EP2284442A2 - Elektrostatischer Abscheider und Heizungssystem - Google Patents

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EP2284442A2
EP2284442A2 EP10172456A EP10172456A EP2284442A2 EP 2284442 A2 EP2284442 A2 EP 2284442A2 EP 10172456 A EP10172456 A EP 10172456A EP 10172456 A EP10172456 A EP 10172456A EP 2284442 A2 EP2284442 A2 EP 2284442A2
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EP
European Patent Office
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electrode
spray
channel
heating system
spray electrode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10172456A
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English (en)
French (fr)
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EP2284442A3 (de
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Dietmar Steiner
Datong Wu
Thomas Weil
Tania Gonzalez-Baquet
Tobias Mildenstein
Paul Mielcarek
Uwe Limbeck
Hans Christian Krahl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2284442A2 publication Critical patent/EP2284442A2/de
Publication of EP2284442A3 publication Critical patent/EP2284442A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes
    • F23J15/02—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material
    • F23J15/022—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material for removing solid particulate material from the gasflow
    • F23J15/025—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material for removing solid particulate material from the gasflow using filters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/40—Electrode constructions
    • B03C3/41—Ionising-electrodes
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    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/40—Electrode constructions
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    • B03C2201/00—Details of magnetic or electrostatic separation
    • B03C2201/10—Ionising electrode has multiple serrated ends or parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J2217/00—Intercepting solids
    • F23J2217/10—Intercepting solids by filters
    • F23J2217/102—Intercepting solids by filters electrostatic

Definitions

  • the invention relates to an electrostatic precipitator, in particular for an exhaust pipe of an exhaust gas purification system, according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a heating system for generating energy by means of combustion of an energy carrier with an electrostatic precipitator according to claim 7.
  • heating systems use appropriate emission control systems. These are in particular to filter out the harmful substances and particles from exhaust gases, so that the remaining, purified exhaust gas can safely be released to the environment.
  • emission control systems are used in biomass heating systems, where in addition to otherwise economic and environmental benefits increased emissions of pollutants in the exhaust gases can occur.
  • biomass heating systems where in addition to otherwise economic and environmental benefits increased emissions of pollutants in the exhaust gases can occur.
  • relatively high emission of particulate matter as a pollutant component is a problem in biomass heating systems.
  • An emission control system which is used for biomass heating systems to reduce particulate matter emission.
  • the device described therein can be installed in a flue gas channel and for this purpose has a lid which can be placed gas-tight on an associated opening on a flue gas channel.
  • a spray electrode for example in the form of a tensioned wire or rod, is held over an insulating holder.
  • a high-voltage transformer with rectifier function allows the construction of a high DC voltage between the spray and the lid, which is electrically connected to the furnace tube, so that it acts as a collector electrode.
  • Such an electrostatic filter with a spray electrode and a collector electrode is also known as an electrostatic precipitator.
  • This is used for exhaust gas purification in an exhaust pipe of a heating system. It is through the spray, which runs approximately centrally through the exhaust pipe and therefore as the center electrode is designated, and a surrounding lateral surface of the exhaust pipe, a capacitor is formed, which is also referred to as a cylindrical capacitor in a cylindrical tube-shaped design of the exhaust pipe.
  • the spray or center electrode generally has a circular cross section in the flow direction of the exhaust gas, wherein the diameter of the cross section or the radius of curvature is generally formed relatively small (for example, less than 0.4 mm).
  • an electrical field extending transversely to the direction of flow is formed by the center electrode and the collector electrode formed by the lateral surface with field lines from the center electrode to the collector electrode.
  • a high voltage is applied to the center electrode, for example in the range of 15 kV.
  • a corona discharge is formed, through which the particles flowing through the field in the exhaust gas are charged in a unipolar manner. Due to this charge, most of the particles migrate through the electrostatic Coulomb forces to the inner wall of the exhaust pipe, which serves as a collector electrode.
  • the particles are electrostatically charged by the corona discharge which forms along the surface of the electrode. This is done at the molecular level by the following process: Is the electrode z. B. compared to the exhaust pipe to negative high voltage, so a large number of gas molecules is negatively charged. They move in the electric field applied by the electrode and the exhaust pipe in the direction of the exhaust pipe. If these meet on their way through the exhaust pipe to electrically neutral particles, they stick to these and charge the previously neutral particles also negative. The charged particles flow driven by electrostatic deflection forces to the inner wall of the exhaust pipe. Here the particles stick, lose their charge and are safely removed from the exhaust stream. This is the core process of an electrostatic precipitator and, depending on the geometry, height of the corona current, electrode shape, etc., leads to deposition rates of up to more than 90%.
