Entwicklung eines Elektroabscheiders für Biomasse ... · - 1. Phase . Institut für Feuerungs- und...

Entwicklung eines Elektroabscheiders

für Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen

- 1. Phase

Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt,

gefördert unter dem Az. 29769 von der

Deutschen Bundesstiftung Umwelt

Dr.-Ing. Bernd Glocker (PlasmaAir AG)

Dipl.-Ing. Christine Dobslaw (PlasmaAir AG)

Dr.-Ing. Michael Struschka (IKF)

Dipl.-Ing Julia Goy (IKF)

Weil der Stadt, den 29.08.2013

PlasmaAir Aktiengesellschaft • Vorstand: Dr.-Ing. Bernd Glocker •Vorsitzender des Aufsichtsrats: Biyan Aburass Registergericht: Stuttgart HRB 252951: Ust-IDNR. DE 210636047 Anschrift: Am Lindenberg 8 • D- 71263 Weil der Stadt

Tel: +49-(0) 7033 3098830 • Fax: +49 – (0) 7033 3098850 • E-mail: [email protected] Bankverbindung: Kreissparkasse Böblingen • Konto: 7132548 • BLZ: 603 501 30

mailto:[email protected]

Entwicklung eines Elektroabscheiders

für Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen

- 1. Phase

Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK)

Universität Stuttgart

Pfaffenwaldring 23, 70569 Stuttgart

Tel.: +49 711 685 6 3487

Fax: +49 711 685 6 3491

[email protected]

Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK)

06/02 Projektkennblatt

der Deutschen Bundesstiftung Umwelt

Az 29769 Referat 24/0 Fördersumme 123.118,00 €

Antragstitel Entwicklung eines Elektroabscheiders für Biomasse-Kleinfeuerungs-

anlagen – 1. Phase

Stichworte Kleinfeuerungsanlage, Abluftreinigung

Laufzeit Projektbeginn Projektende Projektphase(n) 1 Jahr und 9 Monate 1.12.2011 31.08.2013 1

Zwischenberichte Bewilligungsempfänger PlasmaAir AG Tel 07033/30988-30 Am Lindenberg 8 Fax 07033/30988-50 71263 Weil der Stadt Projektleitung Dr. Bernd Glocker Bearbeiter Christine Dobslaw Kooperationspartner Institut für Feuerungs- und Kraftwerktechnik der Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 23 70569 Stuttgart Projektleiter: Dr. Ing. Michael Struschka

Zielsetzung und Anlaß des Vorhabens Feinstaub ist in aller Munde und leider auch in vielen Lungen. Neben dem Verkehr hat der Gesetzgeber jetzt auch die kleinen Feuerungsanlagen privater Haushalte ins Visier genommen. Insbesondere den Holzfeuerungen wird ein überproportionaler Emissionsanteil nachgesagt. Ziel dieses Projektes ist ein praxisgeeignetes System zur Feinstaubabscheidung bei kleinen Holzfeue-rungen zu entwickeln. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden In einem Vorprojekt konnte bereits ein Prototyp eines Elektrofilters entwickelt werden und dessen Wirk-samkeit bewiesen werden. Es konnten Abscheidegrade von über 80 % erreicht werden. Allerdings konn-te dieser Wert aufgrund von Spannungsüberschlägen und Kriechströmen nicht gehalten werden. Nach dem Stand der Technik kann der vorliegende Prototyp ohne Spülluft betrieben werden, wodurch der Einbau des Filters in das bestehende System integriert werden könnte. Folgende Arbeitsschritte wurden durchgeführt: • Entwicklung einer Hochspannungsdurchführung und von Isolatoren als wesentlicher Arbeitsschritt für

das Gesamtprojekt (Ziel: kleine Verwendung von Spülluft) • Voruntersuchungen zu einer automatischen Abreinigung mit Staubaustrag • Entwicklung einer Regelung mit Überwachungsfunktion • Optimierung der Strömungsführung unter Verwendung numerischer Strömungsmodellierung (Mini-

mierung des Druckverlustes und Maximierung der Abscheideleistung) • Bewertung des Gesamtentwurfs des Abscheiders anhand einer CAD-Konstruktion und anhand der

untersuchten Einzelkomponenten zur Umsetzung in ein Funktionsmodell

Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de

Ergebnisse und Diskussion

Ziel dieses Projektes war der Entwurf eines Funktionsmodells für einen kompakten kleinen Elektrofilter für Biomassefeuerungen kleiner Leistung. Hauptfokus lag dabei auf der Entwicklung einer Hochspannungsdurchführung, die über eine geeignete Maß-nahme zur Vermeidung von Partikelniederschlägen und über eine Regenerationsmöglichkeit verfügt und somit einen dauerhaft verlässlichen Betrieb des Staubabscheiders gewährleisten kann. Hier konnte ein ent-scheidender Erfolg mit der Entwicklung eines Prototyps erreicht werden. Wesentliche Erkenntnisse über grundlegende und spezielle Zusammenhänge konnten ermittelt werden und sind in die Entwicklung einge-gangen. Im Rahmen des Projekts wurden mit den Einzelkomponenten viele Untersuchungen und Vorversuche unter-nommen. Insbesondere waren dies Funktionstests der Entwürfe von verschiedenen Isolatoren und Hoch-spannungsdurchführungen. Als weiterer Schwerpunkt können hier ebenfalls die vergleichenden Versuche von verschiedenen Staubniederschlagsflächen genannt werden. Bei einer Version mit kettenförmigen Ab-scheideflächen wurden Abscheidegrade für die Hauptverbrennung zwischen etwas über 40 % bis rund 90 % gemessen. Die Abscheidegrade für die Anbrandphase lagen zwischen ca. 15 bis knapp 40 %. Die Druckver-luste lagen bei rund 5 Pa und stiegen während den Versuchsreihen nicht an. Der Abscheider ist somit unter Ausnutzung des Kaminzuges einsetzbar. Die Abreinigung und Staubaustragung wurde weiterverfolgt, bedürfte jedoch noch weitergehenden Entwick-lungsschritten. Gleiches trifft auf die elektronische Überwachung und Regelung des Abscheiderbetriebs zu. Hier konnten, aufbauend auf den durchgeführten Untersuchungen, allerdings die Randbedingungen und das Regelungs- bzw. Überwachungskonzept detailliert beschrieben werden. Zur Betrachtung der Strömungssituation innerhalb des Staubabscheiders und verschiedener Einbauten wur-de die numerische Strömungssimulation als Werkzeug herangezogen. Dies betraf vor allem die strömungs-technische Auslegung und Optimierung der Staubniederschlagsflächen und auch der Gesamtkonstruktion im Hinblick auf ein neues Funktionsmodell.

Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation Die Ergebnisse wurden bisher noch nicht veröffentlicht. Fazit Im Rahmen dieses Projekts wurden grundlegende technische Probleme gelöst und der Dauerbetrieb des Abscheiders ist sichergestellt. Ein marktreifes Produkt liegt allerdings noch nicht vor. Einen Abscheider für ca. 1000 Euro Gestehungskosten zu bauen ist möglich. Es sind allerdings noch mehrere technische Probleme zu lösen und es müssen noch Entwicklungsschritte folgen. • Erhöhung der Abscheideleistung durch verbesserte Strömungsführung und Niederschlagsflächen

und durch Regelung der Hochspannung (Betrieb kurz vor Spannungsüberschlag) • Weiterentwicklung eines automatischen Abreinigung- und Austragssystems • vollständige Umsetzung der Filterregelung und Überwachung.

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Inhalt

1 Einleitung ........................................................................................................... 1

2 Hauptteil ............................................................................................................. 5

2.1 Projektplan und Arbeitspakete ............................................................................. 5

2.2 AP 2.1 Weiterentwicklung Isolator ....................................................................... 6

2.2.1 Voruntersuchung ................................................................................... 6

2.2.2 Erste Entwürfe ....................................................................................... 7

2.2.3 Weiterentwickelung eines ausgewählten Entwurfs ................................. 8

2.3 AP 2.2 Entwicklung Abscheideeinheit ................................................................. 9

2.3.1 Auslegung und Referenzeinheit ............................................................. 9

2.3.2 Umgesetzte Abscheideeinheiten ..........................................................12

2.4 AP 2.3 Entwicklung automatische Abreinigung ..................................................14

2.5 AP 2.4 Entwicklung Staubaustrag ......................................................................16

2.6 AP 2.5 Überwachungs- und Regelmöglichkeiten ................................................16

2.6.1 Überwachung und Störungsmeldung ....................................................19

2.6.2 Spannungsregelung .............................................................................20

2.6.3 Steuerung der Hochspannungsdurchführung .......................................21

2.7 AP 2.6 Strömungsmodellierung ..........................................................................22

2.7.1 Allgemeine Strömung im Prototypen.....................................................23

2.7.2 Parametervariationen ...........................................................................25

2.8 AP 2.7 Vorversuche mit Einzelkomponenten ......................................................32

2.8.1 Vorversuche mit Prototypen von Isolatoren ..........................................32

2.8.2 Vorversuche mit Abscheideeinheiten ....................................................35

2.8.3 Kurzer Dauertest ..................................................................................40

2.9 AP 3.1 CAD-Konstruktion 1.Funktionsmodell .....................................................40

2.10 Meilensteine und Abschluss der Arbeitspakete ..................................................42

3 Fazit................................................................................................................... 44

Abbildungen

Abbildung 4.1: Grundsätzliche Eignung der Maßnahme zur Verhinderung von Partikelniederschlägen auf dem Isolator ......................................................... 7

Abbildung 4.2: Erste Entwürfe von Isolator-Prototypen ........................................................... 8

Abbildung 4.3: Isolator-Prototyp 2 nach dem Einsatz in Vorversuchen an einem Kaminofen (fünf Abbrände) ............................................................................. 9

Abbildung 4.4: theoretische Auslegung der Abscheideeinheit: Einfluss der Gassenbreite b ... 11

Abbildung 4.5: Abscheideeinheit: umgesetzte Varianten ........................................................ 14

Abbildung 4.6: Abreinigung: Ansatzpunkt bei der Bauform Platten ......................................... 15

Abbildung 4.7: Eingebaute Platteneinheit (Draufsicht, linkes Bild) mit Ansatzpunkt für Abreinigung (rechtes Bild) ............................................................................... 15

Abbildung 4.8: Grundstruktur des Regelkreises (Lunze, J., Regelungstechnik I, S.4, 7.Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2008) ......................................................... 17

Abbildung 4.9: Überwachung und Regelung: Übersicht über das Konzept ............................... 18

Abbildung 4.10: Strömungsmodellierung: aktuelles Modell (oben) und Entwurf einer neuen Geometrie für die nächste Modellschleife (unten) – Seitenansicht .................. 24

Abbildung 4.11: Strömungsmodellierung: aktuelles Modell (links) und Entwurf einer neuen Geometrie für die nächste Modellschleife (rechts) – Draufsicht ....................... 24

Abbildung 4.12: Strömungsmodellierung: Stromlinien der Variante Platte 1A (Farbskala: dunkelblau 0 m/s, rot 5 m/s) ............................................................................ 26

Abbildung 4.13: Strömungsmodellierung: Parametervarianten Plattenanordnung (Eintritt der Gasströmung in das Filtergehäuse jeweils von unten) .............................. 27

Abbildung 4.14: Strömungsmodellierung: Parametervarianten Kettenanordnung (Eintritt der Gasströmung in das Filtergehäuse jeweils von unten) .................................... 28

Abbildung 4.15: Strömungsmodellierung: Parametervariante Gitteranordnung, Geometrie und Stromlinien (Eintritt der Gasströmung in das Filtergehäuse jeweils von links) ............................................................................................................... 29

Abbildung 4.16: Strömungsmodellierung: Paramtervariante Kombi 1, Geometrie und Stromlinien (Eintritt der Gasströmung in das Filtergehäuse jeweils von links) ............................................................................................................... 29

Abbildung 4.17: Strömungsmodellierung: Parametervariante Gitteranordnung, Varianten Platte und Varianten von kombinierten Bauformen ......................................... 30

Abbildung 4.18: Strömungsmodellierung: Betrachtung des Druckverlusts im Abscheider (Referenz entspricht 100%, Referenz = keine Abscheideeinheit in Filtergehäuse) und freie Oberfläche (Niederschlagsfläche) ............................. 31

Abbildung 4.19: Strömungsmodellierung: qualitative Bewertung der Varianten hinsichtlich Druckverlust, Oberfläche, Aufweitung der Strömung und Rückhaltefähigkeit........................................................................................... 31

Abbildung 4.20: Funktionstest der ersten Entwürfe von Isolator-Prototypen: Phasen 1 und 2 exemplarisch für einen Entwurf ....................................................................... 33

Abbildung 4.21: Kurztest mit einem Isolator-Prototypen an einem Kaminofen bei unterschiedlichen Bedingungen (je sieben Abbrände) .................................... 34

Abbildung 4.22: Regenerationstest an einem Isolator-Prototypen: Ergebnis ............................. 34

Abbildung 4.23: Schematischer Versuchsaufbau zur Untersuchung der unterschiedlichen Staubniederschlagsflächen (oben) und der für die Untersuchungen eingesetzte Kaminofen (unten) ....................................................................... 36

Abbildung 4.24: Verlauf des Abscheidegrads für die Staub-Niederschlagsfläche Platten- (oben), Ketten- (Mitte) und Drahtgestrickanordnung (unten) ........................... 38

Abbildung 4.25: Abscheidegrad des Drahtgestricks in Abhängigkeit der Eingangsstaubkonzentration (Anbrand und Hauptverbrennung) ..................... 39

Abbildung 4.26: Konstruktionszeichnung Funktionsmodell 1 .................................................... 41

Abbildung 4.27: Konstruktionszeichnung mit Abmessungen ..................................................... 41

Abbildung 4.28: Konstruktionszeichnung mit Staubtrichter ....................................................... 42

Tabellen

Tabelle 4.1: Projektplan - aktuelle Fassung ........................................................................ 5

Tabelle 4.2: Arbeitsplan laut Projektantrag und Änderungen während Projektverlauf (Projektphase 1, aktuelles Projekt mit Laufzeit 01.12.12 – 31.08.2013) .......... 5

Tabelle 4.3: Abscheideeinheiten: berechnete spezifische Oberflächen .............................. 13

Tabelle 4.4: Überwachung und Regelung: Einteilung der Störungen .................................. 18

Tabelle 4.5: Strömungsmodellierung: Variantenübersicht ................................................... 25

Tabelle 4.6: Funktionstest der ersten Entwürfe von Isolator-Prototypen: Testphasen ......... 33

Tabelle 4.7: Eigenschaften der untersuchten Staubniederschlagsflächen .......................... 37

Tabelle 4.8: Mittlere Abscheidegrade und Minimal- und Maximalwerte der Abscheidegrade der untersuchten Staubniederschlagsflächen für die beiden betrachteten Verbrennungsphasen ..................................................... 39

Tabelle 4.9: Meilensteine (geplant) zum Abschluss der Arbeitspakete ............................... 42

Entwicklung eines Elektroabscheiders für Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen

Zusammenfassung Ziel dieses Projektes war der Entwurf eines Funktionsmodells eines kleinen Elektrofilters für Biomassefeuerungen kleiner Leistung als Gesamtkonstruktion anhand von entwickelten und weiterentwickelten Einzelkomponenten.

Hauptfokus lag dabei auf der Entwicklung einer Hochspannungsdurchführung, die über eine geeignete Maßnahme zur Vermeidung von Partikelniederschlägen und über eine Regenera-tionsmöglichkeit verfügt und somit einen dauerhaft verlässlichen Betrieb des Staubabschei-ders gewährleisten kann. Hier konnte ein entscheidender Erfolg mit der Entwicklung eines Prototyps erreicht werden. Wesentliche Erkenntnisse über grundlegende und spezielle Zu-sammenhänge konnten ermittelt werden und sind in die Entwicklung eingegangen.

