Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein mehrstufiges Verfahren zur elektrischen Abscheidung von netto-geladenen Aerosolen unter Nutzung von Raumladungseffekten.

Zweistufige Elektroabscheider sind seit langem bekannt (z. B. US 2,129,783, 26.7.1938) und werden vor allem in der Klimatechnik sowie zur Abscheidung von Ölnebeln eingesetzt.

In der ersten Stufe werden die Aerosolteilchen durch eine Coronaentladung zwischen einer meist drahtförmigen Sprühelektrode und einer meist plattenförmigen Niederschlagselektrode aufgeladen und teilweise abgeschieden, wobei die Verweilzeit zwischen den Elektroden für eine vollständige Abscheidung des Aerosols in der Regel zu kurz ist.

In der zweiten Stufe passiert das nun elektrisch geladene Restaerosol zwischen parallel angeordneten, meist plattenförmigen Abscheideelektroden. Abwechselnd jede zweite Abscheideelektrode ist mit Hochspannung verbunden bzw. geerdet, so dass zwischen den Abscheideelektroden ein starkes elektrisches Feld anliegt und die geladenen Teilchen zu einer der Elektroden hingezogen und abgeschieden werden. In der zweiten Stufe entsteht keine Coronaentladung, so dass es hier nur einer sehr geringen Stromstärke für die Hochspannungsversorgung bedarf.

In den letzten Jahrzehnten hat eine kontinuierliche Weiterentwicklung der zweistufigen Elektroabscheider stattgefunden, wobei einige dieser Weiterentwicklungen zur Abgrenzung gegenüber der hier vorliegenden Erfindung näher betrachtet werden sollen. Dabei muß vorausgeschickt werden, dass der Verfahrensschritt der Partikelaufladung, der den wesentlichen Vorgang in der ersten Stufe der zweistufigen Elektroabscheider darstellt, kein integraler Bestandteil der Erfindung ist.

Die US 4,861 ,356 beschreibt einen zweistufigen Elektroabscheider, bei dem das Problem von elektrischen Überschlägen zwischen den Abscheideelektroden gelöst wird, indem zum Ersten eine verfahrbare Druckluftdüse zum Freiblasen des Elektrodenzwischenraums vorgesehen ist, und indem zum Zweiten ein sehr hochohmi- ger Vorschaltwiderstand zwischen der Hochspannungsversorgung und jeder einzelnen der unter Hochspannung zu setzenden Abscheideelektroden vorgesehen wird. Dieser Vorschaltwiderstand wird erfindungsgemäß durch eine Corona- Entladung zwischen einer unter Hochspannung stehenden Spitzen- oder Drahtelektrode und der zu elektrisierenden Platte realisiert. Dazu stehen die zu elektrisierenden Platten gegenüber den geerdeten Platten etwas (0,25 Inch = 6,5 mm) hervor.

Die US 4,264,343 beschreibt eine zweistufige Elektroabscheider-Anordnung, bei der parallele, durchgehende geerdete Niederschlagselektroden vorhanden sind. Die erste Stufe wird durch unter Hochspannung stehende, doppelspitzige Sprühelektroden realisiert, wobei jeweils eine der beiden Spitzen auf die elektrisierten Abscheideelektroden der zweiten Stufe gerichtet ist. Diese Abscheideelektroden sind allerdings jeweils von einer dielektrischen Isolierschicht umhüllt und je separat an eine Hochspannungsversorgung angeschlossen. Daher haben die Sprühelektroden hier keine Funktion für die Einstellung des Potentials der Abscheideelektroden. Auch die Nutzung von Raumladungen zur Abscheidung von elektrisch geladenen Aerosolteilchen ist nicht grundsätzlich neu.

Die US 4,029,482 beschreibt einen Abscheider, in dem Aerosole zunächst durch eine Corona-Entladung aufgeladen werden und dann durch ein Faserfilter oder eine poröse Schüttung aus einem elektrisch isolierenden Material passieren. Hierbei kommt es durch den Raumladungseffekt zu elektrischen Kräften auf die Aerosolteilchen, die diese quer zur Strömung bewegen und im Filter abscheiden. Die Parti- kelabscheidung ist gegenüber der Verwendung eines nicht isolierenden Filtermaterials deutlich erhöht.