  • the driving force of the corona discharge which decisively influences the separation efficiency of the electrostatic fine dust filter (separator), is the strength of the electric field between the spray electrode and the collector electrode.
  • the EP 1 193 445 A2 discloses a self-supporting rod electrode, this is made for example of a sheet metal strip produced by punching and has a plurality of protruding prongs. At these points, the electric field amplifies (concentrates) what the better Replacement of the electrons (corona discharge) is conducive. A separator with such a serration electrode therefore operates more effectively than one with a simple rod or wire electrode.
  • a barbed wire-like electrode is also described.
  • corona quenching In the operation of electrostatic precipitators in exhaust gas contaminated with particulate matter, so-called corona quenching occurs. Corona quenching creates, if in the case of high particle concentration, about> 10 14 particles / m 3 , the charged particles form a charge cloud, ie a space charge field, which surrounds the spray electrode. The charge cloud distorts the field distribution in the charger and weakens the electric field near the spray electrode. As a result, the field emission of free electrons from the surface of the spray wire is reduced, whereby less gas ions are available and consequently the charging of further particulate matter is reduced. At the same time, the movement of the charged fine dust particles towards the charging electrode is impaired.
  • the charging of the dust particles does not extend to the entire cross section of the exhaust pipe, but takes place only in a small area around the spray around.
  • the separation efficiency of the system drops accordingly.
  • the importance of corona quenching for the separator operation can not or only insufficiently reduced by using the above-described wave electrodes, since the charge clouds also form in the vicinity of the teeth and isolate them.
  • the invention has for its object to provide an electrostatic precipitator, which is less prone to corona quenching.
  • the invention has for its object to provide a heating system with a separator according to the invention, which guarantees reliable exhaust gas purification.
  • the electrostatic precipitator in particular for an exhaust pipe of an exhaust gas purification system, with a flow channel having a channel wall and a channel inside, through which flows a particle-containing exhaust gas in a flow direction, and a centrally disposed in the channel interior, extending substantially in the direction of flow electrode to Formation of a corona discharge zone by means of an electric field between the electrode and the channel wall, wherein the electrode comprises means for generating at least one further corona discharge zone in the form of at least one of the electrode branching Srüelektrodenabiteses, is provided to improve the separation efficiency of the electrostatic precipitator and to reduce the limiting influence of the corona quenching along the electrode are arranged at least two spray electrode sections at least two locations, wherein the radial Ers stretches (lengths in the radial direction between the spray electrode and the channel wall) of the spray electrode sections (6a) arranged at one location are substantially equal and different from the radial extensions (lengths) of the spray electrode sections (6a) located
  • the spray electrode section is designed as a spray electrode tip part and / or spray electrode edge part.
  • the spray electrode section branches off transversely, in particular radially, from the electrode.
  • An embodiment of the electrostatic precipitator further provides that the Sprühelektrodenabrough longitudinally, in particular axially branches off from the electrode.
  • a further exemplary embodiment of the present invention provides that the spray electrode sections are arranged distributed on the electrode in such a way that a uniform, in particular homogeneous arrangement of the conona discharge zones is realized.
  • Yet another embodiment of the present invention contemplates that the radial extents, e.g. the lengths of the Sprühelektrodenabitese are selected in the flow channel such that their free, the channel wall facing ends evenly distributed in adjacent cross-sectional areas, in particular annular areas of the flow channel, so that a uniform, in particular homogeneous arrangement of Cononaentladungszonen is realized over a flow channel cross-section.
  • the radial extents e.g. the lengths of the Sprühelektrodenabitese are selected in the flow channel such that their free, the channel wall facing ends evenly distributed in adjacent cross-sectional areas, in particular annular areas of the flow channel, so that a uniform, in particular homogeneous arrangement of Cononaentladungszonen is realized over a flow channel cross-section.
  • the heating system according to the invention for generating thermal energy by burning an energy source such as biomass is characterized in that a fine dust emitting heating system such as a biomass heating system for burning the energy carrier, wherein particulate exhaust gases are formed, and an inventive electrostatic precipitator are provided.
  • Fig. 1 shows schematically in a longitudinal section and a plan view (cross section) a section of an electrostatic precipitator 1 comprising an electrode 6 with branching spray electrode sections 6a.
  • the electrostatic precipitator 1 is designed for a not shown here heating system for generating energy by burning an energy source such as biomass.
  • the heating system comprises a heating system which is designed as a fine dust-emitting heating system such as a biomass heating system for burning a corresponding biomass energy carrier.
  • particle-containing exhaust gases are produced, which are expelled through an exhaust pipe or an exhaust pipe 2.
