Elektrostatischer Abscheider und Heizungssystem

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Abscheider (1, 1') für eine Abgasleitung (2) einer Abgasreinigungsanlage, ein Heizungssystem zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger mit einem elektrostatischen Abscheider (1, 1') und ein Verfahren zur Reduzierung von Ablagerungen von Partikeln eines Abgasstroms (P) an einer Elektrode (6) eines elektrostatischen Abscheiders (1, 1') eines Heizungssystems.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen elektrostatischen Abscheider (1, 1') und ein Heizungssystem zu schaffen, welche die Nachteile gemäß dem Stand der Technik überwinden und die insbesondere eine Ablagerung von Partikeln auf der Elektrode (6) verhindern oder reduzieren.
Gekennzeichnet ist der elektrostatische Abscheider (1, 1') dadurch, dass dieser ein beheizbares Partikelabweisemittel umfasst, welches verhindert, dass sich Partikel an der Elektrode (6) ablagern, wobei die Elektrode (6) und das beheizbare Partikelabweisemittel (9b) zumindest teilweise als ein gemeinsames Bauteil als direktbeheizte Elektrode ausgebildet sind. Gekennzeichnet ist das Heizungssystem dadurch, dass dieses den erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheider (1, 1') umfasst.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Abscheider, insbesondere für eine Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein Heizungssystem zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger mit einem elektrostatischen Abscheider nach Anspruch 7.

[0003] Aufgrund der Emissionen von Heizungsanlagen und globaler Bemühungen, derartige Emissionen zu reduzieren - siehe zum Beispiel das Kyoto-Abkommen - werden bei Heizungsanlagen entsprechende Abgasreinigungsanlagen verwendet. Diese sollen insbesondere die schädlichen Stoffe und Partikel aus Abgasen herausfiltern, sodass 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, der im Wesentlichen aus verschiedenen Anteilen aus Kohlenstoff-, Kalium- und/oder Calcium-Verbindungen besteht, als ein Schadstoffanteil ist bei herkömmlichen Biomasse-Heizungsanlagen ein Nachteil.

[0004] Aus der EP 1 193 445 A2 ist eine Abgasreinigungsanlage bekannt, welche für Biomasse-Heizungsanlagen zur Verringerung von Feinstaubemission 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 Stabes, gehalten. Ein Hochspannungs-Transformator mit Gleichrichterfunktion erlaubt den Aufbau einer hohen Gleichspannung zwischen dem Draht und dem Deckel, welcher elektrisch leitend mit dem Ofenrohr verbunden ist, sodass dieses als Kollektorelektrode wirkt.

[0005] Ein derartiger Elektrofilter mit Sprühelektrode und Kollektorelektrode ist auch als elektrostatischer Abscheider bekannt. 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 eine umgebende Mantelfläche der Abgasleitung ein Kondensator gebildet, der bei einer zylinderrohrförmigen Ausbildung der Abgasleitung auch als Zylinderkondensator bezeichnet wird. Die Sprüh- oder Mittelelektrode weist 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 Corona-Entladung aus, durch welche die in dem Abgas durch das Feld strömenden Partikel unipolar aufgeladen werden. Aufgrund dieser Aufladung wandern die meisten der Partikel durch die elektrostatischen Coulomb-Kräfte zur Innenwand der Abgasleitung, welche als Kollektorelektrode dient.

[0006] Wie oben bereits erwähnt, werden die Partikel durch die entlang der Oberfläche der Elektrode sich ausbildende Corona-Entladung elektrostatisch aufgeladen. Dies geschieht auf molekularer Ebene durch folgenden Prozess: Liegt die Elektrode z. B. gegenüber dem Abgasrohr auf negativer Hochspannung, so wird eine große Anzahl von Gasmolekülen negativ aufgeladen. Sie bewegen sich im von der Elektrode sowie dem Abgasrohr aufgespannten elektrischen Feld in Richtung des Abgasrohres. Treffen diese auf ihrem Weg durch das Abgasrohr auf elektrisch neutrale Partikel, so bleiben sie an diesen haften und laden die bis dahin neutralen Partikel ebenfalls negativ auf. Die geladenen Partikel strömen getrieben durch elektrostatische Ablenkungskräfte zur Innenwand des Abgasrohres. Hier bleiben die Teilchen haften, verlieren ihre Ladung und werden sicher aus dem Abgasstrom entfernt. Dies ist der Kernprozess eines elektrostatischen Abscheiders und führt je nach Geometrie, Höhe des Corona-Stroms, Elektrodenform etc. zu Abscheideraten bis etwa über 90%. Dieser Kernprozess kann durch folgende Effekte gestört werden:

Bei der Verbrennung entstehen bipolar geladene Partikel. Mittels Boltzmann-Verteilung kann der Anteil einfach bzw. mehrfach geladener Partikel abgeschätzt werden. Die Verteilung ist symmetrisch, d. h., es entstehen gleich viele positiv wie negativ geladene Partikel. Für Bedingungen, wie sie im Abgas von Biomasse-Heizungen vorliegen, tragen zwischen 15 und 20% der Partikel eine elektrische Elementarladung. Die Anzahl geladener Partikel wird durch Koagulation zwar um ca. 10% pro Sekunde reduziert, dennoch liegen am Ort des elektrostatischen Abscheiders (entspricht ca. ein bis zwei Sekunden Flugzeit der Partikel vom Ort der Verbrennung) noch über 10% geladener Partikel vor. Gelangen die geladenen Partikel nun in die Nähe der auf negativer Hochspannung liegenden Elektrode der Aufladeeinheit (Einheit Abgasrohr, Elektrode), so werden die negativen Partikel von der Elektrode weg in Richtung Abgasrohrinnenseite strömen. Die positiven Partikel strömen dagegen auf die Elektrode zu. Hiervon wird ein Teil beim Durchströmen der Aufladeeinheit neutralisiert bzw. negativ umgeladen, der Rest der Partikel gelangt jedoch zur Elektrode und lagert sich dort ab. Über die Betriebsdauer kommt es deshalb zu Funktionseinschränkungen des elektrostatischen Abweisers. Denn der auf der Elektrode abgelagerte Feinstaub verhindert lokal die Ausbildung der Corona. Dadurch verschlechtert sich die elektrische Aufladung der Partikel. Die Abscheideeffizienz des Systems wird degradiert. Zudem existiert in unmittelbarer Nähe der Corona (in einem Radius wenige Millimeter um die Elektrode) ein bipolares Ladungsgebiet. Elektrisch neutrale Partikel, welche dieses Gebiet durchströmen, können auch von einer negativen Elektrode positiv aufgeladen werden. Sie strömen dann auf die Elektrode zu. Ein Teil wird durch die Corona neutralisiert bzw. negativ umgeladen, ein kleiner Rest gelangt jedoch zur Elektrode und lagert sich ebenfalls dort ab.

[0007] Nachteilig an den elektrostatischen Abscheidern gemäß dem Stand der Technik ist, dass es nach einer längeren Betriebszeit zu einer kontinuierlichen Degradation des Corona-Stroms bei konstanter Hochspannung kommt. Dadurch sinkt die Aufladeeffizienz der Elektrode, was wiederum die Abscheideleistung des gesamten Systems verringert.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrostatischen Abscheider zu schaffen, der diesen Nachteil überwindet und der insbesondere eine Ablagerung von Partikeln auf der Elektrode verhindert oder reduziert, um die Funktionsdauer des elektrostatischen Abscheiders zu erhöhen.

[0009] Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Heizungssystem mit einem erfindungsgemäßen Abscheider zu schaffen, das eine zuverlässige Abgasreinigung garantiert.

[0010] Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

[0011] Der erfindungsgemäße elektrostatische Abscheider ist dadurch gekennzeichnet, dass bei dem 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, und einer sich in dem Kanalinneren im Wesentlichen in Strömungsrichtung erstreckenden Elektrode, zur Bildung eines elektrischen Feldes zwischen Elektrode und der Kanalwandung, vorgesehen ist, dass weiter mindestens ein beheizbares Partikelabweisemittel umfasst ist, welches verhindert oder die Möglichkeit verringert, dass sich Partikel des Abgases an der Elektrode ablagern, insbesondere dauerhaft ablagern. Das Partikelabweisemittel verhindert oder reduziert wirksam zumindest ein Ablagern von Partikeln an der Elektrode. Darüber hinaus kann das Partikelabweisemittel das Ablagern von Partikeln an weiteren Komponenten des elektrostatischen Abscheiders wirksam reduzieren. Dadurch dass die Elektrode direkt beheizbar ausgebildet ist, lässt sich effektiv eine Partikelablagerung verhindern oder reduzieren.

