Aktivitäten der FHNW auf dem Gebiet der elektrostatischen Partikelabscheider (ESP)

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1 Aktivitäten der FHNW auf dem Gebiet der elektrostatischen Partikelabscheider (ESP) Institut für Aerosol und Sensortechnik (IAST) H. Burtscher, A. Keller Institut für Thermo- und Fluid Engineering (ITFE) T. Griffin, J. Wüest, E. Wildhaber Fachtagung BAFU/Cercl Air

2 Ablauf 1. Begrüssung / Präambel 2. Messempfehlung Machbarkeitsstudie am gemauerten Kamin 4. KTI-Projekt Feldmessungen, Optimierungen 5. Projekt EN-PME : Beurteilung umweltrelevanter Emissionen (SOA) Fachtagung BAFU/Cercl Air

3 Präambel 1. Dank an BAFU/BFE und KTI sowie Industriepartner 2. Unterscheidung Filter <-> Abscheider 3. Die Aussagen stammen aus dem laufenden Projekt und sind deshalb noch nicht ganz Hieb- und Stichfest und mit grossen Unsicherheiten behaftet. 4. Wer misst, misst Mist. Dieses Sprichwort gilt besonders bei Staub. Fachtagung BAFU/Cercl Air

4 Messempfehlung Fachtagung BAFU/Cercl Air

5 Messempfehlung Wir schlagen deshalb vor, den Abscheidegrad bei elektrostatischen Partikelabscheidern anhand der Anzahlkonzentration zu bestimmen. Die Vorteile sind folgende: Es muss nur ein komplettes Messsystem (Probeentnahmesonde, Verdünner, Messgerät) verfügbar sein. Die Messung erfolgt online und der Aufwand für die Auswertung ist geringer als bei der Gravimetrie. Zudem ermöglicht sie, kritische Phasen der Verbrennung besser zu erkennen. Die Die natürliche Abscheidung des Kamins wird nicht dem Abscheider gutgeschrieben. Umgekehrt belasten die Ausflockungen nicht den Wirkungsgrad. Ergebnisse sind stabil und reproduzierbar. Die Entnahme im Feld hinter dem ESP ist weniger problematisch (gravimetrische Entnahmesonden sollten 0.5 m vor und 2 m hinter dem Abscheider platziert werden). Fachtagung BAFU/Cercl Air

6 Berechnung Abscheidegrad nv1 nv0 m n1 1 m m m v1 n0 1 v0 Wirkungsgrad der Abscheidestrecke bei eingeschaltetem ESP, durch Vergleich der Staubkonzentration vor und nach dem ESP. Wirkungsgrad der Abscheidestrecke bei ausgeschaltetem ESP. Entspricht der natürlichen Staubablagerung im Kamin (inkl. Ausflockungen = negative Ablagerungen). n10 m n1 1 m n0 Wirkungsgrad der Abscheidestrecke, durch Vergleich der Staub- bzw. Partikelkonzentration nach dem ESP bei einund ausgeschaltetem ESP. Der Mittelwertbildung ist besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Berücksichtigung der natürlichen Abscheidung (inkl. Ausflockung): n10 m n1 m n0 mn0 m n1 1 1 m m m m v1 v0 v0 v1 Fachtagung BAFU/Cercl Air

7 Entnahmesonde Entnahme-Sonde hinter dem eingeschalteten ESP nach einer Messung an einem Stückholz- Cheminée. (Links sind die Bärte bereits abgebrochen.) Fachtagung BAFU/Cercl Air

8 Entnahmesonde Temperatur-Sensor nach einer Woche Betrieb! gereinigt Fachtagung BAFU/Cercl Air

9 Ablauf 1. Begrüssung / Präambel 2. Messempfehlung Machbarkeitsstudie am gemauerten Kamin 4. KTI-Projekt Feldmessungen, Optimierungen 5. Projekt EN-PME : Beurteilung umweltrelevanter Emissionen (SOA) Fachtagung BAFU/Cercl Air

10 Feldverlauf Feldstärke [V/m] 1E+8 1E+7 1E+6 1E+5 Metallkamin Steinkamin neu E r r U lnd d 1E+4 d= 16 mm 1E-4 1E-3 1E-2 Radius [m] 1E-1 D = Durchmesser Erdung (Potential = 0); U = angelegte Spannung; E = Feldstärke [V/m]; d = Durchmesser Elektrode r = Radius Fachtagung BAFU/Cercl Air

11 100% 90% 80% 70% 60% 50% 100% 90% 80% 70% 60% 50% Deutsch-Anderson Formel Abgastemperatur [ C] 500 Ofen-Leistung [kw] 40 1 p 1 e 100% Kamindurchmesser Fachtagung BAFU/Cercl Air % 80% 70% 60% A we Q 50% [mm] % 90% 80% 70% 60% 50% Abscheidelänge [mm] 2000

