Eine Einführung · Verenum! Feinstaub (PM 10) = Feststoffe und Tröpfchen < 10 Mikrometer...

Verenum!

TITEL-FOLIE!

Prof. Dr. Thomas Nussbaumer""Hochschule Luzern – Technik & Architektur"Fachgruppe Bioenergie""Verenum, Ingenieurbüro"Zürich !

Staubabscheidesysteme!– Eine Einführung!

BAFU-Fachtagung Holzverbrennung und Feinstaub, Bern 8.11.11!

Verenum!

!

1.# Einleitung: Was ist Feinstaub, " ! ! was ist der Abscheidegrad!

2.# Verfahren der Staubabscheidung!

3.# Feinstaub aus Holz!

4.# Staubabscheidung bei Holzfeuerungen!

5.# Schlussfolgerungen!

Verenum!

Feinstaub (PM10) = Feststoffe und Tröpfchen < 10 Mikrometer Aerodynamischer Durchmesser !Den oberen Atemwegen angeglichene Trennkurve:!

!< 1 µm wird 100% erfasst!!10 µm wird 50% erfasst!!> 15 µm wird 0% erfasst!

Verenum!

Feinstaub als Indikator der Luftverschmutzung "“Six Cities Study” USA 1993 !

[Dockery et al. New England J. Med. Vol 329 (1993): 1753-1759]

P = Portage, T = Topeka, W = Watertown, L = St. Louis, H = Harriman, S = Steubenville.!

Rel

ativ

e St

erbl

ichk

eit

[–]!

PM 2.5 [µg/m3]!

Verenum!

Feinstaub ist kein neues Phänomen!Visualisierung von Russ in Lunge eines 46-Jährigen mit EFTEM [F. Hofer, TU Graz]!

Russ= schwarz Russ = rot!

„Ötzi“!!

Fundort 2003 !in Südtirol (I) !

!† 3359-3105 b.c.!

Energiegefilterte Transmissionselektronenmikroskopie!

Verenum!

!

1.# Einleitung: Was ist Feinstaub, " ! ! was ist der Abscheidegrad!





Verenum![Fritz & Kern, Vogel 1990]!

[Baumbach, Springer 1993]!

Definition „Abscheidegrad“!

= Massen-Abscheidegrad!

Abscheider!!

!!!!!!!!!V•

g

m•

S,roh !=!croh !!!V•

g !

!!!!!!!!!V•

g

m•

S,rein !=!crein !!!V•

g !

m•

S,ab =! croh ! crein( )!"!V•

g !

Verenum!

!

Abscheider!!T = 90%! N = 90%!=!

T = (Massen-)Abscheidegrad!

N = Anzahl-Reduktionsgrad!

Verenum!

!

Abscheider!!T = 80%! N = 10%!$!



Verenum!

!

Abscheider!!T = 20%! N = 90%!$!



Verenum!

!

Abscheider!!T = 0%! N = 90%!$!



Verenum!

Definition „Abscheidegrad“!

Abscheidegrad T = Massen-Abscheidegrad!

Anzahl-Reduktionsgrad N $ Abscheidegrad!

Verenum!

!

Abscheider!!T = 50%! N = 50%!=!

=! =!

=! = !

Verenum!

!

1.# Einleitung!2.# Verfahren der Staubabscheidung"

2.1 Übersicht"2.2 Filtrierende Abscheider"2.3 Elektrostatische Abscheider"2.4 Nasswäscher!

3.# Feinstaub aus Holz!4.# Staubabscheidung bei Holzfeuerungen!5.# Schlussfolgerungen!

Verenum!

!Grobabscheider! Feinstaubabscheider!

1. Massenkraft-Abscheider!

2. Filternde"Abscheider!

3. Elektrostatische "Abscheider ($ Filter !)!

4. Nasswäscher "+ Massenkraftabscheider!

> 50#µm > 5#µm! > 0.01#µm! > 0.01#µm! > 1#µm!!Schwerkraft!

!Fliehkraft!

Speicherfilter mit Tiefen-Filtration "(im Filter)!

Abreini-gungsfilter mit Oberflä-chen-Filtra-tion (Kuchen)!

!Trocken-Elektro-abscheider!

!Nass-Elektro-abscheider!

!Durchströmte Flüssigkeit!

!Tröpfchen-Eindüsung!

!Absetz-kammer!

!Zyklon!

Grobfilter, Schwebstoff-filter (z.B. für Reinluft als Einwegfilter)!

Gewebefilter Taschen- und Schlauchfilter !Schütt-schichtfilter!

!Platten-EA!(Rohr-EA)!

!Rohr-EA !Platten-EA!

Kolonnen-wäscher mit Böden oder Füllkörper!

Waschturm, Venturi- und Radialstrom-wäscher!

– +!

+!

Rohgas ! Reingas!

Verenum!

Fraktionsabscheidegrad!

[Fritz & Kern 1990] Nass-EA ergänzt!

PM 10 <–!

Elektroabscheider !

Zyklon !

Nass-EA !

Gewebefilter !

Verenum!

!


2.1 Übersicht"2.2 Filtrierende Abscheider "2.3 Elektrostatische Abscheider"2.4 Nasswäscher!