  • the electrostatic precipitator 1 is at least partially disposed in the exhaust pipe 2 of an exhaust gas purification system not shown here and includes a flow channel 3.
  • the flow channel 3 is formed as a tubular portion of the exhaust pipe 2 and includes a channel wall 4 and a channel inside 5. flows through the flow channel 3 the particulate exhaust gas shown here by an arrow P in the flow direction also shown by the arrow P.
  • the electrode 6, which is also referred to as a center electrode, spray electrode or corona electrode.
  • the flow channel 3 is preferably formed in cross-section in the flow direction P rotationally symmetrical about a central axis (not shown here).
  • the electrode 6 extends substantially along this central axis.
  • the electrode 6 is in Fig. 1 formed in the section of the exhaust pipe 3 shown here vertically.
  • the electrode 6 is fed via an electrode feed 7, which is covered with an insulator 8.
  • the electrode 6 forms a charging unit, in which particles can be charged electrically.
  • the electrode 6 forms with the channel wall 4, applying a high voltage, an electric field whose field lines extend substantially radially to the electrode 6 and the channel wall 4, substantially transversely, more precisely at right angles to the flow direction P.
  • a corona discharge is formed at the spray electrode 6.
  • the electrostatic precipitator 1 free charge carriers in the form of free electrons and thus ionized gas molecules are injected into the charging region 9 by field emission or corona discharges at the spray electrode 6. The charge carriers then flow in the electric field according to their charge to the positive or negative Electrode. If the charge carriers hit dust particles, they are charged unipolar. A large part of the particles finally settles on the precipitation electrode and sticks there.
  • a known technical difficulty in the operation of electrostatic precipitators 1 in highly contaminated with particulate matter exhaust gas is the so-called corona quenching. It arises if, in the case of high particle concentration (in particular greater than 10 14 particles / m 3 ), the charged particles form the charge cloud 10 - also referred to as the space charge field - which surrounds the spray electrode 6.
  • the charge cloud 10 distorts the field distribution and weakens the electric field in the vicinity of the spray electrode 6. This reduces the field emission of free electrons from the surface of the spray electrode, whereby less gas ions are available and consequently the charging of further particulate matter particles is reduced. At the same time, the movement of the charged fine dust particles to the collector electrode 4 (channel wall) is impaired.
  • the geometrically accessible charging region 9 is widened so that the separation efficiency of the system is increased. This is achieved by a multiplication and optimized distribution of the corona discharge zones.
  • the required for this discharge 6 is formed with a plurality of Sprühelektrodenabêten 6 a, which in the embodiment according to Fig. 1 are formed as small peaks or edges.
  • the field strength is particularly high here, since this is inversely proportional to the radius of curvature of a geometry.
  • the tips or edges or the like are preferably distributed uniformly over the cross section of the charging unit. In this way, several small charging areas 9 which in total ensure the charging of the particles over the entire cross section of the charging unit, as shown clearly in the plan view. In the case of a laminar flow, all dust particles are detected and charged by one of these charging areas 9.
  • Fig. 2 schematically shows two perspective views of two embodiments of an electrode 6 with multiple Sprühelektrodenabroughen 6a.
  • the electrode 6 is z. B. in the manner of a barbed wire formed as spikes, spray electrode sections 6a executed (left figure in Fig. 2 ).
  • the variable length spraying electrode portions 6a are realized in the manner of a Christmas tree.
  • the various Sprühelektrodenabête 6a are different, in particular of different lengths.
  • the sputtering electrode sections 6a are arranged from shorter sputtering electrode sections 6a to longer sputtering electrode sections 6a.
  • both shorter and longer Sprühelektrodenabête 6a are arranged at individual nodes.
  • further spray electrode sections 6a so-called sub-spray electrode sections, are formed on the spray electrode sections 6a.
  • a plurality of spray electrode sections 6a branch off at branching regions spaced apart in the longitudinal direction of the electrode.
  • two spray electrode sections branch off radially from the electrode at the branch regions.
  • the branching regions are arranged in the illustrated embodiment substantially equidistant from the spray electrode 6.
  • the distances vary.
  • the individual Sprühelektrodenabête 6a do not intersect at the height of the electrode 6.
