Kompakter Aerosolabscheider

Markus Lehner

Der elektrostatische Abscheider Carola (Corona Aerosol Abscheider) wurde von dem Forschungszentrum Karlsruhe (FZK), Institut für Technische Chemie – Thermische Abfallbehandlung, mit dem Ziel entwickelt, einen hocheffektiven Abscheider für Feinstpartikel aus Gasströmen bereitzustellen, der gegenüber konventionellen Systemen erhebliche Vorteile bezüglich Investitions- und Betriebskosten aufweist. Rauschert Verfahrenstechnik ist der exklusive Lizenznehmer für Anwendungen dieses Systems in der chemischen, pharmazeutischen und petrochemischen Industrie.

Der Carola-Abscheider ist für Gasvolumenströme ab etwa 500 bis etwa 50 000 m3/h geeignet und arbeitet in vier Schritten:

Im Carola-Abscheider beschleunigt eine patentierte Platte mit düsenförmigen Öffnungen das Abgas auf bis zu 12 m/s. Anschließend laden Corona-Elektroden, die bei einer Spannung von 10 bis 15 kV betrieben werden, die Feinstpartikeln auf. Die spezielle Anordnung der Coronaelektroden in der Düse führt zu einer hocheffizienten Partikelaufladung und folglich zu einer geringen Baugröße. So beträgt der Energieaufwand für die Aufladung der Partikel mit etwa 100 W/1000 m3 nur einen Bruchteil der Leistungsaufnahme üblicher Elektrofilter. Die so aufgeladene Partikelwolke tendiert dazu, sich auf geerdeten Oberflächen niederzuschlagen. Hierzu wird der Partikelstrom durch ein geerdetes Rohrbündel mit besonders großer Oberfläche geleitet, wobei die Partikel nahezu vollständig aus dem Abgas entfernt werden. Das Rohrbündel ist durch ausfallendes Kondensat feucht, und wird periodisch über Sprühdüsen abgespült. Der Druckverlust über den gesamten Abscheider liegt unter 3 mbar, der Wasserverbrauch bewegt sich zwischen 20 und 60 l/1000 m3 Abgas. Die Ermittlung von genauen Verbrauchsdaten sowie spezifische, konstruktive Optimierungen werden jeweils projektbezogen durchgeführt.

Der Carola-Abscheider wird vorzugsweise hinter Apparaten eingesetzt, die Grobpartikel zurückhalten, z.B. hinter einem Nasswäscher. Eine auf wenige g/m3 limitierte Eingangskonzentration der Partikel als auch ein möglichst vollständig wasserdampfgesättigtes Abgas sind notwendig, um die einwandfreie Funktion von Carola zu gewährleisten. Durch die nasse Betriebsweise ergeben sich verhältnismäßig niedrige Betriebstemperaturen von rund 40 bis 90 °C, wodurch die Verwendung von korrosionsbeständigen Kunststoffen, z.B. GFK, möglich wird.

Carola stellt einen sehr kompakten, zweistufigen Elektroabscheider dar. Im Gegensatz zum konventionellen einstufigen Horizontal-Elektrofilter, in dem die Aufla-dung und der Transport der Partikeln in einem gemeinsamen elektrischen Feld erfolgt, baut sich bei Carola durch die geladenen Partikel (Raumladung) im Rohrbündel ein Feld auf, das die Triebkraft für den Partikeltransport zur Verfügung stellt. Bei den gängigen Elektrofiltern werden zur Erzeugung der Hochspannung (bis 50 kV) aufwändige Regelverfahren und Schutzmaßnahmen verwendet. Um eine weitgehende Aufladung und Abscheidung der Feinstpartikeln zu erzielen, werden mehrere Filterstufen in Reihe geschaltet. In der Tabelle wird das Carola-System mit konventionellen Elektrofiltern, gemäß dem Stand der Technik, verglichen. Die im Vergleich hohen Strömungsgeschwindigkeiten und hohen Feldstärken des Carola-Systems ermöglichen eine kompakte Bauweise der Ionisationsstufe. Der Durchsatz und die Leistungsaufnahme des Carola-Systems liegen im Bereich der Röhrenelektrofilter. Der wesentliche Vorteil des Carola-Systems liegt in der kompakten Bauweise. Es werden hohe massen- und anzahlbezogene Abscheidegrade erzielt. Darüber hinaus ist das Hochspannungsaggregat kleiner und damit erheblich kostengünstiger als bei konventionellen Elektrofiltern.

Das Carola-System wurde in einer Vielzahl unterschiedlicher Aufgabenstellungen erfolgreich getestet, sowohl im Labor- als auch im technischen Maßstab. Dabei untersuchte man beispielsweise die Abscheidung von Kalkstein, von Partikeln aus einer Holzfeuerung, von Aerosil (SiO2), von Flugstaub aus der Hausmüllverbrennung Tamara, von Partikeln aus einer Chlorsilanverbrennung sowie von Schwefelsäureaerosolen. Die dafür eingesetzten Laboranlagen hatten einen Durchsatz von 150 bis 700 m3/h. Die erreichten massenbezogenen Abscheidegrade liegen je nach Anwendungsfall zwischen 90 und 99,9 %.

Als erste technische Anlage ist ein Aggregat mit 2500 m3/h Durchsatz seit mehr als einem Jahr hinter einer Verbrennungsanlage für schwachradioaktive Substanzen in Betrieb, mit dessen Einsatz die Standzeit der Hepa-Filter, die dort als letzte Stufe im Reinigungsprozess eingesetzt werden, erheblich verlängert werden konnte.

Eine zweite großtechnische Installation wurde nach einem Brennofen für Spezialkeramik realisiert. Das Carola-System ist dort in den Kopf eines Kalksteinsuspensionswäschers integriert und hält auftretende Emissionen von Schwefeltrioxidaerosolen zurück. Dieser für einen Durchsatz von 15 000 m3/h ausgelegte Apparat befindet sich seit etwa drei Monaten im kontinuierlichen Betrieb. Er weist einen Durchmesser von nur 2 m und eine gesamte Bauhöhe von 5,5 m auf. Die gesamte elektrische Anschlussleistung liegt unter 4 kW, der Gesamtdruckverlust bei 2 mbar. Als Werkstoffe wurden GFK mit Chemieschutzschicht für den Mantel sowie Polypropylen bzw. Titan (Ionisator) für die Einbauten verwendet.

Bei maximal auftretenden SO3-Rohgaskonzentrationen von 1000 mg/m3 kann ein Emissionswert kleiner 35 mg/m3 sicher eingehalten werden. Selbst im Partikelgrößenbereich um 100 nm kann mit dem Carola-System eine quantitative Abscheidung von über 90 % erreicht werden.

cav 481