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WO1992004122A1 - Verfahren und vorrichtung zum reinigen von abgasen - Google Patents

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WO1992004122A1
WO1992004122A1 PCT/CH1991/000161 CH9100161W WO9204122A1 WO 1992004122 A1 WO1992004122 A1 WO 1992004122A1 CH 9100161 W CH9100161 W CH 9100161W WO 9204122 A1 WO9204122 A1 WO 9204122A1
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WO
WIPO (PCT)
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coagulator
dust
range
gas stream
electrostatic
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/CH1991/000161
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Gellert
Michael Hirth
Oliver Riccius
Karlheinz Schmidle
Edmund Fleck
Harald Jodeit
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.)
ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority to KR1019920701020A priority Critical patent/KR920702254A/ko
Publication of WO1992004122A1 publication Critical patent/WO1992004122A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B04C9/00Combinations with other devices, e.g. fans, expansion chambers, diffusors, water locks
    • B04C2009/001Combinations with other devices, e.g. fans, expansion chambers, diffusors, water locks with means for electrostatic separation

Definitions

  • the invention is based on a method for cleaning a gas stream and a cleaning system for carrying out the method according to the preamble of claims 1 and 7.
  • Contaminated hot gas resulting from coal dust combustion is fed to a gas turbine via an electrostatic separator and 2 cyclones connected in series.
  • the contaminated hot gas contains sodium and potassium particles with a diameter in the range of 0.1 ⁇ m - 1 ⁇ m and ash particles in the range of 2 ⁇ m - 50 ⁇ m. Smaller ones
  • Particles are preferably in the electrostatic
  • Separator that has multiple channels with wires at negative high voltage potential, separated.
  • Aerosol particles tend to attach themselves to large ash particles rather than to the plates of the separator, from which they are torn off or carried away by vibration and the gas flow. Larger ash particles are mainly separated in the cyclones.
  • Electrostatic filter for flocculation of soot and by weight similar, conductive floating particles with a downstream settling space for electrically flocculated particles are known.
  • Raw gas is passed from top to bottom through a tube bundle with outflow electrodes. That from the lower ones
  • Aerosols successively through a coagulator and an
  • the exhaust gas flows over it at high speed or it is exposed to mechanical shocks or vibrations.
  • MEETING January 12-15, 1931, / St. Louis, Missouri, is known to connect several electrocyclones in series to separate dust from the hot gas stream of a power plant with pressure fluidized bed combustion.
  • Rod-shaped high-voltage electrodes protrude into the upper part of the electrocyclones, which generate a maximum electric field strength of 5 kV / cm.
  • One advantage of this device is that the electrical forces that act on the particles can be selected independently of the cyclone size and the volume flow in the cycles. In contrast, the inertial forces that are otherwise effective during deposition decrease with decreasing volume flow and with increasing cyclone size. If the degree of charge of the particles is low, the advantages of the electrocycles become ineffective. Due to the very short dwell time of the particles in the part of the first electrocyclone intended for particle charging, this is the case.
  • Fluidized bed combustion is a promising new combustion technology for the efficient, environmentally friendly generation of electricity from coal.
  • SO 2 produced during combustion can be bound directly to coal by adding lime compounds.
  • the NO x formation is low due to the low combustion temperature of 850 ° C, but not yet so low that on
  • the exhaust gases which have a temperature of 850 ° C and a pressure of 16 bar at full load, are directed to a gas turbine.
  • the exhaust gases are made of particles by means of 2- or multi-stage cyclones
  • Particles easier to separate can be destroyed if the coagulates z. B. break apart in one cycle.
  • CH-A-673 411 from which an electrostatic Filter device for a continuous separation of solid and / or liquid particles from a gas stream is known.
  • a packed bed filter for the separation of dust and gaseous pollutants is from the German magazine: Dust cleanliness of the air 48 (1988), pp. 379 - 386,
  • the modified electrostatic precipitator is operated on the one hand so that the
  • the degree of charge of the particles is maximized, as a result of which the advantages of an electrocyclone can subsequently be used.
  • Invention can corona discharge intrinsically exploited in the electrostatic filter by suitable electrodes and
  • Field strength selection are used so that NO x or greenhouse gases are broken down into harmless substances and thus removed.
  • the cleaning system according to the invention can be any cleaning system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a cleaning system with a coagulator, which has a plurality of coagulator chambers separated by plates and which are followed by 2 cyclones connected in series,
  • Fig. 2 shows a cleaning system according to FIG. 1, but with a coagulator, which is constructed from several coagulator tubes with vibrators and in which the
  • downstream cyclone is an electrocyclone
  • Fig. 3 is a diagram showing the displacement of the
  • Fig. 4 is an electrostatic filter with dust separator
  • Dust separators Dust separators, exhaust gas deflection and one
  • Fig. 6 shows a coagulator
  • Packed bed filter is connected to a cyclone.
  • Fig. 1 (1) denotes a particle-laden or dust-laden gas or hot gas, which comes from a fluidized bed combustion system of a power plant and is not shown via a dedusting system (4, 8, 9)
  • Gas turbine blades is fed to a gas turbine.
  • the hot gas (1) has a temperature of 850 ° C and at Vollatet a pressure of 16 bar.
  • the dust particles are electrically charged in a grounded plate electrostatic filter or a coagulator or coagulator particle charger (4) with earthed plates or coagulator chambers or coagulator particle charging chambers (5) on high-voltage electrodes or coagulator electrodes or coagulator particle charging electrodes (3) and on the inner wall of the coagulator particle charger (4).
  • the wire-shaped coagulator particle charging electrodes (3) are arranged in the middle between the plates (5) or on the edge between the respective edge plate and the inner wall of the coagulator particle charger (4).
  • the agglomerates formed on the inside wall of the coagulator particle charger (4) are influenced by the gas flow, the average speed of which is between 3 m / s and 10 m / s.
  • downstream cyclones (8, 9) the agglomerates are separated as ash or dust (13) or (14), while dedusted cyclone exhaust gas (10) is directed to a gas turbine (not shown).
