CH636778A5 - Verfahren und vorrichtung zur abscheidung von feinstaeuben und aerosolen aus einem gasstrom. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung von Feinstäuben und Aerosolen, hauptsächlich Salzaerosolen, aus einem Gasstrom, insbesondere einem Prozess- oder Abgasstrom, bei dem die Feinstäube bzw. Aerosole in einem

Elektrofilter mit Niederschlagsfläche unter der Wirkung des elektrischen Feldes an einem die Niederschlagsfläche bedek-kenden, geerdeten Flüssigkeitsfilm abgeschieden werden. Die zu diesem Verfahren verwendbare Vorrichtung besteht 5 entweder aus vertikal stehenden, rohrförmigen Niederschlagsflächen, in denen eine axiale Sprühelektrode aufgehängt ist, oder aus plattenförmigen Niederschlagsflächen mit zwischen den Platten aufgehängten Sprühelektroden. Die eigentliche Niederschlagselektrode stellt in allen Fällen der ge-io erdete Flüssigkeitsfilm dar.

Das Abscheideprinzip der Elektrofilter allgemein besteht darin, durch Anlegen einer hohen Gleichspannung zwischen zwei Elektroden den Teilchen im Gasstrom eine Ladung zu erteilen, wobei die ionisierten Teilchen unter dem Einfluss 15 des elektrischen Feldes zur geerdeten Niederschlagselektrode wandern und dort anhaften. Massgeblich für die Abscheidung ist neben der Stärke des elektrischen Feldes die Verweilzeit der Teilchen im elektrischen Feld sowie der spezifische Widerstand der Teilchen.

20 Die verschiedenen Typen der Elektrofilter unterscheiden sich hauptsächlich durch die Art der Entfernung (Abreini-gung) des an den Niederschlagselektroden anhaftenden, abgeschiedenen Staubes. Bei den Trockenelektrofiltern sind die geerdeten metallischen Niederschlagselektroden (meist Plat-25 ten) elastisch aufgehängt und der abgeschiedene Staub wird durch intermittierendes Klopfen oder Rütteln dieser Platten abgereinigt. Bei gut wasserlöslichen Stäuben kann die Ab-reinigung der Niederschlagsflächen auch durch diskontinuierliches Besprühen mit Wasser erfolgen. Man spricht 30 hierbei bereits von Nasselektrofiltern, obwohl der eigentliche Abscheidevorgang noch trocken erfolgt. Hier verwendet man bereits häufig röhren- oder wabenförmige Niederschlagselektroden. Bei den eigentlichen Nasselektrofiltern besteht die Niederschlagselektrode aus einem an nichtleiten-35 den Rohrinnenwänden (Kunststoff- oder gummierte Rohre) kontinuierlich fliessenden, geerdeten Wasserfilm,, in dem die abgeschiedenen Teilchen gelöst oder abgespült werden. Hierbei gibt es unterschiedliche Arten der Filmerzeugung über Überlauf oder tangentialen Zulauf an jedem Einzel-40 rohr, wobei - entsprechend der Zahl der Rohre - relativ hohe Kreislaufwassermengen benötigt werden und die gleichmässige Verteilung auf alle Rohre Schwierigkeiten bereitet. Die am häufigsten angewandte Art der Filmerzeugimg sieht vor, über Nebeldüsen feine Wassertröpfchen in den 45 Gasstrom einzudüsen und diese dann - zusammen mit dem Staub - an der Niederschlagselektrode abzuscheiden. Dabei lässt sich jedoch kein gleichmässiger Film über die ganze Rohrlänge erzielen und gleichzeitig wächst bei Eindüsung von im Vergleich zu den feinen Staubteilchen sehr grossen so Wassertropfen (selbst bei Nebeldüsen liegt die Tropfengrös-se im Bereich 0 30-200 jxm) in das elektrische Feld die Zahl der elektrischen Überschläge. Bei Überschlägen bricht das elektrische Feld kurzzeitig zusammen und die Abscheidewirkung der Filter verschlechtert sich rapide. Bei Anwesenheit 55 einer grösseren Anzahl Wassertropfen im Gasstrom muss deshalb zur Vermeidung der Überschläge die elektrische Spannung stark reduziert werden, was sich ebenfalls nachteilhaft auf die Abscheideleistung des Filters auswirkt.

