Abschlussbericht. Elektrostatischer Feinstpartikelabscheider zur flexiblen Anpassung an Biomassekessel

Transkript

1 Abschlussbericht Im Rahmen des Förderprogramms Forschung und Entwicklung (FuE) zur Optimierung der energetischen Biomassenutzung Gefördert vom Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) Elektrostatischer Feinstpartikelabscheider zur flexiblen Anpassung an Biomassekessel (FKZ-Nr: 03KB083A/B/C) Koordinator: Karlsruher Institut für Technologie; Institut für Technische Chemie; Dr. Hanns-R. Paur (KIT) Herrmann-von-Helmholtz-Platz 1; Eggenstein-Leopoldshafen Tel: ; Partner 1: HDG-Bavaria GmbH; Dipl.-Ing (FH) Martin Ecker (HDG) Siemensstraße 22; Massing im Rottal Tel: ; Partner 2: CCA-Carola Clean Air GmbH; Dr. Hans-P. Rheinheimer (CCA) Herrmann-von-Helmholtz-Platz 1; Eggenstein-Leopoldshafen Tel: ; rheinheimer@carola-clean-air.com Karlsruhe, Massing August 2015

2

3 Danksagung Die Autoren bedanken sich beim Bundesministerium für Wirtschaft und Energie sowie beim Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit für die finanzielle Unterstützung dieses Projekts. Insbesondere bedanken wir uns auch beim Projektträger Jülich (PtJ) für die engagierte und freundliche Zusammenarbeit. Die professionelle fachliche und administrative Betreuung unseres Projekts hat es uns ermöglicht unsere Arbeitskraft voll auf die Erreichung der Projektziele zu konzentrieren. Bei allen Kolleginnen und Kollegen im Karlsruher Institut für Technologie, der HDG Bavaria und CCA-Carola Clean Air GmbH bedanken wir uns für die ausgezeichnete fachliche Zusammenarbeit, die den erfolgreichen Abschluss dieses Projektes ermöglicht hat. Die Autoren Hanns-R. Paur, Andrei Bologa, Martin Ecker, Wolfgang Aich, Hans P. Rheinheimer

4

5 Inhaltsverzeichnis ZUSAMMENFASSUNG... V ABSTRACT... V EINLEITUNG... 1 AUFGABENSTELLUNG UND ZIELSETZUNG... 1 VORAUSSETZUNGEN, UNTER DENEN DAS VORHABEN DURCHGEFÜHRT WURDE... 2 PLANUNG UND ABLAUF DES VORHABENS... 3 WISSENSCHAFTLICHER UND TECHNISCHER STAND, AN DEN ANGEKNÜPFT WURDE... 4 ZUSAMMENARBEIT MIT ANDEREN STELLEN... 8 EINGEHENDE DARSTELLUNG... 9 TEILPROJEKT DES KIT (03KB083A)... 9 VERWENDUNG DER ZUWENDUNG UND ERZIELTE ERGEBNISSE IM EINZELNEN... 9 WICHTIGSTE POSITIONEN DES ZAHLENMÄßIGEN NACHWEISES NOTWENDIGKEIT UND ANGEMESSENHEIT DER GELEISTETEN ARBEIT VORAUSSICHTLICHER NUTZEN UND VERWERTBARKEIT DES ERGEBNISSES FORTSCHRITT AUF DEM GEBIET DES VORHABENS BEI ANDEREN STELLEN TEILPROJEKT HDG (03KB083C) VERWENDUNG DER ZUWENDUNG UND ERZIELTE ERGEBNISSE IM EINZELNEN DIE WICHTIGSTEN POSITIONEN DES ZAHLENMÄßIGEN NACHWEISES DER NOTWENDIGKEIT UND ANGEMESSENHEIT DER GELEISTETEN ARBEIT VORAUSSICHTLICHER NUTZEN UND VERWERTBARKEIT DES ERGEBNISSES FORTSCHRITT AUF DEM GEBIET DES VORHABENS BEI ANDEREN STELLEN TEILPROJEKT CCA (03KB083B) VERWENDUNG DER ZUWENDUNG UND ERZIELTE ERGEBNISSE IM EINZELNEN DIE WICHTIGSTEN POSITIONEN DES ZAHLENMÄßIGEN NACHWEISES DER NOTWENDIGKEIT UND ANGEMESSENHEIT DER GELEISTETEN ARBEIT VORAUSSICHTLICHER NUTZEN UND VERWERTBARKEIT DES ERGEBNISSES FORTSCHRITT AUF DEM GEBIET DES VORHABENS BEI ANDEREN STELLEN LITERATURVERZEICHNIS ANHANG ERFOLGSKONTROLLBERICHT KURZFASSUNG (BERICHTSBLATT) I

6 Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Staubgehalte im Abgas bei wiederkehrenden Schornsteinfegermessungen an 94 Hackschnitzelkesseln... 2 Abb. 2: CAD Vorstudie für einen 50 kw-biomassekessel mit optimal angepassten Partikelabscheider... 4 Abb. 3 : Verfahrensschema des Carola Abscheiders... 5 Abb. 4: Carola-Abscheider CCA-25, CCA-50,... 9 Abb. 5: Elektromontage bei der Serienproduktion der CCA-200 Abscheider...10 Abb. 6: Installation des ELPI+ zur Messung der Partikelgrößenverteilung im Rauchgas der Hackgutverbrennung...13 Abb. 7: Partikelgrößenverteilungen der Hackgutverbrennung ohne (links) und mit (rechts) Ionisation Abb. 8: Partikelgrößenverteilung als Funktion der Coronaspannung...14 Abb. 9: FTIR-Spektrum des Rauchgases einer Hackgutfeuerung...19 Abb. 10: Ablagerung von Stäuben im Bereich der Abscheideelektroden ohne (links) und mit (rechts) Elektrodenreinigungssystem...20 Abb. 11: Netzplan des Verbundvorhabens...21 Abb. 12: Messestand des KIT auf der ISH Abb. 13: Standbetreuung auf der ISH2015 : Ulrich Frei, Dr. Rheinheimer, Dr. Paur und Dr. Gehrmann...23 Abb. 14: Verschiedene Hackgutchargen mit Unterschieden im Wassergehalt, Brennstoffzusammensetzung, Körnung, Aschegehalt, etc Abb. 15: HDG Compact 50 mit erstem CCA 50 Stand-alone Version...31 Abb. 16: HDG Compact 50 mit CCA 50 Stand-alone und Bypass-System Abb. 17: Messstutzen zur Installation der notwendigen Fühler bzw. Messgeräte...33 Abb. 18: Designstudien der Rucksacklösung am HDG Compact Abb. 19: Design Studien HDG A-Kessel CCA adaptiert (links, mitte) und HDG Compact 50 CCA Stand-alone (rechts) Abb. 20: HDG Compact 50 mit optimierten CCA Abb. 21: Vergleich der Abreinigungsqualität zwischen erster (links) und optimierter (rechts) Ionisierungsabreinigung Abb. 22: Vergleich der beiden Isolatorversionen. Isolatorversion ohne Sperrluftsytem (links) mit Sperrluftsystem (rechts)...36 Abb. 23: HDG Compact 50 neues Design mit HDG Control und HDG Datenaufzeichnung mittels LabView Abb. 24: Datenaufzeichnung am HDG Compact 50 - CCA50 Prüfstand...37 II

7 Abb. 25: Prüfstand HDG Compact CCA Abb. 26: Sauberer Elektronikbereich (links) und verschmutzter Elektronikbereich (rechts)...39 Abb. 27: Sperrluftsystem mit Rückschlagklappe Abb. 28: Datenaufzeichnung HDG Compact CCA100 Prüfstand...40 Abb. 29: Podest und Schubbodenmodul für CCA-Filter...42 Abb. 30: Rauchgaskanal...42 Abb. 31: HDG A-Kessel / CCA Abscheider adaptiert Abb. 32: HDG A-Kessel - CCA200 Prüfstand (HDG Kunde) Abb. 33: Einstellmaske sowie Liveansicht der HDG Datenaufzeichnung mittels LabView Abb. 34: Messumformer für HDG Datenaufzeichnung (ADAM - Module) Abb. 35: Wöhler DC 410 Strömungsgeschwindigkeitsmessgerät...46 Abb. 36: Teststand für Standzeituntersuchungen der Carola-Abscheider...50 Abb. 37: Hackschnitzelkessel HDG Compact Abb. 38: Heizbox mit Hackschnitzel-speicher (links) und Kesselraum (rechts)...50 Abb. 39: Datenerfassung am Teststand...51 Abb. 40: Staubmessgerät...51 Abb. 41: 3 D-Verfahrensschema des elektrostatischen CCA-50 Abscheider...51 Abb. 42: Prototyp des elektrostatischen CCA-50 Abscheider...51 Abb. 43: Rauchgastemperatur als Funktion der Kesselbetriebszeit (h)...52 Abb. 44: Kessel mit Stand-alone-Abscheider...53 Abb. 45: Kessel mit adaptiertem Abscheider...53 Abb. 46: Abhängigkeit des Coronastroms von der Betriebszeit (h)...54 Abb. 47: 24 Dauerbetrieb des Carola-Abscheiders vor der Optimierung der Elektrodenreinigung (rot: Coronaspannung; blau Coronastrom; grün Rohgastemperatur; grau: Reingastemperatur; gelb: Differenzdruck)...54 Abb. 48: 24 h-betrieb des Carola-Abscheiders mit optimierter Elektrodenreinigung (rot: Coronaspannung; blau Coronastrom; grün Rohgastemperatur; grau: Reingastemperatur; gelb: Differenzdruck)...55 Abb. 49: Ionisationseinheit mit Sperrluftgebläse...55 Abb. 50: Massenkonzentration und Abscheidegrade: Kessel Vollastbetrieb Reingaskonzentration in mg/m 3 (blaue Rauten); Abscheidegrade in % (rote Dreiecke) Abb. 51: Massenkonzentration und Abscheidegrade im Teillastbetrieb des Kessels Reingaskonzentration in mg/m 3 (blaue Rauten); Abscheidegrade in % (rote Dreiecke) Abb. 52: Abhängigkeit des Partikelabscheidegrades von der elektrischen Leistung der Corona-Entladung...57 III

8 Abb. 53: Abhängigkeit der Reingaskonzentration (mg/m 3 ; rote Dreiecke) und des Abscheidegrades (%; blaue Kreise) von der elektrischen Leistung (W) der Corona-Entladung...57 Abb. 54: Vergleich der Messergebnisse von CCA-50 Stand-alone bei HDG Bavaria und CCA Teststand...59 IV

9 Zusammenfassung Ziel des Vorhabens war die Entwicklung und Demonstration eines elektrostatischen Feinstpartikelabscheiders, der optimal an Biomassekessel angepasst ist und mit hohen Abscheidegraden die Staubemissionsgrenzwerte der 2.Stufe der 1.BImSchV sicher unterschreitet. Dieser adaptierte Abscheider weist einen stabilen, wartungsarmen Langzeitbetrieb, eine geringe elektrische Leistungsaufnahme, niedrigen Druckverlust und eine kostengünstige Herstellung auf. Im Vorhaben wurde der als Einzelgerät entwickelte Carola Abscheider an einen modernen, holzbefeuerten Heizkessel adaptiert. Hierzu wurden nach Auslegungsversuchen an einem industriellen Teststand in enger Abstimmung mit dem Kesselhersteller und Anlagenbauer die Vor- und Detailplanung der Abscheiders für Heizkessel im Bereich kw durchgeführt. Die Abscheider wurden auf dem Betriebsgelände des Kesselherstellers an drei Heizkesseln installiert und im Dauerbetrieb bis zu 5000 h betrieben und bezüglich der Abscheidegrade und der Stabilität charakterisiert. Beim Bau einer Kleinserie werden die Fertigungsverfahren und kosten optimiert. Zum Abschluss des Projekts wurde der sichere Betrieb des Abscheiders in einem Feldtest unter typischen Betriebsbedingungen nachgewiesen. Abstract This project aims at the development and demonstration of an electrostatic precipitator for submicron particles, which is optimally adapted to a biomass boiler and by high efficiencies securely undercuts the emission limits of the second stage of 1.BImSchV. This adapted precipitator excels by stable long-term operation with minimum service requirements, low electrical consumption, low pressure drop and cost-efficient production. In this project the precipitator, which was previously developed as a stand-alone unit, was adapted to a modern, wood fired boiler. Based on comprehensive investigations at industrial tests facilities the basic and detailed engineering of the precipitator for boilers in the range of kw was conducted. The precipitators were installed at several boilers at the manufacturer s works and operated over periods up to 5000 h with parallel characterization of efficiencies and stability. During construction of small series the manufacturing process and costs were optimized. Finally the reliable operation of the precipitator was proven under typical field conditions. V

