Besonders häusliche Kleinfeuerungsanlagen tragen mit 25 Kilotonnen (PM 10), gemessen im Jahr 2005, zu einem deutlichen Teil der gesamten Feinstaub-Emissionen in Deutschland bei und überstiegen sogar die Emissionen aus dem Straßenverkehr (nur Verbrennung) in diesem Jahr. Deshalb untersucht das Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
in diesem Zusammenhang verschiedene Abgasnachbehandlungssysteme auf ihre Wirkung und Effizienz, vor allem bei der Anwendung in biomassebetriebenen häuslichen Kleinfeuerungsanlagen.
Die Untersuchung der Systeme gestaltet sich schwierig, da die Verbrennung in Holzfeuerungen instationären Bedingungen folgt, d.h. die Abgaszusammensetzung schwankt stark in Abhängigkeit der zeitlichen und örtlichen Abfolge des Verbrennungsverlaufes. Damit die untersuchten Abgasnachbehandlungssysteme vergleichbar und unter reproduzierbaren und wiederholbaren Bedingungen getestet werden können, wurde am Fraunhofer-Institut fü Bauphysik IBP ein Testsystem zur Nachbildung von Abgasen aus häuslichen Kleinfeuerungsanlagen entworfen. Mit Hilfe des Testsystems sollen beliebige, einstellbare Abgaszusammensetzungen erzeugt und unter stationären Verhältnissen nachgebildet werden. Dadurch sollen sich komplexe Zustände einer Anlage genau erforschen und mit einer hohen Genauigkeit wiederholen und reproduzieren lassen können.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt hierbei auf der Charakterisierung eines Rußpartikelgenerators und eines Feststoffpartikeldispergierers. Der Nachbildungsbereich bezieht sich auf Feinstaub und Partikel mit einem Durchmesser zwischen wenigen Nanometern und ca. 100 μm. Ein solches Testsystem könnte in Zukunft auch interessant sein, um neuartige Abgasnachbehandlungssysteme zu evaluieren und entwickeln. Beispielsweise könnten auch Messgeräte, sicherheitsrelevante Bauteile einer Anlage und andere Anlagenkomponenten für industrielle wie private Anwendungen, unter stationären Bedingungen getestet werden.
Ziel dieser Arbeit ist daher die Charakterisierung der bestehenden Versuchseinrichtung im Hinblick auf ihre Fähigkeit Feinstaub- und Grobstaub- Emissionen von Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen unter stationären, reproduzierbaren und wiederholbaren Bedingungen nachbilden zu können. Nachfolgend sollen die daraus gewonnenen Ergebnisse
genutzt werden, um Schwachstellen der Anlage zu identifizieren und anschließend diesen Problemen sinnvolle Lösungskonzepte und Maßnahmen gegenüberzustellen.
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Symbolverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Allgemeine Verbrennung
2.2 Rußpartikelbildung
2.3 Rußpartikeltransport
2.3.1 Sedimentationsverluste
2.3.2 Diffusionsverluste
2.3.3 Thermophoretische Verluste
2.4 Partikelemissionen aus biomassebetriebenen Kleinfeuerungsanlagen
2.4.1 Feinstaubbegriff
2.4.2 ZusammensetzungderPartikelemissionen
2.4.3 Betriebsphasen
3 Beschreibung der Forschungsanlage
3.1 Porenbrennersystem
3.2 Rußpartikelgenerator
3.2.1 Aufbau und Funktionsprinzip
3.2.2 Rezepterstellung
3.3 Feststoffpartikeldispergierer
4 Material und Methoden
4.1 Eingesetzte Messgeröate
4.2 Materialaufstellung
4.3 Materialauf-und-nachbereitung
5 Versuchsdurchführung
5.1 Vorgehen
5.2 Reproduzierbarkeit
5.3 Experimenteller Aufbau
5.4 Empirische Bestimmung der Partikelemissionen
5.4.1 GravimetrischeKonzentrationsmessung
5.4.2 Messung der Partikelgroößenverteilung
5.4.3 Vergleich der Messtechnikmethodik
6 Ergebnisse und Diskussion
6.1 Singulaörer Betrieb Palas Rußgenerator
6.1.1 Rezepte
6.1.2 Einfluss der Quenchung
6.1.3 Einfluss der Verduönnungsluft
6.2 Singulöarer Betrieb Palas Feststoffpartikeldispergierer
6.3 Kombi-Betrieb der Anlage
6.4 Fehlerbewertung der Messergebnisse
7 Zusammenfassung und Fazit
8 Ausblick
Literaturverzeichnis
Anhang
Abkürzungsverzeichnis
BImSchV Bundes-Imissionsschutzverordnung
BImSchG Bundes-Imissionsschutzgesetz
CPC Condensate Particle Counter
DIN Deutsche Industrie Norm
DMA Differential Mobility Analyzer
EPA Environmental Protection Agency
IBP Institut fuör Bauphysik
PAK Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe
PAH Polynuclear aromatic hydrocarbons
PM Standard for Particulate Matter
SAA Standard-Arbeitsanweisung
SMPS Scanning Mobility Particle Sizer
SPS speicherprogrammierbare Steuerung
TA-Luft Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft
UP Ultrafeine Partikel
VDI Verein Deutscher Ingenieure
Symbolverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildungsverzeichnis
2.1 Rußentstehung in homogenen vorgemischten Flammen nach Bockhorn5 . 5
2.2 Reaktionsschema des Hydrogen Abstraction Carbon Addition“-Mechanismus (oben) und der direkten Kombination von aromatischen Ringen (unten)5
2.3 Am Fraunhofer-Institut IBP gemessener Verbrennungsverlauf eines HolzscheitVergaserkessels mit seinen 3 unterschiedlichen Betriebsphasen1
3.1 Forschungsanlage mit den untersuchten Anlagenkomponenten
3.2 Palas Rußgenerator DSP 3000 H 15
3.3 Funktionsprinzip des Palas Rußgenerator DSP 3000 H 15
3.4 Funktionsprinzip des Palas RGB 1000 Partikeldispergierers 14
3.5 Dispergierluftvolumenstromkurve fuör Palas RGB 1000 bei Normumgebungsbedingungen
4.1 Gravimat SHC 502 der Firma SICK GmbH
4.2 Aufbau des SMPS der Firma Grimm Aerosol Technik GmbH
4.3 Zyklonasche (A) und Flammruß (B) nach Trocknung, Mahlung und Siebung
5.1 Versuchsaufbau fuör die Validierung des Rußgenerators und des Feststoff- partikeldispergierers
6.1 Groößenverteilungen der erstellten Rezepte und Verlauf der Gesamtpartikelkonzentration
6.2 Kurvenverlauf der gravimetrischen Messungen anhand der erstellten Rezepte und Boxplot-Diagramm der wiederholten Messungen
6.3 Temperaturverlauf des Abgasweges in Abhöangigkeit des Abstands zur Flam
me bei $ = 1, 9 und einer Umgebungstemperatur von 22^C
6.4 Rußbeladene Planfilter in Abhöngigkeit der Betriebszustönde $ = 1,4 — 2,1
6.5 Summenkurven fuör die Rezepte $ = 1,7 - 1, 9
6.6 Dichtekurven fuör Rezepte $ =1,7-1,9
6.7 Groößenverteilungen in Abhöangigkeit des Stickstoff-Quench-Durchflusses bei $=1,6
6.8 Groößenverteilungen in Abhöangigkeit des Stickstoff-Quench-Durchflusses bei =1,9
6.9 Vergleich der Messpunkte mit den berechneten Werten fuör Flammruß in AbhöangigkeitdesVorschubes
6.10 Vergleich der Messpunkte mit den berechneten Werten fuör Zyklonasche in AbhöangigkeitdesVorschubes
6.11 Flammrußkonzentration in Abhaöngigkeit des Dispergierluftvordrucks. . . .
6.12 Aschekonzentration in Abhöangigkeit des Dispergierluftvordrucks . . . . . .
6.13 Groößenverteilung Flammruß bei einem Vorschub von 5 mm/h und einem Vordruck von 1,8 bar
6.14 Groößenverteilung Zyklonasche bei einem Vorschub von 5 mm/h und einem Vordruck von 1,8 bar
6.15 Groößenverteilungen ohne und mit Betrieb des Partikeldispergierers bei ¥ = 1.7
6.16 Groößenverteilungen ohne und mit Betrieb des Partikeldispergierers bei ¥ = 1.8
6.17 Groößenverteilungen ohne und mit Betrieb des Partikeldispergierers bei ¥ = 1.9
Tabellenverzeichnis
3.1 Uöbersicht der erstellten und werksseitig vordefinierten Rezepte am Palas Rußgenerator
4.1 Uö bersicht uöber die verwendeten Verbrauchsmaterialien
6.1 Ergebnisse der gravimetrischen Messung fuör die erstellten Rezepte
6.2 Ergebnisse der gravimetrischen Messung fuör die wiederholten Messungen bei ¥ = 1,7 - 1,9
6.3 Ergebnisse der gravimetrischen Messung beim Kombinationsbetrieb
6.4 Uöbersicht der Messfehler bei den verwendeten Messgeröaten
1. Einleitung
Die Umweltsituation unseres Planeten befindet sich in einem starken Wandel. Die anthropogene Beeinflussung auf die Umwelt durch Luftverunreinigungen hat seit den Anfaöngen der ersten industriellen Revolution stetig zugenommen. Sie befindet sich aufgrund der starken industriellen Entwicklungen von aufstrebenden Industrienationen wie z.B. China, Brasilien und Indien auf einem Allzeithoch. Gerade deshalb sind Bemuöhungen, welche sich fuör eine Eindöammung der schöadlichen anthropogenen Umweltbeeinflussungen in Folge von Luftverunreinigungen einsetzen, dringend notwendig. Speziell die Emission von Feinstaub ist als kritisch fuör die menschliche Gesundheit einzustufen, da die submikronen Teilchen in die Lunge und Blutbahn eindringen und dort erhebliche gesundheitliche Schöaden hervorrufen köonnen. Im Laufe der letzten Jahre wurden immer strengere Grenzwerte fuör den anthropogenen Feinstaub in technischen Verordnungen angesetzt. Als Beispiel der Bemuöhungen um Schadstoffreduzierung kann das Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG), bzw. die Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV) sowie die TA-Luft angefuöhrt werden. Diese Gesetze, Verordnungen bzw. allgemeine Verwaltungsvorschriften stellen Anforderungen an Emmissions- und Immissionsbegrenzungen von Luftschadstoffen an industrielle und gewerbliche Anlagen. Sie dienen außerdem zum Schutz von Mensch und Umwelt vor schöadlichen Umwelteinwirkungen.
