Die Erfindung bezieht sich auf eine Russfilteranlage zur Abscheidung nichtflüchtiger Stoffe aus einem Abgasstrom nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und eine Verwendung der Russfilteranlage.
In Verbrennungsanlagen, insbesondere bei stationären oder mobilen Dieselmotoren, entstehen neben schädlichen gasförmigen Komponenten bei unvollständiger Verbrennung auch nicht-flüchtige Stoffe, in erster Linie Russpartikel. Dieser amorphen Form von reinem Kohlenstoff lagern sich bei der Abkühlung des Abgases sogenannte polyzyklische Kohlenwasserstoffe an. Sowohl diese polyzyklischen Kohlenwasserstoffe als auch die Russpartikel an sich gelten als krebserregend.
Russpartikel von Dieselmotoren sind in der Mehrheit sehr klein, sie können submikrone Ausmasse aufweisen, weshalb sie mit der Atemluft aufgenommen werden und tief in die Lungen geraten können. Mehrere Institute aus verschiedenen Ländern stellten bei Dieselruss-Konzentrationen ab etwa 2,2 mg/m<3> im Tierversuch eine krebserregende Wirkung im Lungenbereich fest. Im Rahmen zunehmenden ökologischen Bewusstseins und entsprechenden gesetzlichen Schranken wird es daher unabdingbar, Abgase von Dieselmotoren aller Art nicht nur von den schädlichen Gaskomponenten, sondern auch von den Russpartikeln zu befreien.
Die EP, A1 0 558 452 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von gasförmigen Schadstoffen aus Abgasen von Verbrennungsanlagen, eingeschlossen Diesel- und Gas-Dieselanlagen. Diese wirtschaftlich arbeitende Anlage hat in Bezug auf die Entfernung von gasförmigen Schadstoffen einen hohen Wirkungsgrad, ist jedoch beim Einsatz für Dieselmotoren nicht speziell für die Entfernung von Russpartikeln konzipiert, es muss ein geeigneter Dieselrussfilter vorgeschaltet werden.
Es ist eine grosse Anzahl von verschiedensten Dieselrussfiltern bekannt, welche grundsätzlich einen offenporigen Schaumstoff oder ein Fasermaterial als Filtermedium verwenden.
Von zentraler Bedeutung ist die Detail-Ausbildung des Filtermediums, welches einerseits die Russpartikel mit hohem Wirkungsgrad aus dem Abgasstrom ausscheiden muss, andererseits jedoch keinen zu hohen, den Wirkungsgrad des Motors herabsetzenden Gegendruck erzeugen darf. Im folgenden werden nur noch die mit der vorliegenden Erfindung gattungsgemässen Filtermedien aus Fasermaterial betrachtet. Faserförmige Filtermedien werden beispielsweise in der WO 93/23 657 mit kreuzförmig aufgetragenen Filterlagen, in der DE, A1 4 125 686 mit im Fasermaterial statistisch verteilten Stützkörpern und in der EP, B1 0 334 910 mit zumindest teilweise oder vollständig von einer rundgestrickten Maschenware gebildetem Filtermaterial offenbart.
Aus der EP, A1 0 515 776 ist eine Filterpatrone, dort Russfilterkerze genannt, bekannt, welche von aussen mit Abgas beaufschlagt wird. Der Russ lagert sich auf der Aussenwand ab, welche aus einem Gefüge von temperaturbeständigen Fasern besteht und als Gewebe, Gestricke, Gewirke, Wickel und/oder Filz ausgebildet ist. Die Fasern bestehen aus Keramik und/oder Metall, beide vorzugsweise gesintert.
Während des Betriebes eines Dieselrussfilters werden die praktisch ausschliesslich aus Russ bestehenden Partikel mechanisch und durch Adhäsionskräfte im Fasermaterial abgeschieden, wobei der Filter beladen wird. Die Filtermedien müssen deshalb von Zeit zu Zeit regeneriert werden, wobei der Russ praktisch ohne Rückstand verbrannt wird. Es sind verschiedene Verfahren zur Regeneration bekannt:
- Einem Russfilter wird eine Brennkammer vorgeschaltet und im Innern ein Freiraum geschaffen (DE, A1 4 909 478). Es ist auch bekannt, einen Brenner sektorenweise einzusetzen (WO 87/073 424).
- Einem Dieselrussfilter wird ein Heissgaserzeuger vorgeschaltet, welcher lösbar anschliessbar ist (DE, A1 4 226 901).
- Es wird eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung in den Dieselrussfilter eingebaut.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Russfilteranlage der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei langlebiger, robuster Konstruktion ein einfaches Recyclingkonzept erlaubt und universell verwendbar ist.
Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäss nach dem Kennzeichen von Patentanspruch 1 gelöst. Spezielle und weiterbildende Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
Während des Betriebs der Russfilteranlage lagern sich auf dem Filtermedium der Filterpatronen kontinuierlich rückstandsfrei verbrennbare Russpartikel und in sehr geringem Masse unbrennbare Ablagerungen ab. Beim Regenerieren, d.h. dem Abbrennen des Russes, bleiben die unbrennbaren Ablagerungen im Filtermedium haften. Sind die Eigenschaften des Filtermediums in Folge dieser unbrennbaren Ablagerungen nicht mehr ausreichend, wird der betreffende Russfiltereinsatz beziehungsweise das betreffende Russfiltermodul ausgebaut, eine oder mehrere Filterpatronen entfernt und das Filtermedium gereinigt oder erneuert. Auch bei einer Erneuerung des Filtermediums kann der Innenmantel von Filterpatronen, auch Lochrohr genannt, mehrmals verwendet werden. Damit können wertvolle Ressourcen gespart und die Wirtschaftlichkeit erhöht werden.
