Verfahren und Einrichtung zur Reinigung eines Heissgasstromes
Das vorliegende Patent betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Reinigung eines Heissgasstromes von festen, flüssigen und gasförmigen Verunreinigungen. Ein besonderes Anwendungsgebiet des Verfahrens nach der Erfindung ist die Reinigung von Industrieabgasen und von Auspuffgasen von Dieselund Benzinmotoren. Ein solcher Heissgasstrom soll dann als gereinigt angesehen werden, wenn er frei ist von festen und flüssigen Partikeln und wenn er darüber hinaus keine Geruchstoffe mehr enthält.
Zur Lösung dieses Problems sind eine Anzahl von Verfahren vorgeschlagen worden, die aber bisher sämtliche nur zu Teillösungen geführt haben. Zunächst schien die Lösung darin gefunden zu sein, dass man in den Heissgasstrom einen Dampfstrom einleitete oder aber Wasser einspritzte. Die im Gasstrom befindlichen Schwebeteilchen fester bzw. flüssiger Art sollten als Kondensationskerne dienen, an welche dann die Dampf- oder Wassermoleküle angelagert werden sollten. Die so gebildeten Kondensationskerne sollten dann entweder über ein elektrisches Filter oder durch Zyklone aus dem Gasstrom entfernt werden. Es zeigte sich sehr bald, dass dieser Weg aus zwei Gründen zu keinem vollen Erfolg führen konnte. Zum ersten benötigt man ausserordentlich grosse Dampf- bzw. Wassermengen, um ein Wärmegefälle im Heissgasstrom zu erzeugen, welches die Kondensation möglich macht.
Bei eingespritztem Wasser tritt im allgemeinen zunächst eine Verdampfung desselben ein und erst im weiteren Verlauf der Wasserzufuhr tritt dann der gewünschte Kondensationsprozess auf. Abgesehen davon, dass mit dem geschilderten Verfahren nur solche Teilchen aus dem Gasstrom entfernt werden können, die in diesem bereits fest oder flüssig vorliegen, also einen Teil der verlangten Gasreinigung umfasst, ist der materielle Aufwand der Dampfbildung bzw. der Versprühung des Wassers so gross, dass es nicht möglich war, die geschilderte Methode in die Praxis umzusetzen.
Ein in den letzten Jahren entwickeltes Verfahren geht davon aus, dass man auf katalytischem Wege feste, in einem Gasstrom schwebende Teilchen bei genügend hohen Temperaturen verbrennen und so aus dem Gasstrom entfernen kann. Dieses Verfahren verlangt Temperaturen von etwa 5700 C für den katalytischen Prozess. Solche Temperaturen liegen im allgemeinen bei Auspuffgasen von Verbrennungsmotoren nur im Vollastbereich und dann nur unmittelbar hinter den Auslassventilen vor. Es müsste deshalb der Gasstrom zusätzlich aufgeheizt werden und zu dem ohnehin schon als verloren anzusehenden Wärmeinhalt der Auspuffgase noch weitere Wärmeenergie zugeführt werden.
Damit aber wird die Leistungsbilanz des Motors verschlechtert; dazu kommt, dass der katalytische Verbrennungsprozess eine laufende Überwachung und Entfernung der Katalytstäbe notwendig macht, die ihre Wirksamkeit durch eine langsame chemische Umwandlung verlieren. Aus den geschilderten Gründen hat sich auch das katalytische Verfahren nicht durchzusetzen vermocht, nicht zuletzt auch deshalb, weil es, wie die Einspritzverfahren, eben nur einen Teil der Verunreinigungen der Gase, nämlich die festen Russpartikeln, erfasst.
Will man das Problem der Heissgasreinigung und insbesondere der Auspuffgasreinigung radikal lösen, so ist es nicht nur notwendig, die Fest- und Flüssigkeitspartikeln, die sich im Gas befinden, zu erfassen, sondern es müssen auch die Geruchstoffe, die sogenannten Aldehyde, die zunächst in Gasform vorliegen, miterfasst werden.
Dieses Ziel wird durch das erfindungsgemässe Verfahren erreicht; das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom unter den Taupunkt der niederstsiedenden Komponente der auszuscheidenden gasförmigen Verunreinigungen abgekühlt wird, wobei während des Abkühlvorganges die einzelnen Komponenten der gasförmigen Verunreinigungen entsprechend ihrem Taupunkt der Reihe nach kondensieren und die so gebildeten Tröpfchen durch fortschreitende Anlagerung an die im Gasstrom enthaltenen festen und flüssigen Verunreinigungen grössere Partikeln bilden, die anschliessend abgeschieden werden.
Im folgenden sind an Hand der beiliegenden Zeichnung, welche Ausführungsbeispiele der ebenfalls Erfindungsgegenstand bildenden Gasreinigungseinrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens zeigt, einige Beispiele des erfindungsgemässen Gasreinigungsverfahrens beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 im Axialschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Gasreinigungseinrichtung mit dem Kühlraum nachgeordnetem Sauggebläse,
Fig. 2 im Axialschnitt eine Variante zu Fig. 1,
Fig. 3 im Axialschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Gasreinigungseinrichtung mit Lavalrohr,
Fig. 4 das Lavalrohr der Einrichtung nach Fig. 3 in Draufsicht,
Fig. 5 im Axialschnitt eine Variante zu Fig. 3,
Fig. 6 und 7 im Axialschnitt bzw. in Draufsicht eine weitere Variante der Gasreinigungseinrichtung nach Fig. 3,
Fig. 8 im Axialschnitt eine weitere Variante der Gasreinigungseinrichtung nach Fig. 3,
Fig. 9 im Axialschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Gasreinigungseinrichtung mit konischem Kühlraumeinsatz,
Fig. 10 im Axialschnitt eine Detailvariante zu Fig. 9,
Fig. 11 im Axialschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Gasreinigungseinrichtung mit Lavalrohr,
Fig.
