TY - GEN A1 - Lebedynskyy, Volodymyr A1 - Riebel, Ulrich A1 - van der Zwaag, Till A1 - Haep, Stefan A1 - Kohnen, Boris T1 - Energetische Optimierung von Elektroabscheidern. Industriebeispiel HKM Duisburg T2 - Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Mechanische Flüssigkeitsabtrennung und Gasreinigung, 14.-15. März 2019, Bamberg N2 - Elektroabscheider bewähren sich in Rauchgasreinigung als sehr robust und zuverlässig. Allerdings werden zahlreiche und nicht immer genau bekannte Parameter für eine sichere Auslegung von Elektroabscheidern benötigt. Eine nachträgliche Veränderung der Betriebsparameter kann zur Minderung der Zuverlässigkeit eines Elektroabscheiders führen. Das Rauchgas aus dem Stahlkonverter (HKM, Duisburg) wird in einem Nass-elektroabscheider von Partikeln befreit. Als HV-Elektroden kommen sog. „high emission electrodes“ zum Einsatz. Diese weisen eine sehr geringe Corona-Einsatz-spannung auf und erschöpfen die Leistungsreserven des HV-Trafos bereits bei mittleren Spannungen. Eine weitere Erhöhung der Spannung ist aufgrund der Strombegrenzung nicht möglich. Eine zweistufige auf das Aerosol abgestimmte HV-Elektrode wird entwickelt und im Technikums-Maßstab ausprobiert. Diese ermöglicht eine äußerst effiziente Nutzung des Corona-Stromes. Die Aufladung von Partikeln erfolgt damit fast ausschließlich im gequenchten Bereich, in dem die Gasionen ihre Ladung fast vollständig auf die Aerosolpartikeln übertragen. Eine deutlich höhere Betriebsspannung kann erreicht werden. Eine originale HKM Elektrode wird einer optimierten im Technikumsversuch gegenübergestellt. Der Betriebspunkt (Spannung und Strom) des HKM Elektro-abscheiders wird durch die Veränderung der Aerosol-Anzahlkonzentration und Größenverteilung nachgebildet. Abscheideleistungen bei einer typischen Betriebs-spannung sowie bei der maximalen Trafo-Leistung von 205 W pro Abscheiderohr werden erfasst. Die Versuche werden durch eigene Simulationsrechnungen unterstützt. Die Simulationsergebnisse stimmen mit den Messergebnissen sehr gut überein. Die optimierte Elektrode bringt folgende Vorteile gegenüber der originalen Elektrode: a) 2/3 der Energie werden bei einer gleichen Abscheidung eingespart. b) 9-fache Verbesserung der Abscheidung bei einem gleichen Energieeintrag. Eine technische Umsetzung der gewonnenen Kenntnisse steht in Aussicht. Y1 - 2019 UR - https://dechema.converia.de/frontend/index.php?page_id=6528 ER - TY - GEN A1 - Bürger, Patrick A1 - Riebel, Ulrich T1 - Characterization of flame-generated SiO2 aerosols and their utilization in research of high temperature electrostatic precipitation: A project outlook T2 - Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Gasreinigung und des TAK Aerosoltechnik N2 - Gas-phase particle separation at significantly elevated temperatures is a scope since heat recovery units might be operated with higher efficiency and lower maintenance costs when fouling by particulate deposits could be reduced. However, this proves difficult for most separation techniques for numerous reasons (particle size limitations, material limitations, pressure difference limitations). While the upper temperature limit for standard electrostatic precipitators (ESP) operated at ambient pressure and with negative polarity is around 400°C, positive polarity theoretically should allow an operation with temperatures well above 600°C. However, there seems to be very little experience with high temperature ESPs even on the lab scale or small pilot scale. To close this apparent gap in electrostatic precipitation research our current project aims to investigate the characteristics of a SiO2 aerosol and the capabilities of an ESP dealing with said SiO2 aerosol at 600°C and above. The aerosol is produced by combustion of silicone oil (HMDSO) in a propane flame which leads to particle size distributions ranging from below 10 nm up to 400 nm. The median value of the distribution and the total number concentration is a function of the gaseous HMDSO amount introduced into the flame. Increasing the HMDSO supply shifts the median to larger particle diameters but also reduces the total number concentration, which is an interesting phenomenon to be looked into in more detail during the project since coagulation cannot explain this on its own. The observed high number concentrations at low HMDSO feed rates may involve thermal rebound which needs further investigation. Additionally, the bipolar charge distribution typical for flame-generated aerosols has to be considered when deriving an explanation for the observations. The next steps will be a more detailed characterization of the produced SiO2 aerosol and the operation of a high temperature ESP in wire-tube geometry. KW - electrostatic precipitation KW - SiO2 aerosols KW - aerosol science Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.13140/RG.2.2.30701.95209 ER - TY - GEN A1 - Bürger, Patrick A1 - Riebel, Ulrich T1 - Behaviour of a flame-generated