DE2444696C3 - Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungsteilchen aus einem Gasstrom - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungsteilchen aus einem Gasstrom, der zwischen mit Abstand angeordneten Leiterelementen, zwischen denen sich ein Flüssigkeitssprührohr befindet, hindurchgeleitet wird, wobei zwischen dem Flüssigkeitssprührohr und den Leiterelementen eine konstante elektrische Spannung angelegt wird, die den ohne Überdruck ausströmenden Flüssigkeitsstrahl in einzelne geladene Tröpfchen zerteilt, die mit den Verunreinigungsteilchen in Ladungsaustausch treten und diese veranlassen, sich auf den Leiterelementen abzuscheiden.

Aufgrund der zunehmenden Bedeutung des Umweltschutzes ist die Herstellung von Anordnungen und die Entwicklung von Verfahren zur Entfernung von Staub, Rauch und anderen festen oder flüssigen Verunreinigungsteilchen aus Luftströmungen und/oder Abgasen von großer Wichtigkeit.

Zu derartigen Verfahren zählen elektrostatische Abacheideverfahren und sogenannte Naßabscheideverfahren mit Hilfe von Skrubbern und Rieseltürmen. Bei einem bekannten Verfahren der genannten Art (FR-OS 21 01 249) wird die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Sprührohr so eingestellt, daß sich unter den Bedingungen einer maximalen Tröpfchenbeladung ε,ο optimale Strömungsverhältnisse ergeben. Zu diesem Zweck ist eine Einrichtung zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit für jede Düse vorgesehen, was bedeutet, daß eine hydrodynamische Tröpfchenbildung nicht ausgeschlossen wird. In ^ jedem Fall werden aber die durch Zerteilung der aus den Düsen heraustretenden Flüssigkeit entstehenden Tröofchen innerhalb des Gasstroms unter Schwerkraftwirkung weitertransportiert, unterliegen also in einem nur geringen Maße im Hinblick auf ihre Bewegungsgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung dem elektrischen Feld. Der Abscheidegrad der Verunreinigungsteilchen aus dem Gasstrom reicht daher für viele Anwendungsfälle nicht aus.

Bei einem anderen bekannten Verfahren· zur elektrostatischen Abscheidung (IT-PS 6 07 854) wird die Flüssigkeit unter Druck aus einer Düse ausgestoßen, so daß sich die Zerteilung in Tröpfchen ausschließlich durch eine hydrodynamische Wirkung ergibt und nicht durch elektrische Feldkräfte, wodurch die Oberflächenladungsdichte der Tröpfchen relativ gering ist, eine Tatsache, aus der wiederum folgt, daß die Bewegungsgeschwindigkeit der Tröpfchen zu klein ist, um eine möglichst große Zahl Zusammenstöße bzw. Beinahezusammenstöße mit abzuscheidenden Teilchen zu bewirken. Der Abscheidegrad läßt deshalb auch hier zu wünschen übrig.

Be: einem anderen bekannten Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungsteilchen aus einem Gasstrom wird ein Rohr mit nadeldünnen Sprühöffnungen verwendet, durch die Wasser in den Gasstrom austritt und sich in Form eines nebelartigen Tröpfchenregens verteilt (DE-PS 2 62 882). Eine an die Tröpfchen angelegte Hochspannung führt zu deren Aufladung, so daß die Tröpfchen an Sammelplatten mit entgegengesetzter Ladung angezogen werden. Bei einer derartigen Anordnung ist eine Einstellung der Tröpfchengröße kaum möglich, und es läßt sich auch keine hohe Ladungsdichte auf den Tröpfchen sicherstellen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die bisher bekannten Verfahren zur elektrostatischen Reinigung eines Gasstroms und damit zur Abscheidung der von dem Gasstrom mitgeführten Feststoffteilchen hinsichtlich des Abscheidegrades und des Energieverbrauches erheblich zu verbessern- Zur Erreichung dieses Ziels ist die Art der Zerstäubung .:.'er in den Gasstrom eingeführten Flüssigkeit zwar eine wichtige, jedoch nicht die einzige Bedingung, da die mit der Zerstäubung erreichten Flüssigkeitströpfchengröße allein den gewünschten hohen Abscheidegrad nicht sicherstellen kann. Es ist vielmehr notwendig, daß die Bedingungen für das sich an das Flüssigkeitssprührohr anschließende elektrostatische Feld so gewählt sind, daß die Wahrscheinlichkeit dafür, daß der überwiegende Teil der von dem Gasstrom mitgeführten und abzuscheidenden Verunreinigungsteilchen mit Flüssigkeitströpfchen in Ladungsaustausch tritt, wesentlich größer ist, als bei den bisher bekannten Verfahren.

Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung vor, daß durch die Flüssigkeitsstrahlzerteilung Tröpfchendurchmesser von 60 bis 250 Mikron erhalten werden und daß die Oberflächenladungsdichte der Tröpfchen auf Werte nahe der Rayleigh-Grenze eingestellt wird. Diese Grenze wird durch das Gleichgewicht zwischen der Abstoßkraft der elektrischen Oberflächenladung und der Oberflächenspannung bestimmt, die bestrebt ist, die Tröpfchen zusammenzuhalten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele, auf die im folgenden bezug genommen wird, näher erläutert.

F i g. 1 ist eine schematische, teilweise perspektivische Ansicht der mit geladenen Tröpfchen arbeitenden Rieselanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig,2 ist eine perspektivische Ansicht eines Halterungsrohrs, von dem mehrere Sprühröhrchen zur Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen für das erfindungsgemäße Verfahren ausgehen,

F i g. 3 ist ein vergrößerter Querschnitt eines beispielhaften Sprühröhrchens und des Endabschnitts des Halterungsrohrs, womit der Flüssigkeitsstrahl erzeugt wird,

F i g. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils des Halterungsrohrs mit an gegenüberliegenden Seiten angebrachten Sprühröhrchen,

Fig.5 ist eine perspektivische Ansicht eines Satzes nebeneinander angebrachter Anordnungen zur Tröpfchenerzeugung,

Fig.6 ist eine perspektivische Ansicht eines Satzes übereinander angebrachter Anordnungen zur Erzeugung geladener Tröpfchen,

F i g. 7 ist eine Photographie eines Flüssigkeitsstrahls, der durch ein elektrostatisches Feld in Flüssigkeitströpfchen zerrissen wird,

Fig.8 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer mit geladenen Tröpfchen arbeitenden Rieselvorrichtung mit einem Waschrohr und einer Sammelwanne zur Reinigung der Sammelplatten,

Fig.9 ist ein Satz Kurven zur Darstellung des Wirkungsgrads der Reinigung als Funktion des Teilchengehalts des Gasstroms für verschiedene Innendurchmesser der Sprühröhrchen.,

F i g. 10 ist ein Satz von Kurven, die das Oberflächenfeld (V/Meter) als Funktion des Tröpfchenradius (Meter) für verschiedene Luftdichten und den Rayleigh-Grenzwert des Oberflächenfeldes angeben,

F i g. 11 ist eine graphische Darstellung der Durchflußgeschwindigkeit der Flüssigkeit als Funktion des Wasserdrucks,

Fig. 12 stellt einen Satz von Kurven dar, die der. Gesamtwirkungsgrad des Sammeleffekts in Abhängigkeit von der mittleren Teilchengröße für verschiedene Sammelflä.hen angeben.

Fi g. 13 stellt schließlich die Beziehung dar zwischen dem benötigten Wasserflut} und der Sammelfläche einerseits und den notwendigen spezifischen Leistungswerten und der Sammelfläche andererseits.

F i g. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer mit geladenen Tröpfchen arbeitenden Rieselvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Rieselvorrichtung umfaßt eine Leitung 10 mit in Abständen voneinander angebrachten Wänden 11 und 12, durch die ein Gasstrom geleitet wird. Der Gasstrom kann sich beispielsweise in der durch Pfeil 14 angedeuteten Richtung nach oben bewegen. Der in Leitung 10 herrschende Druck entspricht etwa dem atmosphärischen Druck. Der Gasstrom kann Feststoffteilchen, wie beispielsweise Staubteilchen und dergleichen, enthalten, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem Gasstrom zu entfernen sind. Der Gasstrom kann ferner unerwünschte flüssige Bestandteile oder andere kondensierte Materialien enthalten, die auch zu entfernen sind. Der Gasstrom kann beispielsweise aus einer Asphalt-Erzeugungsanlage oder aus einer Industrieanlage zur Papierherstellung stammen. Die mit 10 bezeichnete Leitung kann einen Teil des Schornsteins bilden.

Erfindungsgemüß werden die unerwünschten Flüssigkeits- und Feststoffteilchen mit geladenen Tröpfchen entfernt. Diese Tröpfchen können aus Wasser bestehen. In manchen Anwendungsfällen kann es sich empfehlen, dem Wasser chemische Verbindungen beizumischen, die mit den zu entfernenden, gasförmigen Bestandteilen reagieren können. Bei diesen chemischen Verbindungen kann es sich um Natriumhydroxyd zur Entfernung von Schwefeldioxyd handeln.

Zu diesem Zweck wird ein Vorratsbehälter 15 mit einer Flüssigkeit 16 vorgesehen. Die Flüssigkeit wird durch eine Pumpe 17 und eine Druckreguliervorrichtung 18 geschickt, womit der Flüssigkeitsdruck genau eingestellt werden kann. Zweckmäßigerweise wird die Flüssigkeit dann durch ein Isolierrohr 20 geschickt, das die dargestellte Spiralform hat, um ohne Vergrößerung der Längenabmessungen den elektrischen Widerstand des Rohrabschnitts zu erhöhen. Mit diesem Isolierrohr wird Vorratsbehälter 15 von der Hochspannung isoliert. Die Flüssigkeit gelangt dann durch einen leitenden Rohrabschnitt 21, der über eine Gluichspannungsquelle 22 positiv geladen wird, wobei in der gewählten Darstellung die Gleichspannungsquelle als Batterie mit geerdetem negativem Pol angenon". -.,en ist

Ein Isolator 23 isoliert die an Rohrabschnitt 21 anliegende positive Spannung von den Wänden 11 und 12, die, wie dargestellt, geerdet sind. Isolator 23 kann an einem Fortsatz 24 des Gehäuses befestigt sein, und das Rohr kann durch eine kreisförmige Öffnung 25 in Wand 11 geführt werden.

