DE19540045A1 - Filterelement - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf ein Filterelement aus gasdurch­ lässigem Material mit das Filterelement durchsetzenden Kanä­ len, wobei zumindest die Kanalwände Katalysatormaterial ent­ halten oder aus Katalysatormaterial bestehen.

Die Erfindung geht dabei aus von einem Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus dem Buch von Karl Joachim Thome- Kozmiensky "Thermische Abfallbehandlung", EF-Verl. für Ener­ gie- und Umwelttechnik, Berlin, 2. Auflage 1994, Seiten 555-559, insbesondere Bild 9.141 auf Seite 556) ergibt.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

Die Reinigung von Abgasen aus Verbrennungsprozessen, wie z. B. Kohleverbrennung oder Müllverbrennung erfordert eine Verminde­ rung von partikel- und gasförmigen Schadstoffen. Das Abschei­ den partikelförmiger Schadstoffe erfolgt meist in elektrosta­ tischen Filtern oder in Oberflächenfiltern. Die Verminderung gasförmiger Schadstoffe kann durch Katalysatoren erreicht wer­ den. So wird z. B. zur Reduktion des NOx-Ausstoßes oft eine katalytisch beschichtete Wabenstruktur verwendet (Karl Joachim Thome-Kozmiensky "Thermische Abfallbehandlung", EF-Verl. für Energie- und Umwelttechnik, Berlin, 2. Auflage 1994, Seiten 555-559, insbesondere Bild 9.141 auf Seite 556). Abgasreini­ gungsanlagen besitzen meist ein sehr großes Bauvolumen. Eine Kombination beider Prozesse - Staubfiltration und katalytische Behandlung des Prozeßgases - und damit eine erhebliche Ver­ kleinerung des Bauvolumens ist daher anzustreben.

In der Literatur wurden nun Oberflächenfilter vorgeschlagen, die einen Katalysator enthalten bzw. mit einem solchen be­ schichtet sind (vgl. Kalinowsky et al. "Catalytic filter bags", Konferenzbericht des Joint Symposium on Stationary Com­ busstion Nitrogen Oxide Control EPRI-GS-6423-Vol. 2 CONF- 890318-Vol. 2 July 1989, pp. 8.9-8.13). Die Filter werden dann bei einer Abgastemperatur betrieben, die gleichzeitig für die katalytischen Prozesse geeignet ist, z. B. bei 300 bis 450°C im Falle der katalytischen Reduktion von NOx.

Soweit Filtergeometrien in der Literatur spezifiziert sind, handelt es sich dabei um Filterkerzen oder Wabenfilter. Letz­ tere lassen sich geometrisch aus einer Katalysatorwabe ablei­ ten, indem alternierend jeder der beidseitig offenen Längskanäle durch die Wabe entweder auf der Zustromseite oder der Abstromseite des Filters verschlossen wird, so daß Gas durch die Wände zwischen den Kanälen hindurchtreten muß, um den Wabenkörper zu passieren.

