[0001 ] Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrostatischen Aufladung und Abscheidung schwierig abzuscheidender Partikel aus einem Gasfluid nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 5. Es handelt sich mit anderen Worten um ein Elektrofilterverfahren und einen Elektrofilter, und insbesondere um solche Elektrofilterverfahren bzw. Elektrofilter, die zur Filterung von Industrieabgasen geeignet sind.

[0002] Bei den nach dem sogenannten Cottrell-Prinzip arbeitenden Elektrofilter zum Entstauben von Industrieabgasen, die auch als Elektroabscheidevorrichtungen bezeichnet werden können, erfolgt bekanntlich Aufladung und Transport der abzuscheidenden Partikel sowie deren Anlagerung an gegebenenfalls speziell geformte Niederschlagselektroden gleichzeitig in einem elektrischen Feld, wobei die Partikel nach ausreichender Ansammlung bzw. Agglomeration entweder durch mechanische Erschütterung (trockene Abreinigung) oder durch Spülung (nasse Abreinigung) von der Niederschlagselektrode entfernt werden. Nötigenfalls werden mehrere der vorbeschriebenen elektrischen Felder in Serie oder auch parallel geschaltet, um die gewünschte Gesamt-Abscheideleistung zu erzielen.

[0003] Die Ursache dafür, dass einige Partikel schwierig abzuscheiden sind, kann auf die elektrischen Eigenschaften der Partikel zurückzuführen sein, die aufgrund ihrer chemisch-physikalischen Beschaffenheit an den Niederschlagselektroden zu einer isolierenden Schicht führen. Hinzu kommt, dass aufgrund der elektrischen Strömungsturbulenz bzw. des sogenannten elektrischen Windes bei hoher Stromdichte als Folge der Gasionisierung im Bereich zwischen den Auflade- und Abscheideelektroden insbesondere der Anteil der Partikel im Kornbereich <10 μm zunehmend schwieriger an die Niederschlagselektroden anzulagern ist. Dabei ist bekannt, dass als Folge der physikalisch wirksamen Auflademechanismen, nämlich der sogenannten Stoss- oder Feldaufladung und der Diffusionsaufladung, ein mehr oder minder ausgeprägtes Minimum der Partikel-Fraktionsabscheideleistung auftritt. Um den Problemen elektrischer

Strömungsturbulenz infolge des elektrischen Windes zu begegnen, wurden auch sogenannte 2-Stufen- Elektrofilter entwickelt, bei denen Aufladung und Abscheidung der Partikel in nacheinander geschalteten getrennten elektrischen Feldern erfolgen. Die räumlich notwendige Trennung der Stufen und deren unterschiedliche elektrische Hochspannungsversorgung ist dabei problematisch.

[0004] Um diese Probleme zu lösen ist ein elektrostatisch arbeitender Abscheider zum Entstauben von Industrieabgasen bekannt, der mit einem negativen Sprühsystem arbeitet. Insbesondere ist ein Verfahren bekannt, bei dem mit Hilfe der elektrostatischen Aufladung und Abscheidung mittels nur einer Hochspannungsquelle für eine Hochspannungszone schwierig abzuscheidende Partikel aus einem Casfluid entfernt werden, wobei im Gegensatz zu den sogenannten Cottrell-Elektrofiltern die Partikel innerhalb der Hochspannungszone nacheinander und nicht gleichzeitig ionisiert und abgeschieden werden. Zudem ist bei diesem Verfahren bzw. in den Vorrichtungen zur Verfahrensausführung im lonisierungsbe- reich ein größerer geometrischer Gassenabstand eingestellt als im Abscheidebereich, wodurch die Feldstärke des lonisierbereiches ^' kleiner ist, als die Feldstärke des Abscheidebereiches. Dadurch ist es gelungen, die Nachteile der elektrischen Turbulenz weitestgehend zu vermeiden. Die Gassenbreite für den lonisierungsbereich wurde bei den bekannten Filtern deshalb größer ausgebildet als die Gassenbreite des Abscheidebereichs, da erwartet wurde, dass in dem vergleichsweise geringen Auflade- oder lonisierungsbereich der zu erwartende sehr hohe, gleichwohl notwendige spezifische Stromfluss zu relativ früh einsetzender und demzufolge die elektrische Leistung begrenzender Überschlagstätigkeit führen wird. Dass heißt also, das bei den bekannten Filtern einem lonisierungsbereich mindestens zwei, häufig auch drei oder mehr Abscheidebereiche zugeordnet sind. Ferner soll im Abscheidebereich durch die Verringerung der Gassenbreite das Vorhandensein einer ausreichend hohen Feldstärke sichergestellt werden.

