FILTERSYSTEM MIT ABREINIGUNGSVORRICHTUNG

Filtersystem mit Abreinigungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Filtersystem mit Abreinigungsvorrichtung gemäß des ersten Patentanspruchs . Das Filtersystem dient der Partikelfiltration aus Fluiden, insbesondere aus Gasen und insbesondere bei erhöhten Temperaturen.

Zur Partikelfiltration bei hohen Temperaturen werden, abgesehen von metallischen Sonderwerkstoffen, durchweg keramische Filterelemente eingesetzt. Dabei kombinieren vor allem poröse kornkeramische Filterelemente ein gutes Abscheideverhalten mit einer hohen mechanischen Festigkeit bei einer hervorragenden Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit. Ein wesentlicher Nachteil dieser porösen Keramiken ist jedoch ihre Bruchempfindlichkeit, die bei der Systemauslegung und beim Betrieb in geeigneter Weise zu berücksichtigen sind.

Partikelfraktionen scheiden sich üblicherweise auf einem Filterelement ab, was mit zunehmender Filtrationszeit zu einem allmählichen Zusetzen der Filterelemente mit einem sog. Filterkuchen, dh einer Schicht verdichteter, oftmals auch aneinander klebender Partikelfraktionen führt.

Bei der Filtration von Staub beladene Gasen, dh von frei fließenden und/oder extrem feinen Stäuben oder Partikeln werden häufig die bereits auf den Filterelementen rohgasseitig abgeschiedene Partikel durch die Abreinigung durch von Zeit zu Zeit wiederkehrende Gegenströmung oder Gegenstromimpulsen abgelöst und teilweise wieder im Gas resuspendiert, dh erneut im Rohgasraum des Filtersystems fein verteilt. Die resuspendierten Partikelfraktionen werden dann teilweise, sofern sie nicht auf andere Weise abgesondert werden, erneut wieder im abgereinigten Filtersystem abgeschieden. Dies macht wiederum eine erhöhte Ab- reinigungsfrequenz erforderlich und reduziert damit auch die integrale Filtrationskapazität eines jeden Filterelements signifikant . Zur Abhilfe hierfür bietet sich eine Bereitstellung größerer und damit kostenintensiveren Filterflächen an. Technologisch wird dies beispielsweise durch eine Parallelschaltung einer Vielzahl von Filterkerzen realisiert.

Keramische Filterkerzen werden grundsätzlich in Lochplatten hängend oder auf so genannten Reinluftsammlern (System LLB) stehend angeordnet .

In der DE 39 38 264 Al wird beispielhaft eine entsprechende Vorrichtung zum Filtern von heißen, staubbeladenen Gasen offenbart, umfassend eine Vielzahl von vertikal angeordneten zylindrischen Einzelfilterkerzen mit jeweils außen liegendem Rohgasbereich. Die Partikel lagern sich demnach außen an den vertikal ausgerichteten Filterkerzenflächen an. Die von diesen abgereinigte Partikelbeladung fällt zB bei einer Filterabreinigung nach unten ab und findet sich in einem Trichter als Sammelbehälter für den abgeschiedenen Staub wieder.

Auch die JP 61-268332 A, JP 2000-102713 A oder JP 05-253422 A offenbaren Vorrichtungen mit vertikal angeordneten abreinigba- ren zylindrischen Filterelementflächen, unter denen auch die Trichter der vorgenannten Art als Sammelbehälter für die Filterbeladung angeordnet sind.

Bei vertikal hängender Anordnung werden die Filterelemente infolge ihres Eigengewichtes grundsätzlich auf Zug belastet. Bei größeren Baulängen treten zusätzlich hohe Momente auf, sodass die Filterkerzen an den geschlossenen unteren Enden zusätzlich befestigt werden müssen. Der Bruch eines Filterelements führt spontan zum Totalverlust der Filterwirkung und ist, sofern kein Sicherheitsfilter nachgeschaltet ist, verbunden mit erhöhten Partikelemissionen und der Verstopfungsgefahr der Filterelemente von der Reingasseite her.