SiO2 aerosol in electrostatic precipitators at elevated temperatures: A back-corona investigation T2 - Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Mechanische Flüssigkeitsabtrennung und Gasreinigung N2 - The removal of high-resistivity dusts from gas flows using electrostatic precipitators (ESPs) is challenging and requires counter-measures to suppress back-corona and subsequent particle re-entrainment. The critical dust layer thickness for the occurrence of back-corona may vary by several orders of magnitude depending on the specific dust resistivity, dust layer porosity, particle size, humidity and operating temperature. Despite the difficulties at elevated operating temperatures, processes involving highly resistive dusts (e.g. oxidic materials) may benefit significantly from utilizing high temperature ESPs (HT-ESPs). This is because the specific resistivity of materials like SiO2, Al2O3 and other oxides decreases below the critical value of 10^11 Ω*cm at higher temperatures. Currently, the separation of oxidic nanoparticle products relies on cloth filters which require exhaust gas quenching prior to dust removal. Using heat exchangers instead to recover excess heat is not feasible due to severe scale formation. Therefore, the development of a reliable HT-ESP would allow heat exchange at clean gas conditions reducing operating costs of the overall process. During preliminary experiments for our ongoing investigation of HT-ESPs, the behaviour of a flame-generated SiO2 aerosol was studied at 200°C in a wire-tube configuration. In order to reach a better understanding of the back-corona, measurements of the particle size distribution, particle charge distribution and electric current were conducted for both polarities. Strong effects are found even though the dust layer thickness is a few μm only. While the separation efficiency decreases rapidly after a critical dust layer thickness is reached, the current uptake increases significantly (up to a factor of 20), and a large number of inversely charged particles is found in the clean gas. These effects may indicate a large-scale back-corona. A detailed discussion will be given on the basis of aerosol size and mobility distributions, SEM images and resistivity measurements of the dust layer. We gratefully acknowledge the financial support for this project (EFRE-StaF 23035000) by the European Fund for Regional Development. KW - electrostatic precipitation KW - SiO2 aerosols KW - back corona KW - highly resistive dusts KW - gas cleaning Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.13140/RG.2.2.34057.39528 ER - TY - GEN A1 - Bürger, Patrick A1 - Riebel, Ulrich T1 - Electrostatic Charging and Precipitation of Nanoparticles in Technical Nitrogen: Highly Efficient Diffusion Charging by Hot Free Electrons T2 - Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Computational Fluid Dynamics und Gasreinigung N2 - Electrostatic charging and deposition of a liquid nano-aerosol was studied in dry air and in technical (3.6 % O2) nitrogen. The experiments have shown that electronic charging of aerosols can be important in technical scale electrostatic precipitators (ESPs). Already at operation voltages just slightly above the corona onset voltage, the contribution of the free electrons to the overall current is estimated to be around 50 %. Due to the high temperature of free electrons, diffusion charging by free electrons allows to reach exceptionally high particle charge and extremely high precipitation efficiency. A strongly simplified theoretical model was developed, which gives a good prediction of particle charge based on averaged values of particle diameter, current density, electric field strength, electron temperature and residence time. The ion mobilities were determined by fitting the current-voltage characteristics with a modified Townsend (Monrolin et al. 2018) equation and are significantly higher than the values typically used to describe diffusion charging in air. This may be ascribed to the very dry gas phase and the short average lifespan of the ions under ESP conditions, which is in the order of 1 ms. From the practical point of view, electronic charging might be relevant in a number of technical applications, including high temperature ESPs, ESP applications in dry and oxygen-free gases and pulsed corona systems. We gratefully acknowledge the financial support for this project (EFRE-StaF 23035000) by the European Fund for Regional Development. Monrolin, N., Praud, O., Plouraboué, F. 2018. Revisiting the positive DC corona discharge theory: Beyond Peek's and Townsend's law. Phys. Plasmas 25, 063503; doi: 10.1063/1.5031780. KW - electrostatic precipitation KW - electronic charging KW - free electrons KW - electron temperature KW - corona discharge KW - diffusion charging Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.13140/RG.2.2.35735.11687 ER - TY - GEN A1 - Bürger, Patrick A1 - Riebel, Ulrich T1 - Electrostatic charging and precipitation of nanoparticles in technical nitrogen: Highly efficient diffusion charging by hot free electrons T2 - Journal of Aerosol Science N2 - Electrostatic charging and deposition of a liquid nano-aerosol was studied in dry air and in technical (3.6 % O2) nitrogen. The experiments have shown that electronic charging of aerosols can be important in technical scale electrostatic precipitators (ESPs). Already at operation voltages just slightly above the corona onset voltage, the contribution of the free electrons to the overall current is estimated to be around 50 %. Due to the high temperature of free electrons, diffusion charging by free electrons allows to reach exceptionally high particle charge and extremely high precipitation efficiency. A strongly simplified theoretical model was developed, which gives a good prediction of particle charge based on averaged values of particle diameter, current density, electric field strength, electron temperature and residence time. The ion mobilities were determined by fitting the current-voltage characteristics with a modified Townsend (Monrolin et al. 2018) equation and are significantly higher than the values typically used to describe diffusion charging in air. This may be ascribed to the very dry gas phase and the short average lifespan of the ions under ESP conditions, which is in the order of 1 ms. From the practical point of view, electronic charging might be relevant in a number of technical applications, including high temperature ESPs, ESP applications in dry and oxygen-free gases and pulsed corona systems. KW - electrostatic precipitation KW - corona discharge KW - free electrons KW - electron temperature KW - ion mobility KW - diffusion charging Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2019.105495 SN - 1879-1964 SN - 0021-8502 IS - 141 ER - TY - GEN A1 - Bacher, Christian A1 - Riebel, Ulrich T1 - Investigation of electrohydrodynamically enhanced turbulence in wire-tube electrostatic precipitators for enhanced mass and heat transfer T2 - ICESP 2018, Charlotte, USA, 9-11 October 2018 N2 - Enhanced heat and mass transfer due to electrohydrodynamically induced flow in electrostatic precipitators provides a potential opportunity for versatile new applications in the process industry. After a short review of the physical fundamentals it is explained why measurements of the pressure gradient play an important role in the design principles for this technology. Its external influence by operating parameters like voltage polarity and aerosol conditions will also be shown. In the second part, the feasibility of enhanced mass and heat transfer is demonstrated based on laboratory measurements. In combination with the previously discussed pressure gradient measurements, methods for simplified engineering concepts like equivalent mean flow velocities or turbulent diffusion coefficients are shown. The topic is rounded off by outlining a potential use in decentralized power generation. Y1 - 2018 UR - https://www.isesp.org/education ER - TY - GEN A1 - Bacher, Christian A1 - Riebel, Ulrich A1 - Lebedynskyy, Volodymyr A1 - Fischer, Silvio T1 - Discharge electrode geometries and energy efficiency in one-stage electrostatic precipitators at high aerosol concentration T2 - ICESP 2018, Charlotte, USA, 9-11 October 2018 N2 - In order to help answering the question “Which electrode design is the best?”, the precipitation performance of a tubular ESP was determined for different electrode designs with special attention to specific energy consumption. Experiments were conducted in a wire-tube arrangement with a high loading of liquid submicron particles. The experiments are supplemented by numerical simulation results showing the effect of residence time and power consumption on separation efficiency. By combining the own experimental results with seemingly contradicting statements of the literature, the authors provide also some general guidelines for discharge electrode design when designing or upgrading electrostatic precipitator plants. Y1 - 2018 UR - https://www.isesp.org/education ER - TY - GEN A1 - Bacher, Christian A1 - Riebel, Ulrich A1 - Medina Méndez, Juan Ali A1 - Schmidt, Heiko T1 - Nutzbarmachung des elektrischen Windes zum verbesserten Wärme und Stofftransport im Elektroabscheider T2 - ProcessNet 2020, Fachgruppe Gasreinigung N2 - Zur Förderung einer nachhaltigeren Wertschöpfungskette werden im Rahmen der Energiewende ständig neue Verfahren und Konzepte zu deren Umsetzung entwickelt. Eines dieser Konzepte befasst sich mit der Zusammenführung bislang entkoppelter Prozessschritte in Gasreinigungssystemen aus der Energie- und Anlagentechnik. Aus den daraus resultierenden Einsparungen bei den Investitionskosten profitieren nicht nur die klassischen Energieerzeugeuer und Produktionsanlagen in der chemischen Industrie, sondern es werden auch neue Anreize zur dezentralen Energieeinspeisung von kleineren