EP2062648A2

EP2062648A2 - Elektrostatischer Abscheider

Info

Publication number: EP2062648A2
Application number: EP08019885A
Authority: EP
Inventors: Dietmar Dr. Steiner; Tania Gonzalez Baquet; David Schütz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-11-24
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2028-11-14
Also published as: EP2062648A3; EP2062648B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes eines elektrostatischen Abscheiders (1) sowie ein Verfahren zur Erfassung einer Partikelkonzentration in einem Partikelstrom eines elektrostatischen Abscheiders (1), umfassend die Schritte: Zuführen einer Menge elektrischer Energie zu dem elektrostatischen Abscheider (1) und Verbrauchen zumindest eines Teils der Menge der elektrischen Energie durch Erzeugung einer Coronaentladung an einer Elektrode (6). Weiter betrifft die Erfindung einen mit elektrischer Energie betriebenen elektrostatischen Abscheider (1), insbesondere für eine Abgasleitung (2) einer Abgasreinigungsanlage und ein Heizungssystem zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger mit einem elektrostatischen Abscheider (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes eines elektrostatischen Abscheiders nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung einer Partikelkonzentration in einem Partikelstrom eines elektrostatischen Abscheiders. Weiter betrifft die Erfindung einen mit elektrischer Energie betriebenen elektrostatischen Abscheider, insbesondere für eine Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 12.
Aufgrund der Emissionen von Heizungsanlagen und globaler Bemühungen, derartige Emissionen zu reduzieren - siehe zum Beispiel das Kyoto-Abkommen - werden bei Heizungsanlagen entsprechende Abgasreinigungsanlagen verwendet. Diese sollen insbesondere die schädlichen Stoffe und Partikel aus Abgasen herausfiltern, so dass das verbleibende, gereinigte Abgas bedenkenlos an die Umwelt abgegeben werden kann. Insbesondere werden derartige Abgasreinigungsanlagen bei Biomasse-Heizanlagen eingesetzt, bei denen neben ansonsten ökonomischen und ökologischen Vorteilen eine erhöhte Emission an Schadstoffen in den Abgasen auftreten kann. Gerade die relativ hohe Emission an Feinstaub als ein Schadstoffanteil ist bei Biomasse-Heizungsanlagen ein Problem.
Aus der EP 1 193 445 A2 ist eine Abgasreinigungsanlage bekannt, welche für Biomasse-Heizungsanlagen zur Verringerung von Feinstaubemission verwendet wird. Die dort beschriebene Vorrichtung ist in einen Rauchgaskanal einbaubar und weist hierzu einen Deckel auf, der gasdicht auf eine zugehörige Öffnung an einem Rauchgaskanal aufsetzbar ist. An der Innenseite des Deckels ist über eine isolierende Halterung eine Sprühelektrode, zum Beispiel in Form eines gespannten Stabes, gehalten. Ein Hochspannungstransformator mit Gleichrichterfunktion erlaubt den Aufbau einer hohen Gleichspannung zwischen dem Draht und dem Deckel, welcher elektrisch leitend mit dem Ofenrohr verbunden ist, so dass dieses als Kollektorelektrode wirkt.
Ein derartiger Elektrofilter mit Sprühelektrode und Kollektorelektrode ist auch als elektrostatischer Abscheider bekannt. Dieser wird zur Abgasreinigung in einer Abgasleitung einer Heizungsanlage eingesetzt. Dabei wird durch die Sprühelektrode, welche etwa mittig durch die Abgasleitung verläuft und deshalb auch als Mittelelektrode bezeichnet wird, und eine umgebende Mantelfläche der Abgasleitung ein Kondensator gebildet, der bei einer zylinderrohrförmigen Ausbildung der Abgasleitung auch als Zylinderkondensator bezeichnet wird. Die Sprüh- oder Mittelelektrode weist in der Regel einen kreisförmigen Querschnitt in Strömungsrichtung des Abgases auf, wobei der Durchmesser des Querschnitts oder auch der Krümmungsradius im Allgemeinen relativ klein ausgebildet ist (zum Beispiel kleiner als 0,4 mm). Um nun die Schadstoffe, genauer die nicht an die Umwelt abzugebenden Partikel, des Abgases aus dem Abgasstrom abzuscheiden, wird durch die Mittelelektrode und die durch die Mantelfläche gebildete Kollektorelektrode ein quer zur Strömungsrichtung verlaufendes Feld mit Feldlinien von der Mittelelektrode zur Kollektorelektrode gebildet. Hierzu wird an die Mittelelektrode eine Hochspannung angelegt, zum Beispiel in dem Bereich von 15 kV. Dadurch bildet sich eine Corona-Entladung aus, durch welche die in dem Abgas durch das Feld strömenden Partikel unipolar aufgeladen werden. Aufgrund dieser Aufladung wandern die Partikel durch die elektrostatischen Coulomb-Kräfte zur Innenwand der Abgasleitung, welche als Kollektorelektrode dient.

