DE69201065T2

DE69201065T2 - Abgasentgiftungsanlage.

Info

Publication number: DE69201065T2
Application number: DE69201065T
Authority: DE
Inventors: Yasuo Akitsu; Hideyuki Masaki; Hiroyuki Okahara
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1991-02-25
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: EP0501733A1; EP0501733B1; US5228892A; DE69201065D1; JPH04271806A; CA2061745C; JPH0661416B2; CA2061745A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bekämpfung bzw. Regelung bzw. Steuerung von Emissionen durch Abgase zur Reinigung verschiedener Abgase, die aus Verbrennungsmotoren oder Dieselmotoren von Fahrzeugen, Industriemaschinen oder verschiedenen Fabriksanlagen abgegeben werden.
Zur Verhinderung von Luftverschmutzung, die durch verschiedene Abgase bewirkt wird, die diverse entflammbare und nicht-entflammbare feine Teilchen enthalten, wurden zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase zur Reinigung der Abgase vorgeschlagen. In der offengelegten japanischen Veröffentlichung Nr. 1-159408 ist eine derartige Vorrichtung zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase geoffenbart, die ein oberhalb eines elektrischen Ofens angeordnetes Gehäuse und ein keramisches Filterelement innerhalb des Gehäuses aufweist, um feine Teilchen aus den Abgasen zu sammeln, die durch eine Einlaßöffnung des Gehäuses einströmen, und um zu bewirken, daß die gesammelten feinen Teilchen in den elektrischen Ofen fallen. In dieser Vorrichtung besitzt das keramische Filterelement eine dünnwandige zellenförmig aufgebaute oder Bienenwabenstruktur, die mit einer Vielzahl an sich axial erstreckenden Durchgängen versehen ist, die durch dünne Trennwände voneinander getrennt und an gegenüberliegenden Enden davon in einem karierten Muster geschlossen sind.
In einer solchen herkömmlichen oben beschriebenen Vorrichtung zur Bekämpfung bzw. Regelung von Emissionen durch Abgase ist nur ein einzelnes Keramikfilterelement ausgebildet, die darin eingeleiteten Abgase zu reinigen. Dadurch ist die Gasreinigungsleistung der Vorrichtung stark beeinträchtigt. Zur Verbesserung der Gasreinigungsleistung ist es erforderlich, eine Vielzahl an Keramikfilterelementen in einem beschränkten Raum vorzusehen.
EP 393729 zeigt einen Filter mit einer Anordnung an Elementen, wobei jedes Element 4 vier längliche durch Innenwände 5 getrennte Hohlräume 7 besitzt. Die Elementenanordnung wird durch ein Gitter 12 gestützt.
EP 89127 zeigt einen Filter mit einer Anordnung an Durchgängen, die offensichtlich aus einem Einzelblock gebildet sind.
Daher ist es ein vorrangiges Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase bereitzustellen, worin eine Vielzahl an Keramikfilterelementen als eine Einzeleinheit und in einem beschränkten Raum vorhanden ist, um eine höhere Gasreinigungsleistung zu erzielen als in der oben beschriebenen herkömmlichen Vorrichtung zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Zur ausführlicheren Erklärung der vorliegenden Erfindung und möglicher Durchführungsarten wird anhand von Beispielen auf die beigelegten Zeichnungen Bezug genommen, worin:
Fig.1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Systems zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase ist;