  • the Sprühelektrodenabête 6a intersect, however, substantially in the region of the electrode. 6

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Abscheider (1), insbesondere für eine Abgasleitung (2) einer Abgasreinigungsanlage, mit einem Strömungskanal (3) mit einer Kanalwandung (4) und einem Kanalinneren (5), durch welchen ein partikelbeinhaltendes Abgas (P) in einer Strömungsrichtung strömt, und einer sich in dem Kanalinneren (5) im Wesentlichen in Strömungsrichtung (P) erstreckenden Elektrode (6), zur Bildung eines elektrischen Feldes zwischen der Elektrode (6) und der Kanalwandung (4), sowie ein Heizungssystem mit einem elektrostatischer Abscheider (1). Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen elektrostatischen Abscheider (1) und ein Heizungssystem zu schaffen, welche die Nachteile gemäß dem Stand der Technik überwinden und die insbesondere das Versagen des elektrischen Auflademechanismus', das Corona-Quenching, verhindern. Gekennzeichnet ist der elektrostatische Abscheider (1) dadurch, dass zur Verbesserung der Abscheideleistung des elektrostatischen Abscheiders längs der Elektrode (6) an mindestens zwei Stellen jeweils mindestens zwei Sprühelektrodenabschnitte (6a) angeordnet sind, wobei die radialen Erstreckungen der an einer Stelle angeordneten Sprühelektrodenabschnitte (6a) im Wesentlichen gleich sind und sich von den radialen Erstreckungen der an einer anderen Stelle angeordneten Sprühelektrodenabschnitte (6a) unterscheiden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Abscheider, insbesondere für eine Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Weiter betrifft die Erfindung ein Heizungssystem zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger mit einem elektrostatischen Abscheider nach Anspruch 7.
  • Aufgrund der Emissionen von Heizungsanlagen und globaler Bemühungen, derartige Emissionen zu reduzieren, werden bei Heizungsanlagen entsprechende Abgasreinigungsanlagen verwendet. Diese sollen insbesondere die schädlichen Stoffe und Partikel aus Abgasen herausfiltern, sodass 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 Drahtes oder Stabes, gehalten. Ein Hochspannungs-Transformator mit Gleichrichterfunktion erlaubt den Aufbau einer hohen Gleichspannung zwischen der Sprühelektrode und dem Deckel, welcher elektrisch leitend mit dem Ofenrohr verbunden ist, sodass 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 elektrisches 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 meisten der Partikel durch die elektrostatischen Coulomb-Kräfte zur Innenwand der Abgasleitung, welche als Kollektorelektrode dient.
  • Wie oben bereits erwähnt, werden die Partikel durch die entlang der Oberfläche der Elektrode sich ausbildende Corona-Entladung elektrostatisch aufgeladen. Dies geschieht auf molekularer Ebene durch folgenden Prozess: Liegt die Elektrode z. B. gegenüber dem Abgasrohr auf negativer Hochspannung, so wird eine große Anzahl von Gasmolekülen negativ aufgeladen. Sie bewegen sich im von der Elektrode sowie dem Abgasrohr aufgespannten elektrischen Feld in Richtung des Abgasrohres. Treffen diese auf ihrem Weg durch das Abgasrohr auf elektrisch neutrale Partikel, so bleiben sie an diesen haften und laden die bis dahin neutralen Partikel ebenfalls negativ auf. Die geladenen Partikel strömen getrieben durch elektrostatische Ablenkungskräfte zur Innenwand des Abgasrohres. Hier bleiben die Teilchen haften, verlieren ihre Ladung und werden sicher aus dem Abgasstrom entfernt. Dies ist der Kernprozess eines elektrostatischen Abscheiders und führt je nach Geometrie, Höhe des Corona-Stroms, Elektrodenform etc. zu Abscheideraten bis etwa über 90 %.
  • Treibende Kraft der Corona-Entladung, die die Abscheideleistung des elektrostatischen Feinstaubfilters (Abscheider) entscheidend mitbestimmt, ist die Stärke des elektrischen Feldes zwischen Sprühelektrode und Kollektorelektrode. Die EP 1 193 445 A2 offenbart eine selbsttragende Stabelektrode, diese ist beispielsweise aus einem mittels Stanzens hergestellten Blechstreifen hergestellt und weist eine Vielzahl von abstehenden Zacken auf. An diesen Zacken verstärkt (konzentriert) sich das elektrische Feld, was der besseren Ablösung der Elektronen (Corona-Entladung) förderlich ist. Ein Abscheider mit einer solchen Zackenelektrode arbeitet daher effektiver als einer mit einer einfachen Stab- oder Drahtelektrode. Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Elektrodenausführung wird auch eine Stacheldraht ähnliche Elektrode beschrieben.
