Neuere Erkenntnisse und Anwendungen bei der elektrischen Abscheidung von Stauben und Nebeltropfchen*

Gernot Mayer-Schwinning und Rolf Rennhack**

Einleitend werden prinzipieller Aufbau, Wirkungsweise und Einsatzgebiete trocken und naD arbeitender Elektrofilter erlautert. Einige wichtige, die Wanderungsgeschwindigkeit der Partikeln beeinflussende Parameter werden diskutiert. Gronere Gassenabstiinde fuhren entgegen den Vorstellungen der klassischen Theorie zu hoheren Wanderungsgeschwin- digkeiten der Partikeln und damit zu hohen spezifischen Abscheideleistungen. Auf Methoden zur Konditionierung von Kraftwerksrauchgasen wird eingegangen ;die MelJergeb- nisse einer im grofltechnischen MaDstab arbeitenden SO,- Konditionierungsanlage werden dargestellt. Ein neues An- wendungsgebiet eroffnet sich der Stahlindustrie durch den Einsatz eines Trockenelektrofilters besonderer Bauart . Neue- re Entwicklungen bei Kunststoff-Filtern fur die chemische Industrie werden aufgezeigt. Zum SchluB wird auf die mit der Einfuhrung neuer Kraftwerkskonzepte verbundenen An- strengungen zur Entwicklung von Heingasfiltern fur hohere Teniperaturen und Drucke eingegangen.

1 Einfuhrung

Elektrofilter gehoren seit Jahrzehnten zu den wichtigsten Apparaten zur Abscheidung von Feststoff- und Flussigkeits- teilchen aus stromenden Gasen. Sie werden bevorzugt zur Reinigung grokier Gasvolumenstrome eingesetzt und zeich- nen sich durch einen hohen Trenneffekt auch im Bereich sehr kleiner Teilchenabmessungen und durch einen im Vergleich zu anderen Abscheidearten geringen Energiebedarf aus. Die prinzipielle Trennwirkung des Elektrofilters sei an Hand der schematischen Darstellung in Abb. 1 erlautert. Das Elektrofilter besteht aus parallel angeordneten Niederschlags- elektroden, die gemeinsam mit dem Gehause geerdet sind. Sie bilden Gassen, durch die das zu reinigende Gas stromt. In der Mitte der Gassen befinden sich Spruhelektroden, das sind dunne Driihte oder mit Spitzen versehene Metallbiinder, die negativ gepolt sind und von Isolatoren getragen werden. Bei den heute ublichen Gassenabsthden von 200 bis 300 mm betragt die zwischen den Elektroden angelegte Gleichspan- nung etwa 30 000 bis 60 000 V. In unmittelbarer Umgebung der Spruhelektroden ergeben sich besonders hohe Feldstarken. Ab einer bestimmten Spannung kommt es zu Korona-Entladungen, die zur Bildung negativ geladener Gas-Ionen fuhren. Die Gas-Ionen wandern zur Niederschlagselektrode und bewirken damit

* Vortrag von G. Mayer-Schwinning auf dem Jahrestreffen der Verfahrens-Ingenieure, 26. his 28. Sept. 1979 in Nurnberg.

** Dip1.-Ing. G. Mayer-Schwinning, Lurgi Umwelt und Chemotech- nik GmbH, Postfach 119181,6000 Frankfurt/M., und Prof. Dr.- Ing. R. Renilhack, Univ. Paderborn-GHS, Lehrgebiet Verfahrens- technik.

New insights and applications in the electrostatic precipita- tion of dusts and mists. The introduction deals with the basic design, the mode of operation, and the fields of application of dry and wet type electrostatic precipitators. A few important parameters which influence the migration velocity are discussed. Contrary to what the classical theory states, greater passage widths lead to higher migration velocities of the particles and thus to a higher specific efficiency. The methods for conditioning flue gases of power stations are considered, as are the experimental results obtained in an industrial-scale SO, conditioning plant. A new field of application is seen in the steel industry through the use of a dry type electrostatic precipitator of special design. New plastic precipitator developments for the chemical industry are discussed, and the articles closes with an account of the efforts invested in developing hot gas precipitators for higher temperatures and pressures in connection with the introduction of new power station concepts.

einen geringen elektrischen StromfluD (Spriihstrom). Ein Teil dieser Gas-Ionen lagert sich an den Feststoff- bzw. Flussig- keitsteilchen an, so daki diese ebenfalls negativ aufgeladen und zu der Niederschlagselektrode verschoben werden. Eine Abscheidung aus dem trockenen Gas fiihrt zu Staubbe- lagen, die in bestimmten Zeitabstgnden durch Abklopfen mittels Hammerschlag von den Niederschlagselektroden entfernt werden miissen. Die in Abb. 1 gezeigtegassenformige

Abb. 1. Grundschema eines Plattenelektrofilters. 1 Niederschlags- elektrode, 2 Spruhelektrode, 3 staubbeladener Gasstrom, 4 Span- nungsumsetzanlage.

Chem.-1ng.-Tech 52 (1980) Nr. 5 , S 375-383 Verlag Chemie, GmbH, D-6940 Weinheim 1980 0009-286X/80/0505-0375$02.50/0

375

Tabelle 1. Elektrofiltereinsatz in verschiedenen Entstaubungsbereichen.

Eisenhuttsnbereich Sinteronlagen Rournentstaubungen Sinterbandentstaubung Oirektreduktionsanlagen ISL /RNl Stahlwerksbereich SM-Otenentstaubung Konvertergasentstaubung Hallenluftentstaubung