Fig.2 eine vergrößerte Schnittansicht einer in Fig.1 dargestellten Filteranordnung ist;
Fig.3 eine Draufsicht der in Fig.2 dargestellten Filteranordnung ist;
Fig.4 eine teilweise vergrößerte Bodensicht der in Fig.2 dargestellten Filterelemente ist; und
Fig.5 eine teilweise vergrößerte Draufsicht des in Fig.4 dargestellten Filterelements ist.
In Fig.1 der Zeichnungen ist ein System zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase dargestellt, die von einem Dieselmotor in einer Fabriksanlage ausströmen. Das Emissionsbekämpfungssystem besteht aus mehreren Paaren von Vorrichtungen M zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase, die parallel in vorderer und hinterer Richtung angeordnet sind. Zwischen dieser Vielzahl an Paaren von Emissionsbekämpfungsvorrichtungen M sind ein Rohr 11 zur Einleitung von Abgasen vom Dieselmotor in jeweiligen Emissionsbekämpfungsvorrichtungen M und ein Ausströmungsrohr 12 zum Ausströmen der gereinigten Gase von den jeweiligen Emissionsbekämpfungsvorrichtungen M. Die Emissionsbekämpfungsvorrichtungen M enthalten jeweils ein aufrechtes Gehäuse 20 min quadratischem Querschnitt, das in einer Rahmenkonstruktion montiert ist, einen unter dem aufrechten Gehäuse 20 angeordneten Elektroofen 30, eine sich im aufrechten Gehäuse 20 befindende Filteranordnung 40 und ein Umkehrwaschmechanismus 50.
Das aufrechte Gehäuse 20 besteht aus einem Gehäusekörper 21 und einem pyramidenförmigen Trichter 22, der mit dem Bodenabschnitt des Gehäusekörpers 21 zusammengesetzt ist und sich oberhalb des Elektroofens 30 befindet. Der Trichter 22 besitzt eine Einlaßöffnung 22a, die an seiner peripheren Wand ausgebildet und in luftdichter Weise mit dem Zuleitungsrohr 11 verbunden ist. Der Gehäusekörper 21 besitzt eine Auslaßöffnung 21a, die an seiner peripheren Wand ausgebildet und in luftdichter Weise mit dem Ausströmungsrohr 12 verbunden ist. Der Trichter 22 ist an seinem unteren Ende mit einer oberen Endwand eines Ofenkörpers 31 mittels eines Verbindungsrohrs verbunden. Innerhalb des Ofenkörpers 31 ist eine elektrische Heizeinrichtung 32 zum Verbrennen der aus dem Trichter 22 darauffallenden feinen Teilchen angeordnet. Der Umkehrwaschmechanismus 50 besitzt ein oberhalb der Filteranordnung 40 angeordnetes Luftzuleitungsrohr 51. Ein Dampfzuleitungsrohr 23 ist in den Trichter 22 eingeschoben und mit einer Strahldüse 24 verbunden, die an einer perforierten Bodenplatte 21b des Gehäusekörpers 21 montiert ist.
Wie aus Figuren 2 und 3 ersichtlich, besteht die Filteranordnung 40 aus 16 Keramikfilterelementen 41, die parallel ausgerichtet und durch ein Paar Seitenplatten 42 und 43 festgeklemmt sind. Die festgeklemmten Filterelemente 41 werden durch einen Trägerrahmen 45 an ihren unteren Enden gestützt. In dieser Ausführungsform wurde die Zahl der Keramikfilterelemente 41 unter Berücksichtigung der Vorbeugung von Gasaustritt bei den Filterelementen 41 und des verfügbaren Raums im Gehäusekörper 21 bestimmt. Die Keramikfilterelemente 41 bestehen jeweils aus einem porösen Keramikmaterial und besitzen dünnwandige zellenförmig aufgebaute oder Bienenwabenstrukturen mit