Martin Meiller: “Die untersuchten Abscheider weisen hohe Abscheidegrade auf”

Dienstag, 04. Juni 2019 | Autor: Joachim Berner

Martin Meiller Martin Meiller Die Wirksamkeit von Partikelabscheidern für Biomassefeuerungen hat das Fraunhofer UMSICHT untersucht. Im Interview mit Pelletshome.com erläutert Martin Meiller, Gruppenleiter Energie aus Biomasse und Anfall, wie die E-Filter abgeschnitten haben und mit welchen Maßnahmen sie sich weiter verbessern lassen.

Herr Meiller, die mittleren Fraktionsabscheidegrade der untersuchten Elektrofilter liegen zwischen 60 und 90 Prozent. Wovon hängt die Wirksamkeit der Elektrofilter hauptsächlich ab?
In E-Filtern werden Staubpartikel aus dem Rauchgas mithilfe elektrostatischer Kräfte abgeschieden. Ihre Wirksamkeit wird maßgeblich von der angelegten Hochspannung sowie der elektrischen Feldstärke beeinflusst. Ab einer gewissen Hochspannung setzt die sogenannte Koronaspannung ein, wodurch elektrische Ladungen freigesetzt werden. Die Staubpartikel werden elektrisch aufgeladen und durch die Feldkräfte abgeschieden. Die angelegte Spannung lässt sich jedoch nicht beliebig steigern. Ab einer gewissen Höhe kommt es zu Überschlägen von der Sprühelektrode zur Niederschlagselektrode. Überschläge kann man sich wie einen Blitz vorstellen. Elektrostatische Abscheider werden typischerweise so nah wie möglich an der Durchschlagsspannung betrieben. Um eine optimale Abtrennung der Partikel zu ermöglichen, sind auch eine ausreichende Verweilzeit sowie eine gleichmäßige Durchströmung des Abscheiders von entscheidender Bedeutung. Des Weiteren wird die Abscheidung noch von der Staubbeladung, der Gaszusammensetzung, der Art des Staubs, der Temperatur des Rauchgases, von Staubablagerungen im Filter sowie weiteren Faktoren beeinflusst.

Welche Filter haben Sie untersucht?
Im Rahmen des Projekts FRESBI haben wir in unserem Technikum und im Labor für Erneuerbare Energiesysteme des Projektpartners OTH Amberg-Weiden marktverfügbare Filter unterschiedlicher Bauformen und Leistungsgrößen getestet. Es wurden drei verschiedene elektrostatische Abscheider untersucht: den Oekotube Inside der Firma Oekosolve sowie die Filterboxen S und 2K der Firma Schräder.

Worin haben sich die untersuchten Elektrofilter unterschieden?
Der Oekotube Inside kann bei Feuerungen mit einer Leistung von bis zu 40 Kilowatt eingesetzt werden. Es handelt sich um ein einstufiges System mit manueller, trockener Abreinigung. Als Abscheideelektrode fungiert das Schornsteinrohr. Die Filterbox S kommt bei Feuerungsleistungen zwischen 50 und 100 Kilowatt zum Einsatz und verfügt über eine automatische, trockene Abreinigung. Sie ist ebenfalls ein Vertreter eines einstufigen Systems, wobei Rohre als Abscheideelektrode dienen. Die Filterbox 2K findet bei Feuerungsleistungen zwischen 200 und 800 Kilowatt ihre Verwendung. Sie ist ein Beispiel für ein zweistufiges System, das heißt die Aufladung und die Abscheidung der geladenen Partikel sind räumlich getrennt. Als Abscheideelektrode wird eine Schüttung verwendet, die mit Wasser abgereinigt wird.

Messaufbau Messaufbau Als Brennstoff kamen Holzhackschnitzel und Miscanthus-Pellets zum Einsatz. Inwiefern beeinflusst der Brennstoff die Effektivität der elektrostatischen Abscheider?
Bei Holzhackschnitzeln und Miscanthus-Pellets handelt es sich um zwei unterschiedliche Brennstoffe mit stark differierenden Verbrennungseigenschaften. Miscanthus wurde im Projekt als halmgutartiger biogener Vergleichsbrennstoff eingesetzt, der um den Faktor 3 höhere Konzentrationen an Feinstaubbildnern enthält. Die Feinstaubbildung wird sowohl von der elementaren Zusammensetzung der Brennstoffe als auch von den Verbrennungsbedingungen in der Feuerung beeinflusst. Je nach Brennstoff und Feuerung gelangen somit variierende Staubkonzentrationen in den Abscheider.