Bei vertikal stehender Kerzenanordnung zB im Rahmen des vorerwähnten LLB-System werden die Filterkerzen auf Reingassamm- lern in meist aufwendigen Konstruktionen aus hochtemperaturbeständigen metallischen Werkstoffen innerhalb des Rohgasraumes gehalten und geführt. Hohe Staubbelastungen führen zu bleibenden Staubablagerungen auf den vorgenannten Sammlern, die dadurch mit der Zeit zugesetzt werden. Ein ungelöstes Problem ist das kurzzeitige Abheben der Filterkerzen während des Abreini- gungsvorganges . Neben der stoßartigen Belastung der Filterkerzen, die zum Kerzenbruch führen kann, gelangt Staub auf die Reingasseite, dh auf die Innenseite der Filterkerzen, und führt im Langzeitbetrieb zum allmählichen Verstopfen der Filterelemente.

Die typische Bauweise von Filtersystemen mit den vorgenannten vertikal angeordneten keramischen Filterkerzen begrenzt zudem die in einem verfügbaren Bauvolumen unterzubringende Filterfläche. Die wesentlichen Begrenzungen ergeben sich aus der maximal zulässigen Anströmgeschwindigkeit im Rohgasraum, der maximal möglichen Anzahl von Filterelementen pro Ebene, die in einem AbreinigungsVorgang regeneriert werden können sowie der maximal möglichen Filterfläche pro Element. Die Länge des Filterelements wird durch die mechanische Belastung bei den im Filterbetrieb vorgesehenen hohen Temperaturen begrenzt, wobei die Wahrscheinlichkeit einer Durchbiegung des Filterelements infolge des Eigengewichts, der Biegung, der Schwingungen etc. durch die vorgenannte vertikale Ausrichtung signifikant reduziert wird.

Dagegen wird in der EP 0 682 971 Al ein Filtersystem mit von außen angeströmten einseitig offenen Filterkerzen offenbart, wobei die Filterkerzen mit ihrer offenen Seite schräg nach unten ausgerichtet in Öffnungen einer Kartusche eingehängt sind. Da die Filterelemente mit einem Ende frei und schräg, dh nicht vertikal nach unten im Rohgasraum hineinragen, ist bei erhöhten Einsatztemperaturen mit plastischer Verformung aufgrund von Fließ- und Kriechvorgängen und ab einer bestimmten Einsatzzeit mit Filterkerzenversagen zu rechnen. Auch sind Filtersysteme mit horizontalen Filteranordnungen bekannt. Darunter werden nachfolgend alle Systeme zusammenge- fasst, bei denen das Filtermedium horizontal angeordnet ist, so dass während der Filtration mit horizontalen Partikel- oder Staubschichten auf dem Filtermedium zu rechnen ist. Das bedeutet, dass diese Schichten entgegen der Schwerkraft von der Filterfläche abgelöst werden müssen, was einen zusätzlichen Aufwand hinsichtlich Abreinigung bedeutet. Üblicherweise kommt die klassische Jetpulse (Druckimpuls) Abreinigung zum Einsatz. Hier reduzieren sich die Abreinigungskräfte bei dicken Staubschichten mit geringer Permeabilität signifikant aufgrund der systembedingten niedrigen Durchströmungsgeschwindigkeiten. Besonders gravierend ist dies bei Filtermedien mit niedriger Permeabilität wie Sintermetallen, starren Kunststoffelementen und starren Keramiken. Lediglich bei flexiblen und/oder hoch permeablen Fasermedien ist der Rückgang der Abreinigungskräfte nicht so gravierend. Allerdings können dicke Staubablagerungen auch von diesen Medien mit der Jetpulse Abreinigung nicht mehr zuverlässig abgereinigt werden.

