Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. K. Görner. Entwicklung und Erprobung eines Kombizyklons für die Gasreinigung bei der Biomasseverbrennung

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1 LUAT Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. K. Görner Universität Essen Entwicklung und Erprobung eines Kombizyklons für die Gasreinigung bei der Biomasseverbrennung Dipl.-Ing. H. Spliessgardt Dr.-Ing. R. Schulz Prof. Dr.-Ing. K. Görner Universität Essen, Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik, Essen Dipl.-Ing. R. Heidenreich, Dipl.-Ing. M. List ILK Institut für Luft- und Kältetechnik, Dresden Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik Universität Essen Leimkugelstraße Essen Tel.: Fax: VDI-Berichte Nr , Seite

2 Entwicklung und Erprobung eines Kombizyklons für die Gasreinigung bei der Biomasseverbrennung Dipl.-Ing. H. Spliessgardt, Dr.-Ing. R. Schulz, Prof. Dr.-Ing. K. Görner LUAT Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik, Universität-GH Essen Dipl.-Ing. R. Heidenreich, Dipl.-Ing. M. List ILK Institut für Luft- und Kältetechnik, Dresden Im Rahmen eines Gemeinschaftprojektes sind am Institut für Luft- und Kältetechnik, Dresden, und am Institut für Umweltverfahrenstechnik, Essen, die Möglichkeiten einer kombinierten Abscheidung von Staub und Schadgasen bei der energetischen Nutzung von Biomasse untersucht worden. Nachfolgend werden die Untersuchungsergebnisse zusammengefaßt und ein dreistufiger Kombiabscheider vorgestellt, der zwei Staubabscheidungsstufen und eine katalytische Gasreinigungsstufe in sich vereint. 1. Einleitung Die Problematik hoher CO 2 -Emissionen bei der Nutzung fossiler Energieträger und des damit verbundenen Treibhauseffektes sind bekannt und bestimmen die öffentliche Diskussion. Es sollte daher eine energiepolitische und umweltschonende Hauptaufgabe der nächsten Zeit sein, eine Verringerung der CO 2 -Belastung der - 2 -

3 Erdatmosphäre zu bewirken. Entsprechende freiwillige Verpflichtungen der Industriestaaten sind auf internationalen Klima-Konferenzen ausgesprochen worden. Die energetische Nutzung von Biomasse, wie z. B. Holz und Stroh, weist sich durch eine Neutralität in der CO 2 -Bilanz aus. Es wird bei der Verbrennung der Biomasse nur soviel CO 2 freigesetzt wie die Pflanzen zuvor während ihres Wachstums aus der Atmosphäre entnommen haben. Sieht man von Energieaufwendungen für Aufbereitung und Transport ab, schließt sich damit ein Kreislauf, der zu keiner Erhöhung der CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre führt. Unter den regenerativen Energien hebt sich die Biomasse mit einem beträchtlichen Nutzungspotential hervor. In Deutschland beträgt die energetische Nutzung fester Biomasse zur Zeit rund 1 Prozent des Endenergieverbrauchs. Die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe konstatiert, daß dieser Biomasse-Anteil verzehnfacht werden kann. Durch eine stärkere Ausschöpfung des Nutzungspotentials könnte so ein beachtlicher Beitrag zur Schonung fossiler Ressourcen und zur Minderung der CO 2 -Emissionen geleistet werden. Das verbreiteste Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomasse stellt die Verbrennung dar. Die Biomasse-Verbrennung erfolgt überwiegend in kleineren Anlagen, die eine thermische Leistung bis maximal 10 MW aufweisen. Diese Baugröße wird durch die verbrauchernahe Anbindung, z. B. bei Fernwärmenetzen, und den logistischen Problemen bei größeren Einheiten bedingt. Für die Verbrennung wird das gesamte Spektrum der vorhandenen Biomasse- Festbrennstoffe, wie Holz, Stroh, Ganzpflanzen, in unterschiedlichen Aufbereitungsformen herangezogen. Die gestiegenen Anforderungen an die Reinhaltung der Luft verlangen in der heutigen Zeit auch für kleinere und mittlere Feuerungsanlagen hochwertige Gasreinigungssysteme. Neben der heute bereits gesetzlich vorgeschriebenen Rauchgasentstaubung ist man bestrebt, auch gasförmige Schadstoffe zu erfassen und zu minimieren. Für eine Reduzierung der Schadgasemissionen bietet sich die katalytische Abgasreinigung an, die in kleinen Einheiten realisiert werden kann und - 3 -

