Untersuchung der Beladung und Regeneration eines granularen Schüttschichtfilters bei der Staubabscheidung

Abstract

Abstract Luftverschmutzung im Allgemeinen und Feinstaubemission im Besonderen sind, aufgrund ihres Gefahrenpotentiales für die menschliche Gesundheit, in den letzten Jahren stärker in den Fokus der Wissenschaft gerückt. Davon sind vor allem Ballungszentren und Regionen betroffen, die durch ihre topographischen Gegebenheiten eine Anreicherung von Partikeln in der Atmosphäre begünstigen. In Österreich wurden aus diesem Grund 2012 die Staubemissionsgrenzwerte gesenkt. Unter anderem sind neue Grenzwerte bezüglich der Staubemission bei neu installierten Kleinfeuerungsanlagen verabschiedet worden. Diese Grenzwerte sind zum 1. Jänner 2015 noch einmal verschärft worden. In der Industrie sind nachgeschaltete Entstaubungsanlagen bereits seit langem im Einsatz. Auch in Kleinfeuerungsanlagen stellen sie eine Möglichkeit dar, die Staubemissionen zu reduzieren. Am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften Arbeitsbereich Mechanische Verfahrenstechnik und Luftreinhaltetechnik wurde ein neuartiges Filterkonzept speziell für den Einsatz bei Kleinfeuerungsanlagen konzipiert. Dieses Filterkonzept basiert auf der Grundlage eines Schüttschichtfilters. Bei einem Schüttschichtfilter erfolgt die Staubpartikelabtrennung mittels Tiefenfiltration in der Schüttung. In dieser Arbeit wurde der Betrieb des Schüttschichtfilters an einem Filtermittelprüfstand getestet, um die optimale Betriebsform, Schütthöhe und ein geeignetes Schüttgut zu bestimmen. Als Ausgangspunkt für den verwendeten Filtermittelprüfstand diente die Vornorm DIN SPEC 33999, in welcher der Aufbau und die Prüfung von Staubminderungseinrichtungen für Kleinfeuerungsanlagen beschrieben werden. Um ein möglichst umweltfreundliches und nachhaltiges Filtersystem zu gewährleisten, wurden nur Schüttgüter untersucht, die diesen Anforderungen genügen. In den Versuchen zur Bestimmung der Betriebsform wurden vier Schüttgutmaterialien auf ihre Eignung als Tiefenfiltermedium untersucht: stabförmige Holzpellets, Tongranulat, halbkugelförmige Holzpellets und Viskosefaserflocken-Holzspänemischung. Um die Schüttgüter zu bewerten, wurden die filtrationsspezifischen Kenndaten Druckverlust über die Schüttung, Abscheidegrad und Quality Factor bestimmt. In den Versuchen wurde die Schüttungshöhe von 10 bis 80 cm variiert, um die optimale Schüttungshöhe zu ermitteln. Die Untersuchungen zeigten, dass die Abscheidung mit einer Schüttungshöhe von 30 cm und einer Viskosefaserflocken-Holzspänemischung als Filtermedium am höchsten ist. Die Viskosefaserflocken-Holzspänemischung besitzt bereits ab einer Schüttungshöhe von 30 cm einen Fraktions-abscheidegrad von über 90% für Partikeldurchmesser bis in den Nanometerbereich und schneidet damit deutlich besser ab, als die anderen untersuchten Materialien. Nach dem Umbau des Filtermittelprüfstandes für Langzeitversuche wurde das Schüttgut erneut angepasst, da die Holzspäne erhebliche Probleme beim Schüttgutwechsel verursacht hatten. Nach mehreren Versuchen, stellte sich eine Mischung aus Viskosefaserflocken und halbkugelförmige Holzpellets als optimales Schüttgut heraus.

Abstract Over the last decade, air pollution in general and particle emissions in particular have been the focus of an ever growing number of studies and subject to higher regulations. This attention is not without cause. The health risks for humans and the environmental impact are considered to be wide reaching and dangerous. Especially urban environments with a high population density and high traffic are affected, as well as Regions with topographic conditions that facilitate the particle enrichment of the atmosphere. For this reason Austria implemented lower dust emission limits in 2012. One of the new regulations specifies lower dust emission limits for newly installed residential combustion. These limits have been lowered again in January of 2015. In the industry it is common practice to place the dust removal system downstream. For residential combustion this could also be a way to meet the new dust emission limits. At the Institute of Process, Environmental and Bioscience Engineering the research division for Mechanical Process Engineering and Clean Air Technology, designed a new filtration concept for use in residential combustion. This filtration concept is based on the principle of a packed bed filter. A dust collector comprising a filter layer that could be regenerated would have significant advantages, compared to other dust reduction systems, with regard to a permanent reliable function, low maintenance requirements and lower life cycle costs. The used filter medium is a layer of loose or compacted pourable bulk solid. This filter layer can be seen as a deep bed filter with comparable high separation efficiency and low pressure drop. During this thesis the operation of the filtration medium test rig using direct flow, was compared to the operation using counter flow, to determine the configuration, filling height and the optimal granular filter medium. Basis for the design of the filtration medium test rig was the prestandard DIN SPEC 33999, which specifies the structure and test procedures for dust control equipment. To ensure an eco-friendly and sustainable filtration system, only pourable bulk solids that met those requirements where considered for testing. During the trial to determine the flow configuration, four materials were tested: rod-shaped wood pellets, clay granules, hemispherical wood pellets and a mixture of viscose fibre flakes and wood chips. In order to compare the material in different flow configurations, the filtration-specific characteristics of pressure drop over the filter medium, dust separation efficiency and quality factor were determined. The optimal height for the filter layer was determined by modifying the height from 10 to 80 cm. The experiments showed that for long term trials, a counter flow configuration with a 30 cm layer of viscose fibre flakes mixed with wood chips would be the optimal solution. Since the mixture of viscose fibre flakes and wood chips separates out 90% of the dust particles even with particle diameters in the nanometer range. These results surpass those of the other tested materials. After modifying the filtration medium test rig for long term trials the filter medium had to be adjusted since the wood chips caused significant problems in the regeneration process. After taking the new requirements into account the optimal filtrations medium was found to be a mixture of viscose fibre flakes and hemispherical wood pellets.