DE3114009C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Staubabscheider nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem bekannten, in Fig. 1 dargestellten elektrischen Staubabscheider sind eine Phasensteuereinheit aus einem Thyristor, einem Hochspannungstransformator und einem Gleichrichter usw. sowie eine Steuerschaltung vorgesehen. Eine an Staubsammelelektroden anzulegende Gleichstrom- Hochspannung wird unter Einstellung der Phasensteuereinheit mit der Steuerschaltung von einer Netzstromleitung abgenommen. Die Phasensteuereinheit wird dabei in Abhängigkeit von einem von der Steuerschaltung gelieferten Analog- Eingangsssignal von 0-100% angesteuert.

Da bei einem solchen elektrischen Staubabscheider jedoch die abzuscheidenden Staubteilchen prinzipiell auf solche mit einem spezifischen Widerstand im Bereich von etwa 10⁴-10¹¹ Ohm.cm beschränkt sind, besitzt dieser Staubabscheider eine mangelhafte Staubabscheidungsleitung für Staubteilchen mit einem spezifischen Widerstand im Bereich von 10¹¹-10¹³ Ohm.cm.

Diese eingeschränkte Staubabscheidungsleistung des bisherigen elektrischen Staubabscheiders beruht auf dem Auftreten eines sogenannten Gegen-Koronaeffekts bzw. der sogenannten Gegenionisierung im Staubabscheider. Jahrelange, ausgedehnte Untersuchungen haben nun gezeigt, daß das Auftreten des Gegen-Koronaeffekts stets mit einer Zeitkonstante von ungefähr 1 s verbunden ist. Im Hinblick hierauf wurde die Entwicklung eines verbesserten elektrischen Staubabscheiders angestrebt, dessen Staubabscheidungsleistung auch für Staubteilchen mit einem spezifischen Widerstand von 10¹¹-10¹³ Ohm.cm zufriedenstellend ist, indem die genannte charakteristische Eigenart ausgenutzt und eine Spannung intermittierend und nicht - wie beim obigen Stand der Technik - kontinuierlich angelgt wird, so daß die Stromzufuhr vor dem Auftreten des Gegen-Koronaeffekts bereits wieder abgeschaltet ist.

Im einzelnen ist aus der US-PS 4 138 233 ein elektrischer Staubabscheider bekannt, bei dem zwischen eine Entladungselektrode und eine Sammelelektrode anstelle einer Gleichspannung eine Impulsspannung mit einem Spitzenwert, der erheblich höher ist als der Gleichspannungswert, angelegt wird. Da die vom Staub aufgenommene Ladungsmenge proportional zum Spitzenwert der Impulse ist und die auf ihn ausgeübten elektrischen Kräfte dem Produkt aus dieser Ladung und dem Mittelwert der elektrischen Feldstärke entsprechen, kann durch einen kurzzeitigen Impuls mit einem hohen Spitzenwert die Wirkung des Staubabscheiders erheblich vergrößert werden. Es wird dann jedoch darauf hingewiesen, daß auch bei diesem bekannten Staubabscheider insbesondere bei Staubteilchen mit einem hohen spezifischen Widerstand die schädlichen Wirkungen einer "Gegenionisierung" nicht vermieden werden können, was sich daraus ergibt, daß die Elektrodenanordnung eine Last aus einer großen Kapazität und einem großen Parallelwiderstand darstellt und der erzeugte Koronastrom mit steigendem Durchschnittswert der elektrischen Feldstärke zunimmt. Daher muß zur Verhinderung einer Gegenionisierung der mittlere Feldstärkewert stark gesenkt werden, so daß die durch die Verwendung einer Impulsspannung erzielte Steigerung der Wirksamkeit wieder zunichte gemacht wird. Bei dem aus der US-PS 4 138 233 bekannten Staubabscheider soll dieses Problem durch zwei verschiedene Maßnahmen gelöst werden: Es soll erstens eine hohe Gleichspannung an die beiden Elektroden angelegt werden, die etwas unter der Spannung liegt, bei der eine Koronabildung einsetzt, der eine steile Impulsspannung überlagert wird. Zum zweiten soll die Entladungselektrode eine spezielle Form erhalten, die bewirkt, daß die Koronaeinsatzspannung hier erheblich höher ist als bei den konventionellen Entladungselektroden.