Verenum!

2. Filternde Abscheider: Gewebefilter!

[Fritz & Klein 1990]!

0.1 - 1 µm! > 1 µm! < 0.1µm!

+ Sperreffekt!

(typisch < 10 –%30 µm,!Nanofaser 0.2–0.5 µm) !

Verenum!


Scheuch!

Verenum!


[Fritz & Kern 1990]!

!pF!!pK!

!p (t) = !pF,0 + !pF (t) + !pK (t) !

Verenum!


Lühr!

1

2

3

4

5

6

8

7

1: Rohgas!2: Sorptionsmitteldosierung!3: Strömungsreaktor!4: Filterschläuche!5: Sorptionsmittel- und Ascherückführung!6: Kugelmühle zur Mahlung!7: Ascheaustragung!8: Reingas!

1.# Schadgas-Abscheidung:"SO2, HCl, PCDD/F"!

2.# Pre-Coating als Schutz und/oder Kuchen!

Sorbens-Zugabe: CaO, C!

Verenum!

!




Verenum!

3. Elektrostatische Abscheider EA "(Electrostatic Precipitation ESP)!

Negative Sprühelektrode (Corona) hat rund doppelt so hohe Überschlagsspannung wie positive Corona!!Industrielle EA in der Abgasreinigung: Negative Corona, 20 –%100 kV!

Verenum!

Hoval!

HSLU [Lauber & Nussbaumer 2011]!

" !

Durchmesser D = 150 mm!Spannung ! U = 30 kV für 4 kV/cm !Stromdichte ! i = 0,5 mA/m2!

Brown sche Molekularbewegung!

Diffusionsaufladung!!!!!!!!!!!!!Wirksam < 0,2 Mikrometer!Partikel kleiner freie Weglänge (um 0,1 Mikrometer) bewegen sich durch Molekularbewegung zwischen den sich ebenfalls sich bewegenden Gasionen (Bild: Duschbrause = Elektronenlawine, Zusatzbewegung durch Molekularbewegung sorgt dafür, dass Zusammentreffen eintritt)!

Elektrische Feldkräfte

Feldaufladung!!!!!!!!!!!!!Wirksam > 1 Mikrometer!Partikel sind viel grösser als freie Weglänge und bewegt sich mit Stromlinie und stösst aufgrund der Grösse mit Gasionen zusammen!

Verenum![Fritz & Kern, Vogel 1990]!

[Baumbach, Springer 1993]!

Abscheidegrad Elektroabscheider!

Verenum!

!

– +!

+!

–! +!

Rohr-EA ! ! !Platten-EA!!!

Spanner!Aerob-Beth!

Verenum!

!




Verenum!

4. Nasswäscher mit Tropfen-Eindüsung!

[Lurgi]!

Waschturm"(Gaswäscher)!

Venturi-Wäscher! hohes !p, für Volumenstrom = konstant!

Prinzip!Grosse Differenz-

geschwindigkeit zwischen kleinen Partikeln im

Gasstrom und grossen (trägen) Tropfen!

Verenum!

4. Nasswäscher als Abgaskondensation!

[QS Holzheizung, Nussbaumer et al. 2001]![Neuenschwander et al. 1998]!

w = 50%!l = 1,6!TAG = 45 °C!hf = 112%!!hf = >20%!

Wirkungsgrad in Funktion von T, u und Lambda!

Verenum!

!

1.# Einleitung!


3.# Feinstaub aus Holz - Bildung, Arten, Eigenschaften!



Verenum!

CO2!

Asche!CaO, KCl!

C!Ca, K, Cl, N!

h"!

EC, COC !CO, VOC!

!!PM10!!!!

Cfix!

Emission und Immission von Feinstaub!

Salze NOx!

POA!! SOA!

PIA!!SIA!

Verenum!

Parti

kelb

ildun

g be

i der

Hol

zver

bren

nung!

[Nussbaumer & Lauber 2010]![1] : Evans und Milne, 1987, [2]: Jess, 1996!

Verenum!

Partikelquellen!

P2P1 P3

Verenum!

Partikeltypen!

[T. Nussbaumer, A. Lauber, 18th Eur. Bio. Conf., Lyon, 3–7.5.2010]![Nussbaumer, Energy & Fuels 2003, 17]!

Salz!Salz + Russ! COC ('Teer')!Russ!

Verbrennung!– Mix –!

Pyrolyse!T > 800°C"

O2 > 0!T < 700°C!T > 800°C"

O2 = 0!

Verenum!

Ist aller Feinstaub gleich ?!

Diesel PW Euro 3 ohne DPF Dieselruss

PM10 Toxizität!!

1 x 1 = 1!

Automatische Holzfeuerung PM aus Holz, v.a. Salze

678

4

38

5

2

1 x <0.2 = <0.2!

Holzofen mit Luftklappen zu PM mit Russ, Teer & Kondensat

10 x 10 = 100!

Verenum!

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Partikelkonzentration in Zellnährlösung [!g/ml]

Zellü

berl

eben

srat

e [%

]

Filter 2 vom 16.11.2005

Filter 4 vom 13.12.2005

Filter 2 vom 15.12.2005

Filter 4 vom 15.12.2005

Filter 3 vom 16.12.2005

Dieselruss

Zytotoxizitätstests mit Feinstaub!