Im Rahmen des Projekts wurden mit den Einzelkomponenten viele Untersuchungen und Vorversuche unternommen. Insbesondere waren dies Funktionstests der Entwürfe von ver-schiedenen Isolatoren und Hochspannungsdurchführungen. Als weiterer Schwerpunkt kön-nen hier ebenfalls die vergleichenden Versuche von verschiedenen Staubniederschlagsflä-chen genannt werden.

Die Problemstellung der Abreinigung und Staubaustragung wurde weiterverfolgt, bedürfte jedoch noch weitergehenden Entwicklungsschritten. Gleiches trifft auf die elektronische Überwachung und Regelung des Abscheiderbetriebs zu. Hier konnten, aufbauend auf den durchgeführten Untersuchungen, allerdings die Randbedingungen und das Regelungs- bzw. Überwachungskonzept detailliert beschrieben werden.

Zur Betrachtung der Strömungssituation innerhalb des Staubabscheiders und verschiedener Einbauten wurde die numerische Strömungssimulation als Werkzeug herangezogen. Dies betraf vor allem die strömungstechnische Auslegung und Optimierung der Staubnieder-schlagsflächen und auch der Gesamtkonstruktion im Hinblick auf ein neues Funktionsmodell.

Auf Grundlage dieser abgeschlossenen Projektphase sollten in der nächsten Projektstufe folgende Punkte bearbeitet werden:

• Erhöhung der Abscheideleistung durch verbesserte Strömungsführung und Nieder-schlagsflächen und durch Regelung der Hochspannung (Betrieb kurz vor Span-nungsüberschlag)

• Weiterentwicklung eines automatischen Abreinigung- und Austragssystems

• vollständige Umsetzung der Filterregelung und Überwachung.

Dieses Projekt wurde von der Firma PlasmaAir AG aus Weil der Stadt und dem Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik der Universität Stuttgart (IFK) gemeinsam durchgeführt, die Arbeitsaufteilung und Zuständigkeiten sind im Arbeitsplan des Projekts beschrieben. Die Förderung des Vorhabens erfolgte durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt unter dem Aktenzeichen Az. 29769.

Entwicklung Elektroabscheider August 2013

Einleitung

1 Einleitung

Feinstaub ist in aller Munde und leider auch in vielen Lungen. Neben dem Verkehr, Haup-temittent dieser bedenklichen Stäube, hat der Gesetzgeber jetzt auch die kleinen Feue-rungsanlagen privater Haushalte ins Visier genommen. Insbesondere den Holzfeuerungen wird ein überproportional hoher Emissionsanteil nachgesagt. Eine technisch ausgereifte Lö-sung für ein praxisgeeignetes System zur Feinstaubabscheidung bei kleinen Holzfeuerungen ist am Markt allerdings noch nicht verfügbar.

Die Firma PlasmaAir AG aus Weil der Stadt und das Institut für Feuerungs- und Kraftwerks-technik der Universität Stuttgart (IFK) führen deshalb ein gemeinsames Projekt durch, wel-ches als Zielstellung die Entwicklung eines kompakten und zuverlässigen Elektrofilters für Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen, vor allem für Einzelraumfeuerstätten, hat. In dieser Pro-jektphase (Phase 1) ist als Ziel das Erreichen eines Funktionsmodells als Fertigungszeich-nung mit Weiterentwickelten Einzelkomponenten angestrebt, in der nächsten Projektphase (Phase 2) soll dieser Entwurf umgesetzt und in Dauertests im Hinblick auf ein Serienmodell untersucht und bewertet werden. Das System soll in einem ersten Entwicklungsschritt spezi-ell auf kleine Holzfeuerungsanlagen zugeschnitten werden, allerdings modular erweiterbar aufgebaut sein, so dass in einem zukünftigen Entwicklungsschritt auch Anlagen mit größerer Leistung damit ausgerüstet werden könnten. Es soll so aufgebaut sein, dass es sowohl in Neuanlagen integriert werden kann, als auch bestehende Anlagen damit nachgerüstet wer-den können. Die Kosten des kommerziellen Systems sollen für kleine Leistungen (< 20 kW Nennwärmeleistung der Feuerung) bei < 1.000 Euro liegen.

Nach erfolgreicher technischer Qualifikation (nach Abschluss Phase 2) soll die Technologie am Markt eingeführt werden. Je nach technischem Stand nach Abschluss des Gesamtpro-jektes soll der Filter sowohl im Kesselbereich (Leistungsbereich < 100 kW) als auch im Be-reich der Einzelraumfeuerstätten (z.B. Kaminöfen, Heizeinsätze) eingesetzt werden. Denkbar sind Nachrüstfilter und Filter, die speziell an eine neue Feuerungskonstruktion angepasst sind. Im Bereich Nachrüstfilter ist vom Projektpartner geplant, eine eigene Vertriebsstruktur auf zu bauen und das System direkt zu vermarkten, soll der Filter als Einheit mit der Feue-rung installiert sein, ist eine Zusammenarbeit mit Feuerungsherstellern geplant.

Derzeit sind im Bereich Einzelraumfeuerstätten etwa 10 Mio. Anlagen und im Biomassekes-selbereich rund 0,6 Mio. Anlagen installiert. Im Bereich der Einzelraumfeuerstätten wurden in den letzten Jahren deutlich Zuwachsraten und im Kesselbereich kleinere Zuwachsraten im Bestand erreicht. Viele dieser Anlagen sind in Kommunen mit Luftreinehalteproblemen instal-liert, die inzwischen durch die Ausweisung von z.B. Umweltzonen oder in Bebauungsplänen die Luftbelastung reduzieren wollen, die z.T. auch verstärkt durch Biomassefeuerungen ver-ursacht wird. Ist hier eine geeignete Anlagentechnik verfügbar, was unserer Ansicht nach bisher nicht der Fall ist, kann hier von der Politik die Rahmenbedingungen geschaffen wer-den, damit installierte Anlagen mit Staubfiltern nachgerüstet werden. Werden hierdurch nur 1 % der installierten Anlagen in den nächsten 5 Jahren nachgerüstet, würde das einem Marktvolumen von ca. 100.000 Filtereinheiten entsprechen.

Der geplante Elektrofilter soll sich besonders durch seine kompakte Bauweise mit integrierter Staubabscheidung und hoher Abscheideleistungen sowie einem geringen Druckverlust aus-zeichnen, so dass der Filter auch ohne zusätzliches Gebläse nur mit dem natürlichen

Entwicklung Elektroabscheider August 2013 Seite 1

Einleitung

Schornsteinzug betrieben werden kann. Kern des Filters ist eine Plasmastufe, in der die Feinstaubteilchen elektrisch aufgeladen werden. Die Teilchen werden dann in dem nachge-schalteten kompakten Abscheider abgeschieden. Dieser Abscheider muss von Zeit zu Zeit gereinigt werden.

Einer der Vorteile dieses Systems gegenüber dem aktuellen Stand der Technik soll sein, dass auf die Verwendung von Spülluft zur Sauberhaltung der Isolatoren für die Hochspan-nungselektrode verzichtet werden soll. Dadurch besteht keine sicherheitstechnisch bedenkli-che Öffnung zum Aufstellraum, der bei diesen Feuerungsanlagen meistens dem Wohnraum entspricht. Da die Staubabscheidung bei der neuen Konstruktion im Staubabscheider selbst in einem definierten Bereich stattfindet, und nicht wie bei den bisher für diesen Feuerungs-leistungsbereich vorhandenen Konstruktionen im Abgasrohr, kann eine automatische Abrei-nigung in das System integriert werden. Dies würde den nötigen Reinigungsaufwand durch den Betreiber deutlich reduzieren und könnte auch noch von diesem selbst durchgeführt werden. Außerdem wird hierdurch die Betriebssicherheit erhöht, da die Abreinigung des Fil-ters automatisch erfolgen soll und damit der Wartungszustand des Staubabscheiders nicht von z.B. Kehrintervallen des Schornsteinfegers abhängt. Eine definierte Staubabscheidung im Abscheider selbst verhindert außerdem ein Zusetzen des Verbindungsrohres oder Schornsteins, außerdem müssten an diese keine Bedingungen bezüglich der Materialbe-schaffenheit gestellt werden. Die kompakte Bauform hat Vorteile bezüglich des Platzver-brauchs im Aufstellraum.

Ziel des zweiphasigen Projekts ist die Entwicklung eines dauerhaft zuverlässigen Elektrofil-ters als Funktionsmuster, mit welchem konstant eine gute Abscheideleistung erreicht wird und welcher eine hohe Betriebssicherheit aufweist.

Die grundsätzliche Wirksamkeit dieses Elektrofilter konnte anhand von Prototypen in einem Vorgängervorhaben bereits gezeigt werden. Der Entwicklungsansatz zeichnet sich vor allem durch eine sehr kompakte Bauweise mit integrierter Staubabscheidung und hohen Abschei-deleistungen, von bis über 80 %, aus. Diese hohe Abscheideleistung wurden durch eine ef-fektive Aufladung der Staubpartikel erreicht, konnten allerdings nicht dauerhaft sichergestellt werden. Die größte Schwierigkeit gab es im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit und Zuver-lässigkeit des Betriebs aufgrund von Spannungsüberschlägen von der Hochspannungselekt-rode auf das Filtergehäuse, die die Abscheideleistung drastisch gemindert haben. So waren die wesentlichen Schwachpunkte bei den ersten Prototypen des Elektrofilters die Span-nungsüberschläge und Kriechströme im Bereich der elektrischen Hochspannungsdurchfüh-rung durch das Filtergehäuse und im Bereich der Elektrodenhalterung. Hierdurch nahm die Partikelaufladung drastisch ab, mit der Folge, dass auch die Abscheideleistung deutlich zu-rückging. Die bisherigen Prototypen waren nicht mit einer automatischen Staubaustragung ausgerüstet.

Wesentliche Entwicklungsziele in dieser Projekt-Phase sollen daher die Entwicklung einer betriebssicheren und robusten elektrischen Hochspannungsdurchführung mit Isolator für die Elektroden sein, die ohne Spülluft arbeitet. Der Erfolg bei der Entwicklung der Isolatoren ist hierbei der entscheidende Punkt der ganzen Konstruktion. Nur bei sicher und dauerhaft funk-tionstüchtigen Isolatoren ist auch der Abscheider dauerhaft funktionstüchtig. Kommt es ver-mehrt zu Überschlägen an den Isolatoren, wird die Abscheideleistung drastisch vermindert. Durch konstruktive Maßnahmen, Geometrie und Material der Isolatoren soll ein sicheres Be-

Seite 2 August 2013 Entwicklung Elektroabscheider

Einleitung

triebsverhalten des Abscheiders auch bei höheren Temperaturen und starker Staubbelegung erreicht werden. Aufgrund der kompakten Bauform des Abscheiders, des Temperaturniveaus und der Staubkonzentrationen in diesem Einsatzbereich können keine Standardisolatoren verwendet werden. Eigene Entwicklungen oder auch Sonderanfertigungen sind hier nötig.

Ein wesentlicher Bestandteil eines Abscheiders ist die Abscheideeinheit, in dem die bei der Koronaentladung aufgeladenen Partikel abgeschieden werden. Da die Einzelraumfeuerstät-ten in der Regel kein eigenes Fördergebläse besitzen sondern mit Naturzug betrieben wer-den, ist hier der Druckverlust wichtig. Er darf auch bei beladenem Abscheider nur wenige Pascal betragen. Die bisher angefertigten Prototypen zeigen, dass diese Anforderung einge-halten werden kann.

Durch geeignete Wahl der Geometrie der Abscheideeinheit soll auch die Problematik des Wiedereintrages von bereits abgeschiedenem Staub Beachtung finden. Diese kann zu ver-minderter Abscheideleistung oder auch (rechnerisch) negativen Staubabscheidegraden füh-ren. Es ist wichtig, dass die geladenen Partikel definiert im Abscheider selbst und nicht im gesamten Abgassystem abgeschieden werden. Nur dann ist eine saubere Lösung zur defi-nierten Staubentnahme möglich.

Um den abgeschiedenen Staub dem System zu entziehen ist eine automatische Abreinigung mit Staubaustrag sinnvoll. Für den späteren Betreiber der Feuerungsanlage ist es wichtig, möglichst wenig Aufwand mit der Abreinigung zu haben. Auch der Kontakt mit dem abge-schiedenen Staub, der bei diesen Anlagen unter Umständen mit gesundheitsgefährdeten organischen Verbindungen (z.B. mit polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen PAH und polychlorierter Dibenzo-p-dioxine und Dibenzofurane PCDD/PCDF) belastet sein kann, soll minimiert bis vermieden werden. Dazu ist eine auf den Feuerungsbetrieb abgestimmte Abreinigung erforderlich.

Zur Steigerung der Effektivität des Abscheiders und zur Erhöhung der Betriebssicherheit sollen Regelungs- und Überwachungsmöglichkeiten untersucht werden. Die kleinen char-genweise betriebenen Feuerungsanlagen arbeiten nicht im kontinuierlichen Betrieb, sondern es herrschen stark schwankende Betriebszustände und damit auch Abgaszustände. Das bedeutet für den Abscheider sehr unterschiedliche Bedingungen, mit einer großen Schwan-kungsbreite an Abgastemperaturen, Gaszusammensetzungen sowie Staubkonzentrationen und -zusammensetzungen. Es ist demnach nicht sinnvoll, all diese verschiedenen Zustände mit einer einzelnen Einstellung abzudecken, auch im Hinblick auf die Effizienz der einge-brachten elektrischen Leistung. Ausfallzeiten und Störungen durch Überschläge sollen mini-miert werden. Durch geeignete Wahl von Kenngrößen zur Überwachung soll die Betriebssi-cherheit erhöht werden.

Als Arbeitswerkzeug für die Konstruktion des Elektrofilters soll auch die Strömungsmodellie-rung hinzugezogen werden. Es sollen einzelne Bauteile und auch die Gesamtkonstruktion auf ihre Strömungsführung hin untersucht werden. So sollen Staubablagerungen außerhalb der Abscheideeinheit vermieden, eine gleichmäßige Anströmung der Staub-Abscheideflächen erreicht und der Druckverlust minimiert werden.

Durch das vorangegangene Projekt sind bereits zwei Prototypen vorhanden, auf denen diese Entwicklung aufbaut. Die vorhandene elektronische Ansteuerung mit Hochspannungsmodul soll weiter verwendet werden. Auch die Konstruktion zur Aufladung der Partikel erwies sich


Einleitung

als sehr effektiv, weshalb dieses Prinzip auch weiterhin verwendet werden soll. Neu entwi-ckelt werden müssen die Hochspannungsdurchführung und die Isolatoren sowie die Stau-baustragung aus dem Elektrofilter. Diese Entwicklungen sollen in mehreren Stufen ablaufen.

Aus den Einzelkomponenten soll zum Abschluss der Phase 1 eine Gesamtkonstruktion ent-worfen werden. Nach Untersuchungen und Entwicklungen von Einzelkomponenten des Sys-tems in Phase 1 soll anschließend in Phase 2 ein erstes Funktionsmodell gefertigt und grundlegend getestet werden.

Zusammengefasst sind die Entwicklungsziele in dem Gesamtprojekt: Entwicklung eines voll funktionstüchtigen Funktionsmodells des Elektrofilters, welches für die Zulassungsprozedur (Bauartzulassung) verwendet werden kann. Hierzu ist notwendig: Entwicklung einer be-triebssicheren und robuster elektrischen Hochspannungsdurchführung mit Isolator für die Elektroden (ohne Spülluft), Entwicklung einer einfachen und zuverlässigen Abreinigung mit anschließender Staubaustragung aus dem Elektrofilter und Entwicklung einer Filtersteuerung und Filterüberwachung. Das erste Ziel ist besonders wichtig, damit Spannungsüberschläge und Schallemissionen minimiert und die Abscheideleistung maximiert werden. Mit dem zwei-ten Ziel soll, bei einer räumlich definierten Staubabscheidung, eine automatische Abreini-gung und Staubaustrag erreicht werden. Hierdurch soll auch, in Verbindung mit konstruktiven Maßnahmen, der Wiedereintrag von bereits abgeschiedenem Staub minimiert werden.