10 VI

11 Einleitung Einleitung Aufgabenstellung und Zielsetzung Trotz großer Fortschritte der Verbrennungstechnik entstehen bei der Holzverbrennung Feinstäube, die als gesundheitsschädlich eingestuft sind. Nach Angaben der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe werden in Deutschland ca holzbefeuerte Kesselanlagen betrieben. Die Holzverbrennung ist eine wichtige Emissionsquelle, die häufig die Partikelemission aus dem Automobilverkehr übertrifft. In Deutschland tragen die Feinstaubemissionen aus Holzfeuerungen in der Winterzeit erheblich zur Überschreitung der Immissionsgrenzwerte bei (Aynul Bari et al. 2011) (Pfeffer et al. 2012). Die zweite Stufe der 1. Bundesimmissionsschutzverordnung (1. BImSchV) legt strenge Grenzwerte für die Emissionen von Partikeln und Kohlenmonoxid aus biomassegefeuerten Kesselanlagen fest (Leistungsbereich 4 bis 1000 kw). Mit der Verordnung soll ein wesentlicher Beitrag zur Reduzierung der Feinstaubemissionen aus Kleinfeuerungsanlagen erreicht werden. Dieses Ziel soll mit einer neuen Generation von Feuerungsanlagen sowie durch den Einbau von Filteranlagen bei bestehenden Anlagen erreicht werden. Gesamtziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Demonstration eines elektrostatischen Feinstpartikelabscheiders, der optimal als Teil der Gesamtanlage an holzgefeuerte Kessel angepasst ist und die Staubemissionsgrenzwerte der 2. Stufe der 1. BImSchV sicher unterschreitet. Der nach dem Carola-Verfahren des KIT zu entwickelnde Elektroabscheider zeichnet sich durch hohe Abscheidegrade und einen stabilen Langzeitbetrieb aus. Er hat eine geringe elektrische Leistungsaufnahme, niedrigen Druckverlust und hohe Betriebssicherheit sowie geringe Herstellkosten. Die beteiligten Unternehmen beabsichtigen die grundlegenden Ergebnisse des Vorhabens in marktfähige Produkte für Kesselleistungen im Bereich von kw umzusetzen. Somit kann das Treibhausgas (THG)-Minderungspotential von 90 % der holzgefeuerten Kessel beibehalten oder sogar noch ausgebaut werden. Die angestrebte Innovation ist somit ein an den Biomassekessel optimal angepasster elektrostatischer Abscheider, der die Grenzwerte der 2. Stufe der 1. BImSchV sicher einhält. Zudem soll durch die Adaption eine deutliche Minderung der Kosten des Gesamtsystems erreicht werden. 1

12 Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde Eine große Zahl von modernen Hackschnitzelkesseln (94 Stück) und Scheitholzkesseln (58 Stück) verschiedener Hersteller wurde in den vergangenen Jahren bei der Inbetriebnahme und wiederkehrend vor Ort einer Emissionsmessung durch den Schornsteinfeger unterzogen. HDG hat diese Daten zusammengestellt und ausgewertet. Abb. 1: Staubgehalte im Abgas bei wiederkehrenden Schornsteinfegermessungen an 94 Hackschnitzelkesseln Exemplarische Messungen durch den Schornsteinfeger wie in Abb. 1 zeigen, dass 3 die Partikelemissionen typischerweise zwischen 20 bis 100 mg/m N (tr, 13 Vol-% O 2 ) betragen. Somit wird die 1. Stufe der 1. BImSchV von den meisten Anlagen ohne zusätzliche Maßnahmen eingehalten. Allerdings konnten bei den vor Ort- Messungen nur 10 Prozent der Anlagen den Grenzwert der 2. Stufe der 1. BImSchV unterschreiten. Zur sicheren Einhaltung der ab 2015 gültigen Grenzwerte 3 (20 mg/m N (tr, 13 Vol-% O 2 )) ist in den meisten Fällen bei Hackschnitzel- und Scheitholzkesseln der Einbau von Partikelabscheidern erforderlich, die Abscheidegrade von % aufweisen. Die kürzlich vorgestellten Berichte des DBFZ (Schröder, 2012) sowie von Kather et al (Kather and Woltersdorf, 2013) bestätigten diese Ergebnisse. Um die Absenkung der Emissionsgrenzwerte der 1. BImSchV und die geplante wiederkehrende vor Ort-Messung vorzubereiten, haben CCA und HDG bereits Erfahrungen mit dem Betrieb von Partikelabscheidesystemen (Elektroabscheider, Zyklone) für Heizkessel gewonnen. Hierbei zeigt sich, dass der Stand der Abscheiderentwicklung noch nicht so fortgeschritten ist, dass diese Geräte ohne weiteres zur Einhaltung der 2. Stufe der 1. BImSchV geeignet sind. Problematisch 2

13 Einleitung sind die hohen Kosten und die bisher unbefriedigende Abreinigung der getesteten Elektroabscheider, die eine deutliche Verminderung der Standzeit und der Abscheidegrade bewirkt. Zur Abscheidung der sehr feinen Partikel (d p < nm) aus optimierten Hackschnitzelkesseln sind Zyklone wegen des niedrigen Abscheidegrades und des hohen Druckverlusts nicht geeignet. Zudem vermindern die hohen Kosten, der bisher am Markt verfügbaren Abscheidesysteme, die Konkurrenzfähigkeit der biomassegefeuerten Kessel gegenüber den mit fossilen Brennstoffen gefeuerten Anlagen. Bisherige verfahrenstechnische Lösungen basieren auf der Serienschaltung von Kessel und Abscheider. Die Abscheider sind bisher nicht optimal an den Betrieb der Kessel angepasst. Planung und Ablauf des Vorhabens Aus dem Gesamtziel ergeben sich folgende technisch-wissenschaftliche Arbeitsziele, die in 7 Arbeitspaketen bearbeitet werden: AP1: AP2: AP3: AP4: AP5: AP6: AP7: Vorversuche und Detailplanung des Carola-Abscheiders (CCA) Optimale Anpassung des Abscheiders an Biomassekessel (HDG) Langzeittest und Optimierung des Abscheiders (CCA) Bau einer Kleinserie des Abscheiders (KIT) Feldtests des Abscheiders (HDG, CCA) Wissenschaftliche Begleituntersuchungen (KIT) Projektmanagement (KIT) 3

14 Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde In einer Vorstudie hatten die Projektpartner eine erste Vision für die angestrebte Innovation entwickelt. Abb. 2 zeigt ein erstes Konzept für die Adaption des Carola- Abscheiders an einen 50 kw Heizkessel des Projektpartners HDG. Abb. 2: CAD Vorstudie für einen 50 kw-biomassekessel mit optimal angepassten Partikelabscheider Folgende verfahrenstechnische Innovationen wurden angestrebt: Um den Betrieb der Abscheider zuverlässig zu gestalten, wird neben dem Einsatz einer industriell gefertigten, kosteneffizienten Abscheidertechnologie (siehe oben) erstmals die Adaption des Abscheiders an moderne Kesselanlagen vorgeschlagen. Die Adaption bezieht sich auf folgende Aspekte: optimale Dimensionierung des Abscheiders auf die Kesselgröße optimale konstruktive Verbindung von Abscheider und Kessel Abstimmung und Verbindung der MSR-Technik des Abscheiders und des Kessel, um Betriebssicherheit und Bedienungskomfort der Gesamtanlage sicherzustellen. Verbindung des Flugascheaustrags aus dem Abscheider mit der automatischen Entaschung des Kessels Die hier angestrebte Lösung ist eine verfahrenstechnische Neuheit, für die ein beträchtlicher Markt in Deutschland existiert, da im Bereich der 1. BImSchV ( kw) künftig ca Kesselanlagen pro Jahr erwartet werden. Somit besteht ein großes Potenzial für die Breitenanwendung der hier im vorwettbewerblichen Bereich zu entwickelnden Technologie. Vorteile gegenüber konkurrierenden Lösungsansätzen: Grundsätzlich kann die Minderung der Partikelemission aus Heizkesseln durch die Nutzung optimaler Brennstoffe, durch feuerungsseitige Optimierung, durch Nachverbrennung kohlenstoffhaltiger Stäube und durch Partikelabscheidung erreicht werden. 4

15 Einleitung Die 1. BImSchV regelt im 3 die Brennstoffe, die in holzgefeuerten Heizkesseln zum Einsatz kommen können. Somit wird in der Praxis in holzgefeuerten Kesseln ein breites Brennstoffband eingesetzt, das u. a. rindenfreie Pellets, Hackschnitzel mit Rinde, Scheitholz und auch Mischbrennstoffe umfasst. Wie in Abb. 1 gezeigt besteht in der Praxis eine große Variabilität der Partikelemissionen, die standortbedingt vom verfügbaren Brennstoff abhängt. Daher sind der brennstoffseitigen Optimierung der Partikelemission bei vor Ort-Messungen durch den Schornsteinfeger enge Grenzen gesetzt. Der Einsatz der Filtertechnologie erlaubt eine Erweiterung des Brennstoffsortiments, welche bei dem Ausbau der thermischen Biomassenutzung von erheblicher Bedeutung sein wird. In Hinblick auf den maximalen Wirkungsgrad der Feuerung wurde in den vergangenen Jahren die feuerungsseitige Optimierung der Heizkessel durchgeführt. Die derzeit am Markt befindlichen Kesselanlagen erreichen daher bereits heute sehr niedrige Partikelemissionen zwischen mg/m3. Die Analysen der bei modernen Heizkesseln abgeschiedenen Stäube zeigen, dass diese bereits Kohlenstoffgehalte von unter 1 % aufweisen. Daher sind die feuerungstechnischen Maßnahmen zu einer Minderung der Partikelemission im Volllastbereich weitgehend ausgeschöpft. Weiterhin besteht ein Bedarf für feuerungsseitige Optimierung im Teillastbetrieb. Abb. 3 : Verfahrensschema des Carola Abscheiders Zur Partikelabscheidung bei Kesselanlagen werden bereits am Markt Lösungen angeboten, die aber noch nicht optimal auf den Kesselbetrieb abgestimmt und automatisiert sind. Typische Beispiele sind Zyklonabscheider, Metallfaserfilter, trockene Elektroabscheider und auch Elektroabscheider mit Nassabreinigung. Der hier zu entwickelnde bzw. anzupassende Heizkessel wird mit dem Carola- Abscheider des KIT (siehe Abb. 3) ausgerüstet. Die bei der Verbrennung entstehenden Partikel werden durch eine Corona-Entladung in einer 5

16 Ionisationskammer elektrisch aufgeladen und können dann als geladene Partikel problemlos in einem nachgeschalteten geerdeten Kollektor gesammelt werden. Für die Abscheidung der geladenen Partikel im Kollektor ist kein äußeres elektrisches Feld erforderlich. Durch eine Spiralbürste, die sich in Intervallen dreht, wird der Kollektor automatisch gereinigt und der abgeschiedene Staub in einem Auffangbehälter gesammelt. Der Filter beeinflusst nicht die Kaminfunktion und kann daher ohne jegliche Zusatzmaßnahmen energieeffizient betrieben werden. Der Carola-Abscheider hat folgende Vorteile gegenüber konkurrierenden Filterlösungen: Der Abscheider weist eine hohe Effizienz (bis zu 90%) auf und die Emissionsgrenzwerte der 1. BImSchV werden auch unter schwierigen Verbrennungsbedingungen eingehalten. Konkurrierende Abscheider haben verschmutzungsbedingt einen sehr niedrigen, teilweise schwankenden Abscheidegrad. Die abgeschiedenen Stäube werden in regelmäßigen Abständen aus dem Filter abgereinigt. Eine Verschmutzung des Schornsteins mit Rußpartikeln, die kostenintensive Reinigungsarbeiten erfordert, tritt nicht auf. Der Abscheider läuft somit in einem stabilen Betriebspunkt. Die patentierte Carola-Elektrode ermöglicht den Betrieb ohne Sperrgasgebläse. Somit entfallen störende Geräusche und Energiebedarf. Außerdem sind keine zusätzlichen Öffnungen im Abscheider erforderlich. Ein Austritt von toxischen Abgasen in das Gebäude ist konstruktiv bedingt unmöglich (Eigensicherheit). Der Abscheider ist kompakt und leicht in einem bestehenden Heizungskeller nachzurüsten. Der Service von am Kaminausgang auf dem Dach installierten Filtern ist insbesondere bei Schneeauflage gefährlich und teuer. Der Abscheider ist im Vergleich zu einer neuen Feuerungsanlage billiger und kann bei den meisten Feuerungsanlagen im Abgasweg eingebaut werden. Der Abscheider hat im Gegensatz zum Zyklonabscheider einen sehr niedrigen Druckverlust und verursacht damit niedrige Stromkosten für den Gebläsebetrieb. Der Abscheider hat einen sehr niedrigen Energieverbrauch und wird bei Gebrauch automatisch eingeschaltet und nach Ende der Verbrennung wieder ausgeschaltet. Im Vergleich zu nass-abgereinigten Abscheidern fallen im Carola-Abscheider nur trockene Stäube an. Eine Abtrennung der Rußpartikel aus dem Abwasser ist nicht nötig. Der Installationsaufwand des Carola-Abscheiders ist geringer (Zu- und Abwasser) Es bestehen keine Genehmigungsprobleme bei der Entsorgung des Reinigungswassers, die Deutschland nicht einheitlich geregelt ist. 6