Die Filterpatronen sind vorzugsweise stromauf geschlossen und müssen in diesem Fall stromab offen sein. Sie sind auf der Gaseintrittseite mit einem im Bereich zwischen den Patronen offenen Filterpatronenhalter, auf der Gasaustrittseite mit einem im Bereich der Patronen offenen Filterpatronenhalter verschraubt. Besondere Beachtung ist der Abdichtung zu schenken, es dürfen keine kriechenden Gasströme am Filtermedium vorbei entstehen, vielmehr muss der gesamte Abgasstrom durch das Filtermedium geleitet sein.
Durch die Verschraubung der Einzelteile entstehen solide Russfiltereinsätze oder Russfiltermodule, welche in sich stabil sind. Die Abdichtung kann durch ein bevorzugt mehrteiliges Klemmstück erfolgen, welches innenseitig benachbart des stromab liegenden Filterpatronenhalters angeordnet ist und über eine Dichtung auf den steifen Innenmantel der Filterpatronen einwirkt.
Die Halte- und Stützteile der Russfilteranlage bestehen bevorzugt aus einem rostfreien Stahl, dadurch kann eine Verzunderung der Metallteile weitgehend verhindert und eine sehr hohe Lebensdauer erreicht werden. Besondere Aufmerksamkeit wird der Ausbildung des Innenmantels von Filterpatronen geschenkt. Die Porosität wird in der Regel durch Aus bildung von Rund- und/oder Langlöchern in einem Blechmantel erreicht. Eine zylindrische Oberfläche mit der notwendigen mechanischen Festigkeit kann aber auch mit einem Draht- oder Bändergitter erreicht werden.
Der formfeste Innenmantel hat den die Abscheidung der Russpartikel bewirkenden Aussenmantel der Filterpatronen abzustützen. Das wärmebeständige, anorganische Fasermaterial besteht aus Hochtemperaturfilamenten oder -garnen mit hohem Adsorptionsvermögen, wobei die Garne in an sich bekannter Weise als Multifilamentgarn oder Faserngarn, gedreht oder ungedreht, ausgebildet sein können. Die summarisch als Fasern bezeichneten Filamente oder Garne sind vorzugsweise als wenigstens einlagiges Geflecht aufgetragen. Der Aussenmantel kann jedoch auch als ein- oder mehrlagiges Gestrick, Gewirk, Vlies oder dgl. aufgetragen sein.
Das grosse Adsorptionsvermögen der Hochtemperaturfasern, physikalisch ausgedrückt die hohen van der Waals-Kräfte, wird durch die Ausbildung einer hohen spezifischen Oberfläche gewährleistet. Die eingesetzten Hochtemperaturfasern bestehen vorzugsweise aus Glas oder Keramik.
Zur Verbrennung des während des Filterbetriebs abgeschiedenen Russes muss in an sich bekannter Weise, z.B. nach einer vorstehend beschriebenen Variante, eine Regenerationstemperatur von etwa 600 DEG C überschritten werden, dann verbrennt der Russ ohne Rückstand.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Russzündtemperatur auf etwa 300 DEG -400 DEG C abgesenkt werden, wenn das filternde Fasermaterial mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist. Diese besteht beispielsweise aus Vanadiumoxid (V2O5), auch mit einem Edelmetallanteil, z.B. Platin (Pt).
Für einen sehr guten Wirkungsgrad der Russfilteranlage ist weiter von Bedeutung, dass keine Lecks zwischen den einzelnen Russfiltereinsätzen oder Russfiltermodulen entstehen können, was ungereinigte Kriechgasströme zur Folge hätte. Insbesondere Russfiltermodule werden vorzugsweise mit einer elastischen Glasgewebeabdichtung gegeneinander abgedichtet.
Von besonderem Vorteil ist die Verwendung einer erfindungsgemässen Russfilteranlage in Kombination mit einem nachgeschalteten selektiven Reduktionskatalysator oder einem nachgeschalteten selektiven Reduktions- und Oxydationskatalysator. Zweckmässig hat jeder Russfiltereinsatz oder jedes Russfiltermodul einen stromab angeflanschten Katalysator, wobei die Querschnittsdimensionierung und die Anzahl der Elemente auf den Abgasvolumenstrom abgestimmt ist.
Zweckmässig kann eine Russfilteranlage mit Russfiltereinsätzen oder Russfiltermodulen und nachgeschalteten Katalysatoren in einer Abgasreinigungsanlage gemäss der EP, A1 0 558 452 eingebaut werden. Eine nachstehend als Beispiel beschriebene Anlage dieses Typs zur Herstellung von elektrischem Strom hat einen Dieselmotor von 6000 kW. Bei 100% Last liegt die Gastemperatur im Bereich bis etwa 550 DEG C, wobei ein Abgasvolumenstrom von 100 000 m<3>/h erzeugt wird. Als Treibstoff wird schwefelarmer (etwa 0,05% S) Dieselbrennstoff und als Motorenschmieröl aschefreies oder synthetisches Schmieröl verwendet. Bei optimal eingestelltem Motor wird ein Abgasgegendruck von etwa 12 mbar erzeugt, der Rohgasstaubgehalt liegt bei etwa 120 mg/Nm<3>.