12 und 12a im Axialschnitt bzw. in Draufsicht ein anderes Ausführungsbeispiel der Gasreinigungseinrichtung mit Wärmetransportband,
Fig. 13 und 1 3a schematisch im Axialschnitt bzw. perspektivisch eine Detailvariante zu Fig. 12,
Fig. 14 im Querschnitt ein Elektrofilter mit Abscheidematten und
Fig. 15 eine Variante zu Fig. 14.
Es ist angenommen, dass alle gezeichneten Beispiele der Gasreinigungseinrichtung zur Reinigung der Abgase eines Verbrennungsmotors dienen, obwohl natürlich auch andere heisse Industrie abgase mit diesen Einrichtungen gereinigt werden können, sofern die Abgase die mit dem in Frage stehenden Reinigungsverfahren erfassbaren Komponenten enthalten.
Die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung besitzt ein an die nichtgezeichnete Abgasleitung eines Motors anschliessbares Turbinengehäuse 1 mit Zentralkörper 2 zur Schaffung eines ringförmigen Durchlasses. Anschliessend an den Zentralkörper 2 ist im Gehäuse 1 eine zweistufige Turbine 3 angeordnet ; die Rotorwelle 4 der Turbine 3 ist einenends im Zentralkörper 2 gelagert und erstreckt sich andernends durch einen an die Turbine anschliessenden zentralen Leitkörper 5 hindurch. An den sich stromabwärts stark erweiternden Endteil la des Turbinengehäuses 1 ist ein Kühlraumgehäuse 6 angeschlossen, während an den sich stromabwärts verjüngenden Leitkörper 5 ein Leitkörper 7 angeschlossen ist.
Der aus dem Leitkörper 7 heraus in einen sich stromabwärts erweiternden Endabschnitt 6a des Gehäuses 6 hinein erstreckende Endteil der Welle 4 trägt das Laufrad eines Sauggebläses 8 und ist ausserhalb dieses Laufrades in einem vom Endabschnitt 6a des Gehäuses 6 getragenen Lager 9 gelagert. An den Endabschnitt 6a des Gehäuses 6 ist ein Elektrofilter 10 von an sich bekannter Bauart angeschlossen. Die Gehäuseteile la und 6 einerseits und die Leitkörper 5 und 7 anderseits begrenzen einen gegenüber dem Turbinendurchlass stark erweiterten, im Querschnitt ringförmigen Kühlraum 11.
Die aus der Abgasleitung kommenden Auspuffgase treiben den Turbinenläufer 3 an, der seinerseits das Sauggebläse 8 antreibt. Die Arbeitsleistung der Abgase in der Turbine, die starke Expansion der in den Raum 11 eintretenden Gase und der durch das entsprechend bemessene Sauggebläse 8 in diesem Raum 11 geschaffene Unterdruck bewirken eine relativ plötzliche Temperatursenkung des Gases im Kühlraum 11. Die Einzelteile der Einrichtung sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass der Temperaturfall im Gas genügt, um eine Kondensierung der im Gasstrom enthaltenen, auszuscheidenden Gaskomponenten zu bewirken, das heisst um eine Unterkühlung des Gasstromes unter den Taupunkt dieser Komponenten zu erzielen.
Dabei ist zu beachten, dass die verschiedenen Gaskomponenten mit ihren verschiedenen Taupunkten entsprechend der im Kühlraum 11 sich über eine wenn auch kurze Zeitspanne erstreckenden Abkühlung des Gasstromes, nicht gleichzeitig sondern aufeinanderfolgend kondensieren. Es versteht sich, dass zur möglichsten Kleinhaltung des Kühlraumes 11 und der Gebläseleistung die Abkühlung des Gasstromes nur wenig unter den Taupunkt der niedrigstsiedenden Gaskomponente erfolgen soll. Die sich dabei bildenden Tröpfchen oder Festpartikeln der Gaskomponenten wären dabei für sich allein nicht genügend gross, um in einem nachfolgenden Abscheider z.
B. mechanischer oder elektrostatischer Bauart abgeschieden zu werden; auch die in den meisten bekannten Heissgasen enthaltenen Fest- und Flüssigkeitspartikeln sind im allgemeinen so klein, dass sie nur durch die beste Filterkonstruktion abgeschieden werden können, und dies auch nur dann, wenn mit relativ kleinem Gasdurchsatz oder mit entsprechend grossen Filtern gearbeitet wird. Beim vorliegenden Verfah ren werden diese Schwierigkeiten, wie Versuche eindeutig gezeigt haben, vermieden.
Die bereits schon in fester oder flüssiger Form vorhandenen Partikeln des Auspuffgasstromes koagulieren bzw. flockulieren während des Abkühlungsprozesses im Raum 11 weiter, so dass sich damit abscheidefähige Teilchen bilden. Darüber hinaus fallen die einzelnen abzuscheidenden Gaskomponenten je nach ihrem Taupunkt nacheinander an, so dass sie sich kaskadenartig aneinander anlagern können und so am Ende des Kondensationsprozesses ebenfalls genügend grosse Partikeln bilden. Dieser kaskadenartig verlaufende Anlagerungsprozess, der zu einer schrittweisen Vergrösserung der flüssigen Partikeln und zu einer hohen Anlagerungsmöglichkeit dieser flüssigen Partikeln an die bereits vorhandenen festen Partikeln führt, ermöglicht nun die Abscheidung dieses festflüssigen Gemisches aus dem Auspuffgasstrom auf verschiedene Weise.