17 Einleitung Der Ressourcenverbrauch und die Betriebskosten des Trockenfilters sind geringer. Es bestehen keine Korrosionsprobleme bedingt durchsalzhaltige Waschflüssigkeiten. Es können kostengünstigere Materialien verwendet werden. Die Ionisationselektrode ist sehr stabil aufgebaut und wiedersteht jeglicher Art von mechanischer, chemischer und elektrischer Belastung. Der Abscheider ist nahezu wartungsfrei und soll im Dauerbetrieb eine ganze Heizungsperiode ohne Wartung betrieben werden. Vergleichbare Abscheider für kleinere Biomasse-Zentralheizungskessel für Feinstaub (PM10) waren zu Beginn des Vorhabens am Markt serienreif nicht verfügbar. Ein Kostenvergleich ist somit schwer durchführbar. Es ist nur eine Abschätzung der Technik, des baulichen Aufwandes und der Herstellkosten machbar. Verfügbare Technologien zur Abscheidung von Feinstaub sind wirtschaftlich verfügbar ab einer Kesselleistung von über 500 kw. Im kleineren Leistungsbereich sind die Technologien aus Platz und Kostengründen nicht einsetzbar. Die bewährten mechanischen Abscheider (Zyklon) ermöglichen keine Abscheidung von Feinstäuben und somit sind Staubemissionen unter 50 mg/m³ mit dieser Technik kaum zu gewährleisten. 7

18 Zusammenarbeit mit anderen Stellen Umweltbundesamt (UBA) Das UBA (Frau Anja Nowack) wurde beim 4. Projektgespräch am im Rahmen einer Telefonkonferenz zum Thema Umsetzung der 1. BImSchV und Handhabung von Filterstäuben einbezogen. Frau Nowack wies die Verbundpartner darauf hin, dass die 2.Stufe der 1. BImSchV wie geplant eingeführt wird und dass die Einführung einer erweiterten Messunsicherheit erwogen würde. Insbesondere Hackschnitzelanlagen benötigen Sekundärmaßnahmen, da aktuell nur 10 % der Anlagen bereits Werte der 2. Stufe der 1. BImSchV erreichen. Die Einführung eines Qualitätssigels für Hackgut wird erwogen. Das Marktanreizprogramm wird derzeit kaum genutzt und soll erweitert werden. Filteraschen aus Kleinfeuerungsanlagen sind laut UBA kein Sondermüll. Es wurde die Einbeziehung des Bayerischen Landesamtes für Umwelt (LfU) und die Entwicklung eines Entwicklung eines Messprogramms für Schwermetalle empfohlen. Bayerisches Landesamt für Umwelt (LfU) Das LfU (Frau Reichle) wurde auf Vorschlag des UBA zum 6.Projektgespräch ( ) eingeladen und bewertete die Entsorgung der Filteraschen. Die Hinweise wurden bei der Ausarbeitung eines Messprogramms zur Charakterisierung der Filteraschen berücksichtigt (Nachfolgeprojekt (FNR FKZ: )). Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) Die FNR (Dr. Stanev) wurde im Rahmen des Koordinierungsausschuss 1.BimSchV sowie der Beantragung eines Anschlussvorhabens für Feldtests über den Stand des Vorhabens unterrichtet. Deutsches Biomasseforschungszentrum (DBFZ) ; Technologieförderzentrum (TFZ) Durch Teilnahme der Partner an den Abscheiderfachgesprächen in Straubing (2013 und 2015) und Leipzig (2014) wurden das DBFZ, das TFZ und die Kesselhersteller über den aktuellen Stand des Vorhabens unterrichtet. VDI Verein Deutscher Ingenieure Dr. Paur (KIT) und Herr Ecker (HDG) nahmen auf Einladung des VDI an Sitzungen der KRdL Arbeitsgruppe VDI 3670 teil. Programmbegleitung (Service- und Begleitvorhaben) Die Partner erstellten für die Homepage des Programms Energetische Biomassenutzung jeweils Kurzfassungen der Projektteile und stellten Bildmaterial zur Verfügung. Dr. Paur trug auf Einladung des Service- und Begleitvorhabens auf 5. Statuskonferenz des BMU-Förderprogramms "Energetische Biomassenutzung", in Leipzig ( ) vor. Ein weiterer Vortrag ist auf der 6. Statuskonferenz geplant. 8

19 Eingehende Darstellung Eingehende Darstellung Teilprojekt des KIT (03KB083A) Verwendung der Zuwendung und erzielte Ergebnisse im Einzelnen Im Rahmen des Vorhabens hat KIT folgende Arbeitspakete und Ziele übernommen: AP4: Bau von Kleinserien des Abscheiders AP6: Wissenschaftliche Begleituntersuchungen AP7: Projektmanagement AP4: Bau von Kleinserien des Abscheiders Zum Bauen von Kleinserien sind die Bereiche Steuerungsbau, mechanische Konstruktion und Montagefertigung zu vernetzen. Der Aufbau der Kleinserien erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Partner CCA unter Berücksichtigung der Vorgaben des Partners HDG Bavaria. Mit dem Partner HDG wurde festgelegt, wie Abscheider und Kesselanlage idealerweise mechanisch und elektrisch aufeinander abgestimmt werden können. Zudem Abb. 4: Carola-Abscheider CCA-25, CCA-50, werden externe Dienstleister CCA-100, CCA-200 zur Herstellung und Optimierung der Hochspannungseinheit und für die elektrische Verkabelung der Abscheider eingesetzt. Im Einzelnen wurden folgende Arbeiten durchgeführt Abstimmung der Schnittstellen für die optimale Adaption des Abscheiders Mitarbeit bei der Konstruktion und der Abstimmung von elektrischen und mechanischen Komponenten des Abscheiders 9

20 Einholen mehrerer Angebote für Module des Abscheiders Vergabe der Fertigung von Testgeräten für die Adaption Vergabe und Koordination der Herstellung einer Kleinserie des Carola- Abscheiders durch Unterauftragnehmer Qualitätskontrolle und Inbetriebnahme Untersuchung zur Kostenreduktion durch Erhöhung der Stückzahlen Im Rahmen des Vorhabens wurden Kleinserien der Abscheider CCA-25, CCA-50, CCA-100 gefertigt. Auf der Basis der bei CCA durchgeführten Langzeiterprobung und Optimierung der Abscheider wurde für den im AP 5 geplanten Feldtest eine Kleinserie von 5 Abscheidern CCA-200 gefertigt. Da die bisher aufgebauten Testgeräte sehr aufwendig konstruiert waren und mit vielen Sonderbauteilen gefertigt wurden, waren die Herstellungskosten zunächst noch hoch. Insbesondere die Adaption auf den Heizkessel bedurfte umfangreicher Abb. 5: Elektromontage bei der konstruktiver Anpassungen, sowohl beim Serienproduktion der CCA-200 mechanischen Aufbau als auch der Abscheider elektrischen Steuerung. Durch eine Erhöhung der Stückzahlen besteht jedoch die Möglichkeit, die vielen Sonderbauteile der Filtereinheiten in Serienproduktion bei verschiedenen Lieferanten und Herstellern zu vereinheitlichen und somit die Einzelstückkosten zu senken. In diesem Arbeitspaket wurden abschließend die Fertigungskosten in Abhängigkeit von der Baugröße und den gefertigten Stückzahlen betrachtet. Es zeigte sich, dass die Kosten der Abscheider mit der Baugröße nicht-linear zunehmen so dass die Herstellungskosten der Abscheider für 50 kw 200 KW Kessel ca. 20 % der Kesselkosten betragen. Durch die Adaption der Abscheider in die Kesselanlage können erhebliche Einsparungen von etwa 30 % gegenüber der nicht adaptierten Variante erzielt werden. 10

21 Teilprojekt des KIT (03KB083A) Tabelle 1 : Überblick über die aktuelle Preissituation von Abscheidertechnologien: Technologie Hersteller Kesselleistung (kw th ) Preis * ( Netto) Status Spez. Kosten ( /kw th )** Zyklonabscheider inkl. Gebläse HDG Serie 35 Rotationsabscheider inkl. Gebläse LBH Serie 18 Schlauchfilter (Gewebefilter) Ecovac Serie 85 Metallgewebefilter KÖB Kleinserie 135 Trockenelektroabscheider Trockenelektroabscheider (adaptiert) Trockenelektroabscheider für Einzelraumfeuerungsanlagen Trockenelektroabscheider für Kesselanlagen Trockener Röhren- Elektroabscheider Naßelektrofilter AL-Top CCA- Carola- Clean-Air CCA- Carola- Clean-Air Kleinserie Kleinserie 22 OekoSolve Kleinserie 60 OekoSolve Meisterfilter AG Schräder - OekoSolve Kleinserie Kleinserie Kleinserie 110 * Der hier angegebene Preis basiert auf in Kleinserie gefertigten Abscheidern. ** Die spezifischen Kosten der Abscheider basieren auf bisher bekanntgegebenen Listenpreisen. Eigene Berechnungen zeigen, dass die Kosten sehr stark von den gefertigten Stückzahlen und von der Abscheidergröße abhängen.. Der Kostenvergleich zeigt, dass neben den oben ausgeführten technischen Vorteilen des Elektroabscheiders auch wirtschaftliche Gründe für diese Lösung sprechen. Allerdings bestehen auch in dieser Filterkategorie erhebliche Preisunterschiede. Insbesondere die nass gereinigten Elektroabscheider und die klassischen Rohrelektroabscheider sind vergleichsweise teuer. Vorläufige Abschätzungen zeigen, dass die an Heizkessel adaptierte Version des Carola-Abscheiders im Vergleich zum autarken Elektroabscheider weitere Kostenvorteile erbringt, die bei großen Kesseln den Kostenanteil des Abscheiders erheblich reduzieren könnten. 11

22 AP6: Wissenschaftliche Begleituntersuchungen Im ITC des KIT bestehen langjährige Erfahrungen zu Grundlagen und industriellen Anwendungen von Carola-Abscheidern in Verbrennungsanlagen und in der chemischen Industrie. Die wissenschaftlichen Begleituntersuchungen dienen dem Erwerb von grundlegendem Wissen zur weiteren Optimierung des Abscheiders. Hierbei wurden folgende Themen zu bearbeitet: Messung der Partikelgrößenverteilung im Größenbereich von nm am Eintritt und Austritt des Abscheiders in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen. Untersuchung des Schwermetallgehalts der Stäube Untersuchung der Rauchgaszusammensetzung mit Fourier-Tansform IR Spektroskopie Untersuchungen zum Einfluss von Aschebelägen auf die Partikelabscheidung im Ionisator Messung der Partikelgrößenverteilung am Hackschnitzelkessel Zur Messung der Partikelgrößenverteilung bei Einsatz des Carola-Abscheiders CCA- 50 wurde der elektrische Niederdruckimpaktor ELPI+ der Fa. Dekati eingesetzt. Der ELPI+ beruht auf dem Impaktionsprinzip, nach dem die Partikel aufgrund ihrer Trägheit auf unterschiedlichen Impaktorstufen abgeschieden werden. Durch das Hintereinanderschalten mehrerer Impaktorstufen in einem Kaskadenimpaktor, wird das Aerosol in verschiedene Größenklassen fraktioniert. Beim elektrischen Kaskadenimpaktor sind die einzelnen Impaktorstufen als Faraday sche Käfige aufgebaut. Die Partikel werden hinter dem Probeneinlass durch eine Korona aufgeladen und der durch die Partikelabscheidung in der jeweiligen Impaktorstufe hervorgerufene Ladungsunterschied wird mit Elektrometern erfasst und in eine Anzahlkonzentration umgerechnet. Der Vorteil des ELPI+ ist, dass man neben der Online-Messung der Partikelgrößenverteilung die Filter der einzelnen Stufen, wie beim DLPI, offline chemisch analysieren kann. Dadurch erhält man eine elementspezifische Größenverteilung. Die Abb. 6 zeigt das Messgerät, das mit einer beheizten Probenahme im Reingas des Carolaabscheiders angeschlossen wurde. Hierbei erfolgte die Positionierung der Probenahme gemäß den Vorgaben der VDI Nach der Probenahmesonde wurde das Abgas mit einer VKL-100 (Palas, Karlsruhe) soweit verdünnt, dass keine Kondensation erfolgte und die Partikelkonzentration für den Messbereich des ELPI geeignet war. Die Verdünnung wird im Verlauf der Auswertung rechnerisch 12

23 Teilprojekt des KIT (03KB083A) berücksichtigt. Im vorliegenden Fall wurden die Größenverteilungen sowohl im Rohwie im Reingas des Abscheiders bestimmt. Die Partikelverluste in der Probenahmesonde wurden nicht korrigiert. Der Kessel wurde im Standardbetrieb mit Holzhackschnitzel beheizt. Die Rohgastemperatur betrug ca C und die Reingastemperatur lag bei ca C. Die gravimetrisch bestimmten Partikelkonzentrationen lagen zwischen mg/m³. Abb. 6: Installation des ELPI+ zur Messung der Partikelgrößenverteilung im Rauchgas der Hackgutverbrennung 13

