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    公开号:WO1987004641A1
    申请号:PCT/EP1987/000046
    申请日:1987-01-30
    公开日:1987-08-13
    发明作者:Bernhard Wessling；Hans Grigull
    申请人:Bernhard Wessling；
    IPC主号:B01D53-00
    专利说明:
    [0001] Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Abluft
    [0002] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Abgasen bzw. zur Rückgewinnung von Wertstoffen aus Verbrennungsanlagen, Verbrennungskraftmaschinen und emissionsintensiven Produktionsanlagen durch akustische Staub-, Aerosol- und/oder Schadgasentfernung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
    [0003] Die Verschmutzung der Unmwelt durch die Abgase von Verbrennungsanlagen und Verbrennungs (kraft)maschinen nimmt immer bedrohlichere Ausmaße an. Die Abgasreinigung bei Kraftwerken, Müllverbrennungsanlagen, Heizungsanlagen, Kraftwagen und Verbrennungskraftmaschinen, aber auch bei emissionsintensiven Produktionsanlagen wird daher immer dringlicher. Dementsprechend wurden zahlreiche neue Verfahren vorgeschlagen, alte optimiert und in den technischen Maßstab umgesetzt.
    [0004] Je nach Aufgabenstellung, - Staub-, bzw. Aerosolabscheidung - Schadgasentfernung (NOx, CO, SO2) - Entfernung bzw. Rückführung unverbrannter Brennstoffe
    [0005] ergeben sich oft erhebliche Nachteile, vor allem hinsichtlich - mangelnder Effizienz
    [0006] - hoher Investitionskosten bzw. schlechtem
    [0007] Verhältnis von Aufwand zu Wirkung auch bei neuen Anlagen (z.B. erheblicher Energieverbrauch) schädliche Nebenwirkungen (z.B. Erhöhung der Abfallmenge wie bei der Entschwefelung von Kraftwerken; Entstehung neuer Giftstoffe als Nebenwirkung der Abgasreinigungsverfahren u.ä.)
    [0008] der Umrüstung der bestehenden alten Anlagen, die oftmals nicht möglich ist.
    [0009] Die Abgasreinigung bei Kraftwerken und emissionsintensiven Produktionsanlagen wie Stahlwerken, anderen Metallrohstofferzeugern (Kupfer, Zinn) u.a. wird durch Filter, Elektrofilter, Naßwäscher u.a. bewirkt. Nachteilig sind entweder die geringe Effizienz bei Aerosolen oder bei steigender Effizienz der hohe Energieaufwand (Elektrofilter), bei Naßwäschern die Verlagerung des Abluftproblems in ein Abwasserproblem bzw. in ein erhöhtes Abfallproblem (vgl. SO2-Entfernung unter Gipsbildung). Die Nachrüstung von Altanlagen ist sehr kostenintensiv und daher nahezu vollständig unmöglich.
    [0010] Die Abgasreinigung von häuslichen Heizungsanlagen wird in der Praxis wegen des Fehlens praktikabler Techniken nicht durchgeführt. Hier überwiegt die Zielsetzung, Brenner, Kessel und den Verbrauch zu optimieren, während die Abgase unbehandelt bleiben. Abgase von Kohleöfen und offenen Kaminen werden üblicherweise ebenfalls nicht gereinigt.
    [0011] Ganz erhebliche Probleme sind auch mit der Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen verbunden. Dieser Problemkreis, der Stand des Wissens und der Technik hierzu kann den folgenden Literaturstellen entnommen werden:
    [0012] 1) K.C. Taylor, Automobile Catalytic Converters (Springer-Verlag Berlin 1984) 2) E. Koberstein, Chem. i.u. Zeit 18, 37 (1984)
    [0013] 3) L. Hegedus u.a., Chemtech 10, 63 (1980)
    [0014] 4) A. Löwe, U. Hoffmann, Chem. Ing. Tech 57, 835 (1985) 5) H. Appel, Wissenschaftsmagazin der TU Berlin, Heft 5
    [0015] (1985).