In dieser Anlage werden 176 Russfiltermodule mit nachgeschaltetem selektivem Reduktions- und Oxydations-Katalysator eingesetzt, wobei jedes Russfiltermodul von 150 x 150 x 1000 mm neun Filterpatronen mit einem Durchmesser von 47 mm und einer Länge von etwa 1000 mm umfasst. Die Abgasbelastung pro Modul beträgt etwa 570 m<3>/h.
Bei Normallast ist ein Russabscheidegrad von wenigstens etwa 90% gemessen worden, meist wenigstens etwa 95%.
Die Lebensdauer der Russfiltermodule ist abhängig von den inerten, d.h. nicht abbrennbaren festen Teilchen im Motorenabgas. Diese Asche besteht aus Verbindungen folgender Elemente:
<tb><TABLE> Columns=2
<tb><SEP>Kalzium (SEP)<>30 Gew.-%
<tb><SEP>Zink<SEP>10 bis 30 Gew.-%
<tb><SEP>Phosphor<SEP>3 bis 10 Gew.-%
<tb></TABLE>
Der Rest besteht aus Verbindungen von Aluminium, Eisen, Magnesium, Blei und Silicium, mit einem Gehalt von je etwa 1 bis 3 Gew.-%.
Die Menge dieser Verbindungen ist abhängig vom Verbrauch an Brennstoff und Schmieröl, natürlich auch von deren Zusammensetzung. Ein einzelnes Russfiltermodul für einen Betriebsvolumenstrom von etwa 600 m<3>/h kann maximal mit etwa 80 g Asche beladen werden. Ein Teil der Asche sickert im Laufe der Zeit nach innen durch das Filtermedium. Wenn die Asche auf der Innenseite des Filtermediums den Abgasstrom erreicht, wird sie mitgerissen. Dank des Einsickerns der Asche werden die Reinigungsintervalle grösser.
Sind die Eigenschaften des Filtermediums in Folge überhöhter unbrennbarer Ablagerungen nicht mehr ausreichend, wird die betreffende Filterpatrone demontiert und das Filtermedium gereinigt oder erneuert. Der Innenmantel der Filterpatrone kann mehrmals verwendet und dadurch wertvolle Ressourcen gespart werden.
Eine erfindungsgemässe Russfilteranlage ist dank der auswechselbaren Russfiltereinsätze oder Russfiltermodule mit einzeln ersetzbaren Filterpatronen von einfachem Grundkonzept, flexibel im Einsatz und wirtschaftlich in Herstellung und Betrieb. Mit einer kleinen Anzahl von Elementen können die vielfaltigsten Russfilteranlagen gebaut werden, zu den kostengünstigen Grossserien kommt eine niedrige Lagerhaltung, was die Wirtschaftlichkeit weiter verbessert.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, welche auch Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines Russfiltermoduls einer stationären Russfilteranlage,
Fig. 2 eine Stirnansicht des Moduls von der Abgaseintrittsseite,
Fig. 3 eine Stirnansicht des Moduls von der Abgasaustrittsseite,
Fig. 4 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht einer Filterpatrone,
Fig. 5 eine teilweise detaillierte Ansicht des Innenmantels der Filterpatrone,
Fig. 6 eine Ansicht eines mehrteiligen Klemmstücks,
Fig. 7 eine aufgeschnittene Ansicht einer mobilen Russfilteranlage mit einem Russfiltereinsatz,
Fig. 8 einen Radialschnitt bei VIII-VIII in Fig. 7,
Fig. 9 einen Russfiltereinsatz für Fig. 7,
Fig.
10 der stromauf liegende Filterpatronenhalter von Fig. 9,
Fig. 11 der stromab liegende Filterpatronenhalter von Fig. 9,
Fig. 12 ein Klemmstück des Russfiltereinsatzes nach Fig. 9 und
Fig. 13 einen Axialschnitt durch eine Filterpatrone im Bereich der Ausstrittsseite.
Ein Russfiltermodul 10 einer stationären Russfilteranlage gemäss Fig. 1 bis 3 ist im wesentlichen quaderförmig ausgebildet, es hat einen Querschnitt von 150 x 150 mm und eine Länge von 1000 mm. Ein Modul umfasst neun Filterpatronen 12 mit einem formfesten Innenmantel 14 eines Durchmessers von etwa 34 mm und einen Aussenmantel 16 aus einem geflochtenen anorganischen Fasermaterial, welches strumpfförmig über den Innenmantel 14 gezogen ist.
Die Filterpatronen 12 sind bezüglich eines Abgasstroms 18 stromauf mit einer Verschlusskappe 20 versehen, durch \ffnungen im Filterpatronenhalter 24 strömt das Abgas 18 in den Innenraum 26 zwischen den Filterpatronen 12. Über den faserförmigen Aussenmantel 16 und den porösen Innenmantel 14 gelangt das Abgas 18 in den Innenraum 28 der Filterpatronen 12, wobei die Russpartikel im Faserngeflecht des Aussenmantels 16 abgeschieden werden. Der von festen Partikeln befreite Abgasstrom 18 tritt aus den stromab offenen Filterpatronen 12 ungehindert aus. An diesem Austrittsende ist über eine Klemmbride 34 eine koaxiale Flanschhülse 30 befestigt. Die Hülse 30 durchgreift entsprechend dimensionierte \ffnungen 36 im stromab liegenden Filterpatronenhalter 38. Verschlusskappe 20 und Flanschhülse 30 sind durch Punktschweissen mit dem Innenmantel verbunden, also nicht gasdicht.
