LUAT

Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. K. Görner

Universität Essen

Entwicklung und Erprobung eines Kombizyklons für die Gasreinigung

bei der Biomasseverbrennung

Dipl.-Ing. H. Spliessgardt

Dr.-Ing. R. Schulz

Prof. Dr.-Ing. K. Görner

Universität Essen, Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik, Essen

Dipl.-Ing. R. Heidenreich, Dipl.-Ing. M. List

ILK – Institut für Luft- und Kältetechnik, Dresden

Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik Universität Essen

Leimkugelstraße 10

45141 Essen Tel.: 0201-183 7511 Fax: 0201-183 7513

e-mail: luat@uni-essen.de http://www.luat.uni-essen.de

VDI-Berichte Nr. 1511

1999, Seite 129 - 142

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Entwicklung und Erprobung eines Kombizyklons

für die Gasreinigung bei der Biomasseverbrennung

Dipl.-Ing. H. Spliessgardt, Dr.-Ing. R. Schulz, Prof. Dr.-Ing. K. Görner

LUAT – Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik, Universität-GH Essen

Dipl.-Ing. R. Heidenreich, Dipl.-Ing. M. List

ILK – Institut für Luft- und Kältetechnik, Dresden

Im Rahmen eines Gemeinschaftprojektes sind am Institut für Luft- und Kältetechnik,

Dresden, und am Institut für Umweltverfahrenstechnik, Essen, die Möglichkeiten

einer kombinierten Abscheidung von Staub und Schadgasen bei der energetischen

Nutzung von Biomasse untersucht worden. Nachfolgend werden die Untersuchungs-

ergebnisse zusammengefaßt und ein dreistufiger Kombiabscheider vorgestellt, der

zwei Staubabscheidungsstufen und eine katalytische Gasreinigungsstufe in sich

vereint.

1. Einleitung

Die Problematik hoher CO2-Emissionen bei der Nutzung fossiler Energieträger und

des damit verbundenen Treibhauseffektes sind bekannt und bestimmen die

öffentliche Diskussion. Es sollte daher eine energiepolitische und umweltschonende

Hauptaufgabe der nächsten Zeit sein, eine Verringerung der CO2-Belastung der

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Erdatmosphäre zu bewirken. Entsprechende freiwillige Verpflichtungen der

Industriestaaten sind auf internationalen Klima-Konferenzen ausgesprochen worden.

Die energetische Nutzung von Biomasse, wie z. B. Holz und Stroh, weist sich durch

eine Neutralität in der CO2-Bilanz aus. Es wird bei der Verbrennung der Biomasse

nur soviel CO2 freigesetzt wie die Pflanzen zuvor während ihres Wachstums aus der

Atmosphäre entnommen haben. Sieht man von Energieaufwendungen für

Aufbereitung und Transport ab, schließt sich damit ein Kreislauf, der zu keiner

Erhöhung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre führt. Unter den regenerativen

Energien hebt sich die Biomasse mit einem beträchtlichen Nutzungspotential hervor.

In Deutschland beträgt die energetische Nutzung fester Biomasse zur Zeit rund

1 Prozent des Endenergieverbrauchs. Die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe

konstatiert, daß dieser Biomasse-Anteil verzehnfacht werden kann. Durch eine

stärkere Ausschöpfung des Nutzungspotentials könnte so ein beachtlicher Beitrag

zur Schonung fossiler Ressourcen und zur Minderung der CO2-Emissionen geleistet

werden.

Das verbreiteste Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomasse stellt die

Verbrennung dar. Die Biomasse-Verbrennung erfolgt überwiegend in kleineren

Anlagen, die eine thermische Leistung bis maximal 10 MW aufweisen. Diese

Baugröße wird durch die verbrauchernahe Anbindung, z. B. bei Fernwärmenetzen,

und den logistischen Problemen bei größeren Einheiten bedingt. Für die

Verbrennung wird das gesamte Spektrum der vorhandenen Biomasse-

Festbrennstoffe, wie Holz, Stroh, Ganzpflanzen, in unterschiedlichen Aufbereitungs-

formen herangezogen.