Für Partikel mit Größen zwischen 0,2 bis 0,3 Mikrometer sinkt die Abscheideleistung je nach Filtertyp auf etwa 45 Prozent beziehungsweise knapp unter 30 Prozent. Warum?
Es gibt zwei grundlegende Mechanismen, die für Aufladung des Staubes verantwortlich sind. Im Bereich größer zwei Mikrometer ist es die Feldaufladung, im Bereich kleiner 0,2 Mikrometer die Diffusionsaufladung. Dazwischen funktionieren beide Prinzipien nur eingeschränkt, da sowohl für die Diffusionsaufladung – die Partikel sind zu groß – als auch für die Feldaufladung – die Partikel sind zu klein – keine optimalen Bedingungen vorliegen. Somit wirken elektrostatische Abscheider in diesem Übergangsbereich etwas schwächer.

Mit Verbesserungen in der Steuerung haben Sie laut Ihrer Pressemitteilung die Abscheidegrade für diesen Partikelbereich erhöht. Was genau haben Sie an der Steuerung geändert?
Es wurde eine neue Steuerung mit einem leistungsstärkeren Hochspannungsmodul verwendet. Durch Erhöhung der angelegten Hochspannung beziehungsweise der elektrischen Feldstärke konnte die Wirksamkeit des elektrostatischen Abscheiders verbessert werden. Zusätzlich wurden bei der Filterbox S Partikel in einem vorgeschalteten Zyklon abgeschieden sowie eine neue Elektrodenform eingesetzt. Mithilfe des Zyklons werden grobe Partikel vor dem Abscheider aus dem Rauchgas entfernt und so die Beladung des Rauchgases vor dem Abscheider verringert. Anstelle einer eindrahtigen Elektrode wurde eine aus zwei Drähten bestehende Elektrode verwendet. Dadurch soll insbesondere ein stabilerer Langzeitbetrieb erreicht werden.

Auch Anpassungen der Elektrodenformen haben demnach zu erhöhten Abscheidegraden geführt. Inwiefern wurden die Elektroden verändert?
Dazu können verschiedene Ansätze verfolgt werden. Zum einen bedingen kleinere Radien der Elektroden ein früheres Einsetzen der Koronaspannung, zum anderen kann auf eine bessere Abreinigung fokussiert werden. Bei dem Oekotube Inside wurden die Kanten der Elektroden abgerundet sowie verschiedene Elektrodenlängen getestet. Der Einfluss der Elektrodenlänge konnte nachgewiesen werden. Allerdings war er im Vergleich zur veränderten Länge sehr gering. Das spricht dafür, dass trotz der abgerundeten Ecken der Großteil der Abscheidung an den Endstücken des Abscheiders geschieht und nicht an der Fläche dazwischen. Durch die Abrundung ist demnach keine Verbesserung der Standzeit zu erwarten.

Wieso erhöhen diese Maßnahmen die Abscheidegrade?
Die Maßnahmen zielen auf die Erhöhung der Spannung und der elektrischen Feldstärke. Dadurch soll die Feldaufladung und die Wanderungsgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit mit der sich die geladenen Partikel hin zur Abscheidelektrode bewegen, verbessert werden.

Sind noch weitere Verbesserungen denkbar oder ist die Effektivität der Elektrofilter damit ausgereizt?
Die untersuchten Abscheider weisen hohe Abscheidegrade auf, wodurch die Freisetzung von Feinstaub deutlich reduziert wird. Daher ist es sinnvoll eine stärkere Verbreitung der Abscheider anzustreben, insbesondere bei Systemen, bei denen nicht durch Veränderung der Fahrweise oder des Brennstoffs, geringere Staubwerte erzielt werden können. Der stabile Langzeitbetrieb der elektrostatischen Abscheider sowie deren Überwachung rücken immer mehr in den Fokus der Aufmerksamkeit. Im Rahmen der Wärmewende werden biogenen Rest- und Abfallstoffe eine bedeutende Rolle zugesprochen. Werden sie zukünftig vermehrt zur Wärmegewinnung eingesetzt, müssen die bestehenden Systeme an die veränderten Bedingungen hinsichtlich Staub, Temperatur, etc. angepasst werden. Wir sind auf einem guten Weg, aber es gibt auch noch einiges zu tun.

Weitere Informationen: www.umsicht.fraunhofer.de

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