Die Abdichtung erfolgt durch je eine stirnseitige Klemmbride 34, welche auf den Aussenmantel 16 aufgesetzt und im Bereich der Verschlusskappe 20 und der Flanschhülse 30 angezogen werden. Die nicht gasdichten Übergänge Verschlusskappe 20 - Innenmantel 14 - Flanschhülse 30 liegen somit im Reingasbereich.
Innenseitig ist ein mehrteiliges Klemmstück 40, 42, welches in Fig. 6 im Detail dargestellt ist, mit dem Filterpatronenhalter 38 verschraubt, die Verschraubung ist mit 56 bezeichnet. Dieses Klemmstück dient der austrittsseitigen Abdichtung des Innenraums 26 um die Filterpatronen 12 und damit der Verhinderung von Leckströmen. Die Dichtungen sind mit 44, 46 bezeichnet.
Stromauf ist die Verschlusskappe 20 der Filterpatronen 12 über einen Gewindebolzen 48 und eine entsprechende Schraubenmutter 50 am Filterpatronenhalter 24 befestigt. Schliesslich wird die Formstabilität des Russfiltermoduls 10 noch weiter verbessert, indem der Filterpatronenhalter 24 einen nach innen umgelegten Rand 52, der Filterpatronenhalter 38 einen umgelegten Rand 54 hat. Beim Stapeln von Modulen 10 bilden die umgelegten Ränder 52, 54 die Auflageflächen.
Auf der in Fig. 2 dargestellten Einströmseite des Russfiltermoduls 10 ist der schalenförmige Filterpatronenhalter 24 mit im wesentlichen quadratischen Aussparungen 22 versehen. Die über die Verschlusskappen 20 stirnseitig verschraubten Filterpatronen lassen stromauf einen Innenraum 26 frei, welcher dank den \ffnungen 22 problemlos vom zu reinigenden Abgas durchströmt wird.
Im stromab liegenden Filterpatronenhalter 38 gemäss Fig. 3 sind neben den \ffnungen 36 für den Innenmantel der Filterpatronen die Verschraubungen 56 für das Klemmstück 40, 42 sichtbar.
Der in Fig. 4 gekürzt dargestellte Innenmantel 14 einer Filterpatrone 12 (Fig. 1) umfasst am stromaufseitigen Ende die Verschlusskappe 20 mit einem Schweissbolzen 48, welcher als Gewindestange ausgebildet ist. Am stromabseitigen Ende des Innenmantels 14 ist eine Flanschhülse 30, auch Kragen genannt, aufgezogen und mit dem Innenmantel punktverschweisst.
Fig. 5 zeigt den ausgebreiteten, ebenfalls verkürzt dargestellten Innenmantel 14 gemäss Fig. 4. Die Porosität besteht in regelmässig angeordneten Rundlöchern 58, welche über den ganzen Innenmantel 14 verteilt sind. Die Rundlöcher 58 haben im vorliegenden Fall einen Durchmesser von 5 mm und einen allseitigen Abstand d von 7 mm. So gewährleistet die hexagonale Lochung eine hinreichende mechanische Stabilität zum Tragen des faserförmigen Aussenmantels 16 (Fig. 1).
Das mehrteilige Klemmstück, von welchem je ein End- und Mittelstück 40, 42 dargestellt sind, weist gemäss Fig. 6 im wesentlichen halbkreisförmige Aussparungen 60 auf, welche insgesamt der Anzahl von auf zunehmenden Filterpatronen entsprechen. Die Aussparungen 60 haben einen etwa 1 mm grösseren Radius als die Flanschhülse 30. Weiter sind Schraubenlöcher 62 vorgesehen, welche der Befestigung am stromab liegenden Filterpatronenhalter 38 (Fig. 1, 3) dienen.
Fig. 7, 8 zeigen eine mobile Russfilteranlage 66 mit einem entfernbaren Russfiltereinsatz 70 und einem nachgeschalteten Katalysator 64 zur Entfernung von schädlichen gasförmigen Komponenten mittels selektiver Reduktion oder selektiver Reduktion und Oxydation. Eine stationäre Russfilteranlage im Sinne von Fig. 7, 8 kann anstelle eines Russfiltereinsatzes 70 eine beliebige Mehrzahl von Russfiltermodulen gemäss Fig. 1 enthalten. Der Katalysator hat in diesem Fall zweckmässig eine entsprechende Anzahl von gleich dimensionierten Katalysatormodulen, auch Waben genannt. Zur Bildung des Filterkatalysators ist zweckmässig ein Katalysatorgehäuse 72 an ein Russfiltergehäuse 68 angeflanscht. Die Verschraubung 74 ist in eine beide Gehäuse umgebende Isola tionsschicht 76 eingebettet.
Der zu reinigende Abgasstrom 18 fliesst über einen angeflanschten Gaszufuhrstutzen 78 in das Russfiltergehäuse 68, dort weiter durch die \ffnungen des Filterpatronenhalters 24 in den Bereich des Russfiltereinsatzes 70, welcher in Fig. 9 im Detail gezeigt ist. Die Gehäuse 68, 72 sind unter Zwischenlage eines Dichtungsrings 80 aneinander geflanscht. Im Innern des Katalysatorgehäuses 72 ist eine peripher umlaufende Quellmatte 82 und stirnseitig beidseits ein Quellmattenring 84 eingelegt. In Richtung der Längsachse L werden diese Polsterungen durch einen eingelegten Distanzhalter 86 und eine ringförmige Einschnürung 88 im Katalysatorgehäuse 72 begrenzt. Stromab ist ein Gasabfuhrstutzen 90 am Katalysatorgehäuse 72 angeflanscht.
