Projekt 04932/02

Untersuchungen zur kombinierten Staub- und Schadgasabscheidung bei der Energieerzeugung aus Biomasse (Fortführung)

Projektdurchführung

Universität Gesamthochschule EssenInstitut für Umweltverfahrenstechnik
Leimkugelstr. 10
45141 Essen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Entwicklung eines neuartigen Fliehkraftabscheiders mit integriertem Katalysator zur Schadgasabschei-dung. Ziel des Projektes ist es, einen Fliehkraftabscheider auf der Basis von konventionellen Zyklonkonstruktionen zu entwickeln und zu optimieren, der trotz schwieriger Betriebsbedingungen ausreichende Abscheideleistungen erbringt sowie kostengünstig und betriebssicher arbeitet. Für die Integration der Schadgasabscheidung im Staubabscheider sind geeignete Katalysatoren zu entwickeln und erproben. Der Staubabscheider soll zum einen den gesetzlichen Auflagen genügen bzw. diese unterschreiten und zum anderen den Einsatz von integrierten Katalysatoren ermöglichen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas neue Abscheideverfahren ist während der ersten Projektphase zunächst in parallelen Laborarbeiten entwickelt worden. Für den Fliehkraftabscheider müssen geeignete Materialien und Bauformen untersucht und entwickelt werden. Ein wesentlicher Parameter bei diesen Arbeiten ist eine weitgehende Nachabscheidung der Feinstäube, um den Betrieb von Katalysatoren zu ermöglichen. Daher sind vergleichende Untersuchungen unterschiedlicher Filtermaterialien für die Nachabscheidung durchgeführt worden. Für die Schadgasabscheidung ist es erforderlich, geeignete Katalysatormaterialien zu entwickeln und auszuwählen, die bereits bei niedrigen Einsatztemperaturen einen möglichst vollständigen Umsatz organischer Komponenten im Rauchgas einer Biomassefeuerung gewährleisten. Entsprechende Umsatz- und Optimierungsuntersuchungen sind mit ausgewählten organischen Leitkomponenten durchgeführt worden. Darüber hinaus ist die gegenseitige Beeinflussung von Staubabscheidung und katalytischer Oxidation untersucht worden.
In der zweiten Projektphase werden die parallel verlaufenden Laborarbeiten zusammengeführt und ein Fliehkraftabscheider mit integriertem Katalysator fertiggestellt. Dieser Prototyp wird an einer bestehenden Biomasseverbrennungsanlage erprobt und optimiert. Weiterführende Laboruntersuchungen gewährleisten dabei eine kontinuierliche Fortsetzung der Entwicklungsarbeiten und Umsetzung von Erfahrungen aus dem Betrieb.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten im Labor konnten die Einzelkomponenten erfolgreich ausgewählt und optimiert werden.
Für die Abscheidung der Feinstäube wurde aus der Vielzahl der untersuchten Materialien ein geeignetes Metallgewebe ermittelt. Es weist sich durch gute Formstabilität und hohe Entstaubungsleistung bei guter Abreinigbarkeit aus. Durch die konstruktive Anordnung der filternden Abscheiderstufe im Tauchrohr kann über die Plissierung des Metallgewebes bei vorgegebenen, relativ geringen Außenabmessungen eine ausreichend große Filterfläche erzielt werden. Im Rahmen der Laboruntersuchungen wurde als Teststaub Schiefermehl verwendet. Es wurden Reingasstaubgehalte von 1 mg/m³ erzielt; der Rohgasstaubgehalt lag bei diesen Untersuchungen bei 1 g/m³.
Für die Abscheidung der Schadgase wurden geeignete Katalysatoren auf der Basis von Übergangsmetalloxiden bzw. Edelmetallen entwickelt und erprobt. Die Erprobung und vergleichende Untersuchung der Abscheideleistung erfolgte dabei mit Leitkomponenten zur Sicherstellung reproduzierbarer Versuchsbedingungen. Parallel dazu erfolgten Untersuchungen am Rauchgas einer Kleinfeuerungsanlage, um die Ausrichtung auf reale Rauchgasbestandteile zu gewährleisten. Für Kohlenmonoxid ließ sich ab einer Temperatur von 250°C eine nahezu vollständige Entfernung aus dem Rauchgas realisieren, während für die Gruppe der Kohlenwasserstoffe eine mehr als 50%ige Umsetzung ermittelt wurde.
Im Rahmen der zweiten Projektphase wurde ein Kombiabscheider für den Einsatz an einer realen Biomasse-Verbrennungsanlage vorbereitet. Zum Einsatz kamen zwei Kombiabscheider, die parallel für ei-nen Volumenstrom von insgesamt 1300 m³/h betrieben wurden. Dieser Volumenstrom wurde dem Abgas der Verbrennungsanlage entnommen und für den Versuchsbetrieb bereitgestellt. Die Abreinigung der Kombiabscheider erfolgte aufgrund der parallelen Anordnung off-line. Da das Temperaturprofil des Ab-ga-ses der Verbrennungsanlage nicht variiert werden konnte, wurde die Untersuchung der Schadgasabscheidung mit einem Teilvolumenstrom nach der Entstaubung in den Kombiabscheidern durchgeführt.
Während einer über längeren Zeitraum konstanten Phase des Versuchsbetriebs sind Reingasstaubgehalte von 5 mg/m³ ermittelt worden. Diese im Vergleich zu den Laboruntersuchungen erhöhten Werte lassen sich durch die spezifischen Eigenschaften des Rauchgases erklären. Darüber hinaus ist es während der Versuche aufgrund der räumlichen Anordnung der Versuchsanlage zu Schwierigkeiten mit der Abreinigung gekommen. Die Ergebnisse an der realen Biomasse-Verbrennungsanlage haben die Laboruntersuchungen zur Schadgasabscheidung bestätigt. Für die Gruppe der Kohlenwasserstoffe konnte je nach Temperaturprofil eine 50%ige Abscheidung ermittelt werden, während für Kohlenmonoxid eine nahezu vollständige Entfernung aus dem Rauchgas realisiert wurde.
Bereits während der Konstruktionsphase des Kombiabscheiders ist vorgesehen worden, eine getrennte Sammlung des Grob- und Feinstaubes zu ermöglichen. Eine getrennte Sammlung des abgeschiedenen Staubes bietet sich aufgrund der zweistufigen Entstaubung an; darüber hinaus bietet sie die Möglichkeit einer getrennten Verwertung bzw. Entsorgung, da gerade die Feinstäube häufig belastet sind. Die getrennte Sammlung des abgeschiedenen Staubes wurde sowohl in der Laboranlage als auch an der Verbrennungsanlage erfolgreich durchgeführt. Es stellte sich dabei jeweils ein Massenverhältnis von 75% Grobstaub und 25% Feinstaub ein.
Aufgrund der vorgegebenen Rauchgasparameter der Biomasse-Verbrennungsanlage, auf die während des Versuchszeitraums kein Einfluss genommen werden konnte, ergaben sich teilweise extreme Erprobungssituationen. Auch unter diesen Bedingungen konnte der Kombiabscheider erfolgreich eingesetzt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Vorstellung des Projektes auf verschiedenen Tagungen und in mehreren Veröffentlichungen


Fazit

Im Projektverlauf konnte gezeigt werden, dass die simultane Gasreinigung für feste und gasförmige Rauchgasbestandteile bei der energetischen Nutzung von Biomasse grundsätzlich möglich ist. Aufgrund der direkten Erprobung an einer größeren Anlage sind allerdings noch Detail-Fragestellungen offen, für deren Beantwortung weitere Untersuchungen wünschenswert wären.