Der Rohrabschnitt 21 verläuft zwischen den Wänden 11 und 12 und bildet ein Halterohr 27. Das andere Ende des Halterohrs 27 ist mit einem Isolator 30 an einer Gehäuseverlängerung 28 befestigt Das Halterohr 27 erstreckt sich durch eine in der Wand 12 angebrachte öffnung 31. Vom Halterohr 27 verlaufen mehrere nebeneinander angebrachte Sprühröhrchen 33 nach unten, von denen jedes einen Flüssigkeitsstrahl erzeugt. Der Flüssigkeitsdruck ist derart, daß die Flüssigkeit durch jedes Sprühröhrchen mit einer Geschwindigkeit fließt, die die durch die Schwerkraftwirkung erzeugte Ausflußgeschwindigkeit übersteigt. Dadurch wird gewährleistet, daß sich ein stetiger Wasserstrahl ausbildet. Andererseits soll der hydrostatische Druck nicht so hoch sein, daß der Wasserstrahl in einen Sprühnebel aus Tröpfchen zerstäubt wird.

Die Tröpfchen werden durch elektrische und hydrodynamische Kräfte erzeugt, d. h. unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes, das zwischen dem positiv geladenen Halterohr 27 und den Sprühröhrchen 33 einerseits und den geerdeten Wänden 11 und 12 andererseits existiert. Die Flüssigkeit wird mit einer niedrigen Geschwindigkeit zugeführt, um die Ausbildung hydraulisch erzeugter Tröpfchen zu verhindern, d. h., die Zuführungsröhrchen wirken nicht als Sprühdüsen. Die Ausbildung und das Versprühen der Tröpfchen sind eine Folge der elektrostatischen Kräfte.

Das elektrostatische Feld muß stark genug sein, um geladene Tröpfchen mit einer hohen Ob'jrflächenladungsdichte zu erzeugen, d. h. mit einer Ladungsdichte, die, wie im folgenden ausgeführt, den Rayleighschen Grenzwert erreichen kann.

Die auf diese Weise erzeugten Tröpfchen werden vom elektrostatischen Feld beschleunigt und fließen durch den Gasstrom, in dem sie durch viskose Reibung verlangsamt werden. Die von den elektrostatischen Kräften erzeugte Beschleunigung ist jedoch stärker als die Reibung, und die Tröpfchen erreichen schließlich eine konstante Geschwindigkeit. Die Bewegungsrichtung der Tröpfchen und die Bewegungsrichtung des Gasstroms schließen einen Winkel ein. Es ergibt sich damit eine Relativgeschwindigkeit der Tröpfchen in bezug auf die zu sammelnden Teilchen. Eine hohe

Relativgeschwindigkeit bedeutet eine hohe Wirksamkeit der Entfernung von Verunreinigungsstoffen. Schließlich werden die Tröpfchen an die Seitenwände f I und 12 gezogen, mit denen sie zusammenstoßen und an denen sie sich ansammeln.

Der dabei entstehende Brei kann in einer Auffangwanne 35 an der Unterseite der Seitenwände 11 und 12 gesammelt werden. Die Masse wird mit einer Pumpe 37 durch eine Leitung 36 in den Vorratsbehälter 15 zurückbefördert. Durch ein in Leitung 36 eingesetztes Filter 38 werden die Feststoffteilchen zurückgehalten.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist die Wandstärke des Endabschnitts 40 jedes Sprühröhrchens 33a verringert. Die erhöhte Wandstärke am oberen Abschnitt 41 des Sprühröhrchens erleichtert die Anbringung des Sprühröhrchens am Halterungsrohr 27 durch Hartlötung. Die verringerte Wandstärke am Endabschnitt 40 ist _n "UnlinU ...... Γ" L. ** L· _

g\,nuilllllV.M 6Ul L.I 111/1IUIIg

verblieben, während ein anderer Abschnitt des Strahls bereits in Tröpfchen zerrissen wurde. Die Aufnahme ist auf eines der Sprühröhrchen ausgerichtet und ist nicht auf die beiden im Hintergrund erkennbaren Sprühröhrchen scharf eingestellt. Der Flüssigkeitsstrahl wurde bei einem Wasserdruck von 20 cm Wassersäule mit einem Sprühröhrchen erhalten, dessen Innendurchmesser 0,4 mm und dessen Außendurchmesser 0,8 mm beträgt.

