Die vorbekannten elektrostatischen Abscheider für die Entstaubung von industriellen Abgasen haben im allgemeinen die nachstehend aufgeführten Nachteile:
1. Staubteilchen mit hohem spezifischem Widerstand von mehr als ca. 1011 Ohm-cm lassen sich nur mit äusserst geringen und für die Praxis unzureichenden Wirkungsgraden abscheiden.
2. Die anstehenden relativ geringen Gasströmungsgeschwindigkeiten und weiten Abstände zwischen den Elektroden bedingen elektrostatische Abscheider mit grossen Einbauabmessungen, was zu hohen Anlagekosten sowie hohem und teurem Installationsraumbedarf führt.
3. Die erforderlichen Hochspannungen von 50 kV oder mehr verursachen elektrische Isolationsdurchschläge und bedingen den Einsatz teurer Hochspannungs-Gleichrichteranlagen.
4. Die Benutzung derart starker Hochspannungen sowie von ungleichmässigen elektrischen Feldern bei der Staubabscheidung führt häufig zu Funkenüberschlägen, was den Einsatz von Hochspannungs-Gleichrichtereinrichtungen mit hohen Stromleistungen, die dementsprechend teuer sind, erforderlich macht.
5. Der Einsatz negativ geladener Drahtentladungselektroden (Ionisierungselektroden), die auch als Sammelelektroden für positiv geladene Staubteilchen dienen, bedingen ein häufiges Abklopfen der Elektroden, um den auf den Drähten sitzenden Staub abzuschütteln und damit eine Behinderung des Ionisierungsvorgangs zu verhindern. Dieses häufige Abklopfen führt dazu, dass angesammelter Staub wieder in den Gasstrom zurückgelangen kann, so dass der Gesamtwirkungsgrad der elektrostatischen Abscheider verringert wird.
6. Die Drahtentladungselektroden werden durch die beim häufigen Abklopfen anstehenden mechanischen Schläge und Schwingungen beschädigt, was ein Abschalten der elektrostatischen Abscheider sowie aufwendige Instandsetzungs- und Austauscharbeiten mit sich bringt, nicht zu reden von dem Mangel und hohen Kosten einer Unterbrechung des Produktionsprozesses während der Stillstandszeiten der elektrostatischen Staubabscheider.
7. Erzeugung grosser Mengen schädlichen Ozons sowie schädlicher Stickstoffoxyde infolge des Einsatzes negativer Entladungselektroden bei hohen Spannungen.
Mit dem vorliegenden erfindungsgemässen elektrostatischen Staubabscheider werden die vorbeschriebenen Nachteile der vorbekannten industriellen elektrostatischen Abscheider ausgeschaltet und darüber hinaus zusätzliche Vorteile geschaffen. Er weist einen Einlass und einen Auslass für ein Gas oder Gasgemisch auf, einen dazwischenliegenden Gaskanal mit mindestens zwei in diesem in Strömungsrichtung verlaufenden, parallel zueinanderliegenden flachen, geerdeten Staubfang Elektrodenplatten, mit einer mitten zwischen den geerdeten Staubfang-Elektrodenplatten isoliert aufgehängten Staubfang Elektrodenplatte. Er ist ferner mit einer Entnahmeöffnung für den abgeschiedenen Staub versehen.
Erfindungsgemäss zeichnet sich dieser elektrostatische Staubabscheider dadurch aus, dass die isoliert aufgehängte Staubfang-Elektrodenplatte an den Querrändern mit nadelförmigen Entladungselektroden versehen ist, die in gleichen Abständen voneinander liegen, wobei diese Abstände kleiner sind als der Abstand der geerdeten Staubfang-Elektrodenplatte von der isoliert aufgehängten Staubfang-Elektrodenplatte und dass die nadelförmigen Entladungselektroden und die isoliert aufgehängte Staubfangelektrode wahlweise mit dem Pluspol und die geerdeten Staubfang-Elektrodenplatten mit dem Minuspol bzw. umgekehrt mit einer Hochspannungsquelle verbindbar sind.
Der Erfindungsgegenstand ist auf beiliegenden Zeichnungen am Beispiel dargestellt.
Fig. 1 ist eine Perspektivansicht, aus welcher die neue Grundkonstruktion des erfindungsgemässen Abscheiders ersichtlich ist;
Fig. 2 stellt eine Draufsicht auf die Anordnung gemäss Fig. 1 dar;
Fig. 3 zeigt die Teilchengeschwindigkeit in der Beeinflussung durch die Gasgeschwindigkeit und die Teilchenwanderungsgeschwindigkeit infolge Einwirkung der Coulomb'schen Kraft auf das in dem ungleichmässigen elektrischen Feld gemäss Fig. 2 befindliche geladene Teilchen;
Fig. 4 ist eine schematische Perspektivansicht einer Vielzahl erfindungsgemässer E.
A.; und
Fig. 5 ist eine Draufsicht, welche die Konstruktion des bestens bekannten Elektro-Luftreinigers für Innenraumeinsatz aufzeigt;
Fig. 6 ist eine Seitenansicht der neuartigen Ausführung der in dem erfindungsgemässen elektrostatischen Abscheider verwendeten erdfreien isolierten Flachplatten-Staubsammelelektrode;
Fig. 7 ist eine vergrössert gezeichnete Seitenansicht des erfindungsgemäss als Bestandteil der Elektrode aus Fig. 6 verwendeten U-Profilträgers mit Nadeln; und
Fig. 8 ist eine Schnittdraufsicht auf Linie 8-8 gemäss Fig.
6, aus welcher die Art der Montage zwischen der Platte und dem U-Profilträger mit Nadeln ersichtlich ist.