  • the coagulator particle charging electrodes (3) are normally negatively charged; but they can also be positively charged or alternately put on negative and positive potential. In addition to coagulation on the inner wall of the coagulator particle charger, bipolar coagulation in the gas space can also be used to enlarge the particles.
  • Fig. 2 shows the separation of dust from a hot gas (1) in a process sketch.
  • (2) is one
  • High-voltage source referred to which is connected to wire or rod-shaped coagulator particle charging electrodes (3) in the middle of a plurality of tubular coagulator particle loading chambers or coagulator particle charger tubes (5) of the coagulator particle charger (4).
  • coauulator Particle charger tube is fitted with a vibrator (6) in order to re-enter agglomerates deposited on the walls of the coagulator particle charger tubes (5) into the hot air stream or to assist detachment.
  • the coagulator particle loading chambers (5) are connected to a ground potential (12); they have a diameter in the range from 4 cm to 50 cm, in particular in the range from 5 cm to 25 cm, preferably from 25 cm, and a length in the range from 3 m to 7 m, in particular in the range from 4 m to 6 m, preferably of 5 m.
  • the flow velocity of the gas in the coagulator particle charger (4) is high, it is in the range between 1 m / s - 20 m / s, preferably in the range between
  • the tube bundle consists of about 25 coagulator particle charger tubes (5) with a diameter of 25 cm, the flow velocity in the coagula particle charger (4) being 8 m / s.
  • Dust particles coagulate on the tube walls of the coagulator particle charger tubes (5) or in their immediate vicinity. There is an interplay between electrostatic separation and re-entry of the particles by turbulent shear stress due to the flow or by mechanical vibrations or shocks. The resulting long residence time of the particles in the coagulator particle charger (4) causes a very high particle charge, which is used in the subsequent electrocyclone (8).
  • a coagulator exhaust gas or a coagulator particle charger exhaust gas is designated, the particles in
  • Coagulator particle charger exhaust gas is a 1st cyclone (8) with a central, rod-shaped high voltage or
  • Cyclone electrode (11) and then fed to a second cyclone (9) without a high-voltage electrode.
  • the 2nd cyclone delivers Cyclone exhaust gas (10) well cleaned of small and large particles on the clean gas side, which is directed to a gas turbine.
  • the coagulates in the clean gas or coagulator-particle charger exhaust gas (7) of the coagulator-particle charger (4) are separated in the downstream cyclones (8, 9) with as little pressure loss as ash (13, 14).
  • Fig. 3 shows the effect of the coagulator particle charger (4) under atmospheric temperature and pressure conditions at a flow rate of 8 m / s, one
  • Coagulator particle loader (4) denotes measured value ranges which are achieved when the coagulator particle loader (4) is switched on.
  • the proportion of particles with a diameter of less than 5.8 ⁇ m is included
  • Coagulator particle loader (4) this proportion can be reduced to about 7%.
  • the gas temperature can be in the range from 250 ° C. to 1400 ° C., preferably in the range from 500 ° C. to 1200 ° C., and the pressure in the range from 5 bar to 100 bar, preferably in the range from 5 bar to 20 bar.
  • Hot gas (1) containing fly ash occurs in
  • coagulate (30) arise when particles on a deposition electrode, not shown, correspond to the
  • the coagulates (30) deposited in the impact pot (18) can be continuously removed by means of a screw conveyor or a moving conveyor belt (19). Instead of the conveyor belt (19), pneumatic cleaning can also be provided (not
  • electrostatic filter device according to the aforementioned CH-A-673 411 or through a band filter (21) in the deflected flow (22) at the end of the deflection outlet (20). In this way, the separation effect of this electrostatic filter (17) is optimally used for smaller particles.
  • chemical injections (31, 32) can be provided at the inlet and / or outlet of the electrostatic filter (17) in order to reduce undesirable corrosive and / or greenhouse gases such as CO 2 , N 2 O, NO X from combustion plants.
  • Coagulator electrode (3) to the surface of the second electrode (5) surrounding it, cf. 1, 2 and 6, is in
  • Those materials are preferred in which the work function of the electrons is small. This is e.g. B. in the case of metallic electrodes above 750 ° C if they with fly ash
  • Methanol and other alcohols are injected into, before or between coagulators (4). Due to the existing temperature, the purely thermal excitation of the additives is sufficient for a DeNO X reaction. Such methods are known. However, the effect is significantly enhanced if they are activated by electrons in discharges. The charges from the corona of the electrostatic filter (field and thermal field emissions) are ideally suited for this. Unstable intermediate substances, such as NH 2 , then form optimally
  • Chemical injection can take place before or on the belt filter (21) and on a packed bed filter (28) according to FIGS. 5 and 6. This chemical injection (32) can take place depending on the load. Power plants with
  • Deposition deflection angle can be> 90 °, so that in an impact pot (25) of an electrostatic filter (23)
  • the coagulates are less likely to be torn back.
  • Coagulating part of the electrostatic filter (23) serves to accelerate the flow of hot gas (1). So that the outside walls are angled upwards
  • Electrofilter (23) can be operated in series. This has the advantage that it significantly increases efficiency.
  • the transition from the 1st to the 2nd stage takes place in tubes. Measures can be taken in the pipework between the stages, e.g. B. unwanted
  • Aluminum oxides can be provided, which acts as an alkali getter by gas sublimation.
  • Fill layer filter (23) a chemical injection, e.g. B. of oxygen, can be provided, which improves the calorific value of the synthesis gas or brings about other properties.
  • Gasification plants can convert or reform CO 2 into CH 4 , methanol or other usable fuels. This is for applications in hot gases
  • Coal dust firing is important.
  • the speed of the hot gas in the electrostatic precipitators is in the range of 3 m / s - 50 m / s, preferably in
  • Separation electrodes can be prevented.
  • Fig. 6 shows a cleaning system in which a
  • extending coagulator chambers (5) is connected on the output side to a cyclone (8) via a packed bed filter (28).
