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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von hochohmigen Partikeln aus einem Aerosol sowie einen Elektroabscheider.
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Hintergrund
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Elektroabscheider werden vielfach zur Abscheidung von Partikeln aus Gasströmen genutzt. Dabei spielt der spezifische elektrische Widerstand der Partikeln eine entscheidende Rolle für die Funktion des Elektroabscheiders. Generell wird angegeben, dass der spezifische elektrische Widerstand der Stäube im Bereich von 104 bis 1011 Ωcm liegen soll. Bei Stäuben mit einem höheren elektrischen Widerstand kommt es zum sogenannten Rücksprühen, und die Abscheidung wird stark gestört (Jawora et al., Journ. of Electrostatics 65 (2007), 133–155).
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Trotz vielfacher Versuche zur Lösung dieses Problems ist die Abscheidung hochohmiger Stäube mit dem Elektroabscheider nach wie vor nicht befriedigend gelöst.
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Weit verbreitet ist der Ansatz, hochohmige Stäube mithilfe einer gepulsten Hochspannung abzuscheiden (vgl.
US 4,138,233 ,
US 5,217,504 ). Dabei wird über eine spezielle Elektronik eine unipolare Hochspannung derart erzeugt, dass die Korona-Einsatzspannung mit jedem Puls nur kurzzeitig überschritten wird, während die meiste Zeit die Hochspannung nur einen Wert erreicht, der unterhalb der Korona-Einsatzspannung liegt. Nur während der kurzen Zeiträume, in denen die Korona-Einsatzspannung überschritten wird, kommt es zu einem Stromfluss und zur Aufladung der abzuscheidenden Teilchen. Insgesamt wird also die zeitlich gemittelte Stromdichte durch diese Maßnahme reduziert, und der Bereich der abscheidbaren Stäube kann bis zu spezifischen Staubwiderständen von etwa 10
13 Ωcm erweitert werden.
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Viele Stäube, die als Produkte in der chemischen Industrie oder in der Lebensmittelindustrie anfallen, haben aber wesentlich höhere spezifische Widerstände von bis zu 1016 Ωcm und sind mit diesem Verfahren nach wie vor nicht abscheidbar.
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Im Dokument
EP 2 298 450 A1 ist ein anderer Ansatz zur Abscheidung hochohmiger Stäube beschrieben. Hierbei wird die Sprühelektrode bei einer Spannung unterhalb der Korona-Einsatzspannung betrieben. Zusätzlich wird eine Hilfsenergie zugeführt, mit der die Ladungen aus der Sprühelektrode genau dosiert freigesetzt werden können. Damit können noch wesentlich geringere Stromdichten eingestellt werden als mit der gepulsten Hochspannungsversorgung. Aber die Zuführung der Hilfsenergie, zum Beispiel über eine Barriereentladung, erfordert einen hohen apparativen Aufwand.
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Neben Elektroabscheidern, die mit Gleichspannung oder mit gepulster Gleichspannung (DC) arbeiten, sind auch Elektroabscheider bekannt, die mit Wechselspannung (AC) betrieben werden. Yasumoto et al. (ICESP X, Juni 2006, Paper 2B2) beschreiben einen zweistufigen Elektroabscheider für elektrisch leitfähige Nanoteilchen, zum Beispiel Ruß. In der ersten Stufe werden die Nanoteilchen mit einer DC-Koronaentladung zunächst unipolar aufgeladen. Die geladenen Teilchen treten in ein Plattenpaket ein, wobei zwischen den Platten eine Wechselspannung anliegt. Die Wechselspannung verhindert, dass die Teilchen sich in Form von kettenförmigen Agglomeraten oder Dendriten an die Platten anlagern und dann von der Strömung abgerissen werden können. Vielmehr werden die Dendriten durch die Wechselspannung umgelagert zu kompakten Partikelschichten, die wesentlich besser auf den Niederschlagselektroden haften. Dadurch kann die Abscheidewirkung für elektrisch leitfähige Nanoteilchen deutlich verbessert werden.
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In einem Manuskript von Dzmura et al. („Solid particles separation from smoke streams with the help of electrostatic precipitators powered by AC voltage", http://home.zcu.cz/~tesarova/IP/Proceedings/Proc_2005/Files/67-71%20Dzmura_Petras_Balogh.pdf, abgerufen am 11.02.2014) wird eine Wechselspannung von 50 Hz eingesetzt, um ebenfalls niederohmige Stäube im Widerstandsbereich von 102 bis 108 Ωcm auf einer Niederschlagselektrode mit einem dielektrischen Belag abzuscheiden. Alternativ kann der dielektrische Belag auf der Sprühelektrode angebracht werden.