Steinkohle Braunkohle

Mullverbrennung.agdQw

Lepololen Worrnelauscheroten Longer Orehrohrofen Zementmuhlenfilter

H H H

H H H

Heingasfilter fur SO, - ha? t ige Gose

.breinigung

T T

T

T T T T

T T T

T T T

T

T

N

N

N N

Zeichenerklarung I V Vertikal H Horizontal N Flussigablauf T Trockenabreinigung

ederschlog5 ektroden

P P

P

P P P P

P P P

P P P

P

P

R/W

P

S P

?hausekon- ruktion

K K

K

K K K K

K K K

K R K

K

K

R

K

R K

3 Rohr P Platten N Woben 5 Segrnentgassen K Kastenbauweise

Kanditro- nierung

(SO31

VK

WE

WE IWEI VK

VK VK

IWEl

VK

VK

iasternpero- ur

O C

120-150 1 LO-180

250-280

120-1 80 150-1 8 0 350-LOO

80-1 0 0

60-100 120-180

2 0 0

2 50 1 8 0 6 0-80

100-200 3 5 0

30 0-L 0 0

LO

LO

20-25 L5-80

IK Verdampfungskuhler NE Wassereindusung

Verbundbetrieb

Anordnung der Niederschlagselektroden bei horizontaler Durchstromung ist typisch fur Trockenelektrofilter, wobei das Gehause in der Regel kastenformig ausgefuhrt ist. Bei NaDelektrofiltern - sieht man von den Apparaten zur Gichtgasreinigung ab - wird hingegen die vertikale Durch- stromung bevorzugt, wobei die Niederschlagselektroden die Form von zylindrischen Rohren, Waben oder Quadratgassen aufweisen. Der abgeschiedene Nebel bildet einen nach unten ablaufenden Flussigkeitsfilm, so daD eine zusatzliche Abreini- gung in der Regel entfallt. Wird gleichzeitig Staub abgeschie- den, ist mitunter eine periodisch stattfindende Zusatzspulung der Niederschlagselektroden erforderlich. Elektrofilter werden in vielen Industriezweigen eingesetzt. Tab. 1 gibt einen Uberblick uber Hauptanwendungen, verbunden mit einigen konstruktiven und verfahrenstechni- schen Daten. Die angegebenen Reingasstaubbeladungen stellen den gegenwartigen Stand der Filterdimensionierung dar unter Beachtung der Vorschriften der TA Luft f i r Abgase bzw. der speziellen Erfordernisse fur Nutz- und ProzeDgase zum Schutze nachgeschalteter Anlagenteile. Die groDten Filter werden im Kraftwerksbereich und in der Eisen- und Stahlindustrie eingesetzt. Die folgenden Daten einer der grooten gebauten Filtereinheiten machen den heutigen Leistungsstand deutlich : In einem steinkohlege- feuerten Kraftwerk von 750 MW installierter elektrischer Leistung wird durch zwei parallel geschaltete Filter ein Rauchgasvolumenstrom (Normzustand'), trocken) von ins- gesamt 2 500 000 m3/h entstaubt. Die Feldhohe der Filter betragt 14m, die Filterbreite 37 m. Bei einem Gesamtabschei- degrad von uber 99% werden ca. 25 t Flugascheh abgeschie- den. Der Gesamtdruckverlust des Filters liegt bei 3 mbar. Der Energieverbrauch fur die elektrischen Felder, Isolatorenbe- heizung und die Hilfsantriebe betragt 0,52 kWh/l000 m3 zu entstaubendes Gas.

1) Normzustand: 1013,25 mbar, 273,16 K.

ru 0 O C

3WO 60-65

bis 50

60 60 30

L 5-50

15 LO-L5

7 5

6 0 7 5

bis20

70

L 5

30-50

30-50

20-25 2 5-30

V"

m3/ h

2500000 3 0 0 0 0 0 0

1 5 0 0 0 0

1 5 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 350000

7 5 0 0 0

8 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0

1 5 0 0 0 0 0

5 0 0 0 0

7 0 0 0 0

5 0 0 0 0

5 0 0 0 0

P O 0 0 0 60000

CrOh n

g/m3

10-15 10-20

5-10

2-5 50-1000' 6 0

b15500

1 5 0.5-2 10-20

5-1 5 50-100

1-5

1 0 0

10-50

1-5

1-5

2 0 3

C..," n

mq /rn3

1 0 0 7 5

50-100

75 7 5 75 7 5

7 5 100-150

50-100

50-100 50-100

50

2 0

1 0 0

5-20

5-20

20 5 0

ng'"

%

>9 9 >9 9

98-99

>98 >99.5 >99.5 >9 9.5

>9 9 9 0

>9 9

s 9 9 >99 >9 0

>9 9

>9 9

>99.5

>9 9.5

99.9 >96

2 Elektrofilterauslegung Grundlage der verfahrenstechnischen Auslegung eines Elek- trofilters ist die Formel nach Deutsch')

Der Gesamtabscheidegrad qges ist durch die vom jeweiligen ProzeD stammende Teilchenbeladung des Rohgases Croh und durch die zulassige Teilchenbeladung des Reingases Crein vorgegeben ; ebenso ist der zu reinigende Gasvolumenstrom V bekannt. Bei Kenntnis der Wanderungsgeschwindigkeit w laDt sich nun die erforderliche GroDe der Niederschlagsflache A berechnen. Nach Festlegen des Gassenabstandes und der Stromungsge- schwindigkeit, die je nach Anwendungsfall im Bereich von 1 bis 4 m/s liegt, ergeben sich hieraus Querschnitt und Lange des Elektrofilters. Die Deutsch-Formel basiert auf einer einfachen Modellvor- stellung. EinfluDgroDen, die explizit nicht erfaI3t sind, flieDen in die Wanderungsgeschwindigkeit w ein, der fur die Filterauslegung zentrale Bedeutung zukommt. Verschiedene Autoren verwenden auch modifizierte Formeln, um empi- risch gefundene Zusammenhange in durch Messung erfaI3ten Bereichen quantitativ richtig wiederzugeben 11 - 3 u. a.].

3 Wanderungsgeschwindigkeit

Die Wanderungsgeschwindigkeit w, ,haufig auch effektive Wanderungsgeschwindigkeit genannt, nimmt in technischen Anlagen Werte zwischen 2 und 30 cm/s an. Sie stellt eine IntensitatsgroDe dar, deren Bedeutung vergleichbar ist mit der der Warmedurchgangszahl oder der Reaktionsgeschwin-

2) Eine Zusammenstellung der Formelzeichen befindet sich am SchluD der Arbeit.

