DE19648182A1 - Koronaelektrode für eine Filteranordnung zum Abscheiden von Verunreinigungen aus einem Gasstrom, Filteranordnung mit entsprechenden Koronaelektroden sowie Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Koronaelektrode für eine Filteranordnung zum Abscheiden von Verunreinigungen aus einem Gasstrom, eine Filteranordnung mit entsprechenden Koronaelektroden sowie ein Verfahren zum Betrieb derselben.

Es ist seit langem bekannt, Gase, vor allem aus Verbrennungsanlagen, in elektrostatischen Filteranordnungen zu entstauben. Dabei werden die Gase durch Filtergassen von gewöhnlich etwa 30-40 cm Breite, die beidseits von plattenförmigen Abscheideelektroden begrenzt sind, geleitet. In jeder Filtergasse sind etwa mittig zwischen den Abscheideelektroden Koronaelektroden angeordnet. Zwischen dieselben und die Abscheideelektroden wird eine Gleichspannung gelegt, die von kurzen Spannungsimpulsen gleicher Polung überlagert wird. Dabei sind die Koronaelektroden negativ gepolt. Während der Spannungsimpulse kann die Spannung z. B. etwa das 1,5-fache der Gleichspannung betragen. Die Repetitionsfrequenz der Spannungsimpulse liegt heute in der Regel bei 10 bis 100 Hz, deren Länge bei ca. 100 µs. Es wurden aber auch schon kürzere Impulslängen bis hinunter zu ca. 10 µs vorgeschlagen (G. Trebbi, B. G. Padera: "Pulse energization; a new look at an attractive technology for upgrading ESP performance", Proc. Ann. Power Conf. 57-I (1995), S. 785-792).

Während der Spannungsimpulse bilden sich an den Koronaelektroden Koronaentladungen, durch welche Ladungsträger austreten und negativ geladene Ionen bilden, die sich an Staubpartikel anlagern. Die so aufgeladenen Staubpartikel wandern unter der Wirkung der vom elektrischen Feld auf sie ausgeübten Kräfte gegen die positiven Abscheideelektroden, wo sie sich als Filterstaub anlagern. Periodisch werden die Abscheideelektroden mechanisch in Schwingungen versetzt, wodurch sich der Filterstaub ablöst und in eine Sammelrinne fällt, aus der er z. B. mittels einer Schnecke abtransportiert wird.

Eine Filteranordnung des beschriebenen Aufbaus ist z. B. bekannt aus der Broschüre S. Matts: "Fläkt Electrostatic Precipitators" der ABB Asea Brown Boveri. Die Koronaelektroden sind dort als gestreckte Drahtwendeln ausgebildet.

Bei gattungsgemäßen Filteranordnungen treten bestimmte typische Schwierigkeiten auf. Eine davon ist das sogenannte Rücksprühen. Da die Ladung des angelagerten Filterstaubs weiter zur Abscheideelektrode fließen muß - wobei der Strom mit der Abscheideleistung steigt - führen Filterstäube mit hohem spezifischem Widerstand (<10¹⁰ Ωcm), wie sie vor allem bei der Verbrennung schwefelarmer Kohle entstehen, zu sehr hohen Feldstärken in der Staubschicht, was zu Durchschlägen und zur Bildung positiv geladener Ionen führen kann. Die Wanderung derartiger Ionen - unter der Wirkung der vom elektrischen Feld auf sie ausgeübten Kräfte von der Abscheideelektrode zur Koronaelektrode - führt jedoch zur Neutralisierung negativ geladener Partikel und wirkt der Abscheidung von Filterstaub an den Abscheideelektroden entgegen. Die Gefahr des Rücksprühens beschränkt somit die Feldstärke, der die Staubschicht ausgesetzt werden darf und damit die Stromdichte durch die Staubschicht und so letztlich die Abscheideleistung der Filteranordnung.

Besonders groß ist die Gefahr des Rücksprühens dann, wenn lokal ein Überschuß an durch Koronaentladungen erzeugten Ladungsträgern herrscht. Der Entstehung eines solchen Überschusses wirkt zwar die gepulste Speisung, wie sie aus diesem und anderen Gründen entwickelt wurde (s. z. B. H. J. Hall: "History of pulse energization in electrostatic precipitation", Journal of Electrostatics 25 (1990), S. 1-22), entgegen, doch ist es mit den bekannten drahtförmigen Koronaelektroden kaum möglich, dieses Problem ohne unerwünschte Nebenwirkungen zu lösen.