Genauer ist die Funktionsweise von elektrostatischen Abscheidern Folgende:

In einem elektrostatischen Abscheider werden durch lokale Gasentladungen (Coronaentladungen an einer Sprühelektrode) freie Ladungsträger in Form von Ionen in einen Filterbereich um den elektrostatischen Abscheider eingebracht. Treffen die Ionen auf die sich im Rauchgas befindenden Ruß- oder Aschepartikel, so werden die Ladungen auf die Partikel übertragen (unipolare Aufladung). Das zur Ladungsträgererzeugung dienende elektrische Feld treibt die geladenen Partikel dann von der Elektrode, welche auch als Sprühelektrode bezeichnet wird, weg. Ein Großteil der Partikel lagert sich schließlich auf der Niederschlagselektrode (hier Rohr- oder Kaminwand) an und bleibt dort haften. Von dort können die Partikel durch spezielle Abreinigungseinrichtungen entfernt werden.
Über einen Zeitraum von vielen Betriebsstunden hinweg baut sich eine Partikelschicht auf der Sprühelektrode des Abscheiders auf. Die anwachsende Partikelschicht bewirkt eine Verkleinerung der aktiven Oberfläche der Sprühelektrode, was die Bildung der zur Partikelabscheidung notwendigen Anzahl an Ionen verringert. Gründe für die Verschmutzung der Sprühelektrode sind im Folgenden beispielhaft für eine negative Coronaentladung beschrieben.
Das Dokument WO 2006/000114 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes der Sprühelektrode. Hierzu wird die Sprühelektrode während des Filterbetriebs in mechanische Schwingungen versetzt und dabei der Wechselstromanteil des Betriebsstromes der Sprühelektrode erfasst. Eine zu hohe Frequenz des Wechselstromanteils deutet auf eine Verkürzung (Verschleiß, Bruch) der Elektrode, eine zu niedrige Frequenz deutet auf eine Verschmutzung der Elektrode durch Ablagerungen hin. Letzteres Phänomen erklärt sich aus der Verringerung der mechanischen Eigenfrequenz der Elektrode bei zunehmender, an der Elektrode anhaftender Partikelmasse. Es handelt sich also um die Ausnutzung eines mechanischen Effekts. Bei Erkennen einer verschmutzten Sprühelektrode wird ein Wartungsbedarf signalisiert oder ein Reinigungsvorgang ausgelöst.
Das Dokument DD 207 339 A beschreibt eine Regeleinrichtung für einen Gleichspannungs-Hochspannungserzeuger zur Speisung elektrostatischer Abscheider und ein Verfahren zum Betrieb elektrostatischer Abscheider, welche knapp unter dem Schwellwert eines elektrischen Überschlags betrieben werden. Hierbei wird eine bestimmte Anzahl von Hochspannungsüberschlägen zwischen Aufladeelektrode und Auffangelektrode pro Zeiteinheit akzeptiert. Die Patentschrift beschreibt ein Verfahren bzw. eine elektronische Schaltung, welche den elektrischen Energieverbrauch dieser Betriebsweise minimiert.
Das Dokument SE 2000-662 A beschreibt ein Verfahren zum gepulsten Betrieb eines elektrostatischen Abscheiders. Während eines Strompulses werden die entsprechenden Werte der Anstiegs- bzw. Abstiegsflanken der Spannung gemessen und registriert. Ein interner Algorithmus berechnet dann aus diesen Werten sowie der Zeitdauer des Strompulses die optimalen Parameter (treibende Spannung, Frequenz) für den folgenden Strompuls.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen elektrostatischen Abscheider zu schaffen, mit welchem der Zustand des elektrostatischen Abscheiders erfasst wird. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen elektrostatischen Abscheider zu schaffen, mit welchen die Partikelkonzentration im Abgas des elektrostatischen Abscheiders erfasst wird. Genauer ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Verschmutzung der Mittelelektrode zu erfassen und diese anzuzeigen, um ggf. erforderliche Schritte zur Wartung des elektrostatischen Abscheiders einzuleiten, sowie die Partikelkonzentration zu erfassen, diese zu überwachen und/oder ggf. erforderliche Schritte zur optimierten Regelung des elektrostatischen Abscheiders einzuleiten.
Erfindungsgemäß wird dies durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes eines mit elektrischer Energie betriebenen, elektrostatischen Abscheiders mit mindestens einer Elektrode zum Abscheiden von Abgaspartikeln in der Umgebung der Elektrode, insbesondere für einen elektrostatischen Abscheider in einer Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage, umfassend die Schritte: Zuführen einer Menge elektrischer Energie zu der Elektrode über eine Betriebsdauer des Abscheiders, um eine vorgebbare Coronaentladung zu erzeugen, und Verbrauchen zumindest eines Teils der Menge der elektrischen Energie für die Coronaentladung an der Elektrode zum Aufladen der Abgaspartikel, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte umfasst sind: Erfassen der zugeführten und/oder verbrauchten Menge an Energie während zumindest zweier Zeitpunkte der Betriebsdauer, Bestimmen einer Veränderung der erfassten Menge an Energie und Erzeugen eines Signals anhand der bestimmten Veränderung, welches den Zustand des elektrostatischen Abscheiders repräsentiert.
Ein Zustand kann eine Abscheideeffizienz des elektrostatischen Abscheiders sein. Die Abscheideeffizienz ist von einem Coronastrom abhängig. Dieser wiederum hängt von einer angelegten Hochspannung und von einem Verschmutzungsgrad der Elektrode ab. Dies bedeutet, dass die zur Erzeugung der notwendigen Coronaentladung benötigte Hochspannung mit wachsender Partikelschicht auf der Elektrode zunimmt. Dieser Effekt kann mittels einer charakteristischen Strom- / Spannungskennlinie des Abscheiders beispielsweise an der Hochspannungsversorgung gemessen werden. Die entsprechende Kennlinie verschiebt sich mit zunehmender Betriebsdauer bzw. wachsender Partikelschicht auf der Sprühelektrode in Richtung höherer Betriebsspannungen. Dieser Effekt wird als Degradation der Strom- / Spannungskennlinie bezeichnet. Erfindungsgemäß wird dieser Effekt genutzt, um über die Hochspannungsversorgung den Verschmutzungsgrad der Sprühelektrode zu bestimmen. Da die Betriebsspannung maximal bis zu einer Durchschlagsspannung des elektrostatischen Abscheiders erhöht werden kann, muss eine übermäßige Verschmutzung der Sprühelektrode vermieden werden.
Das Verfahren zur Erfassung einer Partikelkonzentration in einem Partikelstrom eines mit elektrischer Energie betriebenen, elektrostatischen Abscheiders mit mindestens einer Elektrode zum Abscheiden von Abgaspartikeln in der Umgebung der Elektrode, insbesondere für einen elektrostatischen Abscheider in einer Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte umfasst sind:

Erfassen der zugeführten und/oder verbrauchten Menge an Energie während zumindest zweier Zeitpunkte der Betriebsdauer, Bestimmen einer Veränderung der erfassten Menge an Energie und Erzeugen eines Signals anhand oder basierend auf der bestimmten Veränderung, welches die Partikelkonzentration in dem Partikelstrom des elektrostatischen Abscheiders repräsentiert.

Die Partikelkonzentration ist zu einem Coronastrom korrelierbar. Der Coronastrom hängt sowohl von einer angelegten Hochspannung und von einem Verschmutzungsgrad der Elektrode als auch von der Partikelkonzentration im Partikelstrom ab. Dies bedeutet, dass einerseits die zur Erzeugung einer konstanten Coronaentladung (Konstantstrommodus) benötigte Hochspannung mit zunehmender Elektrodenverschmutzung zunimmt. Dieser Effekt kann mittels einer charakteristischen Strom-/Spannungskennlinie des Abscheiders beispielsweise an der Hochspannungsversorgung gemessen werden und wird als Degradation der Strom-/Spannungskennlinie bezeichnet. Die entsprechende Kennlinie verschiebt sich innerhalb von mehreren hundert Betriebsstunden mit anwachsender Partikelschicht in Richtung höherer Betriebsspannungen. Hält man andererseits die Hochspannung konstant (Konstantspannungsmodus), so korrelieren kurzfristige Schwankungen (wenige Sekunden bis Minuten) der Partikelkonzentration im Rauchgas mit gleichermaßen kurzfristigen Veränderungen im Coronastrom. Erfindungsgemäß wird dieser Effekt genutzt, um über die Strom-/Spannungsversorgung der Elektrode die Partikelkonzentration im Abgas zu bestimmen. Im Betrieb wird intermittierend zwischen beiden Betriebsarten umgeschaltet. Die kurzfristigen Schwankungen des Stroms bei konstanter Spannung korrelieren mit der Partikelkonzentration im Abgas. Das langfristige konstante Ansteigen der notwendigen Spannung, um den Wert des Coronastromes konstant zu halten, korreliert mit der Dicke der Feinstaubschicht, welche die Elektrode verschmutzt und diese mit der Zeit außer Betrieb setzt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Erfassen der zugeführten Menge an Energie den Schritt umfasst: Erfassen einer zugeführten Strommenge. Alternativ ist in einem anderen Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass das Erfassen der zugeführten Menge an Energie den Schritt umfasst: Erfassen einer zugeführten Spannungsmenge. In noch einem anderen Ausführungsbeispiel ist eine Kombination der beiden Schritte vorgesehen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schritt Bestimmen einer Veränderung der erfassten Menge an Energie den Schritt umfasst: Bestimmen mindestens eines Mittelwertes der Veränderung über eine Zeitdauer. Die Bestimmung der Veränderung der erfassten Menge an Energie kann kontinuierlich oder diskret durchgeführt werden. Bevorzugt ist es, dass der Schritt Bestimmen mindestens eines Mittelwertes die Schritte umfasst: Bestimmen mehrerer Mittelwerte der Veränderung über Zeitdauern und Bestimmen der Veränderung der Mittelwerte über die Zeitdauern. Die Zeitdauern können gleich lang sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Schritt Bestimmen einer Veränderung die Schritte umfasst: Zuordnen der erfassten Werte zu vorgegebenen Partikelkonzentrationswerten unter Berücksichtigung der Veränderung der Mittelwerte und bei Vorliegen einer Veränderung der Mittelwerte, die über einem Grenzwert liegt, Durchführen einer neuen Zuordnung der erfassten Werte zu vorgegebenen Partikelkonzentrationswerten.
Zur Bestimmung einer Veränderung wird eine zugeführte Ausgangsmenge an Energie in einem Ausgangszustand der Elektrode erfasst, eine zugeführten Istmenge an Energie erfasst und eine maximal zuführbare Menge an Energie erfasst. Die zugeführte Istmenge an Energie wird mit der zugeführten Ausgangsmenge an Energie, der zuvor erfassten Istmenge an Energie und/oder der maximal zuführbaren Menge an Energie verglichen. Aus dem Vergleich, d.h. der so bestimmten Veränderung, wird ein Signal berechnet oder durch Zuordnung ermittelt, welches als Ergebnis die Partikelkonzentration des Abgases repräsentiert. Der Vorgang Erfassen schließt das Vorgeben, Voreinstellen, manuelles Eingeben und dergleichen ein.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Schritt Erzeugen eines Signals die Schritte umfasst: Erfassen einer zugeführten Ausgangsmenge an Energie in einem Ausgangszustand der Elektrode, Erfassen einer zugeführten Istmenge an Energie, Erfassen einer maximal zuführbaren Menge an Energie, Vergleichen der zugeführten Istmenge an Energie mit der zugeführten Ausgangsmenge an Energie, der zuvor erfassten Istmenge an Energie und/oder der maximal zuführbaren Menge an Energie und Berechnen eines Signals, welches als Ergebnis des Vergleichens den Wirkungsgrad des elektrostatischen Abscheiders repräsentiert. Der Vorgang Erfassen schließt das Vorgeben, Voreinstellen, manuelles Eingeben und dergleichen ein.