[0012] Die Elektrode kann als Draht ausgebildet sein, der die Funktionen eines Heizdrahts und einer Elektrode vereint. Hierzu kann durch den Draht elektrischer Strom geleitet werden, der die Elektrode, das heißt, den stromdurchflossenen Abschnitt oder Draht, so erwärmt, dass eine Partikelablagerung aufgrund der weiter unten näher beschriebenen Thermophorese verhindert oder zumindest reduziert ist, oder eine dennoch bestehende Ablagerung freigebrannt werden kann.

[0013] In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die direktbeheizte Elektrode zumindest teilweise aus einem geeigneten Material und/oder einer geeigneten Geometrie ausgebildet ist, um einen höheren elektrischen Widerstand zur Erwärmung der Elektrode auf eine entsprechende Temperatur zu realisieren. Ein geeignetes Material ist beispielweise ein Chrom-Nickelstahl oder ein anderes Material mit einem elektrischen Widerstand von etwa 1,12 Ohm*mm²/m oder in einem anderen geeigneten Bereich, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Geometrie. Eine geeignete Geometrie des Elektrodendrahtes kann beispielsweise ein Draht mit einer Länge von etwa 0,5 m und einem Durchmesser im Bereich von etwa 0,3 bis 0,4 mm sein. Die Geometrie und oder das Material können so ausgewählt sein, dass ein elektrischer Widerstand von etwa 5 bis 10 Ohm für die Elektrode erreicht werden. Der Querschnitt des Drahts kann eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise kreisförmig. Zur gezielten Erwärmung des Drahts kann der Querschnitt in Richtung des Drahts über die Länge variieren, das heißt, der Draht kann dicker oder dünner ausgebildet werden. Der Querschnitt lässt sich dabei sowohl hinsichtlich der Querschnittsfläche variieren, wie auch hinsichtlich der Querschnittsform, beispielsweise von quadratisch in kreisförmig.

[0014] Ein Ausführungsbeispiel des elektrostatischen Abscheiders sieht vor, dass die Elektrode sich nichtlinear erstreckend ausgebildet ist, um in dem Strömungskanal eine größere aktive Wirkungsfläche bereitzustellen. Nichtlinear bedeutet vorliegend nicht als gerade Linie, sondern vielmehr gekrümmt, gebogen, gewendelt, geknickt oder dergleichen ausgebildet. Die Elektrode kann zumindest teilweise spiralförmig mit einer geeigneten Steigung ausgebildet sein, sodass sich benachbarte Bereiche der Elektrode nicht gegenseitig negativ beeinflussen. Der Abstand benachbarter Bereiche kann in einem Intervall von >= 1 mm bis <= 20 mm, bevorzugt in einem Intervall von >= 5 mm bis <=15 mm liegen und beträgt am meisten bevorzugt etwa 10 mm.

[0015] Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Elektrode als geschlossene Drahtschleife ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine einfach stromdurchfließbare Elektrode geschaffen werden, die sich durch entsprechende Bestromung gezielt erhitzen lässt. Durch die schleifen- oder auch schlaufenförmige Ausformung ist zudem die Wirkungsfläche der Elektrode erhöht.

[0016] Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Elektrode zumindest abschnittsweise stromdurchfließbare Ansätze wie Vorsprünge aufweist, um eine größere aktive Wirkungsfläche bereitzustellen. Die Elektrode kann beispielweise stacheldrahtförmig oder mit Noppen ausgebildet sein.

[0017] Neben der direkt beheizbaren Elektrode können weitere, unterschiedliche Partikelabweisemittel vorgesehen sein, beispielsweise mechanische Partikelabweisemittel umfassend eine Rüttel-Einrichtung oder dergleichen. Ein anderes Beispiel eines unterschiedlichen Partikelabweisemittels kann eine Fluideindüsungseinrichtung sein, die ein dauerhaftes Anhaften von Partikeln an dem Abscheider oder dessen Komponenten durch Eindüsen eines Fluids und dem damit verbundenen Einwirken des Fluids auf Partikel mechanisch zumindest reduziert.

[0018] Auch sieht ein Ausführungsbeispiel vor, dass mehrere beheizbare Partikelabweisemittel vorgesehen sind, um die Elektrode für ein Partikelabweisen zu erwärmen, wobei eine Erwärmung der Partikelabweisemittel separat voneinander oder zumindest teilweise gemeinsam realisierbar ist.

[0019] Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass weiter Mittel zum Hochspannungs- und Heizbetrieb des elektrostatischen Abscheiders vorgesehen sind. Diese Mittel können entsprechende Schalt- und/oder Steuereinrichtung, insbesondere elektrische Schalt- und oder Steuereinrichtungen umfassen.