Der durch Pfeil 14 in F i g. I angedeutete Luftstrom ist zweckmäßigerweise laminar, doch beeinträchtigt turbulente Strömung den Wirkungsgrad nicht.

Für das erfindungsgemäße Verfahren sollen die zu entfernenden Teilchen zweckmäßigerweise keine elektrische Ladung tragen, da dadurch die Entfernung der Teilchen durch Zusammenstöße mit Tröpfchen erleichtert wird. Zusammenstöße treten häufiger auf, da neutrale Teilchen von geladenen Tröpfchen weder

erwünscht. In gewissen Fällen kann es sich als notwendig erweisen, die Sprühröhrchen 33 in geringe- >" ren Abständen nebeneinander anzubringen als in F i g. 2 dargestellt. In diesem Fall kann ein Satz von Sprühröhrchen 43 gegenüber dem Satz von Sprühröhrchen 33 in der in F i g. 4 dargestellten Weise vorgesehen werden. Aus F i g. 4 folgt ferner, daß die Wasserstrahlen y> nicht notwendigerweise nach unten gerichtet zu sein brauchen.

Wie aus Fig.5 ersichtlich, können Baugruppen mit benachbarten Sammelwänden 45, 46 und 47 verwendet werden. In diesem Fall wird ein Halterohr 48 mit in Sprühröhrchen 50 zwischen den Samrnelwänden 45 und 46 montiert, während ein weiteres Halterohr 5t mit Sprühröhrchen 52 zwischen Wänden 46 und 47 angebracht ist. Mit dieser Anordnung kann ein stärkerer Gasstrom gereinigt werden, da dieser in zwei oder mehr s~> Abschnitte aufgespalten werden kann, von denen jeder durch eine eigene Baugruppe zur Berieselung gereinigt werden kann.

Wie aus F i g. 6 ersichtlich, können die Halterohre 54, 55 und 56 in Vertikalrichtung zwischen den Sammel- -»n wänden 57 und 58 aufeinanderfolgend angebracht werden. Jedes der Halterohre 54 — 56 ist wieder mit mehreren Sprühröhrchen 60 versehen. Ein Gasstrom kann damit durch aufeinanderfolgende Tröpfchengruppen gereinigt werden. Dabei reinigt jede Tröpfchen- 4> gruppe einen der aufeinanderfolgenden Abschnitte des Gasstroms, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Entfernung der Verunreinigungen erhöht wird.

Durch die in F i g. 5 dargestellte Anordnung wird es möglich, die Durohflußgeschwindigkeit des Gases in ϊο dieser Baugruppe in einem bestimmten Wertebereich zu halten. Benachbarte Baugruppen der in F i g. 5 dargestellten Art haben gemeinsame Sammelwände, wie durch die Sammelwand 46 angedeutet Die in Fig.6 dargestellte Anordnung ist besonders geeignet, wenn die zu entfernenden Teilchen einen breiten Größenbereich überdecken und wenn jede der in senkrechter Richtung angebrachten Stufen einen bestimmten, engen Bereich von Teilchengrößen zuzuordnen ist

F i g. 7 ist eine Photographie eines von einem Sprühröhrchen ausgehenden Flüssigkeitsstrahls. Aus F i g. 7 ist klar ersichtlich, daß der Flüssigkeitsstrahl in einer nicht vorherbestimmbaren Weise sich infolge von Änderungen der lokalen Feldstärke hin- und herbewegt und schließlich in feine Tröpfchen zerrissen wird. Der im Vordergrund sichtbare Flüssigkeitsstrahl, der schließlich in einer Reihe von Tröpfchen endet, wurde vom anfänglichen Strahl abgetrennt und ist an seiner Stelle aiigii.isgt.ii null! augtaiuucti WCiUCIi. f'dlis einige UCI Teilchen eine der Tröpfchenladung entgegengesetzte Ladung tragen, ergeben sie eine rasche Verringerung der anfänglich hohen Oberflächenladungsdichte der Tröpfchen und neutralisieren schließlich die Tröpfchenladung ganz. Zwar kann ein geladenes Teilchen, dessen Ladung das gleiche Vorzeichen wie die Tröpfchenladung hat, mit einem Tröpfchen zusammenstoßen und absorbiert werden, doch erhöht eine Aufladung des Teilchen . die Wirkung von Zusammenstößen nicht.

Zu beachten ist, daß Teilchen auch durch induzierte Aufladung entfernt werden können. Das bedeutet, daß die elektrische Ladung eines Tröpfchens eine Ladung auf einem Teilchen induziert, das räumlich nahe genug ist, um aufgeladen zu werden, das aber andererseits nicht direkt mit dem Tröpfchen zusammenstößt. Ein derart aufgeladenes Teilchen wird dann in der vorher beschriebenen Weise von den Sammelwänden 11 und 12 angezogen.