12 gemauertes Kamin Pellet-Ofen Run1 [#/J] Run1 Run2 [#/J] Run1 [#/J] [#/J] Run2 T-Abgas [#/J] 1T-Abgas 1 Absch-Leistung 1 1.E Partikel/Joule 1.E+7 1.E+6 1.E+5 1.E+4 Zeit [min] Temp[ C] / P-Absch [W/10] Fachtagung BAFU/Cercl Air

13 Fazit 1. Der ESP wirkt auch in gemauerten Kaminen 2. Der Abscheidegrad beträgt > 90 % 3. Beim Pellet-Ofen Kaltstart erzielt der ESP einen sehr hohen Abscheidegrad (99 %). 4. Es ist eine leichte Abnahme des Abscheidegrades über die Zeit feststellbar (Raumladungseffekt, Verschmutzung). 5. Bei einem Stückholz-Cheminée wird das Kamin relativ schnell leitend. 6. Für den effektiven Abscheidegrad an realen Anlagen, ist die Deutsch-Anderson Formel zu berücksichtigen. Fachtagung BAFU/Cercl Air

14 Ablauf 1. Begrüssung / Präambel 2. Messempfehlung Machbarkeitsstudie am gemauerten Kamin 4. KTI-Projekt Feldmessungen, Optimierungen 5. Projekt EN-PME : Beurteilung umweltrelevanter Emissionen (SOA) Fachtagung BAFU/Cercl Air

15 KTI Feldmessungen Messgeräte bzw. Messgrössen 1. DiSC (Difusion Size Classifier): misst Partikelanzahl von nm (Feinst-Staub). 2. OPC (Optical Particle Counter): misst Partikel-Anzahl und -Grösse von m. 3. Gravimetrische Filtermethode mit 2 Wöhler-Messgeräten (vor und nach dem ESP, Entnahmeöffnung gegen und in Strömungsrichtung). 4. Gasanalyse (O 2, CO 2, CO, OGC) online vor und nach dem ESP. 5. Prozessgrössen des ESP (Strom, Spannung, etc.). 6. Vom Kaminkehrer entnommene Staubmenge. Fachtagung BAFU/Cercl Air

16 Ausflockung Die Ausflockung (weisse Flocken) sind klar erkennbar. Photo FHNW 2011 Fachtagung BAFU/Cercl Air

17 Feldmessungen #1 Staubkonzentrationen Aus Typenprüfung Aufgesammelte Staubmenge im Kamin und Umrechnung über die verbrannte Holzmenge (ca. ½ Jahr, 2.2 Tonnen) Gemessene Staubkonzentration vor Abscheider (ohne Ausflockung) Gemessene Staubkonzentration vor Abscheider (inkl. Ausflockung) Gemessene Staubkonzentration nach eingeschaltetem Abscheider mg/m Fachtagung BAFU/Cercl Air

18 Abscheidegrade #1 Abscheidegrade Kaminkehrer-Staubmenge bezogen auf Typenprüfung Kaminkehrer-Staubmenge bezogen auf Feldmessung (ohne Ausflockung) Kaminkehrer-Staubmenge bezogen auf Feldmessung (mit Ausflockung) Gravimetrische Messung Wöhler (p 0 p 1 ) DiSC-Messung (ein/aus) OPC (nicht messbar) Erwartet nach Deutsch-Anderson Formel 96 % 79 % 56 % 77 % 72 % (0 %) 73 % Fachtagung BAFU/Cercl Air

19 FM#3 Gravimetrische Staubmessung 140 Staub FM#3 vor ESP Vergleich nach ESP aus Staub FM#3 nach ESP ein 120 Staubkonzentration [mg/m 3 ] Tag 1 Tag 14 Tag Messpunkte Fachtagung BAFU/Cercl Air

20 FM#3 OPC-Messungen 100% 95% 90% Abscheidegrad OPC-Anzahl Abscheidegrad OPC-Masse Abscheidegrad [%] 85% 80% 75% 70% 65% 60% 55% 50% Tag 1 Tag 14 Tag Messpunkt Fachtagung BAFU/Cercl Air

21 DiSC Messungen 100% 99% Abscheidegrad [%] 98% 97% 96% Tag 1 Tag 14 Tag 29 Tag 57 95% Messpunkt Fachtagung BAFU/Cercl Air

22 FM#3 Übersicht Abscheidegrad DISC OPC-Anzahl OPC-Masse Wöhler 100% 95% 90% Abscheidegrad 85% 80% 75% 70% 65% 60% Tag 1 Tag 14 Tag 29 Tag 57 Fachtagung BAFU/Cercl Air

23 FM#3 Übersicht Abscheidegrad 120% 110% Abscheidegrad [%] 100% 90% 80% 70% 60% 50% DISC OPC-Anzahl OPC-Masse Wöhler Fachtagung BAFU/Cercl Air