4 bei der keine unerwünschten und zu entsorgenden Reststoffe anfallen. Voraussetzung für den störungsfreien Betrieb von Katalysatoren ist jedoch eine weitgehende Entstaubung der Rauchgase auf hohem Temperaturniveau vor dem Eintritt in den Katalysator. Aufgrund dieser Überlegungen ist im Rahmen des Forschungsprojektes ein neuartiger Kombiabscheider entwickelt worden, der eine wesentlich verbesserte Abscheidung vor allem im Feinstaubbereich aufweist, um den Einsatz von integrierten Katalysatoren für die Schadgasabscheidung zu ermöglichen. 2. Laboruntersuchungen In Abbildung 1 ist das Verfahrensschema für den Kombiabscheider aufgezeigt. Die Entstaubung erfolgt zweistufig in einem Zyklon-Teil und einer filternden Abscheiderstufe, die im Tauchrohrbereich angeordnet ist. Direkt anschließend kann eine Katalysatorschüttung angeordnet werden, die sich dann noch im heißen Abscheiderbereich befindet. Abbildung 1: Verfahrensschema des Kombiabscheiders Der erste Teil der Staubabscheidung entspricht prinzipiell dem einer herkömmlichen Zyklonbauart mit tangentialem Eintritt. Die Konzeption der zweiten Stufe zur Staubabscheidung sieht vor, daß das Tauchrohr des zugrundeliegenden Zyklons mit - 4 -

5 einem perforierten Material ausgerüstet wird, um die Gesamtabscheideleistung zu verbessern. Das dafür in Frage kommende Material muß eine filternde Funktion erfüllen, gut abreinigbar und formstabil sein. Des weiteren muß dieses patronenförmige Tauchrohr die auftretenden Temperaturen und eventuellen Funkenflug funktionssicher überstehen. Der Kombiabscheider ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt. Abbildung 2: Kombiabscheider (schematisch) - 5 -

6 Im Rahmen des Forschungsprojektes sind verschiedene Loch- und Schlitzfolien sowie Metallgewebe auf ihre Eignung für diese Aufgabe mit der vorgesehenen Filtermaterialprüfung nach VDI 3926 untersucht worden. Da für den Einsatz der dritten, katalytischen Abscheiderstufe möglichst niedrige Staubgehalte erforderlich sind, fand eine besondere Berücksichtigung der mit den Filtermaterialien erzielbaren Entstaubungsleistung statt. Das ausgewählte Metallgewebe PZ 17 zeichnete sich bei den Untersuchungen zur Filtermaterialprüfung zum einen durch eine ausreichende Stabilität und zum anderen durch eine gute bis sehr gute Entstaubungsleistung aus, mit der teilweise Reingaswerte von unter 1 mg/m³ erreicht werden konnten. Die Materialkennwerte für das Metallgewebe PZ 17 sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Umgekehrtes Trassengewebe PZ 17 Drahtdurchmesser Kette / Schuß 0,04 mm / 0,13 mm Maschenweite 22 µm Porosität 49 % Luftdurchlässigkeit 540 l/dm² min Gewebedicke 0,21 mm Gewicht 0,83 kg/m² Werkstoff rostfreier Stahl Materialart (DIN) Legierung X5 CrNi 17 Temperaturbeständigkeit 600 C Tabelle 1: Materialkennwerte für das Metallgewebe PZ 17 Das Filtermaterial wird plissiert in eine Patronenform gebracht. Bei den relativ geringen Außenabmessungen, einer Länge von 1300 mm und einem Durchmesser von 327 mm, ergibt sich eine Filterfläche von 9 m². Für den Einsatz des Kombiabscheiders bei einem maximalen Volumenstrom von 600 m³/h ergibt sich eine Filterflächenbelastung von 67 m³/m²h. Für diesen Betriebspunkt konnten in den Laboruntersuchungen noch stabile Betriebspunkte ermittelt werden. Eine weitere - 6 -