  • the length of the coagulator tubes (5) is in the range of 2.5 m - 28 m. Additionally or alternatively, at least one cyclone can be provided in front of the coagulator (4).
  • Unstable coagulates can be separated. This separation takes place continuously and essentially uses
  • the dedusting system is not only suitable for separating particles from atmospheric or
  • Combustion chamber flue gases but e.g. B. also for the

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Abstract

Zur rationellen Erzeugung elektrischer Energie wird entstaubtes Heissgas (10) einer Gasturbine zugeleitet. Staubbeladenes Heissgas (1) wird durch eine Druckwirbelschichtfeuerung oder Kohlevergasung mit einer Temperatur von 850 °C und einem Druck von 16 bar erzeugt und nachfolgend in einer Entstaubungsanlage (4, 8, 9) gereinigt. Die Entstaubungsanlage besteht aus einem Koagulator (4) zur gegenseitigen Anlagerung von Staubpartikeln und 2 nachgeordneten Zyklonen (8, 9) zur Abscheidung des Staubes (13, 14). Der Koagulator (4) weist ein Bündel von Koagulatorrohren (5) mit daran angebrachten Vibratoren (6) auf. Ein 1. Zyklon (8) ist mit einer Zyklonelektrode (11) zur wirkungsvolleren Staubabscheidung ausgestattet. Vor, in oder nach dem Koagulator (4) können Schüttschichtfilter oder Einrichtungen zur Chemikalieninjektion vorgesehen sein, um Treibhausgase und/oder korrosive Gase zu reduzieren.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen
TECHNISCHES GEBIET
Eei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zum Reinigen eines Gasstromes und von einer Reinigungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 7.
STAND DER TECHNIK
Mit den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7 nimmt die
Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der G3-A-2 055 623 bekannt ist. Dort wird ein aus einer
Kohlestaub-Verbrennung herrührendes verunreinigtes Heissgas über einen elektrostatischen Abscheider und 2 in Reihe geschaltete Zyklone einer Gasturbine zugeleitet. Das verunreinigte Heissgas enthält Natrium- und Kaliumpartikel mit einem Durchmesser im Bereich von 0,1 μm - 1 μm und Ascheteilchen im Bereich von 2 μm - 50 μm. Kleinere
Teilchen werden vorzugsweise in dem elektrostatischen
Abscheider, der mehrere Kanäle mit Drähten auf negativem Hochspannungspotential aufweist, abgesondert.
Aerosolteilchen lagern sich eher an grosse Ascheteilchen als an die Platten des Abscheiders an, von denen sie durch Vibration und die Gasströmung ab- bzw. mitgerissen werden. Grössere Ascheteilchen werden hauptsächlich in den Zyklonen abgeschieden.
Aus der DE-PS 844 593 ist ein Verfahren und ein
Elektrofilter zur Ausflockung von Russ und gewichtsmässig ähnlichen, leitenden Schwebeteilchen mit nachgeschaltetem Absetzraum für elektrisch ausgeflockte Teilchen bekannt. Dabei wird Rohgas von oben nach unten durch ein Rohrbündel mit Ausströmelektroden geleitet. Das aus den unteren
Rohrenden austretende Gas wird innerhalb der Ummantelung nach oben umgelenkt und unter Querschnittsvergrösserung einem grossräumigen Zyklon zugeführt, in dem die restlichen Ausflockungen bei geringer Strömungsgeschwindigkeit
anfallen.
Aus der US-A-4,478,613 ist es bekannt, die Verbrennungsgase eines Dieselmotors zur Entfernung von Partikeln und
Aerosolen nacheinander durch einen Koagulator und ein
Zyklon zu schicken. In der geerdeten Koagulatorkammer sind mehrere Stapel mit scheibenförmigen Sprühelektroden auf negativem Potential angeordnet. Der Koagulator kann auch in dem Zyklon eingebaut sein. Um Ablagerungen an der
Koagulatorkammerwand zu vermeiden, wird diese mit hoher Geschwindigkeit vom Abgas überströmt oder mechanischen Stössen oder Vibrationen ausgesetzt.
Aus der Tagungsveröffentlichung: AIAA-81-0393 von R. R. Boericke et al., Electrocyclone for High Temperature, High Pressure Dust Removal, AIAA 19th AEROSPACE SCIENCES
MEETING, January 12 - 15, 1931, /St. Louis, Missouri, ist es bekannt, zur Abscheidung von Staub aus dem Heissgasstrom eines Kraftwerkes mit Druckwirbelschichtfeuerung mehrere Elektrozyklone in Reihe zu schalten. In den oberen Teil der Elektrozyklone ragen stabförmige Hochspannungselektroden, die eine maximale elektrische Feldstärke von 5 kV/cm erzeugen. Ein Vorteil dieser Einrichtung ist es, dass die elektrischen Kräfte, die auf die Partikel einwirken, unabhängig von der Zyklongrösse und dem Volumenstrom im Zyklen gewählt werden können. Demgegenüber fallen die sonst bei der Abscheidung wirksamen Trägheitskräfte mit sinkendem Volumenstrom und mit steigender Zyklongrösse ab. Ist der Ladungsgrad der Partikel gering, so werden die Vorteile der Elektrozyklcne unwirksam. Durch die sehr kurze Verweilzeit der Partikel in dem für die Partikelaufladung vorgesehenen Teil des ersten Elektrozyklons ist dies der Fall.