[0020] So sieht zum Beispiel eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor, dass die Mittel eine Trenntransformatoreinrichtung umfassen, um eine Hochspannungsversorgung und eine Niederspannungsversorgung voneinander trennbar für den Betrieb des elektrostatischen Abscheiders zu realisieren. Die Hochspannungsversorgung und die Niederspannungsversorgung können dabei gleichzeitig oder alternierend erfolgen.

[0021] Das erfindungsgemäße Heizungssystem zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger wie Biomasse ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Feinstaub emittierenden Heizungsanlage wie eine Biomasse-Heizungsanlage zum Verbrennen des Energieträgers aufweist, wobei partikelbeinhaltende Abgase entstehen, und ein erfindungsgemäßer elektrostatischer Abscheider vorgesehen ist.

[0022] Mit dem erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheider und dem erfindungsgemäßen Heizungssystem werden insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:

[0023] Eine Vermeidung bzw. Reduzierung von Feinstaubablagerungen auf der Elektrode wird realisiert. Insbesondere durch eine direktbeheizte Elektrode lässt sich gegenüber einer indirekten Beheizung der Elektrode die Hochspannungsisolierung zwischen Elektrode und Heizleiter nur noch als als mechanische Stabilisierung eingesetzte Keramik (10b) realisieren bzw. andernfalls gänzlich vermeiden. Durch die Ausbildung als Schlaufe oder Schleife lässt sich gegenüber einer spiralförmigen Ausbildung eine kürzere Länge der Elektrode realisieren. Durch die nichtlineare Ausbildung der Elektrode, die auch Mittel- oder Sprühelektrode genannt wird, ggf. auch mit Anformungen, lässt sich dagegen die aktive Oberfläche oder die Wirkungsfläche der Elektrode vergrößern. Beim Betrieb mit hohen Feinstaubkonzentrationen wie beim Verbrennungsstart, beispielsweise von Scheitholzanlagen, kann durch Erhitzen des Systems deren Feinstaub-Kontamination erfolgreich durch Thermophorese verhindert werden. Wird eine Oberfläche im Partikel beladenen Abgasstrom einer Scheitholzanlage oder auch eines Verbrennungsmotors oder dergleichen auf ca. 100 K über der umgebenden Gastemperatur erwärmt, so wird durch den Temperaturgradienten zur Umgebung das Ablagern vor allem kleiner, deutlich submikroner Partikel (<200nm) zuverlässig verhindert. Die Aufladeeffizienz der Spiral- oder Schlaufenelektrode wird im sie umgebenden lokal partikelarmen Volumen nicht reduziert, da die mittlere freie Weglänge der Ionen, welche die Feinstaubpartikel aufladen, durch die Temperatursteigerung erhöht wird. Eine beispielhafte Leistungsberechnung ergibt nach den bekannten Formeln dQ/dt = α * A*ΔT, für α = 30 W/m²*K, ΔT=100 K und A=6,3 E-4 m² entsprechend dQ/dt = 2 W, unter Berücksichtigung von Strahlung mit Toleranzen etwa dQ/dt = 4 W. Zum Freibrennen der Elektrode wird bei einem ΔT=400K eine Leistung von weniger als etwa 20 W benötigt.

[0024] Erste Abschätzungen zeigen, dass für die Bedingungen, welche zum Beispiel im Abgasrohr einer Scheitholzanlage direkt am Kesselausgang vorliegen (220°C, Strömungsgeschwindigkeit 0,5 - 1,5 m/s), für die Beheizung des isolierenden keramischen Heizelementes (Durchmesser 4 mm, Länge 60 mm) ca. 5 - 10 W Heizleistung über eine elektrische Widerstandsheizung genügen. Sollte es trotz Thermophorese nach einem längeren Zeitraum zu Partikelablagerungen auf der Sprühelektrode kommen, so kann dies durch Verschiebung der Strom-Spannungskennlinie der Hochspannungsversorgung über einen vorher eingestellten Maximalwert hinaus detektiert werden. Die elektronische Steuerungseinheit des elektrostatischen Abscheiders heizt dann das keramische Heizelement kurzzeitig auf über 600°C hoch. Ab dieser Temperatur wird das keramische Heizelement einschließlich der um sie geschlungenen Elektrode von den brennbaren, niedergeschlagenen Rußpartikeln freigebrannt. Sie stellen bei der Scheitholzverbrennung den Hauptbestandteil des Feinstaubes dar. Zusätzlich oder alternativ kann das System auch durch eine Rütteleinrichtung mechanisch von Feinstaublagerungen befreit werden. Auch zu deren Aktivierung kann die Verschiebung der Strom-/Spannungskennlinie der Hochspannungsversorgung herangezogen werden.