[0005] Aus dem Stand der Technik sind ähnlich funktionierende Luftfilter auch für die Reinigung von Atemluft bekannt, die insbesondere zur Verwendung in Haushalten, Lokalen und Hörsälen bestimmt sind. Luftfilter und Industriefilter sind jedoch nicht miteinander vergleichbar, da Luftfilter gänzlich andere Vorraussetzungen erfüllen müssen, als die hier betroffenen großen Industrie-Elektrofilter, sie können daher nicht zur Reinigung von Industrie-Gasen verwendet werden. So werden beispielsweise bei Elektrofilter für Industrieabgase üblicherweise Gassenbreiten von 200 bis 500 mm verwendet. Hierdurch, zusammen mit der Zusammensetzung der Abgase und deren Rauchgastemperatur, ergibt sich, dass bei Industrie-Elektrofiltern in der Regel Feldstärken im Bereich von 2 bis 4 kV/cm und spezifische Stromstärken im Bereich von 0,2 bis 1,2 mA/m ² verwendet werden.

[0006] Auch sind Luftfilter bekannt, die jeweils mit einem positiven Sprühsystem und zwei Hochspannungen arbeiten. Diese Luftfilter weisen einen Gleichrichter mit zwei Ausgängen für die Ionisierung und Abscheidung auf. Die Feldstärken bei den bekannten Luftfiltern sind im lonisierungs- und Abscheidebereich gleich, aber mit unterschiedlichen Spannungspotentialen versehen. Beide Bereiche müssen voneinander elektrisch isoliert ausgeführt werden. Außerdem sind bei den bekannten Filtern im loni- sierungsbereich positive Sprühelektroden vorgesehen, die eine moderate Ionisierung bewirken.

[0007] Vor dem Hintergrund der immer weiter steigenden Anforderungen an die Energie-Effizienz von Industrieanlagen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der vorbeschriebenen Elektro- fiiter und Elektrofilter-Verfahren zu vermeiden und den Energieaufwand bei der Filterung von Industrieabgasen zu verringern.

[0008] Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 und der Vorrichtung gemäß Anspruch 5. Bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

[0009] Der erfindungsgemäße Abscheider und das erfindungsgemäße Abscheideverfahren arbeiten also mit einem negativen Sprühsystem, bei dem mit Hilfe nur einer Hochspannungsquelle in jeder Hochspannungszone eine gerade ausreichende Aufladung der Partikel durchgeführt wird. Dementsprechend erfolgt der Transport der aufgeladenen Partikel und deren Abscheidung bei geringstem zusätzlichen Energieaufwand an die entgegengesetzt gepolten Niederschlagselektroden, wobei die von den herkömmlichen Filtern mit negativem Sprühsystem bekannten Einzelgassen unverändert gelassen werden.

[0010] Dies bedeutet, dass einem Bereich extremer Ionisierung mit entsprechend hoher elektrischer Turbulenz bzw. elektrischem Wind quer zur Gasströmung ein weitestgehend beruhigter praktisch laminarer Bereich - im Wesentlichen ohne elektrische Turbulenz - folgt, in welchem die Abscheidung der schwierig abzuscheidenden aufgeladenen Partikel hocheffizient und ungehindert erfolgen kann.

[0011 ] Die effiziente und möglichst vollständige Aufladung der Partikel wird bei einer angelegten Hochspannung im lonisierungsbereich durchgeführt, die ihrerseits im nachfolgenden Abscheidebereich bei geringstem Stromfluss eine Feldstärke erzeugt, die für Transport und Abscheidung der Partikel ausreichend ist. Ein niedriger, definierter Stromfluss im Abscheidebereich stellt sicher, dass eine gewisse Nachführung von Ladungsträgern an die positive Niederschlagselektrode erreicht wird, um Wiederauf- wirbelung (Reentrainment) bereits abgeschiedener Partikel weitgehend zu unterbinden.

[0012] Dies wird im Prinzip für verschiedene Elektrofilter-Ausführungsformen dadurch realisiert, dass in den Einzelgassen der Hochspannungszone bei unverändertem Gassenabstand extrem unterschiedliche physikalische Sprühabstände im lonisierungsbereich und im Abscheidebereich durch stark stromintensive bzw. stark stromunterdrückende Elektrodenformen an einer gemeinsamen Hochspannungsquelle zum Einsatz kommen, wobei weitest möglich auch das Prinzip des größeren geometrischen Sprühabstandes im lonisierungsbereich und des geringeren geometrischen Sprühabstandes im Abscheidebereich eingestellt wird. Es ist nun möglich, die Cassenbreite der Einzelgassen konstant zu halten, so dass jedem lonisierungsbereich nur ein Abscheidebereich zugeordnet ist. Ferner setzt die Überschlagstätigkeit nicht oder erst so spät ein, dass die elektrische Leistung nicht wesentlich reduziert wird.

[0013] Gegebenenfalls können mehrere Abschnitte für Ionisierung und Abscheidung innerhalb eines Elektrofilterfeldes nacheinander angeordnet werden, wenn die einmalige Partikel-Aufladung nicht ausreichen sollte.

[0014] Zur Erläuterung werden nachfolgend mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Figuren und Diagrammen näher beschrieben. Darin zeigen schematisch:

Fig. 1 das allgemeine Partikel-Abscheideverhalten in einem Elektrofilter;

Fig. 2 Beispiele des typischen elektrischen Kennlinienverhaltens der Negativ-Elektrodenformen für den lonisationsbereich und den Abscheidebereich des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 eine Übersichtsanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels einer einzelnen Abscheidegasse der erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung;

Fig. 4 eine Übersichtsanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer einzelnen Abscheidegasse der erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung;

Fig. 5 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrofilters mit zwei Abscheidegassen und einem lonisierungsbereich;

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrofilters mit drei Abscheidegassen und zwei lonisierungsbereichen; und

Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrofilters mit zwei Abscheidegassen mit gekühlten Niederschlagselektroden im lonisierungsbereich.