Die DE 101 32 582 beschreibt einen elektrostatischen Abscheider, bei dem das zuvor elektrisch geladene Aerosol zur Abscheidung durch ein Bündel von in Strömungsrichtung parallel angeordneten Röhren geführt wird. Die Röhren werden mit Wasser besprüht und sind daher unabhängig von der Wahl des Materials durch den Kontakt mit der Wand des Apparates geerdet. Es wird die Verwendung von Röhren mit verschieden strukturierten Innenoberflächen und mit spiralförmigen Einbauten vorgeschlagen. Auch hier erfolgt die Abscheidung überwiegend durch den Raumladungseffekt in den Röhren, was allerdings nicht explizit erwähnt wird. Die Abscheidung wird durch einen nachgeschalteten Filter noch verbessert.

Die bekannten technischen Lösungen zur Nutzung von Raumladungen zur Abscheidung von Aerosolen haben einige schwerwiegende Nachteile, was sich durch die ungünstigen, die Physik der Raumladungen nicht berücksichtigenden Konstruktionen ergibt:

Betrachtet man die elektrischen Feldstärken, die in einer durchströmten Röhre oder in einem durchströmten Filter durch die Raumladung entstehen, dann gilt mit E der elektrischen Feldstärke, A der Oberfläche und V dem Volumeninhalt eines Aerosolvolumens, εoder Dielektrizitätskonstante, pi der Raumladungsdichte:

Das bedeutet zum Ersten, dass bei einer gleichmäßig verteilten Raumladungsdichte die elektrische Feldstärke von der Mittelachse oder dem Zentrum der Röhre oder des Filters aus linear nach außen hin ansteigt. Dagegen ist die Feldstärke in der Mitte der Röhre oder des Filters sehr gering, so dass die geladenen Aerosolteilchen hier keine elektrischen Kräfte erfahren und also nicht abgeschieden werden. Es gibt daher bei beiden erwähnten Konstruktionen einen Teilstrom des Aerosols, der praktisch ohne Abscheidung durch die Mitte der Anordnung passiert.

Zum Zweiten werden nach heutigen Standards generell sehr hohe Abscheide- Wirkungsgrade von 99% und mehr verlangt, so dass die Aerosolkonzentration und damit auch die Raumladungsdichte über die Laufstrecke des Aerosols durch die Röhre oder die Filterschicht entsprechend stark abnehmen müßte. Mit abnehmender Raumladungsdichte nimmt aber auch die entstehende Feldstärke proportional ab. Daher ist der in einem Gefäß bzw. Rohr bzw. in einer Pore unter der Wirkung der Raumladung abgeschiedene Mengenstrom an Teilchen (bei gegebener Ladung der einzelnen Teilchen) proportional zum Quadrat der Teilchenkonzentration. Es ist daher offensichtlich, dass so mit vertretbarem apparativem Aufwand keine ausreichend niedrigen Aerosolkonzentrationen im Reingas erreicht werden können.

Es stellt sich daher die Aufgabe, durch ein verbessertes Konstruktionsprinzip die raumladungsgestützte Abscheidung grundlegend und wesentlich verbessert zur Abscheidung von Aerosolen einzusetzen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht dabei davon aus, dass das Aerosol durch einen vorgeschalteten Prozeß, zum Beispiel eine Coronaentladung oder einen konventionellen Elektroab- scheider bereits unipolar aufgeladen ist. Eine geeignete, nicht notwendig unipolare Aufladung kann aber auch durch andere Prozesse erzeugt werden, z.B. durch ei- nen pneumatischen Transport oder eine trockene Zerkleinerung. Ausschlaggebend ist, dass das Aerosol zumindest in der Summe eine Nettoladung trägt.

Die Grundidee ist nun wie folgt:

Zunächst wird in einem ersten Schritt durch die Raumladungsabscheidung eines Teils des Aerosols eine große Ladungsmenge angesammelt. Dieser erste Schritt wird vorzugsweise in einem elektrisch leitfähigen Hohlkörper, der Kollektorelektrode (CE), ausgeführt, weil dabei die Abgabe der Aerosolladungen durch Abscheidung an die Wand der Kollektorelektrode (analog wie in einem Faraday-Becher) nicht durch das bereits erreichte elektrische Potential der Kollektorelektrode beeinflußt oder behindert wird. Technisch geeignete Realisationen eines Hohlkörpers sind zum Beispiel

ein beidseitig offenes, durchströmtes Rohr zwei (oder mehr) parallele, elektrisch miteinander verbundene Platten, durch deren Zwischenraum das Aerosol hindurchströmt einseitig offene Becher oder Glocken, in die das Aerosol hineingeblasen wird

Hohlkörper der oben beschriebenen Art mit perforierten Wandungen aus

Lochblech, Siebgeweben, Schüttmaterial etc. zylinder- becher- oder plattenförmige Teile eines Schüttungsvolumens die vom Aerosol durchströmt werden.