Dieselruss

Feinstaub aus sehr schlechter Holzverbrennung

[Klippel und Nussbaumer 2006]!

Feinstaub aus automatischer Holzfeuerung

Verenum!

Source: Braun-Fahrländer et al. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 155 (1997): 1042-1049!

Holz (! 100 mg/m3)

Diesel (! 100 mg/m3)!

Tages-Grenzwert Luft! (! 50 "g/m3)

Gasturbine !mit Erdgas ! (<1 "g/m3)

[cm

–3] @

13%

O2!

Korngrössenverteilung von Verbrennungspartikeln!

ultrafine !particles!

submicron !particles!

PM10!

[Klippel und Nussbaumer 2006]!

Verenum!

Gesundheitsrelevanz!

Beispiel! Quelle!Lungen-gängig (PM2.5)!

Zell-toxizität!

Karzino-genität!

Salze! Asche! ja! gering!

Russ! Unvoll-ständige

Ver-brennung!

ja!

COC (Teer)! ja!

Verenum!*Ref: 1MW AWC!

Gasanalyse und Chemische Analyse!

Verenum!

C/H! –! > 6%–%8[5]! &1 (<%2)!

elektrische Leitfähigkeit! mittel! hoch! tief

(isolierend)*!

Eignung EA[3]! ideal! Wieder-eintrag!

Rück-sprühen!

Partikeleigenschaften!

[3]: Parker, 1997![4]: Roempp, 1989![5]: Leuckel und Römer, 1979!

*primäre Teere: isolierend, !sekundäre Teere und PAK: halbleitend[4]!

Verenum!

feuchtes Abgas!20 vol.-% H2O z.B. Lambda = 1.2 & u = 50% !

*Ref: 13 vol.-% H2O: Lambda = 1.5 & u = 30%

elek

trisc

he L

eitfä

higk

eit [

Park

er 1

997]!

trockenes Abgas!

Spezifischer Staubwiderstand!

Wie

dere

intra

g!R

ücks

prüh

en!

tief!

mitt

el!

hoch!

idea

l!

5 vol.-% H2O z.B. Lambda = 3 & u = 5% !

Verenum!

Staubschichtaufbau!

leitende Partikel:!!'verästelter' Aufbau!

normale und isolierende Partikel:!! homogener Aufbau!

Russ! Salz! COC!

schwache Adhäsion / Wiedereintrag!

Stabile Schicht! klebrige Schicht!

[Lauber & Nussbaumer 2008] nach [Blanchard et. al., 2002]

Verenum!

Adhäsionskraft für Russ, Salz und CO mit Pressluft-Abreinigung !

Russ!

Salz!

COC!

Druck [mbar]!

Abge

rein

igte

Flä

che

[%]!

Verenum!

!

1.# Einleitung!



4.# Staubabscheidung bei Holzfeuerungen!4.1 Auslegungsgrundlagen EA!4.2 Bauarten von EA!4.3 Messung von EA!

Verenum!

Forschungslabor Bioenergie Hochschule Luzern!

L !1000 mm!D ! 100 mm!v 1 m/s SCA 45 s/m Umax -65 kV

T

T

T

dp u

SMPS &

OPC/OAS

O2, CO, NOx, HC

grav. PM

ESP

Particle generator

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

10 100 1000

dp [nm]

dW/d

logdp

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Absc

heide

grad

U= 0kVU= 14kV / 300uAAbscheidegrad

Anza

hl-R

eduk

tions

grad!

Anzahl-Reduktionsgrad!

Verenum!

Hoval!


–> Vergrösserung der Abscheiderfläche erhöht den Abscheidegrad. "!Ideal nach Deutsch ergibt Verdopplung der Fläche A bei 90% Abscheidung (25 mm/s) auf 2A (12.5 mm/s) 99% Abscheidung. Mit Korrektur k = 0,4 ... 0,6 nach Matts ergibt die zweite Fläche eine geringere Abscheidung als die erste Fläche.!

Einfluss der Filterflächenbelastung v (= Abscheiderfläche–1)"auf den Fraktionsabscheidegrad (Berechnung mit k=1)!

Durchmesser D = 150 mm!Spannung ! U = 30 kV für 4 kV/cm !Stromdichte ! i = 0,5 mA/m2!

typisch!typisch!

mit k < 1 (Matts) Unterschied geringer!

Verenum!

Hoval!


–> Erhöhung der Stromstärke verbessert Abscheidung der Feinpartikel, also v.a. Abscheidegrad der Anzahl !

Einfluss der Stromstärke i" auf den Fraktionsabscheidegrad!

Durchmesser D = 150 mm!Filterbelastung v = 50 mm/s!!!

Verenum! HSLU [Lauber & Nussbaumer 2011]!

–> Erhöhung der Stromstärke verbessert Abscheidung der Feinpartikel, also v.a. Abscheidegrad der Anzahl!!–> Erhöhung der Feldstärke (Spannung bei geg. Geometrie) verbessert auch Abscheidung grober Partikel, also der Masse !

