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Verfahren zur elektrischen Abscheidung von Schwebekörpern aus Gasen
oder Gasgemischen Ein gewisser Mangel der elektrischen Gasreinigung bei Verwendung
von Ausströmelektroden und gegenpoligen Niederschlagselektroden besteht darin, daß
die eigentliche Ionisationszone in der Hauptsache auf die nächste Umgebung der Ausströmelektroden
beschränkt ist und daher die Teilchen in einem großen Teil des Gasstromes zunächst
nicht aufgeladen werden. Erst wenn sie im weiteren Verlauf ihres Durchganges durch
das Elektrofilter in die Nähe der Sprühzone kommen, erhalten sie eine Ladung und
werden in dem elektrischen Feld zwischen Ausström- und Niederschlagselektroden von
den letztgenannten angezogen und abgeschieden. Wegen der für die Sprühwirkung erforderlichen
hohen Potentialdifferenz zwischen Ausströmer und Niederschlagselektrode ist man
gezwungen, einen verhältnismäßig großen Abstand zwischen diesen beiden Organen herzustellen,
damit kein Überschlag erfolgt. Auch dieser Abstand verringert die Wirkung der elektrischen
Gasreinigung, da ein Teil der bereits geladenen Teilchen auf dem Wege zur Niederschlagselektrode
durch Rekombination die Ladung wieder verliert und dann für die Abscheidung nicht
mehr in Frage kommt.
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Um diesen Mängeln abzuhelfen, erfolgt bei dem den Gegenstand der Erfindung
bildenden Verfahren zur elektrischen Gasreinigung, bei .dem die Schwebeteilchen
nacheinander erst aufgeladen und dann abgeschieden werden, die Aufladung der Schwebeteilchen
ausschließlich durch sprühende Teile der Niederschlagselektroden, also durch Elektroden,
die Sprüh- und Niederschlagselektroden in sich vereinen, und die Abscheidung in
dem koronalosen elektrischen Feld zwischen diesen Niederschlagselektroden. Zwischen
den Niederschlagselektroden, die dieses koronalose elektrische Feld bilden, kann
trotz hoher Feldstärke eine relativ geringe Potentialdifferenz herrschen. Diese
geringe Potentialdifferenz ermöglicht es, die das Feld erzeugenden Niederschlagselektroden
sehr nahe aneinanderzurücken, so daß der Rekombinationsweg, den ein aufgeladenes
Teilchen zurücklegt, unter eine beliebige Grenze herabgedrückt werden kann.
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Für das Verfahren nach der Erfindung wird vorteilhaft eine ihrerseits
nicht sprühende Hilfselektrode verwendet, die nur den Zweck hat, eine Sprühentladung
von gewissen Teilen der ihr gegenüberstehenden Niederschlagselektrode zu erzeugen.
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Als Niederschlagselektroden kann ein Plattensatz nach Art eines Plattenkondensators
benutzt werden, wobei die einzelnen Platten auf hohes elektrisches Potential gebracht
sind, aber gegeneinander eine nur geringe Potentialdifferenz haben. Die Ränder dieses
Plattensatzes stehen der erwähnten Hilfselektrode gegenüber, die z. B. geerdet sein
kann. Es ist dann ein hohes Potential gegen diese Hilfselektrode, also in dem Aufladungsfeld,
vorhanden, das bewirkt, daß
die Ränder der Platten gegen die Hilfselektrode
sprühen. -In dem koronalosen Abscheidungsfeld zwischen den Platten herrscht zwar
nur eine geringe Potentialdifferenz, infolge ihres geringen gegenseitigen Abstandes
jedoch eine hohe elektrische Feldstärke. Ein Gasstrom, der durch _den Plattensatz
geleitet wird, erfährt an den' Rändern eine starke Ionisation, die eine Rufladung
der Schwebeteilchen verursacht. Nach der Rufladung gelangen die Teilchen sofort
in das starke koronalose elektrische Feld zwischen den Platten und damit zur baldigen
Ausscheidung.
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Einen besonderen Vorteil hat das Verfahren bei Anwendung von Wechselstrom.
