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Dokumentenidentifikation DE102005045010B3 16.11.2006
Titel Elektrostatische Ionisierungsstufe in einer Abscheidungseinrichtung
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE
Erfinder Bologa, Andrei, Dr., 76297 Stutensee, DE;
Paur, Hanns-Rudolf, 76139 Karlsruhe, DE;
Woletz, Klaus, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, DE
DE-Anmeldedatum 21.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005045010
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.11.2006
IPC-Hauptklasse B03C 3/12(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B03C 3/40(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B03C 3/34(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung In der elektrostatischen Ionisierungsstufe einer elektrostatischen Abscheidungseinrichtung zur Reinigung eines durch sie geführten Gasstroms aus einem Aerosol ist das freie Ende der jeweiligen Hochspannungselektrode stromabwärts nach der Düse exponiert und ist die Wand der Hülse für den durch die Ionisationsstufe geführten Gasstrom durchlässig. Sie ist aus einem Gitter oder aus einem perforierten Blech oder aus mit konstantem Abstand zueinander verlaufenden Stäben hergestellt, deren jeweils beide Enden in je einem Haltering enden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Ionisierungsstufe in einer elektrostatischen, insbesondere nasselektrostatischen Abscheidungseinrichtung zur Reinigung eines durch sie geführten Gasstroms aus einem Aerosol.

Ein nasselektrostatischer Abscheider ist eine Anlage, die in einen Kanalabschnitt eines Gasführungskanals eingebaut ist und fein verteilte, feste oder flüssige Partikel von einem Gasstrom/Aerosolstrom trennt. Solche Einrichtungen sind deshalb in Fertigungsbereichen vielfältiger Art unverzichtbarer Bestandteil.

Der Trennungsprozess der fein verteilten Partikeln aus dem Gasstrom besteht aus den folgenden Schritten:

elektrostatisches Laden der Partikel;

Ansammeln der geladenen Partikel auf der Oberfläche einer Elektrode oder von Elektroden;

Entfernung der geladenen Partikel von der Oberfläche der einsammelnden Elektroden.

Elektrostatisches Reinigen von einem Aerosol, also fein verteilten Partikeln in einem Gas, wird gewöhnlich über negativpositiv geladene Partikel, Ionen, erreicht. Sie werden durch Koronaentladung erzeugt und werden zu einem tatsächlichen elektrischen Strom durch den Luftspalt zwischen einer auf einem elektrisch positivem/negativem Bezugspotential, meist Erdpotential, liegenden Elektrode und einer auf entgegengesetzt elektrischen Potential liegenden, negativen Ionisierungselektrode. Diese Elektroden sind an eine Gleichstrom liefernde Hochspannungsquelle der geforderten Polarität angeschlossen. Der Wert der angelegten Spannung hängt vom Abstand zwischen den Elektroden und den Eigenschaften des zu prozessierenden Gasstroms ab.

Die Effizienz eines elektrostatischen Abscheiders ist über einen weiten Bereich von der Stärke der Ladung abhängig, die durch den Ladeabschnitt auf die Partikel abgegeben werden. Die Ladungsstärke kann durch die Erhöhung des elektrostatischen Feldes im Ionisierungsabschnitt des Abscheiders erhöht werden. Die gebräuchliche Maximumsintensität des elektrostatischen Feldes ist höchstens auf den Wert begrenzt, bei dem Überschläge beginnen.

In nasselektrostatischen Abscheidern sind die Ionisierungs- und Sammelzonen in einer Anlage zusammengebracht. Die Sammelröhren sind häufig lang und rufen deshalb Probleme mit der Justierung der Entladungselektroden hervor. Auch beeinflusst das Waschen/Spülen mit Wasser der internen Oberfläche der Kollektorröhren die Koronaentladungsstabilität in den Ionisierungsbereichen. Diese Probleme werden in der DE 101 32 582 C1 und DE 102 44 051 C1 ausgeschlossen, dort besteht der nasselektrostatische Abscheider aus einem separaten Ionisierungsund Sammelbereich. Die Partikel werden in einem intensiven elektrostatischen Feld über Koronaentladung geladen. Die Koronaentladung tritt in dem Spalt zwischen Nadel- oder Sternelektroden und den Durchbrüchen/Düsen der geerdeten Platte auf, wenn die Nadel- oder Sternelektroden an DC-Hochspannung gelegt werden, bzw. liegen. Orientiert an der Richtung der Gasströmung, ragen die Entladungselektroden von stromabwärts her in die Durchbrüche/Düsen der geerdeten Platte. Die geladenen Partikel werden in dem den Hochspannungselektroden stromabwärts folgenden geerdeten Röhrenbündelsammler gesammelt, der stromabwärts von der Ionisierungseinrichtung eingebaut ist.

Bekannt ist ein Aufbau der nasselektrostatischen Ionisierungsstufe aus der DE 102 44 051 C1. Sie besteht aus einer an Erdpotential oder an ein positives Bezugs-/Gegenpotential angeschlossenen Platte, die über den lichten Querschnitt eines Strömungskanalabschnitts eingebaut ist und eine Vielzahl gleichartiger Durchbrüche zum Durchströmen des zu reinigenden Gases hat. Stromabwärts folgt ihr ein Hochspannungsgitter, das elektrisch isoliert über den lichten Querschnitt des Kanalabschnitts eingebaut und über eine Durchführung in der Wand des Kanalabschnitts an ein Hochspannungspotential angeschlossen ist. An diesem Hochspannungsgitter ist eine den Durchbrüchen entsprechende Vielzahl an stabförmigen Hochspannungselektroden mit einem Ende befestigt und ausgerichtet. Diese Hochspannungselektroden zeigen oder ragen mit ihrem freien Ende gleichartig und zentral in jeweils eine/n Durchbruch/Düse der Platte.