Die Druckwirbelschichtfeuerung ist eine erfolgversprechende neue Verbrennungstechnik zur effizienten, umweltfreundlichen Erzeugung von Strom aus Kohle. Bei der Verbrennung entstehendes SO2 kann durch Zugabe von Kalkverbindungen zur Kohle direkt gebunden werden. Die NOX-Bildung ist auf Grund der niedrigen Verbrennungstemperatur von 850 °C zwar gering, jedoch noch nicht dermassen niedrig, dass auf
Sekundärmassnahmen verzichtet werden kann. Strom wird üblicherweise über einen Dampfprozess erzeugt. Eine
wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades kann aber
erreicht werden, wenn die Abgase, die bei Vollast eine Temperatur von 850 °C und einen Druck von 16 bar aufweisen, auf eine Gasturbine geleitet werden. Um die Gasturbinenschaufeln vor Erosion zu schützen, werden die Abgase mittels 2- oder mehrstufiger Zyklone von Partikeln
gereinigt. Mit dem bekannten Verfahren werden vor allem grosse Partikel (> 5 μm), die eine Turbinenschaufel beim Aufschlag beschädigen können, aus dem Abgas entfernt. Für die Entfernung kleinerer Partikel gibt es noch keine zufriedenstellende Lösung.
Die Abscheidung von instabilen Koagulaten ist schwierig. Koagulate suspendierter Partikel sind stabil, wenn kohäsive Kräfte zwischen den Partikeln hoch sind im Vergleich zu Trägheits- und aerodynamischen Kräften. Es gibt jedoch viele Anwendungen mit instabilen Koagulaten, die lediglich dadurch gekennzeichnet sind, dass die suspendierten
Teilchen nur in viel höherer Dichte auftreten als im
benachbarten Strömungsfeld. Der Vorteil, koagulierte
Partikel einfacher abzuscheiden, kann zunichte gemacht werden, wenn die Koagulate bei der Abscheidung z. B. in einem Zyklen auseinanderbrechen.
Zum einschlägigen Stand der Technik wird ferner auf die CH- A-673 411 verwiesen, aus der eine elektrostatische Filtervorrichtung für eine kontinuierliche Abscheidung von festen und/oder flüssigen Partikeln aus einem Gasstrom bekannt ist.
Ein Schüttschichtfilter zur Abscheidung von Staub und gasförmigen Schadstoffen ist aus der deutschen Zeitschrift: Staub-Reinhaltung der Luft 48 (1988), S. 379 - 386,
bekannt.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 7 definiert ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zum Reinigen eines Gasstromes und eine Reinigungsanlage zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, welche eine vollständigere
Reinigung von Schadstoffen aus einem Gasstrom ermöglichen.
Ein Vorteil der Erfindung liegt in der geringeren
Umweltbelastung durch Staub. Mit relativ einfachen Mitteln wird ein verbesserter Staubabscheidungsgrad erreicht.
Ein weiterer Verteil liegt in dem geringen Druck- und
Temperaturverlust des Agglomerators bzw. Koagulators.
Bei einer Verwendung in Kraftwerken zur Stromerzeugung kann die Lebensdauer von Gasturbinenschaufeln erhöht und die Wirtschaftlichkeit gesteigert werden.
Ein weiterer Vorteil liegt in dem äusserst geringen
Platzbedarf bei einem gegebenen Abgasvolumenstrom. Der geringe Platzbedarf ermöglicht bei der Anwendung in einem Druckwirbelschichtkraftwerk die Unterbringung der
Reinigungsanlage innerhalb des Druckgefässes für die
Brennkammer.
Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Entfernung von kleinen Partikeln in einem als Koagulator und Partikelladegerät modifizierten Elektrofilter in Kombination mit einem nachfolgenden
Elektrozyklon vorzunehmen. Das modifizierte Elektrofilter wird dabei einerseits so betrieben, dass die
Flugaschepartikeln in einem Wechselspiel von Abscheidung und Wiedereintrag zu grossen Partikeln koagulieren, so dass insbesondere kleine Teilchen in einem nachfolgenden Zyklon abgeschieden werden können. Andererseits verhilft die durch das Wechselspiel bedingte hohe Verweilzeit der Partikeln im Elektrofilter diesen zu einem sehr hohen Grad an
elektrostatischer Aufladung, so dass die anschliessende Verwendung eines Elektrozyklons sehr wirkungsvoll ist. Dies steigert die Abscheidewirkung insgesamt und vor allem bei kleinen Partikeln von < 5 μm wesentlich. Im Elektrofilter wird das Grössenspektrum zu grossen Partikeln verschoben, was eine nachfolgende Trägheitsabseheidung vereinfacht. Auf diese Weise werden die Vorteile des Elektrofilters genutzt, und zwar die einfache und robuste Konstruktion mit geringem Wartungsbedarf, der sehr geringe Druckverlust, die hohe Niederschlagsgeschwindigkeit der Partikeln bei hoher
Temperatur und hohem Druck sowie die kleine Bauausführung bei hohem Druck. Gleichzeitig kann durch die im
Elektrofilter gegebene hohe Verweilzeit der Partikel deren Ladungsgrad maximiert werden, wodurch anschliessend die Vorteile eines Elektrozyklons genutzt werden können.
Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung kann die im Elektrofilter intrinsisch ausgenutzte Koronaentladung durch geeignete Elektroden- und
Feldstärkewahl dermassen ausgenutzt werden, dass NOX oder Treibhausgase in unschädliche Stoffe zerlegt und damit entfernt werden.
