EP0148199A1 - Vorrichtung zum reinigen von gasen - Google Patents

Vorrichtung zum reinigen von gasen

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EP0148199A1
EP0148199A1 EP84901976A EP84901976A EP0148199A1 EP 0148199 A1 EP0148199 A1 EP 0148199A1 EP 84901976 A EP84901976 A EP 84901976A EP 84901976 A EP84901976 A EP 84901976A EP 0148199 A1 EP0148199 A1 EP 0148199A1
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EP
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channel
electrodes
gases
electrode
conductive particles
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EP84901976A
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English (en)
French (fr)
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Bernhard Blaich
Klaus Dobler
Dieter Karr
Christian Zrenner
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/01—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust by means of electric or electrostatic separators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/017—Combinations of electrostatic separation with other processes, not otherwise provided for
    • B03C3/0175—Amassing particles by electric fields, e.g. agglomeration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/40—Electrode constructions
    • B03C3/60—Use of special materials other than liquids
    • B03C3/64—Use of special materials other than liquids synthetic resins
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/66—Applications of electricity supply techniques
    • B03C3/70—Applications of electricity supply techniques insulating in electric separators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B03C2201/00—Details of magnetic or electrostatic separation
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a device according to the type of the main claim, as is known for example from the magazine C.hem. -Ing. -Techn. 48th year 1976, No. 1, page 33.
  • a major difficulty with such operations is to ensure the electrical insulation between the high-voltage electrodes when cleaning gases from electrically conductive particles. If the electrical insulation is not guaranteed, leakage currents and finally short circuits between the electrodes occur, so that continuous operation of the device is impossible.
  • the device according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that a perfect electrical insulation between the electrodes is ensured with simple means.
  • the gases b-charged with conductive particles are completely encapsulated with respect to at least one of the two electrodes, so that the electrical insulation is absolutely ensured with sufficient dielectric strength of the insulating material wall of the channel.
  • the dielectric constant is of the order of magnitude of 2-10, in particular between 2 and 3, the dielectric strength of such insulating materials is very high.
  • the channel has a flat, preferably flat oval cross section with a clear width corresponding to the distance between the essentially flat electrodes.
  • the relatively thin walls of insulating material made of a material with a higher dielectric constant than that of the exhaust gases have practically no influence on the electrical field distribution, i.e. that there is at least twice the field strength inside the duct as in the plastic and that the external high voltage is almost completely inside the duct arises.
  • the channel runs in the space between the electrodes, because such an arrangement is particularly simple to manufacture.
  • the operating temperature is set higher up to values of above 500oC, where deposits are practically completely excluded.
  • the arrangement according to the Invention allows high voltages to be applied to the electrodes without interference. Short circuits and corona discharges do not occur.
  • the device works particularly effectively if the channel is made sufficiently long, because then under the influence of the electric field there is sufficient time for the conductive particles to combine to form larger agglomerates, which are then separated in a particularly simple manner from the mechanical separator Gases can be separated.
  • a meandering design and on the other hand a spiral design of the channel has proven itself.
  • the device with a channel running between two electrodes Figure 2 shows a second embodiment in which the channel encloses an electrode, Figure 3 shows a meandering gate direction and Figure 4 shows a spiral device.
  • the downstream mechanical separator in which the particles agglomerated by electrical polarization forces into larger agglomerates with a larger mass are separated from the gas; not shown in the drawing and also not explained in more detail below, since known devices, in particular centrifugal separators, can be used for this purpose.
  • 10 denotes the positive pole and 11 the negative pole of a DC voltage source with a voltage of approximately 10 kV.
  • the applied DC voltage is dependent on the dimensioning of the device and is selected accordingly, ie the applied voltage is increased with increasing diameter of the device.
  • 12 with a positive electrode and 13 with a negative electrode, which is electrically connected to the positive pole and. negative pole of the voltage source are connected.
  • a channel 14 is formed between the electrodes 12, 13 within an insulating material wall 15, the inner wall of which is designated by 16.
  • the electric field E which forms between the electrodes 12 and 13, passes through the channel 14.
  • the insulating material wall 15 consists, for example, of a plastic tube with a dielectric constant of the order of 2, ie that within the tube in the channel 14 the double electric field strength as in the insulating material of the wall 15.
  • the insulating material wall has a thickness of 2x0.5 cm compared to an electrode spacing of 10 cm, the insulating material has a field strength of approx. 0.5 kV per cm, and an electrical field strength of 1 4 in the channel 1 kV per cm.