Der Punkt der Hochspannungsdurchführung soll in dieser Entwicklung daher im Fokus ste-hen. Nur wenn für diese Problematik, mit der bisher alle bekannten Klein-Elektroabscheider kämpfen, eine Lösung gefunden wird, kann die Entwicklung erfolgreich sein. Denn nur bei langfristiger guter Abscheideleistung werden diese Art der Staubabscheider im Bereich der Kleinanlagen Akzeptanz und einen zukünftigen Anwendungsbereich finden.


Hauptteil

2 Hauptteil

2.1 Projektplan und Arbeitspakete

In Tabelle 4.1 und Tabelle 4.2 ist der Projektplan in der aktuellen Fassung und der Arbeits-plan vom Projektantrag dargestellt. Aufgrund von Verzögerungen bei der Bearbeitung muss-te das Vorhaben verlängert werden, der IFK-Arbeitsplan blieb unverändert.

Tabelle 4.1: Projektplan - aktuelle Fassung

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 81 1,5 0,3 0,3 0,3 0,3 0,32

2.1 1,5 0,5 0,5 0,52.1 3,3 1 1 1,32.2 2,3 1 1,32.3 1,0 0,5 0,52.3 2,3 1,3 12.4 0,5 0,52.4 1,0 0,5 0,52.5 2,3 1,3 12.6 3,2 0,3 0,3 1,3 1,32.7 2,3 1,3 1

33.1 2,5 1 0,5 0,5 0,5

4 1,3 1,30,3 0,2525,3

IFK

Summe PM

PlasmaAir

AP PMProjektjahr 1 Projektjahr 2

Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 1

Tabelle 4.2: Arbeitsplan laut Projektantrag und Änderungen während Projektverlauf (Pro-jektphase 1, aktuelles Projekt mit Laufzeit 01.12.12 – 31.08.2013)

AP Beschreibung AP-Leiter

Antrag Änderungen Projektverlauf

Projektphase 1 – aktuelles Projekt 1 Projektmanagement IFK 2 Entwicklung von Komponenten IFK / PlasmaAir

2.1 Weiterentwicklung der Isolatoren PlasmaAir IFK 2.2 Entwicklung Abscheideeinheit IFK 2.3 Entwicklung automatische Abreinigung PlasmaAir 2.4 Entwicklung Staubaustrag PlasmaAir 2.5 Überwachungs- und Regelmöglichkeiten IFK 2.6 Strömungsmodellierung IFK 2.7 Vorversuche mit Einzelkomponenten IFK

3 1. Funktionsmodell PlasmaAir 3.1 CAD-Konstruktion 1.Funktionsmodell PlasmaAir

4 Bericht und Dokumentation Projektphase 1; Bewertung der Erfolgsaussichten Phase 2 PlasmaAir / IFK


Hauptteil

2.2 AP 2.1 Weiterentwicklung Isolator

Durch Partikelniederschläge auf dem Isolator der Hochspannungsdurchführung kann die stromisolierende Wirkung der Isolatoren beeinträchtigt werden. Je stärker der Niederschlag, umso stärker die Beeinträchtigung. Vor allem Rußpartikel mit ihrer hohen elektrischen Leitfä-higkeit können die elektrische Isolierung unwirksam machen, so dass es zu massiven Be-triebsstörungen bis hin zum Erliegen der Funktionsfähigkeit des elektrischen Hochspan-nungsfeldes kommen kann. Ist dies der Fall, treten starke Kriechströme auf, es kann kein elektrisches Feld zwischen den Elektroden aufgebaut werden und demnach können keine Partikel aufgeladen werden. Die Funktionsfähigkeit des Abscheiders kommt zum Erliegen und es ist keine Partikelabscheidung möglich.

Die Hochspannungsdurchführung mit dem Isolator stellt also das Kernstück für einen elekt-rostatischen Abscheider dar. Nur dessen dauerhafte Funktionsfähigkeit kann einen stabilen Betrieb gewährleisten.

Aus diesem Grund liegt auf diesem Arbeitspaket auch das Hauptaugenmerk des Projekts und dies ist die wichtigste der Komponentenentwicklungen.

Aufgabe war es, eine geeignete Maßnahme zu finden und in der Entwicklung umzusetzen, die in der Lage ist den Isolator vor Partikelablagerungen zu schützen bzw. diese zu verhin-dern oder zumindest weitestgehend zu vermeiden. Auch sollte betrachtet werden, ob es möglich ist einen Isolator mit solchen Ablagerungen zu regenerieren. Untersucht werden sollten auch unterschiedliche Bedingungen, bei denen betriebsgefährdende Ablagerungen auftreten.

2.2.1 Voruntersuchung

Durch eine Voruntersuchung soll die grundsätzliche Eignung der ausgewählten Maßnahme zur Verhinderung von Partikelniederschlägen auf dem Isolator getestet werden. Ihre Wirk-samkeit soll nachgewiesen bevor die Maßnahme dann in Prototypen realisiert wird.

Die nachfolgende Abbildung 4.1 zeigt das Ergebnis der Voruntersuchung. Beide abgebilde-ten Test-Isolatoren waren zeitgleich im Abgas eines Kaminofens eingebaut, waren also den-selben Bedingungen ausgesetzt. Auf der linken Seite ist der Isolator ohne Maßnahme zu sehen. Deutlich sind die schwarzen Partikelablagerungen erkennbar, wobei es sich hierbei hauptsächlich um Ruß handeln dürfte. Auf der rechten Seite ist der Isolator mit Maßnahme abgebildet. Dieser ist erkennbar frei von Ablagerungen geblieben. Nur im unteren Bereich (vor allem an der strömungszugewandten Seite) ist ein kleiner Bereich mit Ablagerungen sichtbar, wobei hier die Maßnahme nicht nah genug war.

Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass die Maßnahme grundsätzlich geeignet ist, Partikel-niederschläge zu vermeiden.

Sie soll daher als nächstem Entwicklungsschritt in ersten Entwürfen von Prototypen von Iso-latoren umgesetzt werden.


Hauptteil

Mit MaßnahmeOhne Maßnahme

Abbildung 4.1: Grundsätzliche Eignung der Maßnahme zur Verhinderung von Partikelnie-derschlägen auf dem Isolator

2.2.2 Erste Entwürfe

Erste Entwürfe von Prototypen zur Umsetzung der Maßnahme zur Vermeidung von Partikel-niederschlägen wurden entwickelt. Zur allgemeinen Auslegung wurden verschiedene Be-rechnungen zur Dimensionierung durchgeführt und ein Lastenheft erstellt.

Die wichtigsten Aspekte hierbei sind die Materialanforderungen bei der Materialwahl für ei-nen Isolator. Kenngrößen sind beispielsweise Isolationswiderstand, Durchschlagfestigkeit, Temperaturverhalten, Festigkeit und Beständigkeit. Außerdem werden Merkmale wie Preis-niveau und Marktverfügbarkeit betrachtet. Des Weiteren ist eine Auslegung für die Durchfüh-rung der Verbesserungsmaßnahme am Isolator notwendig.

Auf Grundlage der Vorgaben des Lastenheftes und den Erkenntnisse aus den bisherigen Untersuchungen werden insgesamt drei verschiedene Entwürfe von Prototypen erstellt und umgesetzt. Zu sehen sind diese in Abbildung 4.2. Hierbei werden verschiedene Konstruktio-nen und verschiedene Materialien verwendet.

Mit den so teilweise sehr unterschiedlichen Prototypen wurden Funktionstests durchgeführt und zum Teil kleinere Optimierungen vorgenommen oder Weiterentwicklungen umgesetzt. Die Funktionstests sind in Abschnitt 4.8.1 enthalten.

Zum Teil wurden Prototypen auch mithilfe externer Unterstützung entwickelt, da sich die Umsetzung der Vorgaben aus dem Lastenheft und Fertigung der Bauteile zu komplex für die verfügbaren Standardbearbeitungen am IFK gestaltete.

So entstanden drei verschiedene Entwürfe, von denen einer für grundlegende Untersuchun-gen zum Partikelniederschlag weiterentwickelt wurde. Ein anderer vielversprechender Ent-wurf wurde zu einem funktionsfähigen Prototyp weiterverfolgt. Diese beiden werden auch in weiterführenden Tests am Prüfstand im Abgas eines Kaminofens eingesetzt und untersucht. Ein anderer Ansatz zur Umsetzung der Maßnahme zur Vermeidung von Partikelniederschlä-gen stellt sich als nicht geeignet heraus und wird daher nicht weiterverfolgt.


Hauptteil

Abbildung 4.2: Erste Entwürfe von Isolator-Prototypen

Die ersten Entwürfe sind noch nicht voll funktionstüchtig. Nach Durchführen der Funktions-tests sind die Schwachstellen bekannt und können in einer Weiterentwicklung verbessert werden. Der vielversprechendste Entwurf wird im nächsten Abschnitt 4.2.3 weiterverfolgt. Mit diesem ersten Prototyp werden jedoch noch Versuche über entstehende Partikelnieder-schläge an einem Kaminofen und auch Regenerationstests durchgeführt, die in Abschnitt 4.8.1 beschrieben sind.

Die Regenerationstests zeigen, dass eine Regeneration auch bei unter Umständen stärke-rem Partikelniederschlag möglich ist. Dies ist eine wichtige Erkenntnis für den späteren Be-trieb, da so zur Erhöhung der Betriebssicherheit immer wieder Regenerationsphasen einge-plant werden können.

Wie genau diese aussehen und wie das Langzeitverhalten beeinflusst wird muss zu einem entsprechenden Zeitpunkt z.B. in Dauerversuchen weiter untersucht werden.

2.2.3 Weiterentwickelung eines ausgewählten Entwurfs

Vor allem einer der Entwürfe der Isolator-Prototypen stellt sich in den Funktionstests als viel-versprechend heraus. Jedoch weist er noch konstruktionsbedingte Mängel bezüglich Kriech-strömen und Überschlägen auf. Aus diesem Grund wird eine weiterentwickelte Version um-gesetzt.

Mit diesem neuen Prototyp werden ebenfalls die in Abschnitt 4.8.1 beschriebenen Funktions-tests durchgeführt. Nach einem dortigen positiven Ergebnis sollen dann Vorversuche im Ab-gas eines Kaminofens durchgeführt werden. Hierbei wird der Isolator in den Abscheider ein-gebaut und ein normaler Betriebszustand hergestellt.

Ziel des nächsten Vorversuches ist die Eignung und Funktionsfähigkeit des neuen Prototy-pen zu testen. Das Ergebnis ist in Abbildung 4.3 zu sehen, hierbei handelt es sich um die strömungszugewandte Seite.


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Abbildung 4.3: Isolator-Prototyp 2 nach dem Einsatz in Vorversuchen an einem Kaminofen (fünf Abbrände)

Wie gut zu erkennen ist, ist der relevante Isolator-Bereich (weißer Bereich) frei von Partikel-niederschlägen, womit das Hauptziel der Entwicklung erreicht werden konnte. Durch den Isolator bedingte Störungen oder auftretende Kriechströme und Überschläge sind nicht er-kennbar. Untersuchungen zum Langzeitverhalten müssen noch folgen, ein kürzerer Dauer-test wurde mit dem Isolator durchgeführt (siehe Abschnitt 4.8.3).

2.3 AP 2.2 Entwicklung Abscheideeinheit

2.3.1 Auslegung und Referenzeinheit

Als Grundlage und Referenz wird eine Variante einer Abscheideeinheit nach einer klassi-schen Auslegung entworfen und umgesetzt. Ergänzend wird ihre Anordnung auf Basis von Ergebnissen der eingesetzten numerischen Strömungssimulation (CFD) optimiert, was in Abschnitt 4.7 beschrieben ist.

Elektroabscheider finden im industriellen Einsatz als Bauformen Röhrenfilter oder Plattenfil-ter Anwendung. Eine klassische Auslegung von ihnen findet auf Basis der Deutsch-Gleichung oder modifizierten Gleichungen statt. In die Berechnungen gehen Größen ein wie Abscheidegrad, Wanderungsgeschwindigkeit, Größe der Niederschlagsflächen und Gasvo-lumenstrom. Die genauen Grundlagen sind in der Literatur beschrieben und werden daher hier nicht näher erläutert.

Plattenfilter besitzen die Möglichkeit einer höheren Packungsdichte und werden daher weiter betrachtet. Röhrenfilter kommen aufgrund ihrer Baulänge für einen Abscheider mit kompak-ter Bauweise, wie er Gegenstand des Projektes ist, schon nach ersten Berechnungen nicht weiter in Frage.

Bei einem Plattenabscheider besteht die Abscheidefläche bzw. Niederschlagsfläche aus mehreren parallel angeordneten Platten. Der Gassenabstand „b“ bezeichnet den Abstand zwischen zwei Platten und stellt eine Auslegungsgröße von Plattenabscheidern dar. Eine


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weitere Auslegungsgröße ist die Plattenlänge „L“. Beide zusammen stellen die Konstrukti-onsparameter der Auslegung dar und bestimmen die spätere Baugröße des Abscheiders.

Als Betriebsparameter ist die vorherrschende Gasgeschwindigkeit am Gasseneintritt rele-vant. Bei kleinen Feuerungsanlagen im Naturzugbetrieb übersteigt diese in der Regel kaum 1 m/s bei üblichen Abgasrohrdurchmessern.

Bei industriellen Anlagen erfolgt die Auslegung oftmals über den gewünschten Abscheide-grad. Berücksichtigt werden hier der Rohgasstaubgehalt von einem üblichen Betriebspunkt und ein gewünschter Reingasstaubgehalt, mit entsprechendem Sicherheitsabstand zum gel-tenden Grenzwert für partikelförmige Emissionen bzw. als Eingangsgröße für einen nächsten Prozessschritt. Aus diesen beiden Größen wird der notwendige Abscheidegrad errechnet, welcher dann die Grundlage für die weitere Auslegung der anderen Größen darstellt.

Zu betonen ist, dass die hier erwähnte Deutsch-Gleichung eine theoretische Ableitung ist und sozusagen einen optimalen Fall darstellt. Im realen Betrieb spielen noch andere Fakto-ren eine Rolle, die in der Regel herstellerspezifisch mit entsprechenden Abschlägen oder Modifizierungen berücksichtigt werden. Die geschieht empirisch.

Eine weitere Größe stellt die Wanderungsgeschwindigkeit dar. Sie wird meist als theoretisch oder effektiv bezeichnet, je nachdem ob es sich um eine theoretische oder reale Betrachtung handelt. Bei der theoretischen Wanderungsgeschwindigkeit handelt es sich um einen Para-meter, der sozusagen die Flug-Geschwindigkeit von einem Partikel in Plattenrichtung be-schreibt. Je höher dieser Wert ist, umso schneller gelangt das Partikel in Richtung Abschei-defläche und umso schneller geschieht die Abscheidung. Das bedeutet, je höher die Wande-rungsgeschwindigkeit, umso höher auch die Abscheideeffizienz, ausgedrückt durch den Ab-scheidegrad. Abhängig ist die Wanderungsgeschwindigkeit beispielsweise von Partikelei-genschaften wie der Partikelgröße und der Stärke des anliegenden elektrischen Feldes. Je kleiner ein Partikel umso schwieriger ist dessen Abscheidung.