In der älteren Anmeldung gemäß der DE-OS 30 27 172 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrodenabscheiders mit in der Höhe veränderbarer Gleichspannung und überlagerten Impulsen beschrieben, bei dem mindestens einer der Parameter Pulshöhe, Pulsbreite, Pulsfolgefrequenz und Pulsanstiegsgeschwindigkeit veränderbar ist. Zur Erzielung eines relativ einfachen Optimierungsverfahrens unter Einbeziehung einer zulässigen Reingasstaubbeladung werden die Gleichspannung und/oder einer der Parameter der Impulse auf iterativem Wege selbsttätig so verändert, daß die Summe der vom Abscheider aufgenommenen elektrischen Energien aus Gleichspannuung und Impulsen bei Einhaltung eines vorgegebenen Mittelwertes der Reingasstaubbeladung einem Minimum zustrebt. Dieses bekannte Verfahren setzt somit zwingend eine Gleichspannung voraus, der die Impulse überlagert werden.

Weiterhin ist aus der US-PS 38 92 544 eine Gasladevorrichtung zur Trennung vereinigter Teilchen ungleicher Substanzen und zur Vereinigung von Teilchen einer gleichen Substanz bekannt. Diese Vorrichtung ist somit von einem Staubabscheider verschieden, bei dem in einem Gas schwebende Teilchen aus diesem abgeschieden werden. Bei der bekannten Vorrichtung sind zwei Elektroden vorgesehen, denen zum einen eine gepulste Gleichhochspannung und zum anderen eine frequenzmodulierte Wechselspannung zugeführt werden.

Aus der US-PS 27 82 867 ist eine Impulsschaltung bekannt, die für verschiedene Zwecke verwendet werden kann. Als bevorzugte Anwendungsbeispiele werden Magnetrons und elektrische Staubabscheider genannt. Ausgangspunkt für die Entwicklung der bekannten Impulsschaltung war die Tatsache, daß die bisherigen Impulsschaltungen die geforderten hohen Ausgangsleistungen nicht mehr erbringen konnten. Die US-PS 27 82 867 stellt somit nicht auf die speziellen Erfordernisse bei der elektrischen Staubabscheidung ab, sondern beschreibt eine Impulsschaltung zur Verwendung in den unterschiedlichsten Vorrichtungen, die eine hohe Impulsausgangsleistung zu liefern vermag.

Weiterhin beschreibt die DE-PS 6 38 700 ein Verfahren zur elektrischen Reinigung von Gasen mittels Gleichstromhochspannungsentladungen über Funkenstrecken, bei dem das elektrische Sprühfeld mit Stoßspannungen aus einem kapazitiven Energiespeicher in Form von Knallfunkenentladungen unter Ausschluß einer Bogenentladung gespeist wird. Dieses bekannte Verfahren ergab sich aus dem Umstand, daß es sich bei der Reinigung gewisser, insbesondere schlecht leitender Gase in elektrischen Gasreinigungsanlagen zeigte, daß zwischen den Elektroden häufig schon Überschläge auftreten, ehe eine für die erstrebte Gasreinigung ausreichend hohe Spannung und damit eine hinreichende Stromaufnahme im Elektroabscheider erreicht ist.

Aus der DE-PS 6 55 708 ist ein ähnliches Verfahren bekannt, bei dem zwischen den einzelnen Spannungsstößen liegende Pausen mindestens so lang bemessen werden, daß die nach jedem Spannungsstoß auf der Staubschicht der Niederschlagselektrode sich bildende Flächenladung abfließen kann und so die Ausbildung positiver Entladungsbüschel an der Niederschlagselektrode beim Eintreffen des nächsten Spannungsstoßes auf der Sprühelektrode verhindert wird. Hierbei werden konkrete Werte von einer hundertstel bis zu fünfzigstel Sekunde erwähnt.

Aus der Zeitschrift "Staub-Reinhaltung der Luft", 1967, Nr. 4, Seiten 171-173, und 1976, Nr. 1, Seiten 19-26, sind Staubabscheider bekannt, die mit einer Impulsfolgefrequenz von etwa 100 Hz arbeiten, so daß die einzelnen Impulse mit einem zeitlichen Abstand von etwa 0,01 s aufeinander folgen.

In der Zeitschrift "ETZ", Ausgabe B, 1962, Heft 14, Seiten 369 bis 374, wird allgemein darauf hingewiesen, daß bei Thyristoren die Impulsfolgefrequenz verändert werden kann, und aus der GB-PS 6 84 226 ist es bekannt, Stromhalbwellen innerhalb eines bestimmten Bereichs mechanisch abzuschalten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Staubabscheider zu schaffen, mit dem durch Unterdrückung des Gegenkoronaeffekts ohne Beeinträchtigung der Staubabscheidungsleistung auch Staubteilchen mit einem spezifischen Widerstand von 10¹¹ bis 10¹³ Ohm.cm abgeschieden werden können und bei dem der Energieverbrauch gegenüber dem bei den herkömmlichen Staubabscheidern erheblich herabgesetzt ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Staubabscheider nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 5.