Die Einzelheiten und Vorteile der Erfindung seien nunmehr mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, welche die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zeigt.
Erfindungsgemäss erfolgt die Ionisierung durch die spitzen Nadelentladungselektroden 1 (Fig. 1), welche zwischen plattenförmigen Sammelelektroden 3 angeordnet sind. Diese Nadelelektroden sind gegenüber den Vorderkanten der plattenförmigen Sammelelektroden 3 etwas nach hinten (zur Austrittsseite des Gasstroms hin) versetzt, wie dies aus der Fig. 1 ersichtlich ist, so dass von den ungleichmässigen elektrischen Feldern zwischen den Nadelspitzen 1 und den Vorderkantenabschnitten 4 der Sammelelektroden 3 Ionisierfelder gebildet werden - siehe Fig. 2.
Die Ausrichtung und das abmessungsmässige Verhältnis von Elektroden und Nadeln im elektrostatischen Abscheideraggregat sind zur Erzielung der von der Erfindung erwarteten Ergebnisse ziemlich wichtig.
Der Schlüssel aller Verhältnisse hinsichtlich der Abstände und Abmessungen der Teile ist der Abstand zwischen einem Satz Platten, der aus einer Kollektorplatte 3 und einer Entladungselektrodenplatte 2 besteht. Es wird angenommen, dass der Abstand zwischen den Platten durch die Veränderliche X dargestellt sei. Das Mass X wird in Anpassung an die in dem durch das Abscheideraggregat geleiteten Gasstrom befindli che Teilchensubstanz und die Korngrösse der Teilchen, die in den meisten Fällen zwischen 62,5 und 87,5 mm beträgt, ge wählt. Die anderen Dimensionen innerhalb des Aggregats werden mit Bezug auf die Fig. 1, 2 und 7 der Zeichnung wie folgt ausgedrückt:
Y = Breite der Entladungsplatte 2
Z = Breite der Kollektorplatte 3
S = Abstand zwischen den Nadelspitzen und
L = Länge der Nadeln.
Die entscheidenden Verhältnisse zur Errechnung von Y, Z,
S und L in mm sind:
Y = lOX
Z = Y+300mm(+25mm) 5 = 1/2X
L = 3/4 X
Bei einem Plattenabstand von 7,5 mm (X = 75) beispiels weise ergeben sich als Werte: Y = 750 mm, Z = 1050 mm, S = 37,5 mm und L = 56 mm. Der Rückversatz der Nadelspitze in Gasströmungsrichtung von der benachbarten Kante der Kollektorplatte 3 beträgt in diesem Beispiel 150-L oder ca. 94 mm. Der richtungsgleiche Rücksprung der benachbarten Kante der Platte 2 von der entsprechenden vorderen oder hinteren Kante der Platte 3 beträgt 1/2 (Z-Y) oder 150 mm (+ 25 mm). Die Nadelelektroden 1 sind an die Plus-Seite des Hochspannungs-Gleichrichteraggregats gelegt und führen Spannungen von unter 50 kV.
Die Platten-Sammelelektroden 3 liegen an der Minus-Seite des Gleichrichters und sind dar über hinaus über Erdungsklemmen geerdet. Die positiven Platten-Sammelelektroden 2 sind hinter sowie in Flucht mit den Nadelelektroden 1 angeordnet und fest mit den letzteren verbunden, so dass die Platten-Sammelelektroden 2 ebenfalls an der Plus-Spannung des Gleichrichters liegen. Damit bilden die negative Platten-Sammelelektrode 3 und die positive Platten-Sammelelektrode 2 ein gleichmässiges elektrisches Feld, wie in Fig. 2 dargestellt.
Erfolgt die Strombeaufschlagung des elektrostatischen Abscheiders, wobei die Nadelelektroden 1 und die positiven Sammelelektroden 2 positive und die negativen Sammelelektroden 3 negative Spannung führen, so findet die Ionisierung an den scharfen Spitzen der Nadelelektroden 1 in dem ungleichmässigen Feld gemäss Fig. 2 statt und werden sowohl positive wie auch negative Ionen gebildet. Werden sodann die staubführenden Gase durch den elektrostatischen Abscheider gebildet, so passieren die Staubteilchen dieses ionisierte Feld und werden dabei positiv oder negativ aufgeladen. Diese geladenen Teilchen werden vom Gasstrom weiter stromabwärts und an den Nadelspitzen der Nadelelektroden 1 vorbeigeführt.
Gleichzeitig trägt der an den Nadelspitzen erzeugte elektrische Wind dazu bei, die geladenen Staubteilchen von der Nadelspitze wegzublasen. Die negativ geladenen Staubteilchen, welche an den scharfen Spitzen der Nadelelektroden 1 vorbeigeblasen werden, werden infolge der Coulomb'schen Kraftwirkung des zwischen den positiven Sammelelektroden 2 und den negativen Sammelelektroden 3 erzeugten gleichmässigen elektrischen Feldes auf diese negativen Teilchen von den positiven Sammelelektroden 2 angezogen und gesammelt. Diese Bewegung der geladenen Staubteilchen in Richtung auf die Sammelplatten, welche durch Einwirkung der Coulomb'schen Kraft des elektrischen Feldes auf die geladenen Staubteilchen bewirkt wird, ist bekannt als Wanderung, wobei die Geschwindigkeit dieser Bewegung als Wanderungsgeschwindigkeit bezeichnet wird.
