Untersuchung eines Elektroabscheiderkonzepts zur Reduktion von Staubemissionen

Abstract

Particulate emissions are formed during the combustion of biogenic fuels depending on the type of furnace, the operating conditions in terms of the combustion quality and the different fuel properties. The release of especially small particles often leads to health problems such as the development or worsening of lung diseases. Downstream electrostatic precipitators (ESP) represent a state of the art separation technology in medium and large biomass plants. However, these precipitators are often difficult to implement in smaller furnaces due to economic aspects and space constraints. This study deals with the integration and experimental investigation of an ESP system into the boiler body of a small scaled biomass furnace (< 100 kW). In Addition to the full load behaviour of the firing system, further test arrangements with different part load conditions of the boiler are being considered in order to analyse the particle precipitation under realistic plant operation with regard to flue gas properties and flow conditions. Furthermore, different fuels are considered. Both, discontinuous as well as time-resolved aerosol measuring methods are used to determine particulate matter emissions. The results of the discontinuous dust measurements show that with the integrated ESP, at least 50 % of the particles in the fine dust range are separated, both at full and partial load operation of the boiler, irrespective of the fuel used. Furthermore, it is shown that partial load conditions favour the separation efficiency due to low velocities and low temperatures of the gas flow over the discharge electrode, which is situated in the reversing chamber. Accordingly, the separation efficiency in part load is between 65 and 85 %, depending on fuel used. In order to enable a more precise observation of the separation behaviour with regard to particle size, additional continuous ELPI (electrical low pressure impactor) measurements are carried out for a selected fuel (wood chips). These measurements show that for small particle collectives (d_P < 1 µm) separation efficiencies of over 55 % (full load) and over 80 % (part load) are achieved.

Full text

Untersuchung eines Elektroabscheiderkonzepts zur Reduktion
von Staubemissionen
F. Schittl, G. Jauschnik
Forschung Burgenland GmbH, Pinkafeld, Österreich
M. Pöttler
Herz Energietechnik GmbH, Pinkafeld, Österreich
J. Krail
FH Burgenland GmbH, Pinkafeld, Österreich
ABSTRACT: Particulate emissions are formed during the combustion of biogenic fuels depending on the
type of furnace, the operating conditions in terms of the combustion quality and the dierent fuel prop-
erties. e release of especially small particles often leads to health problems such as the development or
worsening of lung diseases. Downstream electrostatic precipitators (ESP) represent a state of the art separa-
tion technology in medium and large biomass plants. However, these precipitators are often dicult to
implement in smaller furnaces due to economic aspects and space constraints. is study deals with the
integration and experimental investigation of an ESP system into the boiler body of a small scaled biomass
furnace (<100kW). In Addition to the full load behaviour of the ring system, further test arrangements
with dierent part load conditions of the boiler are being considered in order to analyse the particle precipi-
tation under realistic plant operation with regard to ue gas properties and ow conditions. Furthermore,
dierent fuels are considered. Both, discontinuous as well as time-resolved aerosol measuring methods are
used to determine particulate matter emissions. e results of the discontinuous dust measurements show
that with the integrated ESP, at least 50% of the particles in the ne dust range are separated, both at full
and partial load operation of the boiler, irrespective of the fuel used. Furthermore, it is shown that partial
load conditions favour the separation eciency due to low velocities and low temperatures of the gas ow
over the discharge electrode, which is situated in the reversing chamber. Accordingly, the separation ef-
ciency in part load is between 65 and 85%, depending on fuel used. In order to enable a more precise
observation of the separation behaviour with regard to particle size, additional continuous ELPI (electrical
low pressure impactor) measurements are carried out for a selected fuel (wood chips). ese measurements
show that for small particle collectives (dP<1µm) separation eciencies of over 55% (full load) and over
80% (part load) are achieved.
1. EINLEITUNG
Die thermische Verwertung sowie die Verstromung von biogenen Brennstoen wird, je nach Bereitstel-
lungskette, den erneuerbaren Energiequellen hinzugezählt und trägt somit maßgeblich zur Verringerung
der CO2-Emissionen bzw. der Energiewende bei. Im Jahr 2017 nimmt beispielsweise die Verwertung fester
Biomasse mit rund 42% einen erheblichen Prozentsatz an der erneuerbaren Energiebereitstellung der EU
ein (Eurostat 2019). Diese thermochemische Umwandlung des biogenen Brennstos führt jedoch auch
zu einer erhöhten Emission an staubförmigen Abgasbestandteilen, welche wiederum gesundheitliche Be-
schwerden wie z.B. Atemwegserkrankungen hervorrufen (vgl.Donaldsonetal. 2002). Die Entstehung
sowie die Eigenschaften dieser feinen Aerosole hängen von einer Vielzahl an Faktoren wie z.B. dem Feue-
rungstyp, dem Betriebsverhalten oder von dem verwendeten Brennsto ab (Obaidullahetal. 2018).
Eine vielversprechende Möglichkeit der Abscheidung dieser umwelt- bzw. gesundheitsgefährdenden
Feinstaubpartikel sind elektrostatische Abscheider, wobei diese aufgrund der Bauformen fast ausschließlich