An jedem freien Ende einer solchen Hochspannungselektrode sitzt elektrisch verbunden eine Scheibe aus elektrisch leitendem Material, zumindest beschichtet mit einem solchen, zentral und parallel zur Platte, ohne sie zu berühren. Sie hat gleich verteilt um den Umfang mindestens zwei radiale Ausbuchtungen/Spitzen, die radial oder wenig nach außen, gegen den Gasstrom geneigt, gerichtet sind.

Das Arbeiten des nasselektrostatischen Abscheiders zeigt, dass die Erhöhung der angelegten Spannung, das bedeutet Erhöhung der elektrischen Feldstärke im Elektrodenspalt, Funkenentladung provoziert, die entsprechend dem nichthomogenen elektrischen Feld zwischen den Elektroden und den Kanten der Durchbrüche/Düsen auftreten. Das verringert die Effizienz der Partikelladung und die Effizienz der Partikelkollektion in dem elektrostatischen Abscheider.

In der DE 10 2005 023 521 wird eine nasselektrostatische Ionisierungsstufe in einer elektrostatischen Abscheidungseinrichtung zur Reinigung eines Aerosols, eines Gases von in dem Gas fein verteilten, mittransportierten Partikeln, vorgestellt. Sie besteht aus einer an Erdpotential oder an ein bezogenes Gegenpotential angeschlossenen Platte, die über den lichten Querschnitt eines Strömungskanalabschnitts eingebaut ist und eine Vielzahl gleichartiger Durchbrüche zum Durchströmen des zu reinigenden Gases hat. Die Ionisierungsstufe hat ein Hochspannungsgitter, das stromabwärts oder gasstromaufwärts bezüglich der Platte, elektrisch isoliert über den lichten Querschnitt des Kanalabschnitts eingebaut und über eine Durchführung in der Wand des Kanalabschnitts an ein Hochspannungspotential angeschlossen ist. Weiter hat sie einer den Durchbrüchen/Düsen entsprechenden Vielzahl von stabförmigen Hochspannungselektroden, die mit ihrem einen Ende an dem Hochspannungsgitter befestigt sind und mit ihrem freien Ende jeweils gleichartig zentral in eine Düse der Düsenplatte ragen. An diesen freien Enden sitzt gleichartig jeweils eine Scheibe aus elektrisch leitendem Material zentral und parallel zur Düsenplatte, ohne sie zu berühren. Eine Scheibe hat gleichverteilt um ihren Umfang, mindestens zwei radiale Ausbuchtungen/Spitzen nach außen.

Der Abstand D zwischen dem Hochspannungsgitter und der ihm zugewandten Stirn der Hülsen ist je nach Baugröße und elektrischen Potentialverhältnissen mindestens so, dass die Möglichkeit der Funkenentladung zwischen diesen beiden konstruktiven Baugruppen während des Betriebs des Abscheiders unterbleibt. Das ist eine hochspannungstechnische Auslegung unter Berücksichtigung der Prozessumgebung.

In jeder Düse steckt gleichartig mit einfach konvexem rundem oder polygonalem, lichtem Querschnitt eine Hülse gleichartigen Querschnitts formschlüssig, deren Achse senkrecht zur auf Bezugspotential, häufig Erdpotential, liegenden Platte ist. Die Betriebsverhältnisse berücksichtigend, insbesondere die Stärke der Gasströmung, sitzt die Hülse die normalen Betriebseinflüsse neutralisierend auch kraftschlüssig und ist aufgrund vorgesehener Wartungsarbeiten lösbar in der Düse angebracht/positioniert.

Die Scheibe ist innerhalb der Hülse am freien Ende dieser stabförmigen Hochspannungselektrode exponiert. Eine einfach konvexe runde oder polygonale Umhüllende der Scheibe zu der Hülse hat umlaufend einen konstanten Abstand L. Im Spalt zwischen der Hülseninnenwand und dem Scheibenrand besteht die elektrische Potentialdifferenz aus Hochspannungspotential und Bezugs-/Erdpotential.

Für einen effizienten Langzeitbetrieb des elektrostatischen Abscheiders ist entscheidend, dass die elektrischen Verhältnisse aufrechterhalten werden, bzw. aufrechterhalten werden können. Das bedeutet, dass insbesondere die eingestellte Geometrie zwischen der Düsenplatte und den bei ihr positionierten Hochspannungselektroden unverändert bleibt, um elektrische Überschläge zu beschränken, bzw. stromstarke Entladungen zu unterbinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ionisierungsstufe für einen elektrostatischen Abscheider bereitzustellen, der ein stabiles Langzeitverhalten aufweist und deshalb eine minimale Anzahl an Überschlägen/Entladungen in Spalten zwischen den Düsen der Düsenplatte und den positionierten Enden der Hochspannungselektroden auftritt. Das verlangt auch, dass die an den Düsen abgeschiedenen Partikel aus dem Gasstrom sofort und wirksam entfernt werden. Konstruktiv soll die Ionisierungsstufe einfach und wartungsfreundlich aufgebaut sein. Die Herstellungskosten sollen wettbewerbsgeeignet niedrig gehalten werden können.

Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Verfeinerung des Aufbaus der Ionisierungsstufe erreicht. Experimente zeigten auf, dass das wie auch immer gestaltete freie Ende einer Hochspannungselektrode stromabwärts nach der ihr zugeordneten Düse exponiert sein soll. Die Partikelabscheidung war dabei am effizientesten.

Bei dem Aufbau der Ionisierungsstufe, wie in der DE 10 2005023 521 beschrieben, war bei längerem Betrieb eine Ablagerung von Partikeln auf der undurchlässigen Hülsenwand unvermeidlich, was dann die elektrische Situation in den Spalten zwischen den Düsen/Hülsen und der jeweils zugeordneten Hochspannungselektrode nachteilig zu vermehrten Überschläge hin veränderte und durch schließlichen Kurzschluss zur Wirkungslosigkeit führte.