Es ist bekannt, daß hochgespannter Wechselstrom bei den üblichen Elektrofilteranordnungen
zu einem weit geringeren Wirkungsgrad führt als Gleichstrom. Diese geringere Wirkung
liegt einfach daran, daß in dem Raum zwischen Ausström-und Niederschlagselektrode
schichtenweise positive und negative Ionen gebildet werden, die sich den Schwebeteilchen
mitteilen und sie zu neutralen Staubteilchen rekombinieren, ehe sie an die Niederschlagselektrode
gelangen. Will man also die Rekombinationszeit verkürzen, so müßte man die durch
Wechselstrom aufgeladenen Staubpartikel sofort nach Entstehung ihrer Ladung zur
Abscheidung bringen können, d. h. man müßte sie sofort nach ihrer Rufladung in ein
starkes elektrisches Feld bringen, das ihre Abscheidung bewirkt. Die Elektroden
dieses Feldes dürften aber nicht weit voneinander entfernt sein, sonst würde z.
B. ein positiv geladenes Staubteilchen an die nahe negative Platte geworfen werden,
die aber mittlerweile schon wieder positiv geworden ist. Das Staubteilchen würde
dann um seinen Schwerpunkt oszillieren, aber nicht zur Abscheidung gelangen.
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Da die Beweglichkeit und somit die Schwingungsweite eines solchen
Teilchens bekanntlich eine Funktion seines Durchmessers ist, so läßt sich mit dem
Verfahren nach der Erfindung auch bei Betrieb mit Wechselstrom beliebiger Kurvenform
und geeigneter Frequenz dadurch, daß man den Abstand der Niederschlagselektroden
gering wählt, erreichen, daß die Schwingungsweite eines im koronalosen Feld schwingenden
abzuscheidenden Teilchens von bestimmtem Durchmesser größer wird als der Abstand
zwischen je zwei benachbarten Niederschlagselektroden. In diesem Fall wird ein geladenes
Teilchen mit Sicherheit an die Niederschlagselektrode geworfen und abgeschieden,
bevor noch der Wechselstrom seine Polarität verändert hat. Es handelt sich bei dieser
Erscheinung umeinenfunktionellenZusammenhang zwischen der Frequenz des Wechselstromes,
der Schwingungsweite der im EIektrodenfeld schwingenden Teilchen und dem Abstand
zwischen den Niederschlagselektroden. Dieser Zusammenhang ist theoretisch und experimentell
durchforscht, wie aus der Arbeit von W. Deutsch, »Feste und flüssige Körper in Gasen«,
im »Handbuch der physikalischen und technischen Mechanik«, Band 6, Lieferung z (Job.
Ambr. Bartb 1927) Seite q27, Abschnitt 2Z und 22, ersichtlich und dort insbesondere
durch die Formel 53, nämlich
ausgedrückt. Hier bedeutet H die Amplitude der Teilchenschwingung, iz die Frequenz
des verwendeten Wechselstromes, A die Amplitude der auf das Teilchen wirkenden elektrischen
Kraft und B die Beweglichkeit des Teilchens. B ist @ bekannt, wenn der Radius
a des Teilchens und die Viskosität ri des Gases bekannt sind, in dem das Teilchen
schwebt. Es ist nämlich B = 6 zria. Die elektrische Feldkraft ist bei der
elektrischen Gasreinigung ebenfalls bekannt, wenn man die elektrische Ladung des
Teilchens kennt. Die Theorie der elektrischen Gasreinigung hat es ermöglicht, die
Rufladung der Teilchen von gegebenem Radius zu ermitteln und sie mit den experimentell
ermittelten Werten in Einklang zu bringen. Will man also eine Vorrichtung nach der
Erfindung konstruieren, die mit Sicherheit noch Teilchen einer gewissen Größe in
einer Gasart zurückhält, so sind alle Größen soweit bekannt oder zum mindesten durch
sehr einfache Versuche hinreichend zu ermitteln, um aus der oben angegebenen Formel
die Größe H und somit den notwendigen gegenseitigen Abstand der Niederschlagselektroden
zu finden. Es ist dabei nicht notwendig, die Schwingungsweite der abzuscheidenden
Teilchen von bestimmtem Durchmesser betriebsmäßig zu messen und danach die Kurvenform
und die Frequenz des anzulegenden Wechselstromes vorzunehmen, sondern es genügt
die Messung der Viskosität des Gases und der mittleren Korngröße des Staubes. In
den meisten Fällen wird man sogar von der Messung der Viskosität absehen können,
weil diese für alle technischen Gase bei den in Frage kommenden Temperaturen bekannt
ist. Ebenso ist auch die mittlere Körnigkeit vielfach bekannt. Die Korngröße des
Staubes von Industriegasen unterliegt zwar großen Schwankungen, aber genau so, wie
in der elektrischen Gasreinigung überhaupt nur eine in gewissen Grenzen liegende
Staubgröße erfaßt wird, so ist auch hier nur die Erfassung von Stauben von einer
gewissen Größe an beabsichtigt; es ist diejenige, die man in der Technik »mittlere
Staubgröße« nennt.
