energiekosten sind proportional zum Strombedarf.

Dabei wird ein Großteil des Stromes nicht für die Aufladung der Teilchen genutzt, bzw. es wird eine Aufladung weit über das für eine erfolgreiche Abscheidung erforderliche Maß hinaus durchgeführt.

Der hohe Strom kann weiterhin bei geringen Staubleitfähigkeiten zum sogenannten Rücksprühen führen, was eine häufige Abreinigung der Niederschlagselektroden erforderlich macht und damit die Emission erhöht. Man verwendet daher in der Praxis häufig gepulste Hochspannung, um die Potentialdifferenz über den Staubkuchen gering zu halten. Die Spannungsversorgung wird entsprechend teuer und komplex.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Aufladung von Aerosolen mit wesentlich niedrigerem spezifischem Energiebedarf zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der Merkmale des

δ ncnrurhc 1 πolrtct

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.

In der vorliegenden Erfindung wird zur Aufladung und evtl. partiellen Abscheidung der Partikel eine Aufladevorrichtung verwendet, die geometrisch und regelungstechnisch so gestaltet ist, dass die Koronaentladung fast vollständig gequencht ist. Der Koronastrom, die erforderliche Leistung zur Aufladung und der Spannungsabfall über das abgeschiedene Aerosol auf der Niederschlagselektrode werden minimiert. Geladene Partikel, die nicht bereits in der Aufladevorrichtung abgeschieden wurden, können in einer weiteren Vorrichtung einem elektrischen Feld ausgesetzt und dort abgeschieden werden.

Im Sinne dieser Erfindung wird unter Korona-Quenching die durch Anwesenheit geladener Partikeln im Elektrodenzwischenraum einer Corona-Entladung hervorgerufene, signifikante Abnahme eines Koronastroms verstanden.

Der Vorgang des Korona-Quenching verläuft dabei in mehreren Phasen, die in einer kontinuierlich betriebenen, durchströmten elektrischen Aufladevorrichtung bzw. einem Elektroabscheider räumlich nacheinander durchlaufen werden. In einer diskontinuierlich betriebenen Aerosol - Aufladevorrichtung werden dieselben Phasen nach dem Anlegen der Hochspannung zeitlich nacheinander durchlaufen, wie sich aus der Fig. 1 ergibt.

In Phase 1 , beim Eintritt eines ungeladenen Aerosols in den Abscheider, fließt zunächst ein hoher Strom. Dieser führt in kurzer Zeit zur Aufladung der Teilchen und zur Ausbildung einer Raumladung. Durch die Zunahme der an die Teilchen gebundenen Raumladung wird in Phase 2 die Coronaentladung zunehmend unterdrückt (zunehmendes Corona-Quensching), bis ein Minimum erreicht wird. Bei hohen Partikelkonzentrationen wird dabei eine Raumladung erzeugt, die die Sprühelektrode soweit abschirmt, dass die Stromaufnahme fast Null ist. Die Raumladungsdichte ist in diesem Fa!! des voü ausσebildeten Corona-Quenschinαs (Phase 3) etwa

- A -

(Gleichung 1),

in welcher a 2 für Platte-Draht Geometrie a 4 für Rohr Draht Geometrie

U _B Betriebsspannung

UE Corona-Einsatzspannung r _S - _N Abstand zwischen Sprühelektrode und Niederschlagselektrode ε ₀ Dielektrizitätskonstante p _{ι p} Raumladungsdichte bedeuten.

Der Wert von p, _p kann mit der räumlichen Verteilung der Raumladung leicht variieren. Erreicht die Raumladungsdichte einen solchen Wert, folgt Phase 3, kann ein solcher Wert für gegebene Geometrie und Spannung nicht erreicht werden, folgt direkt Phase 4. In Phase 3 ist eine weitere Coronaentladung nur noch in dem Maße möglich, wie bereits geladene Teilchen abgeschieden werden bzw. durch die Strömung aus dem Aufladevorrichtung entfernt werden. Im Verlauf von Phase 3 findet daher eine allmähliche Abnahme der Teilchenkonzentration statt, während die mittlere Aufladung der Teilchen zunimmt, so dass die Raumladung insgesamt konstant bleibt und die Stromaufnahme sich nur wenig ändert (voll ausgebildetes Corona- Quensching). Die Dauer von Phase 3 kann bei konstantem Abstand zwischen Sprüh- und Niederschlagselektrode und konstanter Einsatzspannung über die Länge der Aufladevorrichtung nach folgender Formel abgeschätzt werden:

Quench mit

(Gleichung 2)

Symbole:

B Beweglichkeit der Teilchen

C ₀ Anzahlkonzentration im Rohgas n _QE mittlere Ladung der Partikel am Ende des Qυenchvorgangs

E _NE (UE) mittlere Feldstärke an der Niederschlagselektrode bei Einsatzspannung

A Abscheidefläche

V Volumen der Aufladevorrichtung

Die zeitliche änderung der Konzentration ist in dieser Phase

(Gleichung 3)

Mit den zusätzlichen Variablen c Partikelanzahlkonzentration t Zeit

Cu Cunningham-Korrekturfaktor d- Pθ.rti.kθ!durchmθSSθr

Gasviskosität

Der Abscheidegrad am Ende dieser Phase ist

(Gleichung 4)

Zusätzliche Symbole

e Elementarladung

Wenn die Aufladung der Teilchen sich dem maximal möglichen Wert nähert, erfolgt der übergang zu Phase 4, dem abnehmenden Corona-Quenching. Dabei kann die Abnahme der Teilchenkonzentration nicht mehr durch eine Zunahme der Teilchenladung kompensiert werden, sodass die partikelgebundene Raumladung abnimmt und die Stromaufnahme progressiv zunimmt. Mit der zunehmenden Stromaufnahme gewinnt die ionengebundene Raumladung an Bedeutung, sodass die Stromaufnahme nach einem Wendepunkt in Phase 5 auf den Wert zuläuft, der für die Entladung im partikelfreien Gas typisch ist.

Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass bis zum Ende der Phase 4, des abnehmenden Corona-Quenching, die Aufladung der Teilchen fast bis zur maximal möglichen Teilchenladung erfolgt, während gleichzeitig nur eine minimale Stromaufnahme erfolgt. Dabei sind die Länge der einzelnen Phasen und die dabei auftretenden Stromaufnahmen sehr stark von der jeweiligen Aerosolkonzentration und -größenverteilung sowie der Anlagengeometrie und der Strömungsgeschwindigkeit abhängig.

über eine geeignete Spannungsregelung ist es möglich, den Quenchvorgang so zu steuern, dass das Ende der Phase 4 immer am Austritt aus dem Aufladevorrichtung liegt. Damit wird eine energetisch optimale Aufladung erzielt.

Unter Verwendung der Spannung als Stellgröße kann eine solche Betriebsführung technisch umgesetzt werden. Lokale oder integrale Stromdichten und/oder Partikelkonzentrationen im Aufladevorrichtung können als Messgrößen für eine Regelung dienen. Weil die Differenz zwischen Betriebs- und Einsatzspannung quadratisch in die Quenchzeit eingeht (siehe Gleichung 2), kann ein großer Konzentrationsbereich abgedeckt werden.

Die Quenchzeit und der Abscheidegrad am Ende von Phase 3 sinken mit zunehmender Spannung und abnehmendem Abstand zwischen Sprüh- und Niederschlagselektrode (Gleichungen 2 und 4). Die Abscheideleistung nimmt dagegen zu (Gleichung 3).

Diese Erkenntnis erlaubt eine zielgemäße Auslegung und Regelung einer Aufladevorrichtung.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Fig. 1 : den Verlauf des fließenden Stroms in Abhängigkeit von der

Länge des Abscheiders,

Fig. 2: ein Strom-Spannungsdiagramm,

die Fig. 3 bis 13: unterschiedliche Bauformen erfindungsgemäßer Aufladevorrichtungen

Figur 3 zeigt eine Aufladevorrichtung in der Bauweise eines üblichen Rohrelektro- abscheiders. Die lokale Stromaufnahme des Aufladevorrichtungs entspricht qualita-

tiv dem in Figur 1 gezeigten Verlauf. Bei einer festen Länge des Aufladevorrich- tungs kann die Länge von Phase 3 gemäß Gleichung 2 durch änderung der Betriebsspannung im Abscheider verschoben werden. Die Spannung kann dabei so geregelt werden, dass Phase 4 immer am Austritt des Aufladevorrichtungs liegt. Die Regelung der Spannung kann hier - wie dargestellt - über die Stromaufnahme des Abscheiders erfolgen. Erfindungsgemäß wird die Spannung hier so geregelt, dass die Stromaufnahme unter dem Einfluss der partikelgebundenen Raumladung deutlich verringert ist gegenüber der Stromaufnahme ohne Aerosol.