Die Lösung besteht in der Vermeidung der Verschlechterung der elektrischen Situation im Spalt und wird durch eine partikeldurchlässige Hülsenwand erhalten. Die Hülsenwand muss also Durchgänge mit mindestens einem lichten Querschnitt haben, der größer als der größte Partikelquerschnitt der im Gasstrom mitgeführten Partikel ist, sie ist jetzt sieb- oder spaltartig. Dazu besteht die Hülsenwand aus einem Gitter mit entsprechender Mindestmaschenweite oder aus einem perforierten Band/Blech mit Durchbrüchen solcher mindestens lichten Querschnitte oder aus mit konstantem Abstand zueinander verlaufenden Stäben, deren jeweils beide Enden in je einem Haltering enden. Im letzteren Fall wäre der Hülsenwanddurchgang bandförmig, wobei unmittelbar benachbarte Stäbe mindestens den Abstand des größten Partikeldurchmessers haben. Die Stäbe könnten parallel zur Düsenachse verlaufen oder sich darum mehr oder weniger steil winden. Bei der Hülsewand aus Stäben sind die pro Hülse beteiligten Stäbe an ihren beiden Enden über zwei Ringe zu fassen, und zwar in ähnlicher Kontur wie der Düsenrand hergestellt ist. Ein dritter Ring könnte zu form- und kraftschlüssigen Positionierung noch an der Berührstelle mit der Düse sitzen.

Beliebig groß dürfen die Durchgänge in der Hülsenwand auch nicht sein. Die elektrische Potentialfläche in einem Durchbruch/Durchgang in der Hülsenwand muss dem der Hülsenwand folgen, darf allenfalls gering davon ausbuchten, so dass eine elektrische Wirksamkeit auf die im Gasstrom mitgeführten Partikel im wesentlichen auf den jeweiligen Spalt beschränkt bleibt.

Im Allgemeinen ist das Düsenmaterial elektrisch leitend um die geforderte elektrische Potentialeinstellung zu gewähren. Metallische Materialien sind naheliegend. Ein elektrisch gut leitender Faserverbundwerkstoff kommt von Fall zu Fall auch in Frage. Elektrisch nichtleitende Materialien sind als Hülsenmaterial denkbar, wenn bei gut elektrisch leitender Feuchte im Gasstrom und daraus abgeschiedenem Flüssigkeitsfilm auf der Spaltoberfläche die vorgegebene elektrische Potentialverteilung sicher und unterbrechungslos zustande kommt. Welches Material als Hülsenwand ausgewählt wird, entscheidet sich an der Atmosphäre, der es ausgesetzt ist, es muss sich neben den mechanischen und elektrischen Einwirkungen darin inert verhalten. Metall, Faserverbundwerkstoff und Kunststoff sind damit Basismaterialien für das Hülsenmaterial.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen beschrieben.

Nach Anspruch 2 besteht das freie Ende der im Hochspannungsgitter verankerten Hochspannungselektroden im einfachsten Fall aus der Stirn des Stabendes in der Querschnittsform der Hochspannungselektrode. Der freie Endbereich der Hochspannungselektrode kann aber auch mit kleiner werdendem Stabquerschnitt spitz oder stumpf auslaufen. Beide Lösungen sind konstruktiv einfach.

In Anspruch 3 ist eine andere Gestaltung des freien Endes der Hochspannungselektroden beschrieben, nämlich dass das jeweils freie Ende der Hochspannungselektroden aus einer auf dem freien Stabende der Hochspannungselektrode zentral sitzenden Scheibe besteht, die gleichverteilt um den äußeren Umfang in von der Längsachse der Hochspannungselektrode ausgehend radialer Richtung mindestens zwei gleichartige Ausdehnungen hat. Beispielsweise Formen werden in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels vorgestellt.

Im Allgemeinen ist das Material der Hochspannungselektroden zur sicheren elektrischen Potentialausbildung metallisch, auf jeden Fall aber zwingend umgebungsgeeignet.

Der wirksame, zur Spaltbildung wesentliche, freie Endbereich der Hochspannungselektrode ist nach Anspruch 4 im Bereich 0 <= Hel <= 0,5 Dg zum Ausgang der Düse positioniert ist, also auf jeden Fall stromabwärts im Ausgangsbereich der zugeordneten Düse in der Düsenplatte. Dg ist der kürzeste Abstand des freien Elektrodenendes zur Innenwand der Hülse, also die kleinste Spaltweite.

Als Spaltweite Dg zwischen Hülseninnenwand und freiem Elektrodenende erweist sich der folgende Bereich als vorteilhaft, nämlich wenn eine das freie Ende der Hochspannungselektrode in ähnlicher Form wie die des lichten Querschnitts der Düse umfassende Umhüllende zum Rand der Düse den konstanten Abstand Dg hat und die Höhe H der Hülse im Bereich 0,5 Dg <= H <= 3 Dg liegt (Anspruch 5).

Wichtig ist, dass die Düsen während des Betriebs ortsfest und formschlüssig in der Düsenplatte sitzen. Der formschlüssige Sitz ist zur Vermeidung von Umgehungswegen des Gasstroms um die Hülse heraus notwendig. Der Gasstrom, das Aerosol, soll komplett durch die Ionisierungsspalte, jeweils gebildet aus einer Hülse und dem freien Ende der in ihr positionierten Hochspannungselektrode. Eine beispielhafte und konstruktiv einfache Lösung ist in Anspruch 6 beschrieben. Danach hat jede Hülse um ihren Umfang eine Einschnürung, mit der sie in ihre Düse ortsfest einrasten kann. Eine ebenfalls beispielhafte andere Variante ist in Anspruch 7 beschrieben. Danach sitzt außen auf der Hülsenwand konzentrisch zur Hülsenachse eine umlaufende Ringscheibe, die formschlüssig in einer konzentrischen Ausnehmung zur Düsenachsen eingelegt wird, beispielsweise derart, dass die Scheibe mit etwas Druck in diese Ausnehmung eingedrückt werden muss und damit darin verspannt sitzt. Formschlüssigkeit und Kraftschlüssigkeit sowie Lösbarkeit sind damit gegeben. Andere technische Lösungen für den Hülsensitz sind damit nicht ausgeschlossen, sofern sie wirtschaftlich und technisch nicht zu aufwendig sind.

