Charakterisierung der Partikelarten aus der Holzverbrennung und Eigenschaften in Elektroabscheidern

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1 Charakterisierung der Partikelarten aus der Holzverbrennung und Eigenschaften in Elektroabscheidern Adrian Lauber Thomas Nussbaumer Fachgruppe Bioenergie Hochschule Luzern 11. Holzenergie-Symposium Zürich, 17. September 2010

2 1. Einleitung 2. Theorie 3. Laboraufbau 4. Resultate 5. Schlussfolgerungen

3 EA für Holzfeuerungen Klein-EA EA für automatische Holzfeuerungen Leistung 5 kw 70 kw 70 kw 1 MW > 1 MW 500 kw > 500 kw LRV-Staubgrenzwert 50 mg/m 13% O 2 20 mg/m 13% O 2 20 mg/m 11% O 2 LRV-Verschärfung ab Technischer Stand neu neu bekannt Beispiel [Oekotube] [G&M] [Beth]

4 EA Auslegung Zur Auslegung von EA sind folgende Parameter entscheidend: Partikeleigenschaften Gaszusammensetzung Temperatur Betriebsführung EA sind seit über 50 Jahren Standard in Kraftwerken und Industrie Auslegungsparameter sind gut bekannt für Kohle [H.J. White, Industrial Electrostatic Precipitation, Pergamon, Oxford 1963] Kenngrössen für Holzfeuerungen fehlen

5 1. Einleitung 2. Theorie 3. Laboraufbau 4. Resultate 5. Schlussfolgerungen

6 Partikelbildung [1] : Evans und Milne, 1987 [2]: Jess, 1996

7 Partikelquellen

8 Partikeleigenschaften C/H > 6 8 [5] 1 (< 2) elektrische Leitfähigkeit mittel hoch tief (isolierend) * Eignung EA [3] ideal Wiedereintrag Rücksprühen * primäre Teere: isolierend, sekundäre Teere und PAK: halbleitend [4] [3]: Parker, 1997 [4]: Roempp, 1989 [5]: Leuckel und Römer, 1979

9 Partikeltypen Verbrennung Pyrolyse Luftmangel in der Flamme Mix T und O 2 gut T tief / Luftüberschuss Russ Salz + Russ Salz COC ('Teer') [T. Nussbaumer, A. Lauber, 18th Eur. Bio. Conf., Lyon, ] [Nussbaumer, Energy & Fuels 2003, 17]

10 EA Betrieb an automatischer Holzfeuerung Russ oder COC Salz

11 1. Einleitung 2. Theorie 3. Laboraufbau 4. Resultate 5. Schlussfolgerungen

12 Laboraufbau Elektroabscheider L 1000 mm D 100 mm U 1 m/s SCA 45 s/m -65 kv U max Partikelgenerator 15 kw Pelletkessel modifiziert

13 Laboraufbau Elektroabscheider Berechneter EA Abscheidegrad in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke L 1000 mm D 100 mm U 1 m/s SCA 45 s/m -65 kv U max Partikelgenerator 15 kw Pelletkessel modifiziert

14 1. Einleitung 2. Theorie 3. Laboraufbau 4. Resultate 5. Schlussfolgerungen

15 Gas und Chemische Analyse *Ref: 1MW AWC

16 elektrische Leitfähigkeit [Parker 1997] tief mittel hoch Wiedereintrag ideal Rücksprühen Spezifischer Staubwiderstand trockenes Abgas* feuchtes Abgas* *trocken: 5 vol.-% H 2 O z.b. Luftüberschuss 3 & Holzfeuchtigkeit 5% *feucht: 20 vol.-% H 2 O z.b. Luftüberschuss 1.2 & Holzfeuchtigkeit 50% *Ref: 13 vol.-% H 2 O: Luftüberschuss 1.5 & Holzfeuchtigkeit ca. 30%

17 EA Abscheidegrad Masse Rohgas I Abscheidegrad I

18 Korngrössenverteilung für Russ SMPS I OPC

19 IU-Charakteristik Abgastemperatur ~ 150 C Start Rücksprühen

20 Staubschichtaufbau leitende Partikel: ʻverästelterʻ Aufbau normale und isolierende Partikel: homogener Aufbau Russ Salz COC schwache Adhäsion / Wiedereintrag Stabile Schicht klebrige Schicht [Blanchard et. all., 2002]

21 1. Einleitung 2. Theorie 3. Laboraufbau 4. Resultate 5. Schlussfolgerungen

22 Schlussfolgerungen 1/2 1. Aus der Holzverbrennung konnten drei Partikeltypen identifiziert werden, die unterschiedlichen Verbrennungsbedingungen entsprechen 2. Diese weisen komplett unterschiedliche Eigenschaften auf, wobei die elektrische Leitfähigkeit für den EA-Betrieb die Wichtigste ist 3. Salze aus guter Verbrennung haben ideale Leitfähigkeit für EA 4. Russ ist sehr gut leitfähig und kann gut abgeschieden werden, führt aber zu Wiedereintrag von Agglomeraten 5. COC ist elektrisch isolierend, dies führt zu Rücksprühen und schränkt den EA-Betrieb ein

23 Schlussfolgerungen 2/2 6. EA-Betrieb ist unkritisch für gute und stationäre Betriebsbedingungen. Kritisch für den EA-Betrieb sind: 1. Tiefe Temperatur wegen COC 2. Luftmangel wegen Russ oder COC somit - Startphase - Drosselung der Luftzufuhr - zu nasses Holz - transiente Phasen -... > das reduziert die Verfügbarkeit der EA

24 Ausblick Die Verfügbarkeit der Elektroabscheider ist entscheidend und muss erhöht werden: Stationäre Verbrennung z.b. durch Einsatz von zwei Kesseln mit separaten EA Prozessintegration mit Indikator über die Partikeleigenschaften - Abgastemperatur (heute) plus: - Luftüberschuss - Verbrennungstemperatur - Holzfeuchtigkeit Massnahmen zur Verhinderung von Wiedereintrag: - Strömungsgeschwindigkeit im EA limitieren auf < 1.5 m/s - Strömungsoptimierte Abscheiderelektrode - kürzere Abreinigungsintervalle in Betriebsphasen mit Wiedereintrag

25 Danksagung Bundesamt für Energie (BFE) Kommission für technische Innovation (KTI) Prof. Dr. Heinz Burtscher, FHNW