Schwierigkeiten treten vor allem dann auf, wenn grössere 60 Mengen von Feinstäuben und Salzaerosolen aus einem Prozess- oder Abgasstrom mit einem Abscheidegrad von mehr als 95% entfernt werden sollen. Dieses Problem stellt sich vor allem bei der Abgasreinigung von Abfallverbrennungsanlagen aller Art. Da hier die flüssigen oder festen Schad-65 stoffe teilweise aus Kondensations- und Sublimationsvorgängen bei hohen Temperaturen entstanden sind, weisen die zu entfernenden Teilchen extrem feine Korngrössen (<0,1 um) auf. Die Abscheidung von Teilchen in diesem

Korngrössenbereich mit hohem Wirkungsgrad unter Verwendung von Elektrofiltern ist bisher nicht in befriedigendem Masse gelungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Abscheidegrad für Feinstäube und Salzaerosole bei Elektrofiltern zu verbessern, wobei eine kontinuierliche Fahrweise mit hohen Standzeiten gefordert wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der zu reinigende Gasstrom vor dem Eintritt in das Elektrofilter mit Dampf beladen wird und der Flüssigkeitsfilm auf der Niederschlagsfläche durch Kondensation dieser Dampfanteile erzeugt wird. Die Kondensation wird in der Praxis zweckmässig dadurch erreicht, dass die Niederschlagsflächen durch ein Kühlmittel unter den Taupunkt des Gasstromes im Elektrofilter abgekühlt werden. Es war überraschend und nicht vorherzusehen, dass allein durch Kondensation ein zusammenhängender Flüssigkeitsfilm erzeugt werden kann, der sowohl als Niederschlagselektrode dient, als auch für einen ausreichenden Abtransport der löslichen und unlöslichen Staub- bzw. Aerosolteilchen sorgt. Der zu reinigende Gasstrom wird im folgenden meist als Rohgasstrom bezeichnet.

Vorteilhaft wird das Elektrofilter bei einem Elektrodenabstand von 80 bis 100 mm mit einer Spannung von 40 bis 50 kV betrieben. Bei herkömmlichen Nasselektrofiltern muss aufgrund der durch die Wassereindüsung in das elektrische Feld erheblich reduzierten Überschlagsgrenze mit ca. 20 bis 25% niedrigerer Spannung gefahren werden. Die höhere Spannung führt zu einer Verbesserung des Abscheidegrads bei dem neuen Verfahren.

Der Flüssigkeitsfilm besteht vorzugsweise aus Wasser. Zu diesem Zweck wird dem Rohgasstrom vor dem Eintritt in das Elektrofilter Wasserdampf zugegeben. Das Einbringen von Dampf in den Rohgasstrom kann entweder in einem dem Elektrofilter vorgeschalteten Verdampfungskühler durch Einspritzen von Wasser oder durch direkte Dampfeinspeisung in den Rohgasstrom erfolgen.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass die Niederschlagsflächen durch einen Kühlmittelkreislauf kontinuierlich unter den Taupunkt des dampfbeladenen Rohgasstromes abgekühlt werden und das Rohgas im Gegenstrom zu dem an den Niederschlagsflächen herabfliessenden Flüssigkeitsfilms vorbeigeleitet wird.

Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geht von einem Elektrofilter mit vertikal stehenden, rohrförmigen Niederschlagsflächen aus, in denen jeweils eine als Anode geschaltete axiale Sprühelektrode aufgehängt ist. Das erfindungsgemässe Kennzeichen dieser Vorrichtung besteht darin, dass die Aussenflächen der Niederschlagsrohre mit einem Kühlkreislauf in Verbindung stehen und der auf der Rohrinnenseite kondensierte Flüssigkeitsfilm geerdet ist. Dieser geerdete Flüssigkeitsfilm stellt somit die zur Ausbildung des elektrischen Feldes notwendige Katode dar. Die Zuführungen für das Rohgas sind dabei zweckmässig am unteren Ende und die Abführungen am oberen Ende der rohrförmigen Niederschlagsflächen angebracht.

Alternativ kann auch ein Elektrofilter auf der Basis von plattenförmigen Niederschlagsflächen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet werden. In diesem Falle sind die Sprühelektroden zwischen den Platten aufgehängt. Die Gaszu- bzw. -abführung erfolgt mittels seitlicher Anschlüsse. Diese Vorrichtung ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Platten aus Hohlprofilen bestehen, die innen vom Kühlmedium durchströmt werden und der kondensierte Flüssigkeitsfilm an den Aussenflächen der Platten abläuft und geerdet ist. Wird der Flüssigkeitsfilm