    [0016] Selbst mit optimal eingestellten Motoren und neuen Motorkonzepten (z.B. Magermotor) werden neben CO2 und H2O vor allem unverbrannte Benzin- und Dieselbestandteile (CH), Stickstoffoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Ruß inkl. polycyclischer Verbindungen als Aerosole und Gase an die Umwelt abgegeben. Dazu kommen freie und gasförmige Bleiverbindungen bei Verwendung verbleiter Kraftstoffe. Das z.Zt. beste Verfahren zur Schadstoffverminderung ist die Kombination des sog. 3-Wege-Katalysators mit einer Einspritzanlage, womit CH, CO und NO um 80 - 90% reduziert werden können. Mit dem "Katalysator" sind jedoch eine Reihe schwerwiegender prinzipieller Probleme verbunden:
    [0017] alte Motoren können nur in seltenen Fällen bzw. nur mit hohem Aufwand nachgerüstet werden
    [0018] die Katalysator-Herstellung, dessen Betrieb und dessen Wartung sind teuer (DM 2000,- bis 5000,- innerhalb von 3 - 5 Jahren), sowie energietechnisch und rohstoffseitig aufwendig durch a) Keramik b) Al2O3-Zwischenschicht c) 2 g Pt, Rh oder Pd pro Katalysator (d.h. für 1 Million Autos 2000 kg dieser Metalle.) d) erhöhten Energieverbrauch bei Umstellung der Raffinerien auf unverbleites Benzin - durch verbleites Benzin kann der Katalysator "vergiftet" = unwirksam werden - in der Kaltstartphase, d.h. also im Kurzstrecken-/Stadtverkehr ist die Effizienz erheblich beeinträchtigt - es wird gelegentlich befürchtet, daß beim Betrieb flüchtige Pt-Verbindungen, die ihrerseits hochgiftig sind, entstehen und in die Umwelt gelangen.
    [0019] Dieselmotoren enthalten im Abgas zwar gegenüber Benzinmotoren deutlich verminderte CO- und NOx-Anteile, dagegen aber weit mehr Ruß mit cancerogenen Polycyklen, die durch den oben erwähnten Katalysator nicht abgebaut werden. Hier werden Rußfilter unterschiedlicher Bauart oder elektrostatische Rußabscheider vorgeschlagen. Nachteilig ist vor allem die geringe Abscheidungsrate und die Selektivität (nur Ruß wird abgeschieden).
    [0020] Soweit man der Literatur entnehmen kann, handelt es sich bei der Abgasreinigung bei Kraftwagen um ein kompliziertes Problem: Bei etwa 0,1 - 0,2 m3 Abgas/sec entsprechend ca. 5 m3/km (bei 100 km/h) enthält es pro m3 etwa 16 g H2O, 0,3 g CH, 2 g CO, 0 , 2 g NOx und (bei Dieselfahrzeugen) weniger als 0,2 g Ruß entsprechend ca. 80/1,5/10/1 bzw. bis zu 1 g/km Fahrstrecke.
    [0021] Aus der DE-PS 630 452 ist eine Vorrichtung zum Abscheiden von Schwebeteilchen aus Gasen bekannt, bei der die zu reinigenden Gase in einem Reaktor Schall in Form stehender Wellen ausgesetzt werden. Der Schall wird durch einen Schallgenerator an einem Ende des Reaktors erzeugt.
    [0022] Es wurde auch bereits vorgeschlagen, einen elektrostatischen Flugascheabscheider mit einer Ultraschallquelle von 18 - 20 kHz zu koppeln (DE-OS 27 01 498). Aufgrund der hohen Leitfähigkeit des Rußes haben elektrostatische Abscheider nur geringe Effizienz. Das gleiche trifft für Fliehkraft- oder Prallabscheider zu, da die Staubkonzentration zu niedrig und die Partikel zu klein sind.
    [0023] Der an sich bekannten Abgasreinigung durch Koagulation der Stäube und Aerosole vermittels Einwirkung von Schall und Ultraschall (vgl. Ullmann: Enzyklopädie der technischen Chemie) haften zwei schwerwiegende Nachteile an:
    [0024] a) die akustische Abgasreinigung benötigt einen Gehalt an Schwebteilchen von mehr als 1 g/m3, um effizient zu sein b) die bisher benutzten Techniken (Luftstrahlgenerator oder Hochfrequenzsirenen) erfordern zur Schallerzeugung einen hohen Energieaufwand mit gewaltigen Umwandlungsverlusten (Wirkungsgrade von 5 bis 50%).
    [0025] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine zu seiner Durchführung geeignete Vorrichtung bereitzustellen, mit denen bei zufriedenstellender Effizienz der Abluftreinigung durch die Einfachheit geringere Investitionsund Betriebskosten ermöglicht werden, die in bestehenden Anlagen nachrüstbar sind und keine zusätzlichen neuen Probleme durch Nebenwirkungen schaffen. Zusätzlich sollte ggf. eine Rückgewinnung von in der Abluft enthaltenen wertvollen Stoffen ermöglicht werden. Nach dem Stand der Technik war mit akustischen Abgasreinigungsverfahren eine nur geringe Reinigungswirkung bei hohem apparativem Aufwand zu erwarten.