  • the device according to the invention achieves absolutely reliable electrical insulation between the two electrodes 12 and 13, with no creepage distance between the electrodes being able to develop. These are separated from one another by a closed, insulated channel 14, so that the gas to be cleaned flows through the insulated line which is penetrated by the electric field E inside the coagulator, like the device because of the agglomeration of the fine particles into larger agglomerates the prevailing electrical field is not weakened by the insulating material wall.
  • conductive particles such as soot or the like can settle on the inner wall of the device.
  • the inner wall 16 of the channel 1 4 is lined with a material with a low coefficient of static friction.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • FIG. 2 shows arrangements in which the same parts with the same reference numerals as in Figure 1 are designated.
  • an electrode preferably the positive electrode 12
  • the second electrode preferably the negative electrode 13 which can be at ground potential
  • the electrodes 12 and 13 have the same cross section as in the arrangement according to FIG. 1.
  • the insulated arrangement of an electrode 13 within the channel 14 results in a greater electrical flashover resistance.
  • FIG. 3 shows a meandering arrangement of the device, which leads to a correspondingly long length of the channel 14 with a still compact design.
  • the positive electrodes 12 and the negative electrodes 13 are arranged alternately between the straight parts of the channel 14 in such a way that two positive and two negative electrodes lie opposite each other.
  • the isolation problem of the device is simplified. Due to the increased length of the device, the originally quite small conductive particles in the gas have sufficient time to combine under the action of the electric field and the resulting distribution of their charges to form larger agglomerates, which are connected in a downstream mechanical separator, not shown in the figure then can be easily separated from the gases due to centrifugal force.
  • FIG. 4 shows another advantageous compact arrangement, the channel 14 being of spiral design.

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Description

Vorrichtung zum Reinigen von Gasen
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruches, wie sie beispielsweise bekannt ist aus der Zeitschrift C.hem. -Ing. -Techn. 48. Jahrg. 1976, Nr. 1, Seite 33. Eine wesentliche Schwierigkeit hei derartigen Verrichtungen besteht darin, beim Reinigen von Gasen von elektrisch leitfähigen Partikeln die elektrische Isolation zwischen den Hochspannungselektroden sicherzustellen. Wenn die elektrische Isolation nicht gewährleistet ist kommt es zu Kriechströmen und schließlich zu Kurzschlüssen zwischen den Elektroden, so daß ein kontinuierlicher Betrieb der Vorrichtung ausgeschlossen ist. Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptansnruches hat den Vorteil, daß mit einfachen Mitteln eine einwandfreie elektrische Isolation zwischen den Elektroden sichergestellt wird. Die mit leitfähigen Partikeln b-eladenen Gase sind vollständig gegenüber mindestens einer der beiden Elektroden abgekapselt, so daß bei ausreichender Spannungsfestigkeit der Isolierstoffwandung des Kanals die elektrische Isolation absolut sichergestellt ist. Bei Kunststoffen der für die Isolierstoffwandung des Kanals in Frage kommenden Art liegt die Dieleketrizität skonstante in der Größenordnung von 2 - 10, insbesondere zwischen 2 und 3, die Spannungsfestigkeit derartiger Isolierstoffe ist sehr hoch.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Kanal einen flachen, vorzugsweise flachovalen Querschnitt besitzt mit einer lichten Weite entsprechend dem Abstand der im wesentlichen ebenen Elektroden. Die verhältnismäßig dünnen Isolierstoffwandungen aus einem Material mit höherer Dielektrizitätskonstante als diejenige der Abgase beeinflußt die elektrische Feldverteilung praktisch nicht, d.h., daß innerhalb des Kanals eine mindestens doppelt so hohe Feldstärke herrs-cht wie im Kunststoff und daß die außen angelegte Hochspannung nahezu vollständig innerhalb des Kanals anfällt. Hierbei kann es zweckmäßig sein, wenn der Kanal im Raun zwischen den Elektroden verläuft, weil eine derartige' Anordnung besonders einfach herzustellen ist. Andererseits ist es sehr, vorteilhaft, wenn eine Elektrode innerhalb und die andere Elektrode außerhalb des Kanals liegt. Hierdurch wird erreicht, daß elektrische Überschläge an den Außenelektroden bei großer Luftfeuchte unterbleiben. Durch die in den weiteren Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind Weiterbildungen und Verbesserungen der zuvor angegebenen Vorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Aufrechterhaltung einer Betriebstemperatur der Vorrichtung oberhalb etwa 200ºC, weil sich dann praktisch kein leitfähiger Niederschlag an der Innenwand des Kanals bilden kann, insbesondere, wenn gleichzeitig eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit der Gase im Kanal aufrechterhalten wird. Eine Ablagerung elektrisch leitfähiger Partikel wird weiterhin in besonders einfacher und wirkungsvoller Weise dadurch nahezu vollkommen ausgeschlossen, daß die Innenwand des Kanals mit einem Material mit geringem Haftreibungskoeffizienten, vorzugsweise mit PTFE ausgekleidet ist; hierbei sind Betriebstemperaturen bis etwa 250ºC zulässig, Bei höher wärmebeständigen Auskleidungen wird die Betriebstemperatur höher eingestellt bis zu Werten von oa, 500ºC, wo Ablagerungen praktisch vollständig ausgeschlossen sind. Die erfindungs gemäße Anordnung erlaubt es, daß ohne Störungen hohe Spannungen an die Elektroden angelegt werden können. Kurzschlüsse und Koronaentladungen treten nicht auf.