[0015] Fig. 1 zeigt das Partikel-Abscheideverhalten in einem Elektrofilter. Als Folge der physikalisch wirksamen Auflademechanismen, nämlich der sogenannten Stoss- oder Feldaufladung und der Diffusionsaufladung, tritt ein mehr oder minder ausgeprägtes Minimum der Partikel-Fraktionsabscheideleistung auf. Dies ist in jeder der dargestellten Kurven deutlich zu erkennen.

[0016] Fig. 2 zeigt auf, wie weit sich die Einzelcharakteristiken der in Frage kommenden Negativ- Elektrodengeometrien unterscheiden müssen, damit die erfindungsgemäße Zielsetzung eintreten kann. Dabei entsprechen die Charakteristiken im linksseitigen Diagrammteil den stark stromziehenden Elektrodenformen (A-, B- und C-Typ) für den lonisationsbereich, während die im rechtsseitigen Diagrammteil dargestellten Charakteristiken den stromarmen Elektrodenformen (D-, E- und F-Typ) für den Abscheidebereich entsprechen.

[0017] Fig. 3 zeigt die Übersicht einer einzelnen Abscheidegasse mit den Arbeitsabschnitten Ionisieren und Abscheiden. Benachbarte analoge Gassen sind nicht dargestellt. An einer Hochspannungsstromquelle 1 ist ein Hochspannungssystem 2 angeschlossen, das mit stromintensiven Sprühelektroden 6 und spannungsintensiven bzw. stromarmen Negativ-Elektroden 7 versehen ist. Die Sprühelektroden 6 befinden sich in einem lonisierungsbereich 4, der von den mit 12 geerdeten Niederschlagselektroden 3 gebildet ist. Die Negativ-Elektroden 7 befinden sich in einem Abscheidebereich 5, der ebenfalls von den Niederschlagselektroden 3 gebildet ist. Mit 11 ist die gesamte Hochspannungszone gekennzeichnet. Im, auch lonisationsbereich genannten, lonisierungsbereich 4 wird eine ausreichende Aufladung der Partikel erreicht, die dann im folgenden Abscheidebereich 5 mit stark reduzierten Turbulenzen bzw. nahezu fehlendem elektrischen Wind optimal abgeschieden werden. i

[0018] Wenn die einmalige Partikelaufladung in einer Hochspannungszone für eine optimale Abscheidung nicht ausreicht, kann gemäss Fig. 4 dem lonisationsbereich 4 und dem Abscheidebereich 5 ein weiterer lonisationsbereich 4a mit einem Abscheidebereich 5a nachgeschaltet werden.

[0019] Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines horizontal angeordneten Elektrofilters, eines sogenannten Horizontalfeldes. Hier sind innerhalb eines Filtergehäuses 8 mit der Erdung 12 mehrere Reihen Niederschlagselektroden 3 vorgesehen, die mehrere Abscheidegassen 13 bilden, die ihrerseits einen Ionisationsbereich4 mit den stromintensiven Sprühelektroden 6 und einen Abscheidebereich mit stromarmen Negativ-Elektroden 7 haben. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel weist zwei Abscheidegassen 13 auf, wobei sich aber weitere Abscheidegassen 13 anschließen können, wie dies mit den gestrichelten Linien 14 angedeutet ist.

[0020] Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektrofilters, wobei innerhalb der drei dargestellten Abscheidegassen 13 zwei lonisierungsbereiche 4 bzw. 4a und zwei Abscheidebereiche 5 bzw. 5a angeordnet sind. Überdies weisen die in Fig. 6 gezeigten Negativ-Elektroden 7 mit einer elliptischen Form eine andere in Frage kommende Geometrie auf.

[0021] Fig. 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem lonisationsbereich 4, bei dem die mit 12 geerdeten Niederschlagselektroden 9 als Hohlkörper (Kühlkammer 10) ausgeführt sind, die von einem Kühlmittel 9 durchströmt werden. Mit dieser Kühlung wird eine, auch als Rücksprühen bezeichnete, ^" Rückionisierung aufgrund eines extremen elektrischen Widerstandes abgeschiedener Partikel im loni- sierungsbereich 4 vermieden.

[0022] Mit den Prinzipdarstellungen ist das Wesen der Erfindung deutlich aufgezeigt, nämlich innerhalb einer Hochspannungszone 11 in deren unveränderten Einzelgassen 13 mit nur einer Hochspan nungs- versorgungsquelle 1 eine optimale elektrische Aufladung bzw. Ionisierung im lonisierungsbereich 4, 4a durchzuführen und die nachfolgende Parti kelabscheidung im Abscheidebereich 5, 5a bei ausreichender Feldstärke sicherzustellen.