  • Der Kernprozess der elektrostatischen Abscheidung kann durch folgenden Effekt gestört werden: Bei dem Betrieb von elektrostatischen Abscheidern in mit Feinstaub kontaminiertem Abgas kommt es zu einem sogenannten Corona Quenching. Corona Quenching entsteht, falls im Fall hoher Partikelkonzentration, etwa >1014 Partikel/m3, die geladenen Partikel eine Ladungswolke, also ein Raumladungsfeld, bilden, welche die Sprühelektrode umgibt. Die Ladungswolke verzerrt die Feldverteilung in der Aufladeeinheit und schwächt das elektrische Feld in der Nähe der Sprühelektrode. Dadurch wird die Feldemission freier Elektronen aus der Oberfläche des Sprühdrahtes reduziert, wodurch weniger Gas-Ionen zur Verfügung stehen und folglich die Aufladung weiterer Feinstaubpartikel verringert wird. Gleichzeitig wird die Bewegung der geladenen Feinstaubpartikel zur Aufladeelektrode hin beeinträchtigt. Die Aufladung der Staubpartikel erstreckt sich nicht mehr auf den gesamten Querschnitt des Abgasrohres, sondern findet nur in einem kleinen Bereich um die Sprühelektrode herum statt. Die Abscheideleistung des Systems sinkt entsprechend ab. Die Bedeutung des Corona-Quenching für den Abscheiderbetrieb kann durch eine Verwendung der oben beschriebenen Zackenelektroden nicht oder nur unzureichend gemindert werden, da sich die Ladungswolken auch in der Umgebung der Zacken bilden und diese isolieren.
  • Das beschränkte Entstehungsgebiet neuer Ladungsträger ist schematisiert als Zylinder (räumliche Betrachtung) oder Kreis (ebene Querschnittsbetrachtung) um die Sprühelektrode darstellbar. Corona Quenching trifft vor allem für laminare Strömungsfelder zu, wie sie häufig für die kleinen Strömungsgeschwindigkeiten elektrischer Abscheider vorliegen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrostatischen Abscheider zu schaffen, der weniger anfällig für das Corona-Quenching ist.
  • Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Heizungssystem mit einem erfindungsgemäßen Abscheider zu schaffen, das eine zuverlässige Abgasreinigung garantiert.
  • Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheider, insbesondere für eine Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage, mit einem Strömungskanal mit einer Kanalwandung und einem Kanalinneren, durch welchen ein partikelbeinhaltendes Abgas in einer Strömungsrichtung strömt, und einer mittig in dem Kanalinneren angeordneten, sich im Wesentlichen in Strömungsrichtung erstreckenden Elektrode, zur Bildung einer Coronaentladungszone mittels eines elektrischen Feldes zwischen der Elektrode und der Kanalwandung, wobei die Elektrode Mittel zur Erzeugung mindestens einer weiteren Coronaentladungszone in Form mindestens eines von der Elektrode verzweigenden Srüelektrodenabschnittes umfasst, ist vorgesehen, dass zur Verbesserung der Abscheideleistung des elektrostatischen Abscheiders sowie zur Reduzierung des begrenzenden Einflusses des Corona-Quenchings längs der Elektrode an mindestens zwei Stellen jeweils mindestens zwei Sprühelektrodenabschnitte angeordnet sind, wobei die radialen Erstreckungen (Längen in radialer Richtung zwischen Sprühelektrode und Kanalwandung) der an einer Stelle angeordneten Sprühelektrodenabschnitte (6a) im Wesentlichen gleich sind und sich von den radialen Erstreckungen (Längen) der an einer anderen Stelle angeordneten Sprühelektrodenabschnitte (6a) unterscheiden. Damit ähnelt die Geometrie einer solchen Elektrode der eines Tannenbaums, bei dem die Längen der Abzweigungen (Astlängen der verschiedenen Astkränze) über der Höhe abnehmen.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Sprühelektrodenabschnitt als Sprühelektrodenspitzenteil und/oder Sprühelektrodenkantenteil ausgebildet ist.
  • In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Sprühelektrodenabschnitt quer, insbesondere radial von der Elektrode abzweigt.
  • Ein Ausführungsbeispiel des elektrostatischen Abscheiders sieht weiter vor, dass der Sprühelektrodenabschnitt längs, insbesondere axial von der Elektrode abzweigt.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Sprühelektrodenabschnitte derart verteilt an der Elektrode angeordnet sind, dass eine gleichmäßige, insbesondere homogene Anordnung der Cononaentladungszonen realisiert ist.
  • Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die radialen Erstreckungen, z.B. die Längen, der Sprühelektrodenabschnitte im Strömungskanal derart gewählt sind, dass ihre freien, der Kanalwandung zugewandten Enden gleichmäßig verteilt in benachbarten Querschnittsbereichen, insbesondere Kreisringbereichen, des Strömungskanals liegen, sodass eine gleichmäßige, insbesondere homogene Anordnung der Cononaentladungszonen über einem Strömungskanalquerschnitt realisiert ist.