Benachbart des Gaszufuhrstutzens 78 durchgreift ein Rohr 92 mit Kabelhülle die Isolationsschicht 76 und das Russfiltergehäuse 68. Es dient der Einführung einer Messsonde und ist bei Nichtgebrauch verschlossen.
In Fig. 8 ist ein Radialschnitt VII-VII gemäss Fig. 7 dargestellt. Der Russfiltereinsatz 70 umfasst neunzehn Filterpatronen 12 mit Innenmantel 14 und Aussenmantel 16. Das Russfiltergehäuse 68 mit der Isolationsschicht 76 ist von einem Spannring 94 umgeben, welcher mit einer Verschraubung 96 feststellbar ist.
Der in Fig. 9 dargestellte Russfiltereinsatz 70 entspricht im wesentlichen einem Russfiltermodul 10 gemäss Fig. 1. Bei sechseckiger Gestaltung der den Aussenumfang bildenden Filterpatronenhalter 24, 38 bzw. von deren umgelegten Rändern 52, 54 (Fig. 1) wird der Russfiltereinsatz 70 zum Russfiltermodul 10 mit neunzehn Filterpatronen 12. Die vorderste Filterpatrone 12 der mittleren Ebene ist in voller Grösse sichtbar, die übrigen sind teilweise verdeckt.
Bei einem grösseren Abgasvolumenstrom kann der Russfiltereinsatz 70 durch Anlegen weiterer Kränze von Filterpatronen vergrössert werden. Aus mechanischen und statischen Gründen muss für einen Russfiltereinsatz eine Grenze für die Anzahl von Filterpatronen festgelegt werden, der Russfiltereinsatz wird durch mehrere Russfiltermodule ersetzt.
Der Filterpatronenhalter 24 gemäss Fig. 10 auf der Eintrittsseite entspricht im wesentlichen Fig. 2. Wegen der hexagonalen Struktur des Russfiltereinsatzes 70 sind die \ffnungen 22 jedoch dreieckförmig ausgebildet. Die neunzehn Löcher 98 dienen der Aufnahme von Gewindebolzen 48 (Fig. 4) zur Befestigung der nicht dargestellten Filterpatronen. Analog entspricht der Filterpatronenhalter 38 gemäss Fig. 11 der vorstehenden Fig. 3. Die zahlreichen Löcher 100 dienen der Befestigung eines mehrteiligen Klemmstücks. An der Peripherie sind weitere Schraubenlöcher 102 zum Anflanschen eines Katalysatorgehäuses 72 (Fig. 7) vorgesehen.
Ein dem Filterpatronenhalter 38 auf der Austrittsseite zugeordnetes Klemmstück gemäss Fig. 12 ist fünfteilig ausgebildet. Die beiden endständigen Klemmstücke 40 haben auf ihrer geraden Längsseite drei im wesentlichen halbkreisförmige Aussparungen 60, welche einen etwa 1 mm grösseren Radius als die Flanschhülsen 30 (Fig. 4) haben. Die vier mittleren Klemmstücke 41 haben auf ihren Längsseiten drei bis fünf entsprechende halbkreisförmige Aussparungen 60. Zwischen den Klemmstücken 40, 41 ist jeweils ein etwa 1 mm breiter Schlitz 104 ausgespart. Die Anordnung der Löcher 100 für die Verschraubungen 56 (Fig. 1, 9) entspricht exakt derjenigen des stromab angeordneten Filterpatronenhalters 38.
Fig. 13 zeigt eine Variante der Abdichtung des Innenraums 26 (Fig. 1, 2) ausserhalb der Filterpatronen in einem Russfiltermodul oder Russfiltereinsatz. Benachbart der Stirnseite weist der Innenmantel 14 eine punktgeschweisste Flanschhülse 30 auf. Ein an dieser Flanschhülse stirnseitig anliegen des Klemmstück 40, 42 drückt beim Anziehen der Schrauben 56 (Fig. 1, 9) die Flanschhülse 30 gegen die Dichtung 44 und den Filterpatronenhalter 38. Die Filterpatronen 12 müssen also nicht mit einer Dichtung im Filterpatronenhalter 38 gehaltert sein.
The invention relates to a soot filter system for separating non-volatile substances from an exhaust gas stream according to the preamble of claim 1 and a use of the soot filter system.
In combustion plants, especially in stationary or mobile diesel engines, in addition to harmful gaseous components, incomplete combustion also produces non-volatile substances, primarily soot particles. This amorphous form of pure carbon is deposited with so-called polycyclic hydrocarbons when the exhaust gas cools down. Both these polycyclic hydrocarbons and the soot particles themselves are considered carcinogenic.
The majority of soot particles from diesel engines are very small, they can be submicron in size, which is why they are absorbed in the air we breathe and can get deep into the lungs. Several institutes from different countries have found that diesel soot concentrations from around 2.2 mg / m 3 in animal experiments have a carcinogenic effect in the lung area. In the context of increasing ecological awareness and corresponding legal barriers, it is therefore imperative to free the exhaust gases of all types of diesel engines not only from the harmful gas components, but also from the soot particles.
EP, A1 0 558 452 describes a method and a device for removing gaseous pollutants from exhaust gases from combustion plants, including diesel and gas-diesel plants. This economically working system has a high efficiency with regard to the removal of gaseous pollutants, but is not specially designed for the removal of soot particles when used for diesel engines, a suitable diesel soot filter must be installed upstream.
A large number of different diesel soot filters are known, which basically use an open-cell foam or a fiber material as the filter medium.