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der Schritt Erzeugen eines Signals weiter die Schritte umfasst: Simulieren eines Betriebs des elektrostatischen Abscheiders und Erzeugen eines Signals anhand des simulierten Betriebs. Das Simulieren erfolgt dabei bevorzugt modellbasiert.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Schritt Erzeugen eines Signals den Schritt umfasst: Erzeugen mindestens eines Signals, welches einen Zustand des elektrostatischen Abscheiders repräsentiert, ausgewählt aus der Gruppe der Zustände Wirkungsgrad, Energieverbrauch, Verschmutzungsgrad, Wartungszeitpunkt, Reinigungszeitpunkt und dergleichen des Abscheiders.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass der Schritt Erzeugen eines Signals eine Wiedergabe, eine Weitergabe und oder eine Weiterverarbeitung des erzeugten Signals umfasst. Die Wiedergabe kann zum Beispiel auf einem Display optisch, oder auch akustisch erfolgen. Die Weitergabe kann zum Beispiel an eine Leitstelle erfolgen. Für eine automatische Regelung kann das Signal in einem Regler weiterverarbeitet werden. Durch die Bestimmung der Partikelkonzentration kann entsprechend die Regelung zum Beispiel der Feuerungsbedingungen, der Energiezufuhr und dergleichen optimiert werden, ohne dass spezielle Partikelmesstechnik erforderlich ist.
Der elektrostatische. Abscheider ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass bei einem elektrostatischen Abscheider mit einem Strömungskanal mit einer Kanalwandung und einem Kanalinneren, durch welchen ein partikelbeinhaltendes Abgas in einer Strömungsrichtung strömt, einer sich in dem Kanalinneren im Wesentlichen in Strömungsrichtung erstreckenden Elektrode zur Erzeugung einer Coronaentladung in dem Strömungskanal und einer Elektrodenzuführung, um die Elektrode mit elektrischer Energie zu speisen, weiter mindestens ein Sensor zur Erfassung einer zugeführten Menge an Energie und ein Signalgenerator zum Erzeugen eines Signals anhand oder basierend auf einer Veränderung der zugeführten Menge an Energie vorgesehen sind, wobei das Signal den Zustand des elektrostatischen Abscheiders und/oder die Partikelkonzentration des Abgases repräsentiert. Der Sensor kann dabei als Teil der Hochspannungsversorgung und/oder der Elektrodenzuführung gestaltet sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Elektrodenzuführung mit einem Isolator zumindest teilweise ummantelt ist, wobei weiter mindestens ein Partikelabweisemittel umfasst ist, welches verhindert, dass sich Partikel des Abgases an dem Isolator und/oder der Elektrode ablagern.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Signalgenerator mindestens einen Datenspeicher mit vorgebbaren Partikelkonzentrationswerten, welche korrelierbar zu den durch den Sensor erfassten Signalen sind, und einen Prozessor zur Berechnung von Mittelwerten und Durchführung von Vergleichsoperationen aufweist, um anhand der erfassten Signale Mittelwerte und Veränderungen der Mittelwerte zu berechnen und unter Berücksichtigung der Veränderung der Mittelwerte eine Zuordnung der erfassten Signale zu den damit korrelierenden Partikelkonzentrationswerten durchzuführen.
In dem Strömungskanal ist durch die mit Hochspannung gespeiste Elektrode und die als Gegenelektrode fungierende Kanalwandung ein elektrisches Feld in dem Kanalinneren erzeugt, wobei die Feldlinien quer zur Strömungsrichtung des Abgases verlaufen, bevorzugt rechtwinklig zu der Elektrode. Quer zu der Elektrode ist eine Elektrodenzuführung vorgesehen, welche die Elektrode mit Hochspannung von einer externen Spannungsquelle versorgt. Damit keine Entladung der Elektrode über die Elektrodenzuführung erfolgt, ist diese mit einem Isolator zumindest teilweise ummantelt. Der Isolator ist bevorzugt aus einem isolierenden Material umfassend Keramik und dergleichen gebildet.
Das Verfahren und/oder der elektrostatische Abscheider können in einem Heizungssystem angewendet werden. Das entsprechende Heizungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger wie Biomasse mit einer Feinstaub emittierenden Heizungsanlage wie eine Biomasse-Heizungsanlage zum Verbrennen des Energieträgers, wobei partikelbeinhaltende Abgase entstehen, ein erfindungsgemäßer elektrostatischer Abscheider vorgesehen ist bzw. das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung findet.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheider und dem erfindungsgemäßen Heizungssystem werden insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:

Innerhalb bestimmter Zeitintervalle muss der elektrostatische Abscheider gereinigt werden, da die Sprühelektrode mit Partikeln zugesetzt und die Abscheideeffizienz damit herabgesetzt wird. Durch die Erfindung ist es möglich, den Betreiber immer über den momentanen Funktionszustand des elektrostatischen Abscheiders sowie über die momentane Partikelkonzentration im Abgas zu informieren. So können rechtzeitig geeignete Schritte eingeleitet werden, sei es zur Reinigung des Abscheiders, zum Austausch einer beschädigten Sprühelektrode oder zur Reduzierung der Partikelkonzentration, beispielsweise durch Änderung der Feuerungsbedingungen oder der Leistung des Abscheiders. Dadurch wird eine optimale Staubabscheidung aus dem Rauchgas der Biomasse-Heizanlage gewährleistet. Der Betreiber erhält ohne eine aufwendige Kontrolle der Abscheideeffizienz oder direkte Partikelmessungen mittels Partikelmesstechnik Informationen über den optimalen Reinigungszeitpunkt oder eine optimale Regelung des Abscheiders.
Die Zeichnungen stellen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie den Zusammenhang von Coronastrom und Hochspannung bzw. Coronaspannung und Filtereffizienz dar und zeigen in mehreren Figuren:

Fig. 1

schematisch einen elektrostatischen Abscheider in einem Querschnitt,

Fig. 2

schematisch ein Funktionsdiagramm der Korrelation von Coronastrom und Hochspannung,

Fig. 3

schematisch ein Funktionsdiagramm der Korrelation von Coronastrom und Filtereffizienz, und

Fig. 4

schematisch ein Funktionsdiagramm der Korrelation von Coronastrom und Partikelkonzentration über der Zeit.