24 Abb. 7: Partikelgrößenverteilungen der Hackgutverbrennung ohne (links) und mit (rechts) Ionisation. Der Modalwert der Größenverteilung beträgt etwa 0,2 µm. Bei Einschalten der Spannung sinkt die Partikelanzahl von 5 x 10 7 auf etwa 1 x /cm³ was dem gravimetrisch gemessenen Abscheidegrad von 80% ± 5 entspricht. Allerdings zeichnet der ELPI nur den Partikelgrößenbereich bis 10 µm auf, so dass größere Partikel nicht erfasst werden. Die Berechnung der Massenkonzentration aus den Anzahlkonzentrationen des ELPI ist zudem wegen der unbekannten Dichte der Feinstpartikeln mit einer Unsicherheit belastet. Abb. 8: Partikelgrößenverteilung als Funktion der Coronaspannung 14

25 Teilprojekt des KIT (03KB083A) Der Unterschied zwischen der Rohgas- und der Reingaskonzentration bei ausgeschaltetem Abscheider (U = 0 kv) beträgt % bezogen auf die Anzahlkonzentration. Erwartungsgemäß nimmt die Anzahlkonzentration im Reingas mit steigender Coronaleistung ab. Dabei erfolgt die Abnahme der Partikelkonzentration nicht linear. Während bis zu einer Coronaleistung von 10 W eine Abnahme der Partikelkonzentration um 50 % erfolgt, sinkt bei der weiteren Verdopplung der Coronaleistung auf 20 W die Partikelkonzentration auf etwa 35 % des Startwertes ab. Der Modalwert der Größenverteilung und die Standardabweichung bleiben nahezu konstant. Durch die weitere Steigerung der Coronaleistung kann in der vorliegenden Anordnung nur noch eine geringe Steigerung des elektrostatischen Abscheidegrades erreicht werden. Die gesamte Minderung der Partikelkonzentration um etwa 80 % ist folglich auf die Überlagerung der mechanischen und der elektrostatischen Abscheidung zurückzuführen. Die partikelgrößenabhängige Auswertung der Abscheidegrade (sog. Fraktionsabscheidegrad) ergibt im relevanten Größenbereich von nm einen Abscheidegrad von 80 ± 5 % und entspricht somit dem gravimetrisch bestimmten Abscheidegrad. Die Auswertung der Fraktionsabscheidegrade für größere Partikel ist auf Grund der geringen Partikelanzahl in diesem Bereich nicht sinnvoll. Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der Hackschnitzel und der abgeschiedenen Stäube Typische chemische Zusammensetzungen der im HDG-Heizkessel verfeuerten Hackschnitzel (Hackgut 1; Hackgut 2), der Rostasche sowie der abgeschiedenen Stäube sind in den nachfolgenden Tabellen zusammengefasst: 15

26 Tabelle 2. Elementaranalyse und quantitative Analyse der Hackschnitzel Parameter Massen-% Hackgut 1 Hackgut 2 C 45,2 44,9 H 6,0 6,2 N 0,4 0,3 S 0,1 0,06 O 43,0 42,6 Wassergehalt (%) 10,6 11,5 Flüchtige (%) 70,4 69,1 Fixer Kohlenstoff (%) 17,1 17,7 Aschegehalt (%) 1,9 1,7 Oberer Heizwert (MJ/kg) 17,6 17,3 Chlor (mg/kg) Tabelle 3. Alkali- und Erdalkali Metalle der Hackschnitzel, der Rostasche und der Flugaschen Konzentration (mg/kg) Probe Ca Mg Na K Hackgut Hackgut Rostasche Flugasche Flugasche * * Kiener (2010) < <

27 Teilprojekt des KIT (03KB083A) Tabelle 4. Schwermetallgehalt der Hackschnitzel, der Rostasche und der Flugaschen Probe Konzentration (mg/kg) Hg Cd Cr Pb Hackgut 1 <0,5 0,1 7 1,2 Hackgut 2 <0,5 0,2 5,2 0,7 Hackgut * 0,01-0,05 0,1-0,3 0, Rostasche <0,5 0,58 21,7 4,05 Rostasche ** <0,4 0,4-0,7 > Flugasche <0,5 24,7 37,9 299 Flugasche ** Flugasche *** NA <5-76 < *Monkhouse (2002, 2010); ** Li (2012); ***Kiener (2010). Die Konzentrationen im Hackgut schwanken in weiten Bereichen. Die hier eingesetzten Hackschnitzel liegen für die untersuchten Metalle im typischen Bereich. Erwartungsgemäß ist der Metallgehalt der Rostaschen deutlich niedriger als der der Flugaschen, da die Metalle bei der Verbrennung als Chloride ausgetragen werden und auf den Aschepartikeln kondensieren. Auch die Metallgehalte der hier abgeschiedenen Flugstäube liegen im typischen Konzentrationsbereich für Flugaschen aus der Holzverbrennung. Die Entsorgung der abgeschiedenen Stäube wurde im Rahmen der Projektgespräche mit Frau Reichle vom LfU in Augsburg diskutiert: Hiernach muss bei der Entsorgung der Aschen vor allem auf das Abfallrecht geachtet werden und sowohl Art als auch Menge der Asche bestimmt werden. Hierzu verwies Frau Reichle auf ein Merkblatt des BMU Hinweise zur Anwendung der Abfallverzeichnis Verordnung 1. Bei der Art der Aschen werden Rostasche, Wärmetauscherasche als auch Filterasche unterschieden. Um die Gefährlichkeit der Filteraschen bewerten zu können, sind aus Sicht von Frau Reichle Analysen notwendig. Nicht analysierte Feinstflugaschen (z. B. Filteraschen aus Elektro- oder Gewebefilter) werden vom LfU grundsätzlich als gefährlich eingestuft. 1 ation/pdf/avv_erlaeuterungen.pdf 17

28 Bei der Auswahl des Entsorgungsweges muss unterschieden werden, ob es sich um Privathaushalte handelt oder um Industrieanlagen. Bei Privatanlagen, zu denen Einfamilienhäuser, Wohngemeinschaften, etc. zählen, handelt es sich bei der Asche um normalen Hausmüll. Hingegen müssen bei Industrieanlagen, zu denen auch große Landwirte, Gärtnereien, etc. zählen, die Richtlinien des Abfallverwertungsgesetzes beachtet werden. Hierfür wird eine möglichst hochwertige Verwertung notwendig, als auch einen Trennung von gefährlichen und ungefährlichen Aschefraktionen. Laut Frau Reichle besteht kein generelles Verbot Aschen zu vermischen, solang durch die Vermischung keine Aschen mit unterschiedlichen Entsorgungswegen vermischt werden. Um jedoch genau bewerten zu können wie mit den verschiedenen Aschefraktionen verfahren werden muss, werden Ascheuntersuchungen notwendig. Falls die Aschen erhöhte organische Anteile aufweisen, wäre bei einer Charakterisierung der Aschen auch eine Untersuchung auf organische Schadstoffe (insbesondere PAK, evtl. PCDD/F) zu empfehlen. In Anbetracht des Aufwandes der mit den Fragestellungen zur Charakterisierung, Bilanzierung und Beurteilung der Aschen verbunden ist, soll dieses Thema im Rahmen des Anschlussvorhabens (FNR FKZ: ) weiter verfolgt werden. 18

29 Teilprojekt des KIT (03KB083A) Untersuchung der Rauchgaszusammensetzung mit Fourier-Tansform IR Spektroskopie Beim Anfeuern bzw. Abkühlen der Hackschnitzelfeuerung, sowie während der Wärmetauscher-Reinigung wurde ein instabiler Betrieb des Elektroabscheiders beobachtet, der zu Überschlägen führte. Diese Überschläge können durch die erhöhte Leitfähigkeit des Rauchgases bedingt sein. Das Rauchgas wurde daher mit FTIR bezüglich seiner Hauptbestandteile charakterisiert (Abb.9). Hierdurch konnte nachgewiesen werden dass das Rauchgas nur die erwarteten Hauptbestandteile CO 2, H 2 O sowie Spuren von CO enthielt. Die Anwesenheit von höheren Konzentrationen von Pyrolyseprodukten wurde ausgeschlossen. Die Überschläge wurden daher der erhöhten Sauerstoffkonzentration bei erhöhter Temperatur in diesen Betriebsphasen zugeschrieben. Abb. 9: FTIR-Spektrum des Rauchgases einer Hackgutfeuerung Durch Optimierung des Ionisators wurde im Rahmen des Vorhabens die Phase der Instabilität beim Anfahren des Kessels auf wenige Minuten reduziert (s.a. Abb. 48). 19

30 Untersuchungen zum Einfluss von Aschebelägen auf die Partikelabscheidung im Ionisator Im Langzeitbetrieb des Carola-Abscheiders lagern sich die Stäube nicht nur in der regelmäßig gereinigten Abscheiderbürste, sondern auch an den Wänden der Ionisationsstufe sowie an den Sternelektroden ab. Die Ablagerungen an den Wänden wurden durch Einbau eines Schiebers beseitigt und eine stabile Coronaentladung wurde realisiert. Allerdings wurde über einen Zeitraum von 650 h festgestellt, dass der Coronastrom mit zunehmender Verschmutzung der Elektroden von anfänglich 1,7 1,8 ma auf 0,9 1 ma abnimmt. Gleichzeitig sinkt der Partikelabscheidegrad von % im sauberen Zustand bis auf % im verschmutzten Zustand (Abb. 50) Abb. 10: Ablagerung von Stäuben im Bereich der Abscheideelektroden ohne (links) und mit (rechts) Elektrodenreinigungssystem. Durch Optimierung der Reinigungsmethoden konnte die Verschmutzung der Elektroden im Langzeitbetrieb nahezu völlig beseitigt werden. Durch diese Maßnahme wird die Minderung des Coronastroms und des Abscheidegrads vermieden. Diese Untersuchungen wurden vom Partner CCA durchgeführt und sind im Abschlussbericht der CCA dargestellt.(abb. 52; Abb. 53). 20

31 KIT HDG CCA KIT Teilprojekt des KIT (03KB083A) AP7: Projektmanagement Der Projektablauf ist im folgenden Netzplan in 3 Phasen dargestellt. - Vorversuche - Adaption - Feldversuche Kickoff-Meeting und Aerosolmessungen Projektgespräc he Grundlagenexperimente Aerosolmessun g Grundlagenexperimente Projekt gespräche Abschlussberic ht Vorversuche mit CCA- Abscheider Auslegungsdaten Optimierung/ Langzeittest Testberichte Meßeinsätze Nei n Prüfung J a Planung Adaption Kessel Einbau / Umbau Kessel Nei n Prüfung J a Aufbau Feldtests Abscheider Nei n Prüfung J a Konstruktion Abscheider Fertigung Vorserie Nei n Prüfung J a Fertigung Kleinserie Vorversuche Adaption Feldversuche Abb. 11: Netzplan des Verbundvorhabens Der zeitliche Ablauf des Projektes gestaltete sich wie folgt: Einreichung der Projektskizze Einreichung des Vollantrags Förderbescheid Projektbeginn Kick-off Meeting Statuskonferenz in Leipzig Projektgespräch Projektgespräch Zwischenbericht Zwischennachweis Projektgespräch Zwischenbericht (HDG, CCA, KIT) Projektgespräch Projektgespräch Projektende Zwischenbericht Projektgespräch Zwischennachweis Schlussbericht und Verwendungsnachweis 21

32 Der Projektträger wurde durch Übersendung der Sitzungsprotokolle zeitnah über den Projektfortschritt unterrichtet. Um die Abstimmung der Projektpartner zwischen den Projektgesprächen sicher zustellen wurde eine Steuerungsgruppe, bestehend aus den Projektleitern der Partner, sowie eine technische Taskforce eingerichtet. Die Steuerungsgruppe führte während der Projektlaufzeit zwölf Telefonkonferenzen durch, bei denen jeweils der aktuelle Stand der Arbeiten dargestellt wurde und das weitere Vorgehen vereinbart wurde. Die Taskforce führte bedarfsgemäß telefonische Absprache sowie zusätzliche Besprechungen und Messeinsätze durch. Die wesentlichen Aufgaben waren: Austausch der technischen Details zwischen den Projektgesprächen Erarbeitung von Alternativen und Planung der Adaption Vorstellung der Ergebnisse in den Projektgesprächen Zeitliche und inhaltliche Abstimmung der Versuchspläne Mit ca. 20 Beiträgen auf Tagungen wurde das Projekt von den Partnern national und international dargestellt: (siehe auch Literaturverzeichnis): Vortrag beim 5. Statustreffen "Energetische Biomassenutzung" in Leipzig Vortrag beim Abscheiderfachgespräch in Leipzig Posterpräsentation auf der Aerosol Technology 2014 (Karlsruhe) Vortrag bei der 3.Jahrestagung des KIT Zentrums Energie Interview Baden-TV Posterpräsentation auf der IAC in Pusan (Korea) Konsultationskreis Feuerungs- und Abscheiderhersteller (Berlin) Richtlinienausschuss VDI 3670 (Berlin) Vortrag beim DUH Fachgespräch (Berlin) Vortrag beim 14. BBE-Fachkongress für Holzenergie (Augsburg) Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen (Straubing) Konsultationskreis Feuerungs- und Abscheiderhersteller (Straubing) Bundesverbandsschulung der Schornsteinfeger (Herr Ecker, Dülmen) ISH 2015 (am Messestand des KIT) C.A.R.M.E.N.-Fachgespräch "1.BImSchV - Filtertechnik für Holzheizwerk Vortrag beim Kolloquium Ultrafine Particles (UFP5) in Brüssel Vortrag bei Energy Science Technology 2015 in Karlsruhe Vortrag bei Aerosol Technology 2015 in Tampere Vortrag bei European Aerosol Conference in Milano Statustreffen Energetische Biomassenutzung Pressemitteilung des KIT 2 Auf dem Weg zur feinstaubfreien Holzverbrennung