Die gestiegenen Anforderungen an die Reinhaltung der Luft verlangen in der

heutigen Zeit auch für kleinere und mittlere Feuerungsanlagen hochwertige

Gasreinigungssysteme. Neben der heute bereits gesetzlich vorgeschriebenen

Rauchgasentstaubung ist man bestrebt, auch gasförmige Schadstoffe zu erfassen

und zu minimieren. Für eine Reduzierung der Schadgasemissionen bietet sich die

katalytische Abgasreinigung an, die in kleinen Einheiten realisiert werden kann und

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bei der keine unerwünschten und zu entsorgenden Reststoffe anfallen.

Voraussetzung für den störungsfreien Betrieb von Katalysatoren ist jedoch eine

weitgehende Entstaubung der Rauchgase auf hohem Temperaturniveau vor dem

Eintritt in den Katalysator. Aufgrund dieser Überlegungen ist im Rahmen des

Forschungsprojektes ein neuartiger Kombiabscheider entwickelt worden, der eine

wesentlich verbesserte Abscheidung vor allem im Feinstaubbereich aufweist, um den

Einsatz von integrierten Katalysatoren für die Schadgasabscheidung zu ermöglichen.

2. Laboruntersuchungen

In Abbildung 1 ist das Verfahrensschema für den Kombiabscheider aufgezeigt. Die

Entstaubung erfolgt zweistufig in einem Zyklon-Teil und einer filternden Abscheider-

stufe, die im Tauchrohrbereich angeordnet ist. Direkt anschließend kann eine

Katalysatorschüttung angeordnet werden, die sich dann noch im heißen Abscheider-

bereich befindet.

Abbildung 1: Verfahrensschema des Kombiabscheiders

Der erste Teil der Staubabscheidung entspricht prinzipiell dem einer herkömmlichen

Zyklonbauart mit tangentialem Eintritt. Die Konzeption der zweiten Stufe zur

Staubabscheidung sieht vor, daß das Tauchrohr des zugrundeliegenden Zyklons mit

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einem perforierten Material ausgerüstet wird, um die Gesamtabscheideleistung zu

verbessern. Das dafür in Frage kommende Material muß eine filternde Funktion

erfüllen, gut abreinigbar und formstabil sein. Des weiteren muß dieses patronen-

förmige Tauchrohr die auftretenden Temperaturen und eventuellen Funkenflug

funktionssicher überstehen. Der Kombiabscheider ist in Abbildung 2 schematisch

dargestellt.

Abbildung 2: Kombiabscheider (schematisch)

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Im Rahmen des Forschungsprojektes sind verschiedene Loch- und Schlitzfolien

sowie Metallgewebe auf ihre Eignung für diese Aufgabe mit der vorgesehenen

Filtermaterialprüfung nach VDI 3926 untersucht worden. Da für den Einsatz der

dritten, katalytischen Abscheiderstufe möglichst niedrige Staubgehalte erforderlich

sind, fand eine besondere Berücksichtigung der mit den Filtermaterialien erzielbaren

Entstaubungsleistung statt. Das ausgewählte Metallgewebe PZ 17 zeichnete sich bei

den Untersuchungen zur Filtermaterialprüfung zum einen durch eine ausreichende

Stabilität und zum anderen durch eine gute bis sehr gute Entstaubungsleistung aus,

mit der teilweise Reingaswerte von unter 1 mg/m³ erreicht werden konnten. Die

Materialkennwerte für das Metallgewebe PZ 17 sind in der folgenden Tabelle

aufgeführt.