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Die Vorteile der Verwendung von Wechselstrom liegen hauptsächlich
in der Vermeidung der Apparatur zur Gleichrichtung des hochgespannten Wechselstromes.
Doch ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf die Abscheidung mittels Wechselstromes
beschränkt, sondern auch bei Gleichstrombetrieb oder gemischtem Betrieb anwendbar.
Auch die Ionisierung
kann beliebig durch konstanten oder pulsierenden
Gleichstrom oder durch Wechselstrom erfolgen.
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In Anwendung der Erfahrung, daß stehende Gleichspannung zur Abscheidung
von Verunreinigungen, die vorher in einem ionisierten Gasstrom befindlich waren,
besonders günstig ist, während z. B. pulsierender mittel- oder hochfrequenter Gleichstrom
eine für die Sprühionisation günstige Wirkung hat, kann gemäß der Erfindung zur
Erzeugung der Potentialdifferenz zwischen Niederschlagselektroden und Hilfselektrode
pulsierender Gleichstrom und zwischen den Niederschlagselektroden selbst, also dort,
wo das koronalose Abscheidungsfeld besteht, eine stehende Gleichspannung aufrechterhalten
werden.
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Die Niederschlagselektroden, die bei dem Verfahren nach der Erfindung
zum Aufladen der Schwebeteilchen benutzt werden, können auf verschiedene Art teilweise
sprühend gemacht werden, z. B. durch vorstehende Spitzen oder scharfe Kanten. Bei
Elektroden aus Blechplatten genügt es, wenn die gegen die Hilfselektrode gerichteten
Ränder oder Kanten so ausgebildet werden, daß sie sprühen.
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Die Hilfselektrode kann geerdet bzw. mit dem geerdeten Filtergehäuse
verbunden sein oder einen Teil dieses Gehäuses bilden, kann aber auch isoliert gelagert
und an Hochspannung gelegt sein, während die gegen sie sprühenden Niederschlagselektroden
abwechselnd an Erde und an einer niedrigeren Hochspannung oder einer Niederspannung
liegen.
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Auf der Zeichnung ist an mehreren Beispielen schematisch dargestellt,
wie die Erfindung ausgeführt werden kann.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. i besteht die Filtereinrichtung
aus einem geerdeten, vorteilhaft rohrförmigen Gehäuse i mit Einlaß 2 für das in
der Pfeilrichtung strömende Gas. In das als Niederschlagsfläche dienende Rohr i
ragt axial ein glattflächiger Rotationskörper 3 hinein, der mittels eines Trägers
4 auf Isolatoren 5 abgestützt ist und an Wechselstromhochspannung liegt. Die Anordnung
kann auch umgekehrt, d. h. so getroffen sein, daß das Gehäuse i mit der Hochspannungsquelle
und der Elektrodenkörper 3 mit der Erde verbunden ist.