In der Praxis werden mit dem Begriff der Wanderungsgeschwindigkeit bei der Auslegung sämtliche Größen erfasst, die sonst nicht auftauchen oder auch nur schwer berechenbar wären. Sämtliche Partikeleigenschaften und Betriebsbedingungen, aber auch Effekte wie Verschmutzungen, ungleichmäßige Strömungsbedingungen, Rücksprühen und Wiederein-trag von bereits abgeschiedenen Partikeln können sich dahinter verstecken. Es handelt sich sozusagen um eine Art „Sammelgröße“.

Die nachfolgende Abbildung 4.4 zeigt den Zusammenhang zwischen den beschriebenen Größen der Deutsch-Gleichung und als Kurvenschar den Einfluss der Gassenbreite b, hier dargestellt von 5 mm (linke Kurve) bis 0,5 m (rechte Kurve). Aufgetragen ist der theoretische Abscheidegrad eta über der Wanderungsgeschwindigkeit w. Mit gestrichelten Linien einge-zeichnet ist der Bereich zwischen w = 0,02 und w = 0,2 m/s. Dies ist ein für industrielle Anla-gen üblicher Bereich. Vorversuche haben gezeigt, dass dieser Bereich auch für die vorlie-gende Konstruktion realistisch ist und daher zu Auslegungszwecken verwendet werden kann.

Betrachtet man also nun den Arbeitsbereich zwischen den gestrichelten Linien wird klar, für eine akzeptable Abscheideleistung sollte der Gassenabstand nicht größer sein als 0,02 m, also 20 mm. Und dies nur als theoretischer Wert. In der Realität wird die zu erwartende Ab-


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scheideleistung aufgrund der oben beschriebenen Effekte niedriger sein. Für den vorliegen-den Fall wird daher die Gassenbreite zu 10 mm gewählt.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,001 0,010 0,100

theo

retis

cher

Abs

chei

degr

ad e

ta [%

]

theoretische Wanderungsgeschwindigkeit w [m/s]

Einfluss der Gassenbreite bb1 0,005 m b2 0,010 m b3 0,020 m b4 0,100 m b5 0,500 m

Abbildung 4.4: theoretische Auslegung der Abscheideeinheit: Einfluss der Gassenbreite b

Eine große Rolle für die Abscheidung der Partikel an den Niederschlagsflächen einer Ab-scheideeinheit spielen die Strömungsverhältnisse im Abscheider.

Bedingt durch die Konstruktion der Prototypen mit seinen Elektrodenformen trifft die Strö-mung sehr zentral und ungleich auf die Abscheideeinheit auf. Das hat ungünstige Strö-mungsverhältnisse für die Abscheidung zur Folge, da für eine hohe Abscheideleistung eine möglichst gleichmäßige Anströmung der Abscheideflächen nötig ist.

Für eine neue Konstruktion sollte dies unbedingt berücksichtigt werden.

Im Abschnitt 4.7 der numerischen Strömungsmodellierung wird noch näher auf diese Prob-lematik eingegangen.

Als Fazit für die Auslegung einer Plattenkonstruktion für den Prototypen wird folgendes fest-gehalten:

• möglichst lange Plattenlänge L (hier: 0,2 m)

• möglichst schmale Gassenbreite b (hier: 10 mm)

• möglichst niedrige Gasgeschwindigkeit v (möglichst große Aufweitung der Strömung aus dem Abgasrohr)

• übliche Wanderungsgeschwindigkeiten w sind realistisch.


Hauptteil

Für andere Konstruktionen außerhalb der klassischen Bauformen gelten grundsätzlich ana-loge Anforderungen:

• hohe Packungsdichte große spezifische Oberfläche: große Oberfläche (entspricht der Niederschlagsfläche) je Volumeneinheit

• niedrige Gasgeschwindigkeit am Eingang der Abscheideeinheit niedrige Filterflä-chenbelastung

• gleichzeitig aber: niedriger Druckverlust (möglichst wenig Oberfläche quer zur Strö-mungsrichtung)

• bei größerer Oberfläche ist der Abscheidegrad weniger stark abhängig von der Wan-derungsgeschwindigkeit und auch der Gasgeschwindigkeit am Eingang des Abschei-ders.

Erkennbar ist hier der Konflikt von Oberfläche die quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Ein hoher Wert ist gut für eine hohe Abscheideleistung, ein niedriger Wert ist gut für den Druckverlust. Hier muss ein Kompromiss gefunden werden.

Um möglichst viel Oberfläche unterzubringen bleibt noch die Dimension entlang der Strö-mungsrichtung, wie z.B. die Länge der Platten. Sie sollte möglichst lang sein, allerdings soll die Baugröße noch kompakt bleiben.

Als gute Lösung erscheint eine Plattenanordnung mit relativ kleinem Gassenabstand. Dadurch können viele Platten, also viel Oberfläche entlang der Strömungsrichtung, unterge-bracht werden. Bei Verwendung sehr dünner Platten wird die Oberfläche quer zur Strömung minimiert.

Allerdings zeigt sich bei einer Plattenanordnung eine sehr starke Abhängigkeit des Strö-mungsprofils von den Anströmbedingungen im Bereich des Gasseneintritts. Eine ungleich-mäßige Anströmung kann nicht durch Querströmungen zwischen den Gassen ausgeglichen werden (keine Quervermischung), es erfolgt eine regelrechte Kanalisierung der Strömung. Zu sehen ist die sich ausbildende Strömung gut in Abschnitt 4.7 bei der Strömungsmodellie-rung. Ebenfalls ist kein Zurückhalten von wiedereingetragenen Partikeln möglich, dies ginge nur durch zusätzlich andere Einbauten, z.B. als Kombination verschiedener Bauformen.

Inwiefern die Nachteile und Vorteile sich in der Praxis im Vergleich mit anderen Bauformen verhalten, sollen die vergleichenden Untersuchungen (Vorversuche) zu den umgesetzten Abscheideeinheiten zeigen.

2.3.2 Umgesetzte Abscheideeinheiten

Platte

Auf Grundlage der beschriebenen Auslegung wurde die Plattenkonstruktion umgesetzt. Als klassische Bauform nach üblichen Auslegungskriterien dient sie als Referenz zu den ande-ren Entwürfen, ihre Umsetzung ist auf das aktuelle Modell des Abscheiders hin optimiert.


Hauptteil

Kette und Draht

Als andere Bauformen sind die Konstruktionen „Kette“ und „Draht“ entstanden. Die Anord-nung der Ketten besitzt eine hohe Packungsdichte und damit eine hohe spezifische Oberflä-che. Der erste Bereich ist einer Plattenanordnung analog zu Gassen ausgebildet, wobei der zweite Bereich eher einer Wabenstruktur folgt, um kleinere und wiedereingetragene Partikel zurückzuhalten. Die Anordnung Draht stellt eine sehr lockere und amorphe Packung mit niedrigem Druckverlust dar.

Drahtgestrickfilter

Als weiterer Entwurf wird eine Weiterentwicklung einer Drahtanordnung realisiert. Bekannt sind drahtförmige Gewebe z.B. aus dem Einsatz als Tropfenabscheider. Es handelt sich um Drahtgestrickfilter. Je nach Fertigung sind diese lockerer oder dichter gewebt, je nach Mate-rial fester oder flexibler. In der Regel handelt es sich um ein dreidimensional gewebtes Drahtgeflecht.

Tabelle 4.3 zeigt die für die umgesetzten Konstruktionen abschätzend berechneten spezifi-schen Oberflächen. Aufgeführt zum Vergleich ist mit sehr niedrigem Wert ein Röhrenab-scheider („Röhre“). Ebenfalls einen recht niedrigen Wert weist die Bauform „Draht“ auf. Einen deutlich höheren Wert besitzt die Anordnung „Kette“, den mit Abstand höchsten Wert hat die Anordnung mit insgesamt 11 Platten. In Abbildung 4.5 sind die umgesetzten Varianten ab-gebildet.

Tabelle 4.3: Abscheideeinheiten: berechnete spezifische Oberflächen

Kette Draht Platten Drahtgestrick Röhrespezifische Oberfläche m²/m³ 80 16 180 85 12

Interessant ist die Frage, ob die Platten aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche die beste Abscheideleistung aufweisen, oder ob die bei der Auslegung der Konstruktion bespro-chenen Nachteile entscheidend zum Tragen kommen. Die ungleichmäßige Anströmung der Platten könnte die effektiv nutzbare Oberfläche auf bis ein Viertel der tatsächlichen Fläche reduzieren.

Unklar ist bisher der Einfluss der Oberfläche der Niederschlagsflächen. Einerseits sollen die Partikel gut anhaften und haften bleiben, andererseits sich bei der Abreinigung wieder gut lösen können. Bei klassischen Plattenabscheidern werden oft Elektroden mit Fangräumen eingesetzt. Sie beeinflussen die wandnahe Strömung und tragen zum verringern des Wie-dereintrages bei. Allerdings können in größeren Anlagen ganz andere Möglichkeiten zur Reinigung eingesetzt werden, die in der Regel eine viel größere Kraft aufbringen, als das in so kleinen Bauformen möglich ist. In einer kleinen Konstruktion ist der Platz auch sehr be-grenzt.

Die Abscheideeinheit in Plattenbauform wird in zwei Varianten umgesetzt. Bei einem Materi-al handelt es sich um Platten aus Federstahlblech, bei dem anderen um Aluminiumplatten mit Prägestruktur. Mit diesem Unterschied soll im Rahmen der Versuche geklärt werden,


Hauptteil

welche Oberfläche bzw. welches Material sich besser für den vorliegenden Einsatz eignet. Hier spielen einerseits die Partikelanhaftung und andererseits das Abreinigungsverhalten eine Rolle. Möglicherweise gehen die durch das andere Material hervorgerufenen Effekte allerdings auch in den anderen Unterschieden bzw. in der Streuung der Ergebnisse unter.

„Kette“ „Draht“

„Platten Alu“„Platten Feder“ „Kombi“

„Drahtgestrick“

Abbildung 4.5: Abscheideeinheit: umgesetzte Varianten

Zur Entwicklungsunterstützung wird für die Auslegung der Entwürfe die numerische Strö-mungssimulation als zusätzliches Werkzeug verwendet. Die Untersuchungen und Ergebnis-se hierzu sind in Abschnitt 4.7 bei Arbeitspaket 2.6 beschrieben.

Um die verschiedenen Bauformen bewerten zu können reicht eine theoretische Betrachtung ihrer Vor- und Nachteil nicht aus. In vergleichenden Untersuchungen wird eine Auswahl der Entwürfe daher im Praxiseinsatz getestet, was in Abschnitt 4.8 bei Arbeitspaket 2.7 be-schrieben wird.

2.4 AP 2.3 Entwicklung automatische Abreinigung

Für den dauerhaften Einsatz eines Abscheiders ist eine automatische Abreinigung unab-dingbar. Nur so kann eine kontinuierliche Abscheideleistung erreicht werden.

In industriellen Anlagen werden die Niederschlagsflächen z.B. mit großen Hammerwerken geklopft oder gerüttelt. Dies erfordert einen hohen Kraftaufwand und verursacht nicht uner-


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hebliche Geräuschemissionen. Dies ist bei kleinen Anlagen nicht möglich. In einem ersten Schritt soll deshalb versucht werden, eine Abreinigung durch eine Art Vibration zu erreichen. Hier werden die Bauteile der Abscheideeinheit mit kleinen Bewegungen gerüttelt bzw. in Schwingung versetzt.

Zu Testzwecken soll dies noch manuell erfolgen, anschließend wird ein elektrischer Un-wuchtmotor eingesetzt. Die Abscheideeinheiten werden dahingehend konstruiert, dass mit einer Abreinigung alle Bauformen der Abscheideeinheiten bedient werden könnten.

An der plattenförmigen Abscheideeinheit erfolgt die Abreinigung über eine Querverstrebung, die alle Platten miteinander verbindet, wie in Abbildung 4.6 dargestellt. Die ins Gehäuse ein-gebaute Abscheideeinheit (Plattenanordnung) zeigt Abbildung 4.7.

Ansatzpunkt für Abreinigung

Abbildung 4.6: Abreinigung: Ansatzpunkt bei der Bauform Platten

Ansatzpunkt für AbreinigungDraufsicht Platteneinheit

Abbildung 4.7: Eingebaute Platteneinheit (Draufsicht, linkes Bild) mit Ansatzpunkt für Ab-reinigung (rechtes Bild)

Bei den Abbrandversuchen mit Platteneinheiten zeigte sich dann, dass eine Abreinigung durch manuelles Bewegen der Platten am zentrischen Ansatzpunkt für die Abreinigung kei-nen Reinigungseffekt erbringt. Der auf Vorschlag des Projektpartners anschließend durchge-führte Versuch mit einem Unwuchtmotor, der an einer Verlängerung der zentrischen Quer-verstrebung der Platten außerhalb des Filtergehäuses montiert war, ergab ebenfalls keinerlei


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Abreinigungseffekt. Die vom Unwuchtmotor erzeugten Plattenschwingungen waren viel zu gering um einen Abreinigungseffekt hervorzurufen. Die schwachen Schwingungen waren nur im Plattenzentrum in den ersten Plattenreihen leicht spürbar.

Fazit

Die untersuchte Lösung zur automatischen Abreinigung führte nicht zum Erfolg, diese Kom-ponente muss in einem zukünftigen Projektschritt noch entwickelt werden.

2.5 AP 2.4 Entwicklung Staubaustrag

Die Versuche haben gezeigt, dass der Staub nicht durch das Gewicht in ein Sammelbehälter fällt und einfach entfernt werden kann. Die Gestaltung des Staubaustrags hängt somit direkt der Lösung der automatischen Abreinigung und der endgültigen Form der Abscheideeinheit zusammen.

Aus diesen Gründen wurden die in diesem Arbeitspaket vorgesehenen Arbeiten in Pro-jektphase 2 verschoben (siehe Kurzbericht 30.06.2012 mit geändertem Projektplan).

2.6 AP 2.5 Überwachungs- und Regelmöglichkeiten

Beim möglichen Einsatz des Elektrofilters in Einzelraumfeuerstätten handelt es sich um ei-nen chargenweisen Betrieb der Feuerungen, es findet ein nicht stationärer Prozess statt.

Dies beeinflusst den Betrieb nachgeschalteter Systeme, da ihre Bedingungen dadurch eben-falls nicht stationär sind. Dies trifft auch z.T. beim Einsatz des Filters in kleineren Kesselan-lagen zu, da auch hier regelmäßig nicht stationäre Betriebsphasen (z.B. Startphasen, Glu-terhaltphasen oder Phasen mit Leistungsregelung) vorliegen.

Für einen sicheren und optimalen Betrieb eines elektrischen Staubabscheiders ist daher eine kontinuierliche Überwachung und Ansteuerung notwendig, die auf die Änderung der Rah-menbedingungen angemessen reagieren kann.

Bei kleinen Biomassefeuerungen treten allerdings eine Vielzahl möglicher Randbedingungen auf, die nicht nur mit der Art der Feuerung variieren, sondern auch sehr stark mit den Be-triebsbedingungen und sie weisen einen zum Teil erheblichen zeitlichen Verlauf auf. Diesen Anforderungen kann nicht mit konstanten Einstellungen begegnet werden, eine dynamische Regelung muss hier die Aufgabe der Ansteuerung des Staubabscheiders übernehmen.

Als Grundlage wird hier kurz der Stand der Technik im Bereich der industriellen Großanlagen beschrieben. In diesem Bereich wird eine automatische Spannungssteuerung angewendet. Zur Überwachung werden Filterspannung und Filterstrom erfasst sowie auftretende Phäno-mene wie Wischer und Überschläge detektiert. Treten Wischer auf, wird mit einer Span-nungsabsenkung reagiert, bei Überschlägen mit einer Spannungssperre und anschließender Spannungsabsenkung (aktuelle Fassung VDI-Richtlinie 3678-1, Beuth-Verlag, Berlin). Au-ßerdem werden Begrenzungswerte für Spannung und Strom angegeben. Ziel ist immer, die Betriebsspannung möglichst nahe an der Durchbruchspannung zu halten, da an diesem Be-triebspunkt der maximale Stromfluss und mit ihm die höchstmögliche Abscheideeffizienz


Hauptteil

stattfindet. In großen Anlagen werden z.B. auch Größen wie der Reingasstaubgehalt konti-nuierlich überwacht.