Fig. 1 zeigt schematisch einen elektrostatischen Abscheider 1 in einem Querschnitt. Der elektrostatische Abscheider 1 ist in einer Abgasleitung 2 (nur teilweise dargestellt) einer hier nicht dargestellten Abgasreinigungsanlage angeordnet und umfasst: einen Strömungskanal 3. Der Strömungskanal 3 ist als rohrförmiger Abschnitt der Abgasleitung 2 ausgebildet und umfasst eine Kanalwandung 4 und ein Kanalinneres 5. Durch den Strömungskanal 3 strömt ein hier durch Pfeile P dargestelltes, partikelbeinhaltendes Abgas in die ebenfalls durch die Pfeile P dargestellte Strömungsrichtung. Im Inneren des Strömungskanals 3 erstreckt sich in Strömungsrichtung P eine Elektrode 6, die auch als Mittelelektrode oder Coronaelektrode bezeichnet wird. Der Strömungskanal 3 ist im Querschnitt zur Strömungsrichtung P bevorzugt rotationssymmetrisch um eine Mittelachse A ausgebildet. Die Elektrode 6 erstreckt sich entlang dieser Mittelachse A. Gespeist wird die Elektrode 6 über eine Elektrodenzuführung 7, welche mit einem Isolator 8, der bevorzugt aus einer Keramik gefertigt ist, ummantelt ist. Zusammen mit der Kanalwandung 4 bildet die Elektrode 6 eine Aufladeeinheit, in welcher Partikel S elektrisch aufgeladen werden können. Hierzu bildet die Elektrode 6 mit der Kanalwandung 4 unter Anlegen einer Hochspannung ein elektrisches Feld aus, dessen Feldlinien im Wesentlichen radial zu der Elektrode 6 bzw. der Kanalwandung 4 verlaufen, im Wesentlichen quer, genauer rechtwinklig, zur Strömungsrichtung P. An der Elektrode 6 können Partikel S anhaften und eine Partikelschicht bilden (wie dargestellt), welche das Erzeugen des elektrischen Feldes bzw. der Corona-Entladung beeinträchtigt. Je größer die Partikelschicht S ist, desto mehr wird die Erzeugung des elektrischen Feldes bzw. der Corona-Entladung beeinträchtigt. D.h. zur Erzeugung eines ausreichenden, vorbestimmten elektrischen Feldes wird eine größere Menge an Energie benötigt.
Die Menge an Energie, die zur Speisung der Elektrode 6 erforderlich ist, wird über einen Sensor 9 erfasst. Der Sensor 9 kann zum Beispiel die Strommenge, die Spannungsmenge und dergleichen erfassen. Weiter weist der dargestellte elektrostatische Abscheider 1 einen Signalgenerator 10 auf, der anhand der Veränderung der erfassten Menge an Energie ein oder mehrere Signale erstellt, welche den Zustand des elektrostatischen Abscheiders 1, genauer der Elektrode 6, und/oder die Konzentration der Partikel S repräsentieren. Diese Signale können über Anzeigemittel 11 ausgegeben und/oder an ein Regelgerät zur Regelung des Heizgeräte- und/oder Abscheiderbetriebes weitergegeben werden. Die Anzeigemittel 11 können zum Beispiel als LEDs ausgebildet sein.
Während der Verbrennung eines Energieträgers bewirken die hohen Verbrennungstemperaturen (bis ca. 1200°C) eine Ionisation der Gase (thermionische Entladung). Die entstehenden positiven und negativen Ionen erzeugen elektrostatisch aufgeladene Partikel S. Wenn der Partikelstrom die Sprühelektrode 6 des Abscheiders 1 erreicht, lagert sich ein Teil der positiv geladenen Partikel auf ihr ab, bevor diese negativ aufgeladen werden können. Durch die Ionisation der Luftmoleküle an der Sprühelektrode 6 wird ein Teil in positive Ionen und Elektronen aufgespalten. Die Teilchen bewegen sich im elektrischen Feld entsprechend ihrer Ladung zur positiven bzw. negativen Elektrode 6. Dabei können positiv geladene Partikel S entstehen, welche sich auf der Sprühelektrode 6 anlagern können. Je mehr Partikel S auf der Elektrode 6 angelagert sind, desto ineffektiver arbeitet der Abscheider 1. Durch entsprechende Anzeigemittel 11, wie LEDs, akustische Signale etc. kann signalisiert werden, dass die Elektrode 6 gereinigt bzw. ausgetauscht werden muss, um einen effektiven und optimalen Betrieb des Abscheiders 1 zu bewirken, oder dass die Konzentration an Partikeln S im Partikelstrom zu groß ist und geeignete Schritte eingeleitet werden müssen, um einen effektiven und optimalen Betrieb des Abscheiders 1 zu bewirken.