Beim erfindungsgemäßen elektrischen Staubabscheider wird die Staubabscheiderwirkung dadurch gewährleistet, daß zwischen Staubsammler-Elektroden eine Gleichstrom-Hochspannung angelegt wird, die mittels einer Phasensteuereinheit einstellbar ist. Eine Steuerschaltung steuert die Phasensteuereinheit intermittierend in der Weise an, daß die Gleichstrom-Hochspannung während einer ersten Periode von etwa 0,001-1 s an die Elektroden angelegt und dann während einer folgenden Zeitspanne von etwa 0,01-1 s unterbrochen wird.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Schaltungsaufbaus eines bisherigen elektrischen Staubabscheiders,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 ein detailliertes Schaltbild einer intermittierend arbeitenden Steuerschaltung bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine Eingang/Ausgangs-Kennlinie eines bei der Schaltung gemäß Fig. 3 vorgesehenen Umsetzers,

Fig. 5A bis 5C graphische Darstellungen von Wellformen an den Punkten A-C in Fig. 3,

Fig. 6 eine graphische Darstellung von Spannung/Strom- Kennlinien zur Veranschaulichung des Unterschieds zwischen normaler Ionisierung und Gegenkoronaionisierung in einem elektrischen Staubabscheider und

Fig. 7A und 7B graphische Darstellungen eines Steuersignals, eines Stroms und einer Spannung beim erfindungsgemäßen Staubabscheider bzw. eines Steuersignals, eines Stroms und einer Spannung beim bisherigen Staubabscheider.

Fig. 1 ist eingangs bereits erläutert worden.

In den Fig. 2 und 3 ist eine intermittierend arbeitende Steuerschaltung 1 zur Ansteuerung einer Phasensteuereinheit bzw. Leistungsregelvorrichtung 2 dargestellt. Diese Steuerschaltung 1 ist über einen Schalter 3 entweder mit einer automatischen Steuerschaltung 4 oder mit manuellen Betätigungsgliedern 5 verbindbar. Die Schaltung gemäß Fig. 3 enthält einen Kondensator C₁, Dioden D₁-D₄, variable bzw. Einstellwiderstände R₁-R₄, Festwert-Widerstände R₅-R₇, einen Transistor TR₁ sowie CMOS-IC-Umsetzer IV₁ und IV₂ mit einer Eingang/ Ausgangskennlinie gemäß Fig. 4.

Bei dieser Schaltungsanordnung können im Fall einer Spannung V _A (vgl. Fig. 5) an einem Punkt A die Impulsbreite T 1 und der Impulsabstand T 2 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen durch entsprechende Einstellung der Widerstände R 1 bzw. R 2 beliebig vorgegeben werden, während ihre Impulshöhe A 1 und ihr Basis- oder Grundpegel A 2 mittels der Widerstände R 3 bzw. R 4 beliebig eingestellt werden können.

Eine Spannung an einem Punkt E entspricht im wesentlichen der Spannung am Punkt A. Der als Emitterfolger geschaltete Transistor TR 1 dient zur Stromverstärkung und zur Impedanzumwandlung. Ein Ausgang an einem Punkt G ist ein ODER-Glied-Ausgang für die Spannungspegel an den Punkten E und F, so daß der höhere dieser Pegel selektiv am Punkt G abgegeben wird.

Wenn bei der in Fig. 2 dargestellten elektronischen Steuerschaltung für die Leistungsregelvorrichtung 2 der Wählschalter 3 auf die Seite der manuellen Betätigungsglieder 5 umgelegt wird, erfolgt die Ansteuerung der Leistungsregelvorrichtung 2 in einer manuellen Betriebsart, in welcher die Einstellwiderstände R 1-R 4 gemäß Fig. 3 zur Einstellung der gewünschten Impulsbreite T 1, des Impulsabstands T 2, der Impulshöhe A 1 und des Grundpegels A 2 von Hand eingestellt werden. Wenn der Wählschalter 3 dagegen auf die automatische Steuerschaltung 4 umgeschaltet wird, erfolgt die Ansteuerung automatisch. In der automatischen Steuerbetriebsart werden beispielsweise die folgenden Regelvorgänge durchgeführt:

• 1. Während die Einstellwiderstände R 1, R 2 und R 4 auf konstante Werte fest eingestellt sind, wird der Widerstand R 3 (und damit die Impulshöhe A 1) mittels einer an sich bekannten Funkenfrequenz-Steuerschaltung automatisch angesteuert.
• 2. Die Widerstände R 1-R 4 werden durch einen Mikrorechner nach einem vorgegebenen Algorithmus gesteuert. (Der hierfür benutzte Algorithmus kann beispielsweise so gewählt sein, daß die Widerstände R 1-R 4 so eingestellt werden, daß das noch näher zu erläuternde Produkt V _P ×V _AV optimiert wird.)