33 Teilprojekt des KIT (03KB083A) Beteiligung der CCA an der ISH 2015 am Messestand des KIT Abb. 12: Messestand des KIT auf der ISH 2015 Abb. 13: Standbetreuung auf der ISH2015 : Ulrich Frei, Dr. Rheinheimer, Dr. Paur und Dr. Gehrmann Mit insgesamt internationalen Herstellern auf rund Quadratmetern Ausstellungsfläche und knapp Besuchern gehört die ISH zu einem wichtigen Branchentreffpunkt. Die CCA präsentierte auf dem Messestand des KIT mit dem Carola -Abscheider eine saubere und feinstaubfreie Lösung für den Betrieb von Holzfeuerungen der neusten Generation. Ein Highlight war die neuentwickelte adaptierte Bauweise, bei der der Partikelabscheider direkt in die Kesselgeometrie integriert wird. An verschiedenen Anwendungsbereichen konnte die Funktionalität und einige Besonderheiten des Carola -Abscheiders gezeigt und erklärt werden. 23

34 Wichtigste Positionen des zahlenmäßigen Nachweises Die wichtigsten Positionen des zahlenmäßigen Nachweises sind die Personalkosten für Versuchstechniker/Ingenieure ( ) zur o Betreuung des Baus der Kleinserien der Abscheider o Durchführung der wissenschaftlichen Begleituntersuchungen (Partikelmesstechnik, FTIR, Schwermetallanalysen, Untersuchung von Aschebelägen) am Teststand in Karlsruhe o Datenauswertung Komponenten für den Bau von Kleinserien der Carola-Abscheider ( ) o Hochspannungsgeräte o Edelstahlrohre o Bürsten o Metallteile o Dreh und Frästeile o Elektromontage o Umbaukosten am Teststand Kosten für Brennstoffe (Hackschnitzel) für Dauertests der Abscheider am Teststand in Karlsruhe ( ) Reise- und Transportkosten (ca ) Die hier angegeben Zahlen sind vorläufig. Detaillierte Zahlen können der abschließenden Kalkulation des Vorhabens entnommen werden. Die Kosten für das Projektmanagement übernahm das KIT. 24

35 Teilprojekt des KIT (03KB083A) Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit Die Nationale Klimaschutzinitiative hat eine nachhaltige und langfristige Emissionsminderung zum Ziel. Sie orientiert sich dabei an den Klimaschutzzielen des Energiekonzeptes der Bundesregierung, nach denen die Treibhausgasemissionen bis 2020 um 40 Prozent und bis 2050 um Prozent gegenüber 1990 sinken sollen. Entsprechend soll der Anteil der erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2020 auf 18 Prozent des Endenergieverbrauchs ansteigen. Im Jahr 2020 soll die Bioenergie einen Anteil von ca. 10 Prozent an der künftigen Wärmeerzeugung einnehmen (Nationaler Biomasseaktionsplan für Deutschland). Das vorgeschlagene Vorhaben leistet einen Beitrag zur Umsetzung des Energiekonzepts der Bundesregierung, indem es eine kosteneffiziente Technologie entwickelt, die eine Steigerung des Anteils der erneuerbaren Energien und der Senkung der Treibhausgase durch verstärkte thermische Biomassenutzung ermöglicht. Das Vorhaben fokussiert sich hierbei auf die Biomassen, biogene Reststoffe und Landschaftsbiomassen gemäß Biomasseverordnung 3. Im Rahmen des Vorhabens ist die Demonstration eines optimal an einen holzgefeuerten Heizkessel angepassten Partikelabscheiders geplant, der als zukunftsweisende und wettbewerbsfähige Technologie langfristig darauf abzielt, die Verbrennung von Holz so sauber wie die Verbrennung von Öl und Gas zu gestalten. Diese technologische Innovation stellt einen wichtigen Wettbewerbsvorteil dar beim Export in Länder, die thermische Biomassenutzung betreiben. Das Vorhaben leistet zudem einen Beitrag zum Abbau von Hemmnissen bei der Umsetzung der energetischen Biomassenutzung: in der Heizungsperiode hat die Holzverbrennung einen wichtigen Anteil an der Überschreitung der Feinstaubgrenzwerte. Durch die hier vorgeschlagene Entwicklung eines optimal an Biomassekessel angepasste Partikelabscheiders können diese Emissionen um bis zu 90% gemindert werden. Klimaschutzwirkung: Derzeit werden in Deutschland etwa holzgefeuerte Heizkessel betrieben, die künftig gegen emissionsarme Technologien ausgetauscht werden müssen. Falls es nicht möglich ist, die Grenzwerte der 1.BImSchV zu garantieren, müssten die holzgefeuerten Kessel ab 2015 Schritt für Schritt gegen Gas- bzw. ölgefeuerte Kessel

36 ausgetauscht werden. Während ein Scheitholzkessel ca. 21 g CO 2 -Equivalent/kWh verursacht, werden bei einem Erdgasbrennwertkessel 290 g CO 2 -Äquivalent/kWh bzw. einem Heizölbrennwertkessel 376 g CO 2 -Äquivalent/kWh emittiert (Ökoinstitut, 2010) 4. Da die energetische Nutzung von Holz in Haushalten im Jahr ,9 TWh und in der Industrie etwa 26,6 TWh bereitstellte, ergibt sich für den gesamten Projektbereich ( Holzheizung ) eine Minderung von 27-35,7 Mio. t CO 2 Äquivalenten (unterer Wert für den Brennstoff Gas; oberer Wert für den Brennstoff Heizöl). Die Partner werden das hier zu entwickelnde System im Leistungsbereich kw einzusetzen. Nach unserer Schätzung umfasst dieser Bereich etwa 90 % der holzgefeuerten Anlagen. Berücksichtigt man noch die Kesselleistung bzw. die erzeugte Wärmemenge gehen wir davon aus, dass ca % der erzeugten Wärmemenge, und somit der eingesetzten Energie, in Anlagen <100 kw erzeugt werden. Somit ergibt sich eine jährliche CO 2 -Minderung von 17,6 23,2 Mio. t CO 2 Äquivalenten. Bei der hier beantragten Fördersumme von entspricht das einer jährlichen spezifischen Minderung von 40,1 53,0 t/ Fördermittel. Modellcharakter / Übertragbarkeit Der zu entwickelnde Partikelabscheider ist eine technologische Innovation, deren Einsatz langfristig bei den meisten der holzgefeuerten Kessel auf Grund der Emissionsziele vom Gesetzgeber gefordert wird. Durch das zum Ende des Vorhabens geplante Messprogramm wird der entwickelte Partikelabscheider im Feldversuch demonstriert und die Übertragbarkeit auf unterschiedliche Kesselleistungen und Brennstoffe nachgewiesen. Die Anwendung des Verfahrens bei Kesseln anderer Hersteller ist Ziel des Partners CCA. Somit besteht bereits bei den Kesseln ein erhebliches Potential für die Breitenanwendung. Bei entsprechenden gesetzlichen Rahmenbedingungen und Kostendegressionen durch Serienfertigung könnte sich der Markt für andere Festbrennstofffeuerungen erweitern. Multiplikatorwirkung: Parallel zum geplanten Förderprogramm planen die Partner erhebliche Investitionen in Hinblick auf die Fertigung und Vermarktung des Partikelabscheiders. Dieser

37 Teilprojekt des KIT (03KB083A) zusätzliche Finanzierungsbeitrag der geförderten Unternehmen übersteigt den Betrag der Förderung deutlich. Ökonomische Wirkungen: Die CO 2 -Vermeidungskosten für den adaptierte Partikelabscheider wurde für einen 30 kw Hackschnitzelkessel analog dem im TFZ-Bericht 17 skizzierten Verfahren berechnet 5. Unter der Annahme, dass die Kosten bei einer Serienfertigung des Abscheiders etwa 15% der Kesselkosten und unter Berücksichtigung von Abschreibung (18J), Zins (4,5%), Strom-, Wartungs- und Reinigungskosten, ergeben sich ohne Berücksichtigung von Fördermaßnahmen jährliche, spezifische CO 2 - Vermeidungskosten gegenüber einem Gaskessel von 2 /t CO 2 Äquivalenten und gegenüber einem Heizölkessel von 1,4 /t CO 2 Äquivalenten. Die zusätzlichen Beschäftigungseffekte durch diese Innovation liegen bei der CCA 5-10 Arbeitsstunden pro in Serie gefertigten Abscheider. Die Beschäftigungseffekte bei den inländischen Zulieferfirmen, dürften ein Mehrfaches dieser Zahl ausmachen. Unter der Annahme dass mittelfristig 10 % der Heizkessel mit dem System ausgestattet werden, ist bei CCA mit einem Beschäftigungseffekt von ca Arbeitsstunden zu rechnen, was bei der CCA etwa 30 neuen Arbeitsplätzen entspricht. Neben dem deutschen Markt wird sich mittelfristig der europäische Markt im Rahmen der Ökodesign-Richtlinie Lot15/20 entwickeln, die ab 2014 einheitliche Emissionsstandards für Heizgeräte in Europa erfordert. Somit ergeben sich für den zu entwickelten Abscheider zusätzliche Exportchancen, die mittelfristig zu einer Erhöhung der Stückzahlen und einer Absenkung der Herstellungskosten führen. 5 Quelle: 27

38 Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit des Ergebnisses Das KIT wird auf der Basis der Grundlagenuntersuchungen den Anwendungsbereich des Carola-Abscheiders weiter ausbauen. Hierzu zählen die Anwendung des Verfahrens für größere industrielle Verbrennungsanlagen, die Kombination des Verfahrens mit katalytischen Beschichtungen sowie die Anwendung bei höheren Temperaturen und Drücken zur Reinigung von Pyrolysegase und Syngas. Die im Rahmen dieses Vorhabens zu erwartenden Ergebnisse zur Abreinigung von Stäuben und der Modellierung von Partikeltrajektorien werden zu internationalen Publikationen und weiteren Grundlagenpatenten führen. Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen Die derzeit in der Entwicklung befindlichen und bereits am Markt verfügbaren Staubabscheidesysteme wurden kürzlich im DBFZ-Bericht Nr. 8 und in der Übersicht der IEA Bioenergy Task 32 zusammengefasst. Die marktorientierten Entwicklungen konzentrieren sich im Wesentlichen auf Elektroabscheider und Filterkerzen, die bisher noch nicht an den Heizkessel angepasst sind. Die Integration der Partikelabscheider mit dem Heizkessel wird in zwei kürzlich geförderten Projekten des IZES verfolgt: OPTIDUST - Weiterentwicklung eines kompakten, universell einsetzbaren Staubfiltersystems, bestehend aus Kontroll- und Abscheideeinheit sowie dessen Integration in Biomassezentralheizkessel (Förderung des BMELV: FKZ ) Die industrielle Umsetzung dieses Konzepts ist bisher nicht bekannt geworden. BIO-E-HOOVER - Entwicklung, Integration und Test eines universell einsetzbaren elektrostatischen Staubabscheiders für biomassebefeuerte Zentralheizkessel zur Reduzierung von Feinstaubemissionen (FKZ: D/ LFFP 10/43): In dieser Promotion, wurde die Partikelabscheidung im OPTIDUST-Abscheider modelltheoretisch untersucht. Emissionsminderung durch integrierte und kombinierte Maßnahmen in Biomasse-Kleinfeuerungen (FKZ-Nr.: 03KB051): Dieses Verbundprojekt bearbeitete mehrere Ansätze zur Emissionsminderung an Einzelraumfeuerungen, Multifuelkessel, Verbrennungsoptimierung durch moderne Sensortechnik sowie die kombinierte Anwendung von Katalysatoren und Elektroabscheidern. Die bisher im Labor erprobten Abscheiderkonzepte sollen künftig bei Feldversuchen erprobt werden. 28

39 Teilprojekt des KIT (03KB083A) Abscheidung von Feinstaub aus Biomassekleinfeuerungen mit Tiefenfiltern (Förderung des BMELV: FKZ: ): Das Forschungsprojekt der RWTH Aachen zielt darauf ab, durch die Entwicklung eines Filtersystems zur Feinstaubabscheidung kurzfristig eine kostengünstige Lösung zur Emissionsminderung für Biomassekleinfeuerungen zur Verfügung zu stellen. Das System basiert auf einer Faserfilterpackung, die in einem verstopfungssicheren Gehäuse als Kaminaufsatz installiert wird. In einem Nachfolgeprojekt (FKZ: ) wird die Technologie bezüglich der Dauerstandfestigkeit optimiert und soll nach Feldversuchen zur industriellen Fertigung geeignet sein. Da ein Kaminaufsatzfilter erhebliche Kosten für die Installation und Wartung erfordert soll auch eine Variante entwickelt werden, die in Heizungskellern zum Einsatz kommt. Weitere industrielle Entwicklungen zur Feinstaubabscheidung bei Kesselanlagen wie z. B. der ÖkoRona-Abscheider (Fa. Ökosolve, der Airject-Abscheider (Kutzner und Weber) und die Filterbox (Schräder) werden im Bericht der Industriepartner dargestellt. Erfolgte oder geplante Veröffentlichungen des Ergebnisses nach Nr.11. (siehe Literaturverzeichnis) 29