Beim Beispiel nach Fig. 1 erfolgt die Partikelabscheidung im Elektrofilter 10. Es versteht sich aber, dass auch eine mechanische oder kombiniert mechanisch'elektrische Abscheidung vorgesehen sein könnte. Dem Kühlraum 11 kann ein Zyklonabscheider angebaut werden, welcher auf Grund der noch vorhandenen Strömungsgeschwindigkeit des Gases eine Abscheidung der festen und flüssigen Partikeln aus dem Gasstrom ermöglicht. Beim Dieselmotorenbetrieb ist die Abscheidung durchaus möglich, da die anfallenden Partikeln in fester und flüssiger Form relativ gross sind. Es hat sich sogar gezeigt, dass in gewissen Fällen, das heisst bei genügend grossen Endpartikeln am Auslass des Kühlraumes 11 die Abscheidung dieser Partikeln durch Sedimentation erfolgen kann.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante erfolgt analog dem Beispiel nach Fig. 1 die Unterkühlung des Gasstromes in einem Kühlraum 11, der durch ein sich stromabwärts stark erweiternden Gehäuse 12 begrenzt wird und in welchem mittels eines am Auslass des Gehäuses 12 angeordneten Sauggebläses 13 der erforderliche Druckabfall erzeugt wird. Anstelle eines durch den Gas strom selbst angetriebenen Gebläse-Turbinenaggregates ist in diesem Fall für das Gebläse Fremdantrieb vorgesehen. Zu diesem Zweck ist auf der Druckseite des Gebläses eine über ein Kegelradgetriebe 14 mit dem Gebläselaufrad gekuppelte Antriebswelle 15 aus dem Gehäuse 12 herausgeführt. Zufolge dieses Fremdantriebes lässt sich die Gebläsedrehzahl und demnach die Gasförderung an die jeweils im Kühlraum 11 herrschenden Druckverhältnisse anpassen.
Damit können kritisch Auslassverhältnisse des Abgasstromes, die sich bei Verwendung einer Turbine nach Fig. 1 stromabwärts dieser Turbine einstellen können, vermieden werden.
Bei den vorangehend beschriebenen Ausführungs- arten des Verfahrens wurde die Abkühlung des Gases unter den niedrigsten Taupunkt durch Entspannung desselben herbeigeführt. Ein zweiter Weg, die Unterkühlung der Gase unter den niedrigsten Taupunkt zu erreichen, besteht darin, dass dem Gas strom Normalluft von aussen in einer solchen Menge beigemischt wird, dass die Mischungstemperatur unter den verlangten Taupunkt absinkt.
Beim Beispiel nach den Fig. 3 und 4 ist an die Abgasleitung 16 ein den Kühlraum 11 begrenzendes Lavalrohr 17 angeschlossen, dessen Wand eine Vielzahl von Luftzufuhrschlitzen 18 aufweist. Die Schlitze 18 verlaufen in Strömungsrichtung schräg von aussen nach innen. An das sich nach der engsten Rohrstelle konisch erweiternde Auslassende des Lavalrohres 17 ist wiederum ein Elektrofilter 10 angeschlossen. Aus der Abgasleitung 16 gelangt der heisse Gasstrom in die Lavaldüse 17 und saugt hier durch die jalousieartig angeordneten Schlitze 18 kalte Frischluft aus der Umgebung an. Einzelne oder alle Schlitze 18 des Lavalrohres 17 können mit Mitteln zur Veränderung ihres Querschnittes versehen sein, so dass sich die angesaugte Luftmenge, und damit die erzielbare Unterkühlung verändern lassen.
Auch hier erfolgt durch die Abkühlung des Gas stromes im Kühlraum 11 kaskadenartiges Kondensieren und gegenseitiges Anlagern der auszuscheidenden Komponenten, die in dem im fallenden Luftstrom angeordneten Elektrofilter 10 in Form relativ grosser Partikeln ausgeschieden werden. Bei der in Fig. 5 gezeigten Variante sind die schrägen Schlitze 18 durch radial durch die Lavalrohrwand führende Schlitze 1 8a ersetzt.
Es ist zweckmässig, vor dem Eintritt des Abgasstromes in das Filter 10 das Gas durch einen Beruhigungsraum zu führen, in welchem sich die schweren Schwebepartikeln durch ihr Sinkvermögen zum Teil absetzen können. Eine solche Ausführung ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt, die im übrigen dem Beispiel nach Fig. 3 entspricht. An den unteren Auslass des stehend angeordneten Lavalrohres 17 ist ein im Querschnitt annähernd U-förmiges Gehäuse 19 mit Schrägboden angeschlossen, dessen unmittelbar an das Lavalrohr 17 anschliessender Teil eine Absetzkammer 20 bildet. An den den Auslass bildenden Teil des Gehäuses 19 ist das vom bereits zum Teil gereinigten Gas im Steigstrom durchströmte Filter 10 angeschlossen. An der tiefsten Stelle der Absetzkammer 20 ist ein Ablasshahn 21 vorgesehen.
Es hat sich gezeigt, dass die Abscheidung der im Kühlraum 11 (Lavalrohr) gebildeten Partikeln im Steigstrom besonders gute Resultate liefert.
Bei der in Fig. 8 gezeigten Variante ist der Kühlraum ebenfalls durch ein geschlitztes Lavalrohr 17 gebildet; die Abkühlung wird durch die angesaugte und mit dem Gas strom vermischte Frischluft erzielt.
Anstelle eines Elektrofilters ist hier ein Zentrifugal- abscheider 22 vorgesehen. Die vom Laufrad des Abscheiders beschickte Auslassleitung ist in Axialrichtung in zwei getrennte Kammern 23, 24 unterteilt; das gereinigte Gas entweicht durch die obere Kammer 23, während die auszuscheidenden Par tikeln von der unteren Kammer 24 aufgefangen werden.
Ein weiteres Beispiel einer Heissgas-Reinigungseinrichtung mit in einem geschlitzten Lavalrohr 17 geschaffenem Kühlraum 11 ist in Fig. 9 dargestellt.
