DE10319351A1

DE10319351A1 - Vorrichtung und Verfahren zur kombinierten Abscheidung von Aerosolen, gasförmigen Komponenten und Gerüchen

Info

Publication number: DE10319351A1
Application number: DE2003119351
Authority: DE
Inventors: Ulrich Riebel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-04-29
Filing date: 2003-04-29
Publication date: 2004-11-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Abscheiden von Partikeln und gasförmigen Komponenten aus einer Gasströmung unter Verwendung eines Elektroabscheiders, wobei die Niederschlagselektrode als eine poröse, zum Entladungskanal hin offene Struktur mit einer durch Flüssigkeit benetzten Oberfläche ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Anmeldung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kombinierten Abscheidung von Aerosolen, gasförmigen Komponenten und Gerüchen.

Elektroabscheider werden eingesetzt, um Aerosole aus Gasen abzuscheiden. Soweit es sich dabei um feste Aerosole (Stäube) handelt, müssen die Niederschlagselektroden zur Entfernung der abgeschiedenen Stäube regelmäßig abgereinigt werden, da zu starke Staubablagerungen die Funktion des Elektroabscheiders beeinträchtigen. Ein bekanntes Verfahren hierfür sind die Nass- Elektroabscheider, bei denen die Elektroden durch Bespülen oder Besprühen mit einer Flüssigkeit gereinigt werden. Nass-Elektroabscheider sind besonders auch zur Abscheidung von stark anhaftenden oder klebrigen Stäuben geeignet.

Berieselte Schüttungen oder Packungen sind bekanntermaßen geeignet, um gasförmige Verunreinigungen aus einer Gasströmung abzuscheiden. In den meisten Fällen geschieht dies, indem die gasförmigen Verunreinigungen in der Flüssigkeit absorbiert oder durch eine chemische Reaktion gebunden werden. Daneben sind auch Vorrichtungen bekannt, bei denen die berieselte Schüttung oder Packung mit einem Biofilm bewachsen ist, der biologisch abbaubare Gase aufnimmt. Solche Abscheider werden insbesondere auch zur Geruchsminderung eingesetzt, wie beispielsweise in Klaus Görner, Kurt Hübner (Hrsg.): Gasreinigung und Luftreinhaltung, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg 2002 beschrieben.

Weiterhin ist auch ein Verfahren zur Reinigung von Abgasen bekannt, bei dem die Wirkungsprinzipien des Elektroabscheiders und der berieselten Schüttung kombiniert sind. Beim Ionisationswäscher der Fa. Ceilcote Luftreinhaltung/Air-Cure wird die zu reinigende Abgasströmung jeweils mehrmals nacheinander durch einen Platten-Elektroabscheider und durch eine berieselte Schüttung hindurchgeführt (vgl. M. Griem Nassabscheider mit Ionisationsstufe, Technische Mitteilungen (Vulkan Verlag, Essen) 76 (1983), 459–461). Dabei wird das Aerosol überwiegend auf den Niederschlagselektroden abgeschieden, aber ein Anteil von geladenen Aerosolteilchen wird durch die Strömung bis in die berieselte Schüttung getragen und dort abgeschieden. Dagegen ist die Schüttung so weit von den Elektroden entfernt, dass keine Beeinflussung der Stoffaustauschvorgänge in der berieselten Schüttung durch die elektrische Entladung zu erwarten ist.

Weiterhin wird der Elektroabscheider bei diesem Verfahren als ein Platten-Elektroabscheider ausgeführt, so dass jeweils ein Teilstrom des Abgases oberhalb bzw. unterhalb des Abscheiders passieren kann. Daher müssen mehrere Stufen in Reihe geschaltet werden, um gute Abscheidegrade für das Aerosol zu erreichen.

In M. Siebenhofer: Aerosolabscheidung durch Ionisationswäscher, Chemieingenieurtechnik 63 (1991), 904–910 ist ein Nass-Elektroabscheider mit bespülter Platte beschrieben. Dabei wird jedoch nur der Aspekt der Aerosolabscheidung berücksichtigt. Der Aspekt des Stoffübergangs und seiner möglichen Beeinflussung durch die elektrische Entladung wird nicht erwrähnt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kombinierten Abscheidung von Aerosolen, gasförmigen Komponenten und Gerüchen zu schaffen.

Die Lösung ergibt sich aus den Ansprüchen.

In der vorliegenden Erfindung werden die bekannten Wirkungsprinzipien des Elektroabscheiders und der chemischen bzw. biologischen Gaswäsche mittels einer berieselten Schüttung in einer neuartigen, besonders wirksamen Weise miteinander kombiniert:
Der von der Sprühelektrode des Elektroabscheiders ausgehende elektrische Wind erzeugt – unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit – eine auf die Oberflä che der Packung hin gerichtete Sekundärströmung mit starken Turbulenzen. Dabei erfolgt, bis tief in die Packung hinein, ein intensiver Austausch zwischen der äußeren Gasströmung und dem in den Poren der Packung befindlichen Gas. 1 skizziert, wie der von einer Sprühelektrode ausgehende elektrische Wind in eine Packung eintritt und den Austausch des Gases zwischen Packung und Entladungskanal bewirkt.

