DE4029800A1 - Heissgasfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Filter zum Entfernen von Partikeln aus einem Strom heißer Gase wie z. B. Abgase. Sie bezieht sich insbesondere auf ein neues und verbessertes Filterelement sowie auf ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Hintergrund der Erfindung

Der Gebrauch keramischer Filterelemente zum Filtern heißer Abgase und dergleichen ist bestens bekannt und es wird der Gebrauch dieser Filterelemente beispielsweise in dem US-Patent 47 13 174 gezeigt. Ein Verfahren zur Herstellung keramischer Filterelemente in einem Formge­ bungsverfahren wird in dem US-Patent 46 29 483 beschrie­ ben. Solche Filterelemente arbeiten gut. Ihre Herstel­ lung ist jedoch teuer, sie sind schwer und relativ zerbrechlich.

Es wäre wünschenswert, das Verfahren zur Herstellung von Hochtemperaturfilterelementen dahingehend zu verbessern, daß dessen Kosten reduziert werden und daß gleichzeitig ein leichteres, festeres und dauerhafteres Filterelement bereitgestellt wird, welches wenigstens ebenso gut wie die dem Stand der Technik zuzuordnenden Filterelemente arbeitet.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein neues und verbessertes Verfah­ ren zur Herstellung von Hochtemperaturfilterelementen und ein neues und verbessertes Filterelement vorgeschla­ gen, welches zur Filtration von Heißgasen bestimmt ist. Zur Herstellung eines Filterelementes gemäß dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Gerüstteil eines Filterelements aus einer Vielzahl kurzer Silizium­ dioxydfasern hergestellt, und zwar unter Verwendung von ungefähr 10% Bindemittel, so daß sich eine mattenartige Gerüstform ergibt mit einer mittleren Porengröße zwi­ schen 10µm und 200µm. Vorzugsweise werden einzelne zylindrische Fasern mit einer Länge in dem Bereich von 5 mm bis 10 mm und einem Durchmesser zwischen 2µm und 3µm im Vakuum auf einem Dorn zu der gewünschten Gestalt geformt, beispielsweise einer hohl ausgebildeten Kerze oder einer Röhre. Obwohl die Porengröße dieses aus Fasern bestehenden Teils für die meisten Filteranwendun­ gen zu groß ist, ergibt sich ein relativ gleichförmiger Grundkörper.

Zur Verfestigung des Teils und zur Reduzierung der mittleren Porengröße auf ein akzeptables Maß wird das mattenartige faserige Teil anschließend mit Alpha- Tonerdegel oder kolloidaler Tonerde in Berührung ge­ bracht. Um letzteres auszuführen und dieses zu beschich­ ten wird das mattenartige Teil in flüssige Alpha-Tonerde oder kolloidale Tonerde eingetaucht, so daß sich ein Filterelement ergibt, dessen Porengröße - über das gesamte Teil gesehen - gleichförmig ausgebildet ist.

Falls jedoch ein Filterelement bereitgestellt werden soll, dessen äußere Oberfläche eine mittlere Porengröße aufweist, die kleiner als im Inneren des Elementes ausfällt, wird die Alpha-Tonerde oder die kolloidale Tonerde nur auf die äußere Oberfläche des mattenartigen Grundkörpers aufgebracht, und zwar durch Sprühen, Bür­ sten, Rollen oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise. Außerdem kann das faserige mattenartige Teil zuerst in ein Bad aus flüssiger Alpha-Tonerde oder kolloidaler Tonerde eingetaucht werden, um die inneren Fasern gleichförmig zu beschichten, wobei anschließend die stromaufwärts oder stromabwärts gelegenen Flächen des Gerüstteils weiterhin mit zusätzlicher Alpha-Tonerde beschichtet werden, um eine weniger poröse Filterschicht auf einer oder beiden Oberflächen zu erreichen.

Allgemeine Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Aufgabenstellungen und Vorteile sowie ein besse­ res Verständnis des Erfindungsgegenstands werden sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ergeben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Filterele­ ments in teilweiser Schnittdarstellung;

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung des vollständigen Gegenstands der Fig. 1 entsprechend einer Linie II-II;

Fig. 3 eine teilweise Ansicht eines anderen Filterele­ ments.

Dataillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstands

Fig. 1 zeigt ein hohl ausgebildetes zylindrisches Fil­ terelement 10, welches bodenseitig durch eine zusammen­ hängend mit diesem ausgebildete kreisförmige Abschluß­ wand 12 verschlossen ist und welches an seiner Oberseite außenseitig einen ebenfalls einstückig mit diesem ausge­ bildeten kreisförmigen Bund 14 umfaßt. Es ist diese Konfiguration bei keramischen Filterröhren bekannt, die bei Hochtemperatureinsätzen benutzt werden, wie z. B. zur Filterung von Abgasen, deren Temperatur in der Größen­ ordnung von 1600°F liegt. Fig. 3 zeigt ein alternatives Filterelement 10′, dessen Bund 14′ eine gekrümmte untere Oberfläche 16 aufweist, um die Bruchfestigkeit des Filterelements 16 im Verbindungsbereich zwischen dem Bund 14′ und dem zylindrischen Grundkörper des Filter­ elementes zu verbessern.

Das Filterelement 10 besteht aus einem Basisgerüst oder einer gestrickten Form aus feuerfesten keramischen, miteinander verfilzten Fasern, die unter Verwendung eines geeigneten Hochtemperaturbindemittels wie z. B. kolloidaler Ton- oder Kieselerde untereinander verbunden sind. Diese mattenartige Form oder Basis wird vorzugs­ weise in einem unter Vakuum ablaufenden Formgebungsver­ fahren hergestellt, wobei eine wässrige kolloidale, Ton- oder Kieselerde enthaltende Trübe, bestehend aus Binde­ mittel und kurzen, willkürlichen Längen der keramischen Fasern durch ein Vakuum auf eine Form oder einen Dorn gezogen werden. Es wird dieses mittels Vakuum geformte Teil anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen, um das Bindemittel zu trocknen und die Fasern aneinanderzu­ binden.