Bei verhältnismäßig großem Abstand zwischen aufeinanderfolgenden drahtförmigen Koronaelektroden ist das elektrische Feld stark inhomogen. Da die zulässigen Spitzenwerte der Feldstärke durch die Gefahr des Rücksprühens beschränkt sind, fällt sie zwischen zwei aufeinanderfolgenden Koronaelektroden auf verhältnismäßig tiefe Werte. Im Interesse einer hohen Abscheideleistung sollte das mittlere elektrische Feld in der Filtergasse jedoch möglichst hoch sein.

Die mittlere Feldstärke wird aber vor allem auch dadurch beschränkt, daß jedenfalls bei hochohmigen Stäuben an den Koronaelektroden, wo die Feldstärke am größten ist, zwischen den Spannungsimpulsen keine Koronaentladungen auftreten sollen, da sonst zu viele Ladungsträger erzeugt werden. Koronabildung sollte hier möglichst nur während der Spannungsimpulse eintreten.

Eine große Dichte von Koronaelektroden führt zwar zu einem homogeneren Feld, doch werden während der Spannungsimpulse zu viele Ladungsträger erzeugt, was wie schon erwähnt das Rücksprühen begünstigt.

Zur Lösung dieser Probleme wurde auch mit anderen als drahtförmigen Koronaelektroden experimentiert. So wurden Experimente mit plattenförmigen Koronaelektroden durchgeführt, welche zur Erzeugung von Koronaentladungen mit in einem bestimmten regelmäßigen Muster angeordneten Dornen versehen waren (s. P. J. McKinney, J. H. Davidson, D. M. Leone: "Current Dirstributions for Barbed Plate-to-Plate Coronas", IEEE Transactions on Industry Applications 28/6 (1992), S. 1424-1431) . Dies führt zwar zu einem in großem Maßstab homogenen elektrischen Feld in der Filtergasse und erlaubt auch eine Einstellung der Produktion von Ladungsträgern über die Anordnung und Ausbildung der Dornen, doch ist das Feld im Nahbereich der Koronaelektroden sehr inhomogen, so daß gewisse Strömungstrajektorien von der Koronabildung und der dadurch bewirkten Aufladung der Partikel kaum erfaßt werden und der Gasstrom dort praktisch keiner Reinigung unterworfen wird.

Hier soll die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, schafft eine Koronaelektrode, mit welcher es möglich ist, ein homogenes elektrisches Feld in der Filtergasse aufrechtzuerhalten und zugleich die Produktion von Ladungsträgern auf das erwünschte Ausmaß zu begrenzen. Bei der erfindungsgemäßen Filteranordnung wird von diesen Möglichkeit möglichst vorteilhafter Gebrauch gemacht, insbesondere wenn sie entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile liegen vor allem darin, daß durch die hohe durchschnittliche Feldstärke in der Filtergasse große Kräfte auf die abzuscheidenden Partikel ausgeübt und dieselben mit hoher Geschwindigkeit gegen die Abscheideelektroden transportiert werden, so daß eine hohe Transport- und Abscheideleistung aufrechterhalten wird. Dank der Homogenität des Feldes und der Abwesenheit stärkerer lokaler Überhöhungen kann mit der durchschnittlichen Feldstärke verhältnismäßig nahe an die Grenze herangegangen werden, welche zu Durchschlägen in der Staubschicht oder im Gasraum führt. Die Koronabildung und damit die Produktion von Ladungsträgern kann durch gezielte Anordnung von Krümmungszonen, an denen vorzugsweise allein und ausschließlich während der Spannungsimpulse Koronabildung auftritt, weitgehend unabhängig von der Ausbildung des elektrischen Feldes in der Filtergasse auf erwünschte Werte eingestellt werden. Insgesamt kann durch das Zurückdrängen von Faktoren, welche das Rücksprühen begünstigen, eine sehr hohe Leistung der Filteranordnung erzielt werden. Durch die jeweils über die ganze Höhe der Koronaelektroden durchgehende Ausbildung der Krümmungszonen werden außerdem alle Strömungstrajektorien lückenlos vom Reinigungsmechanismus erfaßt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, welche lediglich Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen der Strömungsrichtung der Gase folgenden Längsschnitt durch einen Teil einer Filtergasse einer erfindungsgemäßen Filteranordnung mit erfindungsgemäßen Koronaelektroden gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2a das elektrische Potential zwischen einer Koronaelektrode gemäß der ersten Ausführungsform und einer Abscheideelektrode bei angelegter Gleichspannung,