  • Das erfindungsgemäße Heizungssystem zur Erzeugung von Wärmeenergie mittels Verbrennen von einem Energieträger wie Biomasse ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Feinstaub emittierende Heizungsanlage wie eine Biomasse-Heizungsanlage zum Verbrennen des Energieträgers, wobei partikelbeinhaltende Abgase entstehen, und ein erfindungsgemäßer elektrostatischer Abscheider vorgesehen sind.
  • Mit dem erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheider und dem erfindungsgemäßen Heizungssystem werden insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
    • Die oben beschriebenen Mittel, insbesondere die sich daraus ergebende Geometrie und der Aufbau der Aufladungselektrode mit entsprechenden Verzweigungen unterschiedlicher Länge ermöglicht eine homogenere Verteilung des Aufladungsbereichs über den Querschnitt des Abgasrohres. Dadurch können trotz kurzer Reichweite der für die Aufladung zur Verfügung stehenden Gas-Ionen die Feinstaubpartikel in allen Querschnittsbereichen des Abgasrohres elektrisch geladen werden. Damit erhöht sich die Abscheideeffizienz des Systems auch in hoch kontaminierten Abgasströmen. Die Auswirkungen des Corona Quenching werden entsprechend aufgehoben.
  • Die Zeichnungen stellen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:
    • Fig. 1
    schematisch in einem Längsquerschnitt und einer Draufsicht einen Ausschnitt eines elektrostatischen Abscheiders mit verzweigenden Sprühelektrodenabschnitten und
    Fig. 2
    schematisch zwei perspektivische Ansichten zweier Ausführungsbeispiele einer Elektrode mit mehreren Sprühelektrodenabschnitten.
  • Fig. 1 zeigt schematisch in einem Längsschnitt und einer Draufsicht (Querschnitt) einen Ausschnitt eines elektrostatischen Abscheiders 1 umfassend eine Elektrode 6 mit verzweigenden Sprühelektrodenabschnitten 6a. Der elektrostatische Abscheider 1 ist für ein hier nicht dargestelltes Heizungssystem zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger wie Biomasse ausgebildet. Das Heizungssystem umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform eine Heizungsanlage, die als eine Feinstaub emittierende Heizungsanlage wie eine Biomasse-Heizungsanlage zum Verbrennen eines entsprechenden Biomasse-Energieträgers ausgebildet ist. Bei dieser Verbrennung entstehen partikelbeinhaltende Abgase, die durch ein Abgasrohr oder eine Abgasleitung 2 ausgestoßen werden. Der elektrostatische Abscheider 1 ist zumindest teilweise in der Abgasleitung 2 einer hier nicht weiter 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 das hier durch einen Pfeil P dargestellte, partikelbeinhaltende Abgas in die ebenfalls durch den Pfeil P dargestellte Strömungsrichtung. Im Inneren 5 des Strömungskanals 3 erstreckt sich in Strömungsrichtung P die Elektrode 6, die auch als Mittelelektrode, Sprühelektrode oder Coronaelektrode bezeichnet wird. Der Strömungskanal 3 ist bevorzugt im Querschnitt in Strömungsrichtung P rotationssymmetrisch um eine Mittelachse (hier nicht dargestellt) ausgebildet. Die Elektrode 6 erstreckt sich im Wesentlichen entlang dieser Mittelachse. Die Elektrode 6 ist in Fig. 1 in dem hier vertikal dargestellten Abschnitt der Abgasleitung 3 ausgebildet. Gespeist wird die Elektrode 6 über eine Elektrodenzuführung 7, welche mit einem Isolator 8 ummantelt ist. Zusammen mit der Kanalwandung 4 bildet die Elektrode 6 eine Aufladeeinheit, in welcher Partikel elektrisch aufgeladen werden können. Hierzu bildet die Elektrode 6 mit der Kanalwandung 4 unter Anlegen einer Hochspannung ein elektrisches Feld aus, dessen Feldlininen im Wesentlichen radial zu der Elektrode 6 bzw. der Kanalwandung 4 verlaufen, im Wesentlichen quer, genauer rechtwinklig, zur Strömungsrichtung P.
