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12 | 2012

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Special

Special Luftreinhaltung/Emissionen Kleinfeuerungsanlagen: Filterpatronensystem für dieAbgasentstaubung Häuslichen Kleinfeuerungsanlagen sind eine der Hauptemissionsquellen für Feinstäube und tragen zu etwa 13 Prozent zuden Feinstaubemissionen in Deutschland bei. Laut Umweltbundesamt (UBA, Stand: 12. März 2007) wurden aus Holzfeuerungsanlagen knapp 24 000 Tonnen Feinstaub emittiert. Aufgrund des verstärkten Einsatzes von Holz in häuslichen Kleinfeuerungsanlagen ist nach Schätzung zu erwarten, dass der Feinstaubausstoß ohne Reduzierungsmaßnahmen bis 2015 um gut 12,5 Prozent zunimmt. Der vorliegende Beitrag behandelt neue Erkenntnisse über die Entstaubung bei Kleinfeuerungsanlagen durch einen Abreinigungsfilter beziehungsweise ein Filterpatronensystem. Dr.-Ing. Mohammadshayesh Aleysa Das Filterpatronensystem wurde an einem Scheitholzvergaserkessel und einer Pelletverbrennungsanlage eingesetztund anhand fünf verschiedener Bio- und Abfallbrennstoffe erprobt. In dererstenEntwicklungsphasewurde dasFilterpatronensystem ohne denEinsatz einer Sprühelektrode getestet. Die Ergebnisse der Erprobung beim Einsatz eines Scheitholzvergaserkessels beziehungsweise vonBuchenscheitholz sind im Folgenden dargestellt. Weitere Ergebnisse sind in der Doktorarbeit des Autors zu finden. Temperaturverlauf und Kondensatbildung beim Betrieb Grafik 2(unten) zeigt ein Beispiel für die typischen Verläufe der Taupunkt- und Rauchgastemperaturen Abbildung: Schematische Darstellung des Filterpatronensystems für 40 kW th Feuerungsanlagen. im Filterpatronensystem bei der Verbrennung im Scheitholzvergaserkessel. Durch eine selbstentwickelte Kombination aus einer Vorkammer und einem internen Bypass wurde eine zureichende Vorwärmung des FPS in der Anfahrbetriebsphase ohne zusätzlichen Energieaufwand erreicht. Zudem erfolgt keine schlagartige Absenkung der Temperatur nach dem Schließen des internen Bypasses. Die Abgastemperatur ist während des gesamten Betriebs über der Taupunkttemperatur des Wasserdampfs geblieben. Die Ausbrandphase ist imAllgemeinen bezüglich der Kondensatbildung unproblematisch,dader Feuchtegehaltund somit die Taupunkttemperatur schneller absinken als die Abgastemperatur. Druckverlust und Wirksamkeit der Abreinigung der Filterpatrone Grafik 3stellt einentypischenVerlauf desDruckverlustes in Abhängigkeit von der Zeit bei sachgemäßem Betrieb (CO