Die Wanderungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Arten von geladenen Staubteilchen sind von einer Reihe unterschiedlicher Faktoren abhängig, beispielsweise der Masse des betreffenden Teilchens, Ladestärke, Stärke des elektrischen Feldes usw., doch liegen die Wanderungsgeschwindigkeiten in einem elektrostatischen Abscheider normalerweise in der Grössenordnung von ca. 25 cm/Sek. oder darunter. Anderseits betragen die Gasgeschwindigkeiten in einem elektrostatischen Abscheider etwa 0,5 bis 3 m/Sek. Damit würden die negativ geladenen Teilchen in einer Richtung über die Nadelelektroden 1 hinweggeführt, welche etwa bestimmt ist durch die Vektorsumme von Wanderungs- und Gasströmungsgeschwindigkeit, wie dies die Fig. 3 ausweist.
Die positiv geladenen Staubteilchen dagegen werden von den positiv geladenen Nadelelektroden 1 abgestossen und zu den negativen Sammelelektroden 3 hin angezogen. Damit werden die scharfen Spitzen der Nadelelektroden 1 von Ansammlungen positiv geladener Staubteilchen freigehalten.
Auch die positiv geladenen Staubteilchen, die in Richtung auf die negativen Sammelelektroden 3 angezogen werden, bewegen sich in einer Richtung, welche etwa von der Vektorsumme von Wanderungs- und Gasströmungsgeschwindigkeit bestimmt ist, genau wie vorstehend mit Bezug auf die negativ geladenen Staubteilchen beschrieben, und werden somit an den Vorderkantenabschnitten 4 der negativen Sammelelektroden 3 entlanggeführt. Auf diese Weise werden auch diese Vorderkantenabschnitte 4 der negativen Sammelelektroden 3 von Ansammlungen positiv geladener Staubteilchen freigehalten.
Da die negativ geladenen Staubpartikel von den negativen Sammelelektroden 3 abgestossen wird, gibt es keinerlei Ansammlungen von negativ geladenen Staubteilchen auf irgendeinem Teil der negativen Sammelelektroden 3.
Damit werden Ansammlungen von positiv oder negativ geladenen Staubteilchen sowohl auf den scharfen Spitzen der Nadelelektroden 1 als auch auf den Vorderkantenabschnitten 4 der negativen Sammelelektroden 3 verhindert. Aufgrund dieser Tatsache tritt das durch Ansammlung von Staub mit einem hohen spezifischen Widerstand von ca. 10tut Ohm-cm und mehr auf den Entladungs- und Sammelelektroden in einem elektrostatischen Abscheider bedingte Phänomen des Gegenkoronaeffektes nicht in Erscheinung, wodurch bei Staub mit einem derart hohen spezifischen Widerstand in dem erfindungsgemässen elektrostatischen Abscheider ein hoher Entstaubungswirkungsgrad möglich ist.
Bei den vorbekannten elektrostatischen Abscheidern, in denen Entladungsdrahtelektroden in Abständen über die gesamte Länge der plattenartigen Sammelelektroden hinweg angeordnet oder in der Mitte der rohrartigen Sammelelektroden über deren gesamte Länge hinweg verlegt sind, werden die geladenen Staubteilchen, obwohl sie an den Vorderkantenabschnitten der Sammelelektroden und den vorderen Drahtentladungselektroden vorbeigeblasen werden, auf die stromab wärts benachbarten Teile der Sammelelektroden und die stromabwärts benachbarten Drahtentladungselektroden abgeschieden. Bei Staubteilchen mit hohem spezifischem Widerstand ergibt sich so in den elektrostatischen Abscheidern gemäss dem Stand der Technik ein Gegenkoronaeffekt.
In den vorbekannten elektrostatischen Abscheidern mussten die Gasströmungsgeschwindigkeiten niedrig gehalten werden, da hohe Gasgeschwindigkeiten zu Vibration und Schwingen der Drahtentladungselektroden mit daraus resultierendem Bruch der letzteren oder zu Funkenüberschlägen, wenn die Drahtentladungselektroden nahe an die Oberflächen der Sammelelektroden heranschwingen, führen. Darüber hinaus ergibt sich durch Schwingung oder Vibration der Drahtentladungselektroden, die zur Abscheidung positiv geladener Staubteilchen in den bekannten elektrostatischen Abscheidern auch als Sammelelektroden dienen, dass sich die abgeschiedenen Staubteilchen lösen und in den Gasstrom zurückgeführt werden, so dass der Gesamt-Abscheidungswirkungsgrad verringert wird.
Auch musste der Abstand zwischen den Drahtentladungselektroden und den Sammelelektroden gross gewählt werden, um zu starke Funkenbildungen und Funken überschläge infolge der nahen Nachbarschaft der vibrierenden oder schwingenden Drahtentladungselektroden und der Oberflächen der Sammelelektroden zu verhindern.
Erfindungsgemäss sind die Nadelentladungselektroden 1 starr an den positiven Sammelelektroden 2 befestigt, so dass sie unter der Einwirkung des Gasstroms nicht in Vibration oder Schwingung versetzt werden. Aus diesem Grund kann mit hohen Gasströmungsgeschwindigkeiten gearbeitet werden, ohne dass die Entladungselektroden durch Vibration oder Schwingung der Entladungselektroden beschädigt oder Funkenbildung oder Funkenüberschlag hierdurch verursacht würden. Da die Nadelentladungselektroden 1 lediglich für die Ionisierung und nicht für die Abscheidung von Staubteilchen herangezogen werden, gibt es selbst bei hohen Gasströmungsgeschwindigkeiten auch keinerlei Probleme hinsichtlich des Rückrisses von Staub in den Gasstrom.