40 Teilprojekt HDG (03KB083C) Im Rahmen des Vorhabens hat HDG folgende Arbeitspakete und Ziele übernommen: AP2: AP5: Optimale Anpassung des Abscheiders an Biomassekessel Feldtests des Abscheiders Verwendung der Zuwendung und erzielte Ergebnisse im Einzelnen Versuchsanlagen Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Demonstration eines elektrostatischen Feinstpartikelabscheiders, der optimal an Biomassekessel angepasst ist und mit hohen Abscheidegraden die Staubemissionsgrenzwerte der 2.Stufe der 1.BImSchV sicher unterschreitet. Im Vorhaben sollte der als Einzelgerät entwickelte Carola Abscheider an einen modernen, holzbefeuerten Heizkessel adaptiert werden. Der Abscheider sollte hierzu an den vom Kesselhersteller zu Verfügung gestellten Heizkessel adaptiert und im Dauerbetrieb am Teststand bezüglich der Abscheidegrade und Stabilität charakterisiert werden. Hierzu wurden im Projektverlauf am HDG Bavaria GmbH Werksgelände, im Folgenden HDG genannt, mehrere Kessel-Abscheiderkombinationen installiert, das Langzeitverhalten untersucht sowie Abscheidegrade ermittelt. Bei der Installation der Anlagen wurde auf eine bestmögliche hydraulische Anbindung des Kessels geachtet, um möglichst aussagekräftige sowie vergleichbare Messergebnisse zu erhalten. Außerdem wurde an allen Anlagen ein Wärmemengenzähler installiert, damit repräsentative Aussagen zur Kesselleistung getroffen werden konnten. Um möglichst praxisnahe Betriebsbedingungen darzustellen, wurden an den HDG Prüfständen verschiedenste Hackgutchargen geheizt. Diese unterschieden sich vor allem im Wassergehalt, der Brennstoffzusammensetzung, dem Aschegehalt, etc. Aus Sicht von HDG waren diese Untersuchungen notwendig, da hierdurch die Gegebenheiten im Feld reproduziert werden konnten. Auch hier wird der Abscheider mit unterschiedlichsten Brennstoffqualitäten und somit mit verschiedenen Rauchgaszusammensetzungen konfrontiert werden. Eine Variation verschiedenster Brennstoffqualitäten sind Abb.15 aufgeführt. 30

41 Teilprojekt HDG (03KB083C) Abb. 14: Verschiedene Hackgutchargen mit Unterschieden im Wassergehalt, Brennstoffzusammensetzung, Körnung, Aschegehalt, etc. Abb. 15: HDG Compact 50 mit erstem CCA 50 Stand-alone Version Der erste elektrostatische CCA-Abscheider (siehe Abb. 15) wurde am an einer HDG Compact 50 Hackschnitzelanlage (50 kw) in Massing installiert. Zur Installation mussten im Vorfeld einige Vorbereitungsmaßnahmen getroffen werden, um den Anschluss des Abscheiders am Kessel zu ermöglichen. Hierzu zählten unter anderem die Konstruktion und Fertigung eines Sockels, um den 31

42 Höhenunterschied zwischen Kesselausgangsrohr und Filtereingangsrohr auszugleichen, sowie die Konstruktion und Fertigung eines Abgassammelkastens, um die beiden Filterausgangsrohre zu einem Rauchrohr zusammenzuführen. Um den Strömungswiderstand, hervorgerufen durch den Filter zu überwinden, wurde ein Saugzuggebläse notwendig. Zur Befestigung des Gebläses wurde ebenfalls der Abgassammelkasten verwendet. Beide Konstruktionen sind in nachfolgender Abb. 16 gekennzeichnet. Abb. 16: HDG Compact 50 mit CCA 50 Stand-alone und Bypass-System. Eine weitere Überlegung führte zur Installation eines Bypass-Systems, wodurch Arbeiten am Filter bei sich im Betrieb befindenden Kesseln möglich wurden (siehe Abb. 16). Um einen Langzeitbetrieb der Kessel-Filterkombination gewährleisten zu können, mussten am Hydrauliksystem des Prüfstandes mehrere Optimierungen erfolgen. Hierdurch wurde es möglich die erzeugte Wärmemenge mittels eines Wärmetauschers an die Umgebung abzugeben. In einem ersten Schritt wurden mit Hilfe der Kesselregelung HDG Control Datenaufzeichnung (siehe Punkt 0) verschiedene Temperaturen als auch Drücke aufgezeichnet. Hierzu wurden mehrere Temperaturfühler als auch ein Drucksensor am Prüfstand installiert. Die hierfür notwendigen Messstutzen sind in den folgenden Abbildungen ersichtlich. 32

43 Teilprojekt HDG (03KB083C) Abb. 17: Messstutzen zur Installation der notwendigen Fühler bzw. Messgeräte Außerdem wurde ein Strommessgerät der Firma Bachmann GmbH & Co. KG installiert, um die notwendige Energie zum Betreiben des Filters bewerten zu können. In der ersten Filterversion lag die Stromaufnahme bei durchschnittlichen 0,008 kwh wodurch Energiekosten von ca. 6 pro Heizperiode (3000 Betriebsstunden), bei Stromkosten von 0,24 /kwh, entstehen. Bei Langzeitbeobachtungen des Filters stellte sich ein überwiegend stabiles Betriebsverhalten heraus, jedoch wurden aufgrund hoher Überschlagsraten verschiedene Untersuchungen notwendig. Nach Anpassung verschiedenster Abscheider- und Kessel-Regel-Parameter (Gebläsedrehzahl, Ionisierungsspannung, Materialmenge, etc.) konnten die Überschlagsraten reduziert und die Ionsierungsspannung stabilisiert werden. Hierzu waren Messungen der Abgasgeschwindigkeit notwendig, wozu das Wöhler DC 410 ausgewählt wurde. Jedoch stellte sich der Brennstoffwassergehalt als weiterer Einflussfaktor der unterschiedlichen Abgasgeschwindigkeiten heraus. Steigende Brennstoffwassergehalte führen zu erhöhten Abgasgeschwindigkeiten. In Abb. 14 sind unterschiedliche Brennstoffchargen aufgeführt. 33

44 Durch eine Hard- und Softwareanpassung der Kesselsteuerung konnte eine erste Version der Regelungskommunikation umgesetzt werden. Je nach Betriebszustand des Kessels wurde der Filter zu- oder abgeschaltet. Im weiteren Verlauf des Projekts wurden ebenfalls erste Konstruktionsprinzipien zur optimalen Anpassung des Abscheiders an die HDG Kesseltypen skizziert und Designstudien erstellt. Diese sind in nachfolgenden Abbildungen dargestellt. Abb. 18: Designstudien der Rucksacklösung am HDG Compact 50 Abb. 19: Design Studien HDG A-Kessel CCA adaptiert (links, mitte) und HDG Compact 50 CCA Stand-alone (rechts). 34

45 Teilprojekt HDG (03KB083C) Aufgrund der im Vorgang bereits erwähnten Ergebnisse und der Weiterentwicklung des Filters am KIT wurde der erste Prototyp des CCA 50 in Massing durch einen optimierten CCA 50 ersetzt (Abb. 20). Abb. 20: HDG Compact 50 mit optimierten CCA 50. Zusätzlich wurde eine optimierte Ionisierungsabreingung sowie ein Sperrluftgebläse umgesetzt. Aufgrund des optimierten Abreinigungsmechanismus wurde eine verbesserte Abreinigung des Edelstahlrohres erreicht, was in Abb. 21 dargestellt ist. Hierdurch konnte wiederum eine Stabilisierung der Hochspannung erreicht werden. Abb. 21: Vergleich der Abreinigungsqualität zwischen erster (links) und optimierter (rechts) Ionisierungsabreinigung. Zusätzlich wurde eine Isolatorspülung mittels Sperrluftgebläse installiert, wodurch Verschmutzungen des Isolatorrohres, wie in Abb. 22 zu sehen, vorgebeugt werden sollten. Bei dieser Isolatorversion wurde zusätzlich eine Heizung der Sperrluft getestet um Kondensationseffekte am Isolator vorzubeugen. 35

46 Im Laufe der Zeit bestätigte sich dieser theoretische Ansatz, durch Umspülen des Isolators konnten Staubablagerungen vorgebeugt werden, was den Betrieb des Filters zusätzlich verbesserte Abb. 22 (rechts). Abb. 22: Vergleich der beiden Isolatorversionen. Isolatorversion ohne Sperrluftsytem (links) mit Sperrluftsystem (rechts). Ebenso wurde hier ein Zwischenkasten seitens CCA konstruiert und gefertigt, der anstatt des Podestes als Höhenausgleich installiert wurde und ebenfalls für eine Beruhigung des Abgasstroms sorgen sollte. Dies bestätigte sich bei der Langzeitbeobachtung des Filters. Durch die Beruhigung des Abgasstromes und einer sich daraus ergebenden Reduzierung der Abgasgeschwindigkeit konnte der im Vorgang festgestellte Rückflug der Asche, als auch die leicht erhöhten Überschlagsraten reduziert und der Abscheidegrad gesteigert werden. Der installierte Zwischenkasten ist in Abb. 23 dargestellt. Jedoch wurde hierdurch die Wartung des Filters erschwert. Um dem entgegenzuwirken sollte bei der nächsten konstruktiven Überarbeitung des Zwischenkastens eine Wartungsöffnung vorgesehen werden. Für weitere Testreihen kam die neu installierte HDG Compact 50 im neuen Design und mit neuer HDG Control sowie die im Rahmen des Projektes entwickelte HDG Datenaufzeichnung zum Einsatz (Abb. 23). Durch Weiterentwicklungen an der Kesselregelung HDG Control, sowohl auf Hard- als auch Softwaretechnischer Seite, wurde eine Ansteuerung des Filters über einen potentialfreien Kontakt ermöglicht. Wodurch sich hardwaretechnisch ein enormes Einsparpotential ergab. 36

47 Teilprojekt HDG (03KB083C) Abb. 23: HDG Compact 50 neues Design mit HDG Control und HDG Datenaufzeichnung mittels LabView. Über den kompletten Projektzeitraum von 18 Monaten wurde diese Anlage ca h betrieben. Hierbei zeigte sich ein überwiegend positives Betriebsverhalten der Kessel-Abscheiderkombination. In nachfolgender Abb. 24 ist ein 24h Verlauf dieses Prüfstands, der mit der HDG Datenaufzeichnung erstellt wurde, ersichtlich. Vor allem konnte bei allen Staubmessungen nach dem Filter der Grenzwert der 2. Stufe 1. BImSchV erreicht werden. Abb. 24: Datenaufzeichnung am HDG Compact 50 - CCA50 Prüfstand Rosa: Ionisierungsspannung [kv]; Gelb: T vor Filter [ C]; Blau: Ionisierungssrom [ma]; Violett: T nach Filter [ C] 37

48 HDG Compact 100 CCA100 Prüfstand Abb. 25: Prüfstand HDG Compact CCA100 Ein weiterer Prototyp des Carola Abscheiders (Abb. 25 ) wurde im Juni 2014 am Betriebsgelände der HDG installiert und in Betrieb genommen. Hier wurde der Abscheider an eine Hackschnitzelfeuerung HDG Compact 100 mit einer Nennwärmeleistung von 100 kw angeschlossen. Für die Installation mussten im Vorfeld wiederum einige Anpassungen getroffen werden. Auch hier wurde ein Montagesockel als auch ein Abgassammelkasten konstruiert und gefertigt. Bei diesem Prüfstand wurde über die komplette Vorhabensdauer die Kessel/Filterkombination ohne nachgeschaltetes Saugzuggebläse betrieben. Dies entspricht, aus Sicht von HDG, einer Großzahl der Nachrüstanlagen im Feld, was ein Grund für diese Prüfstandskonstellation war. Bei dieser Anlage wird das Rauchgas, im Gegensatz zur oben beschriebenen Anlage HDG Compakt 50, durch den Filter gedrückt. Hierdurch kam es im Rahmen der Langzeitversuche einige Male zu Überdrucksituationen im Filter, bei denen Abgas über das Luftgebläse in den Elektronikbereich des Filters gelangte (Abb. 26). 38