Die erfindungsgemässe Reinigungsanlage lässt sich
vorteilhaft mit einer zusätzlichen chemischen
Abgasbehandlung kombinieren. Sie eignet sich besonders bei der Kohlevergasung, bei einer Druckwirbelschichtfererung und bei Kehrrichtverbrennungsanlagen. Dazu werden verschiedene Chemikalien (Additive, wie NH3) in den
Abgasstrom oder direkt in den Verbrennungskessel injiziert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Reinigungsanlage mit einem Koagulator, der mehrere durch Platten getrennte Koagulatorkammern aufweist und dem 2 in Reihe geschaltete Zyklone nachgeordnet sind,
Fig. 2 eine Reinigungsanlage gemäss Fig. 1, jedoch mit einem Koagulator, der aus mehreren Koagulatorrohren mit Vibratoren aufgebaut ist und bei dem das
1. nachgeordnete Zyklon ein Elektrozyklon ist, Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Verschiebung der
Partikelgrössenverteilung durch den Koagulator unter atmosphärischen Bedingungen,
Fig. 4 ein Elektrofilter mit Staubabscheider und
Abgasumlenkung als Koagulator,
Fig. 5 2 in Reihe geschaltste Elektrofilter mit
Staubabscheidern, Abgasumlenkung und einem
Schüttschichtfilter zur chemischen
Abgasbehandlung sowie
Fig. 6 einen Koagulator, der über ein
Schüttschichtfilter mit einem Zyklon verbunden ist.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 1 ist mit (1) ein partikel- bzw. staubbeladenes Gas bzw. Heissgas bezeichnet, das von einer Druckwirbelschichtfeuerung eines Kraftwerkes kommt und über eine Entstaubungsanlage (4, 8, 9) nicht dargestellten
Gasturbinenschaufeln einer Gasturbine zugeleitet wird. Das Heissgas (1) hat bei Vollatet eine Temperatur von 850 °C und einen Druck von 16 bar. Die Staubpartikel werden in einem geerdeten Plattenelektrofilter bzw. einem Koagulator oder Koagulator-Partikellader (4) mit geerdeten Platten bzw. Koagulatorkammern oder Koagulator-Partikelladekammern (5) an Hochspannungselektroden bzw. Koagulatorelektroden oder Koagulator-Partikelladeelektroden (3) elektrisch geladen und an der inneren Wandung des Koagulator-Partikelladers (4) abgeschieden. Die drahtförmigen Koagulator- Partikelladeelektroden (3) sind in der Mitte zwischen den Platten (5) bzw. randseitig zwischen der jeweiligen randseitigen Platte und der Innenwand des Koagulator- Partikelladers (4) angeordnet. Die auf den Abscheideplatten bzw. Koagulator-Partikelladekammern (5) und an der
Innenwand des Koagulator-Partikelladers (4) gebildeten Agglomerate werden von der Gasströmung, deren mittlere Geschwindigkeit zwischen 3 m/s und 10 m/s beträgt,
sporadisch wieder mitgerissen. Gegebenenfalls kann das Abreissen durch sporadisches Klopfen der Platten (5) unterstützt werden. In nachgeschalteten Zyklonen (8, 9) werden die Agglomerate als Asche oder Staub (13) bzw. (14) abgeschieden, während entstaubtes Zyklon-Abgas (10) zu einer nicht dargestellten Gasturbine geleitet wird.
Die Koagulator-Partikelladeelektroden (3) sind normalerweise negativ geladen; sie können aber auch positiv geladen sein oder alternierend auf negatives und positives Potential gelegt werden. So kann zusätzlich zur Koagulation an der Innenwand des Koagulator-Partikelladers auch noch die bipolare Koagulation im Gasraum zur Partikelvergrösserung genutzt werden.
Fig. 2 zeigt die Abscheidung von Staub aus einem Heissgas (1) in einer Verfahrensskizze. Mit (2) ist eine
Hochspannungsquelle bezeichnet, welche mit draht- oder stabförmigen Koagulator-Partikelladeelektroden (3) in dsr Mitte von mehreren rohrförmigen Koagulator-Partikelladekammern bzw. Koagulator-Partikelladerohren (5) des Koagulator- Partikelladers (4) verbunden ist. An jedem Koauulator- Partikelladerohr ist ein Vibrator (6) angebracht, um an Wandungen der Koagulator-Partikelladerohre (5) abgeschiedene Agglomerate wieder in den Heissluftstrom einzutragen bzw. eine Ablösung zu unterstützen. Die Koagulator- Partikelladekammern (5) sind mit einem Erdpotential (12) verbunden; sie haben einen Durchmesser im Bereich von 4 cm - 50 cm, insbesondere im Bereich von 5 cm - 25 cm, vorzugsweise von 25 cm, und eine Länge im Bereich von 3 m - 7 m, insbesondere im Bereich von 4 m - 6 m, vorzugsweise von 5 m. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Koagulator- Partikellader (4) ist hoch, sie liegt im Bereich zwischen 1 m/s - 20 m/s, vorzugsweise im Bereich zwischen
3 m/s - 10 m/s. Bei einem Abgasstrcm von 200 kg/s in einem Druckwirbelschichtkraftwerk unter Vollast besteht das Rohrbündel aus etwa 25 Koagulator-Partikelladerohren (5) von 25 cm Durchmesser, wobei die Strömungsgeschwindigkeit im Koagulaüor-Partikellader (4) 8 m/s beträgt.
An den Rohrwandungen der Koagulator-Partikelladerohre (5) bzw. in deren unmittelbarer Nähe kommt es zur Koagulation der Staubpartikel. Es stellt sich ein Wechselspiel ein zwischen elektrostatischer Abscheidung und Wiedereintrag der Partikel durch turbulente Scherspannung durch die Strömung bzw. durch mechanische Vibrationen oder Stösse. Die dadurch bedingte lange Verweilzeit der Partikel im Koagulator-Partikellader (4) verursacht eine sehr hohe Partikelaufladung, was im nachfolgenden Elektrozyklon (8) ausgenutzt wird.
Mit (7) ist ein Koagulatorabgas bzw. ein Koagulator- Partikelladerabgas bezeichnet, dessen Partikel im
Durchschnitt grösser sind als die des staubbeladenen
Heissgases (1) und bei dem der Grad der Partikelaufladung höher ist als in einem normalen Elektrozyklon. Das
Koagulator-Partikelladerabgas wird einem 1. Zyklon (8) mit einer zentrischen, stabförmigen Hochspannungs- bzw.
Zyklonelektrode (11) und danach einem 2. Zyklon (9) ohne Hochspannungselektrode zugeführt. Der 2. Zyklon liefert reingasseitig von kleinen und grossen Partikeln gut gereinigtes Zyklon-Abgas (10), das auf eine Gasturbine geleitet wird. Die Koagulate im Reingas bzw. Koagulator- Fartikelladerabgas (7) des Koagulator-Partikelladers (4) kennen in den nachgeschalteten Zyklonen (8, 9) mit geringem Druckverlust als Asche (13, 14) abgeschieden werden.
