DE2639359A1 - Einrichtung zur elektrostatischen schwebstoffabscheidung - Google Patents

Description

31. August 1976 9918-76 Dr.ν.Β/Ε

High Voltage Engineering Corporation Burlington, Massachusets (V.St.A.)

Einrichtung zur elektrostatischen Schwebstoffabscheidung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur elektrostatischen Schwebstoffabscheidung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DT-OS 2 341 541 und der DT-OS 2 438 881 sind bereits Einrichtungen zum elektrostatischen Abscheiden von Teilchen aus einem zwischen Koronaelektroden und Abscheidungselektroden hindurchgeführten Gasstrom bekannt, bei denen mit einem relativ gleichförmigen elektrischen Grund-Gleichfeld gearbeitet wird, das dazu dient, die Teilchen aufzuladen und aus dem Gasstrom zu entfernen und verhältnismäßig hohe elektrische Feldstärken zuläßt, während die Koronaentladung, die zum Erzeugen der die mitgeführten Teilchen aufladenden Ionen benötigt wird, durch ein wiederholt gepulstes, hohes elektrisches Feld zwischen den Koronaelektroden und Abscheidungselektroden erzeugt wird. Bei einer solchen Ein- ■ richtung ist die Funktion der Trägererzeugung durch die Koro-

709809/0832

ORIGINAL INSPECTED

naentladung von der Funktion der Trägeraufladung und des Trägertransports getrennt. Einrichtungen dieser Art haben ferner auch noch eine Anzahl weiterer Vorteile, wie:

1.) Man kann einen bereits vorhandenen elektrostatischen Staubabscheider ohne große Änderungen für einen solchen Betrieb umbauen, da ziemlich einfache elektrische Schaltungen genügen.

2.) Die Drahtbruchhäufigkeit ist bei einer Einrichtung dieser Art geringer als bei den konventionelleren elektrostatischen Staubabscheidern, da man Koronaelektroden größeren Querschnittes verwenden kann, als die bei den mehr konventionelleren Anlagen zulässig sind.

3.) Das Impulsfeld kann so hoch bemessen werden, daß ein Koronastrom unter praktisch sämtlichen Betriebsbedingungen gewährleistet ist, wodurch die hohe Empfindlichkeit der Elektroden der mehr konventionelleren Einrichtungen gegen Verschmutzung verringert und der Wirkungsbereich des Gleichfeldes erheblich erweitert werden.

4.)Der Mittelwert des Koronastromes kann unabhängig vom Gleichfeld durch Wahl der Spannung, Breite und/ oder Folgefrequenz der überlagerten Hochspannungsimpulse innerhalb enger Grenzen geregelt werden. Dadurch läßt sich 0.53 Problem von ..Rückentladungen gut beherrschen und der Mindestwert, der/ eine Aufladung der Teilchen bis nahe an den Gleichgewichtswert erforderlich ist, braucht nicht nennenswert überschritten zu werden.

709809/0892

Einrichtungen der oben erwähnten Art, besonders wenn es sich um umgerüstete konventionelle Staubabscheider oder Elektrofilter handelt, sind jedoch unter Umständen kostspielig im Betrieb. Es sei z.B. ein Staubabscheider für ein elektrisches Kraftwerk mit einer elektrischen Nenn-Ausgangsleistung von 7 MW betrachtet. Bei Kohlefeuerung entstehen bei einem solchen Kraftwerk typischerweise 50 000 Kubikfuß Abgase pro Minute. Um diese Gasmenge zu reinigen, benötigt man einen elektrostatischen Staubabscheider in einer Anoden- oder Kollektorfläche von insgesamt etwa 20 000 Quadratfuß, der bei den üblichen Elektrodenabständen (Abständen zwischen Draht- und Plattenelektroden) eine Kapazität von etwa 100 Nanofarad hat. Bei einer konventionellen Einrichtung, die mit gleichgerichteter, ungefilteter Gleichspannung arbeitet, würde ein Strom von insbesamt 1 Ampere bei einer Gleichspannung von 70 kV und damit ein Leistungsverbrauch von insgesamt etwa 70 kW benötogt. Wenn eine solche Einrichtung gemäß den Lehren der DT-OS 2 341 541 umgerüstet und der Gleichspannung Impulse mit einer Amplitude von 70 kV überlagert wird, benötigt man für jeden einzelnen Impuls, der der Gleichspannung überlagert wird, eine Energie von 735 Joule. Wenn man ferner eine Impulsbreite von 100 ns annimmt und mit einer Impuls-

wiederholungsfrequenz von etwa 10 Hz arbeiten muß, um den nötigen Koronastrom zu erzeugen, ergibt sich ein Leistungsverbrauch von insgesamt 7,35 MW. Selbst bei einer Impulsfre-

3
quenz von 10 Hz ist der Leistungsverbrauch nah 735 kW.