322 Schittl, Jauschnik, Pöttler, Krail
als nachgeschaltete Teilanlage installiert werden. Eine ausführliche Diskussion hinsichtlich unterschiedli-
cher Einbindungsmöglichkeiten von elektrostatischen Abgasreinigungsanlagen (ESP) sind in den Arbeiten
von Jaworeketal. (2007) und Obernberger & Mandl (2011) enthalten. Bologaetal. (2016) untersuchen
die Wirkung solcher Partikelabscheider am Beispiel einer Biomasseverbrennungsanlage mit einer Nennleis-
tung bis ca. 200kW. Die nach dem Kessel installierte Elektrode, welche mit einer Hochspannung von ca.
30kV versorgt wird, erreicht einen durchschnittlichen Gesamtabscheidegrad von etwa 80%. Blanketal.
(2015) führen sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen hinsichtlich der Wirkung von
Elektroabscheidern anhand einer 26kW-Pelletfeuerungsanlage durch. Die sägezahn-förmige Sprühelektro-
de wird dabei nach dem Aschebehälter zentral im Abgasrohr positioniert und mit einer Hochspannung von
etwa 15kV versorgt. Die mit Hilfe von Niederdruck-Berner-Impaktoren bestimmten Abscheidegrade für
die PM1-Partieklfraktion bewegen sich zwischen 86,5% (Volllast) und 91,5% (Teillast). Die Simulationen
stimmen gut mit den experimentellen Daten überein.
Bei Feuerungsanlagen im kleinen Leistungsbereich werden die eben erläuterten ESP-Kongurationen,
bei denen es sich im Wesentlichen um Add-On-Lösungen handelt, jedoch selten umgesetzt. Grund dafür
sind einerseits hohe Investitionskosten sowie Platzbeschränkungen. Berhardtetal. (2017) untersuchen z.B.
die Abscheideezienz eines integrierten Abscheiders am Bespiel eines 50kW-Hackgutkessels. Dabei wird
die Sprühelektrode, welche mit einer Spannung von etwa 30kV versorgt wird, direkt in den Kesselkörper
eingehängt. Aus den gravimetrischen Impaktormessungen geht hervor, dass je nach Brennsto Gesamt-
abscheidegrade von etwa 89% (Hackgut W40) bzw. 72% (Holzbriketts) erreicht werden. Ein ähnlicher
Ansatz zur Abscheiderimplementierung wird in der Arbeit von Kelzetal. (2019) vorgeschlagen. Die Sprü-
helektrode wird in einem speziell für variierende Brennstoe konstruierten Biomassekessel mit einer Nenn-
leistung von 50kW direkt in den Wärmetauscher installiert. Neben diskontinuierlichen gravimetrischen
Messmethoden kommen werden zusätzlich zeitkontinuierliche Staubmessungen mit einem elektrischen
Niederdruck-Impaktor zum Einsatz. Insgesamt werden drei unterschiedliche Brennstoe (Pellets, Pappel-
Hackschnitzel und Maisspindel) vermessen. Bei Nennbetrieb werden für Partikel kleiner 1µm Abschei-
degrade zwischen 68% (Pellets) und 90% (Hackschnitzel) erreicht. Unter Teillastbedingungen können,
je nach Brennsto, zwischen 68% (Maisspindel) und 85% (Pellets) der PM1-Emissionen abgeschieden
werden können.
2. MATERAILIEN UND METHODEN
2.1 EINBINDUNG DES ELEKTROSTATISCHEN ABSCHEIDERS
Das Integrationskonzept für den elektrostatischen Abscheider sieht vor, dass eine Sprühelektrode in den
Kesselkörper, nach dem ersten Rauchrohrzug mittig in der unteren Wendekammer, positioniert wird (vgl.
Abb.1). Die umgebenden Metallächen der Kesselbewandung bzw. die Wärmetauscherächen des zweiten
Rauchrohrzugs dienen dabei als Niederschlagselektrode. Die Sprühelektrode setzt sich aus zwei Plattenpaa-
ren, bestehend aus je zwei gekrümmten Blechen, zusammen. Die beiden Bleche sind etwa 32cm lang und
2,3cm breit. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden bzw. die Blechstärke beträgt 6 bzw. 0,5mm.
Die Elektrode wird samt Isolator (ca. 12cm) mittig und ungefähr 32,1cm über Null-Niveau in die Wen-
dekammer des Kessels verbaut.
Die Untersuchung des integrierten elektrostatischen Partikelabscheiders erfolgt am Biomassekesselprüf-
stand der FH Burgenland. Dieser besteht im Wesentlichen aus dem von der Fa. Herz bereitgestellten Hack-
gutkessel (Type Firematic 100), welcher eine Nennleistung von 100kW besitzt, den Kesselkreis mit Rücklau-
fanhebung und einem Puerspeicher mit rund 6m³ Speichervolumen. Der Speicher dient zur Aufnahme der
abgegebenen Nutzwärme und kann gegebenenfalls über vorgesehene Kühlvorrichtungen entladen werden.
Die Randbedingungen können somit konstant gehalten werden und ermöglichen auch längere Versuchszeit-
räume. Das im Kesselrücklauf verbaute Stellventil mit Magnetantrieb ermöglicht eine exakte Regelung der
Rücklauftemperatur, welche die periodischen Vorlauftemperaturschwankungen kompensiert und in Kombi-
nation mit der drehzahlgeregelten Pumpe (konstanter Massenstrom) eine Regelung der vom Kessel abgegebe-
nen Leistung ermöglicht. Die Messdatenerfassung bzw. Aufzeichnung erfolgt mittels LabVIEW®.