Werden die Filtersysteme mit konventioneller Jet-Pulse Abreinigung betrieben, können backende Stäube einen stabilen Filterbetrieb verhindern, da anhaftende Staubschichten nicht mehr vollständig abgereinigt werden können, wobei die Abreinigungsinten- sität durch den erhöhten Filterwiderstand zusätzlich herabgesetzt wird.

Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein verbessertes Filtersystem mit horizontal ausgerichteten Filterelementen und Abreinigungsvorrichtung vorzuschlagen, welches mit einem kompakten Aufbau sich durch eine große Rohgasbeladungs- kapazität und gute Abreinigbarkeit auch von Teilen des Filtersystems separat, aber auch durch eine grundsätzlich Eignung als Hochtemperaturfiltersystem auszeichnet .

Die Aufgabe wird durch ein Filtersystem mit Abreinigungsvorrichtung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst . Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung wieder.

Die Aufgabe wird durch ein Filtersystem mit Abreinigungsvor- richtung gelöst, das mindestens zwei horizontal ausgerichtete und an beiden Enden aufliegende und einzeln abgedichtete röhrenförmige Filterelemente aufweist. Die röhrenförmigen Filterelemente überspannen ein Volumen mit einer rohgasseitigen Zuführung und einer nach unten oder horizontal ausgerichteten Rohgasführung zu den Filterelementen.

Die Filterelemente sind vorzugsweise als durchgängig poröse Sinterkörper aus Metall oder Glasfritten, bei Hochtemperaturanwendungen als Keramikkörper ausgeführt und grundsätzlich horizontal über- und nebeneinander in einem rechteckigen, polygon- förmigen oder zylindrischen Filterbehälter (rohgasseitigen Filtersystemvolumen) angeordnet. Die RohgasStrömung wird im Bereich der Filterelemente vorzugsweise von oben nach unten geführt und die Filterelemente von außen nach innen angeströmt. Dadurch ist sichergestellt, dass abgereinigter Staub grundsätzlich mit der RohgasStrömung in Richtung Staubsammelraum am unteren Ende des Filtersystemvolumens transportiert und dort die Sedimentation des abgelösten Staubes unterstützt wird. Sind die Filterelemente aus einem spröden Werkstoff wie Keramik gefertigt, werden sie für einen Einsatz in horizontaler Anordnung bevorzugt entweder vorgespannt und/oder vor allem bei großen Baulängen nach oben gewölbt eingebaut. Zugspannungen werden dadurch reduziert oder vermieden.

Die Filterelemente sind dabei einer nach unten gerichteten oder einer horizontalen Rohgasanströmung ausgesetzt, wobei das Filterelement ein reingasseitiges Innenvolumen umschließt, das an einem oder beiden Enden offen ist. Diese offenen Enden dienen als Ausmündung des Innern der Filterelemente zu einem reingas- seitigen Ablauf. Jedes der offenen Enden ist jeweils mit einer eigenen Filterkappe abgedeckt, die als Polizeifilter bei einer Zerstörung oder Versagen eines Filterelements eine Einströmung des ungefilterten Rohgases in den reingasseitigen Ablauf verhindert. Zur Vermeidung von unerwünschten Ablagerungen im Innenvolumen und/oder auf den Filterflächen der Filterkappen weisen diese eine offenporigere Struktur als die Filterelemente auf, dh die mittlere oder maximale Porengröße (Maschenweite) für die Passagen der offenporigen Filterflächen ist bei den Filterkappen größer als bei den Filterelementen.