Fig. 2b das elektrische Potential zwischen einer Koronaelektrode gemäß der ersten Ausführungsform und einer Abscheideelektrode bei angelegter Gleichspannung, überlagert von einem Spannungsimpuls und mit dadurch bewirkter Koronaentladung,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Teil einer Filtergasse einer zweiten erfindungsgemäßen Filteranordnung mit Koronaelektroden gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Teil einer Filtergasse einer erfindungsgemäßen Filteranordnung mit Koronaelektroden gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Teil einer Filtergasse einer erfindungsgemäßen Filteranordnung mit Koronaelektroden gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Die erfindungsgemäße Filteranordnung weist (Fig. 1) mehrere Abscheideelektroden 1 auf, welche in einem Abstand von z. B. 40 cm nebeneinander angeordnet und z. B. aus drei 5 m hohen übereinander angeordneten Stahlplatten bestehen. Zwei benachbarte Abscheideelektroden 1 bilden zwischen sich eine Filtergasse 2, durch welche in Pfeilrichtung ein mit Asche oder anderen staub- oder auch tröpfchenförmigen Verunreinigungen befrachteter Gasstrom geleitet wird. Mittig sind in der Filtergasse 2 aufeinanderfolgende Koronaelektroden 3 angeordnet. Dieselben erstecken sich über die gesamte Filtergasse 2. Ihre Höhe beträgt demnach im geschilderten Beispiel 15 m, wobei sie freilich wie die Abscheideelektroden 1 aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt sein können.

Zwischen die Abscheideelektroden 1, welche geerdet sein können, einerseits und die Koronaelektroden andererseits wird mittels eines Hochspannungsgenerators 4 eine Gleichspannung gelegt, welche z. B. 60 kV betragen kann. Diese Gleichspannung wird mit einer Repetitionsrate, welche z. B. zwischen 10 und 100 Hz und vorzugsweise nicht über 20 Hz liegt, von kurzen, z. B. ca. 10 bis 100 µs dauernden Spannungsimpulsen überlagert, welche einen Scheitelwert von beispielsweise 26 kV aufweisen, so daß die Spannung insgesamt Spitzenwerte von 86 kV erreicht. Die Gleichspannung ist so gewählt, daß sie ein hohes elektrisches Feld in der Filtergasse erzeugt, aber nicht zu Koronabildung an den Koronaelektroden führt. Die Koronaelektroden 3 bilden stets den negativen Pol.

Die Koronaelektroden 3 sind als ebene rechteckige Platten 5 aus vorzugsweise 0,4-1,5 mm starkem Stahl- oder Aluminiumblech gefertigt. Sie können zur Gewichtsersparnis gelocht und zur Verbesserung der mechanischen Stabilität, die allerdings auch so sehr gut ist, leicht gewellt sein. Am vorderen und am hintern Rand ist jede Koronaelektrode 3 mit einer Krümmungszone 6 versehen, in deren Bereich ihre Oberfläche stark konvex gekrümmt ist. Sie ist vorzugsweise durch Umbördelung des Blechs hergestellt und weist die Form eines Zylindersektors auf. Ihr Krümmungsradius liegt z. B. zwischen 2 und 5 mm, vorzugsweise ist er nicht größer als 4 mm. Die Krümmungszonen 6 erstrecken sich jeweils über die ganze Breite der Filtergasse 2, so daß jede Strömungstrajektorie jeweils zwangsläufig durch den zwischen derselben und der Abschiedeelektrode 1 liegenden Bereich geht.