  • Zwischen der Sprühelektrode 6 und dem als Niederschlagelektrode ausgebildeten, die Elektrode 6 umgebenden Abgasrohr 2 wird eine elektrische Hochspannung angelegt, wodurch sich an der Sprühelektrode 6 eine Coronaentladung ausbildet. In dem elektrostatischen Abscheider 1 werden durch Feldemission oder Coronaentladungen an der Sprühelektrode 6 freie Ladungsträger in Form von freien Elektronen und damit ionisierten Gas-Molekülen in den Aufladebereich 9 injiziert. Die Ladungsträger strömen dann im elektrischen Feld entsprechend ihrer Ladung zur positiven bzw. negativen Elektrode. Treffen die Ladungsträger auf Staubpartikel, so werden diese unipolar aufgeladen. Ein Großteil der Partikel lagert sich schließlich auf der Niederschlagselektrode an und bleibt dort haften. Stromabwärts der Aufladeeinheit findet ebenfalls eine Abscheidung von Partikeln auf der Innenwand des anschließenden Abgasrohres 2 bzw. eines Kamins statt, da die unipolar geladenen Partikel eine Ladungswolke 10 bilden (hier schraffiert um die Sprühelektrodenabschnitte dargestellt) und durch Abstoßungskräfte an die Rohrwand 4 strömen.
  • Eine bekannte technische Schwierigkeit bei dem Betrieb von elektrostatischen Abscheidern 1 in mit Feinstaub hoch kontaminiertem Abgas ist das sogenannte Corona Quenching. Es entsteht, falls im Fall hoher Partikelkonzentration (insbesondere größer 1014 Partikel/m3) die geladenen Partikel die Ladungswolke 10 - auch als Raumladungsfeld bezeichnet - bilden, welche die Sprühelektrode 6 umgibt. Die Ladungswolke 10 verzerrt die Feldverteilung und schwächt das elektrische Feld in der Nähe der Sprühelektrode 6. Dadurch wird die Feldemission freier Elektronen aus der Oberfläche der Sprühelektrode reduziert, wodurch weniger Gas-Ionen zur Verfügung stehen und folglich die Aufladung weiterer Feinstaubpartikel verringert wird. Gleichzeitig wird die Bewegung der geladenen Feinstaubpartikel zur Kollektorelektrode 4 (Kanalwandung) hin beeinträchtigt. Die Aufladung der Staubpartikel erstreckt sich nicht mehr auf den gesamten Querschnitt des Abgasrohres 2, sondern findet nur in einem kleinen Bereich um die Sprühelektrode 6 herum statt. Die Abscheideleistung des Systems sinkt bei Verwendung einer Sprühelektrode nach dem Stand der Technik entsprechend ab. Das beschränkte Entstehungsgebiet neuer Ladungsträger lässt sich schematisiert als Zylinder um die Sprühelektrode darstellen. Diese Überlegungen treffen vor allem für laminare Strömungsfelder zu, wie sie häufig für die kleinen Strömungsgeschwindigkeiten elektrischer Abscheider 1 vorliegen.
  • Für eine Steigerung der Effektivität des elektrostatischen Abscheiders 1 wird der geometrisch zugängliche Aufladungsbereich 9 erweitert, sodass die Abscheideleistung des Systems erhöht ist. Dies wird durch eine Vervielfachung und optimierte Verteilung der Coronaentladungszonen erreicht. Die dafür erforderliche Sprühelektrode 6 ist mit einer Vielzahl an Sprühelektrodenabschnitten 6a ausgebildet, die in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 als kleine Spitzen bzw. Kanten ausgeformt sind. Die Feldstärke ist hier besonders hoch, da diese umgekehrt proportional zum Krümmungsradius einer Geometrie ist. Die Spitzen oder Kanten o. ä. sind bevorzugt gleichmäßig über den Querschnitt der Aufladeeinheit verteilt. Auf diese Weise werden mehrere kleine Aufladungsbereiche 9 geschaffen, welche in Summe die Aufladung der Partikel über den ganzen Querschnitt der Aufladeeinheit sicherstellen, wie dies anschaulich in der Draufsicht dargestellt ist. Im Falle einer laminaren Strömung werden alle Staubpartikel durch einen dieser Aufladungsbereiche 9 erfasst und aufgeladen.