Im allgemeinen besteht der Gasstrom hauptsächlich aus elektronegativen Gasen. Elektronen werden von elektronegativen Gasen wie beispielsweise O2, SO2, HF, H₂O und CI2 absorbiert. Da diese Gase dann eine neeative Polarität erlangen, erpehpn sich Komna-Strnme. Aus diesem Grund ist es im allgemeinen zweckmäßig, daß die Tröpfchen positiv geladen sind. Wie in F i g. 1 dargestellt, wird der positive Pol der Gleichspannungsquelie 22 mit dem leitenden Rohrabschnitt 21 verbunden.

In gewissen Fällen können einige der zu entfernenden Teilchen bereits eine elektrische Ladung haben, ehe sie den mit geladenen Tröpfchen arbeitenden Skrubber erreichen. Die Teilchen können bereits geladen .sein oder sie können eine elektrische Ladung durch Zusammenstöße mit den Wänden der Leitung annehmen. In diesem Fall ist die Polarität der Tröpfchenladungen zweckmäßigerweise der Polarität der Teilchenladung gleich zu machen. Falls die Tröpfchen eine andere Polarität als die Teilchen aufweisen, so würden sich die Teilchen an Halterungsrohr 27 und Sprühröhrchen 33 ansammeln. Diese Ansammlung von Material würde schließlich durch eine Korona-Entladung oder Oberschläge entfernt werden, was unerwünscht ist.

Einige der Teilchen sind elektrisch geladen, während der Rest neutral ist Neutrale Teilchen werden durch die geladenen Tröpfchen in der oben beschriebenen Weise gesammelt d. h. durch Zusammenstöße mit geladenen Tröpfchen. Die geladenen Teilchen werden direkt an die Wände der Rieselanlage in der gleichen Weise gezogen, wie die geladenen Tröpfchen.

Im allgemeinen beträgt die Tröpfchengröße zwischen

etwa 60 Mikron (1 Mikron = 10.-' m) und 250 Mikron. Ein bevorzugter Größenbereich reicht von 80 Mikron bis etwa 120 Mikron. Wenn die Tröpfchengröße zu gering ist, ist auch die Tröpfchengeschwindigkeit gering, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Zusammenstößen mit einem Teilchen stark verringert wird.

Die Oberflächenladungsdichte kann den Rayleighschen Grenzwert erreichen. In diesem Zusammenhang wird bezug genommen auf Fig. 10, in der die an der Tröpfchenoberfläche auftretende Feldstärke (Volt pro Meter) als Funktion des Tröpfchenradius (Meter) angegeben ist. Der Satz von Kurven der F i g. 10 bezieht sich auf verschiedene rVWerte zwischen 0,5 und 2,0, wobei ό — t)/g_o; Q bezeichnet die tatsächliche Luftdichte und ρ_η die Luftdichte unter Normalbedingungen, d. h. unter einem Druck von einer Atmosphäre und bei einer Temperatur von 298 K.. Damit bedeutet δ das Verhältnis uei tatsächlichen Gasdichte zur Gasdichte unter Normalbedingungen.

Die Ladungsdichte eines Tröpfchens wird begrenzt durch den Rayleighschen Grenzwert oder durch den Grenzwert, bei dem ein Durchschlagen in Form einer Korona-Entladung einsetzt. Der Rayleighsche Grenzwert wird berechnet aus dem Kraftgleichgewicht zwischen der aus der Oberflächenspannung sich ergebenden Kraft und den elektrostatischen Kräften, die von den das Tröpfchen unter Zugspannungen setzenden Oberflächenladungen herrühren. Das Gleichgewicht läßt sich in der folgenden Weise ausdrücken:

I η ,Ir.

wobei q die Oberflächenladungsdichte bezeichnet, a die Oberflächenspannung, ε die Dielektrizitätskonstante und rden Tröpfchenradius.

Für das an der Tröpfchenoberfläche auftretende elektrostatische Feld fgilt

E = i\i> .

Kurve 62 der Fi σ If) triht HpmpnKpri»r-hpnH Hon

Rayleighschen Grenzwert des Oberflächenfeldes an einem Wassertröpfchen an. Kurve 62 schneidet die Kurve für d = 1,0 und begrenzt damit die Tröpfchengröße, bei der der Rayleighsche Grenzwert in Luft unter Normalbedingungen erreicht werden kann.

Wenn die Oberflächenladungsdichte eines Tröpfchens den durch Gleichung (1) gegebenen Wert übersteigt, teilt sich das Tröpfchen im allgemeinen in zwei oder mehr Teile. Da die Oberfläche der verbleibenden Teile größer ist als die Oberfläche des ursprünglichen Tröpfchens, hat jeder der verbleibenden Teile eine verringerte Oberflächenladungsdichte. Aus F i g. 10 ergibt sich, daß das Oberflächenfeld stärker sein kann als das für Durchschlag in normaler Luft erforderliche Feld von 3 Megavolt pro Meter. Das zum Durchschlag erforderliche Feld hängt von der Geometrie des Tröpfchens ab. Wie aus F i g. 10 ersichtlich, wird das Korona-Feld in Luft bei einem Tröpfchen unterschritten, dessen Radius etwa 34 Mikron (entsprechend 68 Mikron Durchmesser) unterschreitet Kleinere Tröpfchen verlieren deshalb ihre Überschußladung gewöhnlich durch eine Korona-Entladung.