Wabenkörper erlauben zwar einen kompakten Filteraufbau, sie haben jedoch den Nachteil, daß sie schwierig vom abgeschie­ denen Staub zu reinigen sind, und daß die Wahl der Herstel­ lungsmöglichkeiten begrenzt ist. Bisher beruht die Herstellung von Filterwaben im wesentlichen auf der Extrusion und nachfol­ genden Sinterung keramischer Massen (vgl. "Thome-Kozmiensky a.a.O. Seite 556, linke Spalte, letzter Absatz), und das nach­ trägliche Verschließen der Kanäle gestaltet sich sehr aufwen­ dig.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement der eingangs genannten Gattung zu schaffen, daß einfach her­ zustellen und problemlos vom abgesetztem Staub zu reinigen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Filterelement als Kreuzstromfilter ausgebildet ist und neben einer ersten Gruppe in einer ersten Richtung das Filterelement durchsetzenden beidseitig offene Kanäle eine zweite Gruppe in einer zweiten Richtung, vorzugsweise um 90° versetzt, das Fil­ terelement durchsetzenden Kanäle aufweist, welche die Kanäle der ersten Gruppe nicht anschneiden.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, daß wie beim Kreuzstromstromfilter Zustrom- und Abstromkanäle den Filterkörper vollständig durchsetzen, wodurch die Gefahr des Zusetzens durch die abgeschiedenen Partikel drastisch ver­ mindert und auch die Abreinigung des Filters erleichtert wird. Außerdem kann bei der Herstellung des Filterkörpers aufbe­ währte Technologien zurückgegriffen werden, wie sie seit lan­ gem bei Kreuzstromfiltern angewandt werden. In der Herstel­ lungstechnik sind nämlich Kreuzstromfilter insofern variabler als Wabenfilter, als sie im Unterschied zu diesen auch aus aufeinander geschichteten plattenförmigen Filterteilkörpern, die durch streifen- oder leistenförmige Abstandhalter distan­ ziert sind, zusammenzufügen sind. Dabei wird die erste Gruppe Kanäle durch Kanäle im Filterteilkörper, die andere Gruppe Kanäle durch die (horizontalen) Distanzen zwischen zwei be­ nachbarten Abstandhaltern gebildet. Damit kann die bisher für katalytisch wirksame Wabenkörper praktisch gegebene Beschrän­ kung auf extrudierbare Keramiken umgangen werden. Filterele­ mente aus keramischer Fasermasse können ebenso verwendet wer­ den wie metallische Materialien, wie z. B. Sintermetalle, me­ tallische Fasermaterialien oder Gewebe.

Das katalytisch wirksame Material kann dem Filterkörper schon bei der Herstellung des Grundmaterial beigegeben werden, oder es kann dem geformten Filter als Infiltrat oder als Beschich­ tung zugefügt werden. Im letzteren Fall ist es vorteilhaft, nur die Kanalwände der zweiten Gruppe (Austrittskanäle) mit einem Katalysatormaterial zu versehen.

Der Filterkörper (Wabenkörper) besteht in der Regel aus akti­ viertem Titandioxid als poröses Trägermaterial und katalytisch aktiven Einlagerungen bzw. Beschichtungen mit den Hauptkompo­ nenten Vanadiumpentoxid V₂O₅ und Wolframtrioxid WO₃. Es hat sich gezeigt, daß im Falle einer Beschichtung der Kanalwände schon eine dünne Schicht von ca. 100 µm ausreicht, um eine Schadgasminderung von <60% zu erreichen.

Erfindungsgemäße Filterelemente lassen sich wie die bekannten Wabenfilter abreinigen, indem die abgelagerten Staubschichten durch einen Druckstoß von der Reingasseite aus in das Rohgas­ volumen zurückgeblasen werden. Dabei besteht jedoch die Ge­ fahr, daß abgereinigter Staub bzw. Fraktionen davon in das Filterelement zurücktransportiert werden. Aus diesem Grund er­ folgt die Abreinigung des erfindungsgemäßen Filterelements vorzugsweise von der Rohgasseite her, und zwar durch einen Druckstoß in einen Abscheideraum in der Verlängerung der Zu­ stromrichtung. Auf diese Weise wird eine Wechselwirkung be­ reits abgereinigten Staubes mit dem Filterelement verhindert.

Der im Filterelement ablaufende katalytische Prozeß kann eine Reduktion gasförmiger Schadstoffe (NOx, Dioxine, etc.) oder irgendeine andere stoffliche Veränderung des Prozeßgases zum Ziel haben. Katalysator, Prozeßtemperatur und gegebenenfalls zuzugebende Reaktionsmittel, z. B. Ammoniak für NOx-Reduktion, sind entsprechend zu wählen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie die damit erzielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläu­ tert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung sche­ matisch dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Filterelement auf der Höhe der ersten Gruppe von Kanälen;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Filterelement nach Fig. 1 auf der Höhe der zweiten Gruppe von Kanälen;

Fig. 3 eine perspektive Darstellung eines Filterelements gemäß Fig. 1 und 2 zur Verdeutlichung der Gaswege im Filterelement;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines Filterelements mit aufeinander gestapelten Filterteilkörpern und dazwi­ schen liegenden Abstandhaltern;

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Filterele­ ments aus übereinander gestapelten Platten und Ab­ standhaltern.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Filterelement besteht aus einem Quader aus poröser Keramik, z. B. Titandioxid. Der Quader wird von zwei Gruppen Kanälen 1 bzw. 2 vollständig durchsetzt. Die erste Gruppe Kanäle 1, im nachfolgenden Zu­ stromkanäle bezeichnet, verläuft dabei senkrecht zu den Kanä­ len 2 der zweiten Gruppe, im nachfolgenden Abstromkanäle be­ zeichnet, und parallel zu zwei Kanten des Quaders. Die Anord­ nung ist dabei so getroffen, daß die Kanäle 1 der ersten Gruppe die Kanäle 2 der zweiten Gruppe nicht anschneiden.