Darüber hinaus konnten die Abstände zwischen den positiven Elektroden 1 und 2 und den negativen Elektroden 3 enger gewählt werden, da es bei den Entladungselektroden keine Vibration oder Schwin gung, die grosse Elektroden-Zwischenabstände erfordern würde, gibt. Ausserdem lassen sich durch diese geringeren Abstände zwischen den Elektroden selbst bei niedrigeren Spannungen höhere Spannungsgefälle vorhalten. Das bedeutet natürlich, dass sich in den Abscheiderzonen zwischen den positiven Sammelelektroden 2 und den negativen Sammelelektroden 3 sogar bei geringeren Spannungen hohe Abscheidungs- bzw. Entstaubungswirkungsgrade aufrechterhalten lassen.
Die möglichen höheren Gasgeschwindigkeiten und engeren Abstände zwischen den Elektroden wie vorerwähnt, gestatten es, den elektrostatischen Abscheider mit geringeren Querschnittsflächen auszulegen und damit die Herstellungskosten zu senken.
Erfindungsgemäss sind die scharfen Spitzen der Nadelentladungselektroden 1 scharfkantiger bzw. spitzer als die Entladungsoberflächen der Drahtentladungselektroden der bekannten elektrostatischen Abscheider und damit ionisationswirksamer. Weiterhin bleiben die Nadelentladungselektroden 1, wie vorbeschrieben, auch spitz oder scharfkantig, während sich auf den Drahtentladungselektroden der vorbekannten elektrostatischen Abscheider, d. h. auf den Drahtoberflächen, Staubteilchen niederschlagen, welche die Scharfkantigkeit der Ionisierungsfläche und so auch die Ionisierung selbst verringern. In den bekannten elektrostatischen Abscheidern bedurfte es des Einsatzes hoher Spannungen, um diesen Mangel einer reduzierten Ionisation auszuschalten.
Erfindungsgemäss kann mit niedrigen Spannungen unter 50 kV gearbeitet werden, da die Ionisierung durch die stets scharfen Spitzen der Nadelentladungselektroden 1 auf einem hohen und konstanten Niveau gehalten wird. Die Möglichkeit engerer Abstände zwischen den Entladungs- und Sammelelektroden, wie sie erfindungsgemäss entsprechend den Ausführungen auf Seite 12, Absatz 1, gegeben ist, gestattet ausserdem ein Absenken der Spannung, ohne dass der Entstaubungswirkungsgrad beeinträchtigt würde. Durch die Anwendung niedrigerer Spannungen werden die grossen und lästigen Probleme des elektrischen Isolationsdurchschlags ausgeschaltet und die Kosten der Hochspannungs-Gleichrichteranlage verringert.
Die Benutzung niedriger Spannungen in den elektrischen Ionisierungs- und Sammel- bzw. Abscheidezonen im Rahmen der vorliegenden Erfindung führt zu einer weitgehenden Reduzierung der normalerweise in den vorbekannten elektrostatischen Ausscheidern anstehenden übergrossen Funkenbildungen und Funkenüberschläge und damit zu einem geringeren Stromverbrauch. Desweiteren macht das gleichmässige elektrische Feld zwischen den positiven Sammelelektroden 2 und den negativen Sammelelektroden 3, wie in Fig. 2 dargestellt, die Dicke der Staubansammlung auf diesen Sammelelektroden gleichmässig, was auch die bei den bekannten elektrostatischen Abscheidern wegen der unregelmässigen Oberflächen, durch die ungleichmässigen Dicken der Staubablagerungen in ungleichmässigen Feldern bedingt, normalerweise auftretenden Funkenbildungen und -überschläge ausschaltet.
Aufgrund dieser Tatsachen wird der Stromverbrauch auf etwa 1/o des normalen Strombedarfs von vorbekannten elektrostatischen Abscheidern gleicher Leistung und gleichen Abscheidungswirkungsgrades reduziert.
Da die Nadelentladungselektroden 1 konstant spitz bleiben, ist ein häufiges Abklopfen, wie bei den Drahtentladungselektroden bekannter elektrostatischer Abscheider nötig, nicht erforderlich. Damit wird ein Rückriss von Staubteilchen in den Gasstrom, durch das Abklopfen bedingt, weitgehend verringert. Das gleichmässige Feld zwischen den positiven Sammelelektroden 2 und den negativen Sammelelektroden 3, wie in Fig. 2 dargestellt, resultiert in einer gleichmässigen Dicke der Staubablagerung, was wiederum ermöglicht, grössere Staubmengen auf diese positiven Sammelelektroden 2 und den negativen Sammelelektroden 3 abzuscheiden, bevor ein Abklopfen erforderlich wird.
Bei den ungleichmässigen Abscheidezonen früherer elektrostatischer Abscheider ist ein häufiges Abklopfen deswegen erforderlich, weil Funkenbildungen und -überschläge infolge der starken Abtreppungen der ungleichmässig dicken Staubschichten auf den Sammel- und den Drahtentladungselektroden verhindert werden müssen. Damit ist ein weniger häufiges Abklopfen für die erfindungsgemässen Sammelelektroden 2 und 3 ausreichend mit dem Ergebnis eines geringeren Staubteilchenrückrisses und eines höheren Gesamt-Abscheidungswirkungsgrades für den elektrostatischen Abscheider.
Die erfindungsgemässen Entladungselektroden 1 behalten ihre spitze Form jederzeit bei und sind an den positiven Sammelelektroden 2 befestigt. Die Nadeln 1 sind aus einem elektrisch leitenden haltbaren Werkstoff, wie Platin oder nichtrostendem Stahl, gefertigt und haben vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt, dessen Durchmesser im Bereich des Körperabschnitts 1b kleiner als 5 mm und dessen freies Ende la spitz zulaufend ausgebildet ist. Der Radius des freien Endes bzw. der Spitze 1b der Nadel sollte maximal ca. 0,5 mm betragen. Mit ihren stumpfen Enden lc sind die Nadeln 1 an den Längskantenoberflächen 20 des U-Profilträgers 21 (Fig. 7) angeschweisst.