Die Koronaelektroden 3 sind vorzugsweise zwischen 10 und 40 cm lang und folgen in Abständen von 20 bis 50 cm aufeinander. Durch die plattenförmige Ausbildung der Koronaelektroden 3 bildet sich in der Filtergasse 2 ein elektrisches Feld aus, das insbesondere in der Nähe der Abscheideelektrode 1 äußerst homogen ist und. Dies ist sehr gut aus Fig. 2a ersichtlich, wo Isolinien im Abstand von 2 kV desjenigen elektrischen Potentials eingezeichnet sind, welches sich bildet, während die Gleichspannung von 60 kV anliegt. Die Feldstärke im an die Abscheideelektrode 1 anschließenden Bereich beträgt ca. 2,4 kV/cm. An den Krümmunsgszonen 6 treten bei Anliegen der Gleichspannung noch keine Koronaentladungen auf. Wird derselben jedoch ein Spannungsimpuls von 26 kV überlagert, so bilden sich ausschließlich an den Krümmungszonen 6 Koronaentladungen, welche die für den Transport und die Abscheidung der staub- oder tröpfchenförmigen Verunreinigung erforderlichen Ladungsträger erzeugen. Diesen Fall zeigt Fig. 2b. Es sind ebenfalls Isolinien des elektrischen Potentials im Abstand von 2 kV dargestellt. Auch hier ist das Feld an der Abscheideelektrode 1 sehr homogen.

Die Produktion von Ladungsträgern kann weitgehend unabhängig von der Erzeugung des elektrischen Feldes durch mehrere Parameter beeinflußt werden. Insbesondere ist die Dichte der Krümmungszonen 6 in der Strömungsrichtung des Gases dafür maßgeblich. Sie kann durch den Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Koronaelektroden 3 und die Länge derselben in Strömungsrichtung beliebig eingestellt werden. Auch die Stärke der Koronaentladungen und die untere Grenzspannung für ihr Auftreten kann eingestellt werden, indem der Krümmungsradius in den Krümmungszonen 6 - im vorliegenden Fall der Radius der zylindrischen Umbördelungen - entsprechend gewählt wird. Neben dem konstruktiven Aufbau der Filteranordnung und insbesondere der Koronaelektroden 3 bietet auch die Speisung, insbesondere die Einstellung der Länge, Höhe und Repetitionsfrequenz der Spannungsimpulse die Möglichkeit, auf die Produktion von Ladungsträgern Einfluß zu nehmen. Aufbau und Speisung der Filteranordnung müssen so aufeinander abgestimmt werden, daß die gewünschte Funktionsweise - mit Koronabildung nur während der Spannungsimpulse und günstiger Ladungsträgerdichte - erzielt wird. Die Anordnung der Koronaelektroden 3 gemäß Fig. 1 ist nahezu ideal, was die Homogenität des elektrischen Feldes betrifft.

Bei Ausbildung der Filteranordnung nach Fig. 3 werden dagegen gleich ausgebildete Koronaelektroden 3 gegenüber der Strömungsrichtung schräggestellt, d. h. um eine zentrale, zu den Rändern der Platte 5 parallele Achse verdreht befestigt, und zwar abwechselnd in entgegengesetzte Richtung. Dadurch wird die effektive elektrische Gassenweite verringert. Die Schrägstellung der Koronaelektroden 3 eignet sich daher speziell für den Eingangsbereich oder für den Einsatz im Bereich von Abhitzekesseln, wo wegen raumladungsbedingter Koronaunterdrückung höhere Feldstärken für die Auslösung von Koronaentladungen erforderlich sind. Außerdem ist die Robustheit gegen Störungen und Montagetoleranzen höher.

Ähnliche Eigenschaften weist die Ausführung der Filteranordnung nach Fig. 4 auf. Sie ist mit Koronaelektroden 3 gemäß einer zweiten Ausführungsform versehen, welche jeweils eine rechteckige Mittelplatte 5a aufweisen, welche parallel zu den Abscheideelektroden 1 ausgerichtet ist und vorn und hinten in stumpfem Winkel nach entgegengesetzten Seiten von derselben abstehende kürzere Randplatten 5b, welche ebenfalls rechteckig sind. An ihren freien Rändern tragen die Randplatten 5b als Umbördelungen ausgebildete Krümmungszonen 6.

