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2023-11-06

Dr.-Ing. Patrick Bürger über "High-Temperature Electrostatic Precipitation: Fundamentals, Phenomena and Feasibility"

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Die Dekarbonisierung von Industrie- und Kraftwerksprozessen weltweit ist wohlmöglich eine der größten ingenieurtechnischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Insbesondere Hochtemperaturprozesse wie die Erzeugung von Stahl, Glas, Keramik, Zement und chemischer Produkte sind aufgrund ihrer Notwendigkeit und des hohen Primärenergiebedarfs ein wichtiger Ansatzpunkt. Hierbei spielt nicht nur die Art der Energiebereitstellung, sondern auch die Energieeffizienz eine wichtige Rolle. Jede nicht verbrauchte Kilowattstunde kann bei steigenden Energiekosten einen Wettbewerbsvorteil bedeuten.


Problemstellung

Die Dekarbonisierung von Industrie- und Kraftwerksprozessen weltweit ist wohlmöglich eine der größten ingenieurtechnischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Insbesondere Hochtemperaturprozesse wie die Erzeugung von Stahl, Glas, Keramik, Zement und chemischer Produkte sind aufgrund ihrer Notwendigkeit
und des hohen Primärenergiebedarfs ein wichtiger Ansatzpunkt. Hierbei spielt nicht nur die Art der Energiebereitstellung, sondern auch die Energieeffizienz eine wichtige Rolle. Jede nicht verbrauchte
Kilowattstunde kann bei steigenden Energiekosten einen Wettbewerbsvorteil bedeuten. Daher ist die Rückgewinnung von hochkalorischer Wärme ein sehr wichtiger Aspekt für Hochtemperaturprozesse.

Dies kann mithilfe von Wärmetauschern erfolgen, welche jedoch in ihrer Effizienz durch Staubablagerungen stark beeinträchtigt werden können. Die Partikelabscheidung aus heißen Gasen ist jedoch sehr anspruchsvoll, insbesondere wenn es sich um Nanopartikel handelt. Daher erfolgt die Staubabscheidung oftmals erst nach einer starken Abkühlung des Gases, wodurch die Wärmerückgewinnung entweder nicht oder nur eingeschränkt erfolgt. Aus diesem Grund bedarf es der Entwicklung und des Einsatzes einer effektiven Gasreinigung bei hohen Temperaturen. Mit der Untersuchung einer Hochtemperatur-Gasreinigung mittels Elektroabscheider soll im Rahmen dieser Dissertation ein Beitrag zur Problemlösung geleistet werden.

Über die Dissertation

"High-Temperature Electrostatic Precipitation: Fundamentals, Phenomena and Feasibility“ enthüllt bis dato unbekannte Details zur Partikelaufladung in heißen staubbeladenen Gasen und verschiebt die bisher bekannte Temperaturobergrenze für den erfolgreichen Betrieb von Elektroabscheidern um mehrere hundert Grad Celsius. Zu diesem Zweck wurde ein isothermer Hochtemperatur-Elektroabscheider im Technikumsmaßstab für Temperaturen bis zu 800 °C entwickelt. Zur Partikelaufladung nutzen Elektroabscheider die Ladungsträger aus einer Koronaentladung, welche an einer Sprühelektrode oberhalb der Einsatzspannung entsteht. Die Partikelabscheidung erfolgt im elektrischen Feld auf der Niederschlagselektrode.

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Hochtemperatur-Elektroabscheider werden bereits seit den 1960er Jahren immer wieder in unregelmäßigen Abständen untersucht, häufig mit durchwachsenen Ergebnissen und selten mit einem Fokus auf die zugrundeliegenden Phänomene. In dieser Arbeit ist es jedoch erstmals gelungen, sehr hohe Partikelabscheidegrade bei bis zu 800 °C zu erzielen und den Einfluss von Temperatur und Gasphasenzusammensetzung auf die Partikelaufladung und Abscheidung sehr detailliert zu untersuchen. Weiterhin hat die Modellierung des Prozesses neue Erkenntnisse zur Beeinflussung der Partikelladung durch die Ladungsträgerverteilung und die thermionische Emission aufgezeigt.

Die erzielten Ergebnisse in dieser Dissertation demonstrieren eindeutig die Realisierbarkeit und den Nutzen von Elektroabscheidern für die Hochtemperatur-Gasreinigung bei bis zu 800 °C. Im Fall von Nanopartikeln können erstaunlich hohe Abscheidegrade mit geringem Energieaufwand erzielt werden. Im Fall von größeren Partikeln könnte die Abscheideeffizienz aufgrund des größeren Feldstärkeeinflusses geringer sein. Allerdings würde bereits eine Abscheidung von 90 % der Partikel eine deutliche Verbesserung des Wärmeübergangs in einem Wärmetauscher sowie deutlich längere Wartungsintervalle bedeuten. Aus diesem Grund bildet diese Dissertation eine wichtige Grundlage zur zukünftigen Anwendung von Hochtemperatur-Elektroabscheidern in der Praxis.


Rezension


Diese Arbeit über Hochtemperatur-Elektroabscheider ist aus drei wesentlichen Gründen bemerkenswert:
Erstens erbringt der Autor mit einer Pilotanlage im halbtechnischen Maßstab den Nachweis, dass Elektroabscheider im Temperaturbereich bis 800 °C erfolgreich betrieben werden können. Zweitens liefert uns der Autor viele neue, physikalisch begründete Erkenntnisse über Koronaentladungen bei hohen Temperaturen. Dies beinhaltet eine Fülle hochwertiger experimenteller Daten zur Mobilität von Gasionen, zum Auftreten freier Elektronen und zur Aerosol-Ladekinetik. Weiterhin zeigt der Autor, dass einfache aber intelligente Modellierungsansätze die Simulation von Hochtemperatur-Elektroabscheidern auf einem Standard-PC ermöglichen.
Sehr empfehlenswert für alle, die auf dem Gebiet der elektrostatischen Abscheidung arbeiten.
[Übersetzt aus dem Englischen durch den Autor]

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Riebel
Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik
Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg

Über den Autor

Patrick Bürger ist ein promovierter Verfahrensingenieur mit einem Bachelorabschluss in Umwelttechnik und einem Masterabschluss in Verfahrenstechnik, Prozess- und Anlagentechnik. In seiner Arbeit am Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik der BTU Cottbus-Senftenberg hat er Expertenkenntnisse auf dem Gebiet der elektrostatischen Abscheidung, der Gasreinigung und der Aerosoltechnologie erworben. In seiner Doktorarbeit untersuchte er die Anwendbarkeit der Heißgasreinigung für die Dekarbonisierung von energieintensiven Industrieprozessen und die grundlegenden physikalischen Phänomene im Hochtemperatur-Elektroabscheider. Seine fachlichen Interessen umfassen die Entwicklung und die Auslegung von verfahrenstechnischen Prozessen, Luftreinhaltungskonzepte, katalytische Prozesse, Prozessoptimierung und Prozesssimulation.

Folgen Sie dem Autor gern auf LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/patrick-b-5931b5232/


High-Temperature Electrostatic Precipitation: Fundamentals, Phenomena and Feasibility
High-Temperature Electrostatic Precipitation: Fundamentals, Phenomena and Feasibility
Patrick Bürger
Author
ISBN-13 (Hard Copy): 978-3-73697-839-3
ISBN-13 (eBook): 978-3-73696-839-4
Price_print
EUR 96.90
Price_ebook
EUR 67.83
2023-07-03

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