Umgekehrtes Trassengewebe PZ 17

Drahtdurchmesser Kette / Schuß 0,04 mm / 0,13 mm

Maschenweite 22 µm

Porosität 49 %

Luftdurchlässigkeit 540 l/dm² min

Gewebedicke 0,21 mm

Gewicht 0,83 kg/m²

Werkstoff rostfreier Stahl

Materialart 1.4301 (DIN)

Legierung X5 CrNi 17

Temperaturbeständigkeit 600°C

Tabelle 1: Materialkennwerte für das Metallgewebe PZ 17

Das Filtermaterial wird plissiert in eine Patronenform gebracht. Bei den relativ

geringen Außenabmessungen, einer Länge von 1300 mm und einem Durchmesser

von 327 mm, ergibt sich eine Filterfläche von 9 m². Für den Einsatz des Kombi-

abscheiders bei einem maximalen Volumenstrom von 600 m³/h ergibt sich eine

Filterflächenbelastung von 67 m³/m²h. Für diesen Betriebspunkt konnten in den

Laboruntersuchungen noch stabile Betriebspunkte ermittelt werden. Eine weitere

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Steigerung des Gasdurchsatzes wäre zwar für den Zyklonteil möglich, allerdings

führt er zu einer wesentlichen Erhöhung des Druckverlustes an der zweiten,

filternden Stufe. In Abbildung 3 ist der Verlauf des Druckverlustes als Parameter des

Volumenstrom aufgezeigt. Erwartungsgemäß ergibt sich für die Kombination von

Zyklon und Filterpatrone der höchste Druckverlust. Eine Verringerung des Zyklon-

Druckverlustes wird durch den Einbau einer gelochten Tauchrohrverlängerung

erzielt; diese Verringerung kann durch eine geänderte Strömung im Zyklon erklärt

werden. Das gelochte Tauchrohr führt beim Einsatz mit der Filterpatrone zu einer

Trennung der Zyklonströmung von der Filteranströmung und gleichzeitig zu einer

Unterteilung des Abscheideraums für eine getrennte Staubaustragung.

Abbildung 3: Druckverlust für Zyklon und Filterpatrone

Das patronenförmige Tauchrohr wird ähnlich den filternden Abscheidern zeit- bzw.

druckverlustgesteuert abgereinigt, um einen kontinuierlichen Betrieb des

0

100

200

300

400

500

600

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Volumenstrom [m³/h]

Zyklon mit Filterpatrone

Zyklon

Zyklon mit gelochtem Tauchrohr

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Kombiabscheiders zu gewährleisten. Dabei kommt das Pulse-Jet-Verfahren zum

Einsatz. Der Regenerierungseffekt beruht bei diesem Verfahren auf der kurzzeitigen

Umkehr der Strömungsrichtung, so daß der an der Filterpatrone abgeschiedene

Staub abgereinigt werden kann. Bei metallischen Filterelementen ist im Gegensatz

zu nicht starren Filtermaterialien vor allem der Spüleffekt maßgebend für die

Abreinigungswirkung. Falls besondere Betriebsbedingungen es erforderlich machen,

ist auch der Einsatz von Strömungsleiteinrichtungen zur Verbesserung der

Abreinigungswirkung möglich.

In den Laboruntersuchungen mit Teststaub konnte mit dem Zyklon eine Abscheide-

leistung von 92% erzielt werden. Durch den Einsatz der Filterpatrone ließ sich diese

Abscheideleistung auf Werte von über 99% steigern; der Reingasstaubgehalt lag bei

dieser Betriebsweise bei etwa 1 mg/m³. In Tabelle 2 sind exemplarisch Reingas-

staubgehalte und Abscheidegrade für den längeren Versuchsbetrieb aufgeführt.