Für das räumliche Aufeinanderfolgen von Hochspannungsgitter und Düsenplatte hat sich experimentell ergeben, dass es vorteilhaft ist, wenn im Falle des freien Endes der Hochspannungselektrode als Stabende das Hochspannungsgitter und die freien Enden der Hochspannungselektroden stromabwärts der Düsenplatte sitzen (Anspruch 8). Das ist zweckmäßig bei vertikaler Gas-/Aerosolströmung von oben nach unten und umgekehrt, als auch bei horizontaler Strömung, wobei die Strömungsachse stets parallel zu den Düsen-/Hülsenachsen liegt und damit der Einbau in seiner Lage festgelegt ist.

Bei der Gestaltung des freien Endes der Hochspannungselektroden gemäß Anspruch 9, sitzen im Falle des freien Endes der Hochspannungselektrode als Scheibe nur die freien Enden der Hochspannungselektroden stromabwärts der Düsenplatte. Das Hochspannungsgitter kann dann, die Gas-/Aerosolströmungsrichtung berücksichtigend, vor oder nach der Düsenplatte sitzen. Die Einbaulage ist vertikal für beide Strömungsrichtungen aber auch horizontal je nach Anlagensituation möglich.

Es hat sich experimentell als vorteilhaft herausgestellt, wenn das freie Ende der Hochspannungselektrode im Bereich von 0 <= Hel <= 0,5 Dg stromabwärts vor dem Düsenausgang sitzt, wobei 0,1 Dg – 0,2 Dg als der beste Bereich ermittelt wurde. Hel ist der Abstand des wirksamen freien Endes der Hochspannungselektrode von der stromabwärtigen Seite der Düsenplatte.

Auf eine Verbesserung der Reinigung des durchströmenden Gases deutet die in Anspruch 10 erläuterte Hülsenform hin, nämlich dass die Hülsen auf der aerosolstromabwärtigen Stirnseite mit konstantem oder größer werdendem lichten Querschnitt auslaufen.

Die Hülsenform ist im einfachsten Fall zylindrisch, also im Querschnitt rund, oder prismatisch, also im Querschnitt polygonal. Die Hülsen stehen beidseitig der Düsenplatte über. Das kann variieren, als der Überstand beidseitig gleich ist, also der Überstand Hup auf der angeströmten Seite der Düsenplatte etwa gleich dem Überstand Hds auf der stromabwärtigen Seite ist. In diesem Fall lassen sich einfache Hülsengeometrien ohne Veränderung der Düsenplattengeometrie auch um 180° umstecken. Wenn beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit in der Düse über 6 m/s ist und die Strömungsrichtung von unten nach oben also entgegen der Gravitation geht, ist es vorteilhaft die Überstandsbeziehung im Bereich Hup = (1 bis 5)Hds zu halten. Geht die Strömungsrichtung vertikal nach unten also in Richtung der Gravitation, ist der optimale Bereich der Überstandsbeziehung Hup = (0,1 bis 1) Hds.

Zum besseren Ansammeln und Abtropfen von auf der Hülsenwand angesammelter Flüssigkeit aus dem durchströmenden Gasstrom ist es durchaus vorteilhaft, wenn die Wand der Hülsen an der räumlich unteren Stirn bereichsweise verlängert ist. Das kann beispielsweise durch eine Schnittfläche schräg zur Hülsenachse erreicht werden, wobei die Schnittfläche gerade oder einfach gekrümmt sein kann. Die untere Stirn einer Hülse kann aber auch durch zwei schräge Schnitte zur Hülsenachse erhalten werden und hat dann zwei Stirnstellen, die tiefer liegen als die übrige Stirn. Das ist in Anspruch 11 dadurch beschrieben, dass an dieser unteren Stirnseite noch eine bereichsweise Verlängerung der Hülsenwand aus Hülsenmaterial hat, so dass die dann von der freien unteren Stirnseite umschlossene Fläche von der Achse der Düse nicht mehr senkrecht durchdrungen wird.

Häufig werden in einem Aerosolstrom doch vereinzelt größere Partikel mitgeschleppt, die auf längere Sicht den Spalt im Hülseninnenraum verstopfen können. Dem kann vorgebeugt werden, indem im Strömungskanal an zugänglicher Stelle ein Sieb über dem Strömungsquerschnitt eingebaut ist, dessen Maschenweite so ist, dass nur noch Partikel in verträglicher Größe weiterströmen. Ein solches Sieb muss regelmäßig gereinigt/gespült werden. Eine solche Großpartikelsperre kann aber auch in den Ionisator verlegt werden, indem gemäß Anspruch 12 die Hülseneingänge mit je einem Sieb versehen werden, dessen Maschenweite auf den die Spaltweite abgestimmt ist, als verstopfungsgeeignete Partikel nicht in die Hülse einströmen können. Die Hülsen in einfacher runder zylindrischer oder säulenartiger mit im Querschnitt polygonaler Bauweise sind dazu mit am ihrem jeweiligen Strömungseingang mit einem Sieb versehen, das mindestens die Maschenweite in der Durchlassweite der durchlässigen Hülsenwand hat und im Betrieb das elektrische Potential der Düsenplatte annimmt.

Der Einsatz der Hülse mit partikeldurchlässiger Wand verbessert die Verteilung des elektrischen Felds im Spalt zwischen Hülseninnenwand und dem innerhalb der Hülse positionierten freien Ende der zugehörigen Hochspannungselektrode und damit in der Zone zur elektrischen Ladung der Partikel. Das elektrische Feld bildet sich im Wesentlichen zwischen dem freien Elektrodenende und der Innenwand der Hülse aus. Dadurch können die Düsen in der Düsenplatte sehr einfach gefertigt werden. Kanten an der Düse, durch Bohren, Fräsen oder Stanzen erzeugt, können stehen bleiben oder müssen, um Funkenüberschlag nicht zu provozieren, mindestens nicht mehr sorgfältig verrundet werden.