quadratischem Querschnitt, die mit einer Vielzahl von sich axial erstreckenden Durchgängen 41a, 41b versehen ist, die durch dünne Trennwände 41c voneinander getrennt sind. Wie aus Figuren 4 und 5 ersichtlich, ist eine erste Gruppe von Filterdurchgängen 41a an ihren oberen Enden in einem karierten Muster geschlossen und an ihren unteren Enden nach unten hin geöffnet, um die Abgase einströmen zu lassen, während eine zweite Gruppe an Filterdurchgängen 41b an ihren unteren Enden in einem karierten Muster geschlossen und an ihren oberen Enden nach oben hin geöffnet ist, um gereinigte Gase ausströmen zu lassen. Die dünnen Trennwände 41c des Elements 41 fungieren jeweils als Filter zur Sammlung der feinen Teilchen aus den hindurchdringenden Abgasen.
Wie aus Fig.3 ersichtlich, sind die Seitenplatten 42, 43 jeweils im Querschnitt L-förmig ausgebildet, wobei sie an ihren einen Seitenabschnitten 42a, 43a länger als die gesamte Seitenbreite der vier in seitlicher Richtung angeordneten Filterelemente 41 und an ihren anderen Seitenabschnitten 42b, 43b etwa gleich lang wie die gesamte Seitenbreite von vier Filterelementen 41 sein sollte, die in einer vorderen und hinteren Richtung angeordnet sind. Die Seitenplatten 42, 43 sind mit Armen 42c, 42d, 43c, 43d versehen, die jeweils an ihren Seitenabschnitten 42a, 42b, 43a, 43b befestigt sind. Weiters sind die Seitenplatten 42, 43 in einer vorbestimmten Länge höher ausgebildet als die Filterelemente 41 (siehe Fig.2).
Wie aus Fig.2 ersichtlich, sind die Filterelemente 41 jeweils durch Dichtungselemente 46a, 46b an ihren oberen und unteren Abschnitten umfaßt und durch die Seitenplatten 42, 43 festgeklemmt. Die Dichtungselemente 46a, 46b bestehen jeweils aus Keramikfasern und haften mittels eines anorganischen Klebemittels an den oberen und unteren Abschnitten der Filterelemente 41 an. Die Dichtungselemente 46a, 46b sind an ihren gegenüberliegenden Enden jeweils mit einem oberflächenhärtenden Mittel überzogen. Somit sind die Dichtungselemente 46a und 46b zwischen den Filterelementen 41 und zwischen den jeweiligen Filterelementen 41 und Seitenplatten 42, 43 am oberen und unteren Abschnitt der Filteranordnung 40 gelagert.
Wie aus Figuren 2 und 3 ersichtlich, besteht der obere Stützrahmen aus einem quadratischen Fachwerkelement 44a, das ausgebildet ist, mit der oberen Kante der Filteranordnung 40 zu korrespondieren, und einer Vielzahl an Querbalkenelementen 44b, die einstückig mit dem Fachwerkelement 44a in Form eines Gitterwerks zusammengebaut sind, um mit jeder oberen Kante der Filterelemente 41 zu korrespondieren. In ähnlicher Weise besteht der untere Stützrahmen 45 aus einem quadratischen Fachwerkelement 45a, das ausgebildet ist, mit der unteren Kante der Filteranordnung 40 zu korrespondieren, und einer Vielzahl an Querbalkenelementen 45b, die einstückig mit dem Fachwerkelement 45a in Form eines Gitterwerks zusammengebaut sind, um mit jeder der unteren Kanten des Filterelements 41 zu korrespondieren.