24 Fazit 1. Elektrostatische Partikelabscheider wandeln Feinststaub in Grobstaub um. Sie leisten damit ihren Beitrag zur Senkung der Feinstaubemissionen (PM1). 2. Die Ausflockungen in den Kaminen beginnen relativ schnell. 3. Die Ausflockungen führen teilweise zur Verschmutzung der unmittelbaren Kaminumgebung, infolge der hohen Sinkgeschwindigkeit der grossen Teilchen. 4. Die Verschmutzung der Elektrode geschieht innerhalb von Stunden (bis Tagen). 5. Die Verschmutzung der Elektrode ist an der Abnahme des Coronastromes erkennbar. Eine Abnahme der elektrischen Leistung kann durch höhere Spannung verhindert werden. 6. Die Ausflockungen legen die Elektrode partiell frei. 7. ESPûs arbeiten dadurch andauernd mit hohem Abscheidegrad. Fachtagung BAFU/Cercl Air

25 Fazit (Fortsetzung) 8. Die verwendeten Messgeräte zeigen, bei idealen Bedingungen, den selben Abscheidegrad. 9. Die Unterschiede ergeben sich hauptsächlich aus den Ausflockungen im Kamin. 10. Damit ausgewiesene Abscheidegrade von Partikelabscheidern vergleichbar sind, müssen einheitliche Bedingungen für die Prüfung definiert werden. 11. DiSC Messungen zeigen die stabilsten und reproduzierbarsten Ergebnisse. Diese werden durch Ausflockungen nicht beeinflusst. 12. Gravimetrische Messungen mit dem Entnahmerohr in Strömungsrichtung liefern scheinbar stabilere Werte, als gegen die Strömungsrichtung. Fachtagung BAFU/Cercl Air

26 Fazit (Fortsetzung) Das zu verwendende Messverfahren muss sich an den Messzielen orientieren. Es soll zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse liefern. Die bisherige Messempfehlung kann aus heutiger Sicht aufrechterhalten werden. Fachtagung BAFU/Cercl Air

27 Ablagerungen Photo FHNW 2011 Fachtagung BAFU/Cercl Air

28 Wie weiter? Die gemachten Erfahrungen müssen an anderen Anlagen erhärtet werden. Dies erfordert umfangreiche Messungen und Datenauswertungen. Obwohl nicht Thema des Projektes, wird das Ausflocken und deren Verhinderung bzw. deren Beherrschung in Zukunft ein Thema sein (auch im Zusammenhang mit möglichen Reinigungsmechanismen). Politisch wird die Diskussion um die Schädlichkeit der Ausflockungen (im Gegensatz zu den Feinst- und Fein- Stäuben) vermutlich ein Thema sein. Damit verbunden wird auch die Bestimmung des Messverfahrens für den Abscheidegrad nach einer neuen EN-Norm sein. Fachtagung BAFU/Cercl Air

29 Ablauf 1. Begrüssung / Präambel 2. Messempfehlung Machbarkeitsstudie am gemauerten Kamin 4. KTI-Projekt Feldmessungen, Optimierungen 5. Projekt EN-PME : Beurteilung umweltrelevanter Emissionen Fachtagung BAFU/Cercl Air

30 Primary/Secondary Emissions Organic Gaseous Carbon (OGC) Secondary Organic Aerosols (SOA) Photochemical Oxidation (Primary) Particles Measurable only after several hours/days in the atmosphere Measurable on emission site Fachtagung BAFU/Cercl Air

31 SOA Emission Data (PSI Smog Chamber) PM Emissions (g/kg CO 2 ) SOA 1.1±0.6 SOA 0.49±0.3 3 SOA 1.2±0.5 SOA 0.056±0.061 SOA 0.32±0.1 3 SOA POA BC SOA below detection limit? 0.0 Old Start Old Flaming Adapted from Heringa et al., ACP, 2011 Modern Start Modern flaming Pellet Start Pellet Stable residence time 5 hours Fachtagung BAFU/Cercl Air

32 Micro Smog Chamber Idea: Simulate photochemistry at a much faster rate (seconds instead of hours) CxHy Container FID 185 and 254 nm lines 4 W per Lamp Reaction Chamber Agglomeration Chamber Diluter Zero Air Zero Air Chambers Volume: 2 x 76ml SMPS & TEOM Fachtagung BAFU/Cercl Air

33 Real Time SOA (Micro Smog Chamber) Data represents 1min running average SOA Emission Factor (g/kg_co2) 1 100m 10m Start Cleanning UV Off Pellet Start Heringa, 2011 Modern Logwood Flamming Heringa, :00 13:15 13:30 13:45 14:00 14:15 14:30 14:45 15:00 15:15 15:30 15:45 16:00 Daytime Pellet Nominal P=9kW Running at 70% residence time: 3 sec. UVC + 3 sec. UVA Fachtagung BAFU/Cercl Air

34 Fragen? Vielen Dank für die Aufmerksamkeit. Fachtagung BAFU/Cercl Air