Man beachte, daß diese Leistung nichts mit der Nutzleistung zu tun hat, die für die Staubabscheidung benötigt wird, sondern lediglich eine Blindleistung darstellt, die für Aufladung der Kapazität des Staubabscheiders durch die Impulse benötigt wird. Wenn man Impulse mit steilen Flanken, wie es bei dem vorstehend erwähnten bekannten Staub-

abscheider erforderlich ist, muß man die während eines Impulses zugeführte Ladung zwischen den Impulsen auf irgend eine Weise wieder entfernen, was den erwähnten Leistungsverlust zur Folge hat. Man sieht, daß bei dem oben erwähnten Beispiel

mit einer Impulswiederholungsfrequenz von 10 Hz der Blindleistung sver brauch den Nutzleistungsverbrauch der Anlage über-

3 schreitet und daß selbst bei einer Impulsfrequenz von 10 Hz die Blindleistungsverluste über 10% der Nutzleistung betragen. Die Diskrepanz im Leistungsverbrauch ist offensichtlich. Bei den derzeitigen Preisen betragen bei einer Einrichtung der oben genannten Art allein die jährlichen Energiekosten etwa US$ 160.000.—. Dieser Betrag ist vergleichbar mit den derzeitigen Kosten für den elektrischen Teil eines konventionellen Staubabscheiders und die Kosten für elektrische Energie steigen noch fortlaufend an. Es ist daher offensichtlich erforderlich, den Leistungsbedarf einer solchen, an sich vorteilhaften, mit Impulsen arbeitenden Anlage zu verringern, wenn sie eine praktische Alternative für die konventionelleren Anlagen oder sogar eine Verbesserung dieser darstellen soll.

Man könnte daran denken, den Blindleistungsverbrauch durch Verringerung der Impulsamplitude herabzusetzen. Diese Lösung ist jedoch nicht attraktiv, da sie zu einer Konstruktion und einer Betriebsart führt, die sich nur geringfügig von denen bekannter gleichspannungsbetriebener Staubabscheider unterscheidet und der sich aus der Steuerbarkeit des Koronastromes ergebende Nutzen und Vorteil weitgehend verlorengehen. Auch eine Verringerung der ImpulsWiederholungsfrequenz stellt keine zufriedenstellende Lösung dar. Man kann diesen Parameter zwar etwas ändern, es ist jedoch wünschenswert, soviel Ladungsträger zu erzeugen, daß die Teilchen auf eine Ladung nahe dem Gleichgewichtswert in einer Zeitspanne aufgeladen werden, die kurz im Vergleich zur Teilchen-Durchgangszeit oder Laufdauer ist. Bei einer gegebenen typischen Drift-

709809/0832

geschwindigkeit von 70 cm/sec (siehe J.W.Parkington, M.S. Lawrie-Walter, "Attainment of High Precipitation Efficiencies on Fine and Sub-Micron Dusts and Fumes", LA PHYSIQUE DES FORCES ELECTROSTATIQUE ET LEURS APPLICATIONS" S. 351 - 362, Grenoble (1960) und einem mittleren senkrechten Laufweg von 7 cm ist also eine Wiederholungsfrequenz weit über 10 Impulsen pro Sekunde angezeigt. Einhundert Impulse während der Laufdauer der Teilchen, was nicht unüblich ist, führt für diesen Parameter zu einem typischen Wert von 1000 Impulsen pro Sekunde. Die für eine spezielle Anlage optimale Impulswiederholungsfrequenz wird man im allgemeinen durch Versuche ermitteln müssen.

Außer dem übermäßigen Leistungsbedarf besteht bei der erwähnten bekannten Einrichtung, bei der die Impulsspannung allen Drahtelektroden gleichzeitig zugeführt wird, außerdem die Schwierigkeit, kurze Irapulsanstiegszext zu erreichen. Zwischen dem Impulsgenerator und der Kathodenstruktur einer solchen Einrichtung herrscht typischerweise eine Induktivität in der Größenordnung von 1 Mikrohenry. Mit dieser Induktivität und einer Kapazität des Abscheider von 100 nF ergibt sich eine Impulsanstiegszeit von etwa einer halben Mikrosekunde. Schon dies ist zu lang, um die erhöhte Isolationsfestigkeit von Gasen für kurze Impulse ausnutzen zu können. Anders ausgedrückt verlängert die übermäßige Anstiegsdauer bis zum Impulsmaximum in der Praxis die erreichbare Impulsdauer .

