[0001] Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Abscheider, insbesondere für eine
Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1. Weiter betrifft die Erfindung ein Heizungssystem zur Erzeugung von Energie mittels
Verbrennen von einem Energieträger mit einem elektrostatischen Abscheider nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 10.
[0002] Aufgrund der Emissionen von Heizungsanlagen und globaler Bemühungen, derartige Emissionen
zu reduzieren, werden bei Heizungsanlagen entsprechende Abgasreinigungsanlagen verwendet.
Diese sollen insbesondere die schädlichen Stoffe und Partikel in Abgasen herausfiltern,
so dass das verbleibende, gereinigte Abgas bedenkenlos an die Umwelt abgegeben werden
kann. Insbesondere werden derartige Abgasreinigungsanlagen bei Biomasse-Heizanlagen
eingesetzt, bei denen neben ansonsten ökonomischen und ökologischen Vorteilen eine
erhöhte Emission an Schadstoffen in den Abgasen auftreten kann. Gerade die relativ
hohe Emission an Feinstaub als ein Schadstoffanteil ist bei Biomasse-Heizungsanlagen
ein Problem.
[0003] Aus der
EP 1 193 445 A2 ist eine Abgasreinigungsanlage bekannt, welche für Biomasse-Heizungsanlagen zur Verringerung
von Feinstaubemissionen verwendet wird. Die dort beschriebene Vorrichtung ist in einen
Rauchgaskanal einbaubar und weist hierzu einen Deckel auf, der gasdicht auf eine zugehörige
Öffnung an einem Rauchgaskanal aufsetzbar ist. An der Innenseite des Deckels ist über
eine isolierende Halterung eine Sprühelektrode, zum Beispiel in Form eines gespannten
Stabes, gehalten. Ein HochspannungsTransformator mit Gleichrichterfunktion erlaubt
den Aufbau einer hohen Gleichspannung zwischen dem Draht und dem Deckel, welcher elektrisch
leitend mit dem Ofenrohr verbunden ist, so dass dieses als Kollektorelektrode wirkt.
[0004] Ein derartiger Elektrofilter mit Sprühelektrode und Kollektorelektrode ist auch bekannt
als elektrostatischer Abscheider. Dieser wird zur Abgasreinigung in einer Abgasleitung
einer Heizungsanlage eingesetzt. Dabei wird durch die Sprühelektrode, welche etwa
mittig durch die Abgasleitung verläuft und deshalb auch als Mittelelektrode bezeichnet
wird, und einer zugeordneten, umgebenden Mantelfläche der Abgasleitung ein Kondensator
gebildet, der bei einer zylinderrohrförmigen Ausbildung der Abgasleitung auch als
Zylinderkondensator bezeichnet wird. Die Sprüh- oder Mittelelektrode weist dabei in
der Regel einen kreisförmigen Querschnitt in Strömungsrichtung des Abgases auf, wobei
der Durchmesser des Querschnitts oder auch der Krümmungsradius im Allgemeinen relativ
klein ausgebildet ist (zum Beispiel kleiner als 0,4 mm). Um nun die Schadstoffe, genauer
die nicht an die Umwelt abzugebenden Partikel, des Abgases aus dem Abgasstrom abzuscheiden,
wird durch die Mittelelektrode und die durch die Mantelfläche gebildete Kollektorelektrode
ein quer zur Strömungsrichtung verlaufendes Feld mit Feldlinien von der Mittelelektrode
zur Kollektorelektrode gebildet. Hierzu wird an die Mittelelektrode eine Hochspannung
angelegt, zum Beispiel in dem Bereich von 15 kV. Dadurch bildet sich eine CoronaEntladung
aus, durch welche die in dem Abgas durch das Feld strömenden Partikel unipolar aufgeladen
werden. Aufgrund dieser Aufladung wandern die Partikel durch die elektrostatischen
Coulomb-Kräfte zur Innenwand der Abgasleitung, welche als Kollektorelektrode dient.