Dieser Effekt wird erstens genutzt, um bereits aufgeladene Aerosolteilchen in die poröse Schüttung oder Packung hinein zu transportieren. In der porösen Packung erfolgt eine schnelle Abscheidung der geladenen Teilchen, und diese werden durch den Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche der Packung gebunden, so dass eine Wiederaustragung nicht möglich ist.

Zweitens erhöhen die mit dem elektrischen Wind und mit dem Abbau der Raumladungen verbundenen Turbulenzen den Stoffaustausch zwischen der benetzten Packungsoberfläche und der Gasphase sehr stark. Dadurch kann mit einer vergleichsweise (d.h. an der üblichen Auslegung von Rieselfilmreaktoren gemessen) kleinen Packungsoberfläche eine sehr gute Abscheidung von unerwünschten gasförmigen Komponenten aus der Gasströmung erreicht werden.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich auf der Oberfläche einer solchen Packung auch ein Biofilm entwickeln kann, obwohl das in elektrischen Entladungen stets entstehende Ozon üblicherweise als wirksames Desinfektionsmittel bekannt ist. Damit eignet sich die Erfindung auch zur Abscheidung von organischen Dämp fen und Gerüchen aus Abgasen, wobei der biologische Abbau dieser Komponenten durch chemische Reaktionen mit dem Ozon unterstützt werden kann.

Für erste Versuche wurde ein Modell-Abgases bestehend aus Luft mit feinem Aerosol und mit Isopropanol – Dämpfen (ca.. 35 ppm) benutzt, um die Leistungsfähigkeit einer Anordnung entsprechend 2 zu untersuchen. Das Isopropanol kann dabei durch einen auf der feuchten Schüttung aufgewachsenen Biofilm abgebaut werden, sofern die Strömung in die Schüttung eindringt. 3 zeigt die Konzentration von Isopropanol (IP) im Reingas, wobei die anliegende Hochspannung variiert wurde. Ohne anliegende Hochspannung (0 kV) wird nur ein geringer Anteil des Isopropanols abgeschieden, während mit zunehmender Hochspannung die Abscheidung zunehmend besser wird und bei 35 kV schon über 90% erreicht. Die periodischen Konzentrationsschwankungen sind durch eine Schwallspülung mit einer Periodendauer von ca. 10 min entstanden. Ab dem Zeitpunkt 5,7 h wurden die Versuche ohne Spülung der Schüttung wiederholt. Zugleich mit dem Abbau der organischen Komponente aus der Gasphase konnten auch extrem hohe Abscheideleistungen für das Aerosol erreicht werden.

Erfindungsgemäß werden die synergetischen Effekte zwischen der Aerosolabscheidung durch die elektrische Entladung einerseits und dem Stoffübergang an der befeuchteten Schüttung oder Packung durch die Kombination der folgenden Schritte besonders effektiv genutzt:

1. Das Rohgas mit dem abzuscheidenden Aerosol und den enthaltenen gasförmigen Komponenten wird durch einen oder mehrere parallele Entladungskanäle geleitet. Die Kanäle haben vorzugsweise einen runden oder schlitzförmigen Querschnitt und können horizontal, vertikal oder schräg verlaufen.
2. Die Entladungskanäle sind in eine poröse, hoch durchlässige Schüttung oder Packung eingelassen. Dabei ist die Kanalwandung nicht massiv, sondern der Entladungskanal steht über eine durchlässige Begrenzung mit der Schüttung oder Packung in Verbindung.
3. Jeder Kanal enthält mindestens eine Sprühelektrode zur Aufladung der Staubteilchen und zur Erzeugung des elektrischen Feldes, wobei die Kanalwand mit der dahinterliegenden Schüttung zugleich als Niederschlagselektrode dient.
4. Die Schüttung oder Packung und die Begrenzung des Entladungskanals werden durch eine Berieselung oder Spülung kontinuierlich oder intermittierend mit Flüssigkeit benetzt. Bei der Flüssigkeit kann es sich um eine reine Flüssigkeit handeln, um eine Suspension von Feststoffen oder Mikroorganismen, oder um eine Lösung von Chemikalien, die unerwünschte gasförmige Komponenten aus der Gasströmung absorbieren oder entfernen kann. Auf der benetzten Schüttung oder Packung kann sich auch ein Biofilm ausbilden, der gasförmige Komponenten aus dem Rohgas aufnehmen und abbauen kann.
5. Die durch die Sprühelektrode bei anliegender Hochspannung erzeugten turbulenten Strömungen (bekannt als „elektrischer Wind") können durch die durchlässige Begrenzung des Entladungskanals in die Schüttung oder Packung eintreten. Der elektrische Wind ermöglicht dabei einen besonders intensiven Stoffaustausch zwischen der Oberfläche der Schüttung oder Packung und dem Gas.
6. Die durch die elektrische Entladung aufgeladenen Aerosolteilchen werden an der Begrenzung des Entladungskanals und in der angrenzenden Schüttung abgelagert. Durch die Berieselung oder Spülung werden die abgelagerten Teilchen kontinuierlich oder intermittierend aus der Schüttung entfernt. Zugleich kann die Spülung auch übermäßig dicke Biofilme abtragen.
7. Die für die Spülung eingesetzte Flüssigkeit wird vorzugsweise im Kreislauf geführt. Dabei wird die Flüssigkeit durch die Zudosierung von frischer Flüssigkeit, Chemikalien und oder Nährstoffen und durch die Entnahme der aus dem Rohgas abgeschiedenen Stoffe bzw. der überschüssigen Biomasse in einem Zustand erhalten, der für die Gasreinigung optimal ist.
8. Das in den Abscheiden eintretende Rohgas kann in einem als Zusatzaggregat vorgeschalteten Trockner genutzt werden, um die aus dem Abscheider entnommene Kreislaufflüssigkeit bzw. Suspension einzudicken oder zu trocknen und so eine kostengünstige Entsorgung zu ermöglichen.
9. Das aus dem Abscheider austretende Reingas enthält normalerweise noch Ozon, das in der elektrischen Entladung entstanden ist, sowie hohe Feuchtigkeitsgehalte, die durch Verdunstung der Spülflüssigkeit zustande kommen. Wenn das Reingas innerhalb eines Gebäudes, z. B. innerhalb einer Produktionshalle, rezirkuliert werden soll, können diese Komponenten durch Katalysatoren zur Ozonzerstörung und einen Gastrockner entfernt werden.

Das Prinzip der kombinierten Abscheidung kann auch auf der Basis eines Plattenelektroabscheiders realisiert werden, wobei die üblichen, trocken oder nass abgereinigten Niederschlagselektroden ersetzt werden durch eine befeuchtete, zu den Gasen hin offene Packung bzw. Schüttung. Allerdings sind solche Konstruktionen weniger vorteilhaft, da Teile der Strömung an der Abscheidezone vorbei gelangen können, so dass hohe Gesamtabscheidegrade für Aerosole und gasförmige Komponenten nur mit mehrstufigen Anlagen erreicht werden können.