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durch eine mit ihm in Kontakt stehende Elektrode geerdet, so können die als Niederschlagsflächen ausgebildeten Rohre oder Platten bei beiden oben beschriebenen alternativen Ausführungsformen auch aus einem elektrisch nichtleitenden Material, z.B. Hart-PVC oder Glas, bestehen.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren und einer entsprechenden Vorrichtung werden folgende Vorteile erzielt:

a) Aufgrund der Kondensation bildet sich ein gleichmäs-siger, zusammenhängender Flüssigkeitsfilm, der nach unten abläuft. Dadurch werden trockene Stellen und damit zu elektrischen Überschlägen führende Anbackungen vermieden.

b) Häufig werden heisse Abgasströme durch einen Verdampfungskühler geleitet (Quenche), so dass von vornherein kondensierbare Anteile im Gasstrom enthalten sind. Es sind dann keine zusätzlichen Verfahrensschritte zum Einbringen von Dämpfen vor dem Elektrofilter erforderlich.

c) Die im Elektrofilter abgeschiedenen Staubteilchen bzw. Salzaerosole werden in dem Flüssigkeitsfilm gelöst oder abgespült, so dass keine zusätzliche Abreinigungsvorrich-tung benötigt wird.

d) Da im elektrischen Feld zwischen Sprühelektrode und dem die Niederschlagselektrode bildenden Kondensationswandfilm neben dem Gasstrom nur die abzuscheidenden Staub- oder Flüssigkeitsaerosole vorhanden sind und als Ladungsträger in Frage kommen, ist die Gefahr von Überschlägen gegenüber herkömmlichen Nasselektrofiltern stark reduziert. Aus diesem Grunde kann auch mit höheren Spannungen gearbeitet werden.

e) Mit dem neuen Verfahren werden über lange Standzeiten auch bei der Abscheidung kleinster Korngrössen hervorragende Ergebnisse erzielt. So konnten z.B. Schwefelsäure* und Salzsäure-Aerosole mit Tröpfchengrössen

< 1 um zu 99% aus einem Abgasstrom entfernt werden.

Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Längsschnitt einer ersten Aus-führungsform der Vorrichtung mit einem Blockdiagramm des Abscheideverfahrens,

Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene A-A der Fig. 1,

Fig. 3 einen waagrechten Querschnitt gemäss C-C (Fig. 5) einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung mit plattenförmigen Niederschlagselektroden,

Fig. 4 einen Schnitt analog Fig. 1 dieser zweiten Ausführungsform, und

Fig. 5 einen Schnitt gemäss B-B in Fig. 4.

Das Elektrofilter 1 in Fig. 1 besteht aus einem Bündel von Rohren 2, die von einem Mantel 3 umgeben sind. Das Elektrofilter 1 wird in vertikaler Richtung betrieben, d.h. die Rohre 2 verlaufen von oben nach unten. In den Achsen der Rohre 2 sind die Sprühelektroden 4 aufgehängt (siehe auch Fig. 2). Sie bestehen aus dünnen Drähten mit einem Durchmesser von ca. 2 mm, die an ihrem unteren Ende mit Gewichten 18a beschwert sind und an ihrem oberen Ende an einem für alle Drähte gemeinsamen Isolator 6 befestigt sind. Die Sprühelektroden 4 sind an den Plus-Pol eines Hochspannungsaggregates 7 mit einer Gleichspannung von 40 bis 50 kV angeschlossen. Der andere Pol der Hochspannungsquelle 7 ist geerdet. Die Rohre 2 sind von einem Kühlmittel umgeben, das in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet und in Fig. 1 schraffiert dargestellt ist. Der Kühlmittelzulauf 8 befindet sich am unteren Ende und der Ablauf 9 am oberen Ende des Elektrofilters 1. Das zu reinigende Abgas wird durch den Stutzen 10 in das Elektrofilter 1 eingeleitet, durch den Siebboden 11 gleichmässig verteilt und strömt durch die Rohre und den Stutzen 16 nach oben ab. Vor dem Eintritt in das Elektrofilter 1 wird das heisse Abgas in einem Verdamp3

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fungskühler 12 (Quenche) abgekühlt und mit Wasserdampf gesättigt. Bei der Reinigung von kalten Abgasen kann der dampfförmige Anteil auch direkt in die Zuleitung zum Elektrofilter eingespeist werden, z.B. durch die gestrichelt dargestellte Düse 13. Wird an der Innenseite der Rohre 2 aufgrund der Kühlung der Taupunkt des aufwärtsströmenden Rohgases unterschritten, so kondensieren die dampfförmigen Anteile an der Innenwand aus und bilden einen zusammenhängenden und kontinuierlich nach unten ablaufenden Flüssigkeitsfilm. Im Falle von Metallrohren ist dieser Flüssigkeitsfilm automatisch über das Gehäuse geerdet und bildet die Niederschlagselektrode. Werden dagegen Rohre aus einem nichtleitenden Material benutzt, so muss der Flüssigkeitsfilm durch Elektroden 14 geerdet werden. Durch das zylindersymmetrische elektrische Feld zwischen den Elektroden werden Staub und Aerosolteilchen durch Coulomb-Kräfte an die Innenwand transportiert und vom Flüssigkeitsfilm gelöst bzw. abgespült. Das Kondensat wird mit den abgeschiedenen Produkten am unteren Ende des Elektrofil-ters 1 durch den Auslass 15 abgezogen. Das gereinigte Gas strömt durch die Austrittsöffnung 16 am oberen Ende ab. Die zur Kondensation benötigten Dampfanteile bestehen in der Regel aus Wasserdampf. Im Prinzip können jedoch auch andere kondensierbare Dämpfe eingespeist werden.