Die oben geschilderten Probleme lassen sich dadurch weitestgehend beheben, daß man die Kathodendrähte so in Reihe schaltet, daß sich zusammen mit der Anoden- und Halterungsstruktur eine Hochfrequenz- oder Wellenleitung ergibt, der die Impulse zugeführt werden. Die Breite der Impulse muß kleiner sein als die Länge der bzw. Impulslaufdauer in der

703809/0892

Hochfrequenzleitung. Die Kathodendrähte werden bei einer solchen Anordnung der Reihe nach aufgeladen, wenn die einzelnen Impulse der Hochfrequenzleitung entlang laufen, wobei jedoch zu einem bestimmten Zeitpunkt nur jeweils ein kleiner Teil des Abscheiders aufgeladen wird. Auf diese Weise wird der erforderliche Koronastrom erzeugt, ohne daß alle Koronaelektroden gleicheitig aufgeladen zu werden brauchen.

Die Reihenschaltung kann entweder parallel zur Richtung der Gasströmung, d.h.längs des Trägers oder der Strebe zur Halterung der einzelnen Koronaelektrodengruppen in den Kanälen zwischen den beabstandeten Äbschexdeelektroden, oder senkrecht zur Richtung der Gasströmung, d.h. nach hinten und vorne über die Oberseite der Abscheideelektroden, wobei die Koronaelektroden entsprechender Plätze in jedem Kanal verbunden werden, erfolgen. Die senkrechte Konfiguration dürfte die bessere dieser beiden Möglichkeiten sein, da bei ihr die Anzahl der in den verschiedenen Kanälen freigesetzten Ladungsträger trots der Dämpfung der Impulsamplitude durch die Verluste der Hochfrequenzleitung infolge des während der Impulsausbreitung fließenden Koronastromes im wesentlichen gleich ist. Bei der parallelen Konfigurationjwerden andererseits wegen der erwähnten Dämpfungseffekte in den verschiedenen Kanälen zunehmend weniger Ladungsträger emittiert, während sich der Impuls vom Eingang zum Ende der Reihenschaltung ausbreitet.

Bei beiden Anordnungen bilden die Koronadrähte eine Vielzahl von Abzweigungen oder Ästen, die jeweils am einen Ende mit einem Draht oder Kabel verbunden sind, welches als Hauptkörper der Hochfrequenzleitung wirkt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Koronadrahtstücke selbst als Teil der Hochfrequenzleitung verwendet, in dem man Gruppen von Koronadrähten mit ihren Enden in Reihe schaltet und entsprechend führt.

709809/0892

Die Vorteile einer solchen Einrichtung werden dadurch erheblich vergrößert, daß, wie experimentell ermittelt wurde, die emittierte Ladung pro Impuls nur in geringem Maße von der Impulsbreite abhängt, woraus sich ergibt, daß die Ladung ganz am Anfang des Impulses emittiert wird, wo die Äbschirmung^ffekte der entstehenden Raumladungswolke fehlen. Dies ermöglicht die Verwendung von sehr kurzen Impulsaimit einer Dauer in der Größenordnung von 10 Nanosekunden, was sowohl den Leistungsbedarf als auch die Gefahr eines unerwünschten Durchschlages zwischen den Kathoden- oder Koronadrähten und den Anoden- oder Abscheideplatten verringert.

Da die durch die Wellenleiter- oder Hochfrequenzleitungsanordnung erzielte Verringerung des Leistungsverbrauches proportional zum Verhältnis der Impulslaufzeit längs der Reihenschaltung zur Impulsbreite ist, ergibt sich durch solche kurzen Impulse ein Gesamtleistungsverbrauch, der mit dem von Gleichspannungsanlagen bekannter Bauart vergleichbar oder geringer als dieser ist.

Bei einer Einrichtung der im Vorstehenden beschriebenen Art kann man sich bekannter Impulserzeugerschaltungen bedienen, muß jedoch darauf achten, daß die Impedanz des übertragungs- oder Speisekabels an die der Drahtkathoden-Anode η -Anordnung angepaßt wird. Dem erschwerenden Umstand, daß die Koronadrähte eine elektrische Länge haben, die mit der Impulsbreite vergleichbar ist, und damit störende Reflexionen verursachen, kann dadurch weitgehesfl abgeholfen werden, daß man die Koronadrähte sowohl am oberen als auch am unteren Ende in Reihe schaltet. Zusätzlich ist es jedoch ratsam, Messungen der zeitlichen Reflexionsverhältnisse und der Impulsdämpfung längs des Fortpflanzungsweges durchzuführen, um für jedes spezielle System die optimalen Anpassung sbedingungen zu ermitteln.