Die von der Spannungsquelle 22 gelieferte Spannung sollte im allgemeinen 6OkV nicht überschreiten. Dies entspricht dann einer Feldstärke von etwa 20 Megavolt pro Meter an den Flüssigkeitsstrahlen. Die Oberflächenladungsdichte, die sich erfindungsgemäß auf den Tröpfchen und später auf den Teilchen erreichen läßt, ist 6 bis 40 Mal höher als die mit bekannten Abscheidevorrichtungen erreichbare.

Wie aus F i g. 8 ersichtlich, kann es in manchen Fällen zweckmäßig sein, Vorkehrungen zum Waschen der Sammelplatten zu treffen. Fig.8 zeigt zwei Sammelplatten 65, 66 mit einem dazwischen angebrachten Halterohr 67, von dem wieder mehrere, nicht dargestellte Sprühröhrchen nach unten ausgehen. Ein Waschrohr 68 wird an jeder Wand 65, 66 vorgesehen. Die Waschflüssigkeit wird in einer Wanne 70 gesammelt und dann in das Vorratsgefäß 15 zurückgeleitet, wie vorher unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Ein Waschrohr kann notwendig werden, wenn größerere Mengen von Feststoffteilchen gesammelt werden oder wenn die Teilchen verhältnismäßig groß sind und einen Brei bilden.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet besonders gut im Falle von abzuscheidenden Teilchen, deren Durchmesser etwa 0,01 Mikron überschreitet. Die Obergrenze der Teilchengröße ist gegeben durch die Maximalgröße der Teilchen, die vom Gasstrom noch mitgeführt werden können. Der Gasstrom kann sich beispielsweise mit einer Geschwindigkeit zwischen 1,5 und 4,5 m/sec bewegen.

Die Tröpfchenladung läßt sich wie folgt berechnen:

Ayr _t„E„,

wobei η die Anzahl der Elektronenladungen auf dem jo Teilchen bedeutet, e die Ladung eines Elektrons, rden Teilchenradius, ε_ο die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und E₀ das an der Teilchenoberfläche auftretende elektrostatische Feld, bei dem ein Durchschlag in dem das Tröpfchen umgebenden Medium jj stattfindet.

Zu beachten ist, daß die Dauer der Tröpfchendrift gewöhnlich weniger als 25 Millisekunden beträgt.

Natürlich kann ein geladenes Tröpfchen mehrmals

mit Teilchen zusammenstoßen. Während aufeinanderfolgender Zusammenstöße kann ein Tröpfchen mehrere

r

-,U 3dl 1111IV- 11"

stoß.

Der Durchmesser des Halterohrs 27 ist so zu wählen, daß das an der Oberfläche des Rohres auftretende elektrostatische Feld beim Fehlen einer Raumladung Werte erreidht, die dem Einsatz einer Koronaentladung entsprechen. Die Raumladung stammt von den geladenen Tröpfchen und den im Gasstrom enthaltenen Teilchen. In der Gegenwart einer Raumladung ist

so deshalb das am Halterohr 27 auftretende Oberflächenfeld geringer als das bei einer Koronaentladung auftretende Feld. Die Gegenwart der Raumladung verringert das Oberflächenfeld um einen Faktor 2 oder 3. Einige typische Betriebskenngrößen sind: Die Elektrodenspannung, d. h. die zwischen Halterohr 27 und Wänden 11 und 12 angelegte Spannung, beträgt 50 kV. Der Abstand zwischen Wänden 11 und 12 beträgt 0,2 Meter; das elektrostatische Feld beim Fehlen einer Raumladung, E₅, beträgt zwischen 3,5 und 6,0 Megavolt pro Meter. Das Halterohr 27 kann einen Durchmesser zwischen 0350 und 1,270 cm haben.

Das an der Spitze jedes Sprühröhrchens auftretende elektrostatische Feld muß auf Werten gehalten werden, die zur Ausbildung von Tröpfchen und deren Aufladung ausreichen. Dabei soll der durch Ionen erzeugte Korona-Strom möglichst gering sein, da die Ionen den von den Tröpfchen hervorgerufenen Raumladungseffekt verringern.

Das elektrische Feld ist so einzuregeln, daß beim Fehlen eines FlUssigkeitsflusses aus den Sprühröhrchen ein Korona-Strom von den Sprühröhrchen ausgeht. Dieser Korona-Strom ist dann stärker als der tatsächliche Betriebsstrom, da die Ionen eine höhere Beweglichkeit als die Tröpfchen aufweisen.