Besonders höausliche Kleinfeuerungsanlagen tragen mit 25 Kilotonnen (PM 10), gemessen im Jahr 2005 3, zu einem deutlichen Teil der gesamten Feinstaub-Emissionen in Deutschland bei und uöberstiegen sogar die Emissionen aus dem Straßenverkehr (nur Verbrennung) in diesem Jahr. Deshalb untersucht das Fraunhofer-Institut fuör Bauphysik IBP in diesem Zusammenhang verschiedene Abgasnachbehandlungsysteme auf ihre Wirkung und Effizienz, vor allem bei der Anwendung in biomassebetriebenen höauslichen Kleinfeuerungsanlagen. Die Untersuchung der Systeme gestaltet sich schwierig, da die Verbrennung in Holzfeuerungen instationaören Bedingungen folgt, d.h. die Abgaszusammensetzung schwankt stark in Abhaöngigkeit der zeitlichen und oörtlichen Abfolge des Verbrennungsverlaufes. Damit die untersuchten Abgasnachbehandlungssysteme vergleichbar und unter reproduzierbaren und wiederholbaren Bedingungen getestet werden koönnen, wurde am Fraunhofer-Institut fuör Bauphysik IBP ein Testsystem zur Nachbildung von Abgasen aus haöuslichen Kleinfeuerungsanlagen entworfen. Mit Hilfe des Testsystems sollen beliebige, einstellbare Abgaszusammensetzungen erzeugt und unter stationöaren Verhaöltnissen nachgebildet werden. Dadurch sollen sich komplexe Zustaönde einer Anlage genau erforschen und mit einer hohen Genauigkeit wiederholen und reproduzieren lassen köonnen.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt hierbei auf der Charakterisierung eines Rußpartikelgenerators und eines Feststoffpartikeldispergierers. Der Nachbildungsbereich bezieht sich auf Feinstaub und Partikel mit einem Durchmesser zwischen wenigen Nanometern und ca. 100 ^m. Ein solches Testsystem konnte in Zukunft auch interessant sein, um neuartige Abgasnachbehandlungssysteme zu evaluieren und entwickeln. Beispielsweise köonnten auch Messgeröate, sicherheitsrelevante Bauteile einer Anlage und andere Anlagenkomponenten fuör industrielle wie private Anwendungen, unter stationaören Bedingungen, getestet werden. Ziel dieser Arbeit ist daher die Charakterisierung der bestehenden Versuchseinrichtung im Hinblick auf ihre Faöhigkeit Feinstaub- und Grobstaub- Emissionen von Biomasse- Kleinfeuerungsanlagen unter stationöaren, reproduzierbaren und wiederholbaren Bedingungen nachbilden zu koönnen. Nachfolgend sollen die daraus gewonnenen Ergebnisse genutzt werden, um Schwachstellen der Anlage zu identifizieren und anschließend diesen Problemen sinnvolle Loösungskonzepte und Maßnahmen gegenuöberzustellen.