709809/0892

Die Impulse werden jeweils am Ende der in Reihe geschalteten Koronadrähte reflektiert und tragen auf ihrem Rückweg erneut zur Erzeugung von Coronastrom bei. Die Reflexionen sind jedoch vor dem Auftreten des jeweils nächsten Impulses abgeklungen, so daß keine Gefahr von Überschlägen besteht.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Hochspannungsleiterabschnittes eines elektrostatischen Stauboder Schwebstoffabscheiders, bei dem die Koronaelektroden oder Kathoden jeder Anordnung längs ihres gemeinsamen Halterungsträgers in Reihe geschaltet sind und bei dem jeder derart in Reihe geschaltete Elektrodensatz mit dem in Reihe geschalteten Elektrodensatz im benachbarten Kanal über die Oberseite der Abscheide- oder Anodenplatten auf beiden Seiten der Anordnung hinweg in Reihe geschaltet sind, so daß die Verbindung einen einzigen durchgehenden Weg vom Eingang zum Ende bildet;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Hochspannungsleiterteiles eines Schwebstoff- oder Staubabscheiders, bei dem die Kathoden oder Koronaelektroden, die sich an entsprechenden Stellen in den Kanälen zwischen jeweils zwei Anoden- oder Abscheideplatten befinden, über das obere Ende der Abscheideplatten hinweg in Reihe geschaltet sind, und bei dem diese Koronaelektrodenreihen jeweils mit den beiderseits benachbarten Koronaelektrodenreihen längs eines Reihenhaiterungsträgers derart in Reihe geschaltet sind, daß die Schaltung eine einzige durchgehende Leitung von einem Eingang zu einem Ende bildet;

709809/0892

Fig. 3 ein Schaltbild einer typischen Impulserzeugerschaltung und ihres Anschlusses an einen elektrostatischen Schwebstoff- oder Staubabscheider, dessen Koronaelektroden in der in Fig. 1 dargestellten Weise in Reihe geschaltet sind;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der Elektrodenkonfiguration eines typischen Kanal-Elektrofilters zur Abscheidung von Flugasche und

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung mit der Elektrodenkonfiguration und der Hochfrequenzleitungsschaltung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen Schaltbilder typischer

Hochspannungsleitungsabschnitte 1 eines elektrostatischen Staubabscheiders, der mehrere, im Abstand voneinander angeordnete metallische Abscheideelektroden- oder Anodenplatten 2 und mehrere metallische, einzeln isolierte Korona- oder Kathodenelektroden 3 relativ kleiner Oberfläche enthält, die in kanalartigen Zwischenräumen 4 in der Mitte zwischen jeweils zwei Abscheideelektroden 2 angeordnet sind. Die perspektivische Darstellung eines Teiles eines solchen Hochspannungsleitungsabschnittes in Fig. 4 zeigt deutlich die geometrischen Verhältnisse einer solchen Anordnung.

Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung enthält mehrere Halterungsträger 26, die zusammen mit den Anoden 2 und den Kathoden 3 sowie zugehörigen Strukturen eine Hochfrequenzleitung 6 bilden, die bei Ausführungsformen entsprechend Fig. 1 oberhalb der kanalartigen Zwischenräume 4 in der Mitte zwischen jeweils zwei Kollektorplatten 2 verläuft. Die Koronaelektroden 3, die bei diesem speziellen Beispiel aus Drähten bestehen, sind an den Trägern 26 befestigt und werden durch

fest angebrachte Vorrichtungen, in diesem Falle Gewichte 27, die direkt unter den Trägern 26 unterhalb der kanalartigen Zwischenräume 4 angeordnet sind, senkrecht gehalten. Die Koronaelektroden 3 bilden also eine Anzahl von im wesentlichen senkrechten Anordnungen, die sich in Ebenen befinden, die im wesentlichen parallel zu den Ebenen der Abscheideplatten 2 verlaufen.

Bei einer typischen Anlage kann jeder Kathodendraht 3 etwa 9 Meter (30 Fuß) hoch sein und jede Reihe von Kathodendrähten 3 kann eine Breite von etwa 3 Metern (10 Fuß) haben, wobei die Einheit 50 Reihen, die jeweils 25 cm (10 Zoll) voneinander entfernt sind, enthalten kann. Eine vollständige Anlage kann sechs solcher Einheiten enthalten.

Anstatt alle an hoher Gleichspannung liegende Koronaelektroden 3 innerhalb eines Hochspannungsleitungsabschnittes 1 zur gleichen Zeit mit einer ununterbrochenen Folge von sich der Gleichspannung überlagernden Hochspannungsimpulsen von der gleichen Leistungsquelle zu speisen, wird der Leitungsabschnitt 1 als Einheit durch einen sehr schmalen Impuls 17 erregt, der sich längs der in Reihe geschalteten Kathodendrahtstruktur ausbreitet und damit die verschiedenen, auf der hohen Gleichspannung liegenden Koronaelektroden 3 nacheinander und nicht gleichzeitig erregt, wodurch der erforderliche Koronastrom ohne übermäßigen Leistungsbedarf erzeugt wird.