An Stelle des Lavalrohres könnte allerdings auch ein zylindrisches Rohr verwendet werden. Im Lavalrohr 17 ist von oben ein sich stromabwärts konisch verjüngendes Saugrohr 25 eingesetzt, das mit dem Umfangsrand seines erweiterten Endes am Lavalrohr 17 befestigt ist. Die angesaugte Frischluftmenge und demzufolge die erzielbare Kühlung hängen unter anderem auch von der Länge des Saugrohres 25 ab.
Das Saugrohr 25 kann auswechselbar in das Lavalrohr 17 eingesetzt sein. Um eine stufenweise Abkühlung des Gasstromes im Kühlraum 11 zu bewirken, sind bei der in Fig. 10 dargestellten Detailvariante in das den Kühlraum 11 begrenzende, zylindrische Rohr 1 7a mehrere in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete konische Saugrohre 25a eingesetzt. Jedes vorangehende Saugrohr 25a ragt mit seinem verjüngten Ende in das weitere Ende des nachfolgenden Rohres 25a hinein. Auch hier saugt der Gas strom auf seinem Weg durch die Saugrohre 25a Frischluft durch die Schrägschlitze 18 in der Wand des Rohres 17a an; diese mit dem Gasstrom sich mischende Frischluft bewirkt die gewünschte Kühlung.
Durch die in Stufen erfolgende Luftzufuhr zum Kühlraum 11 mit entsprechender Abkühlung des Gas stromes erfolgt eine ausgeprägt stufenweise Kondensation der auszuscheidenden Gaskomponenten; durch gegenseitige Anlagerung der sich fortlaufend bildenden kleinen Partikeln und Anlagerung derselben an den im Gasstrom enthaltenen Fest- und Flüssigkeitspartikeln bilden sich die im nachfolgenden Abscheider auszuscheidenden grö sseren Partikeln.
Ein weiteres Beispiel mit durch ein an die Abgasleitung 16 angeschlossenes Lavalrohr 17 gebildetem Kühlraum 11 ist in Fig. 11 gezeigt. Diese Einrichtung eignet sich besonders dort, wo der zu reinigende Gas strom keine extrem hohe Temperatur besitzt. Das ungeschlitzte Lavalrohr 17 ist unter Schaffung eines Ringraumes 26 von einem zylindrischen Mantel 27 umgeben, der strom aufwärts einen Einlass und stromabwärts einen Auslass besitzt.
Dem Ringraum 26 wird ein Kühlmedium z. B. Luft, Wasser, Ö1 oder dergleichen zugeführt, was die zur Kühlung des Gas stromes erforderliche kontinuierliche Wärmeentnahme bewirkt.
Eine andere Möglichkeit der raschen und genügenden Abkühlung des Heissgasstromes zwecks Erzeugung abscheidefähiger Partikeln ist in den Fig. 12 und 12a dargestellt. Die Abkühlung des Heissgasstromes im Kühlraum 11 erfolgt hier durch kontinuierliche Wärmeabfuhr mittels der Kühlraumwände selbst. Zu diesem Zweck ist der den Kühlraum 11 bildende, im Querschnitt rechteckförmige Schacht an zwei einander gegenüberliegenden Seiten durch je ein über Umlenkrollen 28 und Antriebsrollen 29 geführtes, endloses Band 30 begrenzt. Das den Raum 11 jeweils begrenzende Bandtrum ist in einer Nut 31 des Kühlgehäuses 32 lose geführt.
Da, wie Fig. 12 zeigt, der Kühlraum 11 in Längsrichtung der Bänder 30 als Lavalrohr verläuft, herrscht im Kühlraum 11 Unterdruck, der ein Entweichen von Gas durch die Nuten 31 verhindert.
Die zweckmässig aus Metall bestehenden, durch die Rollen 29 in Pfeilrichtung a angetriebenen Bänder 30 transportieren die aus dem Kühlraum 11 aufgenommene Wärme kontinuierlich nach aussen. Das ins Freie führende Bandtrum kann die aufgenommene Wärme direkt an die Luft oder an ein geeignetes Kühlmedium abgeben. Es erfolgt somit eine kontinuierliche Abkühlung des durchströmenden Gasstromes. Anstelle eines geschlossenen Wärmetransportbandes kann ein solches Band auch durch jalousieförmige Einzellamellen, die gelenkig aneinandergehängt sind, gebildet sein, wobei durch die auftretenden schmalen Lamellenöffnungen zusätzliche Kaltluft von aussen treten kann. Den Fremdantrieb der Wärmetransportbänder kann man dadurch umgehen, dass man die Bänder aus schaufelartigen Jalousielamellen zusammensetzt, die an ihren Verbindungsstellen beweglich miteinander verbunden sind.
In den Fig. 13 und 1 3a ist eine solche Ausführung schematisch dargestellt. Die Lamellenbänder 30a weisen Einzellamellen 33 auf, die an einer Querseite schaufelförmig aufgebogen sind. Der Heissgasstrom trifft auf diese Schaufelelemente und bewegt sie in Richtung des engsten Kühlraumquerschnittes. Die Abkühlung des Gasstromes mittels einer laufenden Wärmetransportwand kann auch dadurch geschehen, dass man in die Gasströmung eine aus Lamellen bestehende Wand in Strömungsrichtung einbaut und diese Wand mit entsprechender Geschwindigkeit mit oder entgegen der Richtung des Gasstromes bewegt. Wählt man als Bandmaterial einen Werkstoff, der eine hohe spezifische Wärme und eine grosse Wärmeleitzahl besitzt, dann kann durch eine laufende Wärmetransportwand eine erhebliche Wärmemenge aus dem Gas strom abgeführt werden.
Wie schon erwähnt, eignet sich das im vorangehenden an verschiedenen Beispielen erläuterte Verfahren insbesondere zur Reinigung der Auspuffgase von Verbrennungsmotoren z. B. von Dieselmotoren.