Einfluss der Feldstärke E (bzw. der Spannung U bei geg. Geom.)"auf den Fraktionsabscheidegrad!

Durchmesser D = 150 mm!Filterbelastung v = 50 mm/s!!!

Verenum!

!

1.# Einleitung!



4.# Staubabscheidung bei Holzfeuerungen!4.1 Auslegungsgrundlagen EA!4.2 Bauarten von Klein-EA!4.3 Messung von EA!

Verenum! Spartherm!

Klein-Elektroabscheider im Ofen!

Verenum!Spanner "

[Bleul, 10. Holzenergie-Symposium, Zürich 2008]!

Klein-Elektroabscheider als separate Einheit!

Verenum! Schräder Al-Top [schraeder.com] !

Klein-Elektroabscheider (Filter) als separate Einheit!Für automatische Feuerungen!

Mit Wasser-Abreinigung!

Verenum!

Klein-Elektroabscheider im (metallischen) Ofenrohr!

[Schmatloch 2004]!

Kamin

Ofen Steuergerät

230V

Ionisations-elektrode Isolator

Lüfter

Rüegg/Zumikron/K+W!

Verenum!

Klein-Elektroabscheider im (metallischen) Kamin!

ESP Bolliger Spider"[Bolliger, 10. Holzenergie-Symposium, Zürich 2008]!

Verenum!

Klein-Elektroabscheider im Kamin und als Kaminaufsatz!

Oekotube "[Brzovic, 10. Holzenergie-Symposium, Zürich 2008]!

Verenum!

Klein-Elektroabscheider als unabhängiger Kaminaufsatz!

Hoval!

[Berntsen 2006]!APP!

[Ruff-Kat 2010]!

Verenum!

Stand der Technik von Klein-Elektroabscheidern unklar:!

•# „Abscheidegrade“ von < 0% bis > 99%"– Widersprüche: Je nach Gerät und Messung <%20%, 50%, 80%, 99% "– „Abscheidegrade < 0“ instationär infolge von Agglomeration"– Einzelmessungen sind zufällig wegen Agglomeration (auch wenn > 0)"– Fehler bei Probenahme wegen Ladungen möglich"– Anzahlmessungen erfassen Agglomerate (also Masse) nicht"– Störungsanfälligkeit: Russ kann Isolatoren zerstören u.v.a.!

•# Abreinigung"– manuell durch Kaminfeger und teilweise durch Betreiber"–%automatisch mit Bürsten, nur Sprühelektrode auch mit Bimetall"–%mit Wassereindüsung (Abwasser!)!

•# Kosten: ab 1500 Euro!

Verenum!

Stand der Technik von Klein-Elektroabscheidern unklar:!

•# „Sicherheit, Bedienung, Nebenwirkungen: "– Potenzielle Brandherde, Brandschutz offen"– Eintrag von Schmutz und toxischen Stäuben ins Gebäude"–%Raumbedarf im Gebäude oder auf Hausdach"– Lärm: Ventilator, Überschläge und Rücksprühen, Abreinigung!

•# LRV-Kontrolle: "– Auf Anlage je nach Ausführung kaum möglich!"– Bei Zertifizierung: Kontrolle in Praxis entscheidend!

Verenum!

!

1.# Einleitung!



4.# Staubabscheidung bei Holzfeuerungen!4.1 Auslegungsgrundlagen EA!4.2 Bauarten von EA!4.3 Messung von EA!

Verenum!

Messung von Klein-Elektroabscheidern!

PMroh!2!

PMrein!

1!

PMrein!

PMroh!

?

0!

5D!

3D!

PMrein!

Rohgas = vor Abscheider! Reingas = nach Abscheider!

3!

PMre

in!

PMrein!

PMroh! ?!

Verenum!

!

0!

PMrein!

4!

PMrein!

?

PMro

h!

DC !

5!

PMro

h!

PMrein!

?

Verenum!

!

5!

PMro

h!

PMrein!?!

0*!

PMrein!?!

PMro

h! =

PM

rein? !

Abscheidewirkung des Kamins!?!

Verenum!

!

5!

PMro

h!

PMrein!?!

Messung wie ?!

Verenum!

Kaskaden-Impaktor!!Korngrössenverteilung der Masse"Aerodynamisch / gravimetrisch > 10 Minuten!

TEOM für PM10 oder PM2.5!!(Tapered Element Oscillating Micro-balance) !Gravimetrie nach Verdünnung, ab 10 s-Intervall!

Feinstaub-Messung: 1. Masse ! VOC!NMVOC!

Solid Particles SP bzw. TSP "(Feststoff)!

COC!!Condensable Organic Compounds (Teer)!

5D!

3D!

Verenum!

Feinstaub-Messung: 2. Anzahl!

5D!

3D!

Optical Aerosol Sensor OAS "(Palas Welas 2000)!(Optical Particle Counter OPC) !- Messung im unverdünnten Abgas!-# Messbereich 0.2 (m – 40 (m !-# Hohe Zeitauflösung (20 MHz, 0.01 s)!