[0025] Elektrostatische Abscheider stellen im Abgassystem einen minimalen Strömungswiderstand dar, welcher sich auch bei steigender Beladung nur sehr langsam erhöht. Sie weisen eine große Aufnahme-Kapazität für abgeschiedenen Feinstaub auf. Bei langsamen Strömungsgeschwindigkeiten und genügend langen Abscheidestrecken verfügen sie für submikrone Partikel über eine Abscheideeffizienz von 80 - 90%. Aus o.a. Gründen sind sie deshalb eine aussichtsreiche Option für die Abgasreinigung einer Scheitholzanlage, anderen Biomasse-Heizanlagen oder Ölbrennern. Das Aufrechterhalten der Hochspannung der Mittelelektrode stellt eine technische Schwierigkeit bei der Ausführung des elektrostatischen Abscheiders dar. Die Elektrode kann insbesondere durch die folgende Möglichkeit von Feinstaubkontaminationen freigehalten bzw. abgereinigt werden:

Thermophorese durch direkte Beheizung:

Durch den Einsatz einer (direkt) beheizten Sprühelektrode vergrößert sich der Einsatzbereich des hier beschriebenen elektrostatischen Abscheiders. So kann die Degradation der Sprühelektrode deutlich - auch permanent- vermieden werden. Auch findet keine Kondensation von Wasserdampf auf der Elektrode statt. Bei einer Benetzung der Elektrode mit Wasser ist die Durchschlagsfestigkeit nicht mehr gegeben. Während ein Betrieb eines elektrostatischen Abscheiders gemäß dem Stand der Technik bei Temperaturen in der Nähe des Abgaskondensationspunktes und darunter nicht möglich ist, kann mit dem erfindungsgemäßen Abscheider zur kontinuierlichen Elektrodenheizung die Elektrode von Kondensat freigehalten werden. So kann der elektrostatische Abscheider oder auch Filter in Anlagen mit niedrigen Abgastemperaturen (z. B. bei einer Brennwerttechnik oder bei einem Einsatzort in einem größeren Abstand zur Anlage, beim Anfahren der Anlage) eingesetzt werden.

[0026] Die Zeichnungen stellen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:

Fig. 1

schematisch einen Längsquerschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheiders,

Fig. 2

schematisch einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheiders und

Fig.3

eine schematische Darstellung einer Leistungsversorgung des erfindungsgemäßen Abscheiders.

[0027] Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsquerschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheiders 1, wobei der Schnitt etwa durch die Mitte einer Abgasleitung 2 verläuft und so nur ein Teil des elektrostatischen Abscheiders 1 darstellt ist. Der elektrostatische Abscheider 1 ist in einer Abgasleitung 2 (nur teilweise dargestellt) einer hier nicht dargestellten Abgasreinigungsanlage angeordnet und umfasst einen Strömungskanal 3. Der Strömungskanal 3 ist als rohrförmiger Abschnitt der Abgasleitung 2 ausgebildet und umfasst eine Kanalwandung 4 und ein Kanalinneres 5. Durch den Strömungskanal 3 strömt ein hier durch einen Pfeil P dargestelltes, partikelbeinhaltendes Abgas in die ebenfalls durch den Pfeil P dargestellte Strömungsrichtung. Im Inneren des Strömungskanals 3 erstreckt sich in Strömungsrichtung P eine Elektrode 6, die auch als Mittelelektrode, Sprühelektrode oder Coronaelektrode bezeichnet wird. Der Strömungskanal 3 ist bevorzugt im Querschnitt in Strömungsrichtung P rotationssymmetrisch um eine Mittelachse A ausgebildet. Die Elektrode 6 erstreckt sich im Wesentlichen entlang dieser Mittelachse A. Gespeist wird die Elektrode 6 über eine Elektrodenzuführung 7, welche mit einem Isolator 8 ummantelt ist. Zusammen mit der Kanalwandung 4 bildet die Elektrode 6 eine Aufladeeinheit, in welcher Partikel elektrisch aufgeladen werden können. Hierzu bildet die Elektrode 6 mit der Kanalwandung 4 unter Anlegen einer Hochspannung ein elektrisches Feld aus, dessen Feldlininen im Wesentlichen radial zu der Elektrode 6 bzw. der Kanalwandung 4 verlaufen, im Wesentlichen quer, genauer rechtwinklig, zur Strömungsrichtung P.