2. Theoretische Grundlagen
2.1 Allgemeine Verbrennung
Die Verbrennung von Brennstoffen ist immer mit einer Freisetzung von Energie in Form von Waörme verbunden. Eine Verbrennung charakterisiert sich durch die Oxidation des Brennstoffs durch Sauerstoff (O2). Als Reaktionsprodukte entstehen Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O). Die allgemeine Verbrennungsreaktion wird dann mit folgender Gleichung beschrieben:23
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Dabei stehen die Edukte der Reaktion in einem chemischen Gleichgewicht, welches durch Aö nderung von Druck, Temperatur, Konzentration und Volumen (bei Gasreaktionen) aus dem Gleichgewicht gebracht werden kann. Das neue Gleichgewicht stellt sich infolge dessen, dem Zwang ausweichend, ein (Prinzip von Le Chatelier). Die Verbrennungsreaktion benoötigt erst eine Mindestenergie, die durch die kinetische Energie der Edukte geliefert werden muss, damit die Reaktion in eine Richtung der Produkte ablaufen und Energie in Form von Wöarme freigesetzt werden kann. Die thermodynamische Stabilitöat wird damit aufgehoben. Diese sogenannte Mindestenergie bezeichnet man auch als Aktivierungsenergie. Die Aktivierungsenergie ist abhöangig von der chemisch gebundenen Energie der Edukte bzw. der Zusammensetzung und Mischung aus Brennstoff und Sauerstoff. Ein Gemisch aus Brennstoff und Sauerstoff, das vollstöandig zu den Verbrennungsprodukten Wasser und Kohlenstoffdioxid reagiert, wird stöochiometrisches Gemisch genannt. Dabei steht die Mischung in einem idealen Verhöaltnis, sodass alle Brennstoffmolekuöle mit dem vorhandenen Sauerstoff reagieren köonnen. Hierbei ist die Mindestsauerstoffmenge, welche benöotigt wird, wie folgt definiert:23
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Sie kann mit Gleichung (2.3) berechnet werden:23
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Da bei vielen technischen Prozessen kein reiner Sauerstoff, sondern Luft zur Oxidation des Brennstoffs bereitgestellt wird, kann mit Gleichung (2.4) der Mindestluftbedarf bestimmt werden:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
In Abhaöngigkeit der tatsaöchlich zugegeben Luftmenge kann eine Verbrennung unvoll- staöndig oder vollstöandig ablaufen. Auskunft daruöber, ob eine Verbrennung vollstöandig oder unvollstöndig ist, gibt die Luftuberschusszahl A.
Hier wird die tatsöachliche Luftmenge zu der Mindestluftmenge ins Verhaöltnis gesetzt. Bei A < 1 gilt die Verbrennung als unvollstöndig und bei A > 1 als vollstöndig. Stöchiometrische Verbrennung liegt bei A = 1 vor. Wo bei der stöochiometrischen Verbrennung noch fast ausschließlich CO2, N2 und H2O als Verbrennungsprodukte im Abgas auftreten, wird aufgrund des Sauerstoffmangels bei der unvollstaöndigen Verbrennung außerdem noch CO, H2, Ruß und weitere diverse unverbrannte Abgasbestandteile entstehen. Der genaue Vorgang des Abbaus der Kohlenwasserstoffe und ihrer Verbindung mit Sauerstoff ist noch nicht vollstöandig geklöart, sodass eine Vorhersage uöber die genaue Zusammensetzung des Abgases nur schwer zu treffen ist.6
2.2 Rußpartikelbildung
Waöhrend der Verbrennungsreaktionen des Brennstoffs zu Kohlenstoffdioxid und Wasser mit Hilfe von Sauerstoff, die auch als Kettenreaktionen bezeichnet werden, koönnen sich Zwischenprodukte wie Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) bilden. Bei bestimmten Verbrennungseigenschaften bzw. Bedingungen köonnen aber auch andere Schadstoffe wie Schwefeloxide (SOx) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (CnHm), sowie Ruß als Reaktionsprodukte auftreten. Im Folgenden wird die Entstehung von Rußpartikeln naöher beschrieben, damit die im Rahmen dieser Arbeit behandelten Zusammenhöange besser verstanden werden köonnen. Der hier gegebene Uöberblick uöber die Rußbildung ist nur teilweise vollstöandig, da viele andere Phaönomene wöahrend der Bildung von Ruß auftreten, welche nur teilweise oder gar nicht in ein beschriebenes Modell passen. Es existieren daher einige Rußbildungsmodelle, welche teilweise voneinander abweichen koönnen. In dieser Arbeit wird im speziellen auf das Modell von Michael Frenklach und Hai Wang, Department of Material Science and Engineering, Pennsylvania State University, zuruöckgegriffen.5
Rußmodell