  • Fig. 2 zeigt schematisch zwei perspektivische Ansichten zweier Ausführungsbeispiele einer Elektrode 6 mit mehreren Sprühelektrodenabschnitten 6a. Die Elektrode 6 ist z. B. nach Art eines Stacheldrahts mit als Stacheln ausgebildeten, Sprühelektrodenabschnitten 6a ausgeführt (linke Abbildung in Fig. 2). In einer anderen Ausführungsform (rechte Abbildung nach Fig. 2) sind die Sprühelektrodenabschnitte 6a mit variabler Länge nach Art eines Tannenbaums realisiert. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die verschiedenen Sprühelektrodenabschnitte 6a unterschiedliche, insbesondere unterschiedlich lang ausgebildet. Dabei sind in einer bevorzugten Ausführungsform über die Länge der Elektrode 6 die Sprühelektrodenabschnitte 6a von kürzeren Sprühelektrodenabschnitten 6a hin zu längeren Sprühelektrodenabschnitten 6a hin angeordnet. In anderen Ausführungsbeispielen sind an einzelnen Knotenpunkten sowohl kürzere als auch längere Sprühelektrodenabschnitte 6a angeordnet. In wiederum anderen Ausführungsbeispielen sind an den Sprühelektrodenabschnitten 6a weitere Sprühelektrodenabschnitte 6a, sogenannten Untersprühelektrodenabschnitte, ausgebildet.
  • In beiden Ausführungsformen zweigen an in Längsrichtung der Elektrode voneinander beabstandetenen Verzweigungsbereichen mehrere Sprühelektrodenabschnitte 6a ab. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel zweigen an den Verzweigungsbereichen jeweils 2 Sprühelektrodenabschnitte radial von der Elektrode ab. Die Verzweigungsbereiche sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen äquidistant an der Sprühelektrode 6 angeordnet. In anderen Ausgestaltungen variieren die Abstände. Bei der links dargestellten Ausgestaltung mit Stacheln schneiden sich die einzelnen Sprühelektrodenabschnitte 6a nicht auf der Höhe der Elektrode 6. Bei der rechts dargestellten Ausgestaltung nach Art eines Tannenbaums schneiden sich die Sprühelektrodenabschnitte 6a dagegen im Wesentlichen im Bereich der Elektrode 6.

Claims (7)

  1. Elektrostatischer Abscheider (1), insbesondere für eine Abgasleitung (2) einer Abgasreinigungsanlage, mit
    einem Strömungskanal (3) mit einer Kanalwandung (4) und einem Kanalinneren (5), durch welchen ein partikelbeinhaltendes Abgas (P) in einer Strömungsrichtung strömt, und einer mittig in dem Kanalinneren (5) angeordneten, sich im Wesentlichen in Strömungsrichtung (P) erstreckenden Elektrode (6), zur Bildung einer Coronaentladungszone mittels eines elektrischen Feldes zwischen der Elektrode (6) und der Kanalwandung (4), wobei die Elektrode (6) Mittel zur Erzeugung mindestens einer weiteren Coronaentladungszone in Form mindestens eines von der Elektrode (6) verzweigenden Sprühelektrodenabschnittes (6a) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Abscheideleistung des elektrostatischen Abscheiders längs der Elektrode (6) an mindestens zwei Stellen jeweils mindestens zwei Sprühelektrodenabschnitte (6a) angeordnet sind, wobei die radialen Erstreckungen der an einer Stelle angeordneten Sprühelektrodenabschnitte (6a) im Wesentlichen gleich sind und sich von den radialen Erstreckungen der an einer anderen Stelle angeordneten Sprühelektrodenabschnitte (6a) unterscheiden.
  2. Elektrostatischer Abscheider (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühelektrodenabschnitt (6a) als Sprühelektrodenspitzenteil und/oder Sprühelektrodenkantenteil ausgebildet ist.
  3. Elektrostatischer Abscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühelektrodenabschnitt (6a) quer, insbesondere radial von der Elektrode (6) abzweigt.
  4. Elektrostatischer Abscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühelektrodenabschnitt (6a) längs, insbesondere axial von der Elektrode (6) abzweigt.
  5. Elektrostatischer Abscheider (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühelektrodenabschnitte (6a) derart verteilt an der Elektrode (6) angeordnet sind, dass eine gleichmäßige, insbesondere homogene Anordnung der Cononaentladungszonen realisiert ist.
  6. Elektrostatischer Abscheider (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Erstreckungen der Sprühelektrodenabschnitte (6a) im Strömungskanal (3) derart gewählt sind, dass ihre freien, der Kanalwandung (4) zugewandten Enden gleichmäßig verteilt in benachbarten Querschnittsbereichen, insbesondere Kreisringbereichen, des Strömungskanals (3) liegen, sodass eine gleichmäßige, insbesondere homogene Anordnung der Cononaentladungszonen über einem Strömungskanalquerschnitt realisiert ist.
  7. Heizungssystem zur Erzeugung von Wärmeenergie mittels Verbrennen von einem Energieträger wie Biomasse mit
    einer Feinstaub emittierenden Heizungsanlage wie eine Biomasse-Heizungsanlage zum Verbrennen des Energieträgers, wobei partikelbeinhaltende Abgase entstehen, und einem elektrostatischen Abscheider (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 10.
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