Fig. 3 zeigt die Wirkung des Koagulator-Partikelladers (4) unter atmosphärischen Temperatur- und Druckverhältnissen bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 8 m/s, einer
Feldstärke von 4 kV/cm und einer Partikelkonzentration von 17 g/m3. Auf der Ordinate ist die kumulative Grössenverteilung (V) in % und auf der Abszisse der Partikeldurchmesser (d) in μm aufgetragen. Eine mit (15) bezeichnete Kurve stellt die Grössenverteilung (V) bei ausgeschaltetem
Koagulator-Partikellader (4) dar. Mit (16) sind Messwerte- Bandbreiten bezeichnet, die bei eingeschaltetem Koagulator- Partikellader (4) erreicht werden. Der Anteil der Partikel mit einem Durchmesser kleiner als 5,8 μm liegt bei
ausgeschaltetem Koagulator-Partikellader (4) bei etwa 15 % der Gesamtmasse aller Partikel. Mit eingeschaltetem
Koagulator-Partikellader (4) kann dieser Anteil auf etwa 7 % reduziert werden.
Es versteht sich, dass bei einem Grosskraftwerk mehrere Entstaubungsanlagen (4, 8, 9) parallel vorgesehen sein können. Die Gastemperatur kann dabei im Bereich von 250 °C - 1400 °C, vorzugsweise im Bereich von 500 °C - 1200 °C und der Druck im Bereich von 5 bar - 100 bar, vorzugsweise im Bereich von 5 bar - 20 bar liegen.
Fig. 4 zeigt ein vertikales, elektrostatisches bzw.
Elektrofilter (17) als Koagulator mit einem Pralltopf bzw. Staubabscheider (18) im wesentlichen unterhalb des
vertikalen, zylindrischen Filterrohres und mit einem
waagerechten Umlenkauslass (20) für eine um 90° umgelenkte Gasströmung (22). In dem zylindrischen Filterrohr sind nicht dargestellte, zueinander parallele Filterkammern bzw. Filterrohre vorgesehen, entsprechend den Koagulatorkammern (5) gemäss den Fig. 1 und 2. Grobe Staubteilchen des staubbeladenen Heissgases (1) werden in einem dem
Elektrofilter (17) vorgeschalteten Zyklon (8) als Asche (13) abgetrennt.
Bei Flugasche enthaltendem Heissgas (1) treten im
unipolaren Elektrofilter (17) unter bestimmten
Betriebsbedingungen, die u. a. von der
Strömungsgeschwindigkeit des Heissgases (1) und von der Koronaspannung abhängen, Koagulate (30) auf. In der Regel entstehen Koagulate (30), wenn Partikel auf einer nicht dargestellten Abscheideelektrode, entsprechend den
geerdeten Platten bzw. Koagulatorkammern (5) gemäss den Fig. 1 und 2, miteinander in Kontakt kommen, so dass kohäsive Oberflächenkräfte, wie z. B. Flüssigkeitsbrücken, elektrostatische Kräfte usw. wirksam sind. Wenn die
Partikel wieder von der Abscheideelektrode z. B. durch Scherspannungen, mechanische Vibrationen o. dgl. abgelöst werden, liegen die zusammenhängenden Koagulate (30) im Gasstrom vor. Es handelt sich dabei oft um lose
zusammenhängende Flocken von geringer Eigenstabilität. Durch geeignete Strömungsumlenkungen, bei denen
Trägheitskräfts ausgenutzt werden, lassen sich diese
Koagulate (30) dennoch vom Gasstrom z. B. in dem Pralltopf (18) vom Gasstrom kontinuierlich trennen, ohne sie zu zerstören. Mittels eines Schneckenförderers oder eines bewegten Förderbandes (19) lassen sich die im Pralltopf (18) niedergeschlagenen Koagulate (30) kontinuierlich abtransportieren. Anstelle des Förderbandes (19) kann auch eine pneumatische Reinigung vorgesehen sein (nicht
dargestellt).
Diese Anordnung kann ergänzt werden durch eine
elektrostatische Filtervorrichtung gemäss der eingangs genannten CH-A-673 411 bzw. durch ein Bandfilter (21) in der umgelenkten Strömung (22) am Ende des Umlenkauslasses (20). Auf diese Weise wird die Abscheidewirkung dieses Elektrofilters (17) für kleinere Partikel optimal genutzt.
Zur chemischen Abgasbehandlung können am Eingang und/oder Ausgang des Elektrofilters (17) Chemikalieninjektionen (31, 32 ) vorgesehen sein , um unerwünschte korrosive und/oder Treibhausgase wie CO2, N2O, NOX aus Verbrennungsanlagen zu reduzieren.