[0028] Der elektrostatische Abscheider 1 in einer nur teilweise dargestellten Abgasleitung 2 umfasst in der dargestellten Ausführungsform in Fig. 1 mehrere Partikelabweisemittel 9. Ein erstes Partikelabweisemittel 9a ist in dem Isolator 8 integriert. Das erste Partikelabweisemittel 9a ist als Heizelement für den Isolator 8 ausgebildet, das in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in Form von den Isolator 8 durchdringenden Heizdrähten realisiert ist.

[0029] Ein zweites Partikelabweisemittel 9b ist integriert mit der Elektrode 6 ausgebildet. Das zweite Partikelabweisemittel 9b ist als beheizbares Partikelabweisemittel ausgebildet, welches vorliegend als Heizkeramik 10 realisiert ist. Die Heizkeramik 10 umfasst eine Halterung 10a und ein stabförmiges Heizelement 10b. Die Halterung 10a und das Heizelement 10b sind miteinander verbunden. Bevorzugt sind die Halterung 10a und das Heizelement 10b L-förmig zueinander angeordnet. Durch die Heizkeramik 10 verläuft ein Heizdraht 11. Die Halterung 10a ragt radial von außen durch die Rohrwandung 4 in das Kanalinnere 3 herein, etwa bis zur Mittelachse A. Von dort ragt das Heizelement 10b etwa entlang der Mittelachse A entgegen der Strömungsrichtung P in Richtung Isolator 8. Die Elektrode 6, welche über die Elektrodenzuführung 7 gespeist wird, ist spiralförmig um das Heizelement 10b gewickelt, wobei die Abstände der Windungen etwa äquidistant ausgebildet sind, bevorzugt in einem Abstand von etwa 10 mm. Auf diese Weise ist die Wirkungsfläche der Elektrode 6 pro Kanalabschnitt in Strömungsrichtung P vergrößert. Die Heizkeramik (10) kann den Erwärmungsprozess der spiralförmig ausgebildeten Elektrode 6 gewährleisten. Alternativ kann die Elektrode 6 so ausgebildet werden, z.B. als geschlossene Drahtschleife, dass diese sich bei Bestromung durch fließenden Strom (Transformatoreinrichtung notwendig) erhitzt. In diesem Fall kann die Heizkeramik (10) durch eine Halterung ohne Heizfunktion ersetzt werden. Die Halterung dient dann zur Stabilisierung der selbstheizenden Elektrode (6).

[0030] Ein drittes Partikelabweisemittel 9c ist integriert mit der Heizkeramik 10, genauer einem über die Kanalwandung 4 nach außen hervorragenden Teil der Halterung 10, ausgebildet. Das dritte Partikelabweisemittel 9c ist als mechanisches Partikelabweisemittel ausgebildet, welches hier durch eine Rütteleinrichtung 12 realisiert ist. Die Rütteleinrichtung 12 erzeugt Schwingungen, welche über die Halterung 10a weiter zu dem Heizelement 10b übertragen werden. Durch die Schwingungen werden an der Heizkeramik 10 und/oder an der Elektrode 6 anhaftende Partikel mechanisch entfernt oder ein Anhaften verhindert oder reduziert.

[0031] In einer anderen Ausführungsform kann mindestens ein Partikelabweisemittel 9 unterschiedlich ausgeführt sein und/oder auf eines oder zwei der Partikelabweisemittel 9a, 9b, 9c verzichtet werden. Eine andere Ausführungsform zeigt Fig. 2.

[0032] Fig. 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheiders 1'. Gleiche oder ähnliche Teile werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Eine detaillierte Beschreibung bereits beschriebener Bauteile entfällt.