Bei einer Elektrode der in Fig. 1 und 3 dargestellten Art ist der Durchmesser der Korona etwa 3 — 4 mal so groß wie der Durchmesser der Spitze. In diesem Fall hatte das Halterungsrohr einen Durchmesser von 0,950 cm. Die Sprühröhrchen hatten eine Länge von 4,1 cm, von der Mittellinie des Halterungsrohres aus gerechnet. Die Spitzen der Sprühröhrchen hatten einen Durchmesser von 1,25 mm. Das an den Spitzen der Sprühröhrchen auftretende Feld betrug mehr als 10 Megavolt pro Meter. Die Korona-Durchschlagsspannung ist erhöht wegen des Krümmungsradius der

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LlCMlUUC. L/dUUILII WIIU C» IllUglllll, UIC UlUUC UCI durch die elektrohydrodynamische Wirkung er2;eugten Tröpfchen einzustellen. Das Kraftgleichgewicht an der Flüssigkeitssäule ist gegeben durch die folgende Bedingung:

2.7 a S = .τS-E;,;/2

(4)

Entladungen auftreten. Die Spannung ist dabei so einzustellen, daß normalerweise 10 bis 100 Funkenüberschläge pro Minute auftreten.

Fig. Il zeigt die Abhängigkeit des Wasserdrucks, ausgedrückt in Zentimeter Wassersäule, von der tatsächlichen Durchflußgeschwindigkeit. Die Kurven beziehen sich auf ein Rohr, das einen Außendurchmesser von 0,833 cm und einen Innendurchmesser von 1,25 mm hat. Dieses Röhrchen wird in einer Anordnung mit 5 Sprühröhrchen verwendet.

Die Kurven der Fig. 12 stellen die Abhängkigkeit des Gesamtwirkungsgrads der Sammelwirkung von der mittleren Teilchengröße (ausgedrückt in Mikron) dar. Die vier Kurven sind für spezifische Sammelflächen (ausgedrückt in 0,033 cm²/cm³ · min Gasstrom) .;;it Werten zwischen 0,2 und 0,07. Beispielsweise wird für eine Teilchengröße von 10 Mikron und einem Wir-

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in der S den Durchmesser der Flüssigkeitssäulen des Strahls bezeichnet, aus dem die Tröpfchen gebildet werden.

Der Radius des Flüssigkeitsstrahls braucht nicht dem Radius des Sprühröhrchens zu gleichen, obwohl er vom jo Radius des Sprühröhrchens abhängt. Die Tröpfchengröße läßt sich deshalb über die Geometrie des Sprühröhrchens einregeln und ist unmittelbar eine Funktion des Durchmessers des Sprühröhrchens.

In der in diesem Zusammenhang zu betrachtenden j-, Fig. 9 bedeutet fden Wirkungsgrad des Reinigungseffekts und F die Dichte der mitgeführten Teilchen. Der Innendurchmesser des Sprühröhrchens nimmt von d\ über 0*2 auf dj hin zu. Der Wirkungsgrad eines Sprühröhrchens einer bestimmten Größe ist im wesentlichen konstant ϊ.ι pinpm hpstimmtpn Dirhtphpreich der im Gasstrom mitgeführten Teilchen. Der Wirkungsgrad nimmt ab, wenn die Teilchendichie über diesen Bereich hinaus erhöht wird. Wie ersichtlich, ist es zweckmäßig ein Sprühröhrchen zu wählen, das einerseits den kleinstmöglichen Innendurchmesser hat, andererseits aber den höchsten Wirkungsgrad unter den gegebenen Verhältnissen ergibt.

Der zweckmäßige Abstand zwischen den Sprühröhrchen läßt sich in der folgenden Weise bestimmen. Der größtmögliche Abstand ist durch die Bedingung gegeben, daß die bestmögliche Verteilung des Flüssigkeitsflusses erreicht werden soll. Andererseits hängt der kleinste Abstand von der elektrostatischen Abschirmung benachbarter Röhrchen ab. Wenn beispielsweise der halbe Abstand zwischen den Wänden 11 und 12 0,1 Meter beträgt, wenn eine Betriebsspannung von 50 kV verwendet wird und wenn das Halterohr einen Durchmesser von 9,5 mm hat, beläuft sich der Außendurchmesser des Sprühröhrchens zweckmäßigerweise auf 1,25 Millimeter und der Innendurchmesser auf 0,89 Millimeter. Der maximale Abstand zwischen den Sprühröhrchen beträgt unter diesen Bedingungen 2,78 cm und der Minimalabstand 2,4 cm. Bei diesen Betriebswerten ist die Durchflußgeschwindii»keit des Wassers pro Meter Elektrodenlänge 0,07 Liter/se · m.