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digkeitskonstanten bei Auslegung von Wiirmeaustauschern oder chemischen Reaktoren. Der effektive w-Wert ist als integraler Mittelwert ortlicher Wanderungsgeschwindigkeiten w, aufzufassen. Diese sind eine Funktion vieler EinfluBgroBen, wie z. B. Kornverteilung und Stoffeigenschaften der abzuscheidendeii Teilchen, Tem- peratur, Druck und Zusammensetzung des Gases, erreichba- re Feldstiirke, Spruhstromstarke- und verteilung, Gasvertei- lung auf die einzelnen Gassen und Bypass-Stromungen. Eine wesentliche Rolle spielen auch Stromungs- und Stofftrans- portparameter, die ihrerseits uber die Gasgeschwindigkeit, den Gassenabstand, die Feldhohe und die Feldlange beein- fluI3t werden. Des weiteren gehen Fertigungs- und Montage- toleranzen, die Form und Anordnung der Spriih- und Niederschlagselektroden und andere anlagenspezifische GroBen ein. Die Wandei-ungsgeschwindigkeit M.' stellt demnach eine komplexe GroBe dar. Zur Auslegung werden nur solche Werte herangezogen, die durch Messungen an technischen Anlagen, welche unter gleichen oder ahnlichen Bedingungen arbeiten, gewonnen wurden. Theoretische Berechnungen und Versuche im Labor- und TechnikumsmaBstab dienen dem Verstiindnis der sich im Elektrofilter abspielenden Vorgange und geben wichtige Hinweise zur Optimierung des Trennprozesses. Die Erfah- rung zeigt jedoch, daB in Kleinapparaten ermittelte w-Werte in groRtechnischen Anlagen nicht zu realisieren sind. Im folgenden seien einige wichtige Gesichtspunkte aufgegrif- fen.

3.1 Teilchenladung

Teilchen, die abgeschieden werden sollen, mussen zuvor im elektrischen Feld aufgeladen werden. Die Aufladung erfolgt be1 Partikeldurchmessern > 1 pm unter der Einwirkung des elektrischen Feldes (StoBaufladung). Mit kleiner werdender Partikelabmessung gewinnt die thermische Bewegung der Ionen immer mehr an Bedeutung, so daB zunehmend Diffusionsgesetze den Aufladevorgang bestimmen. Ohne naher auf die verschiedenen Auflademechanismen einzugehen, sei in Abb. 2 die Auswertung voii Gleichungen

Aufladezeit i n s - Abb 2. Aufladezeit und Stromdichte

Teilchenladung leitfahiger Partikeln in Abhnngigkeit von

nach [4] wiedergegeben, die die Partikelaufladung als Funktion der Zeit zeigt. Fur d, = 5pm wurden als ,Satti- gungsladung' 90% der Maximalladung, fur d, = 0,2 pm der 400fache Wert der Ladezeitkonstanten eingesetzt. Bei iibli- chen Stromdichten von 0,l bis 1 mA/m2 ist dann die Aufladezeit im Vergleich zur Verweilzeit des Gases im Elektrofilter von etwa 10 bis 20 s vernachliissigbar klein. Sie spielt demnach keine entscheidende Rolle beim Abscheide- vorgang.

Dies iindert sich, wenn Storungen durch zu hohe negative Raumladungen des Rohgases oder durch einen zu hohen elektrischen Staubwiderstand beim Trockenelektrofilter den Ionenstrom stark vermindern. So ist Abb. 2 zu entnehmen, daB bei einer Stromdichte von nur 0,01 mA/m2 die Aufladezeit in die GroBenordnung der Verweilzeit des Gases im Elektrofilter kommt. Entsprechend schlecht ist der zu erwartende Abscheidegrad. 1st der Spannungsabfall in der Staubschicht so hoch, daB die Durchbruchfeldstarke des Staubbelages uberschritten wird, erfolgt entweder ein Durchbruch der Gasstrecke, der die maximal anlegbare Spannung begrenzt, oder es bildet sich an einzelnen Stellen der Niederschlagsplatten eine positive Korona aus, was ein Neutralisieren bzw. Umpolen der Staubteilchen zur Folge hat ; dem Spruhstrom iiberlagert sich ein die Abscheidung behindernder Strom. Diese als Riick- spriihen bekannten Effekte setzen erfahrungsgemao oberhalb von Feldstiirken in der Staubschicht von 5 kV/cm ein. Wie man ihren negativen Auswirkungen auf das Abscheide- verhalten begegnet, wird in Abschnitt 4.1. dargelegt.

3.2 Theoretische Wanderungsgeschwindigkeit

Die Elektrofiltertheorie gestattet die Berechnung der Wande- rungsgeschwindigkeit der Partikeln unter idealisierten Ver- haltnissen (u. a. ruhendes Gas, keine Beeinflussung der Partikeln untereinander). Aus dem Kraftegleichgewicht von Coulomb-Kraft und der urn den Cunningham-Faktor erweiterten Stokesschen Wider- standskraft ergibt sich die theoretische Wanderungsge- schwindigkeit der Partikeln zu

Modifiziert man diesen Zusammenhang gemiiB der vom Partikeldurchmesser abhangigen unterschiedlichen Lade- und Verschiebemechanismen, so erhalt man, von der Sattigungsladung der Partikeln ausgehend, fur Durchmesser > 1 pm ( C u = I ) :

Hieraus ist eine quadratische Abhangigkeit von der Feldstiir- ke und eine lineare Abhangigkeit von der TeilchengroBe erkennbar. Man wird daher bestrebt sein, die Betriebsspan- nung so hoch wie moglich einzustellen, d. h. die Hochspan- nungsaggregate an der i;'berschlagsgrenze zu betreiben. GroDere Gaszahigkeiten sowie kleinere Dielektrizitatszahlen wirken sich vermindernd auf die Wanderungsgeschwindig- keit aus. Bei Teilchendurchmesser < 0,2pm, d. h. im Bereich der Diffusionsaufladung, ergibt sich folgeiider Zusammenhang :

(4 1 W t h - ~ .

Bemerkenswert ist, daB sich nun die Abhangigkeit von der TeilchengroBe infolge der Cunningham-Korrektur [5]

E , TCu

Y

(5 1 21+j

d, CU == 1 + ~ (1,257 + 0 , 4 e ~ ' . ' " ~ ' " ~ ~ )

umkehrt, d. h., daB bei gegebenen Werten von E,, Tund q die Wanderungsgeschwindigkeit wth mit kleiner werdendem Teilchendurchmesser d, groBer wird. Daraus resultiert ein Minimum der theoretischen Wande- rungsgeschwindigkeit zwischen Partikeldurchmessern von

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0,2 und 1 pm, ein Ergebnis, das auch schon experimentell nachgewiesen werden konnte [6].