    [0026] Überraschend wurde nunmehr gefunden, daß eine Staub- und Aerosolkoagulation und -abscheidung sehr effizient ausführbar ist, wenn man die an sich bekannte Anwendung von Schallwellen auf geeignete Weise modifiziert. Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Reinigung von Abluft aus Produktionsanlagen, Verbrennungsanlagen oder Verbrennungskraftmaschinen sowie ggf. zur Rückgewinnung staub- und aerosolförmiger Wertstoffe aus Produktionsanlagen mittels Schallwellen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man dem Abluftstrom Schall und Ultraschall mit mindestens zwei verschiedenen Grundfrequenzen überlagert, wobei sich die zweite Grundfrequenz von der ersten um mindestens 10 kHz unterscheidet. Vorzugsweise wendet man Schall an, dessen niedrigste Grundfrequenz mehr als 1 kHz beträgt. Günsterweise setzt sich das Frequenzspektrum des Schalls aus mindestens zwei Grundfrequenzen sowie deren harmonischen und unharmonischen Oberwellen zusammen. Erwünscht sind dabei hohe Amplituden der Oberfrequenzen.
    [0027] Die Schallwellen lassen sich erfindungsgemäß besonders günstig mit Hilfe einer Schallquelle erzeugen. Wenn die Frequenzen der Schallwellen auf die Maße des Reaktors entsprechend abgestimmt sind, können stehende Schallwellen und/oder Schwebungen erzeugt werden, welche dem Abluftstrom überlagert werden.
    [0028] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Abluftström tangential in einen zylindrischen Raum eingeführt, so daß er diesen helikal (schraubenförmig) entgegen der Fortpflanzungsrichtung der Schallwellen durchströmt.
    [0029] Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer sehr effizienten Abscheidung der in der jeweiligen Abluft enthaltenen Feststoffe. Darüber hinaus zeigte es sich völlig überraschend, daß es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Verbrennungsanlagen und Verbrennungskraftmaschinen gelingt, neben dem Ruß- und Aerosol-Gehalt auch den Schadgasgehalt im Abgas nennenswert zu senken. Mit der Erfindung wird auch eine Vorrichtung zur Durchführung des neuartigen Verfahrens vorgeschlagen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Metallkern einer Spule fest mit dem Zentrum einer Membran, welche eine Wand eines Reaktors bildet, verbunden ist und daß an einem Ende des mit der Membran verbundenen Metallkerns ein Piezokristall zur Erzeugung einer zweiten Grundfrequenz im Ultraschallbereich angeordnet ist. Die Membran besteht vorzugsweise aus Metall. Durch elektrische Erregung der Spule mit Wechselstrom geeigneter Spannung und gewünschter Frequenz (= Grundfrequenz) werden die Frequenz sowie deren harmonische und unharmonische Oberwellen direkt über die Membran und indirekt über die mit der Membran verbundene Reaktorwandung auf die den Reaktor durchströmende Abluft übertragen.
    [0030] Durch das mit Hilfe einer solchen Grundfrequenz von z.B. zwischen 1 und 10 kHz erzeugte breite Frequenzband wird bereits ein Abscheidungseffekt erzielt, doch gelingt eine wesentliche weitere Verbesserung dadurch, daß eine zweite Grundfrequenz im Ultraschallbereich, d.h. von 16 kHz oder darüber, mit den entsprechenden Oberwellen der ersten Grundfrequenz überlagert wird, wie dies mit Hilfe des in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich vorgesehenen Piezokristalls möglich ist. Der Piezokristall wird mit einer Frequenz von mindestens 16 kHz, vorzugsweise mehr als 20 kHz angeregt.
    [0031] Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht vorzugsweise aus einem Reaktor von zylindrischer Form, wobei an einem Ende des Zylinders eine tangential angeordnete Abluftzuführung und am anderen Ende die Schallquelle angeordnet sind, während vor der Schallquelle der Abluftausgang und ein Auslaß für die koagulierten Partikel vorgesehen sind. Zwischen dem Feststoffauslaß und dem Abluftausgang ist vorzugsweise ein Abweiser angeordnet, um zu verhindern, daß die koagulierten Teilchen von der Abluft mitgerissen werden. Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Zylinders und die Grundfrequenzen werden vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, daß der Zylinder als Helmholtz-Resonator wirkt, in dem sich stehende Wellen und/oder Schwebungen ausbilden. Der Durchmesser der Abluftzuführung ist im allgemeinen kleiner als der des zylindrischen Reaktors. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Durchmesser von Abluftzuführung zu Zylinderraum kleiner als 1:2.