Bei der Regelgröße in industriellen Anlagen handelt es sich also um die Betriebsspannung. Eine Veranschaulichung der Struktur eines Regelkreises zeigt Abbildung 4.8. Dies ändert sich auch nicht bei kleinen Anlagen, da das Funktionsprinzip der elektrischen Abreinigung ja gleich bleibt. Ebenso ist ein Betrieb möglichst nahe der Durchschlaggrenze mit maximalem Stromfluss und maximaler Leistung erwünscht.

Abbildung 4.8: Grundstruktur des Regelkreises (Lunze, J., Regelungstechnik I, S.4, 7.Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2008)

Grundsätzlich lassen sich für den Stromfluss bei anliegender Betriebsspannung folgende Zusammenhänge festhalten. Der Stromfluss ist:

• hochgradig temperaturabhängig

• sehr stark abhängig von der genauen Positionierung der Elektroden (genauer gesagt vom Elektrodenabstand)

• stark beeinflusst von Verschmutzungen

• abhängig von der jeweiligen Gaszusammensetzung des Mediums (Abgas der Feue-rung).

Statt wie oben beschrieben wird aufgrund einer einfach und kostengünstig detektierbaren Unterscheidung bei dem kleinen Elektrofilter nicht nach Wischern und Überschlägen unter-schieden, sondern nach dem erreichbaren Ladezustand der Hochspannung.

Die Einteilung erfolgt nach unkritischen und kritischen Störungen, wobei als Kriterium der Ladezustand nach Zurücksetzen des Funkenzählers (quasi Spannungssperre) verwendet wird. Wird der Ladezustand des Spannungsniveaus vor der Störung erreicht, handelt es sich um eine unkritische Störung, der Betrieb wird wie gehabt fortgeführt. Kann der Ladezustand nach einer Störung nicht mehr erreicht werden, wird dies als kritische Störung erachtet und es muss eine Reaktion der Regelung stattfinden, in dem die anliegende Betriebsspannung reduziert wird. Tabelle 4.4 fasst dies zusammen.


Hauptteil

Tabelle 4.4: Überwachung und Regelung: Einteilung der Störungen

Störung unkritisch kritisch

Einfluss auf den Betrieb Betrieb wird nicht bzw. nicht merklich beeinflusst Betrieb wird beeinflusst

Dauer Störung kurzzeitig länger andauernd Kriterium Ladezustand wird erreicht Ladezustand wird nicht erreicht

Beispiel kurze Überschläge verur-sacht durch Schwankungen der Abgasbedingungen

andauernde Überschläge, verur-sacht durch starke Verschmut-zung, starken Temperaturanstieg oder falsche Elektrodenposition

Da es sich beim Prozess der elektrischen Abscheidung um vergleichsweise komplexe Zu-sammenhänge handelt, wird ein stufenweiser Aufbau eines Regelungskonzeptes verfolgt. Eine Übersicht über das Konzept zeigt Abbildung 4.9.

Steuerung des Staubabscheiders

Überwachung Spannungsregelung Hochspannungs-durchführung

Heizbetrieb RegenerationStufe 1

Stufe 2

Stufe 3

Stufe 4

Stufe 5

Stufe 1

Stufe 2

Stufe 1

Stufe 2

• Spannung

• Strom

• Überschläge (Funken)

• Kriechströme

• [Temperatur]

Meldung(Schnittstelle zum Anwender)

Normalbetrieb Störung

Abbildung 4.9: Überwachung und Regelung: Übersicht über das Konzept

Als ersten Block muss die Regelung die Überwachung bestimmter Parameter übernehmen, die für den Betrieb und die Betriebssicherheit relevant sind. Hier ist auch die Schnittstelle zum Betreiber bzw. Anwender angesiedelt. Im Block der Spannungsregelung wird die Be-triebsspannung selbst geregelt, je nach Komplexität der Umsetzung in unterschiedlichen Stufen, die aufeinander aufbauen. Bei Stufe 1 handelt es sich jeweils um die einfachste, bei der höchsten Stufe um die aufwändigste Umsetzung. Als weiterer Punkt kommt beim vorlie-


Hauptteil

genden Abscheider als Besonderheit ein Block zur Verhinderung von Partikelniederschlägen auf dem Isolator (in Abbildung als Hochspannungsdurchführung bezeichnet) hinzu, der auch eine Regelung bzw. Steuerung zur Regeneration beinhaltet.

Die Einzelheiten zu den Blöcken sind in den nachfolgenden Abschnitten genauer beschrie-ben.

2.6.1 Überwachung und Störungsmeldung

Überwacht werden die aktuellen Werte von Spannung („U_ist“) und Strom („I_ist“) und der Ladezustand (Funktion „Ready“). Diese Werte liegen direkt vor und können somit leicht er-fasst werden. Durch eine variable Vorgabe können die Spannungs- und Stromwerte aus si-cherheitstechnischen Gründen begrenzt werden. Die Höchstgrenze stellt hier die maximale Leistungsfähigkeit des verwendeten Hochspannungsmoduls fest.

Eine Erfassung von Überschlägen kann über das Auslesen des Funkenzählers des Hoch-spannungsmoduls erfolgen. Ebenfalls wäre ein softwaretechnisches Detektieren möglich, das Merkmal eines Überschlages (Entladung) ist in der Regel ein plötzlicher Stromanstieg mit anschließendem Ausfall der Spannung.

Eine Detektion und Überwachung von Kriechströmen hingegen ist sehr schwierig. Hier gibt es keine eindeutigen Parameter. Genaue Kenntnisse über das Verhalten des Stromflusses sind erforderlich, um Unregelmäßigkeiten bzw. zu hohe Stromflüsse zu erkennen. Dies ge-staltet sich als sehr komplex, da der Stromfluss, wie schon oben erwähnt, von vielen ver-schiedenen Parametern und Bedingungen abhängt.

Als Schnittstelle zum Anwender kann eine auftauchende Störung gemeldet werden. Eine Betriebsüberwachung mit Störungsmeldung wäre in folgenden Stufen denkbar:

• Stufe 1: die Betriebsspannung sinkt unter einen festzulegenden Schwellwert (z.B. Ko-ronaeinsatzspannung unter üblichen Betriebsbedingungen)

Störungsmeldung wird ausgegeben

• Stufe 2: bei (ausreichend) genauer Kenntnis der Zusammenhänge (Spannung, Strom, Temperatur etc.) könnte ein näherungsweise aus den aktuellen Bedingungen berechneter Sollwert des Stroms ermittelt werden. Ist die Abweichung des aktuellen Ist-Werts des Stroms zu groß vom abgeschätzten Soll-Wert, könnte dies ein Hinweis auf eine Betriebsbeeinträchtigung, wie beispielsweise Kriechströme sein


• Stufe 3: bei andauernden Überschlägen wird der Ladezustand der Hochspannung nicht mehr erreicht


• Stufe 4: Ausfall von überwachten Bauteilen (z.B. Hochspannungsversorgung, Tempe-raturmessung)

Störungsmeldung wird ausgegeben.


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2.6.2 Spannungsregelung

Aufgrund der Komplexität der Vorgänge in einem Elektroabscheider wird ein Stufenkonzept zur Umsetzung einer Regelung verwendet. Die Stufen bauen aufeinander auf und werden schrittweise komplexer.

Unabhängig von der Spannungsregelung werden die oben beschriebenen Parameter über-wacht und aus sicherheitstechnischen Gründen nach oben hin begrenzt.

Ein Aufbau nach folgenden Stufen wäre denkbar:

• Stufe 1: die Betriebsspannung wird auf einem konstanten Soll-Wert gehalten

• Stufe 2: bei auftretenden Störungen (z.B. mit Spannungsausfall) wird versucht, das Ausgangsniveau der Betriebsspannung vor dem Vorfall zu erreichen. Falls dies nicht möglich ist (kritische Störung), erfolgt eine Störungsmeldung

• Stufe 3 (Mindeststufe; Betriebssicherheit): bei auftretenden Störungen (z.B. mit Spannungsausfall) wird versucht, das Ausgangsniveau der Betriebsspannung vor dem Vorfall zu erreichen. Falls dies nicht möglich ist (kritische Störung), wird die Be-triebsspannung um einen vorgegebenen Wert reduziert. Falls die Reduzierung nicht genügt und danach der Ladezustand trotzdem nicht erreicht werden kann, erfolgt ei-ne erneute Reduzierung, ggf. wird der Schritt mehrfach wiederholt. Sinkt bei dieser schrittweisen Reduzierung der Soll-Wert der Spannung unter einen gewissen Schwellwert, wird ebenfalls eine Störungsmeldung ausgegeben (siehe Störungsmel-dung in Abschnitt 4.6.1), da unterhalb einer gewissen Grenzspannung keine Korona-entladung und auch kein effektiver Abscheiderbetrieb mehr möglich ist.

Diese Stufe trägt der Betriebssicherheit Rechnung, wobei es vorkommen kann, dass die Spannung auch nach behobener Störung bzw. sich bessernden Betriebsbedin-gungen auf einem niedrigen Niveau bleibt, und somit eine Reduzierung der Betriebs- und Abscheideeffizienz in Kauf genommen wird.

• Stufe 4 (Betriebseffizienz): Mit Spannungserhöhung: die Regelung überprüft ständig die aktuellen Spannungs-/Stromwerte. Kann die Spannung ohne Erwartung eines Überschlags erhöht werden (hat der Ist-Wert des Stroms ausreichend Abstand zum maximalen Begrenzungsstrom?), wird die Spannung schrittweise erhöht.

Hierbei muss die Kurvenform der Strom-Spannungs-Charakteristik berücksichtigt werden (annähernd quadratische Parabelform). Je näher sich das System am Durch-schlag befindet, desto stärker wird die Stromänderung bei gleichbleibenden Span-nungsschritten. Da dieser Zusammenhang stark temperaturabhängig ist, wäre eine Berücksichtigung der aktuellen Abgastemperatur sinnvoll.

Diese Stufe berücksichtigt das Ziel einer dem aktuellen Betrieb entsprechenden mög-lichst hohen Betriebsspannung für eine maximal mögliche Abscheideleistung.

• Stufe 5 (vorausschauende Regelung): Hier wird das dynamische Verhalten einbezo-gen, in dem die aktuellen mit vorangegangenen Werten (ggf. auch mit einer weiter zurückreichenden Historie) verglichen werden. So sind Abschätzungen über das ak-tuelle und zukünftige Abscheiderverhalten möglich, z.B. ob der Stromfluss tendenziell steigt, fällt, oder annähernd konstant bleibt. So könnte schon rechtzeitig auf nahende


Hauptteil

Betriebszustände reagiert werden, um z.B. einem zu starken Stromanstieg (z.B. bei stark steigender Abgastemperatur) mit einer sinkenden Betriebsspannung entgegen-zuwirken.

Diese Stufe stellt die komplexeste aber auch umfassendste Variante dar. Sie erfor-dert sehr genaue Kenntnisse der Vorgänge und Abhängigkeiten, aber auch der mög-lichen Betriebsbedingungen und ist erst bei einem ausgereiften und betriebssicheren Abscheider sinnvoll. Außerdem muss in dieser Stufe das Betriebsverhalten der Feue-rungsanlage, an die der Elektrofilter adaptiert ist, mit berücksichtigt werden.

Das Gesamtkonzept ist bisher bis zur Stufe 3 umgesetzt, jedoch noch nicht betriebssicher bzw. voll funktionstüchtig. Dies ist erst sinnvoll bei ausreichender Funktionssicherheit des Abscheiders, welche durch Dauertest belegt wird. Dadurch sind mehr Daten und die nötige Erfahrung als Basis für eine Umsetzung weiterer Stufen vorhanden.

2.6.3 Steuerung der Hochspannungsdurchführung

Als zusätzliche Aufgabe muss die Regelung die Maßnahme zur Verhinderung von Partikel-niederschlägen auf dem Isolator und deren Regeneration überwachen und entsprechend regeln.

Folgende Stufen für eine Steuerung der Maßnahme zur Verhinderung von Partikelnieder-schlägen auf dem Isolator wären denkbar:

• Stufe 1: Die Regelgröße wird auf einen konstanten Wert geregelt. Diese Stufe ist auf Betriebssicherheit ausgelegt.

• Stufe 2: Die Regelgröße wird proportional zur aktuellen Abgastemperatur geregelt. Dies erfordert die Erfassung der Abgastemperatur, was auch zur (vorausschauen-den) Regelung der Hochspannung notwendig wäre.

• Stufe 3: Die Regelgröße wird variabel zur aktuellen Abgastemperatur geregelt. So könnte im ersten Abbrand ein anderer Sollwert als in den folgenden Abbränden vor-gegeben werden. Auch könnte z.B. in der Anbrandphase jedes Abbrandes ein ande-rer Sollwert wie z.B. im Ausbrand vorgegeben werden. Hierdurch könnte auf die zu erwartenden Verschmutzungsneigungen in den einzelnen Abbränden bzw. Verbren-nungsphasen reagiert werden und die Maßnahme jeweils im optimalen Bereich und hoher Betriebseffizienz betrieben werden. Dies erfordert jedoch eine Detektion der Abbrände bzw. Abbrandphase und eine genaue Kenntnis über das Belegungsverhal-ten der Hochspannungsdurchführung.

Die wahrscheinlich notwendigen Regenrationsphasen der Hochspannungsdurchführung müssen ebenfalls gesteuert werden, was auf unterschiedliche Arten möglich ist. Folgende Stufen wären hier für eine Umsetzung sinnvoll:


Hauptteil

• Stufe 1: Nach Ablauf einer bestimmten Betriebszeit wird eine Regeneration durchge-führt. Dies erfordert keine zusätzlich Überwachung, lediglich die Erfassung der Be-triebsstunden und das Festlegen eines Regenerationsintervalls. Diese Stufe ist für die Betriebssicherheit verantwortlich.

• Stufe 2: Eine Regeneration wird nur nach Bedarf durchgeführt. Hierfür wäre ein ent-sprechendes Kriterium bzw. eine Kenngröße notwendig, mit der der aktuelle Zustand der Hochspannungsdurchführung erfasst und überwacht wird. Dies könnte u.U. der zu erwartende Sollwert des Stromes sein (siehe hierzu Stufe 2 der Störmeldungen). Ist der aktuelle Stromfluss in der Hochspannung deutlich höher als der Erwartungs-wert, könnte dies auf Kriechströme am Isolator hinweisen, die durch übermäßige Ver-schmutzung ausgelöst werden. Inwieweit diese Größe als Kriterium zum Start der Regeration verwendet werden kann, muss noch untersucht werden. Diese Stufe würde für eine höhere Betriebseffizienz und geringe Belastung der Bau-teile sorgen.

Bezüglich der Steuerung der Maßnahme zur Verhinderung von Partikelniederschlägen auf dem Isolator befindet sich die Umsetzung auf Stufe 2. Hiermit kann eine Funktionssicherheit erbracht werden, der Isolator der Hochspannungsdurchführung bleibt frei von Partikelnieder-schlägen.

Eine automatische Steuerung der Regeneration ist noch nicht umgesetzt, diese wurde, so-weit bisher überhaupt notwendig, nur nach optischer Begutachtung manuell gesteuert durch-geführt. Während des Dauertests (siehe Abschnitt 4.8.3) zeigte sich, dass auf eine Regene-ration im Praxisbetrieb (zumindest in größeren Abständen) nicht verzichtet werden kann, wenn der Elektrofilter an chargenweise beschickten Einzelraumfeuerstätten eingesetzt wird.