Die aufeinanderfolgenden Nadeln 1 sind mit dem gleichen Zwichenabstand S angeordnet, der geringer ist als der Abstand zwischen einer geerdeten Staubsammelelektrodenplatte 3 und einer positiven Elektrodenplatte 2; beispielsweise kann der Abstand zwischen benachbarten Elektroden 2 und 3 etwa 3 Zoll und der Abstand S zwischen den Nadeln weniger als 3 Zoll, d. h. etwa 11/2 Zoll, betragen. Der Träger 21 weist einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf, wobei, wie aus Fig. 8 ersichtlich, die Stahlplatte 2a zwischen den Schenkeln des U eingeschoben ist, so dass der Träger 21 die Kante der Platte 2a übergreift bzw. auf diese aufgeschoben ist. Der Träger 21 wird in passender Länge, beispielsweise einer Länge von 6 Fuss, hergestellt, wobei drei solcher Träger in dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel an einer Kante der Platte angeordnet sind.
In den Seiten des Trägers sind mehrere Löcher 22 zur Aufnahme von Nieten 23 ausgebildet. In der Platte 2a der positiven Plattenelektrode 2 befinden sich längs deren Kante eine Anzahl von Löchern 24 in genauer senkrechter Flucht. Die Nieten 23 greifen durch die Plattenlöcher 24 und die Löcher 22 im Träger (Fig. 8) und verbinden so die Träger 21 mit den darauf befindlichen Nadeln 1 mit den gegenüberliegenden Kanten 2b und 2c (Fig. 6) der Platte 2a in senkrechter Ausrichtung.
Die Platte 2a wird mit darauf befindlichen Nadelanordnungen in den elektrostatischen Abscheider eingesetzt und mit Hilfe der Aufhänger 25 am oberen Ende der Platten aufgehängt. Die Aufhänger 25 sind funktionell mit einer Abklopfvorrichtung für das gelegentliche Säubern der Elektrodenplatten 2 von darauf abgelagerten Teilchen verbunden. Die Platten 2 werden im Wechsel, wie in den Fig. 1, 2 und 4 dargestellt, in dem elektrostatischen Abscheider angeordnet.
Da die Nadelentladungselektroden 1 immer spitz bleiben und ausserdem starr an den positiven Sammelelektroden 2 befestigt sind, brauchen im Gegensatz zu den bekannten elektrostatischen Abscheidern die Entladungselektroden nicht so häufig instandgesetzt und ausgetauscht zu werden. Hierdurch werden die Wartungskosten beträchtlich gesenkt. Dennoch ist bei der erfindungsgemässen Konstruktion der Nadelaustausch relativ einfach und bei nur kurzzeitigem Anlagenstillstand durchführbar. Müssen Nadeln 1 ausgetauscht werden, so wird durch Abscheren der Nieten 23 der Träger 21, welcher die zu ersetzende(n) Nadel(n) hält, entfernt. Ein Ersatzträger 21 mit neuen Nadeln 1 wird anstelle des ausgebauten Trägers durch Nieten befestigt und das Aggregat ist wieder betriebsbereit.
Die erfindungsgemäss hochwirksame Ionisierung bei verhältnismässig niedrigen Spannungen und geringem Stromverbrauch ermöglicht es, mit positiver Spannung auf den Nadelentladungselektroden zu arbeiten. Wegen der charakteristischen positiven Koronaentladung ist gegenüber einem bekannten elektrostatischen Abscheider von vergleichbarer Leistung und mit vergleichbarem Entstaubungswirkungsgrad, der mit negativer Koronaentladung arbeitet, die Ozonerzeugung auf etwa l/lo reduziert. Dies wiederum resultiert in einer weitaus geringeren Bildung von Stickstoffoxyden, so dass eine sekundäre Verunreinigung durch vom elektrostatischen Abscheider abgestossene Stickstoffoxyde verhindert wird.
Der kleinere Abstand zwischen den positiven Sammelelektroden 2 und den negativen Sammelelektroden 3 ermöglicht es, ein hohes Spannungsgefälle zwischen diesen Sammelelektroden 2 und 3 selbst bei Beaufschlagung niedriger Spannungen unter 50 kV vorzuhalten. Dadurch können die Wanderungsgeschwindigkeiten der negativ und positiv geladenen Staubteilchen auf höheren Werten gehalten werden als in bekannten elektrostatischen Abscheidern. Selbst wenn die Wanderungsgeschwindigkeiten der geladenen Staubteilchen die gleichen wie bei den vorbekannten elektrostatischen Abscheidern wären, würden die geladenen Staubpartikel wegen des geringeren Elektroden-Zwischenabstandes und der daraus resultierenden kürzeren Wanderungsstrecke die entsprechenden Sammelelektroden schneller erreichen. Dies trägt natürlich dazu bei, den Entstaubungswirkungsgrad des Abscheiders zu erhöhen.
Von besonderer Bedeutung ist dies für schwer abscheidbare Staubteilchen im Submikronbereich.
Durch das gleichmässige Feld zwischen den positiven Sammelelektroden 2 und den negativen Sammelelektroden 3, wie in Fig. 2 dargestellt, werden Staubschichten von gleichmässiger Dicke auf den Sammelelektroden gebildet (siehe Seite 14, Absatz 2) und treten keinerlei Dickenschwankungen wie in einem bekannten elektrostatischen Abscheider auf; auch diese Tatsache ermöglicht engere Abstände zwischen den positiven Sammelelektroden 2 und den negativen Sammelelektroden 3.