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Funktionsdiagramm der Korrelation von Coronastrom und Hochspannung. Auf der Abszisse ist die Hochspannung aufgetragen und auf der Ordinate der Coronastrom. In das Diagramm sind fünf charakteristische Strom-/Spannungskennlinien S1 bis S5 eingetragen, welche jeweils zu unterschiedlichen Zeitpunkten T1 bis T5 erfasst sind. Die Spannungslinien S1 bis S5, welche sich insbesondere in dem Bereich hoher Hochspannungen (rechts auf der Abszisse) und hohem Coronastrom (oben auf der Ordinate) unterscheiden, sind angefangen mit einem frühesten Zeitpunkt T1 bis hin zu einem spätesten Zeitpunkt T5 in das Diagramm eingetragen. Dabei ist zu erkennen, dass sich mit zunehmender Zeit, das heißt mit zunehmender Betriebsdauer des Abscheiders, die Strom-/Spannungskennlinie S1 bis S5 immer weiter nach rechts in dem Diagramm verschiebt. Dieser Effekt wird auch als Degradation bezeichnet. Der gestrichelte Pfeil kennzeichnet den zunehmenden Verschmutzungsgrad der Elektrode 6, durch welchen die Degradation hervorgerufen wird. Die Kennlinie steigt mit zunehmender Spannung einer Polynomfunktion folgend an.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Funktionsdiagramm von Coronastrom und Filtereffizienz bzw. Abscheideeffizienz. Auf der Abszisse ist der Coronastrom und auf der Ordinate die Abscheideeffizienz aufgezeichnet. Mit zunehmendem Coronastrom läuft der Coronastrom gegen einen oberen Grenzwert der Abscheideeffizienz. Der effiziente Bereich Be liegt bei möglichst kleinen Coronastromwerten, bei denen die Abscheideeffizienz gerade das flache Plateau erreicht. Dies ist in Figur 3 der Bereich Be um den Punkt OBP (optimaler Betriebspunkt). Von da an nach links verlaufend wird die Abscheideeffizienz zunehmend geringer. Anhand dieses Zusammenhangs lässt sich beispielsweise über LED's die Abscheideeffizienz anzeigen.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Funktionsdiagramm der Korrelation von Coronastrom IC und Partikelkonzentration CP über der Zeit. Auf der Abszisse ist die Zeit aufgetragen und auf der Ordinate der Coronastrom bzw. die Partikelkonzentration. Die obere der beiden Funktionslinien kennzeichnet die Partikelkonzentration CP und die untere Funktionslinie den Coronastrom IC. Die beiden Funktionslinien laufen im Wesentlichen parallel zueinander über die gemessene Zeit, so dass von einer direkten Korrelation zwischen Coronastrom und Partikelkonzentration ausgegangen werden kann. Dieser Korrelations-Effekt wird dazu genutzt, um aus der Messung des Coronastroms auf die Partikelkonzentration zu schließen.
Erfindungsgemäß wird somit die auftretende Degradation genutzt, um eine Verschmutzung, insbesondere eine nicht mehr tolerierbare Verschmutzung der Elektrode zu erkennen, so dass frühzeitig geeignete Schritte eingeleitet werden können. Ergänzend oder alternativ wird die Messung der Energie genutzt, um eine Partikelkonzentration, insbesondere eine nicht mehr tolerierbare Partikelkonzentration zu erkennen, so dass frühzeitig geeignete Schritte eingeleitet werden können.