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Eine Anwendung von Wechselspannung in Koronaentladungen hat die Agglomeration von feinen Aerosolen zum Ziel, um die nachfolgende Abscheidung zu erleichtern (Jawora et al., Journ. of Electrostatics 65 (2007), 133–155).
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Zusammenfassung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abscheiden von hochohmigen Partikeln aus einem Aerosol in einem Elektroabscheider sowie einen Elektroabscheider anzugeben, die bei möglichst geringem Aufwand, insbesondere hinsichtlich des Aufbaus des Elektroabscheiders, eine effiziente Abscheidung ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird löst durch ein Verfahren zum Abscheiden von hochohmigen Partikeln aus einem Aerosol in einem Elektroabscheider nach dem unabhängigen Anspruch 1. Weiterhin ist ein Elektroabscheider nach dem unabhängigen Anspruch 12 geschaffen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt ist ein Verfahren zum Abscheiden von hochohmigen Partikeln aus einem Aerosol in einem Elektroabscheider geschaffen. Der Elektroabscheider weist eine Sprühelektrode und eine Niederschlagselektrode auf. Bei dem Verfahren wird ein elektrisches Hochspannungsfeld zwischen der Sprühelektrode und der Niederschlagselektrode mittels einer an die Sprühelektrode angeschlossenen Hochspannungsversorgung erzeugt. Nach dem Einbringen eines Aerosols mit den abzuscheidenden Partikeln, die einen spezifischen elektrischen Widerstand von wenigstens 1011 Ωcm aufweisen, in dem elektrischen Hochspannungsfeld werden die Partikel elektrisch aufgeladen, insbesondere aufgrund statischer Aufladung. Die auf der Niederschlagselektrode abgeschiedenen Partikel werden mittels Abreinigen entfernt, was in zeitlichen Abständen wiederholt erfolgen kann. Die elektrisch aufgeladenen Partikel werden auf der Niederschlagselektrode abgeschieden. Mittels der Hochspannungsversorgung an der Sprühelektrode wird das elektrische Hochspannungsfeld mit wechselnder positiver und negativer Polarität mit einer Frequenz von 10 Hz bis 0,01 Hz erzeugt.
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Nach einem weiteren Aspekt ist ein Elektroabscheider zum Abscheiden von hochohmigen Partikeln mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von wenigstens 1011 Ωcm aus einem Aerosol geschaffen. Der Elektroabscheider weist eine Sprühelektrode, eine Niederschlagselektrode und eine an die Sprühelektrode angeschlossene Hochspannungsversorgung auf, die eingerichtet ist, ein elektrisches Hochspannungsfeld zwischen der Sprühelektrode und der Niederschlagselektrode mit wechselnder positiver und negativer Polarität mit einer Frequenz von 10 Hz bis 0,01 Hz zu erzeugen.
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Es wird ein niederfrequentes elektrisches Hochspannungsfeld genutzt, um die Elektroabscheidung zu bewirken. Hierbei kann eine abwechselnde Freisetzung von positiven und negativen Ladungen an der Sprühelektrode erzeugt werden.
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Bevorzugt weisen die Partikel des Aerosols einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1011 Ωcm bis 1016 Ωcm auf. Allgemein kann vorgesehen sein, dass die Partikel des Aerosols einen spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 1011 Ωcm aufweisen.
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Bei positiver und bei negativer Polarität des elektrischen Hochspannungsfeldes kann eine Einsatzspannung für eine Koronaentladung in dem Aerosol erreicht werden. Alternativ kann eine Steuerung der Hochspannungsversorgung vorgesehen sein, bei der die Einsatzspannung für die Koronaentladung nur bei einer Polarität erreicht wird, insbesondere positiver Polarität.
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Es kann vorgesehen sein, dass das elektrische Hochspannungsfeld mit wechselnder positiver und negativer Polarität mit einer Frequenz von 5 Hz bis 0,01 Hz erzeugt wird.
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In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das elektrische Hochspannungsfeld mit wechselnder positiver und negativer Polarität mit einer Frequenz von 1 Hz bis 0,01 Hz erzeugt wird.
