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
1. Einleitung 2. Theorie 3. Laboraufbau 4. Resultate 5. Schlussfolgerungen
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 3 @ 13% O 2 20 mg/m 3 @ 13% O 2 20 mg/m 3 @ 11% O 2 LRV-Verschärfung ab 2012 2008 Technischer Stand neu neu bekannt Beispiel [Oekotube] [G&M] [Beth]
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
1. Einleitung 2. Theorie 3. Laboraufbau 4. Resultate 5. Schlussfolgerungen
Partikelbildung [1] : Evans und Milne, 1987 [2]: Jess, 1996
Partikelquellen
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
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, 3 7.5.2010] [Nussbaumer, Energy & Fuels 2003, 17]
EA Betrieb an automatischer Holzfeuerung Russ oder COC Salz
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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
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
1. Einleitung 2. Theorie 3. Laboraufbau 4. Resultate 5. Schlussfolgerungen
Gas und Chemische Analyse *Ref: 1MW AWC
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%
EA Abscheidegrad Masse Rohgas I Abscheidegrad I
Korngrössenverteilung für Russ SMPS I OPC
IU-Charakteristik Abgastemperatur ~ 150 C Start Rücksprühen
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]
1. Einleitung 2. Theorie 3. Laboraufbau 4. Resultate 5. Schlussfolgerungen
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
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
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
Danksagung Bundesamt für Energie (BFE) Kommission für technische Innovation (KTI) Prof. Dr. Heinz Burtscher, FHNW