Unter dem Einfluss der Gasströmung und des elektrischen Windes, letzterer wird in der Koronaentladung im Spalt erzeugt, stößt Aerosol, das sich auf der Innenwand der Hülse ansammelt, durch die Maschen/Durchbrüche/Durchgänge auf die Außenwand der Hülse und fließt dort elektrisch neutralisiert ab. Das unterbindet, verringert zumindest ganz erheblich die Anzahl an Funkenentladungen, die an Hülsen mit massiver Wand beobachtet wurden.

Die Hülse mit durchlässiger Wand verbessert auch die Wirksamkeit der Aufsammlung des nasselektrostatischen Kollektoren, weil ein Teil des flüssigen Aerosols an der Innenwand der Hülse aufgesammelt/abgeschieden wird. Das gesammelte Aerosol fließt in Form großer Tropfen auf der Außenwand der Hülse ab und wird dabei elektrisch entladen/neutralisiert. Die Tropfen sind hauptsächlich auf der Außenwand der Hülse und provozieren keine Funkenentladung. Das angesammelte flüssige Aerosol in Form von Tropfen fließt an der Hülse runter und tropft von der unteren Stirn der Hülse ab. Das gewährt einen Selbstreinigungseffekt für die Hülse und erübrigt so eine zusätzliche äußere Reinigung der Ionisierungsstufe.

Der Gebrauch der durchlässigen Hülse vermindert den Grad der Kontamination mit angesammeltem Aerosol des stromabwärtigen Teils der Düsenplatte.

Der Gebrauch der durchlässigen Hülse erhöht die Stabilität des Betriebs der Ionisierungsstufe.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung noch weiter erläutert. Es zeigen:

1 die Ionisierungsstufe mit nadelförmigen Hochspannungselektroden;

2 die Hülse aus einem Maschengitter;

3 die Hülse mit trompetenförmigem Ausgang;

4 die Hülse mit Außenring;

5 die Ionisierungsstufe in unterschiedlichen Aufstellungen;

6 das freie Ende der Hochspannungselektrode in Scheibenform;

7 Düsenplatte und Hochspannungselektrode im Einbau;

8 Düsenplatte und Hochspannungselektrode im Einbau;

9 verschiedene Siebe auf den Hülsen aus Maschengitter;

10 Düsenplatte und Hochspannungselektrode im Einbau.

Die Arbeitsweise des elektrostatischen Abscheiders mit wanddurchlässigen Hülsen 7 ist die folgende:

wenn ein mit Partikeln beladenes Gas, ein Aerosol, in den elektrostatischen Abscheider eintritt, strömt es in der Ionisierungsstufe durch die Düsen 3 in der Düsenplatte 4. Die Düsenplatte 4 ist in dem Strömungskanal über den gesamten lichten Kanalquerschnitt eingebaut, so dass das zu reinigende Gas nur durch die mit den wanddurchlässigen Hülsen 7 bestückten Düsen 3 weiterströmt. Die Düsenplatte 4 samt darauf steckenden Hülsen 7 ist an ein elektrisches Bezugspotential, meist Erdpotential, angeschlossen und bildet damit eine Äquipotentialfläche. Es wird beim Strömen des Aerosols ein Teil durch die Hülsen 7 strömen und der andere Teil durch die Hülsenwände treten, abhängig von dem Hülsenüberstand.

Wenn das Hochspannungsgitter 5 an Hochspannung liegt, besteht ein elektrostatisches Feld im Spalt Dg zwischen der Hülse 7 und dem freien Ende der zentral in sie ragenden Hochspannungselektrode 1. Mit Erhöhung der Spannung wird die Feldstärke erhöht, die zudem an den spitzen Bereichen des freien Endes der Hochspannungselektroden 1 sehr inhomogen ist. Dort beginnen die Koronaentladungen. Die Koronaentladung erzeugt Elektronen und Ionen und lädt damit die mitgeführten Partikel. Diese Partikel werden im Kollektorteil des elektrostatischen Abscheiders gesammelt/abgelagert.

Die Bewegung der Ionen, hervorgerufen durch die Koronaentladung, erzeugt die zusätzliche Bewegung der Luft durch das elektrische Feld. Dieser Effekt wird mit elektrischem Wind bezeichnet. Der elektrische Wind bläst von der Stelle der Koronaentladung ab in Richtung der durchlässigen Wand der Hülse. Die Geschwindigkeit des elektrischen Windes kann bis auf 5–8 m/s gehen. Das ist vergleichbar mit der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes durch die Ionisationsstufe, wodurch dann eine resultierende Geschwindigkeit aus Strömungsgeschwindigkeit und elektrischer Windgeschwindigkeit zustande kommt.

Beim Betrieb des elektrostatischen Abscheiders sammelt sich ein Teil der geladenen Tröpfchen auf der Innenwand der Hülse an und bildet einen Flüssigkeitsfilm oder große Tropfen. Der elektrische Wind bläst der Flüssigkeitsfilm oder die Tröpfchen durch die durchlässige Wand der Hülse und sammelt so auf der Außenwand der Hülse die abgeschiedenen Partikel/die abgeschiedene Flüssigkeit, elektrisch neutralisiert, an. Im Vergleich des Abscheiders mit einer dicken Düsenplatte oder des Röhrenabscheiders im nasselektrostatischen Abscheider führt der Gebrauch der Düsenplatte mit wanddurchlässigen Hülsen zu einer Abnahme der Funkenentladungen in der Ionisierungsstufe. Die an der Hülseninnen- und -außenwand angesammelte Flüssigkeit wird aufgrund des Bezugs-/Erdpotentials elektrisch neutralisiert und läuft/tropft dadurch leichter ab. So wird die Kontamination verringert, mindestens zeitlich erheblich gestreckt, und erhöht damit wesentlich die Stabilität des Betriebs des Abscheiders.