Bei einer typischen Anlage der oben genannten Art, ergibt jede Einheit eine Hochfrequenzleitung von 150 Metern (500 Fuß) Länge. Da sich die einzelnen Impulse längs der Hochfrequenzleitung mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die etwas geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit, entspricht ein 10-ns-Impuls einer Strecke von etwa 3 Metern (IO Fuß), so daß zu einem gegebenen Zeitpunkt jeweils nur ein kleiner

7ÖSÖÖ9/Ö892

Teil jeder Einheit oder Hochfrequenzleitung durch den Impuls aufgeladen wird.

Fig. 1 zeigt eine spezielle Möglichkeit, wie ein Hochspannungsleitungsabschnitt verdrahtet werden kann, um die erforderliche, in Reihe geschaltete Kathodendrahtanordnung zu erhalten. Die dargestellte Konfiguration enthält einzeln isolierte Koronaelektroden 3, die längs des die Anordnung halternden Trägers 26 und damit gleichzeitig parallel zur Strömungsrichtung 5 des Gases in Reihe geschaltet sind und jede dieser Reihenschaltungen ist über die Oberseite der benachbarten Kollektorelektrodenplatte 2 hinweg mit der nächstfolgenden Reihenschaltung in Reihe geschaltet. Eine solche typische Reihenschaltung verläuft also in einem Eingangspunkt zu einem Punkt 8, weiter zu einem Punkt 9, zu einem Punkt 10, zu einem Punkt 11 und zu einem Punkt 12, wie es aus Fig. klar ersichtlich ist. Durch alle diese Verbindungen ergibt sich dann die Hochfrequenzleitung 6.

Störende Reflexionen in der Hochfrequenzleitung sollen möglichst gering gehalten werden. Diskontinuitäten, wie die Verbindungen zwischen den Kathodendrähten 3 und den Trägern 26 führen zu Reflexionen, die kompensiert werden müssen, auch durch die Verbindungen zwischen den Kathodendrahtreihen bilden Induktivitäten, die entsprechende Reflexionen verursachen. Man kann solche Reflexionen dadurch verringern-, daß man an geeigneten Stellen längs der Hochfrequenz leitung entsprechende Schaltungselemente, wie Induktivitäten, Kapazitäten usw. anordnet. Art und Wert solcher Schaltungselemente lassen sich nicht im voraus errechnen. Sie lassen sich jedoch durch entsprechende Untersuchungen an der jeweiligen Anlage in bekannter Weise bestimmen.

709809/0892

Fig. 2 zeigt eine andere Möglichkeit der Verdrahtung eines Hochspannungsleiterabschnittes zur Bildung der gewünschten in Reihe geschalteten Kathodendrahtstruktur. Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung sind metallische und individuell isolierte Koronaelektroden 3, die sich an entsprechenden Plätzen in den verschiedenen kanalartigen Zwischenräumen 4 befinden, über das obere Ende der Abscheideelektrodenplatte 2 hinweg, d.h. senkrecht zur Richtung 5 der Gasströmung, in Reihe geschaltet und jede solche Reihe ist mit der benachbarten Reihe längs des Trägers in Richtung parallel zur Gasströmung 5 in Reihe geschaltet. Die Impulsverzögerung s- oder Hochfrequenzleitung 6 bildet also eine Reihe von S-förmigen Anordnungen, die, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, von einem Punkt 13 zu einem Punkt 14 und weiter zu einem Punkt 15, 16 und schließlich zu einem Punkt 24 und 25 führt.

Mit jeder der oben erwähnten Reihenschaltungen kann eine Quelle für eine Grundgleichspannung und eine Impulsgeneratorschaltung 102 verbunden werden, die kurze Impulse über ein Hochfrequenzkabel 19 (Fig. 3) an den entsprechenden Hochspannungsleiterabschnitt zu liefern vermag, verwendet werden. Bei der dargestellten speziellen Schaltung aus Kondensatoren, Induktivitäten und Widerständen wird ein Impulsspeicherkondensator 22 von einer äußeren Leistungsquelle 23 aufgeladen, bis eine gewünschte Spannung erreicht ist. Der Speicherkondensator 22 wird dann über eine geeignete Vorrichtung, wie einen gesteuerten Schalter 20 entladen und gibt dabei über einen Kopplungskondensator 21 ein Impulssignal an die Hochfrequenzleitung .19, z.B. ein Koaxialkabel, ab.