Zur Abreinigung wird das CPP-Abreinigungsverfahren angewendet. Die Abreinigung der Filterelemente erfolgt dabei durch Druckaufbau durch die Filterflächen entgegen der Betriebsdurchströ- mungsrichtung mittels einer Gegendruck-Abreinigungsvorrichtung. Der Druckaufbau selbst wird durch ein Fluidventil der Abreini- gungsvorrichtung gesteuert und mittels DruckgasZuführung zwischen Filterelement und Ablauf eingeleitet, wobei die Filterelemente einzeln, gruppenweise und in ihrer Gesamtheit beaufschlagt werden können. Vorzugsweise erfolgt eine Durchleitung des AbreinigungsVorgangs durch die Filterkappen in das Innere der Filterelemente und von dort in das rohgasseitige Filtersystemvolumen. Alternativ können die DruckgasZuführungen auch direkt in das Innere der Filterelemente führen, vorzugsweise an den Enden der Filterelemente, die nicht in den reingasseitigen Ablauf ausmünden. Die Bestandteile der Abreinigungseinrichtung bilden dabei einen integralen Bestandteil des gesamten Filtersystems .

Im Abreinigungsbetrieb erfolgt die Zuführung von Rohgas zu den Filterelementen vorzugsweise von oben nach unten, dh stets nach unten gerichtet (oder allenfalls horizontal) . Der Staub wird bei dieser Vorgehensweise durch die Überlagerung von Abreinigung und RohgasStrömung schrittweise von den obersten Filtermodulen bzw. Reinigungsabschnitten nach unten transportiert. Durch die direkte Aufprägung des Abreinigungsdruckes auf die abzureinigenden Filterelemente ist gewährleistet, dass auch Staubablagerungen auf der Oberseite der Filterelemente zuverlässig abgelöst werden und damit Staubbrückenbildung verhindert wird. Für angelagerte Staubschichten muss auf der Oberseite der Filterelemente zusätzlich die Schwerkraft der Staubschichten überwunden werden. Bei einer Jetpulse Abreinigung des CPP-Verfahrens ist der erzielbare Überdruck zusammen mit dem Gesamtwiderstand aus Filterschicht und Staubschicht bestimmend dafür, welche Durchströmung maximal möglich ist.

Die Filterelemente sind für eine vorteilhafte platzsparende und damit ökonomische Raumaufteilung im rohgasseitigen Filtersystemvolumen parallel zueinander angeordnet. Eine versetzt parallele Anordnung ermöglicht zudem die Unterbringung einer möglichst großen Anzahl von Filterelementen in engem Raum (ähnlich einer dichtesten Kugelpackung) . Damit werden die Filterflächen der Filterelemente auch weitgehend unter identischen Bedingungen vom Rohgas angeströmt und durchdrungen. Da die Filterflächen auch annähernd quasihomogen im Filtersystemvolumen verteilt sind-, ist auch mit einer bevorzugten gleichmäßigen Beladung der Filterflächen zu rechnen.

Alternativ kann auch eine fächer- oder sternförmige Anordnung der Filterelemente im Filtersystemvolumen bevorzugt werden. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die Filterelemente mit einem Ende zusammenlaufen und damit in einem geringeren reingasseitigen Volumen, entweder einem Ablaufkanal oder einer DruckgasZuführung für die Abreinigungsvorrichtung zusammenlaufen.

Die Erfindung wird mit Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. Ia bis c eine erste Ausführungsform mit geraden horizontal und parallel zueinander angeordneten Filterelementen mit einem einseitigen Auslass, Fig.2a bis c eine zweite Ausführungsform mit geraden horizontal und parallel zueinander angeordneten Filterelementen mit beidseitigen Auslass,

Fig.3a und b weitere Ausführungsformen mit nach oben gekrümmten (a) oder nach oben geknickten (b) horizontal und parallel zueinander angeordneten Filterelementen mit einseitigen Auslässen,

Fig.4 einen Querschnitt einer Ausführungsform mit geteilten rohgasseitigen Filtersystemvolumen mit jeweils einer Anzahl von einseitig geschlossenen Filterelementen sowie

Fig.5a bis f beispielhafte Anordnungen und Querschnitte der Filterelemente in den vorgenannten Ausführungsformen.

