CH372033A

CH372033A - Process and device for cleaning a hot gas stream, in particular from internal combustion engines and gas turbines

Info

Publication number: CH372033A
Application number: CH7113759A
Authority: CH
Original assignee: G A Messen Jaschin Fa
Priority date: 1959-03-23
Filing date: 1959-03-23
Publication date: 1963-09-30

Description

Verfahren und Einrichtung zur Reinigung eines Heffigasstromes, insbesondere von Verbrennungsmotoren und Gasturbinen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und cinc Einrichtung zur Reinigung eines Heiggas- stromes. The present invention relates to a method and a device for cleaning a hot gas stream.

Es ist bekannt, Hei8gase vor Eintritt in cine elck- trische Niederschlagsvorrichtung z. B. dùrch Kond'en- satberieselung oder Dampfzufuhr ;so weît he-ru#nter- zukÜhlen, daB aus dem. Gas zu entfernende, in die- sem, in Gas bzw. Dampfform enthaltene Stoffe kon- densieren, wobei dann der Kondensationsnebel in der Niederschlagsvorrichtung abgeschieden wird. In den bisher bekanntgewordenen Niederschlagsvorrïchtun- gen lassen sich aber die. so erhaltenen fécinen Nebel nur zum, kleinsten Teil abscheiden. Dies hat scinen Grund darin, daf3 die abzuscheidenden Nèbeltrôpf- chen schr klein und die in den b#ekanntgewordenen Elektrofiltern zur Verfilgung stehenden Feldstârken relativ niedrig sind. Ferner führte der meist relativ groBe Feststoffanteil in dem. zu reinigend'en Rohgas dazu, daB das Gas bei seinem Eintritt in den dern eigentlichen Abscheider vorgelagerten lonisator als relativ guter Leiter wirkte, der das Sprühfeld des lonisators rasch abfallen lieB; die Beladung dër auszuscheidend'en T-eilchen mit den erzeugten Ionen und demzufolge deren Abscheidung bleiben unge- nügend. Diesem. Vbelstand versuchte, man dadurch abzuhelfen, daB man dem Rohgas Dampf, z. B. ôl- oder Wasserdampf, zuführt--; durch Anlagerung er- reichte man eine Vergrë>f3erung und zum. Teil auch bessere Isolierung der abzuscheïdenden Partikeln. In der Praxis zeigte aber dieses Verfahren erhébliche Nach,tcile. Einerscits stellt die Dampfzufuhr cinen nicht unbetrâchtlichen Aufwand dar; anderseits konnte die Feldstârke in d'en bekannten Ionisatoren trotz allem. nicht auf d'en gewünschten. hohen Wert gesteigert werden und auf3erdem. brachte die Dampf- zufuhr nicht nur cine Vergr5J3erang der abzuschei- denden Partikeln, sondern, auch,eine erhebliche Ver- grdBerung der Zahl dieser Partikeln#, da sich lângst nich,t aHer Dampf nur an die bereits vorhandenen Partikeln anlagern lieJ3, sondern. selbst wieder zur Partikelbildang bcitrug, so daB der nachgeschaltete Abscheider (ob nun mechanisch oder clektrisch arbei- tend) dem. Partikelandrang micht mehr gewachsen war; zwanglâufic, verbllièb, dann auch ein Teil der vom, Rohgas in die, Anlage, mitgebrachten abzuschei- denden Stoffé in dera den Abscheider verlassenden Reingas. It is known that hot gases before entering an electric precipitation device, e.g. B. by condensate sprinkling or steam supply; to cool down so far that from the. Gas to be removed, substances contained in the gas or vapor form condense, with the condensation mist then being separated in the precipitation device. In the previously known precipitation devices, however, the separate only the smallest part of the fecinen mist obtained in this way. The reason for this is that the mist droplets to be separated are very small and the field strengths available in the known electrostatic precipitators are relatively low. Furthermore, the usually relatively large proportion of solids in the raw gas to be cleaned means that the gas acts as a relatively good conductor when it enters the ionizer upstream of the actual separator, which causes the spray field of the ionizer to drop rapidly; the loading of the T-particles to be separated with the generated ions and consequently their separation remain insufficient. this. Attempts were made to remedy the situation by adding steam, e.g. B. oil or steam, supplies--; an enlargement was achieved by addition and to. Part also better isolation of the particles to be separated. In practice, however, this method showed considerable disadvantages. On the one hand, the supply of steam represents a not inconsiderable expense; on the other hand, the field strength in the known ionizers could despite everything. not on the desired one. high value and auf3erdem. the supply of steam brought not only an increase in the number of particles to be separated, but also a considerable increase in the number of these particles#, since steam could no longer only be attached to the particles already present, but itself again contributed to particle formation, so that the downstream separator (whether working mechanically or electrically) particle rush had grown no more; Inevitably, some of the substances to be separated brought along by the raw gas into the plant also remain in the clean gas leaving the separator.