Der obere Stützrahmen 44 enthält weiters eine Vielzahl an U-förmigen Stützelementen 44c, die an jedem Verschneidungsbereich des Fachwerkelements 44a und der Querbalkenelemente 44b befestigt sind. Der obere Stützrahmen 44 ist innerhalb des oberen Endabschnitts der einstückig zusammengesetzten Seitenplatten 42, 43 solcherart fix gekoppelt, daß die Stützelemente 44c oberhalb der jeweiligen oberen Endecken der Filterelemente 41 positioniert sind, um die Aufwärtsbewegung der Filterelemente 41 einzuschränken. Somit dienen das Fachwerkelement 44a und die Querbalkenelemente 44b dazu, die Tragstärke der Filteranordnung 40 aufrechtzuerhalten und das Ausströmen von beim Umkehrwaschvorgang eingeleiteter komprimierter Luft zu verhindern.
Ähnlich wie der obere Stützrahmen 44 enthält der untere Stützrahmen 45 eine Vielzahl an U-förmigen Stützelementen 45c, die an jedem Verschneidungsbereich des Fachwerkelements 45a und der Querbalkenelemente 45b zum Eingriff mit den jeweiligen unteren Endecken der Filterelemente 41 befestigt sind. Der untere Stützrahmen 44 ist innerhalb des unteren Endabschnitts der einstückig zusammengesetzten Seitenplatten 42, 43 solcherart fix gekoppelt, daß die Stützelemente 45c mit den jeweiligen unteren Endecken der Filterelemente 41 in Eingriff stehen, um die Filterelemente 41 darauf zu tragen. In der Abgasbekämpfungsvorrichtung M ist die Filteranordnung 40 auf der perforierten Bodenplatte 21b des Gehäusekörpers 21 abnehmbar befestigt und mittels eines Trägers 21c an ihrem oberen Ende am Gehäusekörper 21 fixiert. Das sich in den Gehäusekörper 21 erstreckende Luftzuleitungsrohr 51 weist eine Vielzahl an Auslaßrohren 52 auf, die sich in jeweilige Öffnungsräume erstrecken, die durch die Querbalkenelemente 44b umschlossen und den jeweiligen oberen Enden der Filterelemente 41 zugewandt sind.
Im Betrieb werden die vom Dieselmotor ausgestoßenen Abgase durch das Zuleitungsrohr 11 in den Trichter 22 und in die Einlaßdurchgänge 41a der Filterelemente 41 eingeleitet. In diesem Fall dienen die dünnen Trennwände 41c der Filterelemente 41 dazu, feine Teilchen aus den Abgasen zu sammeln, die durch die Wände hindurch in die Auslaßdurchgänge 41b des Filters eindringen. Somit werden die gereinigten Gase von den Auslaßdurchgängen 41b der Filterelemente 41 in das Ausströmungsrohr 12 hinausgeleitet, während die feinen Teilchen auf den Oberflächen der Wände 41c gesammelt werden. Während einer solchen Behandlung der Abgase öffnet sich ein elektromagnetisches Ventil 53 des Umkehrwaschmechanismus 50 unter der Steuerung einer elektrischen Steuerungsvorrichtung (nicht dargestellt), um komprimierte Luft aus einer pneumatischen Druckquelle PS in das Luftzuleitungsrohr 51 einströmen zu lassen. Die komprimierte Luft strömt in einem Schwall aus den Auslaßrohren 52 hinaus und fließt in Auslaßdurchgänge 41b der Filterelemente 41, um durch die Trennwände 41c hindurch in die Einlaßdurchgänge 41b zu fließen. Somit werden die gesammelten feinen Teilchen von den Trennwänden 41c abgelöst und fallen in den Elektroofen 30. Im Elektroofen 30 werden die entflammbaren Teilchen verbrannt und gemeinsam mit den nicht-entflammbaren Teilchen nach außen abgegeben.