Das Filtersystem besteht - wie beispielhaft in Fig. Ia bis c, 2a bis c sowie 3a und b dargestellt - im Wesentlichen aus einem Filtersystemgehäuse 1 mit einem rohgasseitigen Filtersystemvolumen 2 mit einer oben angeordneten Zuführung 3 für ein abzu- reinigendes Rohgas und unten angeordneten Staubsammelraum 4 sowie reingasseitigen Ablaufkanälen 5 mit Ablauf 6. Im Filtersystemvolumen sind mindestens zwei horizontal ausgerichtete und dieses überbrückend an beiden Enden aufliegende röhrenförmige Filterelemente 7 eingesetzt, die an einem (Fig. Ia bis c sowie 3a und b) oder beiden Enden (Fig.2a bis c) offen gestaltet über reingasseitige Sammelkanalsysteme 8 in die Ablaufkanal 5 ausmünden. Ferner weisen die dargestellten Filtersysteme Abreini- gungsvorrichtungen 9 (in den Figuren nur angedeutet, umfassend zB ein Druckreservoir mit Zuschaltventilen) mit Fluidventilen

10 auf, die über die Sammelkanalsysteme 8 in diese direkt und vorzugsweise ohne Krümmung vor die offenen Enden der Filterelemente einmüden. Die Filterelemente sind in Filterelementgruppen

11 mit vorzugsweise jeweils einem eigenen SammelkanalSystem 8, Abreinigungsvorrichtung 9 und Fluidventil 10 zusammengefasst

(vgl. insbesondere Fig. Ib und 2b) . Dadurch lassen sich in einem Filtersystem die Filterelemente gruppenweise vorzugsweise von oben nach unten ohne Unterbrechung des laufenden Filterbetriebs abreinigen. Vorzugsweise sind die einzelnen AbreinigungsVorrichtungen zu einem AbreinigungsSystem mit mehreren ggf. umschaltbaren Ausgängen für mehrere Filterelementgruppen zusam- mengefasst .

Die Anordnung der Filterelemente 7 ist vorzugsweise gerade oder versetzt zueinander. Fig.5a bis c gibt zB eine gerade matrixähnliche Anordnung, Fig.5d bis f eine möglich dichte und damit das Filtersystemvolumen besonders gut ausnutzende versetzte Anordnung der Filterelemente in einer Filterelementgruppe 11 wieder. Dabei ist grundsätzlich eine beliebige Kombination mit runden (Fig.5a und d) , ovalen (Fig.5b und e) , dreieckigen (Fig.5c und f) oder anderen Filterelementquerschnitten wie zB tropfenförmigen möglich.

Die dargestellten Filterelemente weisen als röhrenförmige Elemente mit porösen Filterflächen einen kreisförmigen Querschnitt auf. Sie sind horizontal und parallel zueinander ausgerichtet, wobei die in Fig.3a und b offenbarten Ausführungsformen eine entgegen der Schwerkraft nach oben gerichtete Krümmung bzw. Knickung aufweisen. Die letztgenannte Gestaltung dient insbesondere einer Erhöhung der Standfestigkeit gegenüber plastischer Verformung (Durchbiegung zB aufgrund des angreifenden Eigengewichts der Filterelemente) , initiiert durch länger andauernden Fließ- oder Kriechvorgängen besonders bei hohen Einsatztemperaturen .

Die offenen Enden der in Fig. Ia bis c, 2a bis c sowie 3a und b dargestellten Filterelemente 7 sind mit nicht detailliert wiedergegebenen Filterkappen 14 abgedeckt. Die Filterkappen sind als plane Scheiben auf die offenen Enden und diese vollständig überdeckend aufgeklebt, gelötet oder geschweißt. Zur Vermeidung von thermisch bedingten Ermüdungseffekten sind Filterelemente und Filterkappen aus gleichen Materialien oder Materialien mit gleichen oder ähnlichen thermischen Ausdehnungsverhalten gefertigt.