Die genannten Nachteile lassen sich beim. erfin- dungsgemâJ3en Verfahren vermeiden.; za diesem. Zweck wird der Heïf3,oasstrom durch, cinen Wârme- austauscher gekühlt und durch Ausniltzung eines Teils seiner Str5mungsenergie, mit Luft ggemischt, wonach die sich, dadurch bildenden Trëpfchen aus dem. Gas- strom abgeschieden werden. The disadvantages can be at. avoid processes according to the invention.; about this. Purpose is the Heïf3, oasstrom cooled by a heat exchanger and by utilizing a part of its flow energy, mixed with air, after which the resulting droplets from the. gas stream are separated.

Die Küh-lung durch einen Wârmeaustauscher ver- meidet,cine VergrôBerung der Gasmasse darch starke Nebel Mi dende Stoffe, welche den Anteil der ab- zuscheidenden Teilchen in unerwünschter Weise. er- hâhen, wâhrend die ZufÜhr von Luft unter Ausnüt- zung der Strëmungsencrgie des Gases cinerseits ohne baulichen Aufwand zu, bewerkstelligen ist und ander- seits dem. bei der Abkü#hlungentstandenen N--bell nur gerade so viel Feuchtigkeît zuführt, dal3 diese voll- stândig durch Anlagerung an die, abzuscheidenden Partikeln aufgebrauchtwird, ohne selbst dieTrë)pfchen- zah-1 zu verinchren, wobei gleichzeitig die Trôpfchen- dichte in dem. zurn Abscheider geqangenden. Gasstrom. so niedrig gehalten wird, daB eine cinwandfreie Ab- scheidung in alleu, Fâllen më)gllich ist. Cooling by means of a heat exchanger avoids an increase in the gas mass due to heavy mist. Substances which undesirably increase the proportion of particles to be separated. increase, while the supply of air using the flow energy of the gas can be accomplished on the one hand without structural effort and on the other hand. during the cooling process N--bell supplies only just enough moisture that this is completely used up by accumulation on the particles to be separated, without increasing the number of droplets themselves, whereby at the same time the droplet density in the . to the separator. gas flow. is kept so low that a perfect separation is possible in all cases.

Das beschriebene VérfahTen lâ8t sich mm mit besonders groBera Vorteil mittels einer ein Elektro- fiher als Abscheider aufweisenden Einrichtung durch- füh-ren. Diese ebenfalls Erfindungsgegenstand bil- dende Einrichtung ist gekennzeichnet durch eine HeiP)gasleitung, in welche cin im. Gegenstrom arbei- tender Wârmeaustauscher zur Abkiihlung des hefflen Gasstromes und Kondensation der abzuscheïdenden Gaskomponenten cingebaut ist und welche Ansaug- ôffnungen für Frischluft aufweist, sowie durch cinen stromabwârts dieser Ansau,-,üffnungen an die Gas- Icitung angeschlossenen Feldionisator mit anschlie- Bendem. elektrostatischem Abscheïder. Es hat sich gezeigt, da,13 die durch die angesaugte Luft erfolgende Feuchtig-keitszufuhr nicht nur cine genügende Ver- grüBerung der abzuscheidenden Nebeltru)pfehen ohne V-ergrë>Beruno, der Trôpfchenzahil bewirkt, sondern gleichzeitig auch die abzuscheidenen Festpartikeln genügend isoliert, um das im Ionisator herrschende, die zur Beladung der Partikéln erforderliche lonen- bewegung bewirkende elektrische Feld nicht zu bc- eintrâchtigen, so daf3 tatsâchlich eine, einwandfreie Abscheidung erfolgen kann. The method described can be carried out with particularly great advantage by means of a device having an electric filter as a separator. This device, which also forms the subject of the invention, is characterized by a HeiP) gas line into which cin im. Countercurrently working heat exchanger for cooling the gas stream and condensing the gas components to be separated is installed and which has intake openings for fresh air, as well as a field ionizer connected downstream of these intake openings to the gas line with subsequent. electrostatic precipitator. It has been shown that13 the supply of moisture caused by the sucked-in air not only causes a sufficient enlargement of the mist droplets to be separated without increasing the number of droplets, but at the same time also sufficiently isolates the solid particles to be separated the electrical field in the ionizer, which causes the movement of ions required to charge the particles, is not to be impaired, so that proper separation can actually take place.