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes eines mit elektrischer Energie betriebenen elektrostatischen Abscheiders (1) mit mindestens einer Elektrode (6) zum Abscheiden von Abgaspartikeln in der Umgebung der Elektrode (6), insbesondere für einen elektrostatischen Abscheider (1) in einer Abgasleitung (2) einer Abgasreinigungsanlage, umfassend die Schritte: Zuführen einer Menge elektrischer Energie zu der Elektrode (6) über eine Betriebsdauer des Abscheiders (1), um eine vorgebbare Coronaentladung zu erzeugen, und Verbrauchen zumindest eines Teils der Menge der elektrischen Energie für die Coronaentladung an der Elektrode (6) zum Aufladen der Abgaspartikel,
gekennzeichnet durch die Schritte: Erfassen der zugeführten Menge an Energie während zumindest zweier Zeitpunkte der Betriebsdauer, Bestimmen einer Veränderung der erfassten Menge an Energie und Erzeugen eines Signals anhand der bestimmten Veränderung, welches den Zustand des elektrostatischen Abscheiders (1) repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung einer Partikelkonzentration in einem Partikelstrom folgende Schritte umfasst sind: Erfassen der zugeführten Menge an Energie während zumindest zweier Zeitpunkte der Betriebsdauer, Bestimmen einer Veränderung der erfassten Menge an Energie und Erzeugen eines Signals anhand der bestimmten Veränderung, welches die Partikelkonzentration in dem Partikelstrom des elektrostatischen Abscheiders (1) repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Erfassen der zugeführten Menge an Energie den Schritt umfasst: Erfassen einer zugeführten Strommenge.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Erfassen der zugeführten Menge an Energie den Schritt umfasst: Erfassen einer zugeführten Spannungsmenge.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Bestimmen einer Veränderung der erfassten Menge an Energie den Schritt umfasst: Bestimmen mindestens eines Mittelwertes der Veränderung über eine Zeitdauer.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Bestimmen mindestens eines Mittelwertes die Schritte umfasst: Bestimmen mehrerer Mittelwerte der Veränderung über Zeitdauern und Bestimmen der Veränderung der Mittelwerte über die Zeitdauern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Bestimmen einer Veränderung die Schritte umfasst: Zuordnen der erfassten Werte zu vorgegebenen Partikelkonzentrationswerten unter Berücksichtigung der Veränderung der Mittelwerte und bei Vorliegen einer Veränderung der Mittelwerte, die über einem Grenzwert liegt, und Durchführen einer neuen Zuordnung der erfassten Werte zu vorgegebenen Partikelkonzentrationswerten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Erzeugen eines Signals die Schritte umfasst: Erfassen einer zugeführten Ausgangsmenge an Energie in einem Anfangszustand der Elektrode (6), Erfassen einer zugeführten Istmenge an Energie, Erfassen einer maximal zuführbaren Menge an Energie, Vergleichen der zugeführten Istmenge an Energie mit der zugeführten Ausgangsmenge an Energie und/oder der maximal zuführbaren Menge an Energie und Berechnen eines Signals, welches als Ergebnis des Vergleichens den Wirkungsgrad des elektrostatischen Abscheiders (1) repräsentiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Erzeugen eines Signals weiter die Schritte umfasst: Simulieren eines Betriebs des elektrostatischen Abscheiders (1) und Erzeugen eines Signals anhand des simulierten Betriebs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Erzeugen eines Signals den Schritt umfasst: Erzeugen mindestens eines Signals, welches einen Zustand des elektrostatischen Abscheiders (1) repräsentiert, ausgewählt aus der Gruppe der Zustände Wirkungsgrad, Energieverbrauch, Verschmutzungsgrad, Wartungszeitpunkt, Reinigungszeitpunkt und dergleichen des Abscheiders (1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Erzeugen eines Signals die Wiedergabe, Weitergabe und oder Weiterverarbeitung des erzeugten Signals umfasst.
Elektrostatischer Abscheider (1), insbesondere für eine Abgasleitung (2) einer Abgasreinigungsanlage,
dadurch gekennzeichnet, dass dieser Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.
Elektrostatischer Abscheider (1), nach Anspruch 12,
mit einem Strömungskanal (3) mit einer Kanalwandung (4) und einem Kanalinneren (5), durch welchen ein partikelbeinhaltendes Abgas (P) in einer Strömungsrichtung strömt, einer sich in dem Kanalinneren (5) im Wesentlichen in Strömungsrichtung (P) erstreckenden Elektrode (6) zur Erzeugung einer Coronaentladung in dem Strömungskanal (3) und einer Elektrodenzuführung (7), um die Elektrode (6) mit elektrischer Energie zu speisen, wobei weiter mindestens ein Sensor (9) zur Erfassung einer zugeführten Menge an Energie und ein Signalgenerator (10) zum Erzeugen eines Signals anhand einer Veränderung der zugeführten Menge an Energie, welches den Zustand des elektrostatischen Abscheiders (1) repräsentiert, vorgesehen sind.
Elektrostatischer Abscheider (1) nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenzuführung (7) mit einem Isolator (8) zumindest teilweise ummantelt ist, wobei weiter mindestens ein Partikelabweisemittel umfasst ist, welches verhindert, dass sich Partikel des Abgases (P) an dem Isolator (8) und/oder der Elektrode ablagern.
Elektrostatischer Abscheider (1), nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
mit einem Strömungskanal (3) mit einer Kanalwandung (4) und einem Kanalinneren (5), durch welchen ein partikelbeinhaltendes Abgas (P) in einer Strömungsrichtung strömt, einer sich in dem Kanalinneren (5) im Wesentlichen in Strömungsrichtung (P) erstreckenden Elektrode (6) zur Erzeugung einer Coronaentladung in dem Strömungskanal (3) und einer Elektrodenzuführung (7), um die Elektrode (6) mit elektrischer Energie zu speisen, wobei weiter mindestens ein Sensor (9) zur Erfassung einer zugeführten Menge an Energie und ein Signalgenerator (10) zum Erzeugen eines Signals anhand einer Veränderung der zugeführten Menge an Energie, welches die Partikelkonzentration des Abgases (P) repräsentiert, vorgesehen sind.
Elektrostatischer Abscheider (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (10) mindestens einen Datenspeicher mit vorgebbaren Partikelkonzentrationswerten, welche korrelierbar zu den durch den Sensor (9) erfassten Signalen sind, und einen Prozessor zur Berechnung von Mittelwerten und Durchführen von Vergleichsoperation aufweist, um anhand der erfassten Signale Mittelwerte und Veränderungen der Mittelwerte zu berechnen und unter Berücksichtigung der Veränderung der Mittelwerte eine Zuordnung der erfassten Signale zu den damit korrelierenden Partikelkonzentrationswerten durchzuführen.