Es ergibt sich aus der obigen Beschreibung, daß die Vorrichtung zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase M durch die Vielzahl an Filterelementen 41 gekennzeichnet ist, die als eine Einzeleinheit innerhalb eines beschränkten Raums im Gehäusekörper 21 angeordnet sind, um eine höhere Gasreinigungsleistung als eine herkömmliche Emissionsbekämpfungsvorrichtung mit einem einzigen Filterelement zu erbringen. Da die Filterelemente 41 durch das Festklemmen der Seitenplatten 42, 43 gehalten werden, kann man eine ausreichende Tragfestigkeit der Filterelemente 41 in einer kompakten Konstruktion erzielen. Somit kann die Filteranordnung 40 im Gehäusekörper 21 in einem stabilen Zustand montiert werden, um eine höhere Gasreinigungsleistung über einen längeren Zeitraum zu erreichen, ohne eine Beschädigung der Filterelemente 41 zu verursachen. Zusätzlich dient die Abstützung der Filteranordnung 40 mittels des oberen und unteren Stützrahmens 44 und 45 dazu, die Filteranordnung 40 gegen Spannungsschwankungen zu schützen, die im Gehäusekörper 21 darauf wirken.
In der Vorrichtung zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase M dienen die oberen und unteren Dichtungselemente 46a, 46b, die zwischen den Filterelementen 41 und Seitenplatten 42, 43 angeordnet sind, in wirkungsvoller Weise dazu, das Austreten von Abgasen aus den Filterelementen 41 sowie das Auftreten von Beschädigungen der Filterelemente 41 während ihres Festklemmens zu verhindern. Die Dichtungselemente 46a, 46b eignen sich weiters dazu, die Wärmedehnung der Metallstücke der Filteranordnung 40 zu absorbieren und die Filterelemente 41 vor darauf wirkender Wärmespannung zu schützen. In der Filteranordnung 40 werden die Filterelemente 41 an ihren jeweiligen unteren Endecken durch den Eingriff mit den U-förmigen Stützelementen 45c gestützt, die jeweils an den Verschneidungsabschnitten der unteren Querbalkenelemente 45b befestigt sind. Die Stützelemente 45c dienen dazu, die Spannungskonzentration in den Filterelementen 41 auszuschalten. In dieser Hinsicht ist zu beachten, daß die oberen Stützelemente 44c von den oberen Enden der Filterelemente 41 in vertikaler Richtung etwas beabstandet sind, um die Unregelmäßigkeit der Filterelemente in ihrer vertikalen Größe aufzunehmen. Vorzugsweise greifen die oberen Stützelemente 44c durch zweckmäßige elastische Elemente elastisch in die oberen Endecken der Filterelemente 41 ein, um die Filterelemente 41 festzuhalten.
In der Filteranordnung 40 sind die Einlaß- und Auslaßdurchgänge 41a, 41b der jeweiligen Filterelemente 41a in den Stützelementen 44c, 45c zugewandten Abschnitten geschlossen, um eine Beschädigung der Filterelemente 41a in ihren gestützten Abschnitten zu verhindern. Am unteren Ende der Filteranordnung 40 sind die U-förmigen unteren Stützelemente 45c von den Querbalkenelementen 45b beabstandet, um den Durchfluß der dadurch strömenden Gase zu ermöglichen. Dies ist zweckmäßig, um die Abgase einheitlich in die jeweiligen Filterelemente 41 einströmen zu lassen. In der Vorrichtung zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase M sind das Fachwerkelement 44a und die Querbalkenelemente 44b des oberen Stützrahmens 44 ausgebildet, eine vorbestimmte vertikale Breite zu besitzen, um die komprimierte Luft vom Luftzuleitungsrohr 51 in die jeweiligen Filterelemente 41 beim Umkehrwaschvorgang stabil einzuleiten.