7 Steigerung des Gasdurchsatzes wäre zwar für den Zyklonteil möglich, allerdings führt er zu einer wesentlichen Erhöhung des Druckverlustes an der zweiten, filternden Stufe. In Abbildung 3 ist der Verlauf des Druckverlustes als Parameter des Volumenstrom aufgezeigt. Erwartungsgemäß ergibt sich für die Kombination von Zyklon und Filterpatrone der höchste Druckverlust. Eine Verringerung des Zyklon- Druckverlustes wird durch den Einbau einer gelochten Tauchrohrverlängerung erzielt; diese Verringerung kann durch eine geänderte Strömung im Zyklon erklärt werden. Das gelochte Tauchrohr führt beim Einsatz mit der Filterpatrone zu einer Trennung der Zyklonströmung von der Filteranströmung und gleichzeitig zu einer Unterteilung des Abscheideraums für eine getrennte Staubaustragung Zyklon mit Filterpatrone Zyklon Zyklon mit gelochtem Tauchrohr Volumenstrom [m³/h] Abbildung 3: Druckverlust für Zyklon und Filterpatrone Das patronenförmige Tauchrohr wird ähnlich den filternden Abscheidern zeit- bzw. druckverlustgesteuert abgereinigt, um einen kontinuierlichen Betrieb des - 7 -

8 Kombiabscheiders zu gewährleisten. Dabei kommt das Pulse-Jet-Verfahren zum Einsatz. Der Regenerierungseffekt beruht bei diesem Verfahren auf der kurzzeitigen Umkehr der Strömungsrichtung, so daß der an der Filterpatrone abgeschiedene Staub abgereinigt werden kann. Bei metallischen Filterelementen ist im Gegensatz zu nicht starren Filtermaterialien vor allem der Spüleffekt maßgebend für die Abreinigungswirkung. Falls besondere Betriebsbedingungen es erforderlich machen, ist auch der Einsatz von Strömungsleiteinrichtungen zur Verbesserung der Abreinigungswirkung möglich. In den Laboruntersuchungen mit Teststaub konnte mit dem Zyklon eine Abscheideleistung von 92% erzielt werden. Durch den Einsatz der Filterpatrone ließ sich diese Abscheideleistung auf Werte von über 99% steigern; der Reingasstaubgehalt lag bei dieser Betriebsweise bei etwa 1 mg/m³. In Tabelle 2 sind exemplarisch Reingasstaubgehalte und Abscheidegrade für den längeren Versuchsbetrieb aufgeführt. Gasdurchsatz [m³/h] Reingasstaubgehalt [mg/m³] Abscheidegrad [%] Minimum Maximum Minimum Maximum 500 0,5 3,7 99,6 99, ,7 6,8 99,3 99,8 für einen Rohgasstaubgehalt von 1 g/m³ (Teststaub: Schiefermehl) Tabelle 2: Reingasstaubgehalt und Abscheidegrad für Laborversuche Die Wirkungsweise der zweistufigen Staubabscheidung spiegelt sich deutlich in der Korngrößenverteilung der abgeschiedenen Stäube wider. In der ersten Stufe der Staubabscheidung, im Zyklon, wird eindeutig die Grobfraktion des Aufgabegutes abgeschieden, während an der Filterpatrone der Feinstaub zurückgehalten werden kann. Bei einer mittleren Korngröße des verwendeten Teststaubes von 8 µm ermittelt man bei einem Gasdurchsatz von 600 m³/h im Zyklon 18 µm und an der Filterpatrone 4,5 µm als mittlere Korngröße. Die ausgetragenen Massenanteile liegen dabei etwa im Verhältnis von 60% für den Zyklon und 40% für die Filterpatrone. Aufgrund der durchgeführten zweistufigen Staubabscheidung bietet sich eine getrennte Behandlung der Stäube an. Eine Reihe von Veröffentlichungen in den vergangenen - 8 -

9 Jahren haben gezeigt, daß die anfallenden Stäube bei der Biomasseverbrennung sehr fein sein können und die Fraktionen von Korndurchmessern kleiner 4 µm besonders schadstoffbeladen sind. So eignet sich der Kombiabscheider ideal für eine getrennte Behandlung der Fein- und Grobstaubfraktion. Bereits während der Konstruktionsphase ist durch eine Zweiteilung des Zyklonbunkers eine gesonderte Behandlung des Feinstaubes getrennt vom Grobstaub ermöglicht worden. 3. Teilstromversuchsanlage Im Rahmen der zweiten Projektphase sind die Untersuchungen zur kombinierten Staub- und Schadgasabscheidung an einer realen Biomasse-Verbrennungsanlage fortgeführt worden. Der Kombiabscheider ist im Teilstrom einer Holzfeuerung mit 4,4 MW thermischer Leistung in der Nähe von Dresden getestet worden. Für den Teilstrom von 1300 m³/h kamen zwei Kombiabscheider zum Einsatz. Die parallel zur Entstaubung durchgeführte Schadgasuntersuchung fand im entstaubten Rohgas statt. Da das Temperaturniveau des Rauchgases nicht beeinflußt werden konnte, mußte ein entstaubter Teilvolumenstrom zur Schadgasuntersuchung wiederaufgeheizt werden. Die Rohgasdaten der Holzfeuerung wiesen sehr starke zeitliche Schwankungen auf, so daß teilweise extreme Erprobungssituationen auftraten. Der Staubgehalt variierte im Bereich von 500 bis 1000 mg/m³, die Rauchgastemperatur im Bereich von 120 bis 190 C. Die einzelnen Rauchgasbestandteile unterlagen sehr starken Schwankungen aufgrund der Anlagenführung. Abbildung 4 zeigt eine Ansicht der beiden Kombiabscheider mit den Rauchgasleitungen zur Teilstromentnahme. Im rechten Bereich ist der Multiklon zur Entstaubung der gesamten Verbrennungsanlage zu erkennen. Die Meßgeräte und Hilfseinrichtungen sind in dem Container untergebracht, der gleichzeitig die beiden Kombiabscheider trägt. In den Laboruntersuchungen wurde sowohl die On-Line-Abreinigung als auch die Off-Line-Abreinigung untersucht. Aufgrund der Auslegung der Teilstrom-Versuchs