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Für die mittels der Hochspannungsversorgung bereitgestellte Hochspannung können maximale Amplituden bei der positiven und der negativen Polarität verschieden sein. Die bereitgestellte Hochspannung weist dann verschiedene Maximalamplituden bei den beiden Polaritäten auf. Alternativ kann eine Steuerung der Hochspannungsversorgung vorgesehen sein, bei der die maximalen Amplituden für beide Polaritäten im Rahmen der Fehlertoleranz der Hochspannungsversorgung gleich sind.
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Es kann vorgesehen sein, dass für die mittels der Hochspannungsversorgung bereitgestellte Hochspannung Amplituden einen nichtsymmetrischen Verlauf bei der positiven und der negativen Polarität aufweisen. Die Halbwellen bei den beiden Polaritäten weisen dann einen nichtsymmetrischen Verlauf auf. Alternativ kann eine Steuerung der Hochspannungsversorgung vorgesehen sein, bei der die Amplituden einen symmetrischen Verlauf bei der positiven und der negativen Polarität aufweisen.
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Für die mittels der Hochspannungsversorgung bereitgestellte Hochspannung können Periodendauern bei der positiven und der negativen Polarität verschieden sind. Alternativ können gleiche Periodendauern genutzt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass vor einem Abreinigen, bei dem sich die elektrisch aufgeladenen Partikel auf der Niederschlagselektrode abscheiden, die mittels der Hochspannungsversorgung bereitgestellte Hochspannung im Vergleich zu einer vorherigen Prozessphase reduziert wird.
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Eine letzte Halbwelle der mittels der Hochspannungsversorgung bereitgestellten Hochspannung kann vor dem Abreinigen im Vergleich zu Halbwellen der vorherigen Prozessphase verkürzt werden.
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Die mittels der Hochspannungsversorgung bereitgestellte Hochspannung kann für die positive und die negative Polarität unabhängig voneinander regelbar ist.
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Die Partikel in dem Aerosol können Bestandteil eines hochohmigen Staubes sein.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine grafische Darstellung für eine Stromdichte i als Funktion der Periodendauer r, über die eine Spannung U an einer hochohmigen Staubschicht mit der Dicke s anliegt,
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2a eine schematische Darstellung für verschiedene Kurvenformen einer Hochspannungsversorgung wechselnder Polarität,
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2b eine schematische Darstellung einer Dreiecksform einer Hochspannungsversorgung wechselnder Polarität zum Elektroabscheiden,
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2c eine schematische Darstellung für den Verlauf einer asymmetrischen Wechselspannung,
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3a eine schematische Darstellung für einen zeitlichen Verlauf einer Hochspannung vor, während und nach einer Abreinigung,
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3b eine schematische Darstellung für eine zeitliche Verkürzung einer letzte Halbwelle vor einer Unterbrechung der Hochspannungsversorgung für die Abreinigung und
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4 eine schematische Darstellung eines Elektroabscheiders.
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1 zeigt die Stromdichte i als Funktion der Periodendauer τ, über die die Spannung U an einer hochohmigen Staubschicht mit der Dicke s anliegt. Man erkennt, dass der Staub mit abnehmender Periodendauer τ immer mehr Strom durchlässt, also niederohmiger wird. Stäube, die sonst als hochohmig gelten, zeigen in diesem Bereich von Frequenzen f = 1/τ = 10 Hz bis 0,01 Hz kein hochohmiges Verhalten mehr. Vielmehr ist der spezifische Widerstand bei diesen AC Frequenzen um mehrere Größenordnungen geringer als bei Gleichspannung.
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Die Erfindung berücksichtigt aber auch, dass eine zu hohe Frequenz der AC Hochspannung nachteilig sein kann für die Partikelabscheidung. Bei einer zu hohen Frequenz bewegen sich Staubteilchen oszillierend in der Gasströmung zwischen der Sprühelektrode und der Niederschlagselektrode, werden aber nur wenig abgeschieden. Erfindungsgemäß kann aber eine gute Abscheidung erreicht werden, wenn Frequenzen unter 5 Hz, vorzugsweise sogar höchstens 1 Hz, eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist daher der Frequenzbereich von etwa 0,01 Hz bis etwa 1 Hz.