Wie bekannt, enthalten solche Dieselmotoren-Auspuffgase ausser als Festpartikel vorhandenen anorganischen Salzen wie Na2SO4, MgSO4, CaSO4, V206 auch Spuren von gasförmigen Säurekomponenten, insbesondere Schwefelsäure. Der Taupunkt dieser Säurebestandteile liegt zwischen 290 und 3380 C; schon eine relativ kleine Temperatursenkung, wie sie nach dem vorbeschriebenen Verfahren ohne weiteres erreichbar ist, genügt zur Ausfällung dieser Säurebestandteile, die sich in der Folge an den Festpartikeln anlagern und so abgeschieden werden können.
Eine Dieselmotor-Auspuffgasanalyse zeigt bei Volleistung im allgemeinen etwa folgende Zusam mensetzung:
Co2
H20 60/o
100/@
CO Q10/o
N2 77ovo
Asche oder Russgehalt lOOmglm3.
Dabei ist zu beachten, dass eine Abscheidung der H2O-, Q- und N2-Komponenten nicht erforderlich ist, da diese Komponenten weder geruchstörend noch gefährlich sind. Wird zur Abscheidung ein Elektrofilter mit Sprühionisation verwendet, so bewirkt die zwangläufig auftretende Ozonbildung insbesondere im Zusammenwirken mit dem Schwefelgehalt des Gasstromes einen Zerfall des CO-Anteiles. Anderseits sind die einzelnen Gaskomponenten in den meisten Fällen an Wasser angelagert bzw. bilden höherwertige Stickstoffverbindungen, deren Taupunkte zwischen 50 und 800 C liegen, so dass sie durch die beschriebenen Kühlmethoden ohne weiteres noch erfassbar sind.
Alle bisher bekannten Konstruktionen für Elektrofilter gehen von dem Prinzip aus, die mit Gasionen geladenen Partikeln aus dem Aerosolstrom dadurch herauszunehmen, dass man die geladenen Partikeln einem zur Strömungsrichtung des Aerosols quergerichteten elektrischen Felde aussetzt, wodurch die geladenen Partikeln in Richtung des Spannungsgradienten des elektrischen Feldes bewegt werden und so auf Abscheideelektroden niedergeschlagen werden.
Das im folgenden beschriebene Prinzip verlässt diesen Weg und nützt die durch die Bewegungs richtung des Aerosols gegebene Richtungskomponente der abzuscheidenden Partikeln direkt aus, ohne dass dazu für die Abscheidung ein eigenes elektrisches
Querfeld notwendig ist.
Die Fig. 14 stellt eine Anordnung eines Elektro filters dar. Der Aerosolstrom wird an Ionisierungsspitzen 34, Ionisierungsdrähten oder an radioaktiven Strahlungsträgern vorbeigeführt, wodurch die Gasmoleküle in Gasionen umgewandelt werden. Diese
Gasionen lagern sich nach bekannten Gesetzen an die im Aerosol vorhandenen Festpartikeln an. Die auf diese Weise gebildeten geladenen Teilchen be wegen sich nun in Richtung des Aerosolstromes wei ter und treffen auf ihrem Wege auf als Filtermatten
35 ausgebildete Abscheideelektroden, die aus einem metallischen Tragnetz, gefüllt mit einem durchlässi gen Stoff, der aus Metall, Glasfaser- oder Kunststoff gewebe bestehen kann, auf. Die geladenen Partikeln werden an dem Gewebe bzw. Drahtnetz auf natür lichem Wege, ohne dass dabei ein elektrisches Feld benützt wird, abgelagert.
Um den Strömungswider stand möglichst gering zu halten, ordnet man sehr dünne Filtermatten 35 etagenförmig übereinander an, wobei durch diese etagenförmige Anordnung eine stufenweise Expansion des Aerosols und damit eine Verbesserung der Abscheidewirkung eintritt.
Die Fig. 15 zeigt eine Anordnung, bei welcher zwischen zwei aufeinanderfolgenden Filtermatten 35 eine Ionisationsquelle in Form einer Sprüh-, Coronaoder radioaktiven Strahlungsquelle 34 eingebaut ist.
Damit lässt sich erreichen, dass Kondensationsprodukte, die sich in den einzelnen Expansionsräumen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Filtermatten 35 bilden, geladen werden-können und so zur Abscheidung gelangen. Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens ist es möglich, eine restlose Reinigung eines Gas stromes von festen oder flüssigen Partikeln zu erreichen. In besonderen Fällen kann als Zwischen- oder Schlussfilteement ein solches auÇsl Aktivkohle verwendet werden, was besonders dann zu empfehlen ist, wenn aromatische Bestandteile des Aerosols mit abgeschieden werden sollen.
Für Filter, bei welchen relativ grosse Partikeln abgeschieden werden sollen, kann das Etagenfilter ohne Ionisationsräume Verwendung finden, da die Abscheidung der Festpartikeln an den Filtergeweben dann auf mechanische Weise erfolgen kann.
Aus Platzersparnisgründen kann man die Filterelemente statt horizontal in V-förmiger Form anordnen, wodurch es möglich wird, die Durchströmgeschwindigkeit zu erhöhen.
Process and device for cleaning a hot gas stream
The present patent relates to a method and a device for cleaning a hot gas stream of solid, liquid and gaseous impurities. A particular field of application of the method according to the invention is the cleaning of industrial exhaust gases and of exhaust gases from diesel and gasoline engines. Such a hot gas flow should then be regarded as cleaned if it is free of solid and liquid particles and if it no longer contains any odorous substances.