[0033] Der elektrostatische Abscheider 1' nach Fig. 2 ist vom Prinzip gleich aufgebaut wie der elektrostatische Abscheider 1 nach Fig. 1, unterscheidet sich lediglich durch die Ausführung des zweiten Partikelabweisemittels 9b, wobei zur einfacheren Darstellung das Partikelabweisemittel 9c nicht explizit dargestellt ist, wobei dieses genauso wie das erste Partikelabweisemittel 9a auch entfallen kann. Der elektrostatische Abscheider 1' ist in einer Abgasleitung 2 (nur teilweise dargestellt) einer hier nicht weiter dargestellten Abgasreinigungsanlage angeordnet und umfasst einen Strömungskanal 3. Der Strömungskanal 3 ist als rohrförmiger Abschnitt der Abgasleitung 2 ausgebildet und umfasst eine Kanalwandung 4 und ein Kanalinneres 5. Durch den Strömungskanal 3 strömt ein hier nicht dargestelltes, partikelbeinhaltendes Abgas in die ebenfalls nicht dargestellte Strömungsrichtung. Im Inneren des Strömungskanals 3 erstreckt sich in Strömungsrichtung die Elektrode 6, die vorliegend als geschlossene Drahtschleife 6b ausgebildet ist und das zweite Partikelabweisemittel 9b und die Elektrode 6 in einem gemeinsamen Bauteil - einer direktbeheizten Elektrode - ausbildet. Gespeist wird die Elektrode 6 über eine Elektrodenzuführung 7, welche mit dem Isolator 8 ummantelt ist.

[0034] Zur besseren Darstellbarkeit ist das dritte Partikelabweisemittel 9c in der schematischen Fig. 2 nicht dargestellt. Das dritte Partikelabweisemittel 9c kann wie in Fig. 1 ausgebildet sein. Alternativ und/oder zusätzlich kann das Partikelabweisemittel 9c zum Beispiel als Fluideindüsungseinrichtung ausgebildet sein. Diese dient dazu, die Sprühelektrode 6 und ggf. weitere partikelbehaftete Teile mittels eines Strahls oder mehrerer Strahlen von den Partikeln zu befreien.

[0035] Um den elektrostatischen Abscheider 1' entsprechend zu betreiben, sodass das als beheizbare Drahtschleife ausgebildete zweite Partikelabweisemittel 9b sowohl eine Heizfunktion als auch eine Spannungsfunktion durchführt, sind Mittel zum Hochspannungs- und Heizbetrieb 13 vorgesehen. Die Mittel 13 umfassen eine Transformatoreinrichtung 14, die in Fig. 3 näher beschrieben ist.

[0036] Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Leistungsversorgung des erfindungsgemäßen Abscheiders 1 bzw. 1'. Dargestellt ist eine (Trenn) Transformatoreinrichtung 14, genauer deren Wicklungen, eine Primärwicklung 14a und einer Sekundärwicklung 14b. Weiter ist ein Hochspannungsmodul 15 leitend mit der Sekundärwicklung 14b verbunden. Die Transformatoreinrichtung 14 mit den Wicklungen 14a, 14b und dem Hochspannungsmodul 15 sowie den entsprechenden Leitungen 16 bilden u.a. die Mittel zum Hochspannungs- und Heizbetrieb 13 des elektrostatischen Abscheiders 1,1'. Die Funktionsweise ist im Wesentlichen Folgende:

[0037] Die Elektrode 6 liegt auf einem Hochspannungs-Niveau (etwa 12 - 25 kV). Die zuvor aufgeführte Beheizung oder Heizfunktion der Elektrode 6 lässt sich auf mehrere Weisen realisieren:

[0038] Es kann ein gleichzeitiger Hochspannungs- und Heizbetrieb durchgeführt werden: Hierzu liegt die Elektrode 6 auf einem Hochspannungs-Niveau (HV). Eine Niederspannungs-Heizungsversorgung (NV) zur Realisierung der Heizfunktion erfolgt galvanisch völlig getrennt von einem Erdniveau. Dieses wird durch die Trenntransformatoreinrichtung 14, wie sie etwa auch in der Hochspannungsmesstechnik als Stromwandler eingesetzt wird, realisiert. Zur Vermeidung von HV-Überschlägen sind die Wicklungen vergossen, ihre Isolation muss jeweils die Hälfte des Wertes der Hochspannung gegenüber dem Eisenkern der Trenntransformatoreinrichtung 14 absichern.

[0039] Weiter kann ein schnell alternierender Betrieb durchgeführt werden: Hierzu liegt die Elektrode 6 abwechselnd auf HV-Niveau oder wird auf Erdpotenzial von einem Heizstrom durchflossen. Eine Betriebsfrequenz hängt von der Geometrie der Elektrode 6 und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Abgasrohr ab und liegt typischerweise etwa zwischen 5 und 50 Hz. Eine thermische Masse der Elektrode 6 glättet dabei deren pulsartige Beheizung. Die entsprechenden Abgaspartikel werden entsprechend von einem gepulsten Corona-Strom aufgeladen. Die Umschaltung von NV- auf HV-Niveau erfolgt durch einen geeigneten Schalter, der ebenfalls von den Mitteln zum Hochspannungs- und Heizbetrieb des elektrostatischen Abscheiders 1,1' umfasst ist.