Bei der im Elektrofilter (17) auftretenden Koronaentladung werden NOX-Moleküle reduziert und Treibhausgase zerlegt, so dass unschädliche Stoffe entstehen. In Entladungen unter hohem Druck von > 3 bar und hoher Temperatur von > 500 °C, wie sie bei Heissgasen (1) von Kraftwerken vorkommen, werden Elektronen aus den Koagulatorelektroden (3) ausser durch die bekannte Feldemission zusätzlich auch noch durch Therme- und Thermofeldemission ausgelöst. Dieser Effekt wird verstärkt, wenn die Koagulatorelektroden (3) grössere Dicke als normale Koronaelektroden haben. Solche Elektroden können entweder durch Staubbeladung entsprechend dick sein oder durch geeignete Materialien entsprechend hergestellt werden. Das Verhältnis der Oberflache einer
Koagulatorelektrode (3) zur Oberfläche der sie umgebenden 2. Elektrode (5), vgl. die Fig. 1, 2 und 6, liegt im
Bereich ven 1 : 400 bis 2 : 1, vorzugsweise im Bereich von 1 : 20 bis 1 : 1. Es sind bevorzugt solche Materialien zu verwenden, bei denen die Austrittsarbeit der Elektronen klein ist. Dies ist z. B. bei metallischen Elektroden oberhalb von 750 °C der Fall, wenn sie mit Flugasche
beschichtet sind. Die Austrittsarbeit beträgt dabei etwa 0,6 eV. Ein weiterer Vorteil dieser Entladung ist, dass direkt mit relativ homogen verteilten Elektronen entstickt werden kann, im Gegensatz zu reinen Koronaentladungen, wo Elektronen und Ionen inhomogen verteilt sind. Ausserdem ist dabei die Energie der geladenen Teilchen zu gross, um optimal genutzt zu werden. Elektronen aus
Thermofeldemission haben weniger Energie und sind daher wirtschaftlicher. Zur Entstickung können chemische Additive, wie NH3,
Methanol u. a. Alkohole, in, vor oder zwischen Koagulatoren (4) eingedüst werden. Zwar genügt auf Grund der vorhandenen Temperatur die rein thermische Anregung der Additive schon zu einer DeNOX-Reaktion. Solche Verfahren sind bekannt. Jedoch wird die Wirkung wesentlich verstärkt, wenn sie durch Elektronen in Entladungen aktiviert werden. Dazu sind die Ladungen aus der Korona des Elektrofilters (Feld- und Thermofeldemission) optimal geeignet. Es bilden sich dann instabile Zwischensubstanzen, wie NH2, die optimal
entsticken. Eine katalytische Auskleidung oder Dotierung der Wände der Elektroden des Koagulators (4) kann ebenfalls eine Aktivierung verbessern. Besonders vorteilhaft ist eine Chemikalieninjektion (32) hinter dem Koagulator (4) bzw. vor dem Zyklon (8), vgl. Fig. 6. Eine weitere
Chemikalieninjektion kann vor oder auf dem Bandfilter (21) stattfinden sowie auf einem Schüttschichtfilter (28) gemäss den Fig. 5 und 6. Diese Chemikalieninjektion (32) kann lastabhängig erfolgen. Kraftwerke mit
Druckwirbelschichtfeuerung benötigen auf Grund anderer Temperaturen bei Teillast mehr Entstickung als bei Vollast.
Fig. 5 zeigt eine anders ausgelegte Version der optimierten Staubabscheidung. Die Strömungsverhältnisse können besser genutzt werden, wenn die Umlenkung des Abgases um einen Abgas-Umlenkwinkel α ab 80°, vorzugsweise im Bereich von 140° - < 180° erfolgt. Ein mit (ß) bezeichneter
Abscheidungs-Ablenkwinkel kann > 90° sein, damit in einem Pralltopf (25) eines Elektrofilters (23) die
Wahrscheinlichkeit geringer wird, dass die Koagulate zurückgerissen werden.
Ein Verjüngungsbereich (24) am unteren Ende des
koagulierenden Teils des Elektrofilters (23) dient zur Beschleunigung der Strömung dee Heissgases (1). Damit sich an den Aussenwänden von schräg nach oben gewinkelten
Umlenkauslässen (26) aus einer umgelenkten Gasströmung (29) nicht verstärkt Ablagerungen bilden, können in den
Umlenkbereichen Flüssigkeitsfilme (27) vorgesehen werden, welche diese Bereiche spülen.
Wie in Fig. 5 angedeutet ist, können 2 derartige
Elektrofilter (23) seriell hintereinander betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die Effizienz wesentlich erhöht wird. Der Übergang von der 1. zur 2. Stufe erfolgt in Rohren. In den Verrohrungen zwischen den Stufen können Massnahmen getroffen werden, die z. B. unerwünschte
chemische Auswirkungen des Abgases verringern. So kann z. E. in der Nähe des Eintritts zur 2. Stufe ein
Schüttschichtfilter (28) mit Silizium- und/oder
Aluminiumoxiden vorgesehen sein, das durch Gassublimation als Alkali-Getter wirkt.
Bei Vergasungsprozessen kann anstelle des
Schüttschichtfilters (23) eine Chemikalieninjektion, z. B. von Sauerstoff, vorgesehen sein, welche den Heizwert des Synthesegases verbessert oder andere Eigenschaften bewirkt .
Um Treibhausgase, wie CO2, N2O, zu reduzieren, können andere Additive beigefügt werden. Insbesondere für
Vergasungsanlagen kann CO2 in CH4, Methanol oder andere brauchbare Brennstoffe umgesetzt oder reformiert werden. Dies ist für Anwendungen in heissen Gasen bei
Kohlestaubfeuerung von Bedeutung.
Die Geschwindigkeit des Heissgases in den Elektrofiltern liegt im Bereich von 3 m/s - 50 m/s, vorzugsweise im
Bereich von 5 m/s - 10 m/s, damit Ablagerungen an den
Abscheideelektroden verhindert werden.
Fig. 6 zeigt eine Reinigungsanlage, bei welcher ein
Koagulator (4) mit vertikal von oben nach unten
verlaufenden Koagulatorkammern (5) ausgangsseitig über ein Schüttschichtfilter (28) mit einem Zyklon (8) verbunden ist. Die Länge der Koagulatorrohre (5) liegt im Bereich von 2,5 m - 28 m. Zusätzlich oder alternativ kann vor dem Koagulator (4) mindestens ein Zyklon vorgesehen sein.
Mit diesen Koagulatoren und Elektrofiltern ist eine
Abscheidung instabiler Koagulate möglich. Diese Abscheidung erfolgt kontinuierlich und nutzt im wesentlichen
Trägheitskräfte aus, die keinen zusätzlichen Energieaufwand erfordern. Dis Entstaubungsanlage eignet sich nicht nur zur Abscheidung von Partikeln aus atmosphärischen oder
Brennkammer-Rauchgasen, sondern z. B. auch für die
Abscheidung von Koagulaten, die als Produkt hergestellt werden sollen.