Ruß besteht aus einer Vielzahl von Partikeln unterschiedlicher Form und Groöße. Die Bildung von Ruß ist ein komplexer chemischer und physikalischer Vorgang bei dem innerhalb kuörzester Zeit aus einfachen Kohlenwasserstoffverbindungen Partikel entstehen, die aus mehr als 106 Kohlenstoffatomen bestehen. 5 Bei der vollstaöndigen stoöchiometrischen Verbrennung mit A = 1 können theoretisch bei idealer Verteilung des Sauerstoffs keine Rußpartikel entstehen, da der gesamte brennstoffgebundene Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser reagiert. Bei Sauerstoffknappheit, also bei der unvollstöandigen Verbrennung (A<1), koönnen dann Teile des unaufoxidierten Kohlenstoffanteils Rußpartikel bilden. Es wird davon ausgegangen, dass die ersten Rußpartikel durch Koagulation aus polyaromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) oder auch Polynuclear aromatic hydrocarbons (PAH,engl. Bezeichnung) entstehen. Abbildung (2.1) skizziert den groben Bildungsmechanismus von Ruß in homogenen vorgemischten Flammen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Als Ausgangsmolekuöl der Rußbildung gilt ein Benzolring, mit c-C6H6 bezeichnet. Dieser ensteht durch folgende Gasphasenreaktion:23
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Nachdem sich die ersten aromatischen Ringe gebildet haben, wachsen diese in zwei möoglichen Teilreaktionspfaden zu polyaromatischen Ringen an. In hochtemperatur- Umgebungen bei der Pyrolyse von Benzol spielt die direkte Kombination“ von aromatischen Ringen eine wichtige Rolle, siehe Abb. (2.2). Bei löangerer Reaktionszeit dagegen relaxiert die Reaktion zu einer Dominanz des Hydrogen Abstraction Carbon Addition“- Mechanismus, siehe Abb. (2.2), da sich die Benzolringe mit der Zeit zu Acetylen abbauen. Dieser Mechanismus basiert auf der Aktivierung bzw. Radikalisierung des Kohlenwasserstoffrings durch freie Wasserstoffatome, was die Addition von Acetylen ermöoglicht33.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.2: Reaktionsschema des Hydrogen Abstraction Carbon Addition“- Mechanismus (oben) und der direkten Kombination von aromatischen Ringen (unten)5
In Abhaöngigkeit der Reaktionszeit wachsen die Partikel durch Koagulation zu ersten Rußpartikeln an. Dieser Schritt wird auch als Nukleation bezeichnet. Bestehende Rußpartikel koönnen dann untereinander durch Oberflaöchenkondensation und Agglomeration weiter anwachsen, wobei bei der Koagulation und der Agglomeration die Partikelanzahl bei gleichzeitigem Partikelwachstum vermindert wird.27. Das Wachstum durch Kondensation öandert nicht die Partikelanzahl, sondern hat nur eine Aönderung ihrer Gröoße zur Folge. Dabei kann es verschiedene Mechanismen geben, welche die Partikelagglomeration, die Kollisionen der Partikel untereinander, beeinflussen. Die wichtigsten Mechanismen der Agglomeration sind hier aufgefuöhrt:8
- Thermische Agglomeration: Ein Temperaturgradient induziert eine stochastische Brownsche Bewegung der Partikel, wobei jeder Stoß zweier Partikel zur Verschmelzung der Partikel fuöhrt.
- Turbulente Agglomeration: Durch einen Beschleunigungsgradienten entlang der turbulenten Ströomung stoßen die Partikel zusammen und agglomerieren.
- Elektrostatische Agglomeration: Durch einen Zusammenstoß der schnell ströom- enden mit den langsam stroömenden Partikeln, die aufgrund von unterschiedlichen Partikelladungen mit unterschiedlichen Driftgeschwindigkeiten zur Elektrode wandern, kommt es zur Agglomeration.
- Agglomeration durch einen Gradienten: In einem laminaren oder turbulenten Stroömungsfeld mit Schergradient bewegen sich die Partikel mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Wenn sich dabei die Projektionsflaöchen zweier Partikel in der Richtung der relativen Bewegung kreuzen, kann es zu einer Kollision kommen.
2.3 Rußpartikeltransport
2.3.1 Sedimentationsverluste
Bei dem Transport von Partikeln in stroömenden Gasen verringert sich die Partikelmenge aufgrund von einwirkenden Kraöften. Die Einwirkung der Schwerkraft oder Zentrifugalkraft auf die transportierten Partikel ist mit Sedimentationsverlusten verbunden. Bei laminarer Ströomung ohne aöußere Krafteinwirkung verschwinden die Verluste, da die Partikel den Stromlinien folgen. Aber durch die Krafteinwirkung ergibt sich eine Beschleunigung der Partikel, die aus dem Kraöftegleichgewicht zwischen der Kraft und der Ströomungsgeschwindigkeit resultiert. Diese Beschleunigung wird durch die mechanische Mobilitöat, die Beweglichkeit der Teilchen, beschrieben:10
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bei Partikeln die kleiner als 1 ^m sind, tritt eine Beeinflussung der Partikelbewegung durch Kollisionen mit Gasmolekuölen, die mit den Partikeln mitstroömen, auf. Die mechanische Mobilitöat der Partikel veraöndert sich insofern, dass die Stroömung sich nicht mehr nach dem Gesetz von Stokes beschreiben löasst, da die relative Geschwindigkeit des Gases direkt an der Partikeloberflaöche ungleich null ist. Diese Partikel setzen sich schneller ab als durch die Stokes-Gleichung beschrieben. Die von Cunnigham mit einem Korrekturfaktor korrigierte Gleichung fur die mechanische Mobilitöt von Partikeln kleiner 1 lautet wie folgt:10