Dem Filterelement ist bereits bei der Herstellung des Grundma­ terials katalytisch wirkendes Material beigegeben worden, z. B. Vanadiumpentoxid V₂O₅ und/oder Wolframtrioxid WO₃, oder das Filterelement ist ein Zeolith. Alternativ kann dem geformten Filterelement katalytisch wirkendes Material als Infiltrat beigefügt werden, oder es sind nur die Wände der Abstromkanäle 2 mit einer katalytisch wirkenden Beschichtung, z. B. aus Vana­ diumpentoxid V₂O₅ und/oder Wolframtrioxid WO₃, versehen.

Das staubbeladene Rohgas gelangt zunächst in einen Einström­ raum 3 und von dort aus in die Zustromkanäle 1 (Fig. 1). Die Zustromkanäle 1 münden in einen gegenüber der Umgebung abge­ schlossenen Raum 4, der beispielsweise durch eine Abdeckhaube 5 gebildet ist. Das mit Staubpartikeln beladene Rohgas muß demgemäß die Wände der Zustromkanäle 1 passieren, wo es mit dem katalytisch wirkenden Material in Wechselwirkung tritt und gelangt dann in und durch die Abströmkanäle 2 in einen Rein­ gasraum 6. Auf diesem Weg lagern sich auch die im Rohgas mit­ geführten Staubpartikel an den Wänden der Zustromkanäle und zum geringen Teil auch im Filtermaterial selbst ab. Die dem Reingasraum 6 gegenüberliegenden Enden der Abstromkanäle 2 sind mit einem Schieber B verschlossen oder durch eine Haube 5′ gegenüber der Umgebung abgeschlossen.

Die Abreinigung des Filters erfolgt mit einem Druckstoß von der Rohgasseite (Einströmraum 3) her. Zu diesem Zweck ist eine Druckstoßquelle 7 an den Einströmraum 3 anschließbar. Diese umfaßt in der Regel einen Druckerzeuger mit nachgeschaltetem Druckluftspeicher, der sich schlagartig in den Einströmraum entleeren kann. Bei diesem Vorgang wird der in den Zu­ stromkanälen 1 abgelagerte Staub in den Raum 4 geblasen, wo er in einem Staubsammelbehälter S fällt und von dort aus entsorgt werden kann. Dies hat den Vorteil, daß der losgelöste Staub nicht wieder vom Rohgasstrom in den Filter hineingetragen wer­ den kann, wie das bei herkömmlichen Filtergeometrien der Fall ist.

Eine andere Art der Abreinigung sieht vor, den Raum 4 mit einem Druckluftstoß zu beaufschlagen, und auf diese Weise den abgelagerten Staub in den Einströmraum 3 zu befördern. Diese Variante ist in den Fig. 1 und 2 strichliert dargestellt.

Zusätzlich kann vorgesehen werden, den Raumgasraum 6 mit Druckluft zu beaufschlagen um auch im porösen Filtermaterial zwischen den beiden Kanalgruppen abgeschiedenen Staub in den Einströmraum 3 und in geringerem Masse in den Raum 4 zu ent­ fernen. Optional kann man dabei die Zustromkanäle 1 gegenüber dem Einströmraum 3 mit einem Schieber (nicht dargestellt) zu schließen, so daß der Staub nur in den Raum 4 transportiert wird.

Bei der praktischen Realisierung des erfindungsgemäßen Filterelements kann wegen der sich kreuzenden Kanalstruktur nicht ohne weiteres auf die klassische Extrudiertechnik zu­ rückgegriffen werden. Dies stellt insgesamt gesehen keinen Nachteil dar, weil die vorgeschlagene Struktur sich in wirt­ schaftlicher Weise in Sandwich-Bauweise realisieren läßt, die weit größere Freiheiten in Bezug auf Herstellung und Zusam­ mensetzung des Träger-/Filter-Materials bietet.

So sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 4 vor, das Filterelement aus aufeinander gestapelten Fil­ terteilkörpern 8 mit durchgehenden (Zustrom-)Kanälen 1 und da­ zwischen liegenden Abstandhaltern 9 aufzubauen. Die Abstand­ halter 9 sind unter sich distanziert, und die Distanzen zwi­ schen benachbarten Abstandhaltern 9 bilden die Abstromkanäle 2.

Die Teilfilterkörper 8 können - müssen aber nicht - in der üb­ lichen Extrudiertechnik hergestellt sein. Sie können auch aus keramischer Filtermasse oder metallischen Materialien bestehen (poröse Sintermetalle, metallische Fasermaterialien oder Ge­ webe).

Eine noch größere Freiheit in Bezug auf Materialwahl erlangt man, wenn das Filterelement gemäß Fig. 5 aufgebaut wird. Dort besteht das Filterelement nur noch aus jeweils unter sich gleichartigen Platten 10 und Abstandhaltern 9. Auf einer erste Platte 10 sind von einander beabstandet Abstandhalter 9a in einer ersten Richtung parallel zu einer Plattenkante angeord­ net. Darauf folgt eine zweite Platte 10. Auf dieser sind - um 90° gegenüber den ersten Abstandhaltern 9a zweite Abstandhal­ ter 9b, die gleichfalls voneinander distanziert sind. Dann folgt eine dritte Platte 10, und auf dieser wiederum erste Ab­ standhalter 9a, die gegenüber den Abstandhaltern 9b um 90° versetzt sind, uswf. Auf diese Weise ergibt sich ein Filte­ relement mit zueinander senkrecht verlaufenden Zustromkanälen 1 und Abstromkanälen 2, die durch die Platten 10 und die Ab­ standshalter 9a bzw. 9b begrenzt werden.

Bezugszeichenliste

1 Zustromkanäle
2 Abstromkanäle
3 Einströmraum
4 Gasraum
5, 5′ Hauben
6 Reingasraum
7 Druckstoßquelle
8 Filterteilkörper
9, 9a, 9b Abstandhalter
10 Platten
B Schieber
S Staubsammelbehälter

Claims (5)

1. Filterelement aus gasdurchlässigem Material mit das Fil­ terelement durchsetzenden Kanälen, wobei zumindest die Kanalwände Katalysatormaterial enthalten oder aus Kataly­ satormaterial bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement als Kreuzstromfilter ausgebildet ist und neben einer ersten Gruppe in einer ersten Richtung das Filterelement durchsetzenden beidseitig offene Kanäle (1) eine zweite Gruppe in einer zweiten Richtung, vorzugs­ weise um 90° versetzt, das Filterelement durchsetzenden Kanäle (2) aufweist, welche die Kanäle (1) der ersten Gruppe nicht anschneiden.

2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Kanäle (1) der ersten Gruppe in einem Gas­ raum (4) münden, der gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist.

3. Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der ersten Gruppe Kanäle (1) ein mit einem Druckstoß beaufschlagbarer Einströmraum (3) vorgeschal­ tet ist.

4. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es mittels voneinander distanzierten Abstandhaltern (9) voneinander distanzierte Filterteil­ körper (8), die mit ersten Kanälen (1) versehen sind, aufweist, daß die Abstandhalter (9) quer zu den besagten Kanälen (1) verlaufen und daß die Distanzen zwischen be­ nachbarten Abstandhaltern (9) die zweiten Kanäle (2) bil­ den.

5. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es voneinander distanzierte Platten (10) umfaßt, die mittels ersten (9a) und zweiten Ab­ standhaltern (9b) voneinander distanziert sind, wobei die ersten Abstandhalter (9a) quer zu den zweiten Abstandhal­ tern (9b) verlaufen, und daß die Distanzen zwischen be­ nachbarten ersten Abstandhaltern (9a) die ersten Kanäle (1) und die Distanzen zwischen benachbarten zweiten Ab­ standhaltern (9b) die zweiten Kanäle (2) bilden.