[0005] Die Hochspannung, welche an der Mittelelektrode anliegt, wird über eine Hochspannungszuführung
von außen zur Mittelelektrode zugeführt. Diese verläuft in der Regel quer zu der Strömungsrichtung
des Abgases, bevorzugt radial zu der Mittelelektrode. Um ein frühzeitiges Durchschlagen
der Hochspannung zu der Innenwand der Abgasleitung zu verhindern, ist die Hochspannungszuführung
mit einem Isolator ummantelt. Nachteil an dieser Isolierung ist, dass sich auf der
Isolierung Abgaspartikel absetzen, welche bei entsprechender Anzahl an Partikel eine
elektrisch leitende Oberfläche auf dem Isolator bilden, über welche die Mittelelektrode
entladen werden kann. Dies führt zu einem Versagen des elektrostatischen Abscheiders.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrostatischen Abscheider zu schaffen,
der diesen Nachteil überwindet und der insbesondere eine Ablagerung von Partikeln
auf dem Isolator verhindert oder reduziert, um die Funktionsdauer des elektrostatischen
Abscheiders zu erhöhen. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Heizungsanlage
mit einem erfindungsgemäßen Abscheider zu schaffen, die eine zuverlässige Abgasreinigung
garantiert.
[0007] Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 und des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
[0008] Der elektrostatische Abscheider ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einem erfindungsgemäßen
elektrostatischen Abscheider, insbesondere für eine Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage,
mit einem Strömungskanal mit einer Kanalwandung und einem Kanalinneren, durch welchen
ein partikelbeinhaltendes Abgas in einer Strömungsrichtung strömt, einer sich in dem
Kanalinneren im Wesentlichen in Strömungsrichtung erstreckenden Elektrode, und einer
Elektrodenzuführung, um die Elektrode zu speisen, wobei die Elektrodenzuführung mit
einem Isolator zumindest teilweise ummantelt ist, weiter ein Partikelabweisemittel
umfasst ist, welches verhindert, dass sich Partikel des Abgases an dem Isolator ablagern.
[0009] In dem Strömungskanal ist durch die mit Hochspannung gespeiste Elektrode und die
als Gegenelektrode fungierende Kanalwandung ein elektrisches Feld in dem Kanalinneren
erzeugt. Dabei verlaufen die Feldlinien quer zur Strömungsrichtung des Abgases, bevorzugt
rechtwinklig zur Elektrode. Quer zur Elektrode ist eine Elektrodenzuführung vorgesehen,
welche die Elektrode mit Hochspannung von einer externen Spannungsquelle versorgt.
Damit keine Entladung der Elektrode über die Elektrodenzuführung erfolgt, ist diese
mit einem Isolator zumindest teilweise ummantelt. Der Isolator ist bevorzugt aus einem
isolierenden Material umfassend Keramik und dergleichen gebildet.
[0010] In einem Ausführungsbeispiel ist der Strömungskanal als Rohr ausgebildet, bevorzugt
als Rohr mit einem kreisförmigen Querschnitt in Strömungs- oder Längsrichtung. Die
Elektrode erstreckt sich bevorzugt mittig in diesem Rohr in Strömungsrichtung und
wird deshalb auch als Mittelelektrode bezeichnet. Die Mittelelektrode ist vorzugsweise
drahtförmig mit einem ebenfalls kreisförmigen Querschnitt in Strömungsrichtung ausgebildet.
Damit bilden Elektrode und Rohr eine Art Zylinderkondensator. Der Radius des Querschnitts
der Mittelelektrode ist, verglichen mit dem Radius des Querschnitts des Rohrs, relativ
klein und liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,5 mm oder weniger. Die Spannung,
welche über die Elektrodenzuführung an der Elektrode angelegt wird, ist eine Hochspannung
und liegt bevorzugt in einem Bereich um die 15 kV.
[0011] In dem elektrischen Feld im Kanalinneren werden die Partikel aus ihrer Strömungsrichtung
in Richtung der Kanalwandung abgelenkt und lagern sich an der Kanalwandung ab. Um
zu verhindern, dass sich Partikel auf dem Isolator, der in das Kanalinnere zu der
Elektrode hineinragt, ablagern, ist ein Partikelabweisemittel vorgesehen. Dies verhindert
wirkungsvoll, dass aus ihrer Strömungsrichtung abgelenkte Partikel sich auf dem Isolator
ablagern oder reduziert die Anzahl der sich auf dem Isolator ablagernden Partikel
pro Zeiteinheit.
[0012] In einer Ausführungsform ist das Partikelabweisemittel beabstandet zu dem Isolator
separat ausgebildet.
[0013] In einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst das Partikelabweisemittel mindestens
eine Strömungsschildeinrichtung mit einer Heizeinrichtung.
[0014] Noch ein anderes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Heizeinrichtung geeignet
ist, eine äußere Oberfläche der Strömungsschildeinrichtung und/oder des Isolators
auf eine für eine Thermophorese erforderliche Temperatur, die entsprechend höher ist,
als die des umgebenden Abgase, aufzuwärmen.