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Es gilt: Je kleiner die Partikel sind, also je geringer ihre Masse, desto geringer ist der Schwerkrafteinfluss. Die Transportverluste nehmen also mit zunehmenden Partikeldurchmessern zu und bei abnehmenden Partikeldurchmessern dementsprechend ab.10
2.3.2 Diffusionsverluste
Im Gegensatz zu den Sedimentationsmechanismen sind die Diffusionsmechanismen thermisch bedingt und gewinnen dann an Einfluss, wenn der Schwerkrafteinfluss abnimmt. Durch die Brownsche Molekularbewegung findet ein Stoffaustausch statt, der durch einen Konzentrationsgradienten gesteuert wird. Hierbei streben die Partikel danach, sich in einem gegebenen Raum entlang dieses Konzentrationsgradienten auszubreiten. Es wirkt eine Diffusionskraft auf die stroömenden Partikel, die mit Gleichung (2.10) bestimmt werden kann.10
Aus dieser Gleichung (2.10) wird deutlich, dass im Gegensatz zu Gleichung (2.8) bei groößerem Partikeldurchmesser der Einfluss der thermischen Diffusion schwindet und bei kleineren Partikeldurchmessern ansteigt. Im Bereich der Ultrafeinen Partikel (UP), wo sich die Partikel dem Stroömungsverhalten und den physikalischen Eigenschaften von Gasmo- lekuölen annaöhern, sind die Verluste durch thermische Diffusion nicht zu vernachlaössigen.10
2.3.3 Thermophoretische Verluste
Durch eine thermophoretische Kraft, welche durch die asymmetrischen Wechselwirkungen zwischen Partikeln und den sie umgebenden Gasmolekuölen in einem Temperaturgradienten entsteht, köonnen bei einer Partikelströomung Abscheidungen an der Rohrwand entstehen. Die Partikel erfahren diese Kraft in Richtung niedrigerer Temperaturen.9 Die Abscheidung bzw. Abscheideeffizienz löasst sich mit folgender Gleichung nach Kittelson und Johnson beschreiben:9
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Dabei werden die Partikelkonzentrationen und Temperaturen als konstant angenommen. Dadurch ist die Gleichung unabhaöngig von der Rohrgeometrie. An der Gleichung sieht man, dass die Abscheidung an der Rohrwand hauptsöachlich durch das Temperaturverhöaltnis aber auch von den Waörme- und Ströomungseigenschaften des Fluids abhaöngt.
2.4 Partikelemissionen aus biomassebetriebenen Kleinfeuerungsanlagen
2.4.1 Feinstaubbegriff
Die Partikelemissionen aus biomassebetriebenen Kleinfeuerungsanlagen werden in Feinstaubund Grobstaub- Emissionen unterschieden. Feinstaub fasst verschiedene Schwebstoffe zusammen, die aufgrund ihres aerodynamischen Durchmessers lange in der Atmosphaöre verweilen koönnen29. Dabei wird der Feinstaub abermals in Gröoßenklassen, abhöangig vom aerodynamischen Durchmesser der Partikel, unterteilt:
- inhalierbarer Feinstaub (PM10): Aerodynamischer Durchmesser < 10 ^m
- Lungengöngiger Feinstaub (PM2,5): Aerodynamischer Durchmesser < 2,5 ^m
- Ultrafeine Partikel (UP): Aerodynamischer Durchmesser < 0,1 ^m
PM steht hier fuör Standard for Particulate Matter“, einer 1987 von der US-amerikanischen Umweltschutzbehoörde EPA eingefuöhrten Definition des Feinstaubs31. Besondere Gesundheitsgeföahrdung geht von den Ultrafeinen Partikeln aus, die sehr tief in die Lunge eindringen köonnen und zu Entzuöndungen der Alveolengefaöße fuöhren. Des Weiteren koönnen diese Partikel wegen ihrer großen spezifischen Oberflaöche toxisch und mutagen wirken, insbesondere wenn sie Schwermetalle oder Dioxine an sich binden und transportieren. Die gesundheitlichen Auswirkungen der Feinstöaube werden vor allem durch Haöufigkeit und Dauer der Exposition sowie der Partikelanzahl und dem Partikeldurchmesser beeinflusst33.
2.4.2 Zusammensetzung der Partikelemissionen
Die Partikelemissionen aus Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen sind hauptsaöchlich der Par- tikelgroößenklassen PM2,5 und UP zuzuordnen. Grobstaub mit einem aerodynamischen Durchmesser > 10 ^m spielt dort eine untergeordnete Rolle. Der PM10 Anteil der Partikelgesamtmasse liegt bei nahezu allen biogenen Brennstoffen bei uöber 96 %. Bei Holzpellets z.B. koönnen 77 % der Partikelmasse einem aerodynamischen Durchmesser < 0,6 ^m und 86 % der PM1-Fraktion zugeordnet werden33. Gebildet werden diese Partikel entweder durch unvollstaöndige Verbrennung des Brennstoffs als Rußpartikel oder als Kondensate organischer bzw. anorganischer Strukturen wie z.B. Salze, welche bei guten Verbrennungsbedingungen die wichtigste Partikelgruppe darstellen. Schwerfluöchtige Bestandteile, hauptsöachlich aus mineralischen Verbindungen wie z.B. Silikate oder Metalloxide, welche aus der Bettasche mitgerissen werden, stellen den geringsten Anteil der Gesamtemissionen dar33. Der Verbrennungsverlauf hat dabei einen erheblichen Einfluss auf die Partikelbildung in biomassebetriebenen Kleinfeuerungsanlagen.