Gasdurchsatz [m³/h] Reingasstaubgehalt [mg/m³] Abscheidegrad [%]

Minimum Maximum Minimum Maximum

500 0,5 3,7 99,6 99,9

600 1,7 6,8 99,3 99,8

für einen Rohgasstaubgehalt von 1 g/m³ (Teststaub: Schiefermehl)

Tabelle 2: Reingasstaubgehalt und Abscheidegrad für Laborversuche

Die Wirkungsweise der zweistufigen Staubabscheidung spiegelt sich deutlich in der

Korngrößenverteilung der abgeschiedenen Stäube wider. In der ersten Stufe der

Staubabscheidung, im Zyklon, wird eindeutig die Grobfraktion des Aufgabegutes

abgeschieden, während an der Filterpatrone der Feinstaub zurückgehalten werden

kann. Bei einer mittleren Korngröße des verwendeten Teststaubes von 8 µm ermittelt

man bei einem Gasdurchsatz von 600 m³/h im Zyklon 18 µm und an der Filterpatrone

4,5 µm als mittlere Korngröße. Die ausgetragenen Massenanteile liegen dabei etwa

im Verhältnis von 60% für den Zyklon und 40% für die Filterpatrone. Aufgrund der

durchgeführten zweistufigen Staubabscheidung bietet sich eine getrennte

Behandlung der Stäube an. Eine Reihe von Veröffentlichungen in den vergangenen

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Jahren haben gezeigt, daß die anfallenden Stäube bei der Biomasseverbrennung

sehr fein sein können und die Fraktionen von Korndurchmessern kleiner 4 µm

besonders schadstoffbeladen sind. So eignet sich der Kombiabscheider ideal für eine

getrennte Behandlung der Fein- und Grobstaubfraktion. Bereits während der

Konstruktionsphase ist durch eine Zweiteilung des Zyklonbunkers eine gesonderte

Behandlung des Feinstaubes getrennt vom Grobstaub ermöglicht worden.

3. Teilstromversuchsanlage

Im Rahmen der zweiten Projektphase sind die Untersuchungen zur kombinierten

Staub- und Schadgasabscheidung an einer realen Biomasse-Verbrennungsanlage

fortgeführt worden. Der Kombiabscheider ist im Teilstrom einer Holzfeuerung mit

4,4 MW thermischer Leistung in der Nähe von Dresden getestet worden. Für den

Teilstrom von 1300 m³/h kamen zwei Kombiabscheider zum Einsatz. Die parallel zur

Entstaubung durchgeführte Schadgasuntersuchung fand im entstaubten Rohgas

statt. Da das Temperaturniveau des Rauchgases nicht beeinflußt werden konnte,

mußte ein entstaubter Teilvolumenstrom zur Schadgasuntersuchung wiederauf-

geheizt werden. Die Rohgasdaten der Holzfeuerung wiesen sehr starke zeitliche

Schwankungen auf, so daß teilweise extreme Erprobungssituationen auftraten. Der

Staubgehalt variierte im Bereich von 500 bis 1000 mg/m³, die Rauchgastemperatur

im Bereich von 120 bis 190°C. Die einzelnen Rauchgasbestandteile unterlagen sehr

starken Schwankungen aufgrund der Anlagenführung.

Abbildung 4 zeigt eine Ansicht der beiden Kombiabscheider mit den Rauchgas-

leitungen zur Teilstromentnahme. Im rechten Bereich ist der Multiklon zur

Entstaubung der gesamten Verbrennungsanlage zu erkennen. Die Meßgeräte und

Hilfseinrichtungen sind in dem Container untergebracht, der gleichzeitig die beiden

Kombiabscheider trägt.

In den Laboruntersuchungen wurde sowohl die On-Line-Abreinigung als auch die

Off-Line-Abreinigung untersucht. Aufgrund der Auslegung der Teilstrom-Versuchs-

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anlage mit zwei Kombiabscheidern wurde während der Untersuchungen an der

Holzverbrennung eine Off-Line-Abreinigung der Patronenfilter durchgeführt.

Abbildung 4: Teilstromversuchsanlage an Holzfeuerung

Das Rohgas der Verbrennungsanlage wies bei einem durchschnittlichen Staubgehalt

von 1 g/m³ mit dp50 ≈ 50 µm eine deutlich gröbere Korngrößenverteilung auf als der

während der Laboruntersuchungen verwendete Teststaub (dp50 ≈ 8 µm). Nach einer

erforderlichen Grundbestaubung der Filterelemente stellte sich nach einer

Anlagenlaufzeit von etwa 24 h ein quasistabiles Betriebsverhalten des Kombizyklons

ein. Dieses Einschwingverhalten ist charakterisiert durch einen systematischen

Anstieg des Druckverlustes der Filterelemente bis zum oberen Druckverlustendwert.

