Aufbau und Inbetriebnahme eines Prüfstandes zur Beurteilung der Emissionsminderung von Abscheidern für Kleinfeuerungsanlagen

Abstract

Diese Arbeit hatte zum Ziel, die von der DIN Spec 33999:2014-12 empfohlenen Anforderungen zu überprüfen und eine Prüfvorrichtung aufzubauen, die dazu dienen soll Partikelabscheider zu testen und deren Fähigkeit Emissionen von Kleinfeuerungsanlagen zu mindern. Partikelabscheider sind vor allem seit dem Jahr 2015 wichtig geworden, da die Gesetzeslage verschärft wurde, was Emissionen von Kleinfeuerungsanlagen betrifft. Exemplarisch wurden Abscheider verwendet, unter anderem Speicherfilter und ein elektrischer Abscheider. Der aufgebaute Prüfstand wurde an die DIN Spec 33999 angelehnt, wies allerdings einige notwendige Diskrepanzen davon auf. Bei Speicherfiltern basiert das Prinzip der Trennung darauf, dass Partikel im Fasergewebe der Abscheider festgehalten werden. Somit erreichen Speicherfilter, wie die in dieser Arbeit verwendeten Gewebefilter eine hohen Abscheidegrad, jedoch auch ein hoher Druckverlust, was grundsätzlich nicht für einen Abscheider für Kleinfeuerungsanlagen spricht. Ein hoher Druckverlust bei Speicherfiltern geht meist dann einher, wenn der Filter zur Oberflächenfiltration neigt und es zur Bildung eines Filterkuchens kommt. Ein elektrischer Abscheider basiert auf dem Prinzip, dass Partikel eine Ladung besitzen bzw. diese durch den Abscheider aufgeprägt bekommen, die später dann an der Wand des Abscheiders, also der Niederschlagselektrode, abgesetzt werden. Elektrische Abscheider besitzen einen moderaten Abscheidegrad, jedoch kaum Druckverlust und die Reingaskonzentration ist geringer als bei anderen Abscheidern. Ein weiterer Vorteil von elektrischen Abscheidern ist jener, dass die Wartung von diesen unaufwendiger ist, als jene von filternden Abscheidern, die teilweise vollständig ausgewechselt werden müssen und somit die Anlage anders konzipiert werden muss. Durch Versuche im Labor, an einem stationären Filterprüfstand, wurden Gewebefilter und ein elektrischer Abscheider auf deren Abscheidegrad und Quality Factor überprüft. Bei den Gewebefiltern, welche Mineral ¿und Dämmwolle waren, wurde eine unterschiedliche Anzahl von Lagen (1,3 und 5) überprüft. Am stationären Filterprüfstand konnte schnell festgestellt werden, dass Speicherfilter mit mehr Lagen oder einem dichteren Fasergewebe zwar einen guten Abscheidegrad besitzen, jedoch der Druckverlust so stark zunimmt, dass keine sinnvolle Abscheidung mehr möglich ist. Außerdem wurde untersucht, ob ein Sägezahnblatt genauso gut wie eine Elektrode aus Wolfram im elektrischen Abscheider funktionieren kann. Das Experiment brachte das Resultat, dass der Abscheidegrad der unterschiedlichen Elektroden tatsächlich ein ähnlicher ist und diese keine wesentliche Rolle für das elektrische Feld spielt. In Versuchen im Prüflabor für Feuerungsanlagen, wurde eine Prüfapparatur gemäß DIN Spec 33999 aufgebaut und jeweils eine Lage Mineralwolle, Dämmwolle und ein elektrischer Abscheider überprüft. Zudem konnte die Leistung bzw. die Wirkung eines Scheitholzofens überprüft werden und ob gewisse Emissionswerte in Zusammenwirkung mit den verwendeten Abscheidern eingehalten werden. Es zeigte sich, dass alle getesteten Partikelabscheider unter der maximal zugelassenen Konzentration gemäß DIN Spec 33999 für Staub, CO und TVOC liegen, die Reingaskonzentrationen beim elektrischen Abscheider am geringsten sind wie auch in den Laborversuchen am stationären Filterprüfstand der Abscheidegrad bei den Speicherfiltern anfangs zwar sehr groß ist, diese jedoch schnell zu Oberflächenfiltration tendieren und es zur Ausbildung eines Filterkuchens kommt. Der elektrische Partikelabscheider erzielt moderate Werte hinsichtlich des Abscheidegrad, jedoch erzielt dieser gute Werte den Druckverlust betreffend und ist somit geeigneter für Kleinfeuerungsanlagen.

Air pollution and emission of particulate matter by biomass combustion will, in short future be very strict in Europe, especially in Austria and Germany. Both countries are quite prominent for using biomass as an alternative form of energy for cars and heating of households. The issue of using biomass as a fuel in the private sector is that with the newly introduced limit values, emissions must be kept low. Due to this fact, the base of this thesis is the DIN Spec 33999, which is proposing a furnace system to test particle separators for small residential heating systems, in their separation efficiency and quality. For this reason, a special design of a furnace has been developed according to DIN Spec 33999 and few separators have been tested to determine which of the tested separators is suitable for the use in domestic heating. The tested separators were mineral wool, insulating wool and an electrostatic precipitator. Mineral wool and insulating wool are based on the principle of depth filtration, in which particles collide with the fiber or the material of the filter and stick there, whereas the idea of an electrostatic precipitator is to separate particles from the air stream by deflecting them to the precipitation electrode. In two experiments, the efficiency and quality of the separators were tested, resulting that the woolen filters are ranking high in terms of separation but when considering their high pressure drop, they fail to be used in domestic furnaces. The electrostatic precipitator reaches a moderate level of separation efficiency but when it comes to pressure drop and clean gas concentration it achieves better results in its overall quality than mineral and insulating wool. This makes it highly suitable for domestic heating systems according to DIN Spec 33999.