1 zeigt einen Ausschnitt der Ionisierungsstufe. Sie besteht aus der geerdeten Platte 4, der Düsenplatte, mit gleichartigen Düsen 3 in Kreisscheibenform und dem Hochspannungsgitter 5 stromabwärts, jedoch räumlich oben (siehe nebenstehendes Koordinatensystem mit Andeutung der Gasströmung und der Richtung der Schwerkraft Fg). Die Richtung der Gasströmung 6 ist hier vertikal nach oben. Die hier stab-/nadelförmigen Hochspannungselektroden 1 sind mit ihrem einen Ende am Hochspannungsgitter 5 verschraubt und sind mit ihrem freien, nadelförmigen Ende zentral innerhalb der Hülse 7 mit kreisförmigem Querschnitt aus Maschengitter zentral und koaxial zur Elektroden-/Düsenachse positioniert. Die Düsenplatte 4, das Hochspannungsgitter 5 und die Hochspannungselektroden 1 bestehen hier beispielsweise aus Edelstahl, ebenso die Hülse, die aber auch aus dielektrischem oder halbleitenden Material sein, sofern sie im Betrieb mit einem elektrisch leitfähigen Flüssigkeitsfilm überzogen ist. Die Flüssigkeit kommt aus dem durchströmenden Gas beim nasselektrostatischen Abscheider. Die Hülse 7 aus Maschengitter sitzt formschlüssig, so dass der Gasstrom 6 von unten nur durch die Hülsen 7 und nicht an ihnen vorbeiströmen, bzw. sie umströmen kann. Die Spitze der Hochspannungselektrode 1 ist hier im Bereich 0 <= Hel <= 0,5 Dg positioniert, vorzugsweise bei Hel = 0,1 bis 0,2 Dg.

2 zeigt einen Schnitt der durchlässigen Hülse aus Maschengitter und dem Bereich der Düsenplatte, wo sie sitzt. Die Gesamthöhe der Hülse ist H = Hup + Dnp + Hds, sie setzt sich aus den beiden Überständen Hup und Hds sowie der Dicke Dnp der Düsenplatte zusammen. Dse ist der Durchmesser der Hülse. Hier ist das Verhältnis der beiden Überstände Hup:Hds etwa 1.

In 3 ist eine durchlässige Hülse aus Maschengitter dargestellt, die sich an ihrem Strömungsausgang weitet. Der Abstand Dgl des geweiteten Hülsenrands ist deutlich größer als die Spaltweite Dg, also Dg < Dgl. Das erlaubt es, Funkenentladungen zwischen der Hochspannungselektrode 1 und dem Ausgang der Hülsen 7 zu unterdrücken.

In 4 ist die durchlässige Hülse 7 aus Maschengitter mit koaxial umfassender Ringscheibe 9 dargestellt. Die Ringscheibe 9 liegt formschlüssig in einer konzentrischen Ausnehmung 8 zur Düse 3 in der Düsenplatte 4 ein und sitzt zumindest soweit kraftschlüssig darin, als sie bei Nennbetrieb unverrückbar bleibt. Das kann durch Pressen oder Rasten beispielsweise erreicht werden. Im Allgemeinen kann der beidseitige Überstand Hup, Hds, der Hülse 7 unterschiedlich sein. Bei Gleichheit oder etwaiger Gleichheit besteht ein Nutzungsvorteil derart, als die Hülse 7 bei Verunreinigung Ihres Gitters mit nichtwasserlöslichen Substanzen aus dem Aerosol einfach herausgenommen und um 180° gedreht wieder eingesteckt wird, womit eine Austauschphase gespart wird, d.h. die Lebensdauer verdoppelt, mindestens aber verlängert wird.

Die Ionisierungsstufe in unterschiedlichen Winkellagen hinsichtlich Strömungsrichtung 6 und wirksamer Gravitation Fg zeigt 5. Im oberen Ausschnitt aus der Ionisierungsstufe strömt der Gasstrom 6 vertikal von oben nach unten. Die Düsenplatte 4 mit ihren Düsen 3 sitzt räumlich oberhalb des Hochspannungsgitters 5, bzw. die Hochspannungselektroden 1 allein in Stabform ragen als Nadel von unten in ihre jeweils zugehörige Hülse 7. Das Hochspannungsgitter 5 samt Hochspannungselektroden 1 sitzt stromabwärts. Die Wirkung der Gravitation Fg ist oben rechts im 5 in dem Dreibein x, y, z, in Richtung der negativen z-Achse angedeutet. Die um 180° gedrehte Strömungssituation ist beispielsweise in 1 oben skizziert. In der 5 im unteren Ausschnitt aus der Ionisierungsstufe erfolgt die Anströmung der Düsenplatte 4 horizontal von rechts. Das Hochspannungsgitter 5 mit den angeschraubten Hochspannungselektroden 1 sitzt stromabwärts, und die Spitzen sind stromabwärts in der Hülse 7 vor dem Düsenausgang positioniert. Allgemein kann die Ionisierungsstufe hinsichtlich der Gravitationsrichtung mit einem Winkel 0 <= &agr; <= 180° eingebaut werden und stellt damit in der Kanalführung für den Gasstrom kein konstruktives Hindernis dar.

Der Einsatz der Scheibe 2 in beispielsweise regelmäßiger Sternform als freies Ende an der jeweiligen Hochspannungselektrode 1 ist 6 in zwei Einbaupositionen dargestellt. Die Scheibe 2 ist zwischen den beiden Einbaupositionen in den regelmäßigen Formen: drei-, fünf-, 7- und vielzackig, dargestellt. Die zentral/koaxial zum Stab der Hochspannungselektrode 1 und zur Düsenachse liegende Zackenkontur bildet den einen Rand des Spaltes, die um den Umfang herum gegenüberliegende Innenwand der Hülse 7 die andere Begrenzung des Spaltes. In der oberen und unteren Darstellung von 7 wird die Düsenplatte 4 von unten vertikal nach oben angeströmt. In beiden Fällen sitzt das freie Elektrodenende stromabwärts mit dem Abstand Hel in der Hülse vor dem Ausgang der Düse. Das Hochspannungsgitter 5 sitzt: oben räumlich oberhalb der Düsenplatte 4, also stromabwärts; unten räumlich unten, also stromaufwärts. Die konzentrische Potentiallinienlage nähert sich in der Ebene der Scheibe Richtung Hülse sehr schnell konzentrischen Kreisen an, umso schneller, je mehr Zacken um den Scheibenumfang stehen. Feldstärkespitzen und damit Koronaentladungen bilden sich deshalb mit der Zackenanzahl in unmittelbarer Scheibennähe aus.