Die Vorrichtung arbeitet besonders wirkungsvoll, wenn der Kanal ausreichend lang gestaltet wird, weil dann unter dem Einfluß des elektrischen Feldes für die leitfähigen Partikel ausreichend Zeit zur Verfügung steht, sich zu größeren Agglomeraten zusammenzuschließen, welche anschließend in besonders einfacher Weise in einem mechanischen Abscheider von den Gasen getrennt werden können. Zur Erzielung einer ausreichenden Kanallänge bei gleichzeitig kompakter Bauweise der Vorrichtung hat sich einerseits eine mäander förmige Gestaltung und andererseits eine spiralförmige Gestaltung des Kanals bewährt. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein erstes
Ausführungsbeispiel, der Vorrichtung mit einem zwischen zwei Elektroden verlaufenden Kanal, Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem der Kanal eine Elektrode umschließt, Figur 3 eine mäanderförmige Torrichtung und Figur 4 eine spiralförmige Vorrichtung. Der nachge ordnete mechanische Abscheider, worin die durch elektrische Polarisationskräfte zu größeren Agglomeratsn mit größerer Masse zusammengeballten Partikel vom Gas getrennt werden, ist; in der Zeichnung nicht dargestellt und im Folgenden auch nicht näher erläutert, da hierfür bekannte Vorrichtungen, insbesondere Fliehkraft-Abscheider, verwendet werden können.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist mit 10 der positive Pol und mit 11 der negative Pol einer Gleichspannungsquelle mit einer Spannung von ca 10 kV bezeichnet. Die angelegte Gleichspannung ist abhängig von der Dimensionierung der Vorrichtung und wird entsprechend gewählt, d.h., daß die angelegte Spannung mit zunehmendem Durchmesser der Vorrichtung vergrößert wird. Mit 12 ist eine positive Elektrode und mit 13 eine negative Elektrode bezeichnet, welche elektrisch mit dem positiven Pol und dem. negativen Pol der Spannungsquelle verbunden sind. Zwischen den Elektroden 12, 13 ist ein Kanal 14 ausgebildet innerhalb einer Isolierstoffwandung 15, deren Innenwand mit 16 bezeichnet ist. Das elektrische Feld E, welches sich zwischen den Elektroden 12 und 13 ausbildet, durchsetzt den Kanal 14. Die Isolierstoffwandung 15 besteht beispielsweise aus einem Kunst stoffröhr mit einer Dielektrizitätszahl in der Größenordnung von 2, d.h. daß innerhalb des Rohres im Kanal 14 die doppelte elektrische Feldstärke herrscht wie im Isolierstoff der Wandung 15. Hat beispielsweise die Isolier stoffwandung eine Stärke von 2x0,5 cm gegenüber einem Elektrodenabstand von 10 cm so ergibt sich im Isolierstoff eine Feldstärke von ca 0,5 kV pro cm, im Kanal 1 4 eine elektrische Feldstärke von 1 kV pro cm.
Gegenüber älteren Vorrichtungen wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine absolut sichere elektrische Isolation zwischen den beiden Elektroden 12 und 13 erreicht, wobei sich keine Kriechstrecke zwischen den Elektroden mehr ausbilden kann. Diese sind durch einen, geschlossenen, isolierten Kanal 14 voneinander getrennt, so daß das zu reinigende Gas durch die isolierte Leitung strömt, die vom elektrischen Feld E durchsetzt ist Das im Innern des Koagulators, wie die Vorrichtung wegen der Zusammenballung der feinen Partikel zu größeren Agglomeraten bezeichnet wird, herrschende elektrische Feld wird durch die Isolierstoffwandung nicht geschwächt .