3.3 Strom/Spannungs-Optimierung, Elektrodenwahl

Eine gute Ausnutzung der Niederschlagselektroden setzt eine moglichst homogene Feldverteilung voraus. AUS dieser Sicht ist ein Rohrenfilter allein von der Geometrie her begiinstigt, weil die Feldlinien gleichmafiig radial nach auBen gehen und zu einer gleichformigen Stromverteilung an den Niederschlags- elementen fiihren. Beim horizontal durchstromten Plattenfilter hingegen wird das elektrische Feld zwangsweise verzerrt. Werden Bander mit Spriihspitzen an Stelle von DAhten verwendet, so kommt eine weitere Inhornogenitat hinzu. Es ist einleuchtend, daIj allein die geometrische Anordnung beziiglich der Zuordnung von Gassen- und Spruhdrahtab- stand und der Spitzenabstande in vertikaler Richtung sowie die Gestalt der Niederschlagselektroden einen EinfluB auf die Abscheidegiite und damit aufden w-Wert haben miissen. Eine Optimierung 1aBt sich im Labor durch Ausmessen der Stromverteilung auf der Niederschlagselektrode und durch Sichtbarmachen des Einwirkungsbereiches einzelner Spruh- spitzen erreichen. Die maximal mogliche Uberschlagsspan- nung ist ein weiteres Optimierungsmerkmal. Eine in jiingster Zeit auf der Basis dieser Uberlegungen entwickelte Elektrodenanordnung ist in Abb. 3 wiedergege-

Abb. 3. Niederschlagselektrode Typ ZT.

ben. Die ZT-Elektroden streben - bei mittiger Anordnung der Spriihelemente - durch die angenaherte Ausbildung als Zylinderhalbschalen die idealen Verhaltnisse des Rohrenfil- ters an. Bei der Gestaltung von Elektroden sind naturlich noch andere Gesichtspunkte zu berucksichtigen wie Walzbarkeit, Seitensteifigkeit, Stapelfahigkeit, Montierbarkeit, Haltbar- keit gegeniiber Klopfbeanspruchung und Schluckvermogen beziiglich Staubanlagerung und Staubreinigung.

3.4 Gassenabstand

Der Deutsch-Formel liegt der Gedanke zugrunde, daB sich die Teilchenkonzentration iiber den Stromungsquerschnitt infolge turbulenter Vermischung ausgleicht, so daf3 die Abscheidebewegung der Teilchen mit der Wanderungsge-

~~ ~~~

schwindigkeit i~ aus dieser turbulenten Kernstromung erfolgt. Die Anderung der Teilchenkonzentration in einem beliebigen Filterquerschnitt ist der dortigen absoluten Teil- chenkonzentration proportional, was bei Integration zum exponentiellen Zusammenhang in G1. (1) fiihrt. Analoge Ansatze sind bei der Auslegung von Warmeaustauschern und chemischen Reaktoren (idealer Strornungsreaktor, heteroge- ne Wandreaktion 1. Ordnung) gebrauchlich. Wiirde man bei gleichbleibenden Apparateabmessungen den Gassenabstand durch Entfernen jeder zweiten Niederschlags- elektrode und des dazugehorigen Spriihrahmens verdoppeln, so miiDte sich wegen Halbierung von A entsprechend GI. (1) der Abscheidegrad vermindern. Dies ist aber tatsachlich nicht der Fall. Bei Einstellung gleicher elektrischer Werte wie Feldstarke und Stromdichte bleibt der Abscheidegrad kon- stant. Die Untersuchungen von Giipner [7] stellen diesen Tatbe- stand besonders deutlich dar. Mit einem zweifeldrigen, aus einer Gasse bestehenden Versuchsfilter wurden im Bypass zu einer Betriebsanlage Messungen mit den Gassenabstanden 250 und 375 mm durchgefuhrt. Der Spruhdrahtabstand wurde in diesem Fall, um gleiche Stromdichten bei gleichen niittleren Feldstlrken zu erreichen, im selben Verhaltnis (1,5fach) wie der Gassenabstand verandert. Die Stromungs- geschwindigkeit des Gases blieb gleich, so daR sich bei dieser Versuchsfiihrung nicht die Niederschlagsfliiche, wohl aber der Gasvolumenstrom ebenfalls um den Faktor 1,5 Znderte.

1 2 3 L 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1213%’. 1516 pEFq Bunker Nr. - Abb. 4. Filterlange und Gassenabstand.

Mittlere Wanderungsgeschwjndigkeit in Abhangigkeit von

Abb. 4 zeigt die Auswertung der Versuchsergebnisse nach der Deutsch-Formel, wobei die Versuchsapparatur eine Errnitt- lung des w-Wertes in Abhangigkeit von der Filterlange, hier dargestellt durch die Bunkerzahl, ermbglicht. Es ist ersicht- lich, daB der w-Wert bei a = 375 mrn durchweg grBDer ist als bei a = 250 inm bei prinzipiell gleichem Verlauf iiber der Filterlange. Die Auftragung des Verhdtnisses w/a ergibt praktisch identische Kurven. Der w-Wert ist demnach direkt proportional zum Gassenabstand. Eine w-Wert-Erhohung mit zunehmendem Gassenabstand

~~

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wurde auch schon friiher nachgewiesen [8, 91, fuhrte in Europa aber erst jetzt in der technischen Anwendung zu Konsequenzen, indem Filter rnit groDerem Gassenabstand als den iiblichen 200 bis 300 mm, z. B. auf dem Zementsektor [lo], eingesetzt werden. Die Erfahrungen an GroDanlagen zeigen, daB zur Erzielung einer abstandsproportionalen w- Wert-Erhohung gleich hohe mittlere Feldstarken und Strom- dichten realisiert werden sollten, Forderungen, die sich rnit der ZT-Elektrode leicht erfullen lassen. Der Gassenabstand diirfte in Zukunft durch das wirtschaftliche Optimum bestimmt werden, wobei grol3er Gassenabstand geringere Fertigungs- und Montagekosten, aber hohere Kosten fur die Spannungsumsetzanlage bedeutet. Es gibt verschiedene Hypothesen, mit denen das bestehende Phanomen erklart werden kann. So laBt sich rechnerisch und meljtechnisch nachweisen, daB ein groBerer Gassenabstand einen Anstieg der Feldstarke nahe der Niederschlagselektro- den zur Folge hat [I 1, 121. Andererseits zeigen Untersuchun- gen, dalj die Ausbildung eines Bereiches hoherer Teilchen- konzentration und/oder einer erhohten turbulenten Vermi- schung nahe der Niederschlagselektroden zu einer Riickdiffu- sion von Partikeln fiihrt. Dieser Effekt ist unabhangig von der Gassenbreite ; sein Einflulj vermindert sich rnit zunehmen- dem Gassenabstand [3, 7, 131.