2.7 AP 2.6 Strömungsmodellierung

Für das Verhalten des Abgases und der Partikel spielen die Strömungsverhältnisse im Ab-scheider eine wichtige Rolle. Bei der Auslegung des Abscheiders und seiner Komponenten sind die Strömungsbedingungen am Abscheidereintritt daher als sehr wichtige Rahmenbe-dingung zu beachten. Wird der Abscheider für den vorliegenden Gasvolumenstrom und der zu erwartenden Partikelbeladung des Gasstroms zu klein dimensioniert, kann die Abscheide-leistung zu gering sein. Ebenso wirken sich ungleichmäßige Strömungsverhältnisse im Ab-scheider ungünstig aus.

Grundsätzlich sind in einem Elektroabscheider langsame Strömungsgeschwindigkeiten und laminare Verhältnisse erwünscht. In industriellen Anlagen sind extra Bauteile zur Vergleich-mäßigung der Strömung und entsprechende Ein- und Auslaufstrecken vorhanden. Un-gleichmäßige oder turbulente Strömungen sollen weitestgehend vermieden werden, um ei-nen wirksamen Partikeltransport in Richtung der Niederschlagelektroden zu ermöglichen und einen Wiedereintrag von abgeschiedenen Partikeln zu verhindern.

Bei anderen Bauformen können sich auch andere Strömungsbedingungen positiv auswirken. Je nach Partikelgröße wirken andere Abscheidemechanismen. Eine Abscheidung aufgrund elektrischer Kräfte funktioniert besonders gut bei größeren Partikeln. Hier treffen auch die


Hauptteil

oben genannten Effekte am meisten zu. Sehr kleine Partikel folgen aufgrund ihrer geringen Größe und dem damit verbundenen geringen Gewicht eher der Gasströmung und es kom-men Diffusionseffekte bei der Abscheidung zum Tragen. Hier können sich die Strömungs-verhältnisse wiederum ganz anders auswirken. Es kann also nicht sicher gesagt werden, dass nur eine laminare Strömung einen positiven Effekt auf die Abscheidung besitzt.

Entscheidend ist jedoch eine gleichmäßige Strömung bzw. eine gleichmäßige Verteilung der Gasströmung über den Querschnitt des Abscheiders. Bereiche in der Abscheideeinheit, die nicht oder nur sehr wenig angeströmt werden, können keinen Beitrag zur Staubabscheidung leisten. Um also die gesamte Abscheidefläche nutzen zu können, muss der Abgasstrom gleichmäßig auf die Abscheidefläche verteilt werden, was nur durch eine gleichmäßige Strömung erreicht wird. Aus diesem Grund muss darauf bei einer Entwicklung ein besonde-rer Fokus gerichtet werden.

Für die aktuellen Versuche soll der vorhandene Prototyp des Abscheidergehäuses verwen-det werden. Die Strömungssimulationen zeigten jedoch, dass dieses strömungstechnisch recht ungünstig gestaltet, da bei seiner Konstruktion lediglich ein möglichst flexibler Gehäu-seaufbau gefragt war. Daher sollen die neu auszulegenden Abscheideeinheiten möglichst gut an das Gehäuse angepasst und die Strömungsverhältnisse optimiert werden. In einem späteren Schritt soll ein neues Gehäuse entworfen werden, das stärker die Strömungsfüh-rung im Filter berücksichtigt und so eine gleichmäßige Anströmung der Abscheideeinheit ermöglicht.

Die Modellierung erfolgt mit einer kommerziellen weitverbreiteten Software zur Strömungs- und Verbrennungssimulation (ANSYS Fluent). Aus Kapazitätsgründen (Gittergröße und An-zahl der Gitterelemente sowie Rechenzeit) wird nur eine Hälfte des Abscheiders modelliert. Dies ist möglich, da entlang der Längsachse der Konstruktion eine Symmetrieebene vorliegt.

2.7.1 Allgemeine Strömung im Prototypen

In diesem Abschnitt wird die grundsätzliche Strömungsführung im Abscheider betrachtet. Vor allem auf die Gehäusekonstruktion an sich wird die Aufmerksamkeit gerichtet, wobei dies primär im Hinblick auf eine Vergleichmäßigung der Strömung am Eintritt in die Abscheide-einheit geschieht.

Die grundsätzliche Strömungsführung im vorhandenen Prototyp ist für die eingebaute Ab-scheideeinheit ungünstig, da diese ungleichmäßig angeströmt wird.

Betrachtet werden soll eine Änderung der Strömungsführung hin zu einer gleichmäßigen Anströmung der Abscheideeinheit. Erreicht werden soll dies im ersten Schritt durch eine Mo-difikation der Gegenelektrode im vorderen Bereich des Abscheiders. Außerdem sollen die starken Querschnittänderungen verringert werden. Der Querschnitt im Bereich der Abschei-deeinheit soll aus Platzgründen beibehalten und nicht verkleinert werden.

Eine Optimierung der Strömungsführung ist beispielsweise wie in Abbildung 4.10 und Abbil-dung 4.11 dargestellt denkbar. Zu sehen sind hierbei jeweils der aktueller Prototyp und der neue Entwurf, jeweils ohne Abscheideeinheit.


Hauptteil

21

3 3

Reduzierung

Gekrümmte Platte

Übergang eckig-rund

123

Abbildung 4.10: Strömungsmodellierung: aktuelles Modell (oben) und Entwurf einer neuen Geometrie für die nächste Modellschleife (unten) – Seitenansicht

1Starke Zentralisierung

Aufweitung12

2

Abbildung 4.11: Strömungsmodellierung: aktuelles Modell (links) und Entwurf einer neuen Geometrie für die nächste Modellschleife (rechts) – Draufsicht

Durch eine gekrümmte Elektrodenplatte wird im neuen Entwurf die Strömung aufgefächert. Die Reduzierungen vermeiden plötzliche Querschnittänderungen, und die damit verbunde-nen Toträume und erzeugen weniger Rückströmungen. Die Strömung nach der Elektroden-platte ist weniger zentralisiert sondern breiter aufgefächert, so dass die nachfolgende Ab-


Hauptteil

scheideeinheit besser angeströmt werden kann. Dies gilt sowohl für die Horizontale als auch für die Vertikale.

Die beschriebene Optimierung wäre für eine nächste Modellschleife denkbar. Wie die ge-naue Umsetzung auch im Sinne der Fertigungsmöglichkeiten und anderen Anforderungen an das Gehäuse und die einzelnen Bauteile aussieht, wird im späteren Abschnitt 4.9 in den CAD-Zeichnungen zum neuen Entwurf erläutert.

2.7.2 Parametervariationen

Für grundlegende Untersuchungen wird das Strömungsverhalten unter Variation von ver-schiedenen Anordnungen der Abscheideeinheit betrachtet, siehe Tabelle 4.5. Einerseits werden Varianten einer Bauform, andererseits die verschiedenen Bauformen untereinander verglichen. Die Nachbildung der vorhandenen Abscheideeinheiten Ketten und Draht erfolgt aufgrund ihrer Komplexität mit vereinfachter Darstellung. Die Ketten sind als stabförmige Elemente, die amorphen Drahtschichten als schräges gleichförmiges Gitter umgesetzt.

Folgende Variationen sind hier enthalten:

• Variationen Plattenanordnungen

• Variationen Kettenanordnungen

• Variation Gitteranordnungen (nur 1 Variante)

• Variation Kombination Platte/Kette.

Tabelle 4.5: Strömungsmodellierung: Variantenübersicht

Gitter 1schräges Gitter,

30 mm, versetzt

Kette 1 Kette 2 Kette 3 Kette 4 Kette 5Anordnung

nach Modell 2.0 (Gassen und

Waben)

aus Variante 1, Anordnung umgedreht

(Waben und Gassen)

Variante mit dichter

Anordnung (nur Waben)

Variante mit lockerer

Anordnung (nur Gassen)

Variante 3 mit Umlenkplatte

Platte 1Cwie 1A nur mit

seitlichen Leitblechen

kürzere Platten, 150 statt 200

mm

Platte 1A Platte 2 Platte 3Platte 1Binnen gleiches

b, außen größer (umgesetzte

Variante)

von innen nach außen größer werdendes b

Platten sind genau in

Düsenmitte bzw. genau dazwischen

Platte 4wie 1 A

(umgesetzt), nur mit

seitlichen Alu-Profilen

Kombi 1Kombination Platten mit

Ketten (dichter gepackt)

Kombi 2Kombination Platten mit

Ketten (lockerer gepackt)


Hauptteil

Hauptziel der Variantenuntersuchung zur Plattenanordnung ist eine für das vorliegende Ab-scheidergehäuse optimierte Anordnung zu finden. Die Plattenanzahl wird im Vorfeld durch die klassische Auslegung wie in Abschnitt 4.3.1 beschrieben bestimmt. Durch Voruntersu-chungen wurde deutlich, dass der dortige Gassenabstand aufgrund der ungleichmäßigen Anströmung nicht ausreichend ist. Es wird daher ein kleinerer Gassenabstand gewählt. Be-ginnend mit diesem werden auch die Varianten durchgeführt.

Variiert werden verschiedene Gassenabstände. In Variante 1A sind die inneren Platten mit gleichem Abstand, die äußerste Platte mit etwas größerem Abstand angebracht. Dieselbe Plattenanordnung nur mit verkürzten Platten besitzt Variante 1B. Dies gilt auch für Variante 1C, hier werden jedoch im Ein- und Auslass-Bereich der Platten noch Leitbleche vorgese-hen, die Rückströmungen und Toträume minimieren sollen. In Variante 2 wird der Gassen-abstand kontinuierlich von innen nach außen hin größer und in Variante 3 befinden sich die Platten genau in der Mitte bzw. genau zwischen den Durchlässen der Elektrodenplatte. Vari-ante 4 entspricht im Wesentlichen Variante 1A, hier sind jedoch zusätzlich die Befestigungs-profile beinhaltet.

Beispielhaft für die Ergebnisse der durchgeführten Simulationsrechnungen ist in Abbildung 4.12 die Geometrie der Variante Platte 1A mit Stromlinien dargestellt. Zu sehen ist die starke Zentralisierung der Strömung durch die Elektrodenplatte. Die weiß bleibenden Bereiche der Platten werden nicht direkt angeströmt und tragen somit auch nicht zur Ab-scheidung bei. Die effektive Niederschlagsfläche ist also im Vergleich zur reinen Plattenober-fläche deutlich vermindert. In der Ansicht von schräg oben ist erkennbar, dass die äußerste Platte kaum angeströmt wird. Diese trägt also auch nicht wirksam zur Abscheidung bei.

Stromlinien:

Ansicht schräg seitlich

Stromlinien:

Ansicht schräg oben

Abbildung 4.12: Strömungsmodellierung: Stromlinien der Variante Platte 1A (Farbskala: dunkelblau 0 m/s, rot 5 m/s)

Im Äußeren Bereich bilden sich sogar Rückströmungen aus, was in der Abbildung 4.13 deut-licher zu sehen ist. Hier ist das Ergebnis der Strömungsmodellierung für die Plattenvariatio-


Hauptteil

nen gezeigt. Dargestellt sind jeweils die Geschwindigkeitsvektoren im Bereich von 0 bis 5 m/s in der Schnittebene genau in der Mitte der Konstruktion als Draufsicht.

Platte 1A Platte 1B Platte 1C Platte 2Variante 0 Platte 3

Abbildung 4.13: Strömungsmodellierung: Parametervarianten Plattenanordnung (Eintritt der Gasströmung in das Filtergehäuse jeweils von unten)

Die deutliche Ausrichtung der Strömung ist bei allen Varianten zu sehen, hierin unterschei-den sich die Varianten auch nicht in ihrer Konstruktion. Durch die roten Pfeile ist die Strö-mungsrichtung in den äußersten Gassen gekennzeichnet. Im Bereich zwischen der äußers-ten Platte und der Gehäusewand findet bei allen eine mehr oder weniger ausgeprägte Rück-strömung statt. In den Varianten 1A, 1B und 1C erfolgt dann in der äußersten Gasse bereits die Strömung in die richtige Richtung. Bei den Varianten 2 und 3 erfolgt diese erst in der nächsten Gasse, in der äußersten Gasse findet eine leichte Rückströmung statt. Die effektiv angeströmte Niederschlagsfläche ist hier kleiner, daher werden diese Varianten nicht favori-siert. Variante 1B besitzt durch die verkürzten Platten ebenfalls eine verkleinerte Fläche, weist aber durch den nach hinten verlagerten Gasseneintritt in die Plattengassen keine Vor-teile bezüglich der Strömungsaufweitung auf und wird daher auch nicht weiterverfolgt. Die Leitbleche in 1C zeigen auch keinen positiven Effekt auf die Rückströmungen und Toträume, womit auch diese Variante keinen Vorteil bildet.

Als Ergebnis der Modellierung dieser Variantenreihe wird die Variante Platte 1A im vorhan-denen Filtergehäuse umgesetzt.

Die Varianten der Kettenanordnung sind in Abbildung 4.14 zu sehen. Als erstes ist wieder die Referenz ohne Abscheideeinheit abgebildet. Variante 1 zeigt die bereits vorhandene Umsetzung. Die Ketten sind hier erst gassenförmig, im zweiten Teil wabenförmig angeord-net. In Variante 2 ist die Reihenfolge genau umgedreht. Variante 3 stellt eine dichtere Pa-


Hauptteil

ckung mit sehr viel Kettenelementen dar, Variante 4 dagegen eine lockerere Anordnung nur in Gassenform. Zur Minimierung von Wiedereintrag bereits abgeschiedener Partikel könnte eine Umlenkplatte wie in Variante 5 nützlich sein.

Kette 2 Kette 3 Kette 4Variante 0 Kette 5Kette 1

Abbildung 4.14: Strömungsmodellierung: Parametervarianten Kettenanordnung (Eintritt der Gasströmung in das Filtergehäuse jeweils von unten)

Die größte Oberfläche entsteht in Variante 3 bzw. 5. Sofern der Druckverlust dieser Packung akzeptabel ist, sollte diese Variante gewählt werden.

Insgesamt weisen die Kettenanordnungen die Möglichkeit zur Querströmung aus, wodurch der Einfluss der durch die Elektrodenplatte verursachten Zentralisierung verringert wird. Dies ist strömungstechnisch ein Vorteil gegenüber der Plattenanordnung. Die Anordnung der Ket-ten in gassenform scheint außer einem geringeren Druckverlust keinen Vorteil zu bringen.

In Abbildung 4.15 sind die Stromlinien der Variante Gitter 1 dargestellt. Die Geschwindig-keitsvektoren auf der Mittelebene sind in Abbildung 4.17 dargestellt. Es finden eine Aufwei-tung der Strömung und auch Querströmungen statt. Insgesamt handelt es sich um eine eher lockerere Anordnung. Vor- und Nachteile können hier nur im Praxisversuch gegeneinander abgewogen werden. Insgesamt ist die Struktur des Drahtgitters nur schwer nachzubilden, dies gilt vor allem für die unregelmäßige Anordnung des Drahtgitters. Inwieweit die Modellie-rung hier zutreffend ist, ist unklar. Daher wird auch nur eine Variante betrachtet.

Die verschiedenen Entwürfe weisen unterschiedliche Vor- und Nachteile auf. Es liegt daher nahe, verschiedene Bauformen miteinander zu kombinieren. Ausgewählt werden hier zur Betrachtung die Platten- und die Kettenbauform. Beide besitzen eine große Oberfläche, die Plattenanordnung entspricht der klassischen Variante und hat einen geringen Druckverlust


Hauptteil

und die Kettenanordnung könnte Vorteile bezüglich des Rückhalts von wiedereingetragenen Partikeln einbringen.