Darüber hinaus sind erfindungsgemäss sowohl die positiven Sammelelektroden 2 als auch die negativen Sammelelektroden 3 plattenförmig und haben dementsprechend insgesamt grössere Abscheideflächen als die Drahtentladungselektroden (die auch zum Sammeln dienen) und die platten- oder rohrartigen Sammelelektroden der vorbekannten Abscheider. Aus diesem Grund können die Sammelelektroden der vorliegenden Erfindung viel kürzer hergestellt sein, weil die pro Längeneinheit der Abscheidezone bzw. des Sammelfeldes verfügbaren Sammelflächen grösser sind. Die möglichen kleineren Abstände zwischen den Elektroden, die möglichen kürzeren Sammelfelder sowie die möglichen höheren Gasströmungsgeschwindigkeiten, alle diese Faktoren tragen dazu bei, das Gesamtvolumen des elektrostatischen Abscheiders und damit die Herstellungs- und Montagekosten sowie den Montageraumbedarf zu verringern.
Die in dem erfindungsgemässen elektrostatischen Abscheider anstehenden relativ niedrigen Spannungen und der niedrige Stromverbrauch dieser Anlage ermöglichen den Einsatz von raumsparenden und leichten Hochspannungs-Gleichrichterversorgungsaggregaten, welche in die Hochspannungs-Isolatorkammern des Abscheiders eingebaut werden können. Damit entfällt die Notwendigkeit, diese Aggregate in besonderen Kraftversorgungsräumen mit Hochspannungskabeln als Verbindung zwischen dem Abscheider und den Speiseaggregaten zu installieren, wie dies normalerweise bei früheren Abscheidern der Fall ist.
Wie bereits vorstehend erläutert, werden die geladenen Teilchen im elektrischen Feld in einer Richtung bewegt, welche etwa durch die Vektorsumme von Wanderungs- und Gasströmungsgeschwindigkeit bestimmt ist, so dass theoretisch die bei einer gegebenen Gasgeschwindigkeit erforderliche Länge der Sammelelektroden und auch der erforderliche Zwischenabstand zwischen den positiven und negativen Sammelelektroden aus der Wanderungsgeschwindigkeit der geladenen Teilchen und der Grösse der Gasströmungsgeschwindigkeit bestimmt werden kann.
Aus diesem Grund würde ein einzelnes Aggregat der in Fig. 1 dargestellten Konstruktion und Ausführung theoretisch seinen Zweck erfüllen. Bei elektrostatischen Abscheidern zur Abscheidung industrieller Abgase jedoch ist zu berücksichtigen, dass der Staubgehalt der Gase im allgemeinen hoch ist, so dass schwere Staubschichten auf die Oberflächen sowohl der positiven wie auch der negativen Sammelelektroden 2 und 3 abgelagert würden mit dem Resultat, dass die Abstände zwischen den beiden Elektroden innerhalb einer relativ kurzen Zeit so weit zugesetzt wären, dass die abgeschiedenen Staublagen durch Vibration oder mechanische Schläge, durch Waschen oder Spülen oder sonstwie so oft von den positiven und negativen Sammelelektroden entfernt werden müssten, wie dies je nach Staubgehalt der Gase angezeigt wäre;
die abgetragenen Staubmengen würden hierbei in Staubtrichter im unteren Teil des elektrostatischen Abscheiders abgeworfen.
Werden den positiven und negativen Sammelelektroden, wie vorerwähnt, Vibrationen oder mechanische Stösse beaufschlagt, so fallen die auf die Sammelelektroden abgelagerten feinen Staubteilchen wegen des Zusammenballens derselben während der Abscheidung in grossen Stücken ab, doch wird ein Teil der gelösten Staubpartikel, wie an anderer Stelle beschrieben, in den Gasstrom zurückgerissen und von diesem mitgeführt. Zur Abscheidung dieser zurückgerissenen Staubteilchen können eine Zahl von Ionisier-Sammelsektionen 6 und 6' auf der Stromabwärtsseite wie in Fig. 4 angeordnet werden, wodurch die schädlichen Einflüsse des Rückrisses wirksam verhindert werden.
Die gemäss Fig. 1 auf der Stromabwärtsseite an den positiven Sammelelektroden 2 angebrachten Nadelentladungselektroden 1' wirken dahingehend, dass sie die zurückgerissenen Staubteilchen elektrisch laden; die an dieser Stelle geladenen Staubpartikel werden von den negativen Sammelelektroden neben den Nadelentladungselektroden 1' aufgefangen.
Die negativ und die nicht geladenen Staubteilchen gelangen im Gasstrom zu der Ionisier-Sammelsektion 6 der gleichen Art wie die erste Sektion, die im zweiten Abschnitt des elektrostatischen Abscheiders installiert ist. Die Nadelentladungselektroden 1" im zweiten Abschnitt bewirken eine Neuaufladung der in den diese Nadelelektroden 1" umströmenden Gasen noch enthaltenen Staubteilchen, die sodann auf die stromabwärts gelegenen positiven und negativen Sammelelektroden abgelagert werden. Dieser Prozess wiederholt sich in der stromabwärtsseitigen Sektion 6' des Abscheiders, so dass ein hoher Entstaubungswirkungsgrad erzielt wird. Durch Erhöhung oder Reduzierung der Anzahl von elektrostatischen Abscheidersektionen wie auch der Gasgeschwindigkeit lassen sich selbst bei Kadmiumoxyd (CdO) Entstaubungswirkungsgrade von über 99,999% erzielen.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung liegt in der grundsätzlichen Verbesserung elektrostatischer Abscheider für industriellen Einsatz, doch da das Wirkprinzip dieser Erfindung in der Anziehung zwischen positiven und negativen Polen statischer Elektrizität zu finden ist, erscheint es schwierig, den Unterschied zwischen dieser Erfindung und konventionellen Ausführungen elektrostatischer Abscheider lediglich nach dem äusseren Erscheinungsbild zu beurteilen, das zweifellos eine gewisse Ähnlichkeit aufweist.