2.4.3 Betriebsphasen
In automatisch beschickten, vor allem aber in handbeschickten Anlagen, treten haöufig unguönstige Betriebsphasen mit unvollstaöndiger Verbrennung und dementsprechend hohen Staubemissionen auf. Gerade bei den Emissionen die in der Startphase und auch beim Abbrand des restlichen biogenen Brennmaterials entstehen, sind enorm hohe Abweichungen zum Emissionsverhalten der primaören Betriebsphase feststellbar. Waöhrend der Startphase werden bei handbeschickten Holzfeuerungen uöblicherweise Staubkonzentrationen von > 100 mg/m3 im Mittel erreicht. In der Regelbetriebsphase sind die Staubemissionen relativ konstant unter 40 mg/m3 im Mittel. Bei der Ausbrandphase werden mittlere Konzentrationen uöber 80 mg/m3 erreicht. Die unterschiedlichen Betriebsphasen von einem Holzscheit- Vergaserkessel sind in Abb. (2.3) veranschaulicht.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.3: Am Fraunhofer-Institut IBP gemessener Verbrennungsverlauf eines Holzscheit-Vergaserkessels mit seinen 3 unterschiedlichen Betriebsphasen1
So köonnen nur unter bestimmten Betriebsbedingungen emissionsarme Verbrennungen gewaöhrleistet werden. Der Anlagenbetreiber der Kleinfeuerungsanlage spielt dabei eine wichtige Rolle und hat maßgeblichen Einfluss auf die Partikelemissionen der Anlage. Folgende Faktoren beeinflussen das Verbrennungs- und Emissionsverhalten der Feuerung:30
- Brennstoff (Art, Zusammensetzung und Eigenschaften)
- Brennstoffmenge pro Auflage
- Geometrie des verwendeten Brennmaterials und Geometrie des Feuerraums
- Zeitpunkt und Dauer der Beschickung
- Luft- und Druckverhöaltnisse im Feuerraum
3. Beschreibung der Forschungsanlage
Die hier beschriebene Versuchsanlage wurde vom Fraunhofer-Institut fuör Bauphysik IBP mit dem Ziel entwickelt, alle auftretenden Betriebsphasen bei der Verbrennung von biogenem Brennmaterial zu simulieren und gezielt im stationaören Betriebszustand unter wiederholbaren und reproduzierbaren Bedingungen nachbilden zu koönnen. Sie besteht aus mehreren voneinander unabhaöngigen Einzelkomponenten. Die Gesamtanlage besteht aus einem Porenbrennersystem mit zwei Porenbrennern und Brennkammer, einem Rußpartikelgenerator der Firma Palas GmbH, einem Feststoffpartikeldispergierer ebenso von der Firma Palas GmbH. Die beiden letztgenannten Anlagenkomponenten sollen in dieser Abhandlung nöaher gehend untersucht werden. Des Weiteren besteht die Anlage aus einer Einrichtung zur Einbringung von Fremdgasen sowie einer Messstrecke als Testumgebung fuör die zu evaluierenden Geraöte/Komponenten. Ein Saugzuggeblöase soll fuör die sichere Abfuhr der entstehenden Abgase sorgen.
Die Anwendungsgebiete des Testsystems sind vielföaltig. Unter anderem sind folgende möogliche Untersuchungen denkbar:
- Entwicklung bzw. Validierung von Abgasbehandlungssystemen unter wiederholbaren und reproduzierbaren Bedingungen.
- Untersuchung von Worst-Case“-Szenarien bei technischen Abgaskomponenten wie z.B. Sensoren und Abgasklappen.
- Entwicklung und Kalibrierung von Abgasmesssystemen.
Im weiteren Verlauf sollen die einzelnen Komponenten der Forschungsanlage naöher beschrieben werden. Ein Uöberblick uöber die gesamte Forschungsanlage ist in Abb.(3.1) gegeben.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.1: Forschungsanlage mit den untersuchten Anlagenkomponenten
Dabei ist in (1) ein Teil des Palas Rußgenerators zu sehen. (2) stellt den Palas Fest- stoffpartikeldispergierer dar. Die verbauten Thermoelemente sind in (3) zu sehen. Der fuör das gravimetrische Staubmessgeraöt Gravimat SHC 502 und Anschluss der Thermoelemente benoötigte Messwagen ist in (4) dargestellt. Es wird in (5) die Messstrecke fuör die Partikelemissionsmessungen gezeigt. In (6) ist der Abzug abgebildet.