4 Staubwiderstand

Die elektrischen Krafte fihren zum Abtrennen der Partikeln aus dem Gasraum und bei Fliissigteilchen zu einem an den Niederschlagselektroden nach unten ablaufenden Film. Dieser Fliissigkeitsfilm ist in der Regel elektrisch leitfahig, Wiederaufwirbelung von Partikeln und Riickspriiherschei- nungen sind auszuschliel3en. Bei trocken arbeitenden Ent- staubern bildet sich dagegen ein Staubpelz aus, der im elektrischen Sinne als Isolator zu betrachten ist. In dessen Hohlraumen und Zwickeln kommt es zur Kondensation von Schwefelsaure und Wasser weit oberhalb des eigentlichen Kondensationspunktes, aber auch zur Adsorption von Gaskomponenten, wie z. B. SO, und SO,. Abb. 5 zeigt das typische Widerstandsverhalten eines Staubbelages als Funktion von Gastemperatur und Wasser- taupunkt. Im Iinken Kurvenast faIIt der Staubwiderstand mit

1d3,

3

t lo'

5 6 c c _ 3

to"

0

6

3

35 /45/%36/70'c Taupunktstemperatur lolo/ 40 ?3 60

100 200 300 LaJ js4325.51 3 in%+

Abb. 5 . ternperatur und Wassertaupunkt.

Spezifischer Staubwiderstand in Abhangigkeit von Gas-

sinkender Temperatur und hoherem Wassertaupunkt. La- dungstrager sind Ionen. Der Ladungstransport findet infolge elektrolytischer Vorgange im Kondensatfilm auf den Staub- oberflachen statt. Bei Temperaturen oberhalb 200 bis 300°C zeigt der Staub das normale Verhalten eines Halbleiters, wonach der Staubwiderstand rnit steigender Temperatur fallt. Die Ladungen bewegen sich im Inneren der Partikeln. Ladungstrager sind Elektronen, es kann jedoch auch bei bestimmten Materialien eine Ladungsubertragung durch Ionen erfolgen [14]. Zwischen zu hohen spezifischen Staubwiderstanden, die oberhalb von ca. lo1' R cm Ruckspriihen auslosen konnen, und zu niedrigen Staubwiderstanden (e < lo5 R cm), die infolge geringer elektrischer Haftkrafte eine Wiederaufwirbe- lung des abgeschiedenen Staubes begiinstigen, ergibt sich ein idealer Arbeitsbereich fur Elektrofilter. Zur Verminderung zu hoher Staubwiderstande sind verschie- dene Losungen bekannt. Eine vor allem in den USA auf dem Kraftwerkssektor angewandte Moglichkeit besteht darin, das Elektrofilter vor dem Luftvorwarmer anzuordnen. Bei Rauchgastemperaturen von 350 bis 450°C lassen sich beachtliche w-Wert-Verbesserungen erzielen, die jedoch infolge der bis zu 60% hoheren Gasvolumenstrome wieder kompensiert werden und zu etwa gleichen FilterbaugroDen wie bei konventioneller Anordnung hinter dem Luftvorwar- mer fiihren. Des weiteren ergibt sich bei verringerten U berschlagsspannungen, aber hoheren Abscheidestromen, ein hoherer Energieverbrauch. Bei heiDen Gasen, bei denen eine Warmeriickgewinnung unwirtschaftlich ist, bietet sich die Losung an, durch Wassereindiisung die Gastemperaturen abzusenken und gleichzeitig den Wassertaupunkt anzuheben. Hiervon wird ausgiebig in der Zement- und Stahlindustrie Gebrauch gemacht. Auch in Kohiekraftwerken, in denen Schwierigkei- ten durch zu hohe spezifische Staubwiderstande auftreten, versucht man neuerdings, diesen Weg zu gehen, wobei sich spezielle Probleme durch die relativ geringen Abgastempera- turen, und zwar hinsichtlich der Verdunstungsgeschwindig- keit des Wassers und der Korrosionsgefahr, ergeben. Eine Moglichkeit, den Staubwiderstand ohne Veranderung der Gastemperatur abzusenken, besteht in der Zumischung chemischer Konditionierungsmittel wie Ammoniak, Triathyl- amin, Schwefelsaure bzw. Schwefeltrioxid, die eine Verbesse- rung der Oberflachenleitfahigkeit und des Agglomerations- verhaltens der Partikeln bewirken. Wegen seiner Wirtschaftlichkeit sowie seiner starken und reproduzierbaren Wirksamkeit hat das Schwefeltrioxid tech- nische Bedeutung erlangt.

4.1 SO3-Konditionierung

Im folgenden sol1 iiber Konditionierungsergebnisse berichtet werden, die mit einer 1978 in einem Steinkohlekraftwerk in Betrieb gegangenen, im groDtechnischen MaDstab arbeiten- den SO,-Konditionierungsanlage erzielt wurden. Die Anlage konditioniert als zentrale Einheit die Rauchgase dreier Kraftwerksblocke rnit einer installierten elektrischen Lei- stung von insgesamt 520 MW. Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen ergaben, daB der SO,- Erzeugung auf der Basis Fliissigschwefel gegeniiber der Verdampfung von SO,, SO, und H,SO, der Vorzug zu geben ist. Ein weiterer Vorteil des Fliissigschwefel-Einsatzes liegt in der unter dem Sicherheitsaspekt zu sehenden problemlosen Lagerung. Bei der zu konditionierenden Flugasche handelt es sich um vorwiegend zu Feinstpartikeln kondensierte alkalireiche Mineraldampfe, die im ersten Feld der Elektrofilter eine

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Spriihstromunterdruckung aufgrund hoher Raumladungsef- fekte und im letzten Feld Ruckspriiherscheinungen aufgrund hoher spezifischer Staubwiderstande verursachen. In den Diagrammen Abb. 6 und 7 wurden die MeDergebnisse hinsichtlich des Staubwiderstandes, der Reingasstaubbela- dungen und der w-Wert-Erhohung zusammengestellt. So fuhrt bei einer Rauchgastemperatur von 150°C die Zumi- schung von 30 Vppm SO, zu einer Absenkung des Staubwi- derstandes um eine Zehnerpotenz. Der spezifische Filter- strom stieg von 0,03 auf 0,l mA/m2 an, der w-Wert urn 75%. Die Reingasstaubbeladung sank auf 6 bis 13% des Wertes ohne Konditionieruhg.