Of central importance is the detailed design of the filter medium, which on the one hand has to separate the soot particles with high efficiency from the exhaust gas flow, but on the other hand must not generate a back pressure that is too high to reduce the efficiency of the engine. In the following, only the filter media made of fiber material of the generic type are considered. Fibrous filter media are described, for example, in WO 93/23 657 with cross-shaped filter layers, in DE, A1 4 125 686 with support bodies statistically distributed in the fiber material and in EP, B1 0 334 910 with filter material formed at least partially or completely from a circular knitted knitted fabric disclosed.
A filter cartridge, there called soot filter candle, is known from EP, A1 0 515 776, which is supplied with exhaust gas from the outside. The soot is deposited on the outer wall, which consists of a structure of temperature-resistant fibers and is designed as a fabric, knitted fabric, knitted fabric, wrap and / or felt. The fibers consist of ceramic and / or metal, both preferably sintered.
During the operation of a diesel soot filter, the particles consisting almost exclusively of soot are separated mechanically and by adhesive forces in the fiber material, the filter being loaded. The filter media must therefore be regenerated from time to time, with the soot being burned with practically no residue. Various methods of regeneration are known:
- A soot filter is preceded by a combustion chamber and a free space is created inside (DE, A1 4 909 478). It is also known to use a burner in sectors (WO 87/073 424).
- A hot gas generator is connected upstream of a diesel soot filter, which can be detachably connected (DE, A1 4 226 901).
- An electrical resistance heating device is installed in the diesel soot filter.
The present invention has for its object to provide a soot filter system of the type mentioned, which allows a simple recycling concept with a durable, robust construction and can be used universally.
With regard to the device, the object is achieved according to the invention according to the characterizing part of claim 1. Special and further developing embodiments of the device according to the invention are the subject of dependent patent claims.
During operation of the soot filter system, soot particles continuously combustible without residue and to a very small extent incombustible deposits are deposited on the filter medium of the filter cartridges. When regenerating, i.e. When the soot burns off, the non-flammable deposits remain in the filter medium. If the properties of the filter medium are no longer sufficient as a result of these incombustible deposits, the soot filter insert or soot filter module in question is removed, one or more filter cartridges are removed and the filter medium is cleaned or renewed. Even when the filter medium is renewed, the inner jacket of filter cartridges, also called perforated tube, can be used several times. This saves valuable resources and increases profitability.
The filter cartridges are preferably closed upstream and in this case must be open downstream. They are screwed on the gas inlet side with a filter cartridge holder open in the area between the cartridges, on the gas outlet side with a filter cartridge holder open in the area of the cartridges. Particular attention must be paid to the seal, there must be no creeping gas flows past the filter medium, rather the entire exhaust gas flow must be directed through the filter medium.
The screw connection of the individual parts creates solid soot filter inserts or soot filter modules that are stable in themselves. Sealing can be achieved by a preferably multi-part clamping piece, which is arranged on the inside adjacent to the downstream filter cartridge holder and acts on the rigid inner jacket of the filter cartridges via a seal.
The holding and support parts of the soot filter system are preferably made of stainless steel, which largely prevents scaling of the metal parts and ensures a very long service life. Particular attention is paid to the design of the inner shell of filter cartridges. The porosity is usually achieved by forming round and / or elongated holes in a sheet metal jacket. A cylindrical surface with the necessary mechanical strength can also be achieved with a wire or ribbon grid.
The dimensionally stable inner jacket has to support the outer jacket of the filter cartridges, which causes the soot particles to separate. The heat-resistant, inorganic fiber material consists of high-temperature filaments or yarns with high adsorption capacity, the yarns being able to be designed in a manner known per se as multifilament yarn or fiber yarn, twisted or untwisted. The filaments or yarns, collectively referred to as fibers, are preferably applied as at least one-layer braid. However, the outer jacket can also be applied as a single or multi-layer knitted fabric, knitted fabric, fleece or the like.
The high adsorption capacity of the high-temperature fibers, physically expressed the high van der Waals forces, is guaranteed by the formation of a high specific surface. The high-temperature fibers used are preferably made of glass or ceramic.
In order to burn the soot separated during the filter operation, it must be known in a manner known per se, e.g. According to a variant described above, a regeneration temperature of about 600 ° C. is exceeded, then the soot burns without residue.
According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the soot ignition temperature can be reduced to approximately 300 ° -400 ° C. if the filtering fiber material is coated with a catalytically active material. This consists for example of vanadium oxide (V2O5), also with a precious metal content, e.g. Platinum (Pt).
For a very good efficiency of the soot filter system, it is also important that no leaks can occur between the individual soot filter inserts or soot filter modules, which would result in unpurified creeping gas flows. Soot filter modules in particular are preferably sealed off from one another with an elastic glass fabric seal.
The use of a soot filter system according to the invention in combination with a downstream selective reduction catalyst or a downstream selective reduction and oxidation catalyst is particularly advantageous. Each soot filter insert or each soot filter module expediently has a downstream flange-mounted catalyst, the cross-sectional dimensions and the number of elements being matched to the exhaust gas volume flow.
A soot filter system with soot filter inserts or soot filter modules and downstream catalysts can expediently be installed in an exhaust gas cleaning system according to EP, A1 0 558 452. A system of this type for the production of electrical power, which is described below as an example, has a diesel engine of 6000 kW. At 100% load, the gas temperature is in the range up to about 550 ° C., an exhaust gas volume flow of 100,000 m 3 / h being generated. Low-sulfur (about 0.05% S) diesel fuel is used as fuel and ash-free or synthetic lubricating oil is used as engine lubricating oil. With an optimally adjusted engine, an exhaust gas back pressure of about 12 mbar is generated, the raw gas dust content is about 120 mg / Nm <3>.