Der Abstand D zwischen dem Hochspannungsgitter 5 und dem gegenüberliegenden Stirnrand der Hülsen 7 ist so bemessen, dass es zwischen keinem Stirnrand und dem Hochspannungsgitter 5 zu einer Funkenentladung kommt. Die angewandte Hochspannung und die Hülsen-/bzw. Düsengeometrie bestimmen die elektrische Isolationsgeometrie, die von Fall zu Fall unter maßgeblicher Berücksichtigung der Hochspannungsfestigkeit in der Betriebsatmosphäre festgelegt wird. Der Abstand D von der Hülsenstirn zum Hochspannungsgitter 5 ist größer als die Spaltweite Dg in der Hülse 7. Der Einsatz der in der Hülse 7 konzentrisch sitzenden Scheibe ermöglicht elektrisch leichter die beiden Bauweisen des stromabwärts oder stromaufwärts sitzenden Hochspannungsgitters 5, da der nächste Abstand des materiellen Hochspannungspotentials zum materiellen Bezugs-/Erdpotential durch die Spaltweite Dg besteht. Aufgrund der bezüglich der Hülsen-/Düsenachse notwendig gleichgewichtigen elektrischen Feldeinstellung im Spalt ist es sinnvoll, wenn die Zacken an der Scheibe gleichartig und um den Umfang gleichverteilt sind, also mindestens zwei gleichartige Zacken radial ragen.

In 8 sind konstruktiv zwei den in 7 gleich Aufbauten dargestellt. Jetzt ist die Gasströmung 6 in beiden Fällen von oben nach vertikal unten, also in Richtung der Gravitation Fg (siehe die beiden nebenstehenden x-y-z-Koordinatensysteme). Entsprechend zu 7 sitzend die beiden dargestellten freien Elektrodenenden in Form der Scheibe 2 stromabwärts der Düsenplatte bei Montage des Hochspannungsgitters 5 stromaufwärts (oben) bzw. stromabwärts (unten). Wie in der Bauweise mit rein stabförmigen Hochspannungselektroden 1 (1, 3, 5), beispielsweise in Nadel-/bzw. Bleistiftform, ist auch mit den Scheiben 2 als freie Enden der Elektroden die Neigung der Einbauweise des Ionisators von 0 <= &agr; <= 180° möglich und damit hinsichtlich der Führung des Strömungskanals keine Einschränkung gegeben.

Bisher waren die Hülsen 7, in der Düsenplatte 4 steckend, in etwa symmetrisch, also stromabwärts als auch stromaufwärts, überstehend dargestellt. Ein elektrisch wesentlich plausibles Argument ist die Beschränkung der elektrischen Spaltfelder auf die Spaltgeometrie, also kein Übergreifen des von einer Hochspannungselektrode ausgehenden elektrischen Feldes auf eine nicht zugehörige Düse. Das war bei der hülsenlosen Platte ein unvermeidliches Problem das durch technisch aufwendige Düsengestaltung – Randabrundung und Düsenplattenstärke- in Grenzen gehalten werden kann, aber den Langzeitbetrieb stark beeinträchtigt, also keine entscheidende Langzeitverbesserung bringt.

In 10 ist das asymmetrische Überstehen der Hülsen 7 dargestellt. Experimentelle Befunde legen Bereiche nahe. Bei der Gasströmung von oben nach vertikal unten sollte der stromaufwärtige Überstand der Hülse im Bereich Hup = 1 bis 5 Hds liegen, Hds ist das stromabwärtige Überstehen. Experimentell hat sich herausgestellt, das die beidseitigen Überstände bei dieser Strömungsrichtung vorteilhaft in der Beziehung Hup = 3 Hds zueinander stehen.

Bei der Gasströmung von unten nach Vertikal oben modifiziert sich der experimentell ermittelte Bereich und sollte liegen in Hup = 0,1 bis 1 Hds·Hup = 0,1 Hds ist darin das vorzuziehende Überstandsverhältnis.

9 zeigt eine einfache Hülsengeometrie, nämlich die kreiszylindrische Hülse 7 aus Maschendraht, die zum Abfangen größerer im Gasstrom mitgerissener Partikel eine zusätzliche Schutzeinrichtung hat, und zwar ein zusätzliches Gitter in Form eines Siebs 10. Das den Strömungseingang an der Hülse 7 abdeckt und nur noch Partikel kleiner als die Maschenweite des Siebs 10 durchlässt. Damit wird verhindert, dass sich der Elektrodenspalt: Hülseninnenwand – freies Ende der Hochspannungselektrode, im Hülsenraum zusetzt und verstopft und damit wirkungslos wird. Durch diese Siebmaßnahme muss allerdings das Hochspannungsgitter 5 mit den angebauten, in je eine Hülse 7 ragenden Hochspannungselektroden 1 stromabwärts installiert sein. 9 zeigt beispielhaft verschiedene Siebformen 10: oben die kreisscheibenförmige Form, in der Mitte die kegelförmige Form links und die halbkugelförmige Form rechts. Unten ist das Sieb 10 nochmals kegelförmig mit angedeutetem Hochspannungsgitter 5 und angeschraubter, in die Hülse 7 ragender Hochspannungselektrode 1. Der Gasstrom 6 kommt in 9 von unten. Auf das auf die Hülse 7 aufgesetzte Sieb 10 werden auf die Siebmaschen aufprallende Partikel elektrisch neutralisiert, bzw. auf das elektrische Bezugspotential der Düsenplatte 4 versetzt.