[0015] In einer Ausführungsform ist die Heizeinrichtung ausgebildet, um die Strömungsschildeinrichtung
und/oder den Isolator auf eine Temperatur zum Abbrennen von dort befindlichen Partikeln
zu erwärmen.
[0016] Zudem ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Strömungsschildeinrichtung
den Isolator zumindest teilweise umgibt, um den Isolator vor dem Auftreffen von Partikeln
abzuschirmen.
[0017] Die Heizeinrichtung kann in und/oder an der Strömungsschildeinrichtung integriert
sein. Insbesondere kann die Strömungsschildeinrichtung mehrteilig mit mehreren Strömungsschildeinheiten
ausgebildet sein. Dabei kann die Strömungsschildeinrichtung hinsichtlich ihrer Größe
und ihres Abstandes zu dem Isolator minimiert ausgebildet sein.
[0018] Das Heizungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Energie mittels
Verbrennen von einem Energieträger wie Biomasse mit einer Feinstaub emittierenden
Heizungsanlage wie eine Biomasse-Heizungsanlage zum Verbrennen des Energieträgers,
wobei partikelbeinhaltende Abgase entstehen, ein erfindungsgemäßer elektrostatischer
Abscheider vorgesehen ist.
[0019] Mit dem erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheider und dem erfindungsgemäßen
Heizungssystem werden insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
[0020] Durch das Partikelabweisemittel wird weitestgehend verhindert, dass sich Partikel,
insbesondere elektrisch leitende Partikel, auf der Isolatoroberfläche ablagern. Hierdurch
kann eine Entladung über elektrisch leitende Partikel entlang des Isolators verhindert
werden und es lässt sich somit die Funktionsfähigkeit des elektrostatischen Abscheiders
wirkungsvoll verbessern.
[0021] Die Partikelabweisemittel sind einfach aufgebaut und lassen sich leicht realisieren.
Durch die indirekte Beheizung, insbesondere Widerstandsbeheizung, der Hochspannungs-Isolationskeramik
lässt sich ein leicht zu realisierendes Partikelabweisemittel realisieren. So muss
eine geerdete Heizwicklung der Heizeinrichtung trotz ihrer nahen Anordnung an hochspannungsführenden
Teilen des Abscheiders nicht durch gießfähige Keramik, keramische Klebstoffe und dergleichen
hermetisch eingekapselt sein. Durch die bauliche Trennung der elektrischen Beheizung
und der Hochspannungszuführung, nämlich durch ein beheiztes Strömungsschild ist eine
unter Umständen aufwendigere Integration der Partikelabweisemittel in die Isolation
umgehbar. Durch die Trennung lassen sich vergleichbare thermophoretische Effekte erzielen
wie bei der Integration in der Keramik, d. h. bei einem direkt wirkenden Partikelabweisemittel.
Hierdurch lässt sich eine verbesserte Standzeit sowie eine höhere Betriebssicherheit
des Abscheiders realisieren.
[0022] Die Strömungsschildeinrichtung kann auf unterschiedlichste Weisen ausgeführt sein,
so dass eine optimale Abschirmung des Isolators je nach Anwendungsfall realisierbar
ist. Die Strömungsschildeinrichtung kann hinsichtlich der Form variierbar ausgeführt
werden. Zudem lassen sich mehrere Strömungsschildeinrichtungen vorsehen. Die Strömungsschildeinrichtung
kann aus mehreren Strömungsschildeinheiten ausgebildet sein.
[0023] Die Zeichnungen stellen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen
in mehreren Figuren:
- Fig. 1A-D
- schematisch vier verschiedene Ausführungsformen von Teilen eines elektrostatischen
Abscheiders mit Partikelabweisemitteln um einen Isolator in einer quer geschnittenen
Draufsicht und
- Fig. 2
- schematisch die Ausführungsform des Abscheiders nach Fig. 1D in einer geschnittenen
Seitenansicht.