Der Koronastrom, der zur Erzeugung der Ionen für die Aufladung der abzuscheidenden Teilchen erforderlich ist, wird also durch die Hochspannungsimpulse, die der Grundgleichspannung durch eine Impulserzeugungsanordnung, wie der

7098Ö9/Ö8S2

Impulsformersehaltung gemäß Fig. 3, überlagert werden, in Verbindung mit der Impulsfortleitung durch die in Reihe geschaltete Kathodendrahtanordnung erzeugt. Das dabei entstehende gepulste Feld kann immer noch wesentlich höher sein als das überlagerte Gleichfeld, ohne daß ein Durchschlagen des Gases eintritt, da die Impulsspannungen nur sehr kurz dauern. Die Nutzbarmachung der Impulsfortpflanzung hat dabei einen sehr günstigen Einfluß auf den Gesamtleistungsverbrauch, da durch die Impulse zu einem vorgegebenen Zeitpunkt jeweils nicht alle sondern nur wenige Koronaelektroden aufgeladen zu werden brauchen. Es sind nun Verbrauchswerte erreichbar, die mit denen konventioneller Gleichspannungsanlagen vergleichbar sind oder unter denen solcher Anlagen liegen. Der Leistungsverbrauch läßt sich proportional zum Verhältnis von Impulslaufzeit zur Impulsdauer herabsetzen. Betrachtet man also z.B. einen Gleichspannungsabscheider mit 1000 Drähten und Abständen von 15 bis 20 cm ( 6 bis 8 Zoll) zwischen den Koronaelektroden, was nicht unüblich ist, und arbeitet mit einer Grundgleichspannung von 69 kV, der Impulse mit einer Dauer von 10 Nanosekunden, einer Amplitude von 69 kV und einer Frequenz von 1000 Hz überlagert werden, so ergibt sich ohne Hochfrequenzleitung ein Leistungsverbrauch von 7,15 MW, während mit Hochfrequenzleitung sschaltungs schaltung nur etwa 110 kW benötigt werden, was eine Verringerung um einen Faktor von 65 bedeutet.

Die überlagerte Spannung soll vorzugsweise mindestens 10% der überlagerten Gleichspannung sein und typischerweise etwa dieselbe Größenordnung wie die überlagerte Gleichspannung an den Koronadrähten haben. Die Impulswiederholungsfrequenz sollte mindestens 1000 Impulse pro Sekunde betragen und vorzugsweise höher sein, insbesondere mehrere 1000 Impulse pro Sekunde, wenn die abzuscheidenden Teilchen nicht einen hohen spezifischen Widerstand haben. Für Staub hohen spezi-

709809/0892

-ι Ölfischen Widerstandes wird die Impulswxederholungsfrequenz durch Rückentladungseffekte bestimmt und kann unter Umständen nur einige zehn Impulse pro Sekunde betragen.

Die überlagerten Impulse sollen vorzugsweise eine

-9 -7

Breite im Bereich zwischen 10 und 10 Sekunden haben, typischerweise wird man bei den vorliegenden Einrichtungen mit einer Impulsdauer von etwa 10 Nanosekunden arbeiten. Diese Verbesserung beruht auf der experimentell ermittelten Tatsache, daß die pro Impuls emittierte Ladung nur in geringem Umfang von der Impulsdauer abhängt und in erster Linie durch die überlagerten Amplituden und die Impulsform bestimmt wird. Hieraus ergibt sich, daß die Ladung während des allerersten Teiles des Impulses emittiert wird, solange die Abschirmungswirkung der Raumladungswolke noch nicht vorhanden ist. Man kann daher extrem kurze Impulse verwenden, was nicht nur den Leistungsbedarf sondern auch die Wahrscheinlichkeit von unerwünschter. Durchbrüchen zwischen den Kathodendrähten 3 und den Anodenplatten 2 verringert.

Auf Grund dieser experimentell verifizierten Tatsachen hat auch die Konfiguration gemäß Fig. 2 hinsichtlich des Betriebes Vorteile gegenüber der gemäß Fig. 1. Der Koronastrom wirkt als Verlust für die Hochfrequenzleitung 6 und setzt die Amplitude des Impulses allmählich herab, während dieser der Leitung entlang wandert, Da der Betrag der Emission wesentlich von der ImpulSamplitude abhängt, ändert sich daher die in den einzelnen Kanälen 4 erzeugte Emission bei Fig. 1 stärker als bei Fig. 2

Der oben erwähnte Dämpfungseffekt hat übrigens auch Vorteile. Der Impuls wird am Ende der in Reihe geschalteten Drähte reflektiert und erzeugt auf seinem Rückweg erneut Koronastrom. Die Reflexionen sind jedoch abgeklungen.