Es ist eine bestens bekannte Tatsache, dass elektrostatische Abscheider als Einrichtungen zur Beseitigung von Luft verschmutzungen Hervorragendes leisten. Der elektrostatische Abscheider wurde verschiedentlich auch als elektronischer oder elektrischer Abscheider bezeichnet. Vielerlei Verbesserungen wurden an ihm vorgenommen, um seinen Wirkungsgrad bei der Staubabscheidung zu erhöhen, doch betreffen die meisten dieser Verbesserungen die Konstruktion der Staubsammelelektroden bzw. die Ausführung der Entladungselektroden oder Zubehöreinrichtungen. Je nach Einsatzzweck gibt es elektrostatische Abscheider in Kanal- oder Rohrausführung.
Bei der Kanalausführung sind mehrere Flachplatten in paralleler Anordnung in festen Abständen vorgesehen, während bei der Rohrausführung eine Vielzahl von Zylindern des gleichen festen Durchmessers stehend oder eine Vielzahl von Zylindern unterschiedlichen Durchmessers konzentrisch in bestimmten Abständen montiert sind. Alle diese Ausführungen bedienen sich jedoch pluspolarer Sammelelektroden, die mit der Erdungsklemme verbunden sind. Und genau diese positiven Sammelelektroden mit senkrecht dazwischen aufgehängten Drahtentladungselektroden negativer Polarität machten bereits den etwa 1906 erfundenen Original-Cottrell Elektrostatikabscheider aus. Von dieser Grundkonstruktion ausgehend wurden viele Verbesserungen wie z. B. Taschen zur Verhinderung des Rückrisses von Staubteilchen, verschiedene Konstruktionen zur Verhinderung des Krummwerdens der Sammelelektroden usw. realisiert.
Ausserdem gab es noch viele andere Vorschläge dahingehend, den Querschnitt der Drahtentladungselektrode quadratisch, dreieckig oder sternförmig auszubilden, die Elektroden zu verdrallen oder stacheldrahtartig herzustellen, die Oberflächen der Drähte mit Vorsprüngen auszustatten, oder aber L-Winkel oder Flachplatten mit Vorsprüngen vorzusehen.
Zweck all dieser Verbesserungen der Drahtentladungselektroden ist es, die Koronaentladung von scharfkantigen bzw. spitzen Stellen der Drähte aus zu verbessern. Es ist eine wohlbekannte Tatsache, dass die Koronaentladung um so leichter erzielbar ist, je kleiner der Drahtdurchmesser, doch sind in bezug auf den Querschnitt durch die erforderliche mechanische Festigkeit Grenzen gesetzt.
Die Entladungselektroden der herkömmlichen elektrostatischen Abscheider für industriellen Einsatz haben negative und die Staubsammelelektroden positive Polarität. Eine derartige Anordnung war jedoch unvermeidbar aufgrund der Tatsache, dass bei Verwendung positiver Entladungs- mit negativen Sammelelektroden normalerweise Funkenüberschläge leicht ausgelöst werden, so dass infolgedessen ein hoher Entstaubungswirkungsgrad nicht erzielbar war.
Etwa im Jahre 1936 erfand Dr. Gaylord W. Penney aus Pittsburgh, Pa., einen vom konventionellen Cottrell-Modell völlig verschiedenen elektrostatischen Abscheider. In konventionellen elektrostatischen Abscheidern für industrielle Verwendungszwecke werden grosse Mengen Ozon erzeugt, so dass diese Aggregate zur Luftreinigung im Innenraumeinsatz ungeeignet sind. Verbesserungen in der Konstruktion sowie die Anwendung umgekehrter Polaritäten für die Entladungsund Sammelelektroden im Penney-Abscheider machten es möglich, äusserst kleine Staubteilchen aus Luft mit hohen Wirkungsgraden und bei geringem Stromverbrauch abzuscheiden.
Ist im Cottrell-Abscheider die Entladungselektrode nicht negativ, so lässt sich ein hoher Entstaubungswirkungsgrad nicht erzielen. Im Penney-Abscheider werden schlanke Drähte mit glatten Oberflächen und einem Durchmesser von 0,15 bis 0,8 mm als positive Entladungselektroden 7 verwendet und sind zylindrische Elektroden (Grosselektroden) als geerdete negative Elektroden 8 längs den positiven Entladungsdrähten (Kleinelektroden) angeordnet. Das Durchmesserverhältnis Gross- zu Kleinelektrode beträgt 500: 1-1000:1, und das Verhältnis des Abstandes zwischen den beiden Elektroden zum Durchmesser des Entladungsdrahtes zwischen 500:1 und 100:1.
Passieren im Penney-Abscheider die in der Luft befindlichen Staubteilchen die selbständig angeordnete Ionisiersektion 9, so legen sich Elektronen und positive Ionen an die Staubteilchen. Auf den positiven Entladungsdraht 7 wird praktisch kein Staub abgelagert; passieren die negativ geladenen Teilchen die Lücke zwischen den relativ engstehenden positiven Sammelelektroden 11 und die negativen Sammelelektroden 12 in der stromabwärtsseitig angeordneten Sammelsektion, so werden sie auf die positiven Sammelelektroden 11 niedergeschlagen. Die positiv geladenen Staubteilchen werden auf die negative Elektrode 8 und die negativen Sammelelektroden 12 abgelagert.