Scanning Mobility Particle Sizer!SMPS (TSI 3775)!- Elektrischer Mobilitätsdurchmesser!-# Verdünnung"- Kurze Reaktionszeit (4 s)!-# Messbereich 4 nm – 0.8 (m %!

0.01 0.1 1 10

SMPS

OPC

D [µm]

o p t i s c h!

elektrostatisch!

Spektrum Verbrennungsaerosole!

Verenum!

Feinstaub-Messung: 3. Grössenverteilung!

Messgrösse! M a s s e! A n z a h l k o n z e n t r a t i o n!

Gerät! Low Pressure Kaskaden-Impaktor!

TEOM1 "Tapered Element

Oscillating "Micro-balance !

SMPS"Scanning

Mobility Particle Sizer!

DiSC"Diffusion Size

Classifier!

OAS (OPC)"Optical Aerosol Sensor/Particle

Counter!

ELPI""

Electric Low Pressure Impactor!

LAS!

Messgrösse! Trägheit"Aerodyn.!

Gravi-metrisch!

Elektro-statisch!

Elektro-statisch!

Optisch Brechung, Oberfl.!

Aerodn. + elektrisch!

Laser-optisch!

Verdünnung! keine! ja"(& 100)!

ja"(& 100)!

ja! keine" (100)!

ja"(& 100)!

3000–10'000!

Korngrösse "von ... bis2!

> 30 nm"<10/20 µm!

PM10 "PM2.5!

> 4 nm"%< 0.8 µm!

> 3 nm"%< 0.3 µm!

> 0.2 µm "< 20 µm!

> 0.09 µm "<2.5/10%µm!

> 0.09 µm "< 7.5 µm!

Mess-Intervall! > 15 Min! 10%s! > 30 s! > 1 s! 0.01 s! 1 s! 1 s!

1.# TEOM ohne Grössenverteilung!

2.# Messungen > 5 ... 10 µm nur sofern Probenahme ohne Umlenkung/Abscheidung !

Verenum!

!

1.# Einleitung!




5.$ Schlussfolgerungen"1. Partikelbildung"2. Feinstaub-Messung"3. Feinstaub-Abscheidung!

Verenum!

1. Partikelbildung!1.# Die Holzverbrennung verursacht je nach Verbrennungsregime "

drei verschiedene Partikeltypen: Salz, Russ, COC (Teer). !

2.# Die Partikel weisen ganz unterschiedliche Eigenschaften auf.!

3.# Für die Gesundheitsrelevanz gilt: Salz < Russ < COC!

4.# Vermeidung von Russ und COC ist kein Zielkonflikt, aber:"–%Bildung und Reduktionsmassnahmen sind unterschiedlich"– Es braucht mind. zwei Messungen, nämlich Feststoffe und VOC, " um primäre und sekundäre Aerosole zu erfassen.!

5.# Die Chemie und Gesundheitswirkung der Partikel werden weder durch die heutige Gesetzgebung mit Massenkonzentration noch durch die Korngrösse berücksichtigt. !

Verenum!

!

1.# Einleitung!




5.$ Schlussfolgerungen"1. Partikelbildung"2. Feinstaub-Messung (–> Morgen) "3. Feinstaub-Abscheidung!

Verenum!

2. Feinstaub-Messung a) Vergleichsmöglichkeiten!

1 z.B. [Griffin & Burtscher, 2008] 2 z.B. [Horn, TSI, 2011] !!

•# Jedes Messprinzip ist abhängig von zahlreichen Eigenschaften von Partikel und Gasphase, nebst der unspezifischen „Grösse“ xP oder D einer Ersatz-Kugel (Anordnung für x$y$z nicht erfasst!):!

-# aerodynamische (cW)!-# elektrische!-# spektrale (Brechungsindex, Oberflächenform)!-# Kondensation/Verdampfung sowie Adsorption/Desorption!-# für Masse: Form und Dichte, u.v.m. !

•# Folge: Messungen sind untereinander nicht direkt vergleichbar!•# Probenahme mit Verdünnung kann grobe Partikel (und Masse) nicht erfassen!•# Nur TEOM weist ein Prinzip mit Filter und Gravimetrie auf, "

!- da T < 100°C verursachen aber Kondensation/Abdampfung Fehler, "!- zudem werden grobe Partikel wegen Probenahme nicht erfasst!

•# Kein Verfahren bildet die gravimetrische Messung auf heissem Filter ab!

Verenum!

2. Feinstaub-Messung b) Anwendung!1.# Partikel am EA-Ausgang sind geladen, was für ex-situ Messungen

Probenahme-Fehler verursachen kann.!2.# Gesamtstaub (TSP) (und Abscheidegrad der Masse) kann nur mit

konventioneller Gravimetrie sicher bestimmt werden. Gravimetrie mit"TEOM ist für Feinstaub mit Neutralisator geeignet, aber verursacht Fehler durch Kond./Verd. und erfasst Grobstaub wegen Verdünnung nicht. !

3.# Russ erfordert lange Messperioden und Mehrfachmessungen wegen zeitlich verzögertem Wiedereintrag von Agglomeraten. !