3.1 Porenbrennersystem
Zur Nachbildung des Waörmestroms der Abgase und zur Erzeugung eines Grundabgases werden zwei Porenbrenner, jeweils mit einer Leistung von 6-25 kW, eingesetzt. Die Porenbrenner sollen ein stabiles, reproduzierbares und schadstoffarmes Grundabgas liefern, dass vorwiegend aus den Gasen CO2, N2, O2 und Wasserdampf besteht. Weitere Vorteile der Porenbrennertechnologie sind:
- hohe Energiedichten bei kompakter Bauweise (bis 1 MW/m2)
- hohe Modularitöat (20:1)
- hohe Brennstoffflexibilitaöt
- sehr hohe Waörmeuöbertragungsraten durch Strahlung
Der Aufbau der Porenbrenner besteht aus zwei keramischen, poröosen Silizium-infiltrierten Siliziumcarbid (SiC) Schichten mit unterschiedlichem Porendurchmesser. Die Flammensperrenzone , welche eine Flammenausbreitung Richtung Mischraum verhindert, hat dabei einen kleineren Porendurchmesser als die Schicht der Verbrennungszone. Da die Porenbrennertechnologie auf einer flammenlosen Verbrennung basiert, bei der eine sehr starke Abgasrezirkulation und hohe Waörmeuöbertragungsraten erreicht werden, köonnen nur sehr wenig Stickoxidemissionen entstehen. Die Kohlenstoffmonoxid-Emissionen fallen ebenso gering aus, da die Verbrennung eine sehr homogene Verbrennung ohne Zonen unvoll- staöndiger Verbrennung mit sich bringt. Diese Anlagenkomponente soll hier aus Gruönden des Umfangs und der Fokussierung auf die Nachbildung der Partikelemissionen nicht weiter behandelt, sondern nur erwaöhnt bleiben.
3.2 Rußpartikelgenerator
3.2.1 Aufbau und Funktionsprinzip
Die von der Firma Palas GmbH vertriebene Anlage mit der Bezeichnung DSP 3000 H dient zur definierten Nachbildung von Feinstaubemissionen in Form von Rußpartikelemissionen, welche bei der unterstoöchiometrischen Verbrennung von Ethen gebildet werden. In Abb.(3.2) ist die Anlage dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.2: Palas Rußgenerator DSP 3000 H 15
Die Verbrennung mittels eines eingebauten Coflow - Matrix Gasbrenners mit Wasserkühlung unterliegt folgender chemischen Reaktionsgleichung: (bei Betrieb mit ^ > 1)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Sie kann auf diese Weise mit einem genau einstellbaren, vorgemischten Luft-Ethen-Gemisch betrieben werden, sodass sich verschiedene unterstöchiometrische Betriebspunkte einstellen lassen können. Bei Brennerstart stabilisiert ein Stickstoff- Hullstrom (eine sog. CoFlame) die Flamme an den Seiten. Nach Brennerstart ist der Huöllstrom aber nicht mehr fuör den vorgesehenen Betrieb erforderlich. Direkt uöber der Flamme kann Stickstoff eingebracht werden. Dies wird auch als ”Quenchen”bzw. als schnelles abbrechen einer ablaufenden Reaktion bezeichnet . In diesem Fall fuöhrt dies zu einem lokalen Stopp von Verbrennungsprozessen, sodass die entstehenden Rußpartikel stabilisiert werden und Kondensation im Gasstrom verhindert wird. Außerdem kann durch eine zweistufige Lufteinbringung direkt nach der Reduzierung des Rußrohres das Abgas beschleunigt, homogenisiert und verdünnt werden. Sowohl die Partikelgröße, als auch die Partikelanzahl sollen mit dieser Stellgröße verändert werden können. Das Funktionsprinzip des Palas Rußgenerators kann Abb. (3.3). entnommen werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.3: Funktionsprinzip des Palas Rußgenerator DSP 3000 H 15
Des Weiteren besteht der Rußgenerator aus einem Schaltschrank, Rußauslassrohr, einer pneumatischen Bedieneinheit um den Brenner automatisch vom Rußrohr entkoppeln zu koönnen und diverse Abdeckungen um den Bediener gegen Verbrennung zu schuötzen. Fuör weitere aöußere Merkmale siehe Abb.(3.2). Die Anlage verfuögt außerdem uöber diverse Sicherheitseinrichtungen. Es wird sichergestellt, dass der Brenner pneumatisch vom System entkoppelt wird, falls sich die Temperatur etwas oberhalb der Flamme unter 300^C abkuöhlt. Auch sorgt ein Thermoelement unterhalb des Brenners fuör eine sichere Abschaltung der Anlage, falls die Temperatur uber 50^C ansteigt. So ist dafiir gesorgt, dass kein Flammenruöckschlag entstehen kann.
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- Simon Stürner (Author), 2016, Inbetriebnahme und Validierung eines Systems zur Simulation von Partikelemissionen in Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1247916
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