Neuere Erkenntnisse und Anwendungen bei der elektrischen Abscheidung von Stäuben und Nebeltröpfchen

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<ul><li><p>Neuere Erkenntnisse und Anwendungen bei der elektrischen Abscheidung von Stauben und Nebeltropfchen* </p><p>Gernot Mayer-Schwinning und Rolf Rennhack** </p><p>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. </p><p>1 Einfuhrung </p><p>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 </p><p>* Vortrag von G. Mayer-Schwinning auf dem Jahrestreffen der Verfahrens-Ingenieure, 26. his 28. Sept. 1979 in Nurnberg. </p><p>** 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. </p><p>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. </p><p>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 </p><p>Abb. 1. Grundschema eines Plattenelektrofilters. 1 Niederschlags- elektrode, 2 Spruhelektrode, 3 staubbeladener Gasstrom, 4 Span- nungsumsetzanlage. </p><p>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 </p><p>375 </p></li><li><p>Tabelle 1. Elektrofiltereinsatz in verschiedenen Entstaubungsbereichen. </p><p>Eisenhuttsnbereich Sinteronlagen Rournentstaubungen Sinterbandentstaubung Oirektreduktionsanlagen ISL /RNl Stahlwerksbereich SM-Otenentstaubung Konvertergasentstaubung Hallenluftentstaubung </p><p>Steinkohle Braunkohle </p><p>Mullverbrennung.agdQw </p><p>Lepololen Worrnelauscheroten Longer Orehrohrofen Zementmuhlenfilter </p><p>H H H </p><p>H H H </p><p>Heingasfilter fur SO, - ha? t ige Gose </p><p>.breinigung </p><p>T T </p><p>T </p><p>T T T T </p><p>T T T </p><p>T T T </p><p>T </p><p>T </p><p>N </p><p>N </p><p>N N </p><p>Zeichenerklarung I V Vertikal H Horizontal N Flussigablauf T Trockenabreinigung </p><p>ederschlog5 ektroden </p><p>P P </p><p>P </p><p>P P P P </p><p>P P P </p><p>P P P </p><p>P </p><p>P </p><p>R/W </p><p>P </p><p>S P </p><p>?hausekon- ruktion </p><p>K K </p><p>K </p><p>K K K K </p><p>K K K </p><p>K R K </p><p>K </p><p>K </p><p>R </p><p>K </p><p>R K </p><p>3 Rohr P Platten N Woben 5 Segrnentgassen K Kastenbauweise </p><p>Kanditro- nierung </p><p>(SO31 </p><p>VK </p><p>WE </p><p>WE IWEI VK </p><p>VK VK </p><p>IWEl </p><p>VK </p><p>VK </p><p>iasternpero- ur </p><p>O C </p><p>120-150 1 LO-180 </p><p>250-280 </p><p>120-1 80 150-1 8 0 350-LOO </p><p>80-1 0 0 </p><p>60-100 120-180 </p><p>2 0 0 </p><p>2 50 1 8 0 6 0-80 </p><p>100-200 3 5 0 </p><p>30 0-L 0 0 </p><p>LO </p><p>LO </p><p>20-25 L5-80 </p><p>IK Verdampfungskuhler NE Wassereindusung </p><p>Verbundbetrieb </p><p>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. </p><p>1) Normzustand: 1013,25 mbar, 273,16 K. </p><p>ru 0 O C </p><p>3WO 60-65 </p><p>bis 50 </p><p>60 60 30 </p><p>L 5-50 </p><p>15 LO-L5 </p><p>7 5 </p><p>6 0 7 5 </p><p>bis20 </p><p>70 </p><p>L 5 </p><p>30-50 </p><p>30-50 </p><p>20-25 2 5-30 </p><p>V" </p><p>m3/ h </p><p>2500000 3 0 0 0 0 0 0 </p><p>1 5 0 0 0 0 </p><p>1 5 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 350000 </p><p>7 5 0 0 0 </p><p>8 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 </p><p>1 0 0 0 0 0 </p><p>1 0 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 </p><p>1 5 0 0 0 0 0 </p><p>5 0 0 0 0 </p><p>7 0 0 0 0 </p><p>5 0 0 0 0 </p><p>5 0 0 0 0 </p><p>P O 0 0 0 60000 </p><p>CrOh n </p><p>g/m3 </p><p>10-15 10-20 </p><p>5-10 </p><p>2-5 50-1000' 6 0 </p><p>b15500 </p><p>1 5 0.5-2 10-20 </p><p>5-1 5 50-100 </p><p>1-5 </p><p>1 0 0 </p><p>10-50 </p><p>1-5 </p><p>1-5 </p><p>2 0 3 </p><p>C..," n mq /rn3 </p><p>1 0 0 7 5 </p><p>50-100 </p><p>75 7 5 75 7 5 </p><p>7 5 100-150 </p><p>50-100 </p><p>50-100 50-100 </p><p>50 </p><p>2 0 </p><p>1 0 0 </p><p>5-20 </p><p>5-20 </p><p>20 5 0 </p><p>ng'" </p><p>% </p><p>&gt;9 9 &gt;9 9 </p><p>98-99 </p><p>&gt;98 &gt;99.5 &gt;99.5 &gt;9 9.5 </p><p>&gt;9 9 9 0 </p><p>&gt;9 9 </p><p>s 9 9 &gt;99 &gt;9 0 </p><p>&gt;9 9 </p><p>&gt;9 9 </p><p>&gt;99.5 </p><p>&gt;9 9.5 </p><p>99.9 &gt;96 </p><p>2 Elektrofilterauslegung Grundlage der verfahrenstechnischen Auslegung eines Elek- trofilters ist die Formel nach Deutsch') </p><p>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.]. </p><p>3 Wanderungsgeschwindigkeit </p><p>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- </p><p>2) Eine Zusammenstellung der Formelzeichen befindet sich am SchluD der Arbeit. </p><p>376 Chem.-1ng.-Tech. 52 (1980) Nr. 5 , S. 375-383 </p></li><li><p>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. </p><p>3.1 Teilchenladung </p><p>Teilchen, die abgeschieden werden sollen, mussen zuvor im elektrischen Feld aufgeladen werden. Die Aufladung erfolgt be1 Partikeldurchmessern &gt; 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 </p><p>Aufladezeit i n s - Abb 2. Aufladezeit und Stromdichte </p><p>Teilchenladung leitfahiger Partikeln in Abhnngigkeit von </p><p>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. </p><p>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. </p><p>3.2 Theoretische Wanderungsgeschwindigkeit </p><p>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 </p><p>Modifiziert man diesen Zusammenhang gemiiB der vom Partikeldurchmesser abhangigen unterschiedlichen Lade- und Verschiebemechanismen, so erhalt man, von der Sattigungsladung der Partikeln ausgehend, fur Durchmesser &gt; 1 pm ( C u = I ) : </p><p>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 &lt; 0,2pm, d. h. im Bereich der Diffusionsaufladung, ergibt sich folgeiider Zusammenhang : </p><p>(4 1 W t h - ~ . Bemerkenswert ist, daB sich nun die Abhangigkeit von der TeilchengroBe infolge der Cunningham-Korrektur [5] </p><p>E , TCu </p><p>Y </p><p>(5 1 21+j </p><p>d, CU == 1 + ~ (1,257 + 0 , 4 e ~ ' . ' " ~ ' " ~ ~ ) </p><p>umke...</p></li></ul>

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