Figur 4 zeigt die gleiche Aufladevorrichtung mit anderer Regelung. Die Spannung wird hier nach der Stromaufnahme nahe dem Austritt des Abscheiders geregelt. Dies bietet die Möglichkeit, den gewünschten Entladungszustand am Ende der Aufladevorrichtung unabhängig vom Verlauf der Stromaufnahme in Phase 4 einzustellen. Die Spannung kann zum Beispiel so geregelt werden, dass am Austritt immer ein bestimmter Prozentsatz des Stroms fließt der bei gleicher Spannung ohne Aerosol erreicht würde (siehe Figur 2). Eine Messung der Aerosolkonzentration am Eintritt in die Aufladevorrichtung ermöglicht eine Vorsteuerung bei schneller zeitlicher änderung der Konzentration.

Figur 5 zeigt ebenfalls eine Aufladevorrichtung in Rohr-Draht-Geometrie. Die Sprühelektrode ist in zwei Bereiche unterteilt, die jeweils eine eigene, geregelte Spannungsversorgung besitzen. Die eingangsseitige Sprühelektrode kann hier auf konstante Stromaufnahme geregelt werden. Die Spannung steigt dann mit zunehmender Aerosolkonzentration und kann als Maß für die aktuelle Aerosol- Konzentration mit in die Regelung der Spannung für die ausgangsseitige Sprühelektrode einfließen. Die Regelung der Spannung an der ausgangsseitigen Sprühelektrode kann wie in der Beschreibung zu Figur 4 erfolgen.

Wegen der höheren Spannung im ersten Teil des Aufladevorrichtungs wird bei gleichen Abmessungen ein höherer Trenngrad erreicht als in den Aufladevorrichtungtypen, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt sind.

Figur 6 zeigt einen Aufladevorrichtung in Rohr-Draht-Geometrie, bei der der Durchmesser der Sprühelektrode in Strömungsrichtung zunimmt. Wegen der zunehmenden Einsatzspannung der Coronaentladung in Strömungsrichtung nimmt die partikelgebundene Raumladungsdichte, die für eine signifikante Verringerung des Stroms erforderlich ist, ab (siehe Gleichung 1). Phase 3 wird daher verlängert. Die große Differenz zwischen Betriebs- und Einsatzspannung am Eintritt hat eine schnelle Abscheidung zu Folge (siehe Gleichung 3), die geringe Differenz am Austritt führt zu einem hohen Abscheidegrad (siehe Gleichung 4).

Die Regelung der Spannung erfolgt hier über die gesamte, hochspannungsseitige Stromaufnahme des Aufladevorrichtungs.

Figur 7 zeigt eine Aufladevorrichtung in Rohr-Draht-Geometrie, bei der der Abstand zwischen Niederschlags- und Sprühelektrode in Strömungsrichtung zunimmt. Neben der zunehmenden Einsatzspannung der Coronaentladung in Strömungsrichtung wirkt sich der zunehmende Abstand zwischen Sprüh- und Niederschlagselektrode auf die die Menge der partikelgebundenen Raumladung, die für eine signifikante Verringerung des Stroms erforderlich ist, aus (siehe Gleichung 1). Phase 3 wird daher verlängert. Geringer Elektrodenabstand und große Differenz zwischen Betriebs- und Einsatzspannung am Eintritt haben eine schnelle Abscheidung zu Folge (siehe Gleichung 3), die geringe Spannungsdifferenz und der große Elektrodenabstand am Austritt führen zu einem hohen Abscheidegrad.

Die Regelung der Spannung erfolgt hier beispielsweise über die gesamte, erdungs- seitige Stromaufnahme der Aufladevorrichtung.

Die in den Figuren 3 bis 7 dargestellten Aufladevorrichtungen können analog auch in der Bauart eines Plattenelektrofilters oder in einer Reihenschaltung von Spitze- Platte-Entladungen oder ähnlichem realisiert werden.

In Figur 8 ist eine Aufladevorrichtung in der Bauart eines Plattenelektroabsπheiders dargestellt. Bei dieser Bauart kann eine Zunahme der Coronaeinsatzspannung in

Strömungsrichtung durch Verringerung des Abstandes zwischen den Sprühelektroden erreicht werden.

Die Spannung wird nach der hochspannungsseitigen Stromaufnahme geregelt.

Figur 9 zeigt einen Aufladevorrichtung in der Bauart eines Plattenelektroabschei- ders, bei dem jeweils mehrere benachbarte Sprühelektroden eine gemeinsame Spannungsversorgung haben. Die Spannung der eintrittsseitigen und der mittleren Elektroden kann jeweils so geregelt werden, dass ein fester, kleiner Strom fließt oder so, dass sich die jeweils in Strömungsrichtung letzte Elektrode in einem Zustand befindet der nahe dem Anfang von Phase 4 liegt (siehe Figur 4). Die Spannung an den austrittsseitigen Elektroden wird so geregelt, dass das Ende des Auf- ladevorrichtungs mit dem Ende von Phase 4 zusammenfällt. Die sich einstellenden Spannungen der ersten Elektrodengruppen können dabei für eine Vorsteuerung verwendet werden.