Stromlinien:


Stromlinien:


Abbildung 4.15: Strömungsmodellierung: Parametervariante Gitteranordnung, Geometrie und Stromlinien (Eintritt der Gasströmung in das Filtergehäuse jeweils von links)

Betrachtet werden eine lockerere Anordnung mit weniger Gassen und eine dichtere Anord-nung mit mehr Gassen. Ausgang beider Varianten Kombi 1 und Kombi 2 ist die Variante Platte 4, deren Strömungsfeld mit Geschwindigkeitsvektoren ist in Abbildung 4.17 dargestellt. Die Stromlinien der Variante Kombi 1 sind beispielhaft in Abbildung 4.16 gezeigt.

Stromlinien:


Stromlinien:


Abbildung 4.16: Strömungsmodellierung: Paramtervariante Kombi 1, Geometrie und Strom-linien (Eintritt der Gasströmung in das Filtergehäuse jeweils von links)


Hauptteil

Platte 1A Kombi 1Variante 0 Platte 4 Kombi 2Gitter 1

Abbildung 4.17: Strömungsmodellierung: Parametervariante Gitteranordnung, Varianten Platte und Varianten von kombinierten Bauformen

Die Kombinationen zeigen keine Rückströmung im äußeren Bereich. Beide bewirken eine gewisse Strömungsaufweitung nach oben und unten, jedoch bedingt durch die Platten keine Aufweitung nach links oder rechts. Durch die dichtere Anordnung im hinteren Bereich der Abscheideeinheit könnten diese Varianten gut wiedereingetragene Partikel zurückhalten. Sie besitzen eine große Oberfläche, jedoch auch einen vergleichsweise hohen Druckverlust.

Als ein Ergebnis der Strömungsmodellierung können Angaben zu den Druckverhältnissen gemacht werden. Die absolute Höhe entspricht sicherlich nicht denen der realen Konstrukti-on, da im Modell die Konstruktion erstens vereinfacht ist und die Berechnungen zweitens auch stark von den jeweiligen Einstellungen der Modellierung abhängig sind. Sie können lediglich im Vergleich betrachtet werden.

Die in Abbildung 4.18 dargestellten Werte sind jeweils auf die Variante 0, also den Refe-renzwert des Gehäuses ohne Abscheideeinheit bezogen. Die Plattenanordnungen liegen alle in einem ähnlichen Bereich, sie erhöhen den Druckverlust gegenüber der Referenz nur um ca. 10 %. Bei der Kettenanordnung gibt es schon größere Unterschiede, die etwas dichteren Anordnungen bewegen sich um einen 30 – 40 % höheren Druckverlust gegenüber der Refe-renz. Die Gitteranordnung bewegt sich dazwischen. Einen deutlich erhöhten Druckverlust weisen die Kombinationen aus, hier ist auch die Niederschlagsfläche am größten.

Abschließend sollen die Varianten qualitativ bewertet werden, um für die weitere Entwicklung mögliche Favoriten zu erhalten, siehe Abbildung 4.19. Dies ist jedoch nur eine theoretische Betrachtung der nachgebildeten und berechneten Modelle. Im realen Einsatz können auch noch andere Kriterien oder Merkmale relevant werden, die hier nicht sichtbar sind. Daher muss dies auf jeden Fall im entsprechenden Versuchen untersucht werden.


Hauptteil

Re-ferenz

Platte1A

Platte1B

Platte1C Platte 2 Platte 3 Platte 4 Kette 1 Kette 2 Kette 3 Kette 4 Kette 5 Gitter 1 Kombi

1Kombi

2Druckverlust 100% 111% 109% 112% 108% 106% 117% 128% 130% 138% 117% 139% 122% 149% 139%Oberfläche 0,00 0,44 0,33 0,44 0,44 0,36 0,44 0,17 0,17 0,27 0,16 0,27 0,09 0,59 0,45

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

Stat

isch

er D

ruck

am

Ein

gang

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auf

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²]

Varianten

Varianten: Druckverlust und OberflächeDruckverlust Oberfläche

Abbildung 4.18: Strömungsmodellierung: Betrachtung des Druckverlusts im Abscheider (Referenz entspricht 100%, Referenz = keine Abscheideeinheit in Filterge-häuse) und freie Oberfläche (Niederschlagsfläche)

Re-ferenz

Platte1A

Platte1B

Platte1C Platte 2 Platte 3 Platte 4 Kette 1 Kette 2 Kette 3 Kette 4 Kette 5 Gitter 1 Kombi

1Kombi

2Rückhaltefähigkeit 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 0,0 1,0 0,0 1,0 0,0 1,0 1,0Aufweitung 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,5 1,0 1,0 0,0 1,0 0,5 0,5 0,5Oberfläche 0,0 1,0 0,5 1,0 1,0 0,5 1,0 0,0 0,0 0,5 0,0 0,5 0,0 1,0 1,0Druckverlust 0,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 0,5 0,0 1,0 0,0 0,5 0,0 0,0

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Bew

ertu

ngsp

unkt

e

Varianten

Varianten: qualitative BewertungDruckverlust Oberfläche Aufweitung Rückhaltefähigkeit

Abbildung 4.19: Strömungsmodellierung: qualitative Bewertung der Varianten hinsichtlich Druckverlust, Oberfläche, Aufweitung der Strömung und Rückhaltefähigkeit


Hauptteil

Ausgehend von den hier berücksichtigten Kriterien Rückhaltefähigkeit, Aufweitung, Oberflä-che und Druckverlust werden die verschiedenen Varianten bewertet.

Die Rückhaltefähigkeit steht für die Fähigkeit einer Anordnung, wiedereingetragene Partikel, die ja etwas gröber als die noch nicht abgeschiedenen Partikel sind, am Ende der Abschei-deeinheit aufzuhalten bzw. zurückzuhalten (dies wird positiv bewertet). Mit der Aufweitung ist die Aufweitung der Strömung nach der Elektrodenplatte bzw. im Verlauf der Abscheideein-heit gemeint. Die Platten lassen beispielsweise keinerlei Querströmungen zu, die Zentralisie-rung der Strömung nach der Elektrodenplatte wird nicht vermindert. Bei Anordnungen mit entstehenden Wirbeln und Querströmungen kann sich die Strömung auffächern und somit wird mehr Oberfläche im Abscheider genutzt und die Gasgeschwindigkeit sinkt, was sich positiv auf die Abscheideleistung auswirkt (eine Aufweitung wird positiv bewertet; sie kann in eine Raumrichtung (z.B. oben/unten) oder in zwei Raumrichtungen (oben/unten und rechts/links) erfolgen).

Eine geringe Erhöhung des Druckverlusts gegenüber der Referenz wird als positiv bewertet, ebenso eine große Oberfläche.

Alle Kriterien sind gleich gewichtet. Inwiefern das in der Realität zutreffend ist, müssen je-doch die praktischen Untersuchungen zeigen.

Nach dieser Bewertung sollten also die dichteren Kettenvarianten (Kette 3, Kette 5) und die Kombinationen (Kombi 1, Kombi 2) die vielversprechendsten Varianten zur Umsetzung und für eine hohe Abscheideleistung sein.

2.8 AP 2.7 Vorversuche mit Einzelkomponenten

2.8.1 Vorversuche mit Prototypen von Isolatoren

Im Rahmen des Projekts wurden verschiedene Prototypen von Isolatoren entworfen und umgesetzt. Diese wurden laufend verschiedenen Vorversuchen mit und ohne Feuerung un-terzogen, wobei auch grundlegende Untersuchungen zum Temperaturverhalten und zu Ma-terialeigenschaften durchgeführt wurden.

Die ersten Funktionstests zielten auf die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der ersten Ent-würfe von Prototypen aus Abschnitt 4.2.2 ab. Einzelne Eigenschaften, die für den späteren Einsatz relevant sind, wurden isoliert betrachtet und untersucht. So können genaue Erkennt-nisse über die Grundlagen der sonst im Einsatz komplexen Zusammenhänge gewonnen werden. Die ersten Funktionstests fanden daher auch noch nicht im Einsatz im Abscheider und im Abgas einer Feuerung sondern bei Umgebungsluft statt.

Die verschiedenen Testphasen der Funktionstests zeigt Tabelle 4.6. Ein Heißluftgebläse simuliert den Temperaturanstieg während dem Einsatz in Feuerungsabgasen, um auch Ver-haltensweisen bei realen Einsatztemperaturen untersuchen und die Leistungsfähigkeit und das Verhalten der Prototypen beurteilen zu können. Die Phasen 1 und 2 zeigt beispielhaft Abbildung 4.20. Das unterschiedliche Verhalten von z.B. verschiedenen Materialien kann so verglichen werden. Je nach Materialkenngrößen zeigen die Materialien unterschiedliche Auf-heizzeiten und Temperaturverläufe über die Zeit und auch innerhalb des Materials.


Hauptteil

Tabelle 4.6: Funktionstest der ersten Entwürfe von Isolator-Prototypen: Testphasen

1. Aufheizen

2. Temperatur halten

3. Hochspannung

4. Abkühlen

Automatisches Einschalten und Aufheizen (temperaturgeregelt)Regeln auf eine Temperaturvorgabe durch automatisches An- und Ausschalten (Zweipunktregler)Langsames Abfahren von Strom-Spannungs-Kennlinien bei unterschiedlichen TemperaturenAbkühlvorgang

0

50

100

150

200

250

300

0:00 0:15 0:30 0:45 1:00

Tem

pera

tur

[°C]

T_gas [°C] T_soll [°C] T_innen [°C] T_außen [°C]

Hei

zung

(A

n /

Aus

)

Abbildung 4.20: Funktionstest der ersten Entwürfe von Isolator-Prototypen: Phasen 1 und 2 exemplarisch für einen Entwurf

Auch das Anlegen einer Hochspannung wurde untersucht, dies geschah anhand des Abfah-rens von Spannungskurven, deren Ergebnis dann Strom-Spannungs-Kennlinien sind. Diese werden bei elektrostatischen Abscheidern als Darstellung genutzt, um einen Abscheider zu charakterisieren, sein spezifisches Verhalten aufzuzeigen und die Zusammenhänge zwi-schen angelegter Spannung und daraus resultierendem Stromfluss darzulegen. Während dem Durchlaufen dieser Kurven können auch mögliche Störungen und nicht erwünschte Ef-fekte erkannt werden, wie beispielsweise auftretende Kriechströme oder Überschläge inner-halb der Konstruktion.

Einen Kurztest im Abgas eines Kaminofens zum Verhalten von entstehenden Partikelnieder-schlägen auf dem Isolator der Hochspannungsdurchführung bei unterschiedlichen Bedin-gungen zeigt Abbildung 4.21. Für jeden Zustand wurden sieben Abbrände durchgeführt. Bei schlechter werdenden Verbrennungsbedingungen und abnehmender Wirksamkeit der Maß-nahme zur Verhinderung von Partikelniederschlägen auf dem Isolator (von links nach rechts) nimmt auch der Partikelniederschlag deutlich zu. Spätestens beim vorletzten Zustand wären massive Betriebsstörungen zu erwarten, die Abscheideleistung würde stark einbrechen. Beim letzten Zustand konnte trotz Feuerungsbetrieb durch eine Regeneration der Partikel-niederschläge wieder entfernt werden.

Das Ergebnis der Regeneration zeigt Abbildung 4.22 als Unterschiede in den Niederschlä-gen auf der strömungszu- oder abgewandten Seite.


Hauptteil

Abbildung 4.21: Kurztest mit einem Isolator-Prototypen an einem Kaminofen bei unter-schiedlichen Bedingungen (je sieben Abbrände)

Strömungszugewandte Seite Strömungsabgewandte Seite

von

nach

von

nach

Abbildung 4.22: Regenerationstest an einem Isolator-Prototypen: Ergebnis

Das Hauptziel des Versuchs ist der Nachweis, dass eine Regeneration auch bei unter Um-ständen stärkerem Partikelniederschlag möglich ist. Dies ist eine wichtige Erkenntnis für den späteren Betrieb, da so zur Erhöhung der Betriebssicherheit immer wieder Regenerations-phasen eingeplant werden können. Wie genau diese aussehen und wie das Langzeitverhal-ten beeinflusst wird, muss zu einem entsprechenden Zeitpunkt z.B. in Dauerversuchen wei-ter untersucht werden.


Hauptteil

2.8.2 Vorversuche mit Abscheideeinheiten

Für eine effektive Staubabscheidung ist, neben einer ausreichenden Aufladung der Partikel, auch die richtige Auswahl, Auslegung und Anordnung der Staubniederschlagsflächen not-wendig. Hierzu wurden auch Simulationsrechnungen durchgeführt (siehe Abschnitt 4.7), die allerdings nur über die Strömungsbedingungen im Elektrofilter beim Einsatz unterschiedli-cher Abscheideeinheiten aussagen liefern und nicht über das Abscheideverhalten der Parti-kel. Um dies zu untersuchen, wurden mit drei unterschiedlichen Staubniederschlagsflächen (Platten-, Ketten und Drahtgestrickanordnung) umfangreiche Untersuchungen an einem handelsüblichen Kaminofen durchgeführt. Die unterschiedlichen Staubniederschlagsflächen wurden jeweils über 27 Abbrände im Betrieb getestet. Hierzu wurde ein Versuchsprogramm ausgearbeitet, um durch eine standardisierte Vorgehensweise eine möglichst gute Ver-gleichbarkeit der Ergebnisse zu erreichen.

Untersucht wurden die Abscheideleistungen jeweils während der emissionsträchtigen An-brandphase und während der Hauptverbrennungsphase. Die Staubmessungen wurden je-weils zeitgleich vor und nach dem Abscheider durchgeführt. Der schematische Versuchsauf-bau und der eingesetzte Kaminofen ist in Abbildung 4.23 gezeigt.

Die drei untersuchten Varianten von Staubniederschlagsflächen Platte - Kette - und Drahtge-strick sind mit einigen spezifischen Eigenschaften in Tabelle 4.7 aufgeführt. Zwischen den einzelnen Flächen besteht ein Abstand mit der Gassenbreite b. Diese ist mit der spezifischen Oberfläche ein wichtiges Auslegekriterium, da sie die Wanderungsgeschwindigkeit der Staubteilchen beeinflusst. Die spezifische Fläche ist die Oberfläche der Staub-Niederschlagseinheit bezogen auf das Volumen, welches die Staub-Niederschlagseinheit im Abscheider einnimmt. Das Drahtgestrick ist ein aus Draht gewobenes Netz, dem eine zur Mitte hin pfeilförmig zulaufende Wellenstruktur aufgeprägt wurde. Die Anordnung des Draht-gestricks im Filter basiert auf der Variante Kette. Es verlaufen sechs Lagen in Strömungs-richtung, dahinter liegen drei Lagen senkrecht zur Strömungsrichtung.

Um die Messergebnisse mit den Staub-Niederschlagsflächen später miteinander vergleichen zu können, sollten die Messungen bei weitestgehend gleichen Rahmenbedingungen durch-geführt werden. Dazu gehören unter anderem der Brennstoff, die Regelung der Verbren-nungsluft, der Ablauf des Nachlegens, die Einstellungen am Elektrofilter sowie der Zeitpunkt der Staubmessung. Alle diese Bedingungen sollten bei jedem Versuch dieselben sein. Um dies soweit wie möglich zu gewährleisten, wurde ein Versuchsprogramm festgelegt, welches die einzuhaltenden Rahmenbedingungen beschreibt.