A number of methods have been proposed to solve this problem, but so far all of them have only led to partial solutions. Initially, the solution seemed to be found by introducing a stream of steam into the hot gas stream or by injecting water. The suspended particles of a solid or liquid type in the gas flow should serve as condensation nuclei, to which the steam or water molecules should then be attached. The condensation nuclei formed in this way should then be removed from the gas flow either via an electrical filter or by cyclones. It soon became apparent that this path could not lead to complete success for two reasons. First of all, you need extremely large amounts of steam or water to generate a heat gradient in the hot gas flow, which makes condensation possible.
In the case of injected water, evaporation of the same generally occurs first and the desired condensation process only occurs in the further course of the water supply. Apart from the fact that only those particles can be removed from the gas flow with the method described, which are already solid or liquid in it, i.e. which include part of the required gas cleaning, the material expenditure of the steam formation or the spraying of the water is so great, that it was not possible to put the described method into practice.
A method developed in the last few years assumes that solid particles suspended in a gas flow can be burned at sufficiently high temperatures by catalytic means and thus removed from the gas flow. This process requires temperatures of around 5700 C for the catalytic process. In the case of exhaust gases from internal combustion engines, such temperatures are generally only present in the full load range and then only immediately downstream of the exhaust valves. The gas flow would therefore have to be additionally heated and further heat energy would have to be added to the heat content of the exhaust gases, which is already considered to be lost.
But this worsens the power balance of the engine; In addition, the catalytic combustion process requires constant monitoring and removal of the catalytic rods, which lose their effectiveness due to a slow chemical conversion. For the reasons described, the catalytic process has not been able to establish itself, not least because, like the injection process, it only captures part of the impurities in the gases, namely the solid soot particles.
If you want to radically solve the problem of hot gas cleaning and especially exhaust gas cleaning, it is not only necessary to detect the solid and liquid particles that are in the gas, but also the odorous substances, the so-called aldehydes, which are initially in gas form are available, are also recorded.
This goal is achieved by the method according to the invention; The method is characterized in that the gas stream is cooled below the dew point of the lowest-boiling component of the gaseous impurities to be separated out, whereby during the cooling process the individual components of the gaseous impurities condense one after the other according to their dew point and the droplets thus formed by progressive accumulation on the Solid and liquid impurities contained in the gas flow form larger particles, which are then separated out.
In the following, some examples of the gas cleaning method according to the invention are described with reference to the accompanying drawing, which shows exemplary embodiments of the gas cleaning device, which is also the subject of the invention, for carrying out the process mentioned. In the drawing shows:
1 shows, in axial section, a first exemplary embodiment of a gas cleaning device with a suction fan arranged downstream of the cooling chamber,
FIG. 2 shows a variant of FIG. 1 in axial section,
3 shows a further exemplary embodiment of a gas cleaning device with a Laval pipe in axial section,
4 shows the Laval tube of the device according to FIG. 3 in plan view,
FIG. 5 shows a variant of FIG. 3 in axial section,
6 and 7 in axial section and in plan view a further variant of the gas cleaning device according to FIG. 3,
FIG. 8 shows, in axial section, a further variant of the gas cleaning device according to FIG. 3,
9 shows, in axial section, a further embodiment of the gas cleaning device with a conical cooling chamber insert,
FIG. 10 shows a detailed variant of FIG. 9 in axial section,
11 shows, in axial section, a further exemplary embodiment of the gas cleaning device with a Laval tube,
Fig.
12 and 12a in axial section or in plan view another embodiment of the gas cleaning device with heat transport belt,
13 and 13a schematically in axial section or in perspective a detailed variant of FIG. 12,
14 shows, in cross section, an electrostatic precipitator with separating mats and
15 shows a variant of FIG. 14.
It is assumed that all drawn examples of the gas cleaning device serve to clean the exhaust gases of an internal combustion engine, although of course other hot industrial exhaust gases can also be cleaned with these devices, provided that the exhaust gases contain the components that can be detected with the cleaning method in question.
The device shown in Fig. 1 has a turbine housing 1 which can be connected to the exhaust gas line of an engine, not shown, with a central body 2 to create an annular passage. Adjacent to the central body 2, a two-stage turbine 3 is arranged in the housing 1; the rotor shaft 4 of the turbine 3 is mounted at one end in the central body 2 and extends at the other end through a central guide body 5 adjoining the turbine. A cooling chamber housing 6 is connected to the end part la of the turbine housing 1, which widens sharply downstream, while a guide body 7 is connected to the guide body 5 which tapers downstream.
The end part of the shaft 4 extending out of the guide body 7 into a downstream end section 6a of the housing 6 carries the impeller of a suction fan 8 and is mounted outside this impeller in a bearing 9 carried by the end section 6a of the housing 6. An electric filter 10 of a type known per se is connected to the end section 6a of the housing 6. The housing parts 1 a and 6, on the one hand, and the guide bodies 5 and 7, on the other hand, delimit a cooling space 11 which is annular in cross section and which is greatly enlarged compared to the turbine passage.
The exhaust gases coming from the exhaust pipe drive the turbine runner 3, which in turn drives the suction fan 8. The work of the exhaust gases in the turbine, the strong expansion of the gases entering the space 11 and the negative pressure created by the appropriately sized suction fan 8 in this space 11 cause a relatively sudden drop in temperature of the gas in the cooling space 11. The individual parts of the device are like this coordinated so that the temperature drop in the gas is sufficient to cause condensation of the gas components contained in the gas flow to be separated out, that is, to achieve subcooling of the gas flow below the dew point of these components.
It should be noted that the various gas components with their different dew points do not condense simultaneously but successively in accordance with the cooling of the gas flow in the cooling space 11, which extends over a short period of time. It goes without saying that in order to keep the cooling space 11 and the fan power as small as possible, the cooling of the gas stream should only take place a little below the dew point of the lowest-boiling gas component. The resulting droplets or solid particles of the gas components would not be large enough on their own to be used in a subsequent separator.