    [0032] Die Abscheidung der unter der Schalleinwirkung agglomerierten Aerosol- und Staubteilchen der Abluft aus den erwähnten Anlagen und Maschinen erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß im Falle der tangentialen Führung der Abluft im Zylinder vor der Schallquelle ein nach innen gekrümmter Abweiser und dahinter eine abnehmbare Auffangvorrichtung angebracht sind, während in Helix-Richtung gesehen dahinter nach dem Abweiser und kurz vor der Schallquelle der Abluft-Auslaß angeordnet ist.
    [0033] Bei einer Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Verbrennungskraftmaschine wurde überraschenderweise bei der Auswertung von Massenspektren der gereinigten Abluft beobachtet, daß neben einer sehr nennenswerten Rußabscheidung auch eine Erniedrigung des NOx-Gegehaltes und des CO-Gehaltes sowie des Anteils an unverbrannten Kohlenwasserstoffen auftritt. Dies ist umso überraschender, als hier im Gegensatz zu bekannten Katalysatoren keine katalytisch wirksamen Edelmetall-Oberflächen zur Verfügung stehen. Bei optimaler Ausführung und Abstimmung des erfindungsgemäßen Verfahrensprinzips ergibt sich also überraschenderweise eine sehr effiziente Abscheidung von Stäuben und Aerosolen, darunter Wertstoffen und Ruß, verbunden mit einer nennenswerten Verminderung des Gehalts an Schadgasen bei vergleichsweise einfachem apparativen und niedrigem energetischen Aufwand.
    [0034] Insbesondere besteht die Möglichkeit, die Grundfrequenzen der erfindungsgemäßen Vorrichtung stufenlos elektronisch zu regeln in Abhängigkeit von bestimmten Meßdaten der Anlage wie Gemischzusammensetzung, Betriebstemperatur oder Drehzahl des Motors.
    [0035] Eine optimale Kombination besteht für Verbrennungsanlagen, Kraftwerke und Verbrennungskraftmaschinen z.B. in einer elektronisch regelbaren Kraftstoff-Luft- Gemisch-Zuführung, der dazu erforderlichen Sauerstoffmeßsonde im Abluftstrom, ggf. einer (elektronisch geregelten) teilweisen Abgasrückführung und der erfindungsgemäßen akustischen Abluftbehandlung. Bevorzugterweise wird auch diese im Hinblick auf die Grundfrequenzen und/oder Schallenergien elektronisch geregelt und dadurch unterschiedlichen Betriebszuständen der Anlage, z.B. der Drehzahl eines Motors, dem periodischen Betrieb eines Brenners einer Gebäudezentralheizung oder dem pulsierenden Abgasausstoß z.B. einer Ölvakuumpumpe angepaßt.
    [0036] Der Energiebedarf zum Betreiben der akustischen Abgasreinigung ist relativ niedrig. Z.B. kommt man bei einem
    [0037] Personenkraftwagen mit 1 - 50 Watt, bevorzugt 10 bis 50
    [0038] Watt aus, d.h. es wird nur ca. 0,01% bis 0,1% der durch die Verbrennung erzeugten Leistung zur Abgasreinigung benötigt.
    [0039] Das Verfahren läßt sich auf verschiedenste Art und Weise ausführen und variieren. So kann man beispielsweise nicht nur mit einer Schallbehandlungsstufe, sondern mit zwei oder mehreren hintereinander geschalteten Stufen arbeiten und ggf. je nach Wahl der Grundfrequenzen und Energien in den unterschiedlichen Verfahrensstufen unterschiedliche Verfahrensaufgaben ausführen (z.B. Grobabscheidung, Wertstoffrückgewinnung, Ruß- und Schadgasentfernung).