Als Brennstoff wurde trockenes Buchenholz mit einem Wassergehalt von 17,4 % verwendet, wobei jeweils 2 Scheite mit einer Masse zwischen 1,3 - 1,5 kg aufgelegt wurden. Die Rege-lung der Luftzufuhr erfolgte über die vorhandenen Primärluft- und Sekundärluftschieber des Kaminofens. Jeder Schieber wurde entsprechend der Abbrandfolge des Versuchstages (1. Abbrand zur Grundgluterzeugung bei kaltem Ofen, 2. Abbrand, etc.) eingestellt. Der Schorn-steinzug wurde jeweils bei kaltem Ofen auf ca. 10,5 Pa eigestellt und lag dann im heißen Zustand der Feuerung bei etwa 12 Pa.


Hauptteil

Abbildung 4.23: Schematischer Versuchsaufbau zur Untersuchung der unterschiedlichen Staubniederschlagsflächen (oben) und der für die Untersuchungen einge-setzte Kaminofen (unten)

Der Elektrofilter wurde bei allen Versuchen mit gleicher konstanter Einstellung betrieben. Damit das Überschlagsrisiko gering bleibt wurde die Spannung auf 5 kV eingestellt (zur bes-seren Vergleichbarkeit sollte keine Spannungsregelung eingesetzt werden) und die Maß-nahme zur Verhinderung von Partikelniederschlägen auf dem Isolator war in Betrieb.


Hauptteil

Tabelle 4.7: Eigenschaften der untersuchten Staubniederschlagsflächen

Bezeichnung Platte Kette Drahtgestrick

Spezifische Ober-fläche [m²/m³] 180 80 85

Gassenbreite [cm] 1-2 2 2

Der Abscheidegrad ist das Hauptkriterium zur Bewertung eines Elektrofilters. Er gibt an, wie viel Staub bezogen auf die Eingangskonzentration vom Elektrofilter zurückgehalten wird. Im Folgenden werden die Ergebnisse der Abbrandversuche für die drei untersuchten Staubnie-derschlagsflächen gezeigt, die nach den unterschiedlichen Verbrennungsphasen (Anbrand und Hauptverbrennung) eingeteilt sind, siehe Abbildung 4.24.

Als erste Staubniederschlagsfläche wurde die Version Platte untersucht. Auffällig bei den ermittelten Abscheidegraden für diese und auch die anderen Varianten der Niederschlags-flächen sind deren starke Schwankungen während den Versuchsreihen. Bei der Version Platte liegt der Abscheidegrad in der Hauptverbrennung zwischen etwas über 10 % und reicht bis rund 95 %. In der Anbrandphase liegen die ermittelten Abscheidegrade in der Ten-denz niedriger im Bereich zwischen 20 % und etwas über 50 %, bei geringerer Schwan-kungsbreite.

Bei der Version Kette ergibt sich ein ähnliches Bild, mit Abscheidegraden für die Hauptver-brennung zwischen etwas über 40 % bis rund 90 %. Hier liegen die Abscheidegrade für die Anbrandphase durchweg niedriger im Bereich zwischen ca. 15 bis knapp 40 %, bei ebenfalls reduzierter Schwankungsbreite.

Bei der Niederschlagsfläche Drahtgestrick liegen die Abscheidegrade für die Hauptverbren-nung zwischen kleiner 10 % und knapp 90 %, mit einem etwas auffälligen Schwankungs-muster. In der Anbrandphase liegen auch hier die Abscheidegrade in der Tendenz niedriger mit maximal etwas über 40 %.

Insgesamt ist für alle untersuchten Varianten keine Tendenz im Abscheidegrad während der durchgeführten 27 Abbrände zu erkennen. Die Niederschlagsflächen wurden während der Versuchsreihe nicht gereinigt.

Ausfälle der Hochspannungsversorgung aufgrund massiver Überschläge traten während den Versuchen nicht auf, allenfalls kurzzeitige Spannungseinbrüche. Dies ist allerdings nicht die Ursache für die schwankenden und z.T. sehr geringen Abscheidegrade in der Hauptverbren-nungsphase. Als Ursache hierfür sind vor allem die unterschiedlichen Staubzusammenset-zungen und Konzentrationen, die sich aufgrund der vergleichsweise geringen Spannung stärker als erwartet auswirken, anzusehen.


Hauptteil

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Absc

heid

egra

d [%

]

Abbrand

Messreihe 1 / Platte / Kaminofen Lagos / Stückholz 23 cm Buche

Hauptverbrennung

Anbrand

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Absc

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d [%

]

Abbrand

Messreihe 2 / Kette / Kaminofen Lagos / Stückholz 23 cm Buche

Hauptverbrennung

Anbrand

Abbildung 4.24: Verlauf des Abscheidegrads für die Staub-Niederschlagsfläche Platten- (oben), Ketten- (Mitte) und Drahtgestrickanordnung (unten)

Der Einfluss der Eingangsstaubkonzentration auf den Abscheidegrad ist in Abbildung 4.25 am Beispiel des Drahtgestricks als Abscheidefläche dargestellt.

0

10

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Absc

heid

egra

d [%

]

Abbrand

Messreihe 3 / Drahtgestrick / Kaminofen Lagos / Stückholz 23 cm Buche

Hauptverbrennung

Anbrand


Hauptteil

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0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

Absc

heid

egra

d [%

]

Eingangsstaubkonzentration [mg/m³]

Messreihe 3 / Drahtgestrick / Kaminofen Lagos / Stückholz 23 cm Buche

Abbildung 4.25: Abscheidegrad des Drahtgestricks in Abhängigkeit der Eingangsstaubkon-zentration (Anbrand und Hauptverbrennung)

Mit zunehmender Staubkonzentration im Rohgas sinkt die Abscheideleistung des Elektrofil-ters, allerdings zeigen sich auch bei dieser Darstellung die großen Schwankungen der Ab-scheideleistung.

Die Druckverluste lagen bei den drei untersuchten Niederschlagsflächen im Mittel auf nahe-zu gleichem Niveau von rund 5 Pa und stiegen während den drei Versuchsreihen nicht an. Die Druckverluste zeigten nur geringe Schwankungen von etwa ± 1 Pa.

Zusammenfassend sind die mittleren Abscheidegrade und deren Minimal- und Maximalwerte für die beiden Abbrandphasen in Tabelle 4.8 aufgeführt. Für die Hauptverbrennung liegen die mittleren Abscheidegrade im Bereich von etwas über 50 %, in der Anbrandphase bei rund 30 %. Dies erscheint für ein marktfähiges Produkt noch als zu gering, hier sollten bei Prüfstandsmessungen mittlere Abscheidegrade für die Hauptverbrennung von mindestens 75 % erreicht werden.

Tabelle 4.8: Mittlere Abscheidegrade und Minimal- und Maximalwerte der Abscheidegrade der untersuchten Staubniederschlagsflächen für die beiden betrachteten Ver-brennungsphasen

Mittelwert der Ab-scheidegrade

Abscheidegrad [%] Hauptverbrennung Anbrand

min - max Ø min - max Ø Platte 12 - 84 54 22 - 53 38 Kette 45 - 89 63 15 - 37 28 Drahtgestrick 6 - 87 53 6 - 42 24

Bei den Versuchen stellte sich heraus, dass sich der Staub auf allen Niederschlagsflächen gut durch mechanische Reinigung ablösen lies. Durch Saugen konnte erst durch sehr engen Kontakt mit den Staubagglomerationen auf den Flächen ein gutes Ergebnis erzielt werden. Die einzelnen Staub-Niederschlagsflächen unterschieden sich an der Zugänglichkeit der zu reinigenden Stellen. Hier schnitten die Ketten am besten ab, da sie sehr beweglich sind und


Hauptteil

jede Stelle gut mechanisch und pneumatisch gereinigt werden kann. Das Drahtgestrick ließ sich nicht so gut reinigen wie die Ketten, was hauptsächlich daran lag, dass der für die me-chanische Reinigung verwendete Pinsel nicht gut in das eng gewobene Drahtnetz eindringen konnte.

2.8.3 Kurzer Dauertest

Im Rahmen der Untersuchungen mit den unterschiedlichen Niederschlagsflächen wurde auch ein kurzer Dauertest des Isolators über insgesamt ca. 71 h Betriebszeit durchgeführt. In diesem Zeitraum traten keine Hochspannungsausfälle aufgrund von Überschlägen mehr auf, allenfalls kurzfristige Spannungsabfälle.

Im Laufe der Betriebszeit bildete sich auf dem Isolator ein Belag, der sich mit der Regenera-tionsmaßnahme gut abreinigen ließ.

Insgesamt kann auf Basis dieser Dauertest geschlossen werden, dass der im Projekt entwi-ckelte Isolator für den Einsatz unter den harten Bedingungen an Einzelfeuerstätten geeignet ist, die Maßnahme zur Vermeidung von Partikelniederschlägen soweit gut funktioniert, dass durch eine ab und zu stattfindende Regeneration der Isolator dauerhaft so sauber gehalten werden kann, dass Überschläge und damit Ausfälle der Hochspannungsversorgung vermie-den werden.

2.9 AP 3.1 CAD-Konstruktion 1.Funktionsmodell

Basierend auf den Versuchen und den Strömungssimulationen wurde die Konstruktion des 1. Funktionsmodels ausgeführt. Die An- und Abströmräume wurden strömungsgünstig ge-staltet. Die Grundfunktion der Plasmaeinheit wurde beibehalten. Die Ausführungen des Isola-tors und der Durchführungen haben sich als Funktionstüchtig erwiesen. Die Ausführung wird so beibehalten. Die Platte wurde gekrümmt ausgeführt um die Strömung gleichmäßiger zu der Abscheidereinheit zu leiten. Da die Kette als Abscheider die besten Abscheidegrade ge-zeigt hat und zudem noch Vorteile beim Gewicht bringt, wird diese Anscheiderform für das Funktionsmodell 1 primär weiter verfolgt. Zudem ist zu erwarten, dass diese Form Vorteile bei der Abreinigung hat, da die Ketten frei hängen und dadurch beweglich und sehr gut zu-gänglich sind.

Der untere Teil unter der Abscheidereinheit wurde als Schrägboden mit einem Stutzen aus-geführt. An diesen Stutzen kann z.B. ein Staubsauger angeschlossen werden um Versuche zur Abreinigung durchzuführen. Die komplette Abscheidereinheit ist auf Schienen aufge-hängt und kann seitlich durch aus dem Abscheider gezogen werden. Auf diese Weise ist die manuelle Abreinigung möglich und es können ohne große Umbauten verschiedene Abschei-der, die als Einschub konstruiert sind, getestet werden.


Hauptteil

Abbildung 4.26: Konstruktionszeichnung Funktionsmodell 1

Abbildung 4.27: Konstruktionszeichnung mit Abmessungen


Hauptteil

Abbildung 4.28: Konstruktionszeichnung mit Staubtrichter

2.10 Meilensteine und Abschluss der Arbeitspakete

In Tabelle 4.9 sind die geplanten Meilensteine zum Abschluss der Arbeitspakete aufgelistet.

Tabelle 4.9: Meilensteine (geplant) zum Abschluss der Arbeitspakete

AP Beschreibung Meilensteine als AP-Abschluss

2.1 Weiterentwicklung der Iso-latoren

Betriebssicherheit: Keine wesentliche Beeinträchtigung der Funktion der Koro-naentladung durch Kriechströme, Temperaturbeständigkeit (Dauerbetrieb) bis 350 °C

2.2 Entwicklung Abscheideein-heit

Niedriger Druckverlust (< 5 Pa), kein wesentlicher Staubbe-lag nach Ende der Abscheideeinheit (Abscheideoberfläche ausreichend für möglichst vollständige Abscheidung), kein wesentlicher Wiedereintrag von abgeschiedenem Staub

2.3 Entwicklung automatische Abreinigung

Druckverlust wird durch die Abreinigung annähernd auf den Ausgangdruckverlust der unbeladenen Abscheideeinheit gebracht

2.4 Entwicklung Staubaustrag abgereinigter Staub wird ohne Wiedereintrag und größere Ablagerungen aus dem Gehäuse ausgetragen

2.5 Überwachungs- und Re-gelmöglichkeiten

Betriebsstörungen werden automatisch erkannt, die Betriebsparameter werden automatisch dem aktuellen Abgaszustand angepasst

2.6 Strömungsmodellierung Einzelkomponenten bzw. die Gesamtkonstruktion wurden strömungstechnisch untersucht

2.7 Vorversuche mit Einzel-komponenten

Vorversuche mit allen entwickelten Einzelkomponenten durchgeführt

3.1 CAD-Konstruktion - 1. Funktionsmodell

Vollständige Konstruktion und bemaßte Zeichnungen für Fertigung.


Hauptteil

Folgende Meilensteine wurden erreicht:

• AP 2.1: vollständig

• AP 2.2: teilweise, Lösungsansatz durch Ergebnisse Strömungssimulation und Ver-brennungsversuche vorhanden

• AP 2.3: hier ist Weiterentwicklung notwendig

• AP 2.4: hier ist Weiterentwicklung notwendig

• AP 2.5: Randbedingungen und Vorgehensweise anhand der Verbrennungsversuche festgelegt, teilweise Umsetzung erfolgt

• AP 2.6: vollständig umgesetzt, zeigte sich als wichtiges Werkzeug für weitere Ent-wicklungen

• AP 2.7: durchgeführt, erbrachten wesentliche Erkenntnisse zum Stand der Entwick-lung und für weitere Arbeiten

• AP 3.1: durchgeführt, Zeichnungen sind vorbereitet zum Bau


Fazit

3 Fazit

Ziel dieses Projektes war der Entwurf eines Funktionsmodells für einen kompakten kleinen Elektrofilter für Biomassefeuerungen kleiner Leistung.

Hauptfokus lag dabei auf der Entwicklung einer Hochspannungsdurchführung, die über eine geeignete Maßnahme zur Vermeidung von Partikelniederschlägen und über eine Regenera-tionsmöglichkeit verfügt und somit einen dauerhaft verlässlichen Betrieb des Staubabschei-ders gewährleisten kann. Hier konnte ein entscheidender Erfolg mit der Entwicklung eines Prototyps erreicht werden. Wesentliche Erkenntnisse über grundlegende und spezielle Zu-sammenhänge konnten ermittelt werden und sind in die Entwicklung eingegangen.

Im Rahmen des Projekts wurden mit den Einzelkomponenten viele Untersuchungen und Vorversuche unternommen. Insbesondere waren dies Funktionstests der Entwürfe von ver-schiedenen Isolatoren und Hochspannungsdurchführungen. Als weiterer Schwerpunkt kön-nen hier ebenfalls die vergleichenden Versuche von verschiedenen Staubniederschlagsflä-chen genannt werden.

Die Abreinigung und Staubaustragung wurde weiterverfolgt, bedürfte jedoch noch weiterge-henden Entwicklungsschritten. Gleiches trifft auf die elektronische Überwachung und Rege-lung des Abscheiderbetriebs zu. Hier konnten, aufbauend auf den durchgeführten Untersu-chungen, allerdings die Randbedingungen und das Regelungs- bzw. Überwachungskonzept detailliert beschrieben werden.

Zur Betrachtung der Strömungssituation innerhalb des Staubabscheiders und verschiedener Einbauten wurde die numerische Strömungssimulation als Werkzeug herangezogen. Dies betraf vor allem die strömungstechnische Auslegung und Optimierung der Staubnieder-schlagsflächen und auch der Gesamtkonstruktion im Hinblick auf ein neues Funktionsmodell.

Auf Grundlage dieser abgeschlossenen Projektphase sollten in der nächsten Projektstufe folgende Punkte bearbeitet werden:

• Erhöhung der Abscheideleistung durch verbesserte Strömungsführung und Nieder-schlagsflächen und durch Regelung der Hochspannung (Betrieb kurz vor Span-nungsüberschlag)

• Weiterentwicklung eines automatischen Abreinigung- und Austragssystems

• vollständige Umsetzung der Filterregelung und Überwachung.


Entwicklung eines Elektroabscheiders für Biomasse ... · - 1. Phase . Institut für Feuerungs- und...

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