Die in ihrer Wirkung ähnliche Filteranordnung gemäß Fig. 5 weist Koronaelektroden 3 gemäß einer dritten Ausführungsform auf, bei welcher an die Mittelplatte 5a vorne und hinten jeweils symmetrisch zwei Randplatten 5b anschließen, welche V-förmig nach entgegengesetzten Seiten in stumpfem Winkel von der Mittelplatte 5a abstehen. An ihren freien Rändern tragen sämtliche Randplatten 5b als Umbördelungen ausgebildete Krümmungszonen 6. Durch die höhere Zahl von Krümmungszonen führt diese Ausbildung zu einer tendenziell höheren Produktion von Ladungsträgern.

Claims (18)

1. Koronaelektrode (3) für eine elektrostatische Filteranordnung zum Abscheiden von Verunreinigungen aus einem Gasstrom, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen im wesentlichen planen plattenförmigen Abschnitt umfaßt und mindestens eine sich über ihre ganze Höhe erstreckende schmale Krümmungszone (6) aufweist, in welcher ihre Oberfläche konvex gekrümmt ist.

2. Koronaelektrode (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Oberfläche im Bereich der Krümmungszone (6) zwischen 2 mm und 5 mm liegt.

3. Koronaelektrode (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungszone (6) die Form eines Zylindersektors aufweist.

4. Koronaelektrode (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungszone (6) jeweils an einem Rand eines plattenförmigen Abschnitts angeordnet ist.

5. Koronaelektrode (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungszone (6) durch eine Umbördelung am Rand des plattenförmigen Abschnitts hergestellt ist.

6. Koronaelektrode (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine plattenförmige Abschnitt aus 0,4-1,5 mm starkem Stahl- oder Aluminiumblech besteht.

7. Koronaelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als rechteckige Platte (5) ausgebildet ist.

8. Koronaelektrode (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine rechteckige Mittelplatte (5a) umfaßt, an deren vorderem und hinterem Rand jeweils mindestens eine in stumpfem Winkel abstehende rechteckige Randplatte (5b) anschließt.

9. Koronaelektrode (3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß am vorderen und hinteren Rand der Mittelplatte (5a) jeweils zwei nach entgegengesetzten Seiten in stumpfem Winkel abstehende rechteckige Randplatten (5b) anschließen.

10. Koronaelektrode (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Länge zwischen 10 cm und 40 cm beträgt.

11. Elektrostatische Filteranordnung zum Abscheiden von Verunreinigungen aus einem Gasstrom, mit mindestens zwei im wesentlichen planen Abscheideelektroden (1), welche zwischen sich eine Filtergasse (2) bilden, in der mehrere Koronaelektroden (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend etwa mittig angeordnet sind.

12. Elektrostatische Filteranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand aufeinanderfolgender Koronaelektroden (3) zwischen 20 cm und 50 cm beträgt.

13. Elektrostatische Filteranordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Koronaelektroden (3) gegenüber der Strömungsrichtung schräg gestellt sind.

14. Elektrostatische Filteranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägstellungen aufeinanderfolgender Koronaelektroden (3) gegensinnig sind.

15. Verfahren zum Betrieb einer elektrostatischen Filteranordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Koronaelektroden (3) und die Abscheideelektroden (1) eine im wesentlichen konstante negative Gleichspannung gelegt wird, wobei erstere den negativen Pol bilden, welche Gleichspannung von Spannungsimpulsen von gleicher Polung überlagert wird, wobei die Gleichspannung derart bemessen ist, daß sie keine Koronabildung verursacht, während die Spannungsimpulse jeweils zu Koronabildung ausschließlich in den Krümmungszonen (6) führen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung derart bemessen ist, daß zwischen den Spannungsimpulsen die Feldstärke in den an die Abscheideelektroden (1) anschließenden Bereichen der Filtergasse (2) mindestens 2 kV/cm beträgt.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsimpulse mit einer Frequenz von 10 bis 20 Hz aufeinanderfolgen.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsimpulse eine Länge von 10 bis 100 µs aufweisen.