Figur 10 zeigt einen mehrstufigen Elektrofilter. Der Filter besteht aus zwei Auflade- vorrichtungen in der Bauart von Plattenelektrofiltern, die erfindungsgemäß betrieben werden und zwei Abscheidern. Im ersten Aufladevorrichtung werden die Partikel aufgeladen und teilweise abgeschieden. Je nach Partikelgrößenverteilung und Abscheidegrad am Austritt des ersten Aufladevorrichtungs hat das Aerosol, das den Aufladevorrichtung verlässt eine mehr oder weniger breite Mobilitätsverteilung. Nach Verlassen des ersten Aufladevorrichtungs tritt das Aerosol in den ersten Abscheider ein. Hier wird ein Großteil der Partikel abgeschieden. Partikel mit nur geringer Mobilität können unter Umständen im Gas verbleiben. Diese Partikel werden in der zweiten Aufladevorrichtung weiter aufgeladen. Wegen der bereits stark verringerten Partikelkonzentration hat diese Aufladevorrichtung einen erheblich größeren Abstand zwischen Sprüh- und Niederschlagselektrode. Nach Gleichung 1 kann diese Aufladevorrichtung damit trotz der geringen Konzentration erfindungsgemäß betrieben werden. Das in der zweiten Aufladevorrichtung nachgeladene Aerosol tritt dann in den zweiten Abscheider ein. Hier werden die im zweiten Aufladevorrichtunα

ausreichend geladenen Partikel abgeschieden. Wegen der geringen Stromaufnahme der Vorrichtung erfolgt die Abscheidung besonders energieeffizient.

Figur 11 zeigt einen Aufladevorrichtung in Form eines Mischbehälters mit Sprühelektrode. Das Aerosol strömt am Eintritt in den Mischbehälter und vermischt sich mit dem bereits geladenen Aerosol. Die Raumladungsdichte ist damit örtlich etwa konstant. Die Stromaufnahme ist gleichmäßig über die Sprühelektrode verteilt. Schnelle Konzentrationsänderungen im Eingangsaerosol verursachen wegen der Vermischung praktisch keine Regelungsprobleme. Da sich die Entladung in der gesamten Aufladevorrichtung im selben Zustand befindet, führt hier eine Regelung über die Gesamtstromaufnahme, die niederschlagselektrodenseitig gemessen werden kann zur optimalen Einstellung der Spannung.

Das Aerosol verlässt die Aufladevorrichtung am Austritt.

Figur 12 zeigt eine Aufladevorrichtung in Zyklonbauweise. Das Aerosol strömt am Eintritt tangential in den Aufladevorrichtung ein und strömt dann zunächst in Wandnähe spiralförmig nach unten. Dabei werden die noch wenig geladenen Partikel trotz der verhältnismäßig geringen lonenkonzentration am Rand aufgeladen.

Danach strömt das bereits teilaufgeladene Aerosol nahe der Sprühelektrode im Bereich hoher lonenkonzentration Richtung Austritt und wird dabei weiter aufgeladen. Die erzeugten Ionen werden sehr gut ausgenutzt. Da sich in der Richtung Austritt strömenden Kernströmung die hoch geladenen Partikel oben befinden und die weniger stark geladenen unten und dies bei der wandnahen Strömung umgekehrt ist, ist die Stromaufnahme über die Länge der Sprühelektrode gut verteilt.

Figur 13 zeigt eine Aufladevorrichtung mit durchströmten Elektroden. Bei diesem Auflader kann der Abstand der Elektroden besonders einfach verstellt und an die Parameter des Aerosols angepasst werden. Durch die Wahl der Strömungsrichtung von der passiven Elektrode hin zur Sürühelektrode kann die Ablaαerunα von aufαe- ladenen Teilchen auf der passiven Elektrode weitgehend vermieden werden. Ein

solcher Auflader ist daher insbesondere für Anwendungen geeignet, bei denen die aufgeladenen Teilchen möglichst vollständig in einem nachfolgenden Prozess genutzt werden sollen. Ein andere Anwendungsbereich ist die Aufladung von Aerosolen, die sonst eine stark isolierende Schicht auf der passiven Elektrode bilden und Rücksprühen verursachen würden.

Die dargestellten konstruktiven und regelungstechnischen Maßnahmen können auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.