176 soot filter modules with a downstream selective reduction and oxidation catalyst are used in this system, with each soot filter module of 150 x 150 x 1000 mm comprising nine filter cartridges with a diameter of 47 mm and a length of about 1000 mm. The exhaust gas pollution per module is approximately 570 m 3 / h.
A degree of soot separation of at least about 90%, usually at least about 95%, has been measured at normal load.
The service life of the soot filter modules depends on the inert, i.e. non-combustible solid particles in the engine exhaust. This ash consists of the following elements:
<tb> <TABLE> Columns = 2
<tb> <SEP> calcium (SEP) <> 30% by weight
<tb> <SEP> zinc <SEP> 10 to 30% by weight
<tb> <SEP> phosphorus <SEP> 3 to 10% by weight
<tb> </TABLE>
The rest consists of compounds of aluminum, iron, magnesium, lead and silicon, each with a content of about 1 to 3% by weight.
The amount of these compounds depends on the consumption of fuel and lubricating oil, of course also on their composition. A single soot filter module for an operating volume flow of around 600 m 3 / h can be loaded with a maximum of around 80 g ash. Part of the ash seeps in through the filter medium over time. When the ash on the inside of the filter medium reaches the exhaust gas flow, it is carried away. Thanks to the infiltration of the ash, the cleaning intervals become longer.
If the properties of the filter medium are no longer sufficient due to excessive incombustible deposits, the filter cartridge in question is dismantled and the filter medium is cleaned or replaced. The inner shell of the filter cartridge can be used several times, saving valuable resources.
Thanks to the exchangeable soot filter inserts or soot filter modules with individually replaceable filter cartridges, a soot filter system according to the invention is of a simple basic concept, flexible in use and economical to manufacture and operate. With a small number of elements, the most diverse soot filter systems can be built, in addition to the inexpensive large series, there is low stock, which further improves the economy.
The invention is explained in more detail with reference to exemplary embodiments shown in the drawing, which are also the subject of dependent claims. They show schematically:
1 is a partially cut side view of a soot filter module of a stationary soot filter system,
2 is an end view of the module from the exhaust gas inlet side,
3 shows an end view of the module from the exhaust gas outlet side,
4 is a partially cutaway view of a filter cartridge,
5 is a partially detailed view of the inner shell of the filter cartridge,
6 is a view of a multi-part clamping piece,
7 shows a cut-away view of a mobile soot filter system with a soot filter insert,
8 is a radial section at VIII-VIII in Fig. 7,
9 shows a soot filter insert for FIG. 7,
Fig.
10 the upstream filter cartridge holder from FIG. 9,
11 is the downstream filter cartridge holder of FIG. 9,
Fig. 12 is a clamping piece of the soot filter insert according to Fig. 9 and
13 shows an axial section through a filter cartridge in the region of the outlet side.
A soot filter module 10 of a stationary soot filter system according to FIGS. 1 to 3 is essentially cuboid, it has a cross section of 150 x 150 mm and a length of 1000 mm. One module comprises nine filter cartridges 12 with a dimensionally stable inner jacket 14 with a diameter of approximately 34 mm and an outer jacket 16 made of a braided inorganic fiber material which is drawn over the inner jacket 14 in a stocking-like manner.
The filter cartridges 12 are provided with a closure cap 20 upstream of an exhaust gas flow 18, through openings in the filter cartridge holder 24, the exhaust gas 18 flows into the interior 26 between the filter cartridges 12. Via the fibrous outer jacket 16 and the porous inner jacket 14, the exhaust gas 18 enters the Interior 28 of the filter cartridges 12, the soot particles being separated in the fiber mesh of the outer jacket 16. The exhaust gas stream 18 freed from solid particles emerges unhindered from the filter cartridges 12 which are open downstream. A coaxial flange sleeve 30 is fastened to this outlet end via a clamping bracket 34. The sleeve 30 passes through correspondingly dimensioned openings 36 in the downstream filter cartridge holder 38. The sealing cap 20 and the flange sleeve 30 are connected to the inner jacket by spot welding, that is to say not gas-tight.
Sealing is carried out by an end clamp 34 each, which is placed on the outer jacket 16 and tightened in the area of the closure cap 20 and the flange sleeve 30. The non-gas-tight transitions sealing cap 20 - inner jacket 14 - flange sleeve 30 are thus in the clean gas area.
On the inside, a multi-part clamping piece 40, 42, which is shown in detail in FIG. 6, is screwed to the filter cartridge holder 38, the screw connection being denoted by 56. This clamping piece is used to seal the interior of the interior 26 around the filter cartridges 12 and thus to prevent leakage currents. The seals are designated 44, 46.
Upstream, the closure cap 20 of the filter cartridges 12 is fastened to the filter cartridge holder 24 via a threaded bolt 48 and a corresponding screw nut 50. Finally, the dimensional stability of the soot filter module 10 is further improved by the filter cartridge holder 24 having an edge 52 folded inwards and the filter cartridge holder 38 having a folded edge 54. When modules 10 are stacked, the folded-over edges 52, 54 form the contact surfaces.
On the inflow side of the soot filter module 10 shown in FIG. 2, the bowl-shaped filter cartridge holder 24 is provided with essentially square cutouts 22. The filter cartridges screwed on the end caps 20 at the end leave an interior space 26 open, through which the exhaust gas to be cleaned flows without any problems thanks to the openings 22.