10 anlage mit zwei Kombiabscheidern wurde während der Untersuchungen an der Holzverbrennung eine Off-Line-Abreinigung der Patronenfilter durchgeführt. Abbildung 4: Teilstromversuchsanlage an Holzfeuerung Das Rohgas der Verbrennungsanlage wies bei einem durchschnittlichen Staubgehalt von 1 g/m³ mit d p50 50 µm eine deutlich gröbere Korngrößenverteilung auf als der während der Laboruntersuchungen verwendete Teststaub (d p50 8 µm). Nach einer erforderlichen Grundbestaubung der Filterelemente stellte sich nach einer Anlagenlaufzeit von etwa 24 h ein quasistabiles Betriebsverhalten des Kombizyklons ein. Dieses Einschwingverhalten ist charakterisiert durch einen systematischen Anstieg des Druckverlustes der Filterelemente bis zum oberen Druckverlustendwert. Gleichzeitig sinkt die Reingasstaubkonzentration mit zunehmender Anlagenlaufzeit, bedingt durch den Filterkuchenaufbau am Filterelement und einer höheren

11 Staubeinlagerungsrate im Filtermaterial. In Abbildung 5 ist dieser Zusammenhang aus dem Diagramm deutlich zu ersehen. Man erkennt den ansteigenden Bereich für die Filterpatronen, der durch einen oberen und unteren Druckverlustwert begrenzt wird. Die Reingasstaubkonzentration sinkt nach Beginn der Filtrationsphase kontinuierlich ab und geht zusammen mit dem Druckverlust in einen konstanten Verlauf über Filterpatrone 2 Filterpatrone 1 Sigrist-Photometer :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00 Meßzeit [h] Abbildung 5: Kenndaten der Filterpatrone über der Meßzeit Bedingung für den effektiven Einsatz von Staubabscheidern ist eine stabile Betriebsweise. Für eine hohe Abreinigungsintensität konnte auch an der Teilstromversuchsanlage dieses Betriebsverhalten erreicht werden. Dabei stellte sich ein mittlerer Druckverlust von 1200 Pa bei Filterflächenbelastungen von 50 m³/m²h an den Filterpatronen ein

12 Es konnten mit dem Kombizyklon an der Teilstromversuchsanlage Reingaskonzentrationen von 5 mg/m³ ermittelt werden. Diese gegenüber den Laboruntersuchungen erhöhten Reingaskonzentrationen ergeben sich aus den unterschiedlichen Staubeigenschaften und realen Rauchgasbedingungen. Darüber hinaus sind in der Erprobung aufgrund der Anordnung der Teilstromversuchsanlage verschiedene Schwierigkeiten mit der Pulse-Jet-Abreinigung aufgetreten. Für eine stabile Untersuchungsphase von über 1200 Betriebsstunden lassen sich aber die in Tabelle 3 aufgeführten mittleren Roh- und Reingasstaubkonzentrationen angeben. Rohgas Mittlere Staubkonzentration Reingas Abscheidegrad mg/m³ i.n. mg/m³ i.n. % ,3 99, ,0 99, ,1 99, ,8 99, ,8 99, ,6 99,64 k Roh = 1210 mg/m³ i.n. k Rein = 6,3 mg/m³ i.n. η = 99,44 % Tabelle 3: Mittlere Roh- und Reingasstaubkonzentrationen Mit dem Kombizyklon konnte auch bei der Staubabscheidung an der Teilstromversuchsanlage eine Aufteilung in Grob- und Feinstaub erfolgreich durchgeführt werden. Parallel zu der geänderten Rohgaszusammensetzung ergibt sich eine andere Aufteilung der Grob- und Feinfraktion im Kombizyklon. Die Feinfraktion bewegte sich im d p50 -Bereich von µm, während für die Grobfraktion ein d p50 -Bereich von µm ermittelt wurde. Die schwankenden Korngrößenbereiche ergeben sich aus den unterschiedlichen Betriebsphasen der Holzfeuerung. Die Massenanteile von Grob- und Feinstaub lagen mit einem Verhältnis von 80% zu 20% ähnlich wie bei den Laboruntersuchungen. In Tabelle 4 sind die durchschnittlichen Trenngrade für die zweistufige Staubabscheidung des Kombizyklons aufgeführt