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Der Rotationskörper 3 ist mit einer oder mehreren Spitzen oder Zuschärfungen
6 versehen, die gegen eine hinter dem Gaseinlaß 2 mit dem Gehäuse i verbundene durchbrochene
oder siebartige Hilfselektrode 7 gerichtet sind. Die Spitze 6 sprüht entgegengesetzt
zur Strömungsrichtung des Gases in Richtung gegen die Hilfselektrode und gegen das
umgebende Gehäuse, so daß die im Gas schwebenden Teilchen aufgeladen werden, ehe
das Gas in das koronalose Feld zwischen der Gehäusewand i und dem Elektrodenkörper
3 gelangt, wo die Abscheidung erfolgt. Der Abstand zwischen i und 3 kann so gering
. und die Feldstärke so hoch gewählt werden, daß bei Anlegung der Wechselspannung
an i oder 3 die Schwingungsweite der aufgeladenen Teilchen größer ist als dieser
Abstand, also mit Sicherheit eine Abscheidung der Teilchen durch Niederschlagung
an i oder 3 erfolgt. Infolge der abblasenden Wirkung des gegen die Hilfselektrode
7 gerichteten elektrischen Windes bleibt diese von Niederschlägen frei.
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Bei dem Beispiel nach Abb. 2 strömt das zu reinigende Gas zur Aufladung,
vorteilhaft an Leitflächen 8 vorbei, in eine geerdete Kammer g, in der isoliert
eine an Hochspannung, z. B. an einerWechselspannung, liegende siebartigeHilfselektrode
io untergebracht ist. Unterhalb dieser, Hilfselektrode io sind in dem Kammerteil
ii die plattenförmigen, z. B. aus Blech bestehenden Niederschlagselektroden i2,
13 angeordnet, zwischen denen eine bestimmte Potentialdifferenz dadurch aufrechterhalten
wird, daß die Elektroden 12 an einer Spannung (Nieder- oder Hochspannung) liegen,
die durch Anzapfung der Sekundärseite 21 des Transformators gewonnen wird, aber
niedriger ist als die Spannung, die der Hilfselektrode io zugeführt wird, während
die Elektroden 13, die mit der Außenwand des Kammerteils ii elektrisch verbunden
sind, wie das ganze Gehäuse selbst geerdet sind. An den gegen die Hilfselektrode
io gerichteten Kanten oder Rändern der Niederschlagselektroden tritt eine Sprühwirkung
auf mit dem Erfolg, daß die im Gas schwebenden Teilchen nach Durchgang durch die
Hilfselektrode io aufgeladen und zwischen den Elektroden 12, 13 in dem dort herrschenden
koronalosen Feld abgeschieden werden. Auch hier wieder kann der gegenseitige Abstand
zwischen den Niederschlagselektroden so gering bemessen sein, daß die aufgeladenen
Teilchen in diesem Zwischenraum niedergeschlagen werden, noch ehe die angelegte
Wechselspannung ihre Polarität gewechselt hat. Die Abscheidungen fallen von den
Elektroden 12, 13 in den üblichen Sammelraum 14, während das gereinigte Gas in den
Reingasabzug 15 abfließt.
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Bei dem Vorschlag nach Abb. 3 ist die mit den sprühenden Teilen der
Niederschlagselektroden zusammenwirkende Hilfselektrode 16 mit dem geerdeten Filtergehäuse
17 leitend verbunden. Die Niederschlagselektroden 18, i9 sind, durch Isolatoren
2o voneinander getrennt und nebeneinander aufgereiht, isoliert an dem Gehäuse 17
befestigt und mit einer Hochspannungsquelle, z. B. einer Wechselspannung, verbunden.
Um zwischen den Elektroden 18, i9 eine Potentialdifferenz herzustellen und aufrechtzuerhalten,
liegen die Elektroden 18 an der vollen und die Elektroden ig an einer niedrigeren
Spannung, die durch Anzapfen der Sekundärseite 21 des Transformators erzielt wird,
Auch hier wieder sprühen die gegen die Hilfselektrode
16 gerichteten
Kanten der Niederschlagselektroden 18, ig und veranlassen in der beschriebenen Weise
die Aufladung der Teilchen, die nach dieser Aufladung in dem koronalosen Feld zwischen
den Elektroden 18, ig abgeschieden werden. Der gegenseitige Abstand der Elektroden
18, ig ist wie in den vorangehend erläuterten Fällen so gering gewählt, daß auch
bei Wechselstrombetrieb eine sichere Abscheidung erreicht wird.