In the downstream filter cartridge holder 38 according to FIG. 3, the screw connections 56 for the clamping piece 40, 42 are visible in addition to the openings 36 for the inner jacket of the filter cartridges.
The inner jacket 14 of a filter cartridge 12 (FIG. 1), shown shortened in FIG. 4, comprises the closure cap 20 with a welding bolt 48 at the upstream end, which is designed as a threaded rod. At the downstream end of the inner jacket 14, a flange sleeve 30, also called a collar, is fitted and spot welded to the inner jacket.
FIG. 5 shows the inner jacket 14 according to FIG. 4, which is also shown shortened. The porosity consists in regularly arranged round holes 58 which are distributed over the entire inner jacket 14. In the present case, the round holes 58 have a diameter of 5 mm and a spacing d of 7 mm on all sides. The hexagonal perforation thus ensures sufficient mechanical stability for carrying the fibrous outer jacket 16 (FIG. 1).
According to FIG. 6, the multi-part clamping piece, of which an end piece and a middle piece 40, 42 are shown, has essentially semicircular cutouts 60, which overall correspond to the number of filter cartridges increasing. The recesses 60 have an approximately 1 mm larger radius than the flange sleeve 30. Furthermore, screw holes 62 are provided, which are used for fastening to the filter cartridge holder 38 located downstream (FIGS. 1, 3).
7, 8 show a mobile soot filter system 66 with a removable soot filter insert 70 and a downstream catalyst 64 for removing harmful gaseous components by means of selective reduction or selective reduction and oxidation. A stationary soot filter system in the sense of FIGS. 7, 8 can contain any number of soot filter modules according to FIG. 1 instead of a soot filter insert 70. In this case, the catalytic converter expediently has a corresponding number of identically dimensioned catalytic converter modules, also called honeycombs. To form the filter catalyst, a catalyst housing 72 is expediently flanged to a soot filter housing 68. The screw connection 74 is embedded in an insulation layer 76 surrounding both housings.
The exhaust gas stream 18 to be cleaned flows into the soot filter housing 68 via a flanged-on gas supply connection 78, there further through the openings of the filter cartridge holder 24 into the area of the soot filter insert 70, which is shown in detail in FIG. 9. The housings 68, 72 are flanged to one another with the interposition of a sealing ring 80. In the interior of the catalyst housing 72 there is a peripheral circumferential swelling mat 82 and a swelling mat ring 84 on both ends. In the direction of the longitudinal axis L, these upholsteries are delimited by an inserted spacer 86 and an annular constriction 88 in the catalyst housing 72. A gas discharge nozzle 90 is flanged to the catalyst housing 72 downstream.
A tube 92 with a cable sheath passes through the insulation layer 76 and the soot filter housing 68 adjacent to the gas supply connection 78. It serves to introduce a measuring probe and is closed when not in use.
FIG. 8 shows a radial section VII-VII according to FIG. 7. The soot filter insert 70 comprises nineteen filter cartridges 12 with an inner jacket 14 and an outer jacket 16. The soot filter housing 68 with the insulation layer 76 is surrounded by a clamping ring 94, which can be fixed with a screw connection 96.
The soot filter insert 70 shown in FIG. 9 essentially corresponds to a soot filter module 10 according to FIG. 1. With a hexagonal configuration of the filter cartridge holders 24, 38 forming the outer circumference or from their folded edges 52, 54 (FIG. 1), the soot filter insert 70 becomes a soot filter module 10 with nineteen filter cartridges 12. The frontmost filter cartridge 12 of the middle level is visible in full size, the rest are partially covered.
With a larger exhaust gas volume flow, the soot filter insert 70 can be enlarged by applying further rings of filter cartridges. For mechanical and static reasons, a limit for the number of filter cartridges must be set for a soot filter insert; the soot filter insert is replaced by several soot filter modules.
The filter cartridge holder 24 according to FIG. 10 on the inlet side corresponds essentially to FIG. 2. However, because of the hexagonal structure of the soot filter insert 70, the openings 22 are triangular. The nineteen holes 98 serve to receive threaded bolts 48 (FIG. 4) for fastening the filter cartridges, not shown. Analogously, the filter cartridge holder 38 according to FIG. 11 corresponds to FIG. 3 above. The numerous holes 100 serve to fasten a multi-part clamping piece. Further screw holes 102 are provided on the periphery for flange-mounting a catalyst housing 72 (FIG. 7).
A clamping piece according to FIG. 12 assigned to the filter cartridge holder 38 on the outlet side is formed in five parts. The two terminal clamping pieces 40 have on their straight longitudinal side three substantially semicircular recesses 60, which have an approximately 1 mm larger radius than the flange sleeves 30 (FIG. 4). The four middle clamping pieces 41 have three to five corresponding semicircular recesses 60 on their long sides. Between the clamping pieces 40, 41, an approximately 1 mm wide slot 104 is cut out. The arrangement of the holes 100 for the screw connections 56 (FIGS. 1, 9) corresponds exactly to that of the filter cartridge holder 38 arranged downstream.
13 shows a variant of the sealing of the interior 26 (FIGS. 1, 2) outside the filter cartridges in a soot filter module or soot filter insert. The inner jacket 14 has a spot-welded flange sleeve 30 adjacent to the end face. A clamping piece 40, 42 lying against the end of this flange sleeve presses the flange sleeve 30 against the seal 44 and the filter cartridge holder 38 when the screws 56 (FIGS. 1, 9) are tightened. The filter cartridges 12 therefore do not have to be held in the filter cartridge holder 38 with a seal .