7098Ö9/Ö892

wenn der nächste Impuls angelegt wird, so daß praktisch keine Gefahr von Durchschlägen infolge einer Überlagerung und Addition von Impulsen besteht.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer besonders vorteilhaften Schaltung der Kathodendrähte. Die in Fig. 5 dargestellte Elektrodenanordnung enthält Kollektor- oder Abscheideplatten 30, die ähnlich angeordnet sind, wie die Abscheideplatten 2 der Anordnungen gemäß Fig. bis 4. Während jedoch bei den Anordnungen gemäß Fig. 1 bis die Koronadrähte jedes Abschnittes im wesentlichen parallel liegen, sind die Koronaelektroden bei der in Fig. 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu einer oder mehreren Hochfrequenzleitungen verbunden, die in Fig. 5 schematisch als Lange Drähte 31a bis 31o dargestellt sind und jeweils im wesentlichen in einer Ebene liegen, die senkrecht auf den Ebenen steht, in denen sich die Abscheideplatten 30 befinden. Die Drähte verlaufen jeweils zwischen den benachbarten Abscheideplatten und zwar nacheinander von einem Zwischenraum zwischen Abscheideplatten zum nächsten, wobei sie abwechselnd über und unter den aufeinanderfolgenden Abscheideplatten 30 verlaufen. Die Koronaelektroden 31 sind an einer oberen Anordnung 32 und einer unteren Anordnung 33 aus Trägergliedern befestigt. Die obere Trägergliederanordnung 32 enthält eine Anzahl von Reihen 32a bis 32f, in denen die Trägerglieder jeweils longitudinal zueinander ungefähr in der Mitte zwischen benachbarten Abscheideplatten 30 im Abstand über diesen angeordnet sind. In entsprechender Weise enthält die untere Trägergliederanordnung 33 eine Folge von Reihen 33a bis 33f, in denen jeweils die zu der betreffenden Reihe gehörenden Trägerglieder longitudinal zueinander ungefähr in der Mitte zwischen benachbarten Abscheideplatten 30 im Abstand unter diesen angeordnet sind. Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 verläuft also

jeder der langen Drähte 31a bis 31o nacheinander vom Trägerglied 33a zum Trägerglied 32a usw. über die Trägerglieder 32b, 33b, 33c, 32c, 32d, 33d, 33e, 32e, 32f, 33f , wie aus der Zeichnung ersichtlich ist. Die langen Drähte 31 werden durch entsprechende Impulsgeneratoren gespeist, wobei ein Impulsgenerator mehrere parallele Drähte mit Impulsen versorgen kann.

Ein Vorteil der in Fig. 5 dargestellten Einrichtung besteht darin, daß sich die Impedanz bzw. der Wellenwiderstand jedes einzelnen langen Drahtes leicht errechnen läßt. Jeder der langen Drähte bildet im wesentlichen einen einzelnen drahtförmigen Leiter zwischen geerdeten parallelen Ebenen mit Masserückleitung. Dies stellt eine einfache Konfiguration dar und der Wellenwiderstand eines solchen Drahtes ist beispielsweise auf Seite 22-23,Beispiel P des Buches "Reference Data for Radio Engineers", 5. Auflage, Howard W. Sama and Co., Ing., ITT angegeben. Der Wellenwiderstand Z in Ohm eines Drahtes mit dem Durchmesser d zwischen geerdeten Platten mit dem Abstand h (gemessen in den gleichen Einheiten wie der Drahtdurchmesser) ist also

138 4h

wobei 6-die Dielektrizitätskonstante des Mediums, in dem sich der Draht befindet, bezüglich Luft ist. Dieser Ausdruck liefert die Impedanz, die der Draht einem Impuls darbietet, sie ist unabhängig von der Länge der Leitung. Bei einem typischen elektrostatischen Staubabscheider oder Elektrofilter gemäß der Erfindung kann der Abstand zwischen den parallelen Platten ca 23 cm ( 9 Zoll) sein und ein typischer Drahtdurchmesser wäre 6,3 mm (1/4 Zoll). Setzt man diese Werte in die

709809/0892

obige Gleichung ein, so ergibt sich für einen Draht in diesem typischen Falle ein Wellenwiderstand von 230 Ohm. Sechs parallele Drähte oder Hochfrequenzleitungen dieser Art haben dann also einen Wellenwiderstand von einem Sechstel von 230 Ohm, d.h. 38,2 Ohm. Sechs parallele Drähte dieser Art können also ohne Schwierigkeiten durch einen Impulsgenerator über ein Kabel gespeist werden, dessen Impedanz gleich oder annähernd gleich dem Wellenwiderstand von 38 Ohm der Drahtanordnung ist. Wie Fig. 5 schematisch zeigt, können also z.B. die langen, durchgehenden Drähte 31a bis 31f durch einen ersten Impulsgenerator 34 gespeist werden, während die Drähte 31d bis 31 1 durch einen zweiten Impulsgenerator 35 gespeist werden. Wieviele Impulsgeneratoren bei einer Einrichtung gemäß der Erfindung verwendung werden, ist nicht wesentlich und es ist sogar möglich, mit einem einzigen Impulsgenerator einen ganzen Abschnitt eines Schwebstoffabscheiders oder Elektrofilters zu speisen.