Im folgenden sind die grundsätzlichen Charakteristika der elektrischen Staubabscheidungswirkung erläutert. Wenn die Staubteilchen der normalen Ionisieurng unterworfen sind, entspricht eine Spannung/Strom-Kennlinie der Kurve a gemäß Fig. 6, während diese Kennlinie beim Auftreten einer Gegenkoronaionisierung die durch die Kurve b dargestellte Form annimmt. Beim Auftreten einer Gegenkoronaionisierung ändert sich jedoch die Spannung/ Strom-Kennlinie längs der Kurve b, so daß die Spannung auch bei Erhöhung des Stroms nicht ansteigt und daher unter diesen Bedingungen ein unnötig großer Stromfluß vorhanden ist.

Die Größe der Staubabscheidungsleistung ist ungefähr proportional einem Produkt V _P ×V _AV aus einem Spitzenwert V _P der Spannung und einem Zeitmittelwert V _AV der Spannung; je größer das Produkt V _P ×V _AV , um so größer ist mithin die Staubabscheidungsleistung.

Wenn bei aufgetretender Gegenkoronaerscheinung der Strom vergrößert wird, geht die Strom/Spannung-Kennlinie mit einer Zeitverzögerung von etwa 1 s von der Kurve a auf die Kurve b über.

Mit anderen Worten: auch wenn der Strom zwischen den Stromgrößen Ia 2 und Ia 1 in Fig. 7A plötzlich vergrößert und verkleinert wird, folgt die Strom/Spannung- Kennlinie weiterhin der Kurve a gemäß Fig. 6, weil der Zeitmittelwert des Stroms klein ist. Der Mittelwert I _AV des Stroms läßt sich nach der Gleichung

berechnen, sofern die Bedingung Ia 1=0 erfüllt ist. Bei der bisherigen Vorrichtung besitzt der Zeitmittelwert des Stroms, wie in Fig. 7B dargestellt, eine Größe Ib, so daß die Strom/Spannung-Kennlinie der Kurve b in Fig. 6 folgt.

Ein Vergleich der Größen V _P ×V _AV bei der bisherigen Vorrichtung und bei dem erfindungsgemäßen Staubabscheider anhand von Fig. 6 zeigt, daß im ersteren Fall das Produkt V _P ×V _AV gleich V _b ² ist, weil - wie aus Fig. 6 hervorgeht - die Bedingungen V _P =V _b und V _AV = V _b erfüllt sind, während beim erfindungsgemäßen Staubabscheider dieses Produkt zu V _a ₂×V _AV wird, weil in diesem Fall - wie aus Fig. 6 hervorgeht - die Bedingung V _P =V _a ₂ erfüllt ist; durch zweckmäßige Wahl der Parameter T 1, T 2, A 1 und A 2 kann somit die Bedingung V _b ²<V _a ₂×V _AV realisiert werden.

Im Fall des erfindungsgemäßen Staubabscheiders läßt sich der Zeitmittelwert V _AV nicht einfach aus Fig. 6 entnehmen. In der Praxis besitzt die Spannungswellenform die Form gemäß Fig. 7A, wobei der Zeitmittelwert dieser Wellenform dem Mittelwert V _AV entspricht. Dieser Mittelwert besteht zwischen dem Höchstwert Va 2 und dem Mindestwert Va 1; er nähert sich mit Vergrößerung des Impulsabstands T 2 fortschreitend dem Mindestwert Va 1 an. Ein Beispiel für die Arbeitsdaten der bisherigen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Staubabscheiders ist in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Tabelle

Die Ergebnisse zahlreicher durchgeführter Messungen haben gezeigt, daß die Staubsammel- bzw. -abscheidungsleistung des erfindungsgemäßen Staubabscheiders um 10-20% größer ist als diejenige des bisherigen Staubabscheiders.