Die Raumladung des aktuell in der Kollektorelektrode enthaltenen Aerosols und die Ladung der in der Kollektorelektrode abgeschiedenen Aerosolteilchen erzeugen zusammen ein sehr hohes, mit der Zeit noch zunehmendes elektrisches Potential der Kollektorelektrode.

Der zweite Schritt besteht darin, dass die angesammelte Ladungsmenge genutzt wird, um ein starkes elektrisches Feld zu erzeugen, in dem das ebenfalls noch elektrische Ladungen tragende, aber für eine effiziente Raumladungsabscheidung zu gering konzentrierte Restaerosol abgeschieden werden kann. Auch hierfür gibt es verschiedene Varianten:

die Kollektorelektrode wird elektrisch leitend mit einer stromabwärts gelegenen Feldelektrode (FE) verbunden, das Feld entsteht zwischen der bzw. den Feldelektroden und einer oder mehreren Niederschlagselektroden (NE), die Kollektorelektrode wirkt zugleich als Feldelektrode, indem das Restaerosol zwischen der Außenseite der Kollektorelektrode und einer geerdeten Niederschlagselektrode oder einem geerdeten Gehäuse hindurchgeführt wird.

Der elektrisch leitende, gegenüber dem Gehäuse der Anlage aber isolierte Hohlkörper (die Kollektorelektrode) kann in vielen Fällen ohne wesentliche Einbußen an Funktion auch durch einen nicht leitenden Hohlkörper ersetzt werden, wenn das abzuscheidende Restaerosol im zweiten Schritt nochmals direkt an der Kollektorelektrode mit den enthaltenen und abgeschiedenen Raumladungen vorbeigeführt werden kann. Dies ist also immer dann der Fall, wenn Kollektorelektrode und Feldelektrode entsprechend der zweiten der obenstehenden Varianten räumlich vereinigt sind.

Da die raumladungsbedingte Abscheidung der geladenen Aerosolteilchen in der Kollektorelektrode unabhängig vom Potential der Kollektorelektrode weiterläuft, kann die Kollektorelektrode extrem hohe elektrische Potentiale von 100 kV und mehr erreichen, die sonst nur durch aufwendige Hochspannungsgeneratoren erzeugt werden können. Andererseits müßte es nach einer gewissen Betriebsdauer zwangsläufig zu Überschlägen zwischen der Kollektorelektrode und dem geerdeten Anlagengehäuse kommen. Dabei würde es, wegen der sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit des Überschlagskanals, zu einer vollständigen Entladung oder sogar (durch den Induktionseffekt) zu einer vorübergehenden Umladung der Kollektorelektrode kommen. Außerdem könnte es zu Schäden an der Vorrichtung und zur Abstrahlung von elektromagnetischen Störimpulsen kommen. Daher sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor, die das elektrische Potential der Kollektorelektrode auf einen Wert deutlich unterhalb der Überschlagsspannung begrenzt. Besonders geeignet hierfür erscheint eine Corona-Entladungsstrecke, die unempfindlich und sehr einfach aufgebaut ist, und deren Entladungsspannung (Corona- Einsatzspannung) in einem weiten Bereich eingestellt werden kann. Die Corona- Entladungsstrecke kann sich entweder außerhalb des Abscheideraumes (z.B. an den Hochspannungsisolatoren zur Aufhängung von Kollektorelektrode und Feldelektrode) oder auch innerhalb des Abscheideraumes (d.h. zwischen Kollektorelektrode oder Feldelektrode und geerdeter Gehäusewand) befinden. Letzteres hat den Vorteil, dass der über die Corona fließende Strom nochmals für eine zusätzliche Aufladung des Aerosols am Eintritt in die 2. Stufe genutzt werden kann. Allerdings können Schwankungen der Temperatur oder der Gaszusammensetzung des zu reinigenden Gases dann auch zu Schwankungen des Potentials an der Kollektorelektrode führen.

Wenn die Kollektorelektrode/Feldelektrode bei sehr hohen Potentialwerten betrieben werden soll, dann kann es sinnvoll sein, die Corona-Entladungsstrecke durch eine Corona-Kaskade, d.h. eine Kaskade von einzelnen Corona- Entladungsstrecken zu ersetzen.