. - . . 80 90 100 150 zoo 250

Gastemperatur 9 in "C-

Abb. 6 . spezifischen Staubwiderstand.

EinfluD der SO,-Konzentration im Rauchgas auf den

O J I I I I I I

Vppm SO3-

0 10 20 30

2DD 1.9

1.8

1.7

1.6

1.5

1.L

1.2 1.31

l.O0 1 10 20 30

184325.71 Vppm SO3-

Abb. 7. EinfluD der SO,-Konzentration im Rauchgas auf die Reingasstaubbeladung und die Wanderungsgeschwindigkeit bei 9 = 150°C.

Als optimale SO,-Gas-Konzentration erwies sich eine Dosie- rung von 10 bis 15 Vppm. Die SO,-Konzentration des Rauchgases am Kamin erhohte sich nicht, was zeigt, daI3 das zugesetzte SO, vollstandig von der Flugasche adsorbiert wurde. Bei Asche-Riickfuhrung wird das an der Stauboberflache adsorbierte SO3 im Feuerraum zu SO, umgesetzt. Die hierdurch bedingte Erhohung der SO,-Konzentration im Abgas konnte mel3technisch nicht erfaljt werden. Rechne- risch ergibt sich bei 1 YO Schwefel-Gehalt in der Kohle eine Erhohung des S02-Gehaltes von 2,OO auf 2,04 g/m3 (Normalzustand, trocken) bei Zugabe von 15 Vppm SO3. Die SO,-Konditionierung erweist sich demnach als wir- kungsvolle MaDnahme, um auch bei extrem schwierigen Kohlearten ausreichende Abscheidegrade mit gangigen Fil- tergroDen zu erzielen. Weiterhin lassen sich altere Filteranla- gen, deren Abscheideverhaltnisse durch hohen Staubwider- stand beeintrachtigt werden, mit Hilfe von SO, in ihrer Wirkung verbessern.

5 Einsatz von Elektrofiltern in Stahlwerken

Der ,,braune Rauch" als auDeres Merkmal eines Eisenhutten- werkes gehort seit Jahren der Vergangenheit an, ein Ergebnis, an dem Elektrofilter maBgeblichen Anteil haben. Im Bereich der Stahlerzeugung und Stahlveredlung besteht die Besonder- heit, daR die Prozesse ,,chargenweise" durchgefiihrt werden, wobei grol3e Gasvolumenstrome anfallen und zu entstauben sind. Der diskontinuierliche Betrieb hat zur Folge, daD einige, den Entstaubungsvorgang beeinflussende Parameter standi- gen Anderungen unterworfen sind. Um allen Betriebsbedin- gungen gerecht zu werden, miissen das Gasauffangsystem und die Entstaubungsanlage sorgfaltig ausgelegt sein. Unzu- Iassig hohe Temperaturspitzen und zu hoher Staubwider- stand werden durch Eindusen von Wasser in das Kanalsystem selbst oder in gesonderten Verdampfungskuhlern beherrscht. Moderne Oxygen-Konverter-Anlagen zur Erzeugung von Rohstahl arbeiten heute fast ausschlieDlich nach dem Mindestgasverfahren. Hierbei wird die zwischen Konverter- Mund und Kiihlkamin (s.Abb. 8) eingesaugte Luftmenge so gering gehalten, daD das stark CO-haltige Primargas aus dem Konverter nur zu einem geringen Teil im Kuhlkamin verbrannt wird (Luftzahl < 0,l). Es ergeben sich gegeniiber dem alteren Verfahren mit Vollverbrennung geringere Abgas- mengen und damit geringere Aufwendungen fur die Kiihlung und die Entstaubung der Konverter-Abgase. Des weiteren ergibt sich die Moglichkeit, das brennfahige Abgas aufzufan- gen und zu nutzen, statt es abzufackeln. Diesen Vorteilen steht der Nachteil gegenuber, daD aufgrund des instationaren Betriebes zeitlich nacheinander Luft, Verbrennungsgas und beim Ubergang zu Luftzahlen < 1 ein CO- und gegebenenfalls auch H,-haltiges Brenngas die Entstaubungsanlage durchstromen (s. Abb. 9). Am Ende der Blasperiode wiederholt sich der gleiche Vorgang in umge- kehrter Reihenfolge. Die Gefahr der Bildung explosibler Gasgemische, verursacht durch ein ungleichmal3iges Stro- mungsprofil, Totraume, Sekundarstromungen oder turbu- lenten Stoffaustausch, ist prinzipiell gegeben. Man begegnet ihr durch die Entwicklungeines Trockenelektrofilters speziel- ler Bauart (s. Abb. 8). Dasmit 900bis 1000"Cden Kiihlkamin verlassende Konverter-Abgas wird im Verdampfungskiihler auf 150 bis 200°C abgekuhlt, im dreifeldrigen Trockenelek- trofilter runder Bauart entstaubt und iiber das einstufige Axialgeblase dem Abgaskamin mit Fackel zugefiihrt. Die zyiindrische Gestalt des Filtergehauses ermoglichr. eine druckstoljfeste Ausfuhrung (Auslegungsdruck 2 bar Uber-

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Karnin rnit Fackel

Verdampfungskuhler Elektrofilter

druck). Selbsttatig schlieBende Sicherheitsklappen sorgen dafiir, dalj dieser Druck auch unter (nur hypothetisch denkbaren) ungunstigen Explosionsbedingungen nicht uber- schritten wird. Der kreisrunde Stromungsquerschnitt ermog- licht im Verbund rnit den Drosselblechen am Eintritt des Elektrofilters ein gleichmaljiges Stromungsprofil, so dal3 das Konverter-Abgas die Anlage nahezu kolbenartig durch- stromt. Das Rundfilter enthalt keine totraumbildenden

Blaszeit -+ Abb. 9. Abhangigkeit von der Blaszeit.

