Entwicklung eines Feinstaubabscheiders für Biomassekleinfeuerungsanlagen

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1 Entwicklung eines Feinstaubabscheiders für Biomassekleinfeuerungsanlagen Prof. Dr.-Ing. Peter Quicker, Dipl.-Ing. Daniel Wohter, Dipl.-Ing. Florian Neuerburg Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe RWTH Aachen University 6. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen 25. Februar 2015 in Straubing

2 Inhalt I. Projektüberblick II. Phase 1 III. Phase 2 i. Grundlagenuntersuchungen ii. Prototypenentwicklung i. Langzeittests ii. Überführung in die Serienreife 2 von 29

3 Projektüberblick

4 Entwicklungshistorie Feinstaubfilter Phase 1 06/ /2013 Ansatz Feinstaubabscheidung durch Tiefenfiltration Entwicklung Prototyp Ergebnis Installation und Erprobung erster Prototypen in der Praxis Sicheres Einhalten der Grenzwerte der 2. Stufe 1.BimSchV Phase 2 11/ /2016 Ziel Markfähigkeit Erweiterung Projektkonsortium Team 7 von 29

5 Entwicklungshistorie Feinstaubfilter Projektziele bei Entwicklungsbeginn Entwicklung eines Staubabscheiders auf Basis der Tiefenfiltration Sehr niedriger Reingaskonzentration Sichere Deposition Angestrebte Eigenschaften Hohe Staubabscheideleistung Kostengünstig in - Anschaffung und Montage - Betrieb und Wartung Betriebssicher auch bei Störungen (z.b. Schwarzfall) keine Blockade Rauchgasweg Leicht integrierbar in vorhandene Feuerungen und Bausubstanz Maximal ein Filterwechsel pro Heizperiode Untersuchung anorganischer Fasern und Naturfasern 8 von 29

6 1. Projekthase Grundlagenuntersuchung und Prototypenentwicklung

7 Grundlagenuntersuchungen Filtermaterialien Glaswolle Temperaturbeständig Chemisch inert Feuchteunempfindlich Faserdurchmesser 3 bis 6 µm Preisgünstig Glaswolle Baumwolle Naturfasern Temperaturbeständigkeit ungenügend Ausreichende Stabilität gegenüber saurem Rauchgaskondensat (Baumwolle und Flachs) Deutlich gröbere Fasern im Vergleich zu Glaswolle Hanf 10 von 29

8 Grundlagenuntersuchungen Naturfasern Alpaka Baumwolle Hanf (Dämmstoff) Hanf (Textilstoff) Leinen Shropshire Scottish Blackface Rhön Merino Herdwick Heidschnucke Herdwick Merino Rhön Heidschnucke Leinen Hanf (Textilstoff) Hanf (Dämmstoff) Scottish Blackface Shropshire Alpaka Baumwolle Faserdurchmesser (Mittelwert) 11 von 29

9 Grundlagenuntersuchungen Thermische Beständigkeit von Naturfasern Achttägige thermische Belastung jeweils 8 Stunden pro Tag Baumwolle 25 C 170 C 200 C 230 C Flachs Wolle (Rhön) 11 von 29

10 Grundlagenuntersuchungen Teststand E-1 P-1 V-1 F-1 TI FI XI P-1 P-1 P-1 TI P-2 TI P-2 TI P-2 FI FI FI PDI E-2 E-2 E-2 PDI PDI XI P-2 XI P-2 XI P-2 P-1 P-1 P-1 G-1 M P-3 12 von 29

11 Grundlagenuntersuchungen Teststand 12 von 29

12 Grundlagenuntersuchungen Staubeinlagerung im Glaswollefilter Technikum Rohgas 4 cm 13 von 29

13 Grundlagenuntersuchungen Staubgehalte im Reingas Glaswollefilter Technikum Staubgehalt [mg/m³i.tr., 13 Vol-% O 2 ] Rohgas 15 mm 15 mm 20 mm 25 mm Reingasstaubgehalte 25 mm 25 mm 25 mm 25 mm 25 mm 25 mm Filterflächenbelastung 25 mm 50 mm 50 mm 50 mm 50 mm Filterflächenbelastung [m³/(m² min)] Stärke Glaswolle 15 von 29

14 Entwicklung des Prototyps Auslegung Konzept Staubabscheider als Kaminaufsatz Keine Behinderung des natürlichen Rauchgaswegs Ausführung der Filter in Taschenform Funktionsweise Radialventilator saugt Rauchgas durch Filtertaschen Wechsel der Filtereinheit nach vollständiger Beladung Parameter Filterfläche: 1 bis 2 m² Max. Differenzdruck: 4,2 mbar 18 von 29

15 Entwicklung des Prototyps Aufbau der Prototypen Strömungsführung Blau: Rauchgasweg im Regelbetrieb Rot: Rauchgasweg bei einer Störung Abmessung ca. 0,5 x 0,5 x 0,5 m d c b a 19 von 29

16 Entwicklung des Prototyps Filtereinheiten des Prototyps 20 von 29

17 Entwicklung des Prototyps Staubgehalte im Reingas Glaswollefilter Praxistest Staubkonzentration [mg/m³ i.tr., 13 Vol-% O2 ] ,5 2 1,5 1 0,5 0 Filterflächenbelastung [m³/(m² min)] 21 von 29

18 Zwischenfazit Fazit Projektphase 1 Filtermaterial Naturfasern im angestrebten Temperaturbereich ungeeignet Glaswolle geeignetes Filtermedium Erfolgreiche Praxistests Hoher relativer Abscheidungsgrad, > 95 % Staubkonzentrationen unter 1 mg/m³ im Reingas möglich Patentanmeldung 22 von 29

19 Projekthase 2 Überführung in die Serienreife

20 Phase 2 Projektziele Bau und Weiterentwicklung Steuerung Konstruktive Optimierung Vereinfachter Medienwechsel Kostenreduktion Optik Erhöhung Standzeit Optimaler Reglungsalgorithmus Erhöhung der Filteroberfläche Erhöhung des Staubaufnahmevermögens Praxistests Identifizierung der Filterwechsel- und Wartungsintervalle Nachweis Langzeitstabilität über vollständige Heizperiode 25 von 29

21 Phase 2 Aktueller Stand Implementierung Filter mit Steuerung an mehreren Praxisstandorten Langzeitversuche in der Praxis Untersuchung weiterer Filtermedien (Material und Bauform) Abscheidung = f (Anströmung, Partikelgröße, Porosität Filter, Faserstärke, ) Prüfung Konstruktion Neue und alternative Konstruktionsmaterialien Wirtschaftliche Fertigung 26 von 29

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Prof. Dr.-Ing. Peter Quicker RWTH Aachen University Aachen