Anstelle eines Röhrenfilters kann auch das in den Fig. 3 bis 5 dargestellte Plattenfilter zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet werden. Die Nieder-schlagsfiächen sind hier als profilierte Hohlplatten 17 ausgebildet, die von einem Kühlmedium durchströmt werden. Die Platten 17 stehen wie die Rohre in Fig. 1 senkrecht. Die s Sprühelektroden 18 werden wieder durch eine Reihe von Drähten gebildet, die von oben in der Mittelebene zwischen den Platten 17 herunterhängen und an Hochspannungsaggregate 7 angeschlossen sind; in Fig. 3 und 5 sind deren drei zu sehen, die in Fig. 5 mit I, II und III bezeichnet sind. Die io Drähte 18 sind wie bei der Ausführung nach Fig. 1 an ihrem unteren Ende mit Spanngewichten 19 beschwert (Fig. 4 und 5).

Das Rohgas wird durch den seitlichen Anschluss 20 zugeführt und strömt parallel zu den Platten 17 und senkrecht 15 zu den Sprühelektroden 18 durch das Filter hindurch. Staub und Aerosolteilchen werden aufgrund der Wirkung des elektrischen Feldes zum Flüssigkeitsfilm auf den Oberflächen der Platten 17 transportiert. Das gereinigte Gas strömt durch den Austritt 21 ab (siehe Fig. 5).

20 In Fig. 5 ist noch der Kühlwasserzulauf 8 und -ablauf 9 sowie in Fig. 3 und 5 die Profilrippen 22 der Hohlplatten 17 angedeutet, die aus längsgerichteten, innen oder aussen an den Platten 17 angebrachten Verstärkungen oder Sicken bestehen. Die gesamte Anordnung ist wie bei der Ausführung 25 gemäss Fig. 1 in einen Behälter 23 eingebaut.

Verfahrensbeispiel

In einer Verbrennungsanlage für flüssige Abfälle werden organisch verunreinigte, stark salzhaltige Abwässer verbrannt. Bei Temperaturen über 1200 °C verdampfen die Salze, hauptsächlich NaCl und Na2S04, und werden bei der anschliessenden Rauchgaskühlung im Dampferzeuger wieder kondensiert. Ein Teil der Salze lässt sich am Kessel als flüssige Schmelze abziehen, der Rest wird als Feinstaub oder Aerosol mit dem Rauchgas ausgetragen. Die Salzaerosole treten im Rauchgas in Konzentrationen von 20 bis 30 g/m3 auf. Das Häufigkeitsmaximum der Korngrössenverteilung liegt bei ca. 0,1 um, die gröbsten Teilchen sind etwa 2 (j,m gross. Die Abscheidung dieser extrem feinen Salzaerosole auf die vom Gesetzgeber geforderten Reingaswerte < 100 mg/m3 erfordert von einem entsprechenden Abscheide-Ag-gregat allerhöchste Abscheidegrade bis zu 99,8%. Bei entsprechenden Versuchen mit bekannten Abscheidesystemen, nämlich Hochleistungs-Venturiwäschern, Heissgasgewebefil-tern und trockenen sowie nassen Elektrofiltern der herkömmlichen Bauarten, konnten diese Abscheidegrade im Dauerbetrieb nicht erreicht werden. Ausgezeichnete Abscheideergebnisse Hessen sich erst mit dem erfindungsgemässen Verfahren erzielen. Dazu wurde hinter einem entsprechenden Verbrennungskessel eine Pilotanlage zur Reinigung eines Teilgasstromes von 400 m3/h staubbeladenen Abgases erstellt. Der ca. 500 bis 600 °C heisse Abgasstrom wurde zunächst in einer Quenche durch Direkteindüsung von Wasser (ca. 21/m3) auf 60 °C abgekühlt und mit Wasserdampf gesättigt. Das hinter die Quenche 12 geschaltete Elektrofilter 1 bestand aus einem Rohrbündel von 7 PVC-Rohren 2 (160 mm 0,200 mm lang) und wurde vom Gasstrom von unten nach oben durchströmt. Die an den zentral in den PVC-Rohren 2 35 aufgehängten Sprühelektroden 4 (Drähte von 2 mm Durchmesser) angelegte elektrische Gleichspannung betrug 40 bis 50 kV. Je nach Staubbeladung und Gaszusammensetzung wurde ein Stromfluss von 3 bis 6 mA erreicht. Das Rohrbündel war mit einem Kühlwassermantel umgeben, der im 40 Gleichstrom mit dem Gas mit ca. 1 m3/h Kühlwasser von 14 bis 16 °C beaufschlagt wurde. Damit konnte das Gas auf ca. 52 °C abgekühlt werden unter gleichzeitiger Kondensation des Wasserdampfes (ca. 251/h) an den Rohrinnenwänden. Der kontinuierlich abfliessende Kondensfilm war an der Un-45 terseite der Rohre über am Rohrboden befestigte Drahtschleifen 14 geerdet und bildete die Niederschlagselektrode. Die unter dem Einfluss des elektrischen Feldes am Kondensfilm abgeschiedenen Feinstäube gingen teilweise in Lösung oder wurden einfach mit dem Film abgespült. Ein zusätzli-50 ches Eindüsen von Wasser in die Rohre war nicht erforderlich. Die Rohre blieben auch im mehrwöchigen Dauerbetrieb frei von Ansätzen. Bei Rohgasstaubgehalten von 20 bis 30 g/m3 konnten mit der beschriebenen Anordnung Reingaswerte < 50 mg/m3 erreicht werden. Auch H2S04- und 55 HCl-Aerosole mit Tröpfchengrössen < 1 um wurden zu 99% aus dem Abgas entfernt.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