Gleichzeitig sinkt die Reingasstaubkonzentration mit zunehmender Anlagenlaufzeit,

bedingt durch den Filterkuchenaufbau am Filterelement und einer höheren

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Staubeinlagerungsrate im Filtermaterial. In Abbildung 5 ist dieser Zusammenhang

aus dem Diagramm deutlich zu ersehen. Man erkennt den ansteigenden Bereich für

die Filterpatronen, der durch einen oberen und unteren Druckverlustwert begrenzt

wird. Die Reingasstaubkonzentration sinkt nach Beginn der Filtrationsphase

kontinuierlich ab und geht zusammen mit dem Druckverlust in einen konstanten

Verlauf über.

Abbildung 5: Kenndaten der Filterpatrone über der Meßzeit

Bedingung für den effektiven Einsatz von Staubabscheidern ist eine stabile

Betriebsweise. Für eine hohe Abreinigungsintensität konnte auch an der

Teilstromversuchsanlage dieses Betriebsverhalten erreicht werden. Dabei stellte sich

ein mittlerer Druckverlust von 1200 Pa bei Filterflächenbelastungen von 50 m³/m²h

an den Filterpatronen ein.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00

Meßzeit [h]

0

3

6

9

12

15

18

21

Filterpatrone 2

Filterpatrone 1

Sigrist-Photometer

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Es konnten mit dem Kombizyklon an der Teilstromversuchsanlage Reingas-

konzentrationen von 5 mg/m³ ermittelt werden. Diese gegenüber den Labor-

untersuchungen erhöhten Reingaskonzentrationen ergeben sich aus den

unterschiedlichen Staubeigenschaften und realen Rauchgasbedingungen. Darüber

hinaus sind in der Erprobung aufgrund der Anordnung der Teilstromversuchsanlage

verschiedene Schwierigkeiten mit der Pulse-Jet-Abreinigung aufgetreten. Für eine

stabile Untersuchungsphase von über 1200 Betriebsstunden lassen sich aber die in

Tabelle 3 aufgeführten mittleren Roh- und Reingasstaubkonzentrationen angeben.

Mittlere Staubkonzentration Abscheidegrad

Rohgas Reingas

mg/m³ i.N. mg/m³i.N. %

1070 6,3 99,41

1010 8,0 99,21

1440 7,1 99,51

720 5,8 99,19

1460 4,8 99,67

1560 5,6 99,64

∅ kRoh = 1210 mg/m³i.N. kRein = 6,3 mg/m³i.N. η = 99,44 %

Tabelle 3: Mittlere Roh- und Reingasstaubkonzentrationen

Mit dem Kombizyklon konnte auch bei der Staubabscheidung an der Teilstrom-

versuchsanlage eine Aufteilung in Grob- und Feinstaub erfolgreich durchgeführt

werden. Parallel zu der geänderten Rohgaszusammensetzung ergibt sich eine

andere Aufteilung der Grob- und Feinfraktion im Kombizyklon. Die Feinfraktion

bewegte sich im dp50-Bereich von 10...15 µm, während für die Grobfraktion ein

dp50-Bereich von 50...150 µm ermittelt wurde. Die schwankenden Korngrößen-

bereiche ergeben sich aus den unterschiedlichen Betriebsphasen der Holzfeuerung.

Die Massenanteile von Grob- und Feinstaub lagen mit einem Verhältnis von 80%

zu 20% ähnlich wie bei den Laboruntersuchungen. In Tabelle 4 sind die

durchschnittlichen Trenngrade für die zweistufige Staubabscheidung des Kombi-

zyklons aufgeführt.