In gewissen Anwendungsfällen ist es auch möglich, zur Berieselung der Packung ein Abwasser zu verwenden und dabei zugleich die in diesem Abwasser enthaltenen Stoffe biologisch und oxidativ abzubauen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen.
2 zeigt einen einfachen bioelektrischen Wäscher mit nur einem, vertikal verlaufenden Entladungskanal 1 und der darin befindlichen Sprühelektrode 11 mit Hochspannungsversorgung 10. Der Entladungskanal ist umgeben von einer porö sen Schüttung oder Packung 20, die durch einen Flüssigkeitsverteiler 30 von oben her berieselt wird. Die ablaufende Flüssigkeit wird in einem Sumpfbehälter 35 aufgefangen und durch eine Pumpe 40 wieder zum Flüssigkeitsverteiler zurückgeführt. Das in den Apparat eintretende Rohgas 50 wird hier vorteilhaft im Gegenstrom zur Berieslungsflüssigkeit geführt und tritt oben am Reingasstutzen 55 aus der Apparatur aus. Eine Gleichstromführung ist aber ebenfalls möglich.
Die Qualität der austretenden Reingases kann durch Sensoren für gasförmige Komponenten einschließlich Ozon und für Aerosole überwacht werden.
Füllhöhe und Zusammensetzung der im Sumpf befindlichen Flüssigkeit können ebenfalls mit Hilfe von Sensoren überwacht und geregelt werden. Flüssigkeit, Chemikalien und Nährstoffe können bei Bedarf zudosiert werden. Durch eine zusätzliche Belüftung des Sumpfbehälters kann der biologische Abbau von organischen Inhaltsstoffen der Sumpfflüssigkeit beschleunigt werden.
Im Sumpfbehälter anfallende Feststoffe, Schlämme oder gelöste Schadstoffe können über ein Ventil, einen Überlauf oder eine Pumpe als Suspension ausgetragen werden. Die Suspension kann aber auch in trockene Form überführt werden, um Kosten für die Entsorgung zu sparen. Besonders vorteilhaft kann es sein, die zu trocknende Suspension in einem Trockner direkt mit dem Rohgasstrom in Kontakt zu bringen.
4 zeigt eine andere Konfiguration mit mehreren länglichen Entladungskanälen 1, die horizontal durchströmt werden und mit passenden Sprühelektroden 11 aus gestattet sind. Die Sprühelektroden können hier z. B. aus dünnen Drähten bestehen, die in Rahmen gespannt sind. Die Berieselung oder Spülung erfolgt auch hier von oben, wobei ein Abweiseblech 31 verhindert, dass die Spülflüssigkeit direkt auf die Sprühelektroden tropft und dadurch elektrische Überschläge hervorruft.
5a zeigt einen Schnitt durch eine Schüttung oder Packung 20 mit mehreren Entladungskanälen 1 von rundem Querschnitt und mit bandförmigen Sprühelektroden 12, die so angeordnet sind, dass der elektrische Wind zu einer gerichteten Durchströmung der porösen Schüttung zwischen den Strömungskanälen führt.
Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung einer gerichteten Anströmung des elektrischen Windes auf die poröse Schüttung oder Packung besteht darin, dass die Sprühelektroden 12 außermittig im Entladungskanal 1 angeordnet werden, siehe 5b.
Zur Unterstützung des elektrischen Windes kann auch die kinetische Energie der Hauptströmung im Entladungskanal genutzt werden, um die Durchströmung der Schüttung oder Packung zu unterstützen. Hierzu kann das die Schüttung zum Entladungskanal hin begrenzende Lochblech geeignet strukturiert werden. 6 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführung des Lochbleches 15, welches die poröse Schüttung 20 gegen den Entladungskanal 1 abgrenzt. Durch die entgegen und mit der Haupt-Strömungsrichtung gerichteten Öffnungen wird die Zirkulation der Strömung durch die poröse Schüttung unterstützt.
Eine andere Möglichkeit zum Erreichen dieses Ziels besteht darin, dass die poröse Packung mit Strömungskanälen versehen wird, die zum Entladungskanal hin offen sind und schräg zur Strömung im Entladungskanal ausgerichtet sind.
7 zeigt ein Beispiel für eine poröse Packung mit einer Struktur, die die Zirkulation der Strömung durch die poröse Schüttung unterstützt.

Claims

Vorrichtung zum gleichzeitigen Abscheiden von Partikeln und gasförmigen Komponenten aus einer Gasströmung unter Verwendung eines Elektroabscheiders, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederschlagselektrode ausgebildet ist als eine poröse, zum Entladungskanal hin offene Struktur mit einer durch Flüssigkeit benetzten Oberfläche.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens einen längsdurchströmten Entladungskanal und mindestens eine im Zentrum des Kanals angeordneten Sprühelektrode.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur gebildet wird durch eine Schüttung von Füllkörpern, die durch ein Gitter oder Lochblech mit dem Entladungskanal in Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur gebildet wird durch eine Packung, die zum Entladungskanal hin offen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur realisiert wird durch Noppen oder Rippen, die die Oberfläche des Entladungskanal vergrößern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der porösen Struktur Vorrichtungen wie z.B. schräg angestellte Leitbleche oder Bohrungen enthält, die ein Eindringen der Strömung in die poröse Struktur begünstigen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur grobe Poren im Größenbereich von ca. 5 mm bis ca. 100 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die groben Poren eine fein strukturierte Oberfläche mit Strukturen oder Poren im Größenbereich von ca. 1 μm bis ca. 5 mm aufweisen, die die Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten verbessern und das Aufwachsen eines Biofilms erleichtern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der porösen Struktur mit einem Biofilm bewachsen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Berieseln oder Spülen verwendete Flüssigkeit die aus der Gasströmung abzuscheidenden gasförmigen Komponenten absorbieren oder durch eine chemische Reaktion binden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die im Entladungskanal befindliche Sprühelektrode so konstruiert ist, dass der elektrische Wind eine gerichtete Durchströmung der porösen Struktur bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühelektrode Spitzen besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühelektrode einen bandförmigen oder sternförmigen Querschnitt besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Sprühelektroden außermittig im Entladungskanal angebracht sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Entladungskanäle in vertikaler Richtung durch die poröse Struktur verlaufen.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Entladungskanal in horizontaler Richtung durch die poröse Struktur verlaufen.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur kontinuierlich mit Flüssigkeit berieselt oder besprüht wird.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur intermittierend mit Flüssigkeit gespült wird, um Ablagerungen oder Verstopfungen in der porösen Struktur zu entfernen.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur kontinuierlich mit Flüssigkeit berieselt oder besprüht und zugleich intermittierend mit einer größeren Menge an Flüssigkeit gespült wird, um Ablagerungen oder Verstopfungen in der porösen Struktur zu entfernen.