49 Teilprojekt HDG (03KB083C) Abb. 26: Sauberer Elektronikbereich (links) und verschmutzter Elektronikbereich (rechts). Dem wurde durch Installation einer Rückschlagklappe (Abb. 27) versucht entgegen zu wirken. Im Rahmen der Langzeitversuche zeigte sich jedoch keine Verbesserung mit Hilfe dieser Rückschlagklappe. Abb. 27: Sperrluftsystem mit Rückschlagklappe. Da dieser Kessel per SPS (Speicherprogrammierbarer Steuerung) gesteuert wird und diese Regelungstechnik bei HDG hausintern programmiert werden kann, wurde hier die erste Funktionsübernahme der Filterregelung umgesetzt. Hierbei wird der Filter von der Kessel-SPS sowohl ein- als auch ausgeschaltet, sowie alle Reinigungsmechanismen des Filters übernommen. Die Hochspannungsregelung hingegen übernimmt weiterhin die CCA-Elektronik. Hierdurch konnten einige Elektronikkomponenten eingespart werden, die Bedienung des Filters erleichtert und die Filterfunktion in weitere technische Features, wie z.b.: WEB-Anwendungen, integriert werden. Auch an diesem Prüfstand wurde zur besseren Bewertung des Langzeitbetriebsverhaltens, die unter Punkt 0 aufgeführte Datenaufzeichnung verwendet. Hierbei stellten sich ein sehr stabiles Betriebsverhalten des Filters und eine gute Funktion der Regelungskommunikation heraus. Ein 24 h-verlauf dieses 39

50 Prüfstandes ist in nachfolgender Abb. 28 dargestellt. Dieser wurde ebenfalls mit der HDG Datenaufzeichnung erstellt. Abb. 28: Datenaufzeichnung HDG Compact CCA100 Prüfstand Rosa: Ionisierungsspannung [kv]; Gelb: T vor Filter [ C]; Blau: Ionisierungsstrom [ma]; Violett: T nach Filter [ C] Alles in allem entstand auch bei diesem Prüfstand ein durchaus positiver Eindruck. Über den Projektzeitraum von 18 Monaten wurde diese Anlage ca h betrieben. Hierbei zeigte sich ein überwiegend positives Betriebsverhalten der Kessel- Filterkombination. Vor allem konnte bei allen Staubmessungen nach dem Filter die Grenzwerte der 2. Stufe 1. BImSchV erreicht werden. Auch die hier umgesetzte Regelungskommunikation zeigte sich als sehr zuverlässig und hilfreich. 40

51 Teilprojekt HDG (03KB083C) HDG Compact 200 CCA200 Prüfstand Ein weiterer Prototyp des CCA 200 Abscheiders wurde im September 2014 an einer Hackschnitzelfeuerung HDG Compact 200 mit einer Nennwärmeleistung von 200 kw installiert, in Betrieb genommen und im Teillastbetrieb bei durchschnittlichen 100 kw Wärmeleistung betrieben. Höhere Leistungen konnten mit diesem Kessel, aus hydraulischen Gründen, nicht mehr erreicht werden. Für die Rauchrohrinstallation wurden am Filtereingang und am Filterausgang Rauchrohrreduzierungen gefertigt, da der Abscheider einen Rauchrohrdurchmesser von 350 mm und das Kesselrauchrohr 300 mm aufweist. Trotz anfänglicher Störungen an einer Hochspannungseinheit, die mit Hilfe des Regelungsherstellers behoben werden konnten, konnte bei Staubmessungen an dieser Anlage ein Abscheidegrad von 73% nachgewiesen werden. Hierbei wurden bei ungünstigen Hackgutqualitäten und wie bereits im Vorgang erwähnt im Teillastbetrieb im Schnitt eine Rohgasbeladung von 130 mg/nm³ und eine Reingasbeladung von 30 mg/nm³ erreicht. HDG A CCA200 adaptiert (Kälteanlage) Hierbei handelt es sich um die erste Adaptionsvariante des CCA-Abscheiders. Bei dieser Installationsweise wurde der Abscheider direkt nach dem neu entwickelten HDG A-Kessel installiert. Bei dessen Entwicklung/Konstruktion wurde eine spätere Abscheideradaption bereits angedacht und berücksichtigt. Durch Anpassungen am Rauchrohranschluss, Umpositionierung der Hydraulikanschlüsse und einer kompletten Überarbeitung der Kesselentaschung wurde eine Adaption des Abscheiders ermöglicht und erleichtert. Hierzu waren erhebliche konstruktive Überarbeitungen notwendig, Abb. 29 und Abb. 30 zeigen die hierfür erforderlichen Konstruktionen. Durch das Podest mit Schubbodenmodul wurde eine automatische Filterentaschung realisiert. Diese ermöglicht eine automatische Austragung des abgeschiedenen Staubes mit der Kesselasche. Auch hier wurde die bereits erwähnte Regelungsadaption installiert. Jedoch konnten im Rahmen des Projektes noch keine Aussagen zur Funktionsfähigkeit des Filters getroffen werden. Die Adaptionsvariante ist in Abb. 31 zu sehen. Weitere Dauertest und Messungen/Versuche im Feld werden auch an diesem Prüfstand erfolgen. 41

52 Abb. 29: Podest und Schubbodenmodul für CCA-Filter 42 Abb. 30: Rauchgaskanal

53 Teilprojekt HDG (03KB083C) Abb. 31: HDG A-Kessel / CCA Abscheider adaptiert. HDG A CCA 200 Stand Alone (Gasthaus Hilz) In Anschluss an die ersten Messungen an unter aufgeführtem Prüfstand wurde der CCA200 Stand-Alone deinstalliert und für die Installation an einem Nullserienkessel vorbereitet. Dieser Nullserienkessel wurde bei einem ausgewählten HDG Kunden installiert und im April 2015 in Betrieb genommen. Außerdem wurde in diesem Zuge der CCA 200 Abscheider, in der Stand-alone Version, installiert und wird demnächst ebenfalls in Betrieb gehen. Weitere Dauertests und Messungen/Versuche im Feld werden an dieser Kundenanlage erfolgen. Diese Anlage ist nachfolgend abgebildet. Abb. 32: HDG A-Kessel - CCA200 Prüfstand (HDG Kunde). Lastenhefterstellung Parallel zu den Versuchen wurde seitens HDG ein Lastenheft Adpation CCA- Abscheider/HDG Kessel erstellt. Darin wurde der Begriff Adaption definiert sowie 43

54 die gewünschten Funktionen dieser Variante aufgeführt und abgestimmt. Auch wurde die Umsetzbarkeit dieser Adaptionsvariante an verschiedenen HDG-Kesseln betrachtet und bewertet. Aus verschiedenen Gründen (Hydraulikanschluss, Auslauf gewisser Kesselreihen, etc.) wurde festgelegt, dass eine Adaption momentan lediglich am Nullserienkessel HDG A in Frage kommen wird. Hierbei wurden eine automatische Entaschung mittels Schubboden, sowie eine Regelungsadaption mittels SPS angestrebt. Ziel dieser Adaptionsvariante war eine Minimierung der Bauteilvielfalt und somit eine Reduzierung der Herstellkosten. Dies konnte in einem ersten Prototyp bereits in einigen Teilen umgesetzt werden. (Siehe Abb. 29, Abb. 30, Abb. 31 ). 44

55 Teilprojekt HDG (03KB083C) Die wichtigsten Positionen des zahlenmäßigen Nachweises Um die Funktion bzw. das Langzeitbetriebsverhalten des CCA-Abscheiders bewerten zu können, war im Rahmen des Forschungsprojektes einiges an Messtechnik notwendig. Diese wird nachfolgend erläutert. Abscheider Datenaufzeichnung (LabView) Damit das Verhalten des Filters über einen längeren Zeitraum bewertet werden konnte musste eine Software zur Datenaufzeichnung programmiert werden. Hierfür wurde der Entwicklungspartner RSI Industrieelektronik von HDG beauftragt, eine Datenaufzeichnung nach vorgegebenem Lastenheft zu programmieren. Hierzu wurde die Software LabView (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench), der Firma National Instruments, ausgewählt. Um im Anschluss Optimierungen seitens HDG an dieser Software vornehmen zu können wurde eine Softwarelizenz des Programms LabView erworben. Außerdem musste hierfür ein Mitarbeiter geschult werden. Um eine bestmögliche Anwendbarkeit der Software zu erreichen, wurde zur Programmierung ein Lastenheft erstellt und in einer Besprechung die genauen Funktionen der Datenaufzeichnungssoftware abgestimmt. Mit Hilfe dieser Datenaufzeichnungssoftware (siehe Abb. 33) wurde es möglich mehrere Filterdaten sekündlich aufzunehmen. Um eine bestmögliche Vergleichbarkeit der Daten aus Karlsruhe und Massing zu erreichen war die Aufzeichnung folgender Werte notwendig: Ionisierungsspannung Ionisierungsstrom Drücke (Abscheiderdifferenzdruck) Temperaturen (Temperaturdifferenz zwischen Abscheider Ein- und Ausgang) Außerdem waren zu diesem Zweck mehrere Notebooks notwendig, die ebenfalls im Rahmen dieses Projekts angeschafft wurden. Um die von den Sensoren gelieferten Signale in für die Software verwertbare Daten umzuwandeln wurden Messumformer der Firma Advantech, im folgenden ADAM Module genannt, notwendig (Abb. 34). Abb. 33: Einstellmaske sowie Liveansicht der HDG Datenaufzeichnung mittels LabView. 45

56 Abb. 34: Messumformer für HDG Datenaufzeichnung (ADAM - Module). Wöhler DC 410 & Staurohr Typ S Strömungsgeschwindigkeitsmessgerät Mit Hilfe dieses Messgerätes kann die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids bis zu einer Temperatur von 800 C bestimmt werden. Hiermit wurde es möglich die Geschwindigkeit des Abgases der verschiedenen Versuchsanlagen zu messen und den sich daraus ergebenden Abgasmassenstrom zu ermitteln. Die zur Auslegung des Filters theoretisch berechneten Werte und in der Praxis vorherrschenden Werte konnten hierdurch abgeglichen werden. Das Messgerät ist in Abb. 35 abgebildet. Abb. 35: Wöhler DC 410 Strömungsgeschwindigkeitsmessgerät 46

57 Teilprojekt HDG (03KB083C) Datenaufzeichnung HDG Control Mit der HDG eigenen, neu programmierten HDG Control Kesselsteuerung wurde es möglich verschiedene Kesselwerte aufzuzeichnen. In frei einstellbaren Zeitintervallen ermöglichte diese Software Werte wie Temperaturen, Reglerwerte, Restsauerstoff, etc. auf einer SD Karte zu loggen und anschließend mittels gängiger Tabellenkalkulationsprogramme auszuwerten. Der Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit. Die Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit in den Ausführungen des KIT eingehend behandelt. Für HDG Bavaria ergeben sich keine darüber hinausgehenden Aspekte. 47

58 Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit des Ergebnisses Um den Nutzen sowie die Verwertbarkeit diese Projektes beurteilen zu können, wurde ein weiteres Forschungsprojekt mit dem Titel Feldtests zum Nachweis der Praxistauglichkeit von weiterentwickelten Feinstaubabscheidern an holzgefeuerten automatisch beschickten Heizkesseln beantragt und genehmigt. Ziel dieses Projektes ist der Nachweis des erfolgreichen Einsatzes von leistungsfähigen und wirtschaftlichen Feinstpartikelabscheidern an biomassegefeuerten Heizkesseln. In einem Zeitraum von zwei Heizperioden werden verschiedenste HDG Heizanlagen mit CCA Abscheidern ausgestattet und kontinuierlich mittels Datenlogging beobachtet sowie die Funktion überprüft. In diesem Zug wird ebenfalls die Adaptionsvariante des CCA Abscheiders weiterentwickelt und optimiert. Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen Der Bereich Abscheidertechnik hat sich in letzter Zeit weiterentwickelt, so sind HDG neben CCA weitere Abscheiderhersteller bekannt geworden. Hierzu zählen unter anderem die Firma OekoSolve (OekoRona elektrostatischer Abscheider), Kutzner und Weber (Airjekt elektrostatischer Abscheider) als auch Schräder Abgastechnologie (unterschiedliche Abscheider) zu nennen. Nach eigener Einschätzung unterscheiden sich diese Abscheidertechnologien nur in der Abreinigungsweise. Zusätzlich sind noch Hersteller von Filtern in größeren Leistungsbereichen (>500 kw) am Markt vertreten. Diese sind preislich jedoch auf einem sehr hohen Niveau, da diese auf die jeweilige Anforderung speziell ausgelegt und gefertigt werden. Erfolgte oder geplanten Veröffentlichungen des Ergebnisses nach Nr.11. (siehe Literaturverzeichnis) 48