636778 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Abscheidung von Feinstäuben und Aerosolen aus einem Gasstrom, insbesondere einem Prozessoder Abgasstrom, bei dem die Feinstäube bzw. Aerosole in einem Elektrofilter mit Niederschlagsfläche unter der Wirkung des elektrischen Feldes an einem die Niederschlagsfläche bedeckenden und geerdeten Flüssigkeitsfilm abgeschieden werden, der eine Niederschlagselektrode bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der zu reinigende Gasstrom vor dem Eintritt in das Elektrofilter mit Dampf beladen wird und der Flüssigkeitsfilm auf der Niederschlagsfläche durch Kondensation dieser Dampfanteile erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom vor dem Eintritt in das Elektrofilter mit Wasserdampf gesättigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Kondensation benötigte Dampfanteil dem Gasstrom in einem dem Elektrofilter vorgeschalteten Verdampfungskühler durch Einspritzen von Wasser zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Kondensation benötigte Dampfanteil direkt in den Gasstrom eingespeist wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederschlagsfläche durch einen Kühlmittelkreislauf kontinuierlich unter den Taupunkt des dampfbeladenen Rohgasstromes abgekühlt und das Gas im Gegenstrom zu dem an der Niederschlagsfläche herabflies-senden Flüssigkeitsfilm vorbeigeleitet wird.

6. Elektrofilter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit vertikal stehenden, rohrförmigen Niederschlagsflächen, in denen jeweils eine axiale Sprühelektrode aufgehängt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenflä-chen der Niederschlagsrohre (2) mit einem Kühlkreislauf (8, 9) in Verbindung stehen und der auf der Rohrinnenseite kondensierte Flüssigkeitsfilm geerdet ist.

7. Elektrofilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung (10) für das Gas am unteren Ende und eine Abführung (15) am oberen Ende der rohrförmigen Niederschlagselektroden (2) angebracht sind.

8. Elektrofilter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederschlagsrohre (2) aus elektrisch nichtleitenden Materialien bestehen und der Flüssigkeitsfilm durch eine mit ihm in Kontakt stehende Elektrode (14) geerdet ist.

9. Elektrofilter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit plattenförmigen Niederschlagsflächen und zwischen den Platten aufgehängten Sprühelektroden sowie seitlichen Gaszu- bzw. -abführungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (17) aus Hohlprofilen bestehen, die innen vom Kühlmedium durchströmt werden und der kondensierte Flüssigkeitsfilm an den Aussenflächen der Platten (17) abläuft und geerdet ist.

10. Elektrofilter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Niederschlagsflächen (17) aus elektrisch nichtleitenden Materialien bestehen und der Flüssigkeitsfilm durch eine mit ihm in Kontakt stehende Elektrode (14) geerdet ist.