[0040] Weiter kann ein langsamer, alternierender Betrieb durchgeführt werden: Hierbei liegt die Elektrode 6 während des Betriebs permanent auf HV-Niveau. In geeigneten Betriebsintervallen (nach ca. 5 - 10 Betriebsstunden), die durch eine Degradation der Spannungs-Kennlinie detektiert werden können, wird die HV abgestellt und die Elektrode 6 wird über einen geeigneten Schalter auf NV-Niveau gelegt und für eine vorgegebene Zeit (etwa 20 - 60 s) beheizt. Zweckmäßigerweise geschieht dies am besten bei abgeschalteter Verbrennung.

[0041] Die Beheizung erfolgt jeweils bis zu einer Zündtemperatur des anhaftenden Rußes (welche zum Beispiel etwa bei 600°C liegen kann). Hierfür ist bei entsprechenden Eigenschaften der Elektrode 6 (zum Beispiel bei einer Elektrodenlänge l=0,5 m, einem Elektrodendurchmesser D= 0,3-0,4 m, Elektrodenmaterial: Chrom-Nickelstahl) eine Heizleistung von etwa ca. 20 - 30 W erforderlich. Nach einer thermischen Regeneration ist die Elektrode 6 wieder für den Einsatz als Aufladeeinheit betriebsbereit. Diese Betriebsweise ist vor allem bei Heizanlagen, welche Feinstaub mit hohem (brennbaren) Kohlenstoffanteil emittieren, geeignet, zum Beispiel bei Scheitholzöfen oder Scheitkesseln. Die bauliche Ausführung des HV-Schalters ist für die letzte beschriebene Betriebsweise einfacher als bei den zuvor aufgeführten Betriebsweisen, wobei die Elektrode 6 nicht permanent durch die Thermophorese vor Feinstaubkontamination geschützt ist.

Ansprüche

1. Elektrostatischer Abscheider (1,1'), insbesondere für eine Abgasleitung (2) einer Abgasreinigungsanlage, mit
einem Strömungskanal (3) mit einer Kanalwandung (4) und einem Kanalinneren (5), durch welchen ein partikelbeinhaltendes Abgas (P) in einer Strömungsrichtung strömt,
und einer sich in dem Kanalinneren (5) im Wesentlichen in Strömungsrichtung (P) erstreckenden Elektrode (6), zur Bildung eines elektrischen Feldes zwischen der Elektrode (6) und der Kanalwandung (4),
dadurch gekennzeichnet, dass weiter mindestens ein beheizbares Partikelabweisemittel (9) umfasst ist, welches verhindert, dass sich Partikel des Abgases (P) an der Elektrode (6) ablagern, wobei die Elektrode (6) und das beheizbare Partikelabweisemittel (9b) zumindest teilweise als ein gemeinsames Bauteil als direktbeheizte Elektrode ausgebildet sind.

2. Elektrostatischer Abscheider (1, 1') nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die direktbeheizte Elektrode (6) zumindest teilweise aus einem geeigneten Material und/oder einer geeigneten Geometrie ausgebildet ist, um einen höheren elektrischen Widerstand zur Erwärmung der Elektrode (6) auf eine entsprechende Temperatur zu realisieren.

3. Elektrostatischer Abscheider (1, 1') nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (6) als geschlossene Drahtschleife ausgebildet ist.

4. Elektrostatischer Abscheider (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere beheizbare Partikelabweisemittel (9, 9b) vorgesehen sind, um die Elektrode (6) für ein Partikelabweisen zu erwärmen, wobei eine Erwärmung separat voneinander oder integriert miteinander realisierbar ist.

5. Elektrostatischer Abscheider (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass weiter Mittel zum Hochspannungs- und Heizbetrieb des elektrostatischen Abscheiders (1, 1') vorgesehen sind.

6. Elektrostatischer Abscheider (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine (Trenn-) Transformatoreinrichtung (13) umfassen, um eine Hochspannungsversorgung und eine Niederspannungsversorgung voneinander trennbar für den Betrieb des elektrostatischen Abscheiders (1, 1') zu realisieren.

7. 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 mit einem elektrostatischen Abscheider (1, 1') nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6.

Zeichnung