    [0040] Somit eignet sich das Verfahren für verschiedenartige Anwendungen anstelle von oder in Kombination mit bisher üblichen Filtern und Reinigungsverfahren: - Kraftwerke, Müll- und andere Verbrennungsanlagen, Gebäudeheizungsanlagen (vor allem Kohle-, Koks- und Ölfeuerung) - emissionsintensive Produktionsanlagen (Stahlwerke, Metallhütten etc.) - Luftreinigung in Bergbau, Sägewerken, Schleifereien etc. - Ölabscheidung (z.B. bei Ölvakuumpumpen) und Abscheidung anderer Aerosole - Staubabscheidung und gleichzeitige Wertstoffrückgewinnung bei stauberzeugenden Prozessen (z.B. Mischen, Fördern etc. von pulverförmigen Stoffen), wobei bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens die Rückführung der Stäube direkt in den Prozeß in einer weniger staubenden - weil koagulierten Form möglich ist, - Abgase von Verbrennungskraftmaschinen (Motoren von Personen- und Lastkraftwagen, Lokomotiven und Schiffen). Gegenüber herkömmlichen Techniken zeichnen sich dabei eine Reihe von Vorteilen ab:
    [0041] - Kombination von einfacher und preiswerter Bau- und Verfahrensweise mit hoher Reinigungseffizienz, - niedriger Wartungsaufwand - nachträglicher Einbau ist bei bestehenden Produktionsanlagen (Mischern, Silos und dgl.), Ölpumpen, PKW- und LKW-Motoren, Diesellokomotiven, Schiffen, Gebäudeheizungen und dgl. möglich, - flexible Einsatzmöglichkeiten (Staub-, Aerosol- und Schadgasentfernung sowie Wertstoffrückgewinnung) - Möglichkeit der Rußrückführung in den Verbrennungsraum bzw. Verwendung der abgeschiedenen Ruße als Füllstoffe oder Pigmente in Gummi, Kunststoffen und Lacken, - flexible Betriebsweise, - preiswerte, einfache Ausgangskomponenten, keine seltenen teuren Rohstoffe erforderlich.
    [0042] Eine Erklärung für die überraschend hohe Wirksamkeit des Verfahrens kann noch nicht gegeben werden. Dennoch sind einige Hypothesen aufstellbar, ohne daß die Erfindung daran gebunden sein soll:
    [0043] - Die unterschiedlichen Aerosol- und Staubteilchen lassen sich nicht, wie man früher versuchte, durch Schallwellen von nur einer einzigen Frequenz genügend effizient zur Koagulation bringen, sondern erst durch ein breites Frequenzband aus Schall und Ultraschall, also durch Druckdifferenzen und Cavitationen unterschiedlicher und wechselnder örtlicher Energie. Durch die erfindungsgemäße Art der Schallerzeugung und -übertragung auf den von der Abluft durchströmten Reaktorraum werden harmonische und unharmonische Oberwellen mit teilweise sehr hohen Amplituden erzeugt. Durch entsprechende Wahl der Grundfrequenzen ist es möglich, die Schallintensität entweder praktisch vollständig bei der Grundfrequenz zu konzentrieren oder - was für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft ist - zahlreiche Oberwellen mit hohen Amplituden zu erzeugen.
    [0044] - Vermutlich durch stehende Wellen oder Schwebungen hoher und wechselnder örtlicher Energie werden einige Koagulationskeime längere Zeit im Verfahrensraum schwebend gehalten, so daß genügend Zeit zum Partikelwachstum verbleibt, bis das Gewicht erreicht ist, das bei helikaler Luftführung die Abscheidung durch Zentrifugalkraft ermöglicht. - Die wachsenden Teilchen, vor allem der Ruß aus der Verbrennung, adsorbieren Gase; vermutlich stellt die Rußoberfläche zum einen genügend katalytische Aktivität, zum anderen auch genügend oxidier- bzw. reduzierbare funktioneile Gruppen und adsorbierte Gase zur Verfügung, so daß ein regelrechter katalytischer Redox-Vorgang zum Abbau der einzelnen Schadgase (NOx zu N2, CO zu CO2, unverbranntes CxHy zu CO2) vor sich gehen kann.
    [0045] Möglicherweise wird auch der Ruß selbst teilweise zu CO2 nachverbrannt.
    [0046] Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sollen die anliegenden Zeichnungen dienen; es zeigen
    [0047] Figur 1
    [0048] - eine schematische Darstellung der Vorrichtung im
    [0049] Querschnitt, Figur 2 - eine schematische Darstellung der Abluftführung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
    [0050] Der Reaktor 2 weist eine im wesentlichen zylindrische Form auf. An einem Ende des Zylinders ist ein Schallgenerator 1 angeordnet, welcher auf die als Membran 3 ausgebildete Stirnwand mechanische Schwingungen überträgt. Zu diesem Zwecke ist der Metallkern 4 einer Spule 6 in der Mitte der Membran 3 mit dieser fest verbunden. An einem Ende des
    [0051] Metallkerns ist ferner ein Piezokristall 5 angeordnet. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, zwei verschiedene Grundfrequenzen sowie die zugehörigen Oberwellen auf die Membran 3 zu übertragen.