B. mechanical or electrostatic type to be deposited; Also the solid and liquid particles contained in most of the known hot gases are generally so small that they can only be separated by the best filter construction, and this only when working with a relatively small gas throughput or with correspondingly large filters. In the present method, these difficulties are avoided, as tests have clearly shown.
The particles of the exhaust gas flow that are already present in solid or liquid form continue to coagulate or flocculate during the cooling process in space 11, so that separable particles are thus formed. In addition, the individual gas components to be separated occur one after the other depending on their dew point, so that they can accumulate on one another like a cascade and thus also form sufficiently large particles at the end of the condensation process. This cascade-like accumulation process, which leads to a gradual increase in the size of the liquid particles and a high degree of accumulation of these liquid particles on the solid particles that are already present, now enables this solid-liquid mixture to be separated from the exhaust gas flow in various ways.
In the example according to FIG. 1, the particle separation takes place in the electrostatic filter 10. It is understood, however, that mechanical or combined mechanical / electrical separation could also be provided. A cyclone separator can be added to the cooling space 11, which, due to the still existing flow velocity of the gas, enables the solid and liquid particles to be separated from the gas flow. In diesel engine operation, the separation is quite possible, since the resulting particles are relatively large in solid and liquid form. It has even been shown that in certain cases, that is to say if the end particles are sufficiently large at the outlet of the cooling space 11, these particles can be separated out by sedimentation.
In the variant shown in FIG. 2, analogous to the example according to FIG. 1, the gas flow is subcooled in a cooling space 11 which is delimited by a housing 12 which widens sharply downstream and in which by means of a suction fan 13 arranged at the outlet of the housing 12 required pressure drop is generated. Instead of a blower turbine unit driven by the gas flow itself, an external drive is provided for the blower in this case. For this purpose, a drive shaft 15, which is coupled to the fan impeller via a bevel gear 14, is led out of the housing 12 on the pressure side of the fan. As a result of this external drive, the fan speed and therefore the gas delivery can be adapted to the pressure conditions prevailing in the cooling space 11.
In this way, critical outlet conditions of the exhaust gas flow which can occur downstream of this turbine when using a turbine according to FIG. 1 can be avoided.
In the above-described types of execution of the process, the cooling of the gas below the lowest dew point was brought about by releasing it. A second way of subcooling the gases below the lowest dew point is to add normal air from outside to the gas flow in such an amount that the mixture temperature drops below the required dew point.
In the example according to FIGS. 3 and 4, a Laval pipe 17 delimiting the cooling space 11 is connected to the exhaust line 16, the wall of which has a plurality of air supply slots 18. The slots 18 run obliquely in the direction of flow from the outside to the inside. An electrostatic precipitator 10 is in turn connected to the outlet end of the Laval pipe 17 which widens conically after the narrowest pipe point. From the exhaust pipe 16, the hot gas stream reaches the Laval nozzle 17 and here sucks in cold fresh air from the surroundings through the slits 18 arranged in the manner of a louvre. Individual or all slots 18 of the Laval tube 17 can be provided with means for changing their cross-section, so that the amount of air sucked in and thus the achievable undercooling can be changed.
Here, too, the cooling of the gas flow in the cooling chamber 11 causes cascade-like condensation and mutual attachment of the components to be separated, which are separated in the electrostatic filter 10 arranged in the falling air flow in the form of relatively large particles. In the variant shown in FIG. 5, the inclined slots 18 are replaced by slots 18a leading radially through the Laval tube wall.
It is advisable, before the exhaust gas stream enters the filter 10, to guide the gas through a calming space in which the heavy suspended particles can partially settle due to their sinking ability. Such an embodiment is shown in FIGS. 6 and 7, which otherwise corresponds to the example of FIG. Connected to the lower outlet of the upright Laval pipe 17 is a housing 19 with an approximately U-shaped cross-section and a sloping bottom, the part of which directly adjoining the Laval pipe 17 forms a settling chamber 20. The filter 10 through which the gas which has already been partially purified flows in the ascending flow is connected to the part of the housing 19 which forms the outlet. A drain cock 21 is provided at the lowest point of the settling chamber 20.
It has been shown that the separation of the particles formed in the cooling space 11 (Laval tube) in the ascending flow gives particularly good results.
In the variant shown in FIG. 8, the cooling space is also formed by a slotted Laval tube 17; The cooling is achieved by the fresh air drawn in and mixed with the gas flow.
Instead of an electrostatic precipitator, a centrifugal separator 22 is provided here. The outlet line fed by the impeller of the separator is divided in the axial direction into two separate chambers 23, 24; the cleaned gas escapes through the upper chamber 23, while the particles to be separated from the lower chamber 24 are collected.
Another example of a hot gas cleaning device with a cooling space 11 created in a slotted Laval tube 17 is shown in FIG.
Instead of the Laval tube, however, a cylindrical tube could also be used. A suction pipe 25 which tapers conically downstream and which is fastened to the Laval pipe 17 with the peripheral edge of its enlarged end is inserted from above in the Laval pipe 17. The amount of fresh air sucked in and, consequently, the cooling that can be achieved also depend on the length of the suction pipe 25, among other things.
The suction tube 25 can be inserted into the Laval tube 17 in an exchangeable manner. In order to effect a gradual cooling of the gas flow in the cooling space 11, several conical suction pipes 25a arranged one behind the other in the direction of flow are inserted in the detailed variant shown in FIG. 10 in the cylindrical tube 17a delimiting the cooling space 11. Each preceding suction tube 25a projects with its tapered end into the further end of the following tube 25a. Here, too, the gas sucks in stream on its way through the suction pipes 25a through the inclined slots 18 in the wall of the pipe 17a; this fresh air, which mixes with the gas flow, effects the desired cooling.
Due to the air supply to the cooling chamber 11 taking place in stages with the corresponding cooling of the gas stream, there is a pronounced stepwise condensation of the gas components to be separated; the larger particles to be separated out in the subsequent separator are formed by mutual accumulation of the continuously forming small particles and their accumulation on the solid and liquid particles contained in the gas flow.