Claims

1. Vorrichtung zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase, zur Reinigung von darauf aufgebrachten Abgasen, mit einer Filteranordnung in Form einer Einheit, umfassend:

eine Vielzahl an Keramikfilterelementen (41), die in einem Rahmen parallel ausgerichtet sind, wobei jedes der Filterelemente aus einem porösen Keramikmaterial hergestellt ist und eine dünnwandige Zellstruktur von quadratischem Querschnitt aufweist, die mit einer Vielzahl von axial verlaufenden Durchgängen (41a,41b) ausgebildet ist, die voneinander durch dünne Trennwände (41c) getrennt sind, wobei eine erste Gruppe der Durchgänge (41a) an ihren einen Enden in einem karierten Muster geschlossen und an ihren anderen Enden offen sind, um zu reinigende Abgase in diese einzubringen, während eine andere Gruppe der Durchgänge (41b) an ihren einen Enden offen sind, um die gereinigten Gase daraus abzugeben und an ihren anderen Enden in einem karierten Muster geschlossen sind, gekennzeichnet durch:

ein Paar vertikaler Seitenplatten (42,43) mit jeweils L-förmigem Querschnitt, wobei jede der Seitenplatten eine kurze und eine lange Seite umfaßt, wobei die Seitenplatten einstückig zusammengebaut sind, um den Rahmen zu bilden, der einen quadratischen Raum einschließt, der die Vielzahl an keramischen Filterelementen (41) enthält und Einlaß- und Auslaßöffnungen an gegenüberliegenden Enden besitzt, wobei die Seitenplatten (42,43) die Vielzahl an keramischen Filterelementen festklemmen;

obere und untere Stützrahmen (44,45), wobei zumindest der untere Stützrahmen (45) eine zusätzliche Abstützung für jedes der Filterelemente (41) quer über die Einlaßöffnung des quadratischen Rahmens bietet.

2. Vorrichtung zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase nach Anspruch 1, worin jedes der Filterelemente (41) von einem Dichtungselement (46a oder 46b) eingeschlossen ist und von den Seitenplatten (42,43) über das Dichtungselement festgeklemmt wird, um den Austritt von Abgasen daraus zu verhindern.

3. Vorrichtung zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase nach Anspruch 1, worin jedes der Filterelemente (41) von einem Paar axial beabstandeter Dichtungselemente (46a,46b) an gegenüberliegenden Endabschnitten der Filterelemente eingeschlossen ist und von den Seitenplatten (42,43) über die Dichtungselemente festgeklemmt wird, um den Austritt von Abgasen daraus zu verhindern.

4. Vorrichtung zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der untere Stützrahmen (45) im Einlaßöffnungsabschnitt der einstückig zusammengebauten Seitenplatten (42,43) fixiert ist, wobei der untere Stützrahmen ein quadratisches Fachwerkelement (45a), das so ausgebildet ist, daß es mit der Einlaßöffnung der einstückig zusammengebauten Seitenplatten korrespondiert, und eine Vielzahl an Querbalkenelementen (45b) umfaßt, die einstückig mit den Fachwerkelementen in Form eines Gitterwerks zusammengebaut sind, um mit jedem einen Ende der Filterelemente zu korrespondieren.

5. Vorrichtung zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase nach Anspruch 4, worin der obere Stützrahmen (44) im Auslaßöffnungsabschnitt der einstückig zusammengebauten Seitenplatten (42,43) fixiert ist, um die Bewegung der Filterelemente (41) nach außen einzuschränken, wobei der obere Stützrahmen ein quadratisches Fachwerkelement (44a) aufweist, das ausgebildet ist, um mit der Auslaßöffnung der einstückig zusammengebauten Seitenplatten (42,43) zu korrespondieren, eine Vielzahl an Querbalkenelementen (44b), die einstückig mit den Fachwerkelementen (44a) in Form eines Gitterwerks zusammengebaut sind, um mit jedem anderen Ende der Filterelemente (41) zu korrespondieren, und eine Vielzahl an U-förmigen Stützelementen (44c) umfaßt, die an jedem Verschneidungsbereich des Fachwerkelements (44a) und der Querbalkenelemente (44b) befestigt sind, um jeweiligen anderen Endecken der Filterelemente gegenüberzustehen bzw. diese abzudecken.

6. Vorrichtung zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase nach Anspruch 4 oder 5, worin der untere Stützrahmen (45) weiters eine Vielzahl an U-förmigen Stützelementen (45c) umfaßt, die an jedem Verschneidungsbereich des Fachwerkelements (45a) und der Querbalkenelemente (45b) zum Angriff an jeweiligen einen Endecken der Filterelemente befestigt sind.

7. Vorrichtung zur Bekämpfung von Emissionen durch Abgase nach Anspruch 6, worin die erste Gruppe der Durchgänge (41a) an Bereichen, die den U-förmigen Stützelementen (45c) gegenüberliegen, geschlossen sind.