    [0052] Die zu reinigende Abluft wird durch einen Einlaß 7 in den Reaktor eingeleitet, wobei der Durchmesser des Einlasses 7 wesentlich kleiner ist als der Durchmesser des zylindrischen Reaktorraums. Die gereinigte Abluft verläßt den Reaktor durch einen Abgasausgang 8, während die koagulierten Feststoffpartikel in einem Abscheider 9 gesammelt werden. Zwischen dem Abscheider 9 und dem Abluftausgang 8 ist vorzuweise ein Abweiser (in der Figur nicht dargestellt) vorgesehen, welcher ein Mitreißen gröberer Partikel durch die Abluft verhindert.
    [0053] Die Figur 2 zeigt die bevorzugte helikale Führung der Abluft durch den Reaktor, welche eine längere Aufenthaltsdauer in dem Reaktorraum ermöglicht und ferner die Abscheidung der koagulierten Teilchen durch Zentrifugalkräfte begünstigt. Zur näheren Erläuterung der Erfindung sollen die nachfolgenden Beispiele dienen, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist:
    [0054] Beispiel 1
    [0055] Der Auspufftopf eines Pkw (Typ: Peugeot 504 Diesel, 51 kW) wurde umgebaut entsprechend Fig. 1 und 2, so daß der Auspufftopf als der zylindrische Reaktor dient , dessen Grundfläche die angeregte Membran ist.
    [0056] Die Abgase werden tangential eingeführt, zur Rußabscheidung wurde ein Auslaß angebracht, an den ein Sammeltopf angeflanscht wird. Die Anordnung der Magnetspule auf der Membran mit dem Piezokristall zeigt Fig. 1.
    [0057] Die Magnetspule wurde elektronisch mit
    [0058] a) 2,05 kHz b) 3,2 kHz c) 3,2/45 kHz
    [0059] angeregt. Im Versuch b) wurden 105 dB bei einer Eingangsleistung von ca. 30 Watt gemessen.
    [0060] Bei laufendem Motor ohne Last wurde beobachtet: - ohne Schallerzeugung: keine Rußabscheidung - mit 2,05 kHz: nennenswerte Rußabscheidung - mit 3,2 kHz: offensichtlich etwas stärkere Rußabscheidung- mit 3,2 kHz und zusätzlich 45 kHz (Erregung des Piezokristalls mit Wechselstrom von 50 V) eine beträchtlich stärkere Rußabscheidung. Für die weiteren Versuche wurde daher mit den letzteren Einstellbedingungen gearbeitet.
    [0061] Beispiel 2 Mit der oben beschriebenen Versuchsanordnung wurden
    [0062] Fahrversuche im Stadt- und Autobahnverkehr unternommen. Es wurden abgeschieden - in der Stadt: ca. 2 - 6 g auf 100 km - auf der Autobahn: ca. 2 - 8 g auf 100 km
    [0063] Das abgeschiedene schwarze Pulver hatte in einer wassrigen Suspension einen pH von 3,5 bis 4 und enthielt ca.
    [0064] - 14% flüchtige Bestandteile (100°C, 20 mbar, 30 min.), darin 6 - 10% H2O - 22% mit Cyclohexan extrahierbare Stoffe, die nach dem IR-Spektrum naphthenisches Mineralöl sind (unverbrannte Dieselbestandteile).
    [0065] Die Elementaranalyse des Pulvers ergab:
    [0066] C : 5 3 , 5 %
    [0067] H : 6 , 5 %
    [0068] N: 1 , 5 %
    [0069] O : 38 %
    [0070] Beispiel 3
    [0071] Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurde ein Lkw (Typ: Daimler-Benz Turbo Diesel) ausgerüstet. Auf 100 km wurden zwischen 3 und 10 g Ruß abgeschieden. Beispiel 4
    [0072] Von den Abgasen des Wagens aus Beispiel 1c) wurden mengenproportionale Proben entnommen und in einem Massenspektrometer Typ MSQ 200 (Fa. Leybold-Heraeus) analysiert. Die Auswertung ergab folgende Peakintensitäten (jeweils normiert auf m/e = 22 entspr. CO2 2 +):
    [0073]
    [0074] Aus dem Spektrum ist zu entnehmen, daß NO+ etwa gleich bleibt, NO2 aber um 20% sinkt. Interessant ist zusätzlich ein Vergleich der Peakintensitäten untereinander. Das Verhältnis von CO2/O2 zu NO/NO2 ändert sich durch die Schalleinwirkung von ca. 5 auf ca. 5,7, das Verhältnis von O2 zu NO/NO2 von 2 auf 2,4. Die Messungen deuten auf eine nennenswerte Verminderung von NOx im Abgas hin.