Die Filterelemente mit den Filterkappen werden bei den genannten Ausführungsformen im Filtersystemvolumen zwischen zwei gegenüberliegende Wandungen eingesetzt. Die geschlossenen Enden der Filterelemente oder die offenen Enden ohne eine Funktion als Gasaustritt (Blindöffnung mit oder ohne Filterkappe, bietet sich an, wenn in einer Serie nur ein Filterelementtyp gefertigt werden soll) werden hierzu in Vertiefungen gehalten, wobei in diese im Falle einer Blindöffnung eine Dichtung eingesetzt ist. Die als Gasaustritt dienenden Enden mit oder ohne Filterkappe werden dagegen in Durchgangsöffnungen zum Sammelkanalsystem eingesetzt und sind entsprechend zur Wandung abzudichten. Die Dichtungen sind entsprechend der Einsatzbedingungen (Temperatur, Druck) auszuwählen und zu dimensionieren. Runde Filterelementquerschnitte sind im Falle einer aufwendigeren Abdichtung bei höheren Temperaturen ^~ zu bevorzugen.

Alternativ können in den vorgenannten Ausführungsformen die Filterelemente und Filterkappen einstückig durch einen nach allen hin gasdurchlässigen Hohlkörper gebildet sein.

Einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform gibt Fig.4 wieder. Sie umfasst ein Filtersystem mit einer mittigen Vertikalteilung des Filtersystemvolumens 2 inklusive der Filterelemente 7 in zwei Teilvolumina 12. Das System entspricht in prinzipiell zwei parallel geschalteten Einzelsystemen I und II gemäß Fig. Ia bis c mit zur Trennwand 13 hin geschlossenen einseitig offenen Filterelementen. Als Filterkappen 14 dienen jeweils die durch Öffnungen in der Filtersystemvolumenwandung 15 direkt in den Ablaufkanal 5 reichenden Endstücke der Filterelemente. Ein Sammelkanalsystem zum Ablaufkanal wie in den vorangegangenen Ausführungsformen nicht erforderlich. Vorzugsweise sind die Filterelemente inklusive der Filterkappen als einstückig beidseitig offene gleichmäßig poröse Rohre, dh als einfache herzu- stellende preisgünstige Komponenten (ggf. abzulängende Meterware) gefertigt, die mit ihren Enden zwischen Trennwand 13 und Filtersystemgehäuse eingespannt sind und durch diese ggf. mit zusätzlichen Dichtungseinsätzen auch abgedichtet werden.

Zwei parallel geschaltete Einzelsysteme I und II lassen auch einen wechselseitigen Betrieb im Betriebszustand (vgl. I) und Abreinigungsmodus (vgl. II) zu, wobei der Ablauf 6 durch einen fluidisches Ventil 16 gegen ein nutzloses Verpfuffen der Druckstöße der Abreinigungsvorrichtung 10 ausgestattet ist. Ein fluidisches Ventil umfasst dabei engporiges Kanalsystem, das so geformt ist, dass einen bestimmten Volumenstrom mit einem wesentlich geringeren Druckverlust passieren lässt und der bei einem größeren Volumenstrom oder anliegenden Überdruck allein durch eine Änderung der Strömungsverhältnisse ansteigt (zB Umschlagen von laminarer zu turbulenter Strömung und damit einer Strömungsblockade im Kanalsystem) .

Bezugszeichenliste

1 Filtersystemgehäuse

2 Filtersystemvolumen

3 Zuführung

4 Staubsammelraum

5 Ablaufkanal

6 Ablauf

7 Filterelement

8 Sammelkanalsystem

9 Abreinigungsvorrichtung

10 Fluidventil

11 Filterelementgruppe

12 Teilvolumen

13 Trennwand

14 Filterkappe

15 Filtersystemvolumenwandung

16 fluidisches ^" Ventil ^"