An Hand der beiliegenden Zeichnung, die sche- matisch ein Ausführungsbeispiel der ebenfalls erfin- dungsgemâBen Einrichtung zeigt, ist im, folgenden das Verfaliren nach der Erfindung beispielsweise nâher erlâutert. The procedure according to the invention is explained in more detail below by way of example with reference to the accompanying drawing, which shows a schematic of an exemplary embodiment of the device also according to the invention.

In der Zeichnung ist 1 ein Verbrennungsmotor, z. B. ein Dieselmotor, dessen Abgase gereinigt werden sollen, 2 ist ein Wârmeaustauscher, 3 ist eine Luft- ansaugstelle und 4 ist cin Elektrofilter. Die Abgas- leitung 5 des Verbrennungsmotors 1 filhrt durch den Wârmeaustauscher 2, der nach dem Gegenstrom- prinzip arbeitet; Wârmeaustauschmedium ist Luft, die mittels cines Ventilators 6 darch den Austauscher 2 getrieben wird. Der Wârmeaustauscher 2 ist so bemessen, daf3 die in Gas- bzw. Dampfform im Gas- strom. enthaltenen Anteile an auszuscheïdender Ma- terie unter ihren Taupunkt abgekühlt werden; es bilden sich fortlaufend kleinste Trüpfchen, die s-ich bis zum Austritt der Gasleitung aus dem Wârme- austauscher durch egensciti.-Y 9 e Anlagerung re-lativ stark vergrô]3ern; als Kondensationskerne dienen die vom. Gasstrom mitgeführten Feststoffpartikdln. Es hat sich gezeig dag eine Abkühllung des Heffigases auf 60 bis 801, C ira Wârmeaustauscher genügt, um praktisch alle Geruchskomponenten der Abgase eines Dieselmotors in Trbpfehen zu kondensieren. Die gebildeten. Tr5pfchen sind aber noch derart Idein, daI3 praktisch nicht realisierbare Feldstârken notwendig wâren, urn sie nach einer clektrischen Bieladung im Elektrofilter abscheiden zu kônnen. <RTI ID="0002.0276" WI="16" HE="3" LX="920" LY="2258"> Anderseits ist die Tr5pfchen- und Partikelzahl pro Volumeneinheit des den Wârmeaustauscher verlassenden Gasstromes derart groB, daf3 das Gas cin relativ guter Leiter wird, der das Ionenführungsfeld im nachgeordneten lonisator 7 des Elektrofilters zum Zusammenbruch bringen würde. Zur VergrMerung der abzuscheidén- den Partikéln und gleichzeitig zu deren Isolierung und zur Verdünnung des Gasstromes wird im. Anschlul3 an die Gaskühlung dem, Gasstrom Luft aus der Um- g,ebung beigemischt, und zwar durch Ausnützung eines Teils seiner Striimungsenergie. Beim gezeichneten Beispiel sind an der Stelle 3 in der den Wânneaus- tauscher 2 verlassenden Gasleitung Luftansaugôff- nungen vorgesehen, durch welche der Gasstrom Luft ansaugt. Die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit lagert sich zum groJ3en Teil an den als Konden- sationskerne dienenden Trüpfehen im Gasstrom an, der gleichzeitig zusâtzlich gekühlt und verdünnt wird. Es ist zu bemerken, dal3 die dadurch. bewirkte Trëpf- chenvergrôBerung auch dann notwendig wâre, wenn die Abscheidung der Trëpfchen nicht wie beim vor- liegenden Beispiel in einem, Elektrofilter, sondern z. B. in einem. mechanischen Filter abgeschieden werden. Der in der beschri#ebenen Weise vorbehandelte Gas- strom gelangt in der Folge in das Elektrofilter 4, wo ler zuerst den lonisator 7 passiert. Als besonders zwe,ckmâBig hat sich cin spezieller Spitzenionisator crwiesen, wobei vorteilhaft cine Mehrzahl von loni- satorzellen wabenartig nebencinanderliegend über den lonisatorquerschnitt verteilt sind. Jede Ionisator- zelle besitzt cine stromabwârtsgerichtete Spitzenelek- trode, die koaxial um einen kleinen Betrag in cine z#lindrische Gegenelcktrode hineinragt. Zwischen