und mittelständischen Unternehmen gesetzt. Elementarer Bestandteil dieser Gasreinigungssysteme sind häufig Elektroabscheider, welche weit verbreitet im Einsatz sind um Abgase von Stäuben bzw. Aerosolen zu befreien, oder um staubförmige Wertprodukte aus Gasströmungen abzuscheiden. Die in Elektroabscheidern prinzipbedingt vorhandenen elektro¬¬hydro¬dyna¬mischen Strömungen, auch als elektrischer Wind bezeichnet, sollen nun systematisch genutzt werden, um neben der Aerosolabscheidung gleichzeitig Aufgaben des Wärme- und Stoffaustauschs zu lösen. Inhalte der Untersuchungen Zur Validierung der Machbarkeit dieser neuen Techniken wurde der Einfluss des elektrischen Windes auf die turbulente Quervermischung, anhand des verbesserten Wärme- und Stofftransports, sowie des Druckverlusts im Rohrelektroabscheider getestet. Bei den Untersuchungen wurden unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten, Elektrodengeometrien und Betriebsspannungen, sowie die Anwesenheit von Aerosol berücksichtigt. Ein Teil der Ergebnisse diente bereits als Validierungsgrundlage für numerische Simulationen mit einem neuartigen Turbulenzmodell [1]. [1] Medina, J., Schmidt, H., Riebel, U., Application of the one-dimensional turbulence model for electrohydrodynamic variable density flows, 17th European Turbulence Conference, 3-6 September 2019, Torino, Italy Y1 - 2020 UR - https://www.researchgate.net/publication/340363119_Nutzbarmachung_des_elektrischen_Windes_zum_verbesserten_Warme-und_Stofftransport_im_Elektroabscheider ER - TY - GEN A1 - Bacher, Christian A1 - Riebel, Ulrich T1 - Einfluss elektrohydrodynamischer Strömung auf den Wärme und Stoffübergang in Elektroabscheidern T2 - ProcessNet 2018, Fachgruppe Gasreinigung N2 - Zur Förderung einer nachhaltigeren Wertschöpfungskette werden im Rahmen der Energiewende ständig neue Verfahren und Konzepte zu deren Umsetzung entwickelt. Eines dieser Konzepte befasst sich mit der Zusammenführung bislang entkoppelter Prozessschritte in Gasreinigungssystemen aus der Energie- und Anlagentechnik. Aus den daraus resultierenden Einsparungen bei den Investitionskosten profitieren nicht nur die klassischen Energieerzeugeuer und Produktionsanlagen in der chemischen Industrie, sondern es werden auch neue Anreize zur dezentralen Energieeinspeisung von kleineren und mittelständischen Unternehmen gesetzt. Unverzichtbarer Bestandteil dieser Gasreinigungssysteme sind häufig Elektroabscheider, welche weit verbreitet im Einsatz sind um Abgase von Stäuben bzw. Aerosolen zu befreien, oder um Wertprodukte aus Gasströmungen abzuscheiden. Die in Elektroabscheidern prinzipbedingt vorhandenen elektro¬¬hydro¬dyna¬mischen Strömungen sollen nun systematisch genutzt werden, um gleichzeitig Aufgaben des Wärme- und Stoffaustauschs zu lösen. Zur Schaffung der notwendigen Auslegungsgrundlagen wurden deshalb qualitative und quantitative Untersuchungen zum Einfluss der elektrohydrodynamischen Strömung auf Stoff- und Wärmetransport in Abhängigkeit von relevanten Betriebsparametern vorgenommen. Y1 - 2018 UR - https://www.researchgate.net/publication/340363130_Einfluss_elektrohydrodynamischer_Stromung_auf_den_Stoff-und_Warmeubergang_in_Elektroabscheidern ER - TY - GEN A1 - Medina Méndez, Juan Ali A1 - Bacher, Christian A1 - Schmidt, Heiko A1 - Riebel, Ulrich T1 - EHD-ODT: a stochastic turbulence model for the study of heat and mass transfer in wire-tube electrostatic precipitators T2 - Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Computational Fluid Dynamics und Gasreinigung Y1 - 2020 UR - https://www-docs.b-tu.de/fg-stroemungsmodellierung/public/Medina_2020_ProcessNETConferenceAbstract.pdf PB - DECHEMA e.V. ER - TY - GEN A1 - Medina Méndez, Juan Ali A1 - Schmidt, Heiko A1 - Bacher, Christian A1 - Riebel, Ulrich T1 - Electrohydrodynamic‐enhanced internal pipe flows from a One‐Dimensional Turbulence perspective T2 - 91st Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM) Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1002/pamm.202000132 VL - 20 IS - 1 PB - Wiley ER - TY - GEN A1 - Medina Méndez, Juan Ali A1 - Schmidt, Heiko A1 - Riebel, Ulrich T1 - Towards a One-Dimensional Turbulence Approach for Electrohydrodynamic Flows T2 - 11th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP11), Southampton, UK, July 30 to August 2, 2019 Y1 - 2019 UR - http://tsfp11.org/openconf/modules/request.php?module=oc_program&action=view.php&id=265&type=3&a= ER - TY - GEN A1 - Bürger, Patrick A1 - Riebel, Ulrich T1 - Formation of highly resistive SiO2 nanoparticle layers from the aerosol by electrostatic precipitation at 200 °C: Observations on back corona and nanoparticle layer structure T2 - Journal of Nanoparticle Research KW - SiO2 aerosol KW - Nanoparticle layers KW - Highly resistive dust KW - Back corona KW - Electrostatic precipitation KW - Thermionic field emission Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1007/s11051-021-05292-4 SN - 1572-896X SN - 1388-0764 VL - 23 IS - 8 ER -