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Volumenstrom Flugstaubaustrag

Filterpatrone 1 Zyklon 1 Filterpatrone 2 Zyklon 2

m³/h % % % %

900 20 80 20 80

850 20 80 20 80

800 21 79 21 79

Tabelle 4: Massenanteile des getrennten Staubaustrages vom Kombizyklon

Es läßt sich ein stabiles Trennverhalten von 1 : 4 für die Abscheidung an der Filter-

patrone und im Zyklon unabhängig von variierenden Betriebsparametern ermitteln.

Die Zielstellung einer eindeutigen Abtrennung der Feinkornfraktion konnte somit

auch an der Teilstromversuchsanlage bestätigt werden. Wie zuvor bereits erwähnt,

ist eine getrennte Behandlung der Grob- und Feinfraktion aufgrund der unter-

schiedlichen Schadstoffbelastung anzustreben. Aus der Gegenüberstellung der

Schwermetallgehalte der abgeschiedenen Zyklonstäube und der Filterpatronen-

stäube geht deutlich hervor, daß eine Anreicherung von Schwermetallen in der

Feinfraktion stattfindet. In Abbildung 6 ist die Analyse der Grob- und Feinfraktion

beispielhaft für Zink, Mangan und Blei dargestellt.

Zink Mangan Blei0

5000

10000

15000

20000

25000

Sch

wer

met

allg

ehal

t [m

g/k

g T

S]

Zink Mangan Blei

Staubaustrag - FilterpatroneStaubaustrag - Zyklon

Abbildung 6: Staubanalyse der Grob- und Feinfraktion

- 14 -

Eingeschränkt werden die Untersuchungsergebnisse durch die extreme

Erprobungssituation des Kombizyklons an der Teilstromversuchsanlage durch den

intermittierenden Betrieb der Holzfeuerung.

4. Zusammenfassung

Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, daß durch die Modifikation eines

konventionellen Zyklons eine wesentliche Steigerung der Abscheideleistung erzielt

werden kann. Die Staubabscheidung erfolgt zweistufig in einem Zyklonteil und an der

als Tauchrohr ausgebildeten Filterpatrone. Damit können Reingasstaubgehalte

erzielt werden, die den Einsatz eines integrierten Katalysators ermöglichen.

Nach den Laboruntersuchungen der ersten Phase konnte im Rahmen der zweiten

Projektphase eine Teilstromversuchsanlage an einer Holzfeuerung in Betrieb

genommen werden. Grundsätzlich wurden dabei die Ergebnisse der

Laboruntersuchungen bestätigt. Allerdings ergab sich aufgrund der teilweise

extremen Betriebsbedingungen eine außergewöhnliche Erprobungsphase. Die

Untersuchungsergebnisse können daher nicht ohne weiteres auf andere

Industrieanlagen übertragen werden. Es ist daher geplant, die Untersuchung des

Kombizyklons im Technikumsmaßstab unter definierten Betriebsbedingungen an

einer vorhandenen Versuchsfeuerung weiter fortzuführen. Unter anderem besteht

dabei auch die Möglichkeit, weitere Filtermaterialien einzusetzen und für den Einsatz

im Kombizyklon zu optimieren.

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Literatur

[1] Görner, K.; Schulz, R.; Cramer, C.; Spliessgardt, H.; List, M.; Ritscher, G.; Thieme, S.;

„Untersuchungen zur kombinierten Staub- und Schadgasabscheidung bei der Energieerzeugung

aus Biomasse“, Zwischenbericht; Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Osnabrück, 1997

[2] Görner, K.; Schulz, R.; Cramer, C.; Spliessgardt, H.; List, M.; Hartig, P.; Heidenreich, R.;

Ritscher, G.; Thieme, S.; „Untersuchungen zur kombinierten Staub- und Schadgasabscheidung

bei der Energieerzeugung aus Biomasse“, Abschlußbericht, Deutsche Bundesstiftung Umwelt,

Osnabrück, 1998