Wie vorher erwähnt, können am Halterohr 27 oder Sprühröhrchen 33 Funkenüberschläge oder Korona-ι 97*7U chic spc/lii iSCi'ic

0,066 erhalten. Damit läßt sich der Einfluß der Teilchengröße auf den Wirkungsgrad des Sammelvorgangs unter Berücksichtigung der spezifischen Sammelanordnung abschätzen. Die Kurven wurden mit Teilchen erhalten, deren spezifischer Widerstand zwischen 3 und 100 · lO'Ohm · cm variierte; die Tröpfchen waren positiv geladen.

Fig. 13 zeigt schließlich die spezifische Sammelfläche bei verschiedenen Wasserdurchflußmengen und die notwendige elektrische Leistung. Kurve 75 stellt die Wassermenge, ausgedrückt in 0,14 Liter/m³, und ihre Abhängigkeit von der spezifischen Sammelfläche dar. Ähnlich stellt Kurve 76 die spezifische Leistung in Watt/m^J · min dar. Die Werte gelten am Einsatzpunkt der Funkenüberschläge und bei positiver Polarität. Die ungefähren Auslegungswerte der Stromversorgungseinheit wurden für eine Nennspannung von 50 kV abgeschätzt.

In einer in Versuchen verwendeten Vorrichtung betrug die Querschnittsfläche des Gasstroms 1000 cm². Injektionsnadeln mit einer Länge von 3,75 cm wurden als Sprühröhrchen verwendet.

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angegebenen Abmessungen. Versuche wurden mit Nadeln der Normgröße 22 als Sprühröhrchen und Leitungswasser als Sprühflüssigkeit gemacht. Eine Spannung zwischen 38 und 47,5 kV wurde zwischen die Sprühröhrchen und die Wände geschaltet. Die Durchflußgeschwindigkeit des Gases betrug zwischen 1,5 und 2 m/sec. Versuche wurden gemacht, in denen das Gas die Umgebungstemperatur hatte oder eine Temperatur von 130⁰C. Bei Umgebungstemperaturen wurde ein Wirkungsgrad von 98,3% der Reinigung erreicht mit einer einstufigen Einheit der oben angegebenen Kenngrößen und mit Flugasche als Feststoffteilchen. Der Wirkungsgrad der Reinigung betrug bei Umgebungstemperatur 86% im Falle von angesammeltem Staub einer Asphalt-Fabrik als Feststoffmaterial. Bei der höheren Temperatur von 130⁰C betrug der Wirkungsgrad 85% und 79,7% mit Flugasche bzw. dem vorher erwähnten Staub.

Die obige Beschreibung bezog sich auf ein Verfahren zur Entfernung von Teilchen und unerwünschten Flüssigkeitsbestandteilen aus einem Gasstrom mit Hilfe geladener Tröpfchen. Die geladenen Tröpfchen werden mit einem elektrisch-hydrodynamischen Verfahren erzeugt und haben hohe Oberflächenladungsdichte. Unerwünschte Flüssigkeitsbestandteile, Gase oder kondensierte Stoffe lassen sich auch entfernen, beispielsweise mit Hilfe einer chemischen Reaktion. Wenn der

Gasstrom hauptsächlich elektronegative Gase enthält, werden die Tröpfchen zweckmäßigerweise positiv aufgeladen, um die Ionenbildung möglichst gering zu halten. Wenn einige der Teilchen geladen sind, werden die Tröpfchen zweckmäßigerweise so aufgeladen, daß die Polarität ihrer Ladung mit der der Teilchen jbereinstimmt. Dadurch wird die mögliche Verringe-

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rung der Oberflächenladung eines Tröpfchens durch Ladungsneutralisation so klein wie möglich gehalten. In diesem Fall werden neutrale Teilchen von den geladenen Tröpfchen noch absorbiert und gesammelt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig vom spezifischen Widerstand der zu entfernenden Teilchen, da diese nicht geladen werden müssen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungsteilchen aus einem Gasstrom, der zwischen mit Abstand angeordneten Leiterelementen, zwischen denen sich ein Flüssigkeitssprührohr befindet, hindurchgeleitet wird, wobei zwischen dem Flüssiglceitssprührohr und den Leiterelementen eine konstante elektrische Spannung angelegt wird, die den ι ο ohne Oberdruck ausströmenden Flüssigkeitsstrahl in einzelne geladene Tröpfchen zerteilt, die mit den Verunreinigungsteilchen in Ladungsaustausch treten und diese veranlassen, sich auf den Leiterelementen abzuscheiden, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Flüssigkeitsstrahlzerteilung Tröpfchendurchmesser von 60 bis 250 Mikron erhalten werden und daß die Oberflächenladungsdichte der Tröpfchen auf Werte nahe der Rayleigh-Grenze eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungsteilchen durch direkte Kollision mit den geladenen Flüssigkeitströpfchen aus dem Gasstrom abgeschieden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abzuscheidenden Verunreinigungsteilchen vor dem Ladungsaustausch mit den Flüssigkeitströpfchen elektrisch nicht aufgeladen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Flüssigkeitsstrahlzerteilung Tröpfchendurchmesser von 80 bis 120 Mikron erhalten werdyn.