    [0075] Beispiel 5
    [0076] An dem Auspufftopf eines Dieselmotors wurde ein anderes erfindungsgemäßes Versuchsgerät angebracht und bei folgenden Grundfrequenzen betrieben:
    [0077] a) ohne Schallanregung b) 2,8/38,5 kHz c) 3,5/42,5 kHz Die gereinigten Abgase wurden massenspektrometrisch wie in Beispiel 4 beschrieben bei drei unterschiedlichen Empfindlichkeiten I, II und III analysiert. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefaßt.
    [0078]
    Die Ergebnisse zeigen folgendes:
    [0079] a) Der Wassergehalt im Abgas sinkt um 50 bis 65% b) Der Stickstoffgehalt in Form von Luftstickstoff bleibt gleich, das gleiche gilt für den Argongehalt; dies ist zu erwarten und kann für die Eichung der jeweiligen Spektren herangezogen werden. c) Der Sauerstoffgehalt bzw. der Gehalt an sauerstoffhaltigen Abbauprodukten (Nachverbrennung) steigt an d) Der Rußgehalt bzw. der Anteil an kohlenstoffhaltigen Abgasbestandteilen sinkt um 40 bis zu etwa 80%. e) Die Massezahlen 22 und 44 erfassen sowohl CO2 wie auch Butan aus Kohlenwasserstoffen (Butan als Spaltprodukt des Mineralöls). Unter der Annahme, daß CO2 gleich bleibt oder sogar steigt, findet man bei diesen Massezahlen eine deutliche Abnahme der unverbrannten Kohlenwasserstoffe um ebenfalls ca. 80%. f) Unter der Masse 46 findet man NO2 und Bruchstücke von Sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen. Die Abnahme dieser Massezahl zeigt, daß diese Stoffe ebenfalls mit vermindertem Gehalt auftreten, wenn das Abgas erfindungsgemäß mit Schall/Ultraschall behandelt wird. Es ist nicht eindeutig zu erkennen, ob der Anteil an Stickoxiden sinkt.
    [0080] Beispiel 6
    [0081] 4 Prototypen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurden unter Alltagsbedingungen in Kraftfahrzeugen getestet, drei in Dieselfahrzeugen (1 Pkw und 2 Lkw) und eine in einem mit verbleitem Superbenzin betriebenen Pkw. Die Aggregate arbeiteten einwandfrei, die längste Betriebsdauer beträgt z.Zt. etwa 20 Monate bei einer Gesamtfahrleistung von etwa 30.000 km. Bei den Dieselfahrzeugen wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung die insbesondere beim Starten und beim Fahren unter Last sichtbare Rußfahne fast ganz beseitigt. Bei dem Diesel Pkw wurden etwa 4 g Ruß auf 100 km Fahrstrecke abgeschieden, während beim Lkw bis zu 10 g Ruß auf 100 km anfielen. Überraschenderweise zeigten sich auch beim Otto-Motor Abscheidungen von ca. 0,5 g auf 100 km und ca. 2 g auf 1000 km. An sich ist bekannt, daß Otto-Motoren kaum Feststoffe ausstoßen. Die analytische Untersuchung der Abscheidung zeigte einen hohen Bleigehalt im abgeschiedenen Ruß.
    [0082] Beispiel 7
    [0083] An einer nicht mit einem Auspuff verbundenen Vorrichtung wurden Frequenz- und Dezibelmessungen vorgenommen. Es zeigte sich, daß bei verschiedenen Einstellungen der Schall- und der Ultraschallfrequenz unterschiedliche Schalldrucke und eine unterschiedlich hohe Anzahl an Oberwellen resultieren. Für jede Vorrichtung, d.h. für jede Abmessung eines beispielsweise zylindrischen
    [0084] Reaktorraumes (Länge und Durchmesser) sind daher die günstigsten Frequenzen und die erforderliche Anregungsenergie zu ermitteln. Im Reaktorraum wurden Schalldrucke bis zu 120 dB erreicht. Die einzelnen Meßergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 zusammengefaßt.