(Nur für die Prüfungstelle bestimmt; nicht Teil der Anmeldung)
BEZEICHNUNGSLISTE
1 staubbeladenes Heissgas
2 Hochspannungsquelle
3 Koagulatorelektroden, Koagulator- Partikelladeelektroden
4 Koagulator, Koagulator-Partikellader,
Agglomerator, Plattenelektrofilter
5 Koagulatorkammern, Koagulator- Partikelladekammern, -röhre, Platten
6 Vibratoren
7 Koagulator-Abgas, Koagulator-Partikelladerabgas 8, 9 1. Zyklon bzw. 2. Zyklon
10 entstaubtes Zyklon-Abgas
11 Zyklonelektrode
12 Erdpotential
13, 14 Asche, Staub
15 Koagulator aus, Koagulator-Partikellader aus
16 Koagulator ein, Koagulator-Partikellader ein 17, 23 Elektrofilter
13 Pralltopf, Staubabscheider
19 Förderband
2C Umlenkauslass von 17
21 Bandfilter
22 umgelenkte Strömung
24 Verjüngungsbereich
25 Pralltopf von 21, Staubabscheider
25 Umlenkauslass von 23
27 Flüssigkeitsfilm
28 Schüttschichtfilter
29 umgelenkte Strömung in 23
30 Koagulate
31, 32 Chemikalieninjektion
d Durchmesser
V kumulative Grössenverteilung
α Abgas-Umlenkwinkel
ß Abscheidungs-Ablenkwinkel

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Reinigen eines Gasstromes,
a) wobei ein zu reinigender, staubbeladener Gasstrom (1) parallel durch mehrere Koagulatorkammern (5) eines elektrostatischen Koagulators (4, 17, 23) zur gegenseitigen Anlagerung von Staubpartikeln
befördert wird,
dadurch gekennzeichnet,
b) dass der staubbeladene Gasstrom (1) mit einer
Geschwindigkeit im Bereich von 3 m/s - 50 m/s durch den mindestens einen Koagulator (4, 17, 23)
befördert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
a) dass der staubbeladene Gasstrom (1) ein Heissgas- strom mit einer Temperatur im Bereich von 250 °C - 1400 °C,
b) insbesondere im Bereich von 500 °C - 1200 °C ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet,
a) dass der staubbeladene Gasstrom (1) ein Heissgasstrom mit einem Druck im Bereich von 5 bar -
100 bar,
b) insbesondere im Eereich von 5 bar - 20 bar ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der staubbeladene Gasstrom (1) nach einer elektrostatischen Koagulation der
Staubteilchen
a) um einen vorgebbaren Umlenkwinkel (α) im Bereich von 80° - < 180°,
b) insbrsondere um einen Umlenkwinkel (α) im Bereich von 140° - 170° umgelenkt wird,
c) dass trägheitsbedingt nicht derart umgelenkte
Koagulate (30) des Gasstromes (1) kontinuierlich aus dem Koagulator (17, 23) abgeschieden und d) der umgelenkte Teil des Gasstromes (1) einer kontinuierlichen, elektrostatischen Filterung unterworfen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zu reinigende Gasstrom (1) vor und/oder nach der Koagulation in dem elektrostatischen Koagulator (4, 17, 23) durch mindestens ein 1. Zyklon (8, 9) zur Abscheidung von Staub (13, 14) aus dem
Gasstrom befördert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der zu reinigende Gasstrom (1) vor und/oder nach der Koagulation in dem elektrostatischen Koagulator (4, 17, 23) einer chemischen Behandlung (31, 32) bzw. Reinigung (23) unterzogen wird.
7. Reinigungsanlage (4, 8, 9) zur Reinigung eines
Gasstromes (1)
a) mit mindestens einem Koagulator (4, 17, 23), der
mindestens 2 Koagulatorkammern (5) mit je einer Koagulatorelektrode (3) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
b) dass die Länge der Koagulatorkammer (4) im Bereich zwischen 2,50 m und 23 m liegt.
8. Reinigungsanlage nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet,
a) dass das Verhältnis der Oberfläche der mindestens einen Koagulatorelektrode (3) zur Oberfläche einer sie umgebenden 2. Elektrode (5) im Bereich von
1 : 400 bis 2 : 1,
b) insbesondere im Bereich von 1 : 20 bis 1 : 1 liegt.
9. Reinigungsanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet,
a) dass dem Koagulator (4, 17, 23) mindestens ein
Zyklon (8, 9) vor- und/oder nachgeschaltet ist, b) insbesondere, dass ein nachgeschaltetes 1. Zyklon (8) mindestens eine Zyklonelektrode (11) aufweist.
10. Reinigungsanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
a) dass der mindestens eine Koagulator ein
Elektrofilter (17, 23) aufweist, mit einem im wesentlichen geradlinigen, vertikalen Teil zur elektrostatischen Koagulation der Partikel des staubbeladenen Gasstromes (1),
b) einem im wesentlichen geradlinig daran
anschliessenden Staubabscheider bzw. Pralltopf (18, 25),
c) insbesondere mit einer kontinuierlichen
Abscheidevorrichtung (19) für im Pralltopf (18, 25) abgeschiedene Koagulate (30), und
d) mit mindestens einem Umlenkauslass (20, 26) für den Gasstrom (1) im Bereich zwischen Koagulationsteil und Pralltopf (13, 25),
e) dessen Richtung bezüglich derjenigen des
Koagulationsteiles einen Winkel (a) im Bereich von 30° - < 180°,
f) insbesondere im Bereich von 140° - 170° bildet.
11. Reinigungsanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
a) dass mindestens ein Auslass (20, 26) mindestens
eines Koagulators (4, 17, 23) mit einer
elektrostatischen Filtervorrichtung (21) zur Abscheidung von festen und/oder flüssigen Partikeln in Verbindung steht,
b) insbesondere, dass diese Filtervorrichtung ein
Bandfilter (21) ist.
12. Reinigungsanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
a) dass vor und/oder in und/oder nach dem Koagulator (4, 17, 23) eine Einrichtung zur Chemikalieninjektion (31, 32) und/oder ein
chemisches Filter (28) zur Abscheidung und/oder Umwandlung gasförmiger Schadstoffe und Verbindungen vorgesehen ist,
b) insbesondere, dass das chemische Filter ein
Schüttschichtfilter (28) ist.
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