Grafiken (3): Fraunhofer IBP Grafik 2: Verläufe der Taupunkt- und Abgastemperatur bei der Verbrennung von Buchenscheitholz. Grafik 3: Typischer Verlauf des Druckverlustes bei der Verbrennung von Buchenscheitholz. Membranventils von 100 Millisekunden ein Reinigungswirkungsgrad von über 90 Prozent erreicht. Abscheideleistung des Filterpatronensystems Die Staubkonzentrationen im Rauchgas wurden gravimetrisch gemessen. Umdie Konzentrationen der Feinstäube imReingas messen zu können, wurde ein Filterpapier aus Glasfaser eingesetzt. Auf diesem Filterpapier könnenFeinstäubemit 99 Prozent und einer Größe bis 0,7 Mikrometer abgeschieden werden. Beim Betrieb des Filterpatronensystemswurden Staubkonzentrationen imReingas von weniger als 8mg/m 3 im Vergleichszustand ermittelt. Folglich wurden sowohl die heutigen als auch die zukünftigen Grenzwerte des Staubs nach der 1. BImSchV eingehalten. Gesamt- und spezifische Kosten für das Filterpatronensystem Beim Einsatz des Filterpatronensystems zur Entstaubung bei einem modernen Scheitholzvergaserkessel mit einer thermischen Nennwärmeleistungvon 40 kW sindAnschaffungskosten von 4053 Euro beziehungsweise Gesamtkosten von knapp 482 Euro/a zu erwarten.Daraus ergebensichspezifische Kosten von gut 12 [Euro/(kW (Anlagenleistung)/a]. Die Betriebskosten variieren jenach Brennstoff und Art der Feuerungsanlage. Etwa durch den Einsatz des Filterpatronensystems für die Entstaubung erhöht sich die Wärmebereitstellung im Haushalt bei der Verbrennung von Buchenscheitholz in einem modernen Scheitholzvergaserkesselum8,2 Prozent. Umsetzbarkeit Die Umsetzbarkeit des Filterpatronensystems imHaushalt lässt sich hinsichtlichder Abscheideleistung,der Stabilität desBetriebs unddes Temperaturverhaltens beurteilen. Durch Abreinigungsfilter ist es möglich, mit einer einfachen Konstruktion eine sehr hohe Abscheideleistung unabhängig von den Abgas- (unter anderem Temperatur, Druck, Zusammensetzung, Volumenstrom) sowie den Partikelparametern (etwa Art, Konzentration, Korngrößenverteilung) zu erreichen. Für die Umsetzbarkeit von Abreinigungsfiltern ist die Betriebsstabilität von großer Bedeutung. Sie hängt von der Anstiegsgeschwindigkeit des Druckverlustes und der Häufigkeit der Reinigung der Filterpatrone während desBetriebsab. DiebeidenGrößenwerden durch die Verbrennungsqualität, die die Menge und Beschaffenheiten der gebildeten Stäube, wie etwa die Feinheit beziehungsweise Korngrößenverteilung bestimmt, beeinflusst. Eine stabile vollständige Verbrennung lässt sich imheutigen technischen Zustand der Kleinfeuerungsanlagen über den ganzen Betrieb, vor allem inder Anfahrbetriebsphase, nur bedingt erreichen. Beim Betrieb des Filterpatronensystems lag die Rauchgastemperatur während der Filtration durch die Filterpatrone über der Taupunkttemperatur sowie unter der maximalen Beständigkeitstemperatur des Filtermediums (260 °C). Das heißt das Filterpatronensystem lässt sich inheutigen, auf dem Markt erhältlichen, Kleinfeuerungsanlagen ohne externe Aufwärmung desAbgases einsetzen. Fazit DieEntstaubung in häuslichen Kleinfeuerungsanlagen ist aufgrund der unstabilen und unvollständigen Verbrennung mit hohen Schwierigkeiten verbunden. Staub,der bei derunvollständigen Verbrennung in Kleinfeuerungsanlagen entsteht, besteht zum großen Teil aus organischen Partikeln. Diese verursachen aufgrund ihrer ungünstigen Beschaffenheiten viele Probleme in den nachgeschalteten Entstaubungssystemen unabhängig vom Abscheideprinzip. Daher müssen sie aus einer wirtschaftlichenund technischenSicht durch Primärmaßnahmen beziehungsweise Weiterentwicklung der Verbrennungstechnik der Kleinfeuerungsanlagen gemindert werden. Zudem sollten die Kleinfeuerungsanlagen weiter technisch entwickelt werden, sodass ein sachgemäßer stabiler Betrieb vor allem in derAnfahrbetriebsphase –inder aufgrund der unvollständigen Verbrennung über 90 Prozent der Feinstaubemissionenentstehen–und so eine signifikante Reduzierung der Feinstaubemissionenerreichtwerdenkann. In der Abteilung Energiesysteme des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP sind zwei neue Verbrennungstechnologien zum Einsatz in Kleinfeuerungsanlagen konzipiert worden. Für deren Weiterentwicklung wird eine Kooperation mit Herstellern von Kleinfeuerungsanlagen angestrebt. Dr.-Ing. Mohammadshayesh Aleysa, Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, Stuttgart, Mohammadshayesh.Aleysa@ibp.fraunhofer.de UmweltMagazin Dezember 2012 25

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