13 Volumenstrom Flugstaubaustrag Filterpatrone 1 Zyklon 1 Filterpatrone 2 Zyklon 2 m³/h % % % % Tabelle 4: Massenanteile des getrennten Staubaustrages vom Kombizyklon Es läßt sich ein stabiles Trennverhalten von 1 : 4 für die Abscheidung an der Filterpatrone und im Zyklon unabhängig von variierenden Betriebsparametern ermitteln. Die Zielstellung einer eindeutigen Abtrennung der Feinkornfraktion konnte somit auch an der Teilstromversuchsanlage bestätigt werden. Wie zuvor bereits erwähnt, ist eine getrennte Behandlung der Grob- und Feinfraktion aufgrund der unterschiedlichen Schadstoffbelastung anzustreben. Aus der Gegenüberstellung der Schwermetallgehalte der abgeschiedenen Zyklonstäube und der Filterpatronenstäube geht deutlich hervor, daß eine Anreicherung von Schwermetallen in der Feinfraktion stattfindet. In Abbildung 6 ist die Analyse der Grob- und Feinfraktion beispielhaft für Zink, Mangan und Blei dargestellt Schwermetallgehalt [mg/kg TS] Staubaustrag - Filterpatrone Staubaustrag - Zyklon Zink Mangan Blei Abbildung 6: Staubanalyse der Grob- und Feinfraktion

14 Eingeschränkt werden die Untersuchungsergebnisse durch die extreme Erprobungssituation des Kombizyklons an der Teilstromversuchsanlage durch den intermittierenden Betrieb der Holzfeuerung. 4. Zusammenfassung Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, daß durch die Modifikation eines konventionellen Zyklons eine wesentliche Steigerung der Abscheideleistung erzielt werden kann. Die Staubabscheidung erfolgt zweistufig in einem Zyklonteil und an der als Tauchrohr ausgebildeten Filterpatrone. Damit können Reingasstaubgehalte erzielt werden, die den Einsatz eines integrierten Katalysators ermöglichen. Nach den Laboruntersuchungen der ersten Phase konnte im Rahmen der zweiten Projektphase eine Teilstromversuchsanlage an einer Holzfeuerung in Betrieb genommen werden. Grundsätzlich wurden dabei die Ergebnisse der Laboruntersuchungen bestätigt. Allerdings ergab sich aufgrund der teilweise extremen Betriebsbedingungen eine außergewöhnliche Erprobungsphase. Die Untersuchungsergebnisse können daher nicht ohne weiteres auf andere Industrieanlagen übertragen werden. Es ist daher geplant, die Untersuchung des Kombizyklons im Technikumsmaßstab unter definierten Betriebsbedingungen an einer vorhandenen Versuchsfeuerung weiter fortzuführen. Unter anderem besteht dabei auch die Möglichkeit, weitere Filtermaterialien einzusetzen und für den Einsatz im Kombizyklon zu optimieren

15 Literatur [1] Görner, K.; Schulz, R.; Cramer, C.; Spliessgardt, H.; List, M.; Ritscher, G.; Thieme, S.; Untersuchungen zur kombinierten Staub- und Schadgasabscheidung bei der Energieerzeugung aus Biomasse, Zwischenbericht; Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Osnabrück, 1997 [2] Görner, K.; Schulz, R.; Cramer, C.; Spliessgardt, H.; List, M.; Hartig, P.; Heidenreich, R.; Ritscher, G.; Thieme, S.; Untersuchungen zur kombinierten Staub- und Schadgasabscheidung bei der Energieerzeugung aus Biomasse, Abschlußbericht, Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Osnabrück,