Projekt 13569/01

Erforschung und Entwicklung eines Elektrofiltersystems zur Partikelabscheidung aus Abgasen von Schiffsdieselmotoren

Projektdurchführung

Dr. Dickels & PartnerIngenieurgemeinschaft
Berger Str. 15
82319 Starnberg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Von Dieselmotoren emittierte Partikel stellen ein hohes Gesundheitsrisiko dar. Schiffsdieselmotoren verursachen ca. 15% der globalen Luftverschmutzung. Mit motorinternen Maßnahmen konnte die Partikelemission bisher nur in einem geringen Umfang reduziert werden. Keramikfilter und Tiefenfilter mit Druckverlusten bis 10.000 Pa verursachen nachteilige Auswirkungen im Motor.
Elektrofilter erscheinen für eine Abscheidung von Rußemissionen aus Dieselmotoren besonders geeignet. Sie besitzen nur einen geringen Druckverlust (50 - 70 Pa) und ermöglichen, den in der Abgasstrecke max. zulässigen Gegendruck einzuhalten. Als Ziel des Vorhabens sollte auf Basis eines Elektrofilters ein praktisch einsetzbarer Dieselrußfilter entwickelt werden, der die Nachteile der bekannten Filterverfahren vermeidet.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Erreichung des Projektziels sind folgende Arbeitsschritte geplant:
- Abgasanalysen verschiedener Motoren, Lastzustände und Brennstoffe,
- Strömungstechnische Simulationen (CFD) der Partikelbewegungen,
- Entwicklung des Elektrofilters zur Partikelabscheidung aus Dieselabgasen,
- Entwicklung einer automatischen Filterabreinigung,
- Dauerstandsversuche mit einer Prototypfilteranlage,
- Prüfung von Verfahren zur Verwertung der Filteranlagerungen.
Die Versuche werden an einer Brandversuchsanlage der Bundeswehr und auf einem Motorenversuchsstand der Uni Rostock mit einem Dieselmotor mit Schwerölbetrieb durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Zur Isolierung der unter Hochspannung stehenden Kollektorplatten von den geerdeten Kollektorplatten wurden Isolatoren entwickelt, die auch bei höheren Temperaturen und Rauchkonzentrationen einsetzbar sind. Während der 1. Versuche zeigte sich, dass die Isolatoren aufgrund der hohen Brandrauchkonzentration mit Ruß belegt waren. Bedingt durch die elektrische Leitfähigkeit des Rußes kommt es bereits nach kurzer Zeit Betriebsdauer zu Kriechströmen auf den Isolatoren und zu einem Ausfall des Filtermoduls.
Um eine Belegung der Isolatoren mit Ruß zu verhindern, wurden verschiedene Maßnahmen untersucht. Die wirksamste Maßnahme gegen eine Belegung der Isolatoren bieten Schutzkappen aus temperaturfestem Duranglas, die stirnseitig über die Isolatoren gestülpt werden und einen Ringspalt von einigen Millimetern zwischen Isolator und Schutzkappe entstehen lassen.
Einfluss der Rauchkonzentration: Mit zunehmender Rauchkonzentration sinkt der Abscheidegrad. Der Grund ist eine mit der Konzentration abnehmende elektrische Aufladung der Partikel. Während bei geringen Partikelkonzentrationen ein oder mehrere elektrische Ladungsträger mit einer hohen Wahrscheinlichkeit an der Oberfläche eines jeden Partikels absorbieren, nimmt diese Wahrscheinlichkeit mit zunehmender Brandrauchkonzentration ab, da die zur Verfügung stehenden elektrischen Ladungen bereits von den Partikeln abgefangen werden, die sich nahe an den Emissionsquellen der elektrischen Ladung, den Sprühspitzen des Ionisators, befinden. Partikel in der Kernströmung des Ionisators erhalten somit nur eine geringe bzw. keine elektrische Ladung.
Einfluss der Filterkonfiguration: Um eine optimale Konfiguration des Filters zu finden, wurden Versuche mit verschiedenen Betriebszuständen von Ionisator (I) und Kollektor (K) durchgeführt. Vier Filterkomponenten (2 Ionisatoren und 2 Kollektoren) wurden in das Filtergehäuse eingebaut und unterschiedlich mit elektrischer Spannung beaufschlagt. Das beste Abscheideergebnis wurde mit einem zweistufigen Tandemfilter I-K-I-K erreicht, da die in der ersten Ionisationsstufe nicht aufgeladenen Partikel in der zweiten Ionisationsstufe eine Ladung erhalten und anschließend ebenfalls abgeschieden werden können.
Filterstandzeit: Die Versuche zeigten, dass mit einer nahezu gleichbleibenden Abscheiderate über ca. 2,5 h zu rechnen ist. Anschließend nimmt die Abscheiderate etwas ab, ist aber auch nach ca. 4 h noch zufriedenstellend. Erst danach ist eine Filterreinigung erforderlich.
Abscheidegrad in Abhängigkeit von der Motorlast: Erwartungsgemäß nimmt die Abscheideleistung mit zunehmender Motorlast ab, da aufgrund der höheren Kraftstoffzufuhr sowohl Abgasgeschwindigkeit als auch Partikelkonzentration im Elektrofilter zunehmen. Eine Analyse der abgeschiedenen Partikel zeigte, dass neben den Rußpartikeln auch nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe und Öltröpfchen im Elektrofilter entfernt werden. Bezogen auf den reinen Kohlenstoffgehalt der Partikel beträgt die Abscheiderate ca. 70%.
Filterabreinigung: Es wurde eine Abreinigung des Filters mit Dampf getestet. Der Dampf wurde mittels Düsen, die oberhalb der Filtermodule in das Filtergehäuse eingebaut waren, auf die Filter geblasen. Mit dieser Methode wurden gute Reinigungsergebnisse erzielt. Ein geringer Anteil des eingeblasenen Dampfes kondensiert an den Filterplatten und am Filtergehäuse. Die entstehenden Wassertropfen nehmen einen Teil der Rußpartikel auf, tropfen in den Auffangbehälter am Boden des Filtergehäuses und können dort entfernt werden. Eine Reinigung der Filtermodule mit Dampf hat den Vorteil, dass nahezu keine Temperaturdifferenz zwischen dem Reinigungsmedium und den vom Motorabgas aufgeheizten Filterplatten entsteht und somit auch keine mechanischen Spannungen und Verformungen der Kollektorplatten auftreten können.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

In Kurzprospekten wurde das neue Filtersystem mehreren Schiffsbetreibern, Werften und Motorenherstellern im In- und Ausland vorgestellt. In einer Präsentation wurden Interessenten über die Eigenschaf-ten des Filters informiert.


Fazit

Der Filter eröffnet eine Möglichkeit für die Verringerung von Partikelemissionen bei Schiffsmotoren mit Schwerölbetrieb. Die erreichten Abscheidegrade von 50% bezogen auf die Gesamtmasse der Partikel bzw. von ca. 70% bezogen auf den anteiligen Ruß wurden als Fortschritt angesehen.