Auch für den Abreinigungsvorgang muß die besondere Funktionsweise der autogenen raumladungsgestützten Abscheidung (ARA) berücksichtigt werden. Dabei besteht die Gefahr, dass es durch die Abreinigung zu einem Potentialausgleich zwischen der Kollektorelektrode/Feldelektrode und der Erde kommt, oder dass Aerosol, dass seine Ladungen an der Kollektorelektrode abgegeben hat, wieder in die Strömung gelangt. Besonders geeignet ist die autogene raumladungsgestützte Abscheidung daher für die Abscheidung von flüssigen Aerosolen, die von der Kollektorelektrode ablaufen. Es können aber auch feste Aerosole abgeschieden und von der Kollektorelektrode abgereinigt werden, indem die Staubschicht auf der Kollektorelektrode von Zeit zu Zeit oder kontinuierlich durch einen in das Aerosol eingetragenen Flüssigkeitsspray verflüssigt und entfernt wird. Daneben sind auch andere Abreinigungsarten, wie z.B. das Abreinigen mit einem Druckluftstrahl, denkbar. Cl- ber die Aufhängungs-Isolatoren der Kollektorelektrode/Feldelektrode oder über isolierende Schlaghämmer kann auch eine mechanische Abreinigung durch Übertra- gung von Kraftimpulsen erfolgen. Dabei kann ein eventueller Aerosolaustrag durch Absperren des Aerosolstroms während der Abreinigung unterbunden werden.

Insgesamt hängt die Effizienz des Verfahrens maßgeblich ab von der Qualität der Isolation ab und davon, dass der aerosolgetragene elektrische Strom ausreichend hoch ist, um den Ladungsabfluß über die Isolatoren, die Kollektorelektrode und Feldelektrode tragen, auszugleichen. Daher bietet sich dieses Verfahren insbesondere für den Einsatz direkt hinter dem Ort der Ladungserzeugung (Coronaauflader, elektrisch unterstützte Zerstäubung, Mühlen, etc.) an. Bei niedrigen oder stark schwankenden Aerosolkonzentrationen kann ein hoch aufgeladenes Hilfsaerosol erzeugt werden (z.B. durch elektrische Zerstäubung einer Flüssigkeit), um einen ausreichenden Strom auf die Feldelektrode zu bringen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den anhand der Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen.

Die Figuren 2 - 5 zeigen verschiedene Umsetzungen der Grundidee.

Figur 2 zeigt eine besonders einfache, bevorzugte Konstruktionsweise für die Reinigung von kleineren und mittleren Volumenströmen. Ein Teil des einströmenden, elektrisch geladenen Aerosols 1 durchströmt die rohrförmige Kollektorelektrode 3 und wird wiederum teilweise in dieser abgeschieden. Das durch die Teilchenab- scheidung auf der Kollektorelektrode akkumulierte elektrische Potential erzeugt hohe elektrische Feldstärken zwischen der Kollektorelektrode 3 und der Niederschlagselektrode 5. Dadurch wird das zwischen Kollektorelektrode und Niederschlagselektrode strömende Aerosol bereits in der ersten Stufe gut gereinigt, während das aus der Kollektorelektrode austretende teilgereinigte Gas 10 noch höhere Teilchenkonzentrationen enthält. Um auch dieses Aerosol vollkommen zu reinigen, wird das hohe Potential der Kollektorelektrode 3 durch eine leitfähige Verbindung 11 auf die Feldelektrode 4 übertragen. Das in der ersten Stufe unvollständig gereinigte Aerosol wird nun in der zweiten Stufe insgesamt der hohen Feldstärke zwischen der Feldelektrode und der Niederschlagselektrode 5 ausgesetzt und tritt als Reingas 2 aus dem Abscheider aus. Die Niederschlagselektrode 5 ist hier zugleich das Gehäuse 18.

Figur 3 zeigt eine besonders kompakte Konstruktionsweise, die vor allem für kleine Volumenströme geeignet erscheint. Die zweite Reinigungsstufe wird hier durch eine aerodynamische Rückführung des Aerosols realisiert. Dabei sind Kollektorelektrode 3 und Feldelektrode 4 in einer Elektrode vereinigt. Das aufgeladene Rohaerosol 1 tritt durch eine Düse 15 als Treibstrahl mit hoher Geschwindigkeit in den Apparat ein, so dass das teilgereinigte Aerosol 10 durch den Zwischenraum zwischen Feldelektrode und Gehäuse zurückströmt. Um eine sichere Funktion zu gewährleisten, soll ein Teil des Reingases 2 in den Rohgasstrom rezirkuliert werden.