Es ist jedoch die mattenartige Gerüstform aus zwei Gründen nicht zur Verwendung als Gasfilter geeignet. Einerseits würden bei hohen Oberflächengeschwindigkeiten einige der Fasern aus der stromabwärts gelegenen Ober­ fläche des Filterelements gelöst werden und auf diese Weise das gefilterte Gas verunreinigen. Ferner würden bei der Entfernung eines Filterkuchens von der stromauf­ wärts gelegenen Oberfläche des Filterelements, bei­ spielsweise im Rahmen eines Rückströmverfahrens, wobei Gas unter hoher Geschwindigkeit in umgekehrter Richtung durch das Filterelement geblasen wird, einige der Fasern in der Nähe der stromaufwärts gelegenen Oberfläche des Filterelements an dem Filterkuchen haften und zusammen mit diesem von dem Filterelement entfernt werden.

Erfindungsgemäß sind demzufolge die Schichten der kera­ mischen Fasern sowohl in der Nähe der stromaufwärts als auch stromabwärts gelegenen Oberflächen der mattenarti­ gen Filterform mit einer dünnen Schicht aus Alpha-Toner­ de oder Kieselerde beschichtet. Es ist festgestellt worden, daß Alpha-Tonerde und Kieselerde gegenüber Temperaturen von bis zu 1600°F beständig sind. Es ist ferner festgestellt worden, daß durch die Beschichtung der Fasern die Festigkeit des Filterelements erhöht wird, während gleichzeitig die keramischen Fasern inner­ halb des Filterelements festgelegt sind. Außerdem wird durch die Beschichtung mit Alpha-Tonerde oder Kieselerde die mittlere Porengröße auf eine eher akzeptierbares Maß reduziert. Weist beispielsweise die anfänglich unter Vakuum geformte mattenartige Faserform eine mittlere Porengröße in dem Bereich von 10µm bis 200µm auf, führt die Beschichtung der Fasern mit Alpha-Tonerde oder Kieselerde dazu, daß die mittlere Porengröße in dem Bereich von 5µm bis 100µm, jedoch vorzugsweise zwi­ schen 30µm und 50µm liegt. Es versteht sich, daß die Menge an Ton- oder Kieselerde, die auf die mattenartige Faserform aufgebracht wird, umgekehrt proportional zur gewünschten Porengröße der Oberflächenbeschichtung ist, welche die Filterschicht bildet.

Die feuerfesten Fasern können aus Tonerde und Kieselerde bestehen und haben im Falle eines hohen Reinheitsgrades die folgende Zusammensetzung:

Al₂O₃|48,2%
SiO₂	48,2%
TiO₂	1,1%
Fe₂O₃	0,5%

Es können jedoch Aluminiumoxydfasern eines noch höheren Reinheitsgrades benutzt werden, die die folgende Zusam­ mensetzung aufweisen:

Al₂O₃|97%
SiO₂	3%

Das eingesetzte Bindemittel kann entweder aus kolloida­ ler Tonerde oder aus kolloidaler Kieselerde bestehen. Wird kolloidale Kieselerde in Verbindung mit weniger reinen, aus Ton- und Kieselerde bestehenden Fasern be­ nutzt, weist die Gerüstform die folgende Zusam­ mensetzung auf:

Al₂O₃|30,5%
SiO₂	67,7%
TiO₂	1,1%
Fe₂O₃	0,5%
Fe₂O₃	0,5%

Nachdem die Gerüstform mit Alpha-Tonerde oder kolloida­ ler Kieselerde beschichtet ist, wird sie vorzugsweise bei Temperaturen in dem Bereich von 1700°F bis 2300°F getrocknet. Bei den höheren Temperaturen wird die Be­ schichtung in die Mullitphase umgewandelt, wodurch beim Gebrauch des Filterelementes dessen Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion durch die heißen Gase erhöht wird.

Es ist die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausgestaltungen derselben beschrieben worden. Der ein­ schlägige Fachmann erkennt jedoch, daß zahlreiche Verän­ derungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbe­ reich der Erfindung zu verlassen. Es ist daher der Zweck der beigefügten Ansprüche alle möglichen Abwandlungen zu erfassen, die in den Schutzumfang der Erfindung fallen können.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung eines Filterelementes, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - Herstellung eines Gerüstteiles aus feuerfesten keramischen Fasern, deren jede einen Durchmesser zwischen 1µm und 3µm sowie eine Länge zwischen 5 mm und 10 mm aufweist, welche Fasern durch Überfüh­ ren einer wässrigen Trübe, bestehend aus einem keramischen Bindemittel und den Fasern in eine Form untereinander verbunden werden und wobei das vaku­ umgeformte Teil zum Trocknen des Bindemittels einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei das Gerüst­ teil eine mittlere Porengröße von mehr als 40µm aufweist,
• - Beschichtung des Gerüstteiles mit einem Werkstoff der Gruppe Tonerdegel, kolloidale Tonerde oder kolloidale Kieselerde, um die Fasern zu beschichten und die mittlere Porengröße auf 30µm bis 40µm zu reduzieren und
• -Beheizung des Teiles bei Temperaturen in dem Be­ reich von 1700°F bis 2300°F, um die Beschichtung zu trocknen und die Korrosionsbeständigkeit gegen­ über heißen Gasen zu erhöhen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beheizungsschritt bei Temperaturen von unge­ fähr 2300°F durchgeführt wird, um die Beschichtung in die Mullitphase umzuwandeln.