den beiden Elektroden ist cin Hochspannungsféld erzeugt, wodurch an der Elektrodenspitze Enfladun- gen erfolgen, welche den Gasstrom ionisieren, wâh- rend das Hochspannungsfeld gleichzeitig den erzeug- ten lonen eine starke Querbewegung #erteilt, so daI3 sic den ganzen Gasstromquerschnitt durchsetzen und die im Gasstrom enthaltenen Partikeln bzw. Trôpf- chen clektrisch beladen. Die lonenerzeugung bc- schrânkt sich auf die unmittelbare Umgebung der Elektrodenspitze, wobei die lonen mit Gegenpolaritât sofort zur Spitzenelektrode zurfickgesaugt werden, wâhrend die lonen mit gleicher Polaritât wie die Spitzenelektrode durch das starke lonisatorfeld quer durch dieRTI ID="0002.0551" WI="23" HE="4" LX="1346" LY="1719"> Ionisatorzellen, das heigt radial auswârts gegen die zylindrische. Gegenelektrode hin bewegt werden, wobeï sic ihre Ladung an die vom Gasstrom. mitgefiïhrten TrZ5pfehen abgeben. Die somit unipolar aufge.ladenen Trüpfchen werden im anschliel3enden Abscheiderfeld 8 des Elektrofilters, d'as zwischen parallelen Platten errichtet ist, abgeschieden bevor der gereinigte Gasstrom das Elektrofilter verlâl3t. Uni im lonisator groBe Feldstârken mit mi5glichst kleinen Spannungen zu -erziclen (groge lonenbeschleunigung bei geringer Erzeugung von Ozon und nitrosen Gasen) wird zweckmâl3ig zinc Elektrodenspitze vorgeschen, deren Spitzenkalotte cinen Radius von nur etwa 10-6 cm aufweist. Zweekmâffig wird zur Verstâr- kung der Ionenerzeugung auf die Spitzenkalotte cine nur wenige Atome umfassende Schicht ein#es radio- aktiven Materials (a- oder fl-Strahler, z. B. Radium- salze oder diesen entsprechende Isotrope), aufge- dampft, wâhrend der Schaft der Spitzenelektrode zur Vermcidung unerwünschter Schwingungen, die bei nicht genau koaxialer Anordnung der Spitzenelek- trode auftreten k5nnen, mit cinem Nickel- oder Kup- ferbelag ais Dâmpfungsbelag versehen wird. Die Auf- teilung des lonisatorquerschnittes #erfolgt zweckmâBig so, daf3 um eine zentrale Ionisaterzelle eine Mehrzahl weiterer Zellen auf einera Kreis angeordnet werden. In the drawing, 1 is an internal combustion engine, e.g. B. a diesel engine whose exhaust gases are to be cleaned, 2 is a heat exchanger, 3 is an air intake point and 4 is a electrostatic precipitator. The exhaust line 5 of the combustion engine 1 leads through the heat exchanger 2, which works according to the counterflow principle; The heat exchange medium is air, which is driven through the exchanger 2 by means of a fan 6. The heat exchanger 2 is dimensioned in such a way that the gas or vapor form in the gas flow. contained proportions of matter to be excreted are cooled below their dew point; the smallest droplets are continuously formed, which increase relatively strongly by egensciti.-Y 9 e accumulation until the gas line exits the heat exchanger; as condensation nuclei serve from. Gas flow entrained solid particles. It has been shown that cooling the heffi gas to 60 to 801. C in a heat exchanger is sufficient to condense practically all odor components of the exhaust gases of a diesel engine into misty clouds. The educated. However, droplets are still so small that practically unachievable field strengths would be necessary in order to be able to separate them in the electrostatic precipitator after electrical bi-charging. <RTI ID="0002.0276" WI="16" HE="3" LX="920" LY="2258"> On the other hand, the number of droplets and particles per unit volume of the gas stream leaving the heat exchanger is