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Verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten betreffen die Kurvenform der AC Hochspannung. 2a zeigt verschiedene geeignete Kurvenformen. Grundsätzlich ist jede Form von periodischen Wechselspannungen geeignet, so zum Beispiel eine sinusförmige Wechselspannung, eine rechteckige Wechselspannung, eine trapezförmige Wechselspannung oder eine Pulsfolge mit wechselndem Vorzeichen. Dabei wird die Frequenz f = 1/τ wie oben beschrieben bemessen. Die Amplitude Umax soll so gewählt werden, dass die Einsatzspannungen der Koronaentladung, U0– für die positive Korona bzw. U0– für die negative Korona, erreicht oder überschritten werden. Somit erfolgt bei beiden Polaritäten eine gute Aufladung und Abscheidung der Teilchen.
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Eine für die Anwendung zur Abscheidung hochohmiger Stäube besonders geeignete Kurvenform zeigt 2b. Durch die Dreiecksform mit besonders hohen Spannungen U direkt nach dem Nulldurchgang werden die noch abzuscheidenden Staubteilchen besonders schnell auf die neue Polarität umgeladen, und die Abscheidung ist besonders effizient.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung besteht in der Anwendung einer asymmetrischen Wechselspannung. 2c zeigt beispielhaft zwei Varianten hiervon. Asymmetrische Wechselspannungen werden bevorzugt in der Weise eingesetzt, dass die positiven Spannungswerte höher gewählt werden und/oder länger andauern als die negativen Spannungswerte. Da die positive Korona deutlich weniger Ozon erzeugt als die negative Korona, kann auf diese Weise die Ozonbildung minimiert werden. Eine asymmetrische Wechselspannung ist daher besonders geeignet, um Stäube abzuscheiden, die durch die Reaktion mit Ozon geschädigt werden können, wie dies zum Beispiel für Lebensmittel oder für chemische Produkte der Fall ist. In einer besonderen Ausgestaltung dieser Variante kann die Amplitude in der negativen Halbperiode so gering gehalten werden, dass die negative Korona-Einsatzspannung U0– nicht erreicht wird.
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Ein weiteres Problem bei der Abscheidung hochohmiger Stäube mit dem Elektroabscheider kann darin bestehen, dass die auf der Niederschlagselektrode abgeschiedenen Stäube ihre elektrischen Ladungen nur sehr langsam abgeben und deshalb sehr stark an der Niederschlagselektrode haften. Dies kann die Abreinigung der Niederschlagselektrode sehr stark erschweren. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, die Hochspannung während der Abreinigung zu unterbrechen und die Spannungsführung unmittelbar vor der Unterbrechung so zu verändern, dass die Staubschicht auf der Niederschlagselektrode in einen möglichst wenig geladenen Zustand versetzt wird.
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3a zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf der Hochspannung vor, während und nach der Durchführung einer Abreinigung. Die Abreinigung beginnt zum Zeitpunkt t1 und endet zum Zeitpunkt t2. Bereits vor dem Beginn der Abreinigung kann die Amplitude der alternierenden Hochspannung allmählich abgesenkt werden, um während der Zeitdauer der Abreinigung eine möglichst gering geladene Staubschicht zu erhalten. 3b zeigt, dass die letzte Halbwelle vor der Unterbrechung zwecks Abreinigung zeitlich verkürzt werden kann, um die Staubschicht in einen möglichst gering aufgeladenen Zustand zu versetzen.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Elektroabscheider. Schematisch dargestellt ist ein Elektroabscheider in Draht-Rohr-Bauart mit einer drahtförmigen Sprühelektrode 41 und einer rohrförmigen Niederschlagselektrode 43, einem Eintritt für das Rohgas 45 und einem Austritt für das Reingas 47. Die Sprühelektrode 41 ist verbunden mit einer Hochspannungsversorgung 50, die eine Hochspannung mit niederfrequent wechselnder Polarität 51 erzeugt. Weiterhin vorgesehen ist eine Steuereinheit 53, die die Abreinigungsvorrichtung 55 auslöst und in Verbindung mit der Auslösung der Abreinigung die Hochspannungserzeugung unterbricht oder modifiziert.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4138233 [0004]
- US 5217504 [0004]
- EP 2298450 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Jawora et al., Journ. of Electrostatics 65 (2007), 133–155 [0002]
- Yasumoto et al. (ICESP X, Juni 2006, Paper 2B2) [0007]
- Dzmura et al. („Solid particles separation from smoke streams with the help of electrostatic precipitators powered by AC voltage”, http://home.zcu.cz/~tesarova/IP/Proceedings/Proc_2005/Files/67-71%20Dzmura_Petras_Balogh.pdf, abgerufen am 11.02.2014) [0008]
- Jawora et al., Journ. of Electrostatics 65 (2007), 133–155 [0009]