Vergleichbar ist die Funktionsweise des Abscheiders gemäß Figur 4. Auch bei einer Vermischung von Rohgas 1 und teilgereinigtem Aerosol 10 im Inneren der als glockenförmiger Mischbehälter ausgeführten Kollektorelektrode/Feldelektrode 3, 4 entsteht ein ausreichend hohes Potential, was dann zu einer sehr hohen Abscheidung in Außenraum zwischen Mischbehälter und Gehäuse 18 führt. Zusätzlich sind hier Corona-Spitzen 20 auf der Außenseite der Glocke gezeigt, über die eine Begrenzung des Potentials zur Vermeidung von Überschlägen erfolgt. Die Corona kann hier zur weiteren Aufladung des Aerosols genutzt werden. Abgeschiedenes flüssiges Aerosol kann über eine Ablauföffnung 7 abfließen.

Die Figur 5 zeigt eine zu Figur 4 ähnliche Ausführung. Aber hier strömt das geladene Aerosol durch die Kollektorelektrode/Feldelektrode 3, 4 hindurch. Die Entladung der Kollektorelektrode/Feldelektrode findet in diesem Fall mit Hilfe einer Coronaent- ladungskaskade 25 statt.

Figur 6 zeigt eine bevorzugte Bauart für die Reinigung großer Aerosolvolumenströme, dargestellt. Die Kollektorelektrode/Feldelektrode besteht aus einer größeren Zahl, z.B. 4 Platten 3, 4, die elektrisch mit einander verbunden sind, um eventuelle Potentialunterschiede auszugleichen. Im stromaufwärts gelegenen Teil des Abscheiders wirken diese Platten als Kollektorelektroden, die durch das geladene Rohaerosol 1 aufgeladen werden. Im stromabwärts gelegenen Teil des Abscheiders wirken die Platten als Feldelektroden gegenüber den dazwischengeschobenen Niederschlagselektroden 5. Auch gegenüber dem Gehäuse 18 wirken die Platten 3, 4 als Feldelektroden, so dass auch das zwischen den Platten und dem Gehäuse passierende Gas vollständig von den geladenen Aerosolteilchen befreit wird. Durch die angesammelten Ladungen wird ein starkes elektrisches Feld zwischen der Kollektorelektrode/Feldelektrode 3, 4 und der Niederschlagselektrode 5 erzeugt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine nicht leitfähige Packung als Kollektorelektrode/Feldelektrode zu benutzen. Die Figur 7 zeigt einen Aufbau, wo eine zylinderförmige Packung von innen durchgeströmt wird. Das isolierend angebrachte Rohrstück 3, 4 wirkt als Kollektorelektrode und zugleich als Feldelektrode, die eine hohe elektrische Feldstärke in der nicht leitfähigen Packung 12 erzeugt. Die Packung bietet den Vorteil, dass die abzuscheidenden Teilchen nur einen kurzen Weg bis auf eine Oberfläche zurückzulegen haben. Anstelle einer Packung kann auch eine Schüttung von nicht leitfähigen Füllkörpern oder eine Anordnung von konzentrischen Rohren eingesetzt werden.

Figur 1 zeigt eine nicht unter die Erfindung fallende Anordnung.

In Figur 1 strömt das geladene Aerosol 1 durch eine Anordnung aus 3 konzentrischen Zylindern hindurch. Im innersten Zylinder findet eine Abscheidung nur durch die Wirkung der Raumladung statt, wobei sich eine hohe Ladungsdichte auf der Außenseite des Zylinders ansammelt. Dadurch entsteht im Zwischenraum zwischen dem innersten und dem mittleren Zylinder eine hohe Feldstärke, durch die Aerosol auf die Innenwand des mittleren Zylinders abgeschieden wird. Ebenso kommt es zwischen dem mittlerem und dem äußerem Zylinder durch das Feld des mittleren Zylinders zu einer verstärkten Abscheidung. Der Nachteil dieser sehr einfachen Anordnung ist, dass das durch den inneren Zylinder strömende Aerosol nur geringen Feldstärken ausgesetzt ist und daher nur unvollkommen abgeschieden wird.