A further example with a cooling space 11 formed by a Laval pipe 17 connected to the exhaust pipe 16 is shown in FIG. 11. This device is particularly suitable where the gas stream to be cleaned does not have an extremely high temperature. The unslit Laval tube 17 is surrounded by a cylindrical jacket 27, creating an annular space 26, which has an inlet upstream and an outlet downstream.
The annular space 26 is a cooling medium, for. B. air, water, oil or the like, which causes the continuous heat extraction required for cooling the gas flow.
Another possibility of rapid and sufficient cooling of the hot gas stream for the purpose of generating separable particles is shown in FIGS. 12 and 12a. The cooling of the hot gas flow in the cooling space 11 takes place here by continuous heat dissipation by means of the cooling space walls themselves. For this purpose, the shaft forming the cooling space 11, which is rectangular in cross section, is on two opposite sides by an endless belt 30 each guided over deflection rollers 28 and drive rollers 29 limited. The belt run bounding the space 11 is loosely guided in a groove 31 of the cooling housing 32.
Since, as FIG. 12 shows, the cooling space 11 runs in the longitudinal direction of the strips 30 as a Laval tube, there is a negative pressure in the cooling space 11, which prevents gas from escaping through the grooves 31.
The belts 30, which are expediently made of metal and are driven by the rollers 29 in the direction of arrow a, continuously transport the heat absorbed from the cooling space 11 to the outside. The belt strand leading to the outside can release the absorbed heat directly into the air or to a suitable cooling medium. There is thus a continuous cooling of the gas stream flowing through. Instead of a closed heat transport belt, such a belt can also be formed by louvre-shaped individual lamellas that are hinged to one another in an articulated manner, with additional cold air being able to pass through the narrow lamellar openings that occur. The external drive of the heat conveyor belts can be avoided by assembling the belts from shovel-like blind slats, which are movably connected to one another at their connection points.
Such an embodiment is shown schematically in FIGS. 13 and 13a. The lamellar belts 30a have individual lamellas 33 which are bent up in the shape of a shovel on one transverse side. The hot gas flow hits these blade elements and moves them in the direction of the narrowest cooling space cross-section. The cooling of the gas flow by means of a running heat transport wall can also be done by installing a wall consisting of lamellas in the flow direction in the gas flow and moving this wall at a corresponding speed with or against the direction of the gas flow. If you choose a material that has a high specific heat and a high coefficient of thermal conductivity as the strip material, a significant amount of heat can be removed from the gas stream through a running heat transport wall.
As already mentioned, the method explained in the preceding using various examples is particularly suitable for cleaning the exhaust gases from internal combustion engines, e.g. B. of diesel engines.
As is known, such diesel engine exhaust gases contain not only inorganic salts present as solid particles such as Na2SO4, MgSO4, CaSO4, V206 but also traces of gaseous acid components, in particular sulfuric acid. The dew point of these acid components is between 290 and 3380 C; Even a relatively small decrease in temperature, as can be easily achieved by the method described above, is sufficient to precipitate these acid components, which subsequently attach to the solid particles and can thus be separated out.
A diesel engine exhaust gas analysis generally shows the following composition at full power:
Co2
H20 60 / o
100 / @
CO Q10 / o
N2 77ovo
Ash or soot content lOOmglm3.
It should be noted that a separation of the H2O, Q and N2 components is not necessary, as these components are neither odor-disturbing nor dangerous. If an electrostatic precipitator with spray ionization is used for the separation, the inevitable formation of ozone, especially in combination with the sulfur content of the gas stream, causes the CO component to break down. On the other hand, the individual gas components are in most cases attached to water or form higher-quality nitrogen compounds with dew points between 50 and 800 C, so that they can still be easily detected using the cooling methods described.
All previously known designs for electrostatic precipitators are based on the principle of removing the particles charged with gas ions from the aerosol flow by exposing the charged particles to an electrical field that is transverse to the direction of flow of the aerosol, thereby moving the charged particles in the direction of the voltage gradient of the electrical field and are thus deposited on separation electrodes.
The principle described in the following leaves this path and directly uses the directional component of the particles to be separated, which is given by the direction of movement of the aerosol, without the need for a separate electrical component for the separation
Cross field is necessary.
14 shows an arrangement of an electric filter. The aerosol stream is guided past ionization tips 34, ionization wires or radioactive radiation carriers, as a result of which the gas molecules are converted into gas ions. This
According to known laws, gas ions attach to the solid particles present in the aerosol. The charged particles formed in this way now move in the direction of the aerosol flow and meet as filter mats on their way
35 formed separation electrodes, which are made of a metallic support network, filled with a permeable substance that can consist of metal, fiberglass or plastic fabric on. The charged particles are deposited on the fabric or wire mesh in a natural way without using an electric field.
In order to keep the flow resistance as low as possible, very thin filter mats 35 are arranged in layers one above the other, with this layer-like arrangement causing a gradual expansion of the aerosol and thus an improvement in the separation effect.
15 shows an arrangement in which an ionization source in the form of a spray, corona or radioactive radiation source 34 is installed between two successive filter mats 35.
It can thus be achieved that condensation products that form in the individual expansion spaces between two successive filter mats 35 can be charged and thus arrive at the separation. With the aid of the method according to the invention, it is possible to completely clean a gas stream from solid or liquid particles. In special cases, such an activated carbon can be used as an intermediate or final filter element, which is particularly recommended if aromatic components of the aerosol are to be separated out.
For filters in which relatively large particles are to be separated, the multi-storey filter can be used without ionization spaces, since the solid particles can then be separated on the filter fabrics in a mechanical manner.
In order to save space, the filter elements can be arranged in a V-shape instead of horizontally, which makes it possible to increase the flow rate.