Ein wesentlicher Vorteil der Einrichtung gemäß Fig. 5 besteht darin, daß sich die Impedanz leicht anpassen läßt. Beispielsweise können die Impulsgeneratoren in einem Raum untergebracht werden, der 50 bis 100 m und weiter.von den Platten und Drähten des Elektrofilters selbst entfernt ist und die Impulse können den Koronadrähten von den Impulsgeneratoren durch ein gewöhnliches oder genormtes Kabel zugeführt werden? dessen Wellenwiderstand sich aus dem Verhältnis der Induktivität L zur Kapazität C pro Längeneinheit des Kabels ergibt. Kennt man den Wellenwiderstand des Kabels, so läßt sich der Wellenwiderstand des Abscheiders dadurch leicht an den des Kabels anpassen, daß man eine entsprechende Anzahl von Koronadrähten zusammenschalten die dann durch einen Impulsgenerator über das Kabel gespeist werden. Die erforderliche Anzahl läßt sich„ wie erwähnt,, leicht bestimmen,? da bei der Anordnung gemäß Fig. 5 jeder Koronadraht einem Ein=

709809/0891

zelleiter zwischen parallelen, geerdeten Ebenen entspricht und sein Wellenwiderstand daher leicht errechnet werden kann.

Da ein typisches Elektrofilter senkrecht zur Gasströmung etwa 30 bis 40 Kanäle aufweist und da die Länge einer Koronaelektrode in der Größenordnung von 9m (30 Fuß) liegt, kommt man bei einer Einrichtung gemäß Fig. 5 zu einer Länge von etwa 270 bis 500 m (900 bis 1800 Fuß) für jeden der durchgehenden Koronaelektrodendrähte. Die Drahtlänge ist bei der Einrichtung gemäß Fig. 5 also länger als bei der Schaltung der Koronaelektroden gemäß Fig. 1 oder 2. Die Einrichtung gemäß Fig. 5 verträgt sich außerdem besser mit den üblichen Gleichspannungsspeiseschaltungen als die Anordnungen gemäß Fig. 1 und 2. Die Einrichtung gemäß Fig. 5 stellt also einen erheblichen Fortschritt gegenüber diesen Schaltungen dar,

Die Einrichtung gemäß Fig. 5 hat gegenüber den Anordnungen gemäß Fig. 1 und 2 auch wesentliche Vorteile hinsichtlich der Vermeidung unerwünschter Reflexionen. Dieses Problem kann zwar bei den Schaltungen gemäß Fig. 1 und 2 dadurch gemildert werden, daß man die in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschriebenen Verbindungen sowohl im oberen als auch im unteren Teil der Elektrodenanordnung vorsieht.

709809/0892

Claims (2)

Patentansprüche

1. Einrichtung zum Aufladen und Abscheiden von Teilchen, die in einem Gasstrom suspendiert sind, mit im Abstand voneinander angeordneten Abscheideelektroden relativ großer Oberfläche und mindestens einem Satz von Koronaelektroden relativ kleiner Oberfläche, die zwischen jeweils zwei benachbarten Abscheideelektroden angeordnet sind, mit diesen und Verbindungselementen eine Hochfrequenzleitung bilden, und mit einer hohen Gleichspannung sowie einer dieser überlagerten Impulsspannung speisbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Zwischenräumen zwischen den Abscheideelektroden (30) angeordneten Koronaelektroden (31) abwechselnd oberhalb und unterhalb der Abscheideelektroden verbunden und dadurch für einen langen, rechteckwellenförmigen Leiter in Reihe geschaltet sind, der mit den Abscheideelektroden jeweils eine Hochfrequenzleitung bildet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Impulsspannung den Koronaelektroden über ein Hochfrequenzkabel zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß für Anpassung des Wellenwiderstandes der Koronaelektroden an den des Kabels eine entsprechende Anzahl der rechteckwellenförmigen Leiter miteinander und mit dem Hochfrequenzkabel verbunden sind.

709809/0892

L e e r s e i t e