Die hülsenbesetzte Düsenplatte 4 ermöglicht mit einfachen Mitteln die Beschränkung des maßgeblichen elektrischen Feldes auf den Spalt im Hülseninnenraum und gleichzeitig die Ausnutzung des elektrischen Windes, der einen Teil der im Spalt elektrisch beschleunigten Partikel durch die durchlässige Wand der Hülse treibt, die dann vollends leicht abscheiden, ohne sich feldbeeinflussend am Ionistor abzulagern.

1
Hochspannungselektrode
2
Scheibe
3
Düse
4
Düsenplatte
5
Hochspannungsgitter
6
Gasströmung
7
Hülse
8
Ausnehmung
9
Ringscheibe
10
Sieb


Anspruch[de]
Elektrostatische Ionisierungsstufe in einer Abscheidungseinrichtung zur Reinigung eines durch sie geführten Gasstroms,

bestehend aus:

einer an ein elektrisches Bezugspotential angeschlossenen, elektrisch leitfähigen Platte (4), die über den lichten Querschnitt des Strömungskanals der Abscheidungseinrichtung eingebaut ist und eine Vielzahl im lichten Querschnitt gleichartiger Durchgänge (3), die Düsen (3), für den Durchgang des Gasstroms hat,

wobei in jeder Düse (3) eine Hülse (7) formschlüssig und koaxial zur Achse der Düse (3) sitzt, die beidseitig der Platte (4) herausragt und auf dem elektrischen Bezugspotential der Platte (4) liegt,

einem Hochspannungsgitter (5), das stromabwärts oder stromaufwärts bezüglich der Platte (4) elektrisch isoliert über den lichten Querschnitt des Kanalabschnitts eingebaut und über eine Durchführung in der Wand des Kanalabschnitts an ein Hochspannungspotential angeschlossen ist,

einer den Düsen (3) entsprechenden Vielzahl von stabförmigen Hochspannungselektroden (1), die mit ihrem einen Ende an dem Hochspannungsgitter (5) befestigt sind, mit ihrem freien Ende jeweils gleichartig zentral zu einer Düse (3) der Platte (4) unter umlaufender Spaltbildung exponiert sind und auf dem elektrischen Potential des Hochspannungsgitters (5) liegen,

dadurch gekennzeichnet, dass:

das freie Ende der jeweiligen Hochspannungselektrode (1) stromabwärts nach der Düse (3) exponiert ist

die Wand der Hülse (7) für den durch die Ionisationsstufe geführten Gasstrom (8) durchlässig ist und

aus einem Gitter oder

aus einem perforierten Blech oder

aus mit konstantem Abstand zueinander verlaufenden Stäben, deren jeweils beide Enden in je einem Haltering enden, hergestellt ist.
Elektrostatische Ionisierungsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweils freie Ende der Hochspannungselektroden (1) aus dem Stabende besteht oder dieser freie Endbereich der Hochspannungselektrode (1) mit kleiner werdendem Stabquerschnitt ausläuft. Elektrostatische Ionisierungsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweils freie Ende der Hochspannungselektroden (1) aus einer auf dem freien Stabende der Hochspannungselektrode (1) zentral sitzenden Scheibe (2) besteht, die gleichverteilt um den äußeren Umfang in von der Längsachse der Hochspannungselektrode ausgehend radialer Richtung mindestens zwei gleichartige Ausdehnungen hat. Elektrostatische Ionisierungsstufe nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall der Stirn der stabförmigen Hochspannungselektrode (1) als freies Elektrodenende und im Falle der am freien Stabende zentral sitzenden Scheibe (2) das so bestehende freie Elektrodenende im Bereich 0 <= Hel <= 0,5 Dg zum Ausgang der Düse (3) positioniert ist, wobei Dg der kleinste Abstand vom freien Elektrodenende zur Innenwand der Hülse (7) ist. Elektrostatische Ionisierungsstufe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine das freie Ende der Hochspannungselektrode (1) in ähnlicher Form wie die des lichten Querschnitts der Düse (3) umfassende Umhüllende zum Rand der Düse (3) einen konstanten Abstand Dg hat und die Höhe H der Hülse (7) im Bereich 0,5 Dg <= H <= 3 Dg liegt. Elektrostatische Ionisierungsstufe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Hülse (7) um ihren Umfang eine Einschnürung hat, mit der sie in ihre Düse (3) ortsfest einrastet. Elektrostatische Ionisierungsstufe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Hülse (7) eine umlaufende Ringscheibe (9) angebracht hat, die formschlüssig in einer konzentrischen Ausnehmung (8) zur Düse (3) in der Düsenplatte (4) einliegt. Elektrostatische Ionisierungsstufe nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des freien Endes der Hochspannungselektrode (1) als Stabende das Hochspannungsgitter (5) und die freien Enden der Hochspannungselektroden stromabwärts der Düsenplatte (4) sitzen. Elektrostatische Ionisierungsstufe nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des freien Endes der Hochspannungselektrode (1) als Scheibe (2) die freien Enden der Hochspannungselektroden stromabwärts der Düsenplatte (4) sitzen. Elektrostatische Ionisierungsstufe nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsen (7) auf der aerosolstromabwärtigen Stirnseite mit konstantem oder größer werdendem lichten Querschnitt auslaufen. Elektrostatische Ionisierungsstufe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse der Düse (3) von der räumlich unteren Stirnseite der in ihr steckenden Hülse (7) senkrecht umschlossen ist oder an dieser Stirnseite noch eine bereichsweise Verlängerung (10) der Hülsenwand aus Hülsenmaterial hat, so dass die dann von der freie untere Stirnseite umschlossene Fläche von der Achse der Düse (3) nicht mehr senkrecht durchdrungen wird. Elektrostatische Ionisierungsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsen (7) in einfacher runder zylindrischer oder säulenartiger querschnittspolygonaler Bauweise mit am ihrem jeweiligen Strömungseingang mit einem Sieb (10) versehen sind, das mindestens die Maschenweite in der Durchlassweite der durchlässigen Hülsenwand hat und im Betrieb das elektrische Potential der Düsenplatte (4) annimmt.






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