so large that the gas is relatively becomes a good conductor, which would break down the ion guide field in the downstream ionizer 7 of the electrostatic precipitator. In order to enlarge the particles to be separated and at the same time to isolate them and to dilute the gas flow, After the gas cooling, air from the environment is added to the gas flow, specifically by utilizing part of its flow energy. In the example shown, air suction openings are provided at the point 3 in the gas line leaving the heat exchanger 2, through which the gas stream sucks air. Most of the moisture contained in the air accumulates on the droplets in the gas stream, which serve as condensation nuclei. At the same time, the gas stream is additionally cooled and diluted. It should be noted that this caused droplet enlargement would also be necessary if the droplets were not separated in an electrostatic precipitator, as in the present example, but e.g. B. in one. mechanical filter are deposited. The gas flow, which has been pretreated in the manner described, then reaches the electrostatic precipitator 4, where it first passes through the ionizer 7. A special tip ionizer has proven to be particularly useful, with a plurality of ionizer cells advantageously being distributed over the ionizer cross section in a honeycomb-like manner lying next to one another. Each ionizer cell has a downstream tip electrode that projects coaxially a small amount into a cylindrical counter electrode. A high-voltage field is generated between the two electrodes, as a result of which discharges occur at the tip of the electrode, which ionize the gas flow, while the high-voltage field at the same time imparts a strong transverse movement to the ions generated, so that they penetrate the entire cross-section of the gas flow and the Particles or droplets contained in the gas stream are electrically charged. Ion generation is confined to the immediate vicinity of the electrode tip, with ions of opposite polarity being immediately sucked back to the tip electrode, while ions of the same polarity as the tip electrode are repelled by the strong ionizer field across the RTI ID="0002.0551" WI="23" HE="4" LX="1346" LY="1719"> Ionizer cells, that is radially outward against the cylindrical. be moved towards the counter electrode, whereby their charge matches that of the gas flow. deliver the trophies that you are carrying. The thus unipolarly charged droplets are separated in the subsequent separator field 8 of the electrostatic precipitator, which is set up between parallel plates, before the cleaned gas flow leaves the electrostatic precipitator. In order to achieve high field strengths in the ionizer with the lowest possible voltages (large ion acceleration with low production of ozone and nitrous gases), zinc electrode tips are expediently provided, the spherical cap of which has a radius of only about 10-6 cm. To increase the generation of ions, a layer of radioactive material (a or fl emitters, e.g. radium salts or the corresponding isotropes) comprising only a few atoms is expediently vapour-deposited on the tip cap, while the shaft of the tip electrode is provided with a nickel or copper coating as a damping coating to avoid undesired vibrations which can occur if the tip electrode is not arranged exactly coaxially. The distribution of the ionizer cross-section is done in such a way that a number of other cells are arranged in a circle around a central ionizer cell.