Diese Art von Einrichtung wird als elektrischer , elektronischer oder elektrostatischer Luftreiniger bezeichnet.
Weil die Ionisiersektion 9 und die Staubsammelsektion 10 unabhängig voneinander angeordnet sind, wird diese Konstruktion gegenüber den einstufig ladenden Cottrell-Abscheidern als zweistufig ladender Abscheider bezeichnet.
Im allgemeinen bedient man sich der einstufig ladenden Ausführung für industrielle elektrostatische Abscheider und der zweistufig ladenden für Luftreinigungszwecke. Der elektrische Luftreiniger ist jedoch im allgemeinen sehr klein, so dass Ionisiersektion 9 und Staubsammelsektion 10 in einem einzigen Element untergebracht sind. Der Abstand zwischen der positiven Entladungselektrode 7 und der Ionisiersektion 9 und der geerdeten negativen Elektrode 8 beträgt ca. 30 mm und der zwischen der positiven Sammelelektrode 11 und der negativen Sammelelektrode 12 der Staubsammelsektion 10 ca. 10 mm.
Dementsprechend liegen die der Ionisiersektion 9 beaufschlagten Spannungen bei 10 bis 12 kV und die der Sammelsektion beaufschlagten bei 3 bis 6 kV.
Wie vorstehend beschrieben, besteht eine deutliche Trennung der Einsatzmöglichkeiten zwischen einem industriellen elektrostatischen Abscheider und dem elektrostatischen Luftreiniger, wobei auch die strukturelle Konzeption dieser Aggregate völlig verschieden ist. Auch gibt es unvergleichbare Unterschiede in den eingesetzten Zubehöreinrichtungen und den Dimensionen der Anlageteile. Selbst bei einer Verkleinerung des industriellen elektrostatischen Abscheiders oder einer Vergrösserung des elektrischen Luftreinigers wäre es möglich, diese Aggregate umgekehrt einzusetzen. Dies ist jedoch nicht nur eine Frage der Abmessung.
Der erfindungsgemässe elektrostatische Abscheider ist von den verbesserten Konstruktionen des konventionellen elektrostatischen Abscheiders und den für Innenraum-Umgebungsreinhaltung eingesetzten elektrischen Luftreinigern völlig verschieden. Zweck, bauliche Bestandteile und betrieblicher Wirkungsgrad machen es, wie vorbeschrieben, möglich, solche Staubteilchen abzuscheiden, deren Abscheidung mit einem herkömmlichen elektrostatischen Abscheider oder den elektrischen Luftreinigern nicht oder nicht vollständig möglich war.
Ein wichtiges Merkmal der vorstehend offenbarten Erfindung ist die strukturelle Anordnung der Entladungselektrodennadeln 1, nach welcher die Vielzahl von Nadelspitzen la senkrecht ausgerichtet sowie an der vorderen und hinteren Kante einer Metallplatte 2 in genau gleichen Abständen befestigt sind. Bei Stahlplatten grösserer Abmessung, wie sie als Walzbleche geliefert werden, finden sich oft Säbelbildungen oder Krümmungen an den gegenüberliegenden Kanten der Platten 2. Erfindungsgemäss wird eine zweckmässige und wirtschaftliche Möglichkeit zum Anbringen spitzer Nadelelektroden 1 an den Plattenkanten geschaffen, mit welcher sich mangelhaft gerader Kanten- oder Oberflächenverlauf ausgleichen lässt.
Die Nadeln 1 der Entladungselektrode arbeiten im elektrostatischen Abscheider dann am wirksamsten, wenn sie scharf bzw. spitz sind. Die betriebliche Lebensdauer des Aggregats steht also in Beziehung zu der Fähigkeit der Nadeln 1, einem Verschleiss stand- und die Schärfe ihrer Spitzen vorzuhalten.
Ein weiteres Merkmal hinsichtlich des Aufbaus der soeben beschriebenen Entladungselektrode besteht darin, die Nadeln 1 als solche aus einem verschleissfesteren Werkstoff herzustellen, für den Plattenabschnitt der Elektrode 2 dagegen einen billigeren Werkstoff zu verwenden. Als geeigneter Werkstoff für die Nadeln 1 unter dem Gesichtspunkt der Angleichung der Materialkosten an die betriebliche Lebensdauer und Wartung empfiehlt sich niedriggekohlter nichtrostender Stahl, den man zur Fertigung der Nadeln 1 und der U-Profilträger 21 verwendet. Die Elektrodenplatten 2 werden aus einem billigeren Stahlblech hergestellt. Die U-Profilträger 21 stellen ein zweckmässiges und billiges Mittel für die Montage der Nadeln 1 an der Stahlplatte 2a dar, wobei die beiden Elemente eine ungleiche metallische Zusammensetzung aufweisen.
Erfindungsgemäss können Teilchen mit hohem spezifischen Widerstand von mehr als 104 bis 1011 Ohm-cm abgeschieden werden, was mit den herkömmlichen Ausführungen elektrostatischer Staubabscheider theoretisch nicht möglich ist. Für die absolut zuverlässige Abscheidung von Stoffen mit hohem spezifischem Wirkungsgrad, wie z. B. schweren Metalloxyden, deren Verbindungen, besonders Bleioxyd (PbO), Bleisulfat (PbSO4), über 1014 Ohm-cm liegen, wird erfindungsgemäss eine neue Art von elektrostatischem Abscheider in völlig andersartiger Konstruktion geschaffen, welcher eine grundsätzliche Verbesserung des konventionellen elektrostatischen Abscheiders darstellt.