[0024] Fig. 1A-D zeigen schematisch vier verschiedene Ausführungsformen von Teilen eines
elektrostatischen Abscheiders 1 mit Partikelabweisemitteln 2 um einen Isolator 3 in
einer quer geschnittenen Draufsicht. Der Abscheider 1 umfasst eine Elektrode 4, hier
als Sprüh- oder Mittelelektrode 4 ausgebildet. Zudem ist in den Figuren die Strömungsrichtung
des Abgases durch einen Pfeil dargestellt, wobei die Strömungsrichtung im Wesentlichen
parallel zu der Ausrichtung der Mittelelektrode 4 verläuft. Der Isolator 3 verläuft
im Wesentlichen senkrecht zu der Mittelelektrode 4, d. h. vorliegend etwa in die Zeichenebene
hinein bzw. hinaus. Analog zum Isolator 3 verläuft das Partikelabweisemittel 2, welches
den Isolator 3 zumindest teilweise umgibt und somit als Strömungsschildeinrichtung
5 fungiert, senkrecht zu der durch den Pfeil dargestellten Strömungsrichtung. Die
Strömungsschildeinrichtung 5 ist zumindest teilweise dem Isolator 3 in Strömungsrichtung
vorgelagert. Die Fig. 1A bis 1D unterscheiden sich im Wesentlichen nur durch die Ausbildung
der Partikelabweisemittel 2, so dass im Folgenden bei den Fig. 1A bis 1D auf eine
ausführliche Beschreibung der der anderen Bauteile des Abscheiders 1 verzichtet werden
kann.
[0025] Fig. 1A zeigt eine als Partikelabweisemittel 2 ausgebildete erste Strömungsschildeinrichtung
5a, welche im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet ist und etwa konzentrisch zu
dem Isolator 3 (genauer dessen Mittelachse in die Zeichnungsebene) und beabstandet
zu dieser ausgebildet ist. Der Abstand zwischen Isolator 3 und erster Strömungsschildeinrichtung
5a ist minimal und entlang des Umfangs des Isolators 3 in etwa konstant. In anderen
Ausgestaltungen kann die Strömungsschildeinrichtung 5a als viertel- oder dreiviertel
Bogen gestaltet sein, in noch anderen Ausgestaltungen nicht konzentrisch, sondern
versetzt.
[0026] Fig. 1B zeigt eine zweite Strömungsschildeinrichtung 5b, welche im Querschnitt ringförmig
ausgebildet ist und etwa konzentrisch zu dem Isolator 3 und beabstandet zu diesem
ausgebildet ist und somit den Isolator 3 umfänglich komplett umgibt. Der Abstand zwischen
Isolator 3 und zweiter Strömungsschildeinrichtung 5b ist minimal und entlang des Umfangs
des Isolators 3 in etwa konstant.
[0027] Fig. 1C zeigt eine dritte Strömungsschildeinrichtung 5c, welche im Querschnitt vier
vollkreisförmig ausgebildete Strömungsschildeinheiten 5c' umfasst, die benachbart
zueinander angeordnet sind. Vorliegend kontaktieren sich die jeweils benachbart zueinander
angeordneten Strömungsschildeinheiten 5c' umfänglich. Die vier Strömungsschildeinheiten
5c' sind auf einem Bogen, welcher konzentrisch zu dem Isolator 3 verläuft, angeordnet.
Dabei sind die vier Strömungsschildeinheiten 5c' in Strömungsrichtung dem Isolator
3 vorgelagert angeordnet. In anderen Ausgestaltungen sind mehr als vier, beispielsweise
7 Strömungsschildeinheiten 5c vorgesehen oder weniger als vier, beispielsweise drei.
[0028] Fig. 1D zeigt eine vierte Strömungsschildeinrichtung 5d, welche im Querschnitt eine
vollkreisförmige Strömungsschildeinheit 5d' aufweist, welche im Wesentlichen einer
der Strömungsschildeinheiten 5c' entspricht. Die Strömungsschildeinheit 5d' ist benachbart
zu dem Isolator 3, beabstandet zu diesem, angeordnet.
[0029] Die Strömungsschildeinrichtungen 5a-5d gemäß den Fig. 1A-1D sind so angeordnet, dass
sie jeweils den Isolator 3 optimal gegen strömende Partikel abschirmen oder die Partikel
optimal abweisen.