    [0085] T a b e l l e 2
    [0086] Piezorcsonanzfrequenzen (kHz) 14,6 15,8 17,3 19,1 19,8 26,3 28,2 39,6 40,3 43,8 51,8 52,3
    [0087] Schalldruck dB (SPL) 60 65 65 68 64 67 68 70 68 65 70 70
    [0088] Anregungsfrequenzün für Hupe 1,15 1,20 1,29 1,30 1,38 1,42 1,46 1,52 1,6 1,79 1,95 2,54 2,76 2,94 3,05 (kHz)
    [0089] Schalldruck dB (SPL) 106,5 1001,5 109 104 110,5 102,5 113,5 110 111,5 101 85 105 115,5 116,5 115
    [0090] 3,11 3,15 3,21 3,31 3,43 3,57 3,75 3,91 4,23 4,48 4,65
    [0091] 114,5 113 114 112,5 111 106 90 85 91 90 80
    [0092] Aufgrund des Gesamtspektrums sind im Ultraschallbereich die Grundrequenzen von 19,1,40,3 und 52,2 kHz am günstigsten. Für den Schallbereich zeigen die Spekten der Fig. 3, daß unter den Versuchsbedingungen die Grundfrequenz von 3,91 kHz Oberwellen mit deutlich höheren Amplituden liefert und daher zu bevorzugen ist.
    权利要求:
    ClaimsPatentansprüche
    1. Verfahren zur Reinigung von Abluft aus Produktionsanlagen, Verbrennungsanlagen oder Verbrennungskraftmaschinen sowie gegebenenfalls zur Rückgewinnung staub- und aerosolförmiger Wertstoffe aus Produktionsanlagen mittels Schallwellen, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Abluftstrom Schall und Ultraschall mit mindestens zwei verschiedenen Grundfrequenzen überlagert.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Schall anwendet, dessen niedrigste Grundfrequenz mehr als 1 kHz beträgt.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Schall anwendet, dessen zweite Grundfrequenz sich von der ersten um mindestens 10 kHz unterscheidet.
    4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man Schall anwendet, dessen Frequenzspektrum sich aus mindestens zwei Grundfrequenzen sowie deren harmonischen und unharmonischen Oberwellen zusammensetzt, wobei man in Abhängigkeit von den Abmessungen des Reaktionsraumes die Grundfrequenz so auswählt, ctaß die Oberwellen möglichst hohe Amplituden aufweisen.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schallwellen mit einer Schallquelle erzeugt.
    Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abluftstrom tangential in einen zylindrischen Raum eingeführt wird und diesen helikal entgegen der Fortpflanzungsrichtung der Schallwellen durchströmt.
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Abluft durch einen Raum leitet, dem stehende Schallwellen und/oder Schwebungen überlagert sind.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerung des zylindrischen Raumes mit Schallwellen gleichzeitig durch die im Raum befindlichen Gase und die metallische Wandung des Raumes erfolgt.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Abluft nacheinander durch mehrere zylindrische Räume leitet, die jeweils mit Schallwellen gleicher oder unterschiedlicher Frequenzen überlagert sind.
    10 . Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern (4) einer Spule (6) fest mit dem Zentrum einer Membran (3), welche eine Wand eines Reaktors (2) bildet, verbunden ist und daß an einem Ende des mit der Membran (3) verbundenen Metallkerns (4) ein Piezokristall (5) zur Erzeugung einer zweiten Grundfrequenz im Ultraschallbereich angeordnet ist.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (3) aus Metall besteht.
    12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (2) zylindrische Form aufweist und daß an einem Ende des Zylinders eine tangential angeordnete Abluftzuführung und am anderen Ende die Schallquelle angeordnet sind, vor welcher der Abluftausgang und ein Auslaß für die koagulierten Partikel vorgesehen sind.
    13. Vorrichtung nch Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoffauslaß vom Abluftausgang durch einen Abweiser (10) getrennt ist.
    14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Raum für die tangential eingeführte Abluft als Helmholtz-Resonator mit einem Länge-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 3:1 ausgebildet ist.
    15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Durchmesser von Abluftzuführung zu Zylinderraum weniger als 1:2 beträgt.
    16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallgenerator, insbesondere dessen Frequenzen und Leistung, elektronisch regelbar ist.
    17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallerzeugung in elektronisch geregelter Weise mit einer vor dem beschallten Reaktor angeordneten Sauerstoffmeßsonde verbunden ist, die mit einer Kraftstoffeinspritzanlage und/oder einem Abgasrückführungsregelventil gekoppelt ist.
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