59 Teilprojekt CCA (03KB083B) Teilprojekt CCA (03KB083B) Verwendung der Zuwendung und erzielte Ergebnisse im Einzelnen Im Rahmen des Vorhabens hat die CCA-Carola Clean Air GmbH Beiträge zu folgenden Arbeitspaketen geleistet: AP1: Vorversuche und Detailplanung des Carola-Abscheiders AP3: Langzeittest und Optimierung des Abscheiders AP5: Feldtests des Abscheiders (zusammen mit HDG-Bavaria) AP1: Vorversuche und Detailplanung des Carola-Abscheiders Das Ziel der CCA-Carola Clean Air ist es, den künftigen Anwendern der Carola-Abscheider ein hochwertiges und preiswertes Produkt zur Verfügung zu stellen, das einen geringen Wartungsaufwand erfordert. Hierzu wurden umfangreiche Langzeittests der Abscheider durchgeführt um den sicheren Dauerbetrieb, auch bei schwierigen Abgasbedingungen, zu gewährleisten. Im KIT wurde ein Teststand für Standzeituntersuchungen der Abscheider aufgebaut und in Betrieb genommen. An diesem Teststand können bis zu drei Carola-Abscheider Typ CCA- 25, CCA-50, CCA-100 und CCA-200 parallel getestet werden (Abb. 36 des Teststands mit zwei parallel geschalteten CCA-50 und einem CCA-100 Abscheider). Die Messstrecken vor und nach dem Abscheider wurden nach VDI 2066 ausgelegt. Der Teststand ist mit einem HDG Compact 100 Hackschnitzelkessel einschließlich Heizbox der Fa. HDG Bavaria ausgerüstet, der bei Volllast einen Rauchgasstrom von 350 m³/h liefert (Abb. 37, Abb. 38). Die Kesselleistung liegt bei 100 kw und der Kessel verbrennt bei Volllast pro Stunde ca. 0,24 m³ Holzhackschnitzel. Die Wärme des Kessels wird in das Fernheiznetz des KIT eingespeist. Das Rauchgas wird mit einer Temperatur von C in die parallel angeordneten Abscheider eingeleitet. Folgende Parameter des Heizkessels und des Abscheiders wurden gemessen: - Betriebszeit, - Temperatur (T) in Kesselbrennraum, - Abgegebene thermische Leistung, - O 2, CO 2 und CO Konzentration vor und nach dem elektrostatischen Abscheider, - Gasgeschwindigkeit vor und nach dem elektrostatischen Abscheider, - Differenzdruck (p) über dem elektrostatischen Abscheider, - Spannung (U) und Strom (I) der Corona Entladung, - Reinigungszyklus des Abscheiders 49

60 - Partikelmassenkonzentration vor und nach dem elektrostatischen Abscheider zur Bestimmung des Abscheidegrades. Abb. 37: Hackschnitzelkessel HDG Compact 100 Abb. 36: Teststand für Standzeituntersuchungen der Carola-Abscheider Abb. 38: Heizbox mit Hackschnitzelspeicher (links) und Kesselraum (rechts) Die wichtigsten Betriebsparameters des Abscheiders (I=f(U)) und des Teststandes (T,p) werden kontinuierlich mit einem LabView-Datenerfassungsprogramm aufgezeichnet (Abb. 39). Zur Messung der Rauchgase wurden Partikel- und Gasmessgeräte (Wöhler SM 500) vor und hinter den Abscheidern installiert (Abb. 40). Das Staubmessgerät stellt bereits während der Messung den Staubgehalt sowie die O 2 - und CO-Konzentration im Abgas grafisch und numerisch dar. Anschließend führt das Gerät die vollständige messtechnische Bewertung der Feststofffeuerstätte für die Stufen 1 und 2 nach 1. BImSchV durch. Die Messwerte werden bezüglich der Sauerstoffkonzentration auf 13% Vol. korrigiert. In Rahmen diese Arbeitspakete wurde ein neuer elektrostatischer Abscheider Typ CCA-50 entwickelt und produziert (Abb. 41; Abb. 42). Er wurde für die Rauchgasreinigung von Biomasse Kleinfeuerungsanalagen mit einer Wärmeleistung bis 50 kw ausgelegt. 50

61 Teilprojekt CCA (03KB083B) In der Ionisationsstufe des Abscheiders werden die Partikeln im elektrischen Feld der Corona Entladung aufgeladen. Durch den Gasstrom werden die geladenen Partikeln in die Kollektorstufe transportiert, wo sie an den zwei Spiralbürsten abgeschieden werden. Abb. 39: Datenerfassung am Teststand Abb. 40: Staubmessgerät Abb. 41: 3 D-Verfahrensschema des elektrostatischen CCA-50 Abscheider Abb. 42: Prototyp des elektrostatischen CCA-50 Abscheider Durch die periodische Reinigung der Spiralbürsten fallen die abgeschiedenen Partikeln in den Aschenkasten. Der gereinigte Gasstrom wird mit einem Gebläse in den Schornstein gefördert. Der Prototyp wurde am Teststand über Betriebsstunden getestet. Dabei zeigte sich, dass die Abgastemperatur des Heizkessels, vermutlich durch Ablagerungen am 51

62 Wärmetauscher, steigt (Abb. 43). Die Partikelmassenkonzentration variierte dabei zwischen 30 und 80 mg/nm³, abhängig von der Holzqualität und Verbrennungsbedingungen. Die Abscheidegrade lagen zwischen 70 und 88%. Auf Grundlage dieser experimentellen Ergebnisse wurden die Ionisationsstufe, der Abreinigungsmechanismus und die Hochspannungsversorgung verbessert. Abb. 43: Rauchgastemperatur als Funktion der Kesselbetriebszeit (h) Durch die Zusammenarbeit mit der Fa. HDG Bavaria wurde das Konzept des Stand-alone- und adaptierten Abscheider entwickelt und umgesetzt. Während beim Stand-alone Konzept der Abscheider separat nach dem Kessel steht, ist der Abscheider beim adaptierten Konzept fester Bestandteil des Heizkessels (Abb. 44; Abb. 45). Bei diesem Arbeitsblock wurden auch die wichtigsten Parameter des Abscheiders für die Integration an der Steuerungseinheit des Heizkessels identifiziert. Die Parameterliste wurde von der Fa. HDG Bavaria übernommen. Die Fa. CCA-Carola Clean Air GmbH hat die technische Dokumentation der Abscheider Typen CCA-25, CCA-50, CCA-100 und CCA-200 fertig gestellt. 52

63 Teilprojekt CCA (03KB083B) Abb. 44: Kessel mit Stand-alone-Abscheider Abb. 45: Kessel mit adaptiertem Abscheider AP3: Langzeittest und Optimierung des Abscheiders Die elektrostatischen Abscheider des Typ CCA-50 und CCA-100 wurden am Teststand in Karlsruhe unter verschiedenen Betriebsbedingungen des Heizkessels im Dauerbetrieb ca Stunden getestet. Während dieser Zeit wurde der Heizkessel ca Betriebsstunden unter Volllast und ca. 900 Stunden unter Teillast betrieben. Dabei wurden über 120 gravimetrische Partikelmessungen durchgeführt. Bei diesen Experimenten variierte die Holzfeuchte der eingesetzten Hackschnitzel zwischen 15 und 30 %. Die Ergebnisse dieser Dauertests zeigten die wichtigsten Parameter, die für die Stabilität des Abscheiders im Dauerbetrieb bei unterschiedlichen Betriebsarten des Heizkessels verantwortlich sind. Diese sind der Coronastrom, die Ablagerungen an der Coronaelektrode und die Anzahl der Überschläge. Im Dauerbetrieb sinkt der Strom von der Coronaentladung aufgrund der Verunreinigung der HV-Elektrode (Abb. 46). Gleichzeitig werden durch diese Verunreinigung Überschläge provoziert, die den Abscheidegrad erheblich reduzieren (Abb. 47). Die Entwicklung und Anwendung der automatischen Reinigungseinheit der Ionisationsstufe führte zu einer deutlichen Verbesserung der Stabilität des Abscheiders im Dauerbetrieb. Die Abb. 48 zeigt beispielhaft die Stabilität des Abscheiders beim Dauerbetrieb über 24 h. Selbst bei einem durch mehrstündigen Holzmangel bedingten Teillastbetrieb wurde der Coronastrom nur geringfügig reduziert. 53

64 Abb. 46: Abhängigkeit des Coronastroms von der Betriebszeit (h) Abb. 47: 24h Dauerbetrieb des Carola-Abscheiders vor der Optimierung der Elektrodenreinigung (rot: Coronaspannung; blau Coronastrom; grün Rohgastemperatur; grau: Reingastemperatur; gelb: Differenzdruck) 54

65 Teilprojekt CCA (03KB083B) Abb. 48: 24 h-betrieb des Carola-Abscheiders mit optimierter Elektrodenreinigung (rot: Coronaspannung; blau Coronastrom; grün Rohgastemperatur; grau: Reingastemperatur; gelb: Differenzdruck) Für den stabilen Dauerbetrieb bei hohen Temperaturen wurden zwei unterschiedliche Ionisationseinheiten entwickelt. Die erste Einheit besitzt ein Sperrluftgebläse und ein PTFE- Isolator (Abb. 49). Durch die Sperrluft werden die Überschläge reduziert. Die zweite Einheit besitzt spezielle Isolatoren die im Schutzrohr angebracht sind. Dadurch kann man den Elektroabscheider bei hohen Temperaturen stabil betreiben. Abb. 49: Ionisationseinheit mit Sperrluftgebläse Abb. 50 und Abb. 51 zeigen den Abscheidegrad und die Restemission nach dem Abscheider bei Voll- und Teilastbetrieb des Heizkessels in Abhängigkeit vom Coronastrom. Man kann deutlich erkennen, dass der Grenzwert der 2. Stufe der 1. BImSchV dauerhaft unterschritten ist. 55

66 Abb. 50: Massenkonzentration und Abscheidegrade: Kessel Vollastbetrieb Reingaskonzentration in mg/m 3 (blaue Rauten); Abscheidegrade in % (rote Dreiecke). Abb. 51: Massenkonzentration und Abscheidegrade im Teillastbetrieb des Kessels Reingaskonzentration in mg/m 3 (blaue Rauten); Abscheidegrade in % (rote Dreiecke). 56

67 Partikelmassenabscheidegrade, % Teilprojekt CCA (03KB083B) Abb. 52 und Abb. 53 zeigen, dass für eine effektive Gasreinigung eine elektrische Leistung der Corona-Entladung von 20 bis 40 W ausreichend ist Corona Leistung, W Abb. 52: Abhängigkeit des Partikelabscheidegrades von der elektrischen Leistung der Corona-Entladung Abb. 53: Abhängigkeit der Reingaskonzentration (mg/m 3 ; rote Dreiecke) und des Abscheidegrades (%; blaue Kreise) von der elektrischen Leistung (W) der Corona-Entladung 57

68 AP5: Feldtests der Abscheider Im Rahmen dieses Arbeitspakets hat die Fa. CCA-Carola Clean Air GmbH vier elektrostatische Abscheider vom Typ CAROLA zur Fa. HDG Bavaria für Feldtest gesendet - CCA-50 (Stand-alone) - CCA-100 (Stand-alone) - CCA-200 (Stand-alone) - CCA-200 (Adaptiert) Sie wurden dabei unter folgenden Bedingungen getestet: 1) CCA-50 Abscheider ( Stand-alone ) - Ionisationseinheit mit Teflon-Isolator - Ionisationseinheit mit Teflon-Isolator und Sperrluftsystem - Ionisationseinheit mit speziellen Isolatoren - Ionisationseinheit mit zwei verschiedene Reinigungssystemen - Mit konventionellem und verlängertem Gehäuse. 2) CCA-100 Abscheider (Stand-alone) - Ionisationseinheit mit Teflon-Isolator - Ionisationseinheit mit Teflon-Isolator und Sperrluftsystem - Ionisationseinheit mit automatische Reinigungssystem 3) CCA-200 Abscheider (Stand-alone) - Ionisationseinheit mit Teflon-Isolator und Sperrluftsystem - Ionisationseinheit mit automatischem Reinigungssystem 4) CCA-200 Abscheider (adaptiert) - Ionisationseinheit mit Teflon-Isolator und Sperrluftsystem - Ionisationseinheit mit automatische Reinigungssystem Beim Dauertest haben CCA-Carola Clean Air GmbH und HDG Bavaria die folgende Schwerpunkte untersucht: - Die Stabilität des Abscheiders bei verschiedene Betriebsbedingungen, - Die Corona-Entladung: Spannung, Strom und elektrische Leistung, - Die gesamte elektrische Leistungsaufnahme des Abscheiders - Gastemperatur, Gasgeschwindigkeit und Partikelmassenkonzentration vor und nach dem Abscheider - Bestimmung der Abscheidegrade Die Anlagen sind im Bericht des Partners HDG dargestellt (Siehe Abb. 16, Abb. 20, Abb. 23, Abb. 25, Abb. 31, Abb. 32 ). 58

69 Teilprojekt CCA (03KB083B) Abb. 54: Vergleich der Messergebnisse von CCA-50 Stand-alone bei HDG Bavaria und CCA Teststand Zusammenfassung Die kompakten elektrostatischen Carola- Abscheider wurden entwickelt und die Vorund Detailplanung des Carola-Abscheiders wurde erstellt. Die Abscheider wurden am Teststand in Karlsruhe über 4000 h bei Volllast und Teillast des Kessels getestet. Die Partikelmassenkonzentrationen wurden vor und nach den Elektroabscheidern gemessen. Bei einer Abgastemperatur zwischen C liegt die Partikelmassenkonzentration des HDG Kessels zwischen mg/nm³. Bei einem Coronastrom von über 1,5 ma betragen die Abscheidegrade 82±2%. Auf Grund der experimentellen Untersuchungen wurde die Ionisationsstufe, Hochspannungselektrode, Reinigungszyklus und Steuerung des Abscheiders optimiert so dass die Demonstration eines unbeaufsichtigten Dauerbetriebs über eine Heizungsperiode möglich ist und in weiteren Feldversuchen aufgenommen wird. Die Praxistauglichkeit der Kessel-Abscheider-Kombination (Adaption und Integration) unter verschiedenen Betriebsbedingungen wurde optimiert und demonstriert. 59