4.# Anzahlkonzentration (z.B. SMPS) nach Probenahme (z.B. PM10-Zyklon, PM2.5-Rationsverdünner)1 erfasst Agglomerate nicht und erlaubt weder TSP-Messung noch Bestimmung des Abscheidegrads, sondern lediglich Messung der Anzahlreduktion, die auch durch Partikel-Wachstum auftreten kann. !

5.# Messung immer in gleicher Distanz zum Abscheider (5 D), sonst weitere Abscheidung der geladenen Partikel (zusätzliche Abscheiderfläche) !

6.# EA-Messung erfordert leitfähige Probenahmeleitungen, sonst Abscheidung geladener Partikel in Probenahmeleitung (z.B. TSI, H. Horn, 2011)!

7.# TSP vor Kamin > TSP nach Kamin wegen Abscheidung im Kamin!8.# Abscheidgrad EA Ein/Aus $ Abscheidgrad Vor/Nach EA wegen Trägheitsab.. !

1 z.B. [Griffin & Burtscher, 2008] 2 z.B. [Horn, TSI, 2011] !!

Verenum!

!

1.# Einleitung!




5.$ Schlussfolgerungen"1. Partikelbildung"2. Feinstaub-Messung"3. Feinstaub-Abscheidung!

Verenum!

3. Feinstaub-Abscheidung a) Grundlagen!

1.# Für die Abscheidung in EA st die Leitfähigkeit wichtig:" – Salze haben ideale elektrische Leitfähigkeit" – Russ ist sehr gut leitfähig und führt zu Wiedereintrag" – COC ist elektrisch isolierend und führt zu Rücksprühen. !

2.# Für die Abreinigung in EA oder GF ist die Klebrigkeit wichtig:"– Salze bilden gut abzureinigende Schichten (mech. od. Trägh.) "– Russ haftet wenig, hat aber geringe Dichte (mech. ja, Trägh. nein)"– COC ist klebrig und schwierig abzureinigen. !

3.# Für die Gesundheit und Sicherheit ist die Zusammensetzung wichtig:"– Salze sind unkritisch"– Russ ist brennbar"– COC ist brennbar und giftig (Personengef./Abwasser, ...). !

Verenum!

3. Feinstaub-Abscheidung b) Klein-Elektroabscheider!1.# EA-Betrieb ist unkritisch für gute, stationäre Bedingungen (vollst. V).!

2.# EA nur bedingt geeignet für alte Feuerungen/schlechten Betrieb: !

3.# ! 1. Tiefe Temperatur (COC) !

4.# ! 2. Luftmangel (Russ) somit Startphase, Drosselung, nasses Holz"!–> COC bildet klebrige, isolierende Schicht, Rücksprühen, Lärm"!–> Russ führt zu Wiedereintrag von Agglomeraten (bis > 100 µm)"!–> Russablagerung auf Isolator kann Isolatoren zerstören"!–> Beheizung oder Spühlluft als Isolator-Schutz (Ventilator, Lärm)"!–> reduzierte Verfügbarkeit der EA wenn PM hoch und toxisch! "!–> Wirksamkeit im realen Betrieb oft stark eingeschränkt"!–> Sicherheit: Russ und COC = Brandgefahr, COC = Personengef."!–> Je nach Druckverlust Ventilator für EA nötig, kann F. beeinfl. !

5.# Klein-EA sollten ein sehr robustes Betriebsverhalten aufweisen !" !

Verenum!

Fazit!

1. !Primärmassnahmen sind prioritär, also "– Feuerung, Ventilator und Regelung sowie "– Brennstoff und Betrieb "

!a) grundsätzlich"!b) auch mit EA!

!2. !Feinstaubabscheider sind sinnvoll, wenn!

!1. die Abscheider auch beim Anfahren betrieben werden."2. Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit "

!– gewährleistet sind, "!– kontrolliert werden können und "!– kontrolliert werden."

3. Umwelt- und Sicherheitsprobleme (Wasser, Brand, Lärm) beherrscht!

Verenum!

VERDANKUNG!

Weitere Info: "www.verenum.ch"www.hslu.ch"www.holzenergie-symposium.ch!

Verdankung"Bundesamt für Energie"Bundesamt für Umwelt!KTI"!

Verenum!

VERDANKUNG!Literatur zu Partikel und Klein-Elektroabscheider – 1. Eigene!Doberer, A.; Nussbaumer, Th.: Influence of operation type on particulate emissions from residential wood combustion, 13th ETH-Conference

on Combustion Generated Nanoparticles, June 22 – 24 2009, Zurich 2009!Good, J.; Nussbaumer, Th.: Prüfverfahren für die Startphase auf der Basis von EN 303-5, 1. Stückholzkessel, Bundesamt für Energie, Bern,

2010!Good, J.; Nussbaumer, Th.: Partikelemissionen von Holzfeuerungen bis 70 kW – Betriebseinfluss auf die Feinstaubemissionen von

Holzfeuerungen, Schlussbericht Phase 2 – Holzkessel, Bundesamt für Energie und Bundesamt für Umwelt, Bern, 2010!Good, J.; Obermayr, D.; Nussbaumer, Th.: Einfluss von Kaltstart und Teillast auf die Schadstoffemissionen von Stückholz- und

Pelletheizungen, 11. Holzenergie-Symposium, 17. September 2010, ETH Zürich, 2010, ISBN 3-908705-21-5, 145–172!Haberl, R.; Konersmann, L.; Frank, E.; Good, J.; Nussbaumer, T.: Systembewertung von Jahresnutzungs)grad und Jahresemissionen für

Kombianlagen mit Pelletkessel und Solaranlage, 11. Holzenergie-Symposium, 17. September 2010, ETH Zürich, 2010, ISBN 3-908705-21-5, 131–144!