Bunker. Der vom Niederschlagssystem abgeklopfte Staub wird mittels eines Raumers uber gegenseitig abgeschottete DurchlaBoffnungen direkt einem Trogkettenforderer zuge- fiihrt. Das erste Rundelektrofilter wurde 1969 hinter einem 200-t- Aufblaskonverter, der nach dem LD/LDAC-Verfahren ar- beitet, eingesetzt. Uber Betriebserfahrungen an diesen Anla- gen sowie uber deren Aufbau und Betriebssicherheit wurde in der Literatur berichtet [IS - 271. Bei ungestortem Blasbetrieb ist die Bildung explosionsfahiger Gasgemische nur durch axiale Riickvermischung im Uber- gangsbereich von I. > 1 zu I. < 1 und umgekehrt denkbar. Eine Auswertung von Betriebsmeljwerten nach dem Diffu- sionsmodell

Zusammensetzung des trockenen Konverter-Abgases in

a2c ac a t ax2 - = M -

zeigt [17], daB nicht nur bei den zuvor betrachteten Betriebsanlagen, sondern auch unter abweichenden Bedin-

Abb. 8. Trocken-Elektrofilter- Anlage in Rundbauweise zur Entstaubung von Konverter- Abgasen.

gungen, wie sie beim bodenblasenden OBM-Konverter gegeben sind, keine explosionsfahigen Gaszonen entstehen konnen. Dieszu wissen ist insofern wichtig, als bei dem OBM- Konverter Abgase rnit hoherem H,-Gehalt erzeugt werden konnen, wodurch der Explosionsbereich aufgeweitet wird. Vor einem halben Jahr ist die erste OBM-Konverter-Anlage mit Rundelektrofilter in Betrieb gegangen, deren Betriebser- gebnisse die theoretischen Uberlegungen bestatigt haben.

6 Entwicklungstendenzen bei NaBelektro- filtern in der chemischen lndustrie

Ein Hauptanwendungsgebiet des Naljelektrofilters ist die Entfernung von Saure-Nebeln aus Reaktions- und Abgasen verschiedener Prozesse der chemischen Industrie. Reaktions- gase konnen Rost- oder Spaltgase zur Schwefelsaure- Herstellung oder Chlor aus der Chloralkali-Elektrolyse sein. Saurenebelhaltige Abgase entstehen beispielsweise bei der Calcinierung von Titandioxid sowie hinter Kontaktappara- ten zur Schwefelsaure-Erzeugung oder hinter HCI-Absor- bern . Zur Gasreinigung werden einfeldrige, vertikal durchstromte Rohrenfilter, die rnit Gasvolumenstromen bis zu 100 000 m3/h beaufschlagt werden konnen, eingesetzt. Wegen des hohen w-Wertes ist eine ein- bis maximal zweistufige Ausfiihrung ausreichend. Die Werkstoffauswahl mu0 die korrosiven Eigenschaften des abzuscheidenden Mediums berucksichtigen. Fur Schwefel- saure-Nebel wird seit jeher Blei, in neuerer Zeit zunehmend Kunststoff verwendet. Blei-Filter sind relativ teure und schwere Konstruktionen, die wegen des Kriechens des Werkstoffes auch einen hohen Wartungsaufwand erfordern. Bei Kunststoff-Filtern wird die Leitfahigkeit der Niederschlags- elektroden durch die abgeschiedenen Nebel sichergestellt. Als Werkstoffe fur solche Filter kommen bis 45°C PVC, bei hoheren Temperaturen GFK/PVC-Verbundmaterialien oder reiner GFK aus Polyester-Harzen in Frage. Der Einsatz von Polypropylen ist wegen der leichten Entflammbarkeit des Materials nicht zu empfehlen. Beim Niederschlagssystem von Blei-Filtern werden Platten- oder Quadratgassen verwendet, wogegen Kunststoff-Filter iiblicherweise als Rohrbundelapparate rnit in Boden gehalte- nen, zylindrischen Rohren ausgefuhrt sind. Ein Kunststoff- Filter aus GFK in Sechskant-Wabenform, welches fur schwefelsaure- und chlorhaltige Gase bis 80 "C einsetzbar ist, stellt die neueste Entwicklung auf diesem Gebiet dar. Der

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konstruktiven Entwicklung gingen umfangreiche technologi- sche Untersuchungen zur Festlegung der Werkstoff-Zusam- mensetzung und des Herstellungsverfahrens voraus, um optimale Bedingungen bezuglich Bestandigkeit gegenuber Korrosionsangriff und Funkenuberschlag, Unterdriickung der Entflammbarkeit sowie MaBhaltigkeit und Oberflachen- giite der Wabenelemepte zu erzielen. Das Wabenbundel (s. Abb. 10) ist aus einzelnen Elementen zusammengesetzt und

Abb. 10. Elektrofilter zur Abscheidung von Saure-Nebeln in Wabenbauweise.

stellt eine kompakte, durch eine auDere Laminatschicht zusammengehaltene Einheit dar. Gegenuber dem zylindrischen Rohrbundelapparat weist das Wabenfilter einige bemerkenswerte Vorteile auf. ’ Da die Wabe beidseitig als Niederschlagselektrode wirkt, ergibt sich eine bessere Materialausnutzung. Der Wegfall der Totraume, die bei Einzelrohranordnung zwangslaufig vorhanden sind, fuhrt zu etwa halb so groBen Apparatequerschnitten mit entsprechend kleinen Ober- und Unterkasten. Durch das Fehlen von Rohrboden wird zudem die Konstruktion vereinfacht. Beschadigungen der Niederschlagselektroden, die zu einer Lochbildung fiihren, ergeben keine Undichtigkei- ten, so daB der Betrieb ohne Storung weiterlaufen kann.