Im folgenden werden der erfindungsgemäße und der bisherige Staubabscheider bezüglich des Stromverbrauchs bzw. -bedarfs anhand der ermittelten Daten gemäß obiger Tabelle miteinander verglichen. Der Stromverbrauch läßt sich nahezu durch V _AV ×I _AV darstellen, worin V _AV den Zeitmittelwert der angelegten Spannung und I _AV den Zeitmittelwert des zugeführten Stroms bedeuten. Der Stromverbrauch beträgt beim bisherigen Stauabscheider 27 kV (V _AV gemäß Tabelle)× 1600 mA (I _AV )=43 kW, während er beim erfindungsgemäßen Staubabscheider auf 22 kV (V _AV gemäß Tabelle)×400 mA (I _AV ) =8,8 kV verringert ist. Die Zahlengröße 400 mA für den Zeitmittelwert des Stroms I _AV berechnet sich wie folgt: Unter der Voraussetzung, daß die Bedingung Ia 1=0 erfüllt ist, erhält man anhand der Darstellung nach Fig. 7A.

Wenn in diese Gleichung die Zahlengrößen Ia 2=1600 mA, T 1=10 ms und T 2=30 ms eingesetzt werden, läßt sich der Mittelwert zu I _AV =1600×400 (mA) berechnen. Hieraus geht hervor, daß mit dem erfindungsgemäßen Staubabscheider eine hervorragende Staubabscheidungsleistung bei einem Stromverbrauch realisiert werden kann, der nur 20% des Stromverbrauchs bei der bisherigen Vorrichtung beträgt.

Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß der intermittierend an Spannung gelegte oder angesteuerte Staubabscheider gemäß der Erfindung von dem bisherigen Impuls-Staubabscheider völlig verschieden ist. Zur Verdeutlichung sind diese Unterschiede in der folgenden Aufstellung zusammengefaßt.

Mit der Erfindung wird somit ein energiesparender Staubabscheider geschaffen, der effektiv Staubteilchen mit einem spezifischen Widerstand von 10⁴-10¹³ Ohm · cm abzuscheiden vermag, weil bei diesem elektrischen Staubabscheider, bei dem die Staubabscheidung durch Anlegung einer mittels einer Leistungsregelvorrichtung, etwa einen Thyristor, geregelten hohen Gleichspannung zwischen entsprechende Elektroden bewirkt wird, eine Steuerschaltung vorgesehen ist, welche die Leistungsvorrichtung intermittierend in der Weise ansteuert, daß Wiederholungsperiode und/oder Impulsbreite manuell oder automatisch eingestellt werden können und dadurch die Stauabscheidungsleistung verbessert wird.

Claims (5)

1. Elektrischer Staubabscheider mit:
einer Wechselstromquelle, die einen Wechselstrom an die Primärwicklung eines Hochspannungstransformators über eine gesteuerte Leistungsthyristoreinheit abgibt,
einer Gleichrichtereinheit, die die der Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators erzeugte Wechselhochspannung in eine Gleichspannung umsetzt, welche an eine Staubsammeleinheit gelegt ist, einer Phasensteuereinheit, die die Thyristoreinheit steuert, und
einer intermittierenden Steuerschaltung, die ein Steuersignal an die Phasensteuereinheit abgibt, wobei der in die Staubsammeleinheit eingespeiste Strom einen ersten Pegel während einer ersten Zeitdauer und einen zweiten Pegel während einer zweiten Zeitdauer im Anschluß an die erste Zeitdauer hat und der erste Pegel größer als der zweite Pegel ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zeitdauer (Tl) von 0,001 bis 1,0 s und die zweite Zeitdauer von 0,01 bis 1,0 s reichen, und daß im Betrieb einer der Pegel (A 1, A 2) auf einem konstanten Wert gehalten und der andere Pegel veränderlich ist.

2. Elektrischer Staubabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die intermittierende Steuerschaltung (1) Einstellwiderstände (R 1 bis R 4) zur Einstellung des ersten und des zweiten Pegels (A 1, A 2) und der ersten und der zweiten Zeitdauer (T 1, T 2) hat.

3. Elektrischer Staubabscheider nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zeitdauer (T 1) und der zweite Pegel (A 2) durch die intermittierende Steuerschaltung (1) vorbestimmt sind und daß die zweite Zeitdauer (T 2) und der erste Pegel (A 1) von außen einstellbar sind.

4. Elektrischer Staubabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellwiderstände (R 1 bis R 4) über Mikrorechner gesteuert werden.

5. Elektrischer Staubabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellwiderstände über Mikrorechner nach einem vorgegebenen Algorithmus gesteuert werden.