Heringa, M.; DeCarlo, P.; Chirico, R.; Richard, A.; Lauber, A.; Doberer, A.; Good, J.; Nussbaumer, T.; Keller, A.; Burtscher, H.; Prévôt, A.; Baltensperger, U.: On-line source measurements of organic aero)sols from wood combustion with a high resolution time of flight aerosol mass spectrometer, AAAR Con)ference, October 26 – 30 2009!

Jokiniemi, J.: Aerosol sampling and measurement techniques, IEA Bioenergy Task 32, Aerosol Workshop, Jyväskylä, 3.9.2007!Keller, A.; Lauber, A.; Doberer, A.; Good, J.; Nussbaumer, T.; Heringa, M.; DeCarlo, P.; Chirico, P.; Richard, A..; Prevôt, A.; Baltensperger, U.;

Burtscher, H.: Reconciling particulate emissions with ambient measurements for biomass combustion, 14th ETH Conference on Combustion Generated Particles, Zurich, 1st – 4th August 2010!

Klippel, N.; Nussbaumer, T.: Health relevance of particles from wood combustion in comparison to Diesel soot, 15th European Biomass Conference, International Conference Centre, Berlin 7–11 May 2007, Paper W1612, ISBN 978-88-89407-59-X!

Lauber, A.; Nussbaumer, Th.: Charakterisierung der Partikelarten aus der Holzverbrennung und Eigenschaften in Elektroabscheidern, 11. Holzenergie-Symposium, 17. September 2010, ETH Zürich, 2010, ISBN 3-908705-21-5, 113–130!

Meyer, N.; Lauber, A.; Nussbaumer, T.; Burtscher, H.: Influence of particle charging on TEOM mea)sure)ments in the presence of an electrostatic precipitator, Atmos. Meas. Tech. Discuss., 1, 435-449, 2008!

Miljevic, B.; Heringa, M.; Keller, A.; Meyer, N.; Good, J.; Lauber, A.; Decarlo. P.; Fairfull-Smith, K.; Nuss)baumer, T.; Burtscher, H.; Prevot, A.; Baltensperger, U.; Bottle, S.; Ristovski, D.: Oxidative Potential of Logwood and Pellet Burning Particles Assessed by a Novel Profluorescent Nitroxide Probe, Environ. Science Technol, accpeted August 2010!

Nussbaumer, T.: Characterisation of particles from wood combustion with respect to health relevance and electrostatic precipitation, Central European Biomass Conference, 26th-29th January 2011, Graz (A)!

Nussbaumer, T.: Feuerungen: Aerosole, Umwelt Perspektiven, Nr. 1 2011, 38–41!Nussbaumer, T.; Lauber, A.: Wie verhalten sich Partikel? Umwelt Perspektiven, 3 (2011), 40–43!Nussbaumer, T.; Lauber, A.: Feinstaub aus Holzfeuerungen elektrostatisch abscheiden, BWK, Bd. 63 (2011) Nr. 5, 63–66!!!

Verenum!

VERDANKUNG!Literatur zu Partikel und Klein-Elektroabscheider – 2. Externe!!Obernberger, I.; Mandl. C.: Survey on present state of particle precipitation devices for residential biomass combustion with nominal boiler

capacity up to 50 kW in IEA Bioenergy Task 32 member countries, IEA Bioenergy Task 32, Graz 2011 (in preparation)!Kiener, S.; Turowski, P.; Hartmann, H.; Schmeockel, G.: Bewertung kostengünstiger Staubabscheider für Einzelfeuerstätten und

Zentralheizungskessel, TFZ Berich 23, Straubing 2010!Ellner-Schubert, F.; Hartmann, H.; Turowski, P.; Rossmann, P.: Partikelemissionen aus Kleinfeuerungen für Holz und Ansätze für

Minderungsmassnahmen, TFZ Berich 22, Straubing 2010!Griffin, T.; Burtscher, H.: Evaluation von Messverfahren zur Messung der Wirksamkeit von Partikelabscheidern bei kleinen Holzfeuerungen,

Schlussbericht BAFU und BFE 2008!Hartmann, I.; Lenz, V.; Schraube, C.; Ulbricht, T.: Monitoring of Precipitators, 17th European Biomass Conference, 29.6.-3.7.2009, Hamburg!Dastoori, K.; M. Kolhe, C. Mallard, B. Makin: Electrostatic precipitation in a small scale wood combustion furnace, J. of Electrostatics 69

(2011) 466–472!!!Zahlreiche weitere Quellen sind in den eigenen Publikationen zitiert!!!!!!!

Verenum!