7 Elektrofilter unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen

In jungster Zeit gehen vom Energiesektor besondere Impulse zur Ausweitung der Anwendungsgrenzen des Elektrofilters bis zu Temperaturen von 1000 “C und Driicken bis zu 20 bis 40 bar aus. So werden, hinsichtlich umweltfreundlicher und energiespa- render Technologien, Anstrengungen zur Weiterentwicklung und zum Einsatz von Kohleveredlungsverfahren, wie z. B. der Druckvergasung im Festbettreaktor und der Kohleverbren- nung in der aufgeladenen Wirbelschicht, unternommen. Von diesen Verfahren erwartet man im Vergleich zur konventio- nellen Energieumsetzung geringere Emissionen an SO, und NO,, hohere Wirkungsgrade infolge hoherer ProzeDdriicke, kompakter gebaute Anlagen und niedrigere Investitionsko- sten. Die thermische Energie der erzeugten Brenn- bzw . Rauchgase sol1 uber Gasturbinen in Strom umgesetzt werden. Der Gasreinigung fallt dabei eine zentrale Bedeutung zu, da zum Schutze der Turbinen vor Staubansatzen, Erosion und Korrosionserscheinungen eine weitreichende Partikelab-

scheidung bis zu 1 bis 20 mg/m3 (Normalzustand, trocken) erforderlich ist. Praktische Untersuchungen hinsichtlich des Trennverhaltens von Elektrofiltern in den genannten Temperatur- und Druckbereichen liegen noch nicht vor, wohl aber erste Untersuchungen von Strom/Spannungs-Charakteristiken im interessierenden Temperatur- und Druckbereich, gemessen mit Versuchselektrofiltern in staubfreier Luft und Gasgemi- schen [18, 191. Hiernach ist die Erzeugung einer stabilen Spruhkorona mit hinreichend grol3em Abstand zwischen Uberschlags- und Koronaeinsatzspannung iiber den gesamten Temperaturbe- reich hinweg bei entsprechender Druckzuordnung und Elektrodenanordnung moglich. Druck und Temperatur iiben auf die Ionenmobilitat und damit auf das Raumladungs- und Koronaverhalten entge- gengesetzte Einfliisse aus. Erhoht man bei konstantem Druck die Gastemperatur, zeigen Koronaeinsatz- und Uber- schlagsspannung fallende Tendenz unter gleichzeitiger Ver- engung des Arbeitsbereiches bis zum Zusammenfall beider Werte. Durch eine Druckerhohung lassen sich zunachst Uberschlags- und Durchbruchspannung anheben, es stellt sich jedoch eine Druckgrenze ein, oberhalb der eine stabile Spruhkorona nicht mehr erzeugt werden kann. Dieser sog. kritische Druck ist u. a. von der Elektrodengeometrie abhangig. Da keine konkreten Versuchsergebnisse fur die Partikelab- scheidung bei hohen Temperaturen und Driicken vorliegen, sol1 im folgenden trotz aller Vorbehalte hinsichtlich theoreti- scher Uberlegungen bei solch extremen Bedingungen eine

f log

Y ;I” c

108

I

10’ 0.01 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1

Teilchendurchrnesser in prn -b

t lo6

;la G

21, lo5

l o L 5 10 2 0.5 1 0.1 0.2

1843251 Teilchendurchrnesser in prn - Abb. 11. Druck.

TCu/q und Cu/q in Abhangigkeit von Temperatur und

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grobe Abschatzung der druck- und temperaturabhangigen Parameter vorgenommen werden. Die der Wanderungsgeschwindigkeit der Partikeln propor- tionalen GroDen Cu/q fur Partikeldurchmesser > 1 pm und TCu/q fur kleinere Kornungen wurden f i r zwei Betriebsfalle, namlich Anlagendruck 6 und 11 bar und Gastemperaturen von 600 und lOOO"C, ermittelt und in Abb. 11 dargestellt. Es ist ersichtlich, daB die Wanderungsgeschwindigkeit - bezogen auf normale Abscheidebedingungen (1 bar , 150 " C ) - um den Faktor 1,8 bis 2,5 vermindert wird. Da andererseits eine wesentliche Erhohung der Feldstarke und der spezifischen Stromdichte erzielbar ist, besteht die Moglichkeit, daB beim Betrieb einer Hochtemperatur- Hochdruck-Elektrofilteranlage mit entsprechender Druck- und Temperaturzuordnung im Vergleich zum Normalbetrieb gleichgute bzw. im oberen Kornungsbereich verbesserte Abscheideverhaltnisse erreichbar sind. Neben dieser gunstigen Perspektive mu13 bei hohen Betriebs- temperaturen mit erheblichen materialtechnischen Schwie- rigkeiten gerechnet werden. So tritt z. B. eine rapide Verschlechterung der Festigkeitswerte hochwarmfester und hochlegierter metallischer Werkstoffe etwa a b 800°C ein.

Weitere Problembereiche sind : die isolierte Hochspannungs- durchfuhrung und Abtragung der Spruhrahmen, die Abreini- gung der N iederschlagselektroden und der Staubaustragsme- chanismus. Hierbei bedarf es noch eines erheblichen For- schungs- und Entwicklungsaufwandes und gegebenenfalls des Einsatzes unkonventioneller Technologien und Werk- stoffe, um eine derartige Gasreinigungsanlage einer funk- tions- und betriebssicheren Losung zuzufiihren. Eingegangen am 5. Oktober 1979 [B 43251

Formelzeichen

A a C

Crein

Croh Cu d, E EP M QW Re T t

Niederschlagsflache Gassenabstand Konzentration einer Gaskomponente Reingasstau bbeladung Ro hgasst au bbeladung Cunningham-Faktor Partikeldurchmesser Aufladefeldstarke Abscheidefeldstarke turbulenter Mischungskoefizient Partikelladung Reynolds-Zahl Temperatur [K] Zeitkoordinate

P Volumenstrom w effektive Wanderungsgeschwindigkeit wth theoretische Wanderungsgeschwindigkeit w I 7 x Ortskoordinate in Gasrichtung E, relative Dielektrizitatskonstante 7 dynamische Zahigkeit des Gases qges Gesamtabscheidegrad 9 Temperatur ["C] A M e spezifischer Staubwiderstand

Indizes SO, MeIJwerte mit SO,-Konditionierung n Normzustand, trocken

mittlere Wanderungsgeschwindigkeit, Abschnitt 1 -n

mittlere freie Weglange der Molekule

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