Um zu vermeiden, daß sich an der Innenwand der Vorrichtung leitfähige Partikel wie Ruß oder dgl. absetzen können, werden zusätzliche Maßnahmen getroffen. Hierzu gehört einerseits, daß die Betriebstemperatur der Vorrichtung je nach Hitzebeständigkeit der Wandung 15 auf einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 200ºC und 500ºC gehalten wird. Andererseits hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Innenwand 16 des Kanals 1 4 mit einem Material mit geringem Haftreibungskoeffizienten ausgekleidet wird. Hierfür eignet sich insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), an dem sich praktisch keine Niederschläge festsetzen, insbesondere wenn eine ausreichend große Durchströmungsgeschwindigkeit der Gase im Kanal 14 aufrechterhalten wird.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen Anordnungen, in denen gleiche Teile mit gleichen 3ezugszeichen wie in Figur 1 bzeichnet sind. In Figur 2 ist eine Elektrode, vorzugsweise die positive Elektrode 12, wiederum außerhalb des Kanals 14 angeordnet, während die zweite Elektrode, vorzugsweise die negative Elektrode 13, welche auf Massepotential liegen kann, im Inneren des Kanals 14 sitzt. Die Elektroden 12 und 13 sind im Querschnitt eben wie bei der Anordnung gemäß Figur 1. Durch die isolierte Anordnung einer Elektrode 13 innerhalb des Kanals 1 4 erreicht man eine größere elektrische Überschlagfestigkeit.
Figur 3 zeigt eine mäanderförmige Anordnung der Vorrichtung, welche zu einer entsprechend großen Länge des Kanals 14 bei dennoch kompakter 3auweise führt. Hierbei sind die positiven Elektroden 12 und die negativen Elektroden 13 abwechselnd zwischen den geraden Teilen des Kanals 14 angeordnet, derart, daß sich jeweils zwei positive, bzw. zwei negative Elektroden gegenüberliegen. Auf diese Weise wird das Isolationsproblem der Vorrichtung vereinfacht. Durch die vergrößerte Länge der Vorrichtung haben die ursprünglich recht kleinen leitfähigen Partikeln im Gas ausreichend Zeit, um sich unter der Einwirkung des elektrischen Feldes und der hierdurch bedingten Verteilung ihrer Ladungen zu größeren Agglomeraten zusammenzuschließen, welche in einem in der Figur nicht gezeigten, nachgeschalteten mechanischen Abscheider dann leicht von den Gasen aufgrund von Fliehkrafteinwirkung getrennt werden können. Figur 4 zeigt eine andere, vorteilhafte Konpakt-Anordnung, wobei der Kanal 14 spiralförmig ausgebildet ist. Auch bei dieser Anordnung erreicht man eine große Baulänge der Vorrichtung auf kleinem Raum, welche gegenüber der Anordnung nach Figur 3 den Vorteil besitzt, daß keine Wendepunkte vorhanden sind, in denen der Gasstrom umgelenkt werden muß. Die Anordnung gemäß Figur 4 hat daher einen geringeren Strömungswiderstand als die Anordnung gemäß Figur 3, was zu einer noch besseren Freispülung der Isolierstoffwandung 15 aufgrund höherer Strömungsgeschwindigkeiten führt. Die wechselweise Polarisation der positiven und negativen Pole 11, 12 kann durch entsprechende Zwischenräume zwischen den einzelnen Gängen der Spirale leicht beherrscht werden.

Claims

An sprüche
1. Vorrichtung zum Reinigen von Gasen von elektrisch leitfähigen Partikeln, wie Ruß und dgl., insbesondere zum Reinigen von Abgasen fossiler Brennstoffe, vorzugsweise von Dieselmotoren, unter Verwendung eines von den zu reinigenden Gasen durchströmten elektrischen Hochspannungsfeldes, welches zwischen gegeneinander isolierten Elektroden anliegt, und eines nachgeschalteten mechanischen Abscheiders für aus den elektrisch leitfähigen Partikeln gebildete A.gglomerate, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase einen von einer Isolierstoffwandung (15) begrenzten Kanal (14) durchströmen, welcher vom elektrischen Feld (E) zwischen den Elektroden (12, 13) durchsetzt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal ( 1 4 ) einen flachen Querschnitt besitzt mit einer lichten Weite etwa entsprechend dem Abstand der im wesentlichen ebenen Elektroden (12, 13).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (14) zwischen den Elektroden (12, 13) verläuft (Figur 1).
4 . Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (13) innerhalb und eine Elektrode (12) außerhalb des Kanals (14) liegt (Figur 2).
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Kanal (14) eine Betriebstemperatur oberhalb 200ºC vorzugsweise eine Temperatur von ca. 250ºC aufrechterhalten wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (16) des Kanals (14) mit einem Material mit geringem Haftreibungskoeffizienten, vorzugsweise mit Polytetra¬fluorethylen (PTFE) ausgekleidet ist.
7 . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal ( 1 4 ) mäanderförmig gestaltet ist (Figur 3).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal ( 1 4 ) spiralförmig gestaltet ist (Figur 4 ) .
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