VERDANKUNG!Literatur Staubabscheidung bei automatischen Holzfeuerungen!Baumgartner, M.: Abgaskondensation zur Wirkungsgraderhöhung und Feinstaubabscheidung ab 100 kW und Kombination mit

Nasselektroabscheidung ab 1 MW, 10. Holzenergie-Symposium, 12. September 2008, ETH Zürich, 2008, ISBN 3-908705-19-3, 205–218!Bär, R.: Praxiserfahrungen mit elektrischen Abscheidern für Holzfeuerungen ab 200 kW, 9. Holzenergie-Symposium, 20. Oktober 2006,

Zürich, ISBN 3-908705-14-2, 63–70!Fritz, W.; Kern, H.: Reinigung von Abgasen, 2. Auflage, Vogel-Verlag, Würzburg 1990, ISBN 3-8023-0244-3!Good, J.; Nussbaumer, Th.: Überwachung und Vollzug der LRV für Holzheizungen ab 500 kW mit Fein¬staub¬abscheidern im Kanton Zürich,

10. Holzenergie-Symposium, 12. September 2008, ETH Zürich, 2008, ISBN 3-908705-19-3, 219–256!Good, J.; Biedermann, F.; Bühler, R.; Bunk, H.; Deines, T.; Gabathuler, H.; Hammerschmid, A.; Jenni, A.; Krapf, G.; Nussbaumer, T.;

Obernberger, I.; Pex, B.; Rakos, C.: Planungshandbuch, Schriftenreihe QM Holz¬heizwerke Band 4, Holzenergie Schweiz, C.A.R.M.E.N. e.V., Landes-Energie-Verein Steiermark, ISBN 3-937441-94-8!

Jirkowsky, C., Pretzl, R., Malzer, Th., Sihorsch, K.: Verfahren zur Staubabscheidung bei Biomasse¬feuerungen ab 100 kW, 7. Holzenergie-Symposium, 18. Oktober 2002, Zürich, ISBN 3-908705-01-0, 53–72!

MikroPul GmbH und W.L. Gore & Associates Gmbh: Moderne Entstaubungstechnik mit Oberflächenfiltern, Fir¬men-Information, Putzbrunn und Köln 2009!

Klippel, N.; Nussbaumer, T.: Health relevance of particles from wood combustion in comparison to Diesel soot, 15th European Biomass Conference, International Conference Centre, Berlin 7–11 May 2007, Paper W1612, ISBN 978-88-89407-59-X!

Nussbaumer, T.: Beitrag der Holzfeuerungen zur Feinstaubbelastung, 11th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, ETH Zürich, Zürich, 15. August 2007!

Nussbaumer, T.: Techno-economic assessment of particle removal in automatic wood combustion plants from 100 kW to 2 MW, 15th European Biomass Conference, International Conference Centre, Berlin 7–11 May 2007, Paper OE2.5, pp. 2362–2365, ISBN 978-88-89407-59-X!

Nussbaumer, Th.: Abgasreinigung und -kondensation, in M. Kaltschmitt und H. Hartmann (Hrsg.): Energie aus Biomasse, Springer, ISBN 3-540-64853-42001, Berlin u.a. 2001, 374–389!

Nussbaumer, Th.: Feinstaubabscheider für automatische Holzfeuerungen, HK Gebäudetechnik, 9 (2006), 24–31!Nussbaumer, Th.: Feinstaubabscheidung für automatische Feuerungen, Holz-Zentralblatt, 38 (2006), 117–1120!Nussbaumer, Th.: Stand der Technik und Kosten der Feinstaubabscheidung für automatische Holzfeuerungen von 100 kW bis 2 MW. Bericht

zu Handen Bundesamt für Umwelt (BAFU) und Amt für Umwelt Kanton Thurgau (AFU Thurgau). Zürich 2006, www.verenum.ch, ISBN 3-908705-13-4 !

Nussbaumer, Th.; Good, J.: Kontrolle von Holzfeuerungen mit Feinstaubabscheidern: Vorschlag zum Vollzug der Luftreinhalte-Verordnung, Holz-Zentralblatt, (4) 2009 (123. Jg.), 89–90!

Neuenschwander, P.; Good, J.; Nussbaumer, Th.: Grundlagen der Abgaskondensation bei Holz¬feue¬rungen, Bun¬des¬amt für Energie, Bern 1998!

Scheibler, M, Oberforcher, P.: Rohrelektroabscheider für Holzfeuerungen ab 200 kW, 9. Holzenergie-Symposium, 20. Oktober 2006, Zürich, ISBN 3-908705-14-2, 71–78!

Schmid, R.: Rohrelektroabscheider für Holzfeuerungen ab 200 kW, 9. Holzenergie-Symposium, 20. Oktober 2006, Zürich, ISBN 3-908705-14-2, 71–78!

von Turegg, R.: Richtige und effiziente Staubabscheidung – Technologien und Potentiale, VDI-Bericht 1319, Ther¬mische Biomassenutzung, Tagung Salzburg 23./24.4.1997, Düsseldorf 1997, 167 – 198!

Eine Einführung · Verenum! Feinstaub (PM 10) = Feststoffe und Tröpfchen < 10 Mikrometer...

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