Das nach dem. beschriebenen Verfahren gereinigte Abgas ist praktisch geruchfrei und enthâilt keinc, Fest- oder Flüssigkeitskomponenten, mehr. Mit einer Reî- nigungs#einrichtung der beschriebenen Art verschene Verbrennungsmotoren lassen sich somit unbedenkjîch auch in geschlossenen Râumen (Tunnelbau, milit*àri- sche Anlagen, Notstromgruppen, Unterseebooten usw.) verwenden. Es hatsich auch gezeigt, dal3 keiner der genannten Verfahrensschritt-- (Kühllung, Luftzu- fuhr, Abscheidung) weggelassen werden kann, um brauchbare Resultate zu erreichen. That after. The exhaust gas cleaned by the process described is practically odorless and no longer contains any solid or liquid components. Combustion engines equipped with a cleaning device of the type described can thus also be used without hesitation in closed rooms (tunnel construction, military installations, emergency power systems, submarines, etc.). It has also been shown that none of the process steps mentioned (cooling, air supply, separation) can be omitted in order to achieve useful results.

Es versteht sich, daJ3 bei Verwendu#ng von Elek- trofiltern an Stelle peiner Mehrzahl von Ionisatorzellen auch nur eine einzige solche Zelle, vorgeschen. sein kann. Ferner kbnnen die Luftansaugë>ffnungen in der Gasleïtung mit Reg pliermitteln zur Dosierung der an- gesaugten Luftmenge versehen sein. Anstatt mit Luft als Austauschmedium kann der Wârmeaustauscher auch mit Kühlwasse-r betrieben sein. Zweckmâgig ist nicht nur der Ionisator, sondern auch der nachgeord- nete Abscheider in Einz-elzellen aufgeteilt. It goes without saying that if electrofilters are used instead of a plurality of ionizer cells, only one such cell is provided. can be. Furthermore, the air intake openings in the gas line can be provided with regulating means for metering the amount of air sucked in. Instead of using air as the exchange medium, the heat exchanger can also be operated with cooling water. Not only the ionizer but also the downstream separator is usefully divided into individual cells.

Für den Fall, dal3 zur Abscheidung 'bzw. Reini- gung der Gase ein Elektroffiter verwendet wïrd und die Filtrierung an bestimmte Sicherungsbedingungen gebunden ist, ist es zweckmâgig, nach dem Elektro- filter noch ein mechanisches Filter nachzuschalten, welches dann in Funktion tritt, wenn durch âuBere Vorgânge die Stromversorgung, des Elektrofilhers zeit- weilig unterbrochen ist. D#as nachgesch#ailtete mecha- nische, Filter unterliegt im normalen Betrieb keinern Verschleil3, da die Abscheidung ausschiliel3-lich ira Elektrofilter erfolgt, so d'aB das mechanische Filter nur als D#urchgangsgefât, ohne selbst cine. Filtrie- rungsfunktion, zu übernehmen, gedacht ist. Erst für den Fal-1, daf3 im Elektroffilter Stbrungen auftreten soliten, tritt dieses Sicherungsfilter in Funktion. In the event that dal3 for deposition 'or. If an electrofilter is used to clean the gases and the filtration is subject to certain safety conditions, it is expedient to connect a mechanical filter downstream of the electrofilter, which then comes into operation when the power supply of the electrofilter is temporarily cut off by external events. is temporarily interrupted. The downstream mechanical filter is not subject to wear during normal operation, since the separation takes place primarily in an electrostatic precipitator, so that the mechanical filter is only a through-flow vessel, without itself being a filter. Filtering function to take over is intended. Only in the event that interference should occur in the electrostatic filter does this safety filter come into operation.

Claims

CLAIM 1 Procedure. for cleaning cincs hot gas stream, characterized in that the hot gas flow is cooled by a heat exchanger and mixed with air by utilizing part of its flow energy, after which the resulting droplets are separated from the gas flow . SUB-CLAIM 1. Process according to patent claim I, characterized in that after cooling and air admixing, the RTI ID="0003.0276" WI="15" HE="4" LX="1376" LY="500">-forming droplets are charged unipolarly by electric field ionization and then left in an electric. Querfeld be deposited. PATENT CLAIM II Device for carrying out the method according to patent claim 1, characterized by a healing line, in which a heat exchanger working in a countercurrent to cool the hot gas flow and condense the separated gases - is installed in the gas components and has suction openings for fresh air, as well as. through a field ionizer connected downstream of these suction openings to the gas line with subsequent electrostatic. separator. 2. Device according to patent claim 11, characterized in that the ionizer has at least one downward-pointing tip electrode which protrudes coaxially into a cylindrical counter-electrode. 3. Device according to claim 2, characterized. characterized in that the ionizer has a plurality of ionizer cells lying next to one another in the form of a honeycomb and filling the ionizer cross-section, each with a tip electrode protruding into a cylindrical counter-electrode. 4. Device according to claim 2, characterized in that the tip cap of the tip electrode has a radius of about 10-6 cm. 5. Device according to claim 4, characterized in that dà1à the tip cap, the tip electrode with a radioactive coating. a or fl radiator is provided.