[0030] Fig. 2 zeigt schematisch die Ausführungsform des Abscheiders 1 nach Fig. 1D in einer
geschnittenen Seitenansicht. Der Abscheider 1 umfasst in der dargestellten Ausführungsform
einen nur teilweise dargestellten Strömungskanal 6. Der Strömungskanal 6 besteht aus
einer umlaufenden Kanalwandung 7, welche abschnittsweise sichtbar ist, und einem davon
eingeschlossenen Kanalinneren 8, durch welchen ein partikelbeinhaltendes Abgas in
der Strömungsrichtung (siehe Pfeil) strömt. Weiter umfasst der Abscheider 1 die Mittelelektrode
4, welche sich im Wesentlichen entlang einer Mittelachse des Strömungskanals 6 in
Strömungsrichtung erstreckt. Die Mittelelektrode 4 wird über eine Hochspannungs-Elektrodenzuführung
9 gespeist. Um die Elektrodenzuführung 9 ist der Isolator 3 angeordnet, so dass die
Elektrodenzuführung 9 ummantelt ist und ein Überschlagen von Elektronen von der Mittelelektrode
4 zu der Elektrodenzuführung 9 verhindert wird. Die Elektrodenzuführung 9 und der
Isolator 3 verlaufen im Wesentlichen senkrecht zu der Mittelektrode 4, hier in radialer
Richtung, und durchdringen die Kanalwandung 7 vom Kanalinneren 8 nach außen. Parallel
zu dem Isolator 3 verläuft das Partikelabweisemittel 2, welches ebenfalls die Kanalwandung
7 durchdringt. Das Partikelabweisemittel 2, welches als Strömungsschildeinrichtung
5d ausgebildet ist, ist beabstandet zu dem Isolator 3 angeordnet und ist im Wesentlichen
zylindrisch ausgebildet. Die Strömungsschildeinrichtung 5d, welche die Strömungsschildeinheit
5d' umfasst, umfasst weiter eine Heizeinrichtung 10, welche hier als Heizdraht 10'
ausgebildet ist. Der Heizdraht 10' wird in die Strömungsschildeinrichtung 5d' eingeführt
und verläuft dort in etwa schleifenförmig im Inneren der Strömungsschildeinheit 5d',
so dass der Heizdraht 10' von der Strömungsschildeinheit 5d' ummantelt ist. Dabei
ist die Strömungsschildeinrichtung 5d' jedoch so ausgebildet, dass ausreichend Energie
abgegeben wird, um einen thermophoretischen Effekt zu bewirken und damit Partikel
von dem Isolator 3 abzuweisen.
1. Elektrostatischer Abscheider (1), insbesondere für eine Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage,
mit einem Strömungskanal (6) mit einer Kanalwandung (7) und einem Kanalinneren (8),
durch welchen ein partikelbeinhaltendes Abgas in einer Strömungsrichtung strömt, einer
sich in dem Kanalinneren (8) im Wesentlichen in Strömungsrichtung erstreckenden Elektrode
(4) und einer Elektrodenzuführung (9), um die Elektrode (4) zu speisen, wobei die
Elektrodenzuführung (9) mit einem Isolator (3) zumindest teilweise ummantelt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass weiter ein Partikelabweisemittel (2) umfasst ist, welches verhindert, dass sich Partikel
des Abgases an dem Isolator (3) ablagern.
2. Elektrostatischer Abscheider (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelabweisemittel (2) beabstandet zu dem Isolator (3) separat ausgebildet
ist.
3. Elektrostatischer Abscheider (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelabweisemittel (2) mindestens eine Strömungsschildeinrichtung (5, 5a-5d)
mit einer Heizeinrichtung (10, 10') umfasst.
4. Elektrostatischer Abscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (10, 10') geeignet ist, eine äußere Oberfläche der Strömungsschildeinrichtung
(5, 5a-5d) und/oder des Isolators (3) auf eine für eine Thermophorese erforderliche
Temperatur, die entsprechend höher ist, als die des umgebenden Abgases, aufzuwärmen.
5. Elektrostatischer Abscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (10) ausgebildet ist, die Strömungsschildeinrichtung (5, 5a-5d)
und/oder den Isolator (3) auf eine Temperatur zum Abbrennen von dort befindlichen
Partikeln zu erwärmen.
6. Elektrostatischer Abscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsschildeinrichtung (5,5a-5d) den Isolator (3) zumindest teilweise umgibt,
um den Isolator (3) vor dem Auftreffen von Partikeln abzuschirmen.
7. Elektrostatischer Abscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (10,10') in und/oder an der Strömungsschildeinrichtung (5,5a-5d)
integriert ist.
8. Elektrostatischer Abscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsschildeinrichtung (5,5c), mehrteilig mit mehreren Strömungsschildeinheiten
(5c') ausgebildet ist.
9. Elektrostatischer Abscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsschildeinrichtung (5,5a-5d) hinsichtlich ihrer Größe und ihres Abstandes
zu dem Isolator (3) minimiert ist.
10. Heizungssystem zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger
wie Biomasse mit einer Feinstaub emittierenden Heizungsanlage wie eine Biomasse-Heizungsanlage
zum Verbrennen des Energieträgers, wobei partikelbeinhaltende Abgase entstehen, und
einem elektrostatischen Abscheider (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9.