Untersuchung eines Elektroabscheiderkonzepts zur Reduktion von Staubemissionen 323
Abb.1: Untersuchtes Integrationskonzept des elektrostatischen Abscheiders. Die aus zwei parallel angeordneten
Platten bestehende Sprühelektrode wird nach dem ersten Wärmetauscherzug in der Wendekammer des Biomas-
sekessels integriert
2.2 MESSMETHODIK
2.2.1 Diskontinuierliche Aerosolmessung
Sowohl die Messmethode mit dem drei-stugen Jonas-Kaskaden-Impaktor (Fa. Gothe) als auch jene mit
dem DGI (Dekati Gravimetric Impactor; Fa. Dekati Ltd.) nutzt die auf die unterschiedlich großen Partikel
wirkenden Trägheitskräfte. Der Impaktor setzt sich demnach aus der Entnahmesonde, dem Einlaufkonus,
den einzelnen Impaktorstufen sowie einer entsprechenden Begleitheizung, welche die Kondensation der im
Abgas enthaltenen Feuchtigkeit verhindert, zusammen. Eine Impaktorstufe besteht wiederum aus einem
Einlaufkonus, einer Prallplatte sowie einer mit geeigneten Filtern belegten Sammelplatte. Diese Messun-
gen werden in Anlehnung an die VDI2066 (2006) durchgeführt, wonach ein Teilstrom des beladenen
Rauchgases isokinetisch entnommen und über den Impaktor geleitet wird. Bei den Feinstaubmessungen
mit dem DGI wird zusätzlich zur Vorabscheidung grober Staubpartikel ein Zyklon vorgeschaltet. In den
unterschiedlichen Stufen mit Trennkörnern von 2,5/10,0µm bzw. 0,2/0,5/1,0/2,5µm erfährt das Abgas
eine Änderung der Strömungsrichtung. Folglich können Partikel die zu groß (schwer) sind dieser Rich-
tungsänderung nicht folgen und werden auf dem Filter der jeweiligen Stufe abgeschieden. Mit sinkendem
Trennkorndurchmesser steigen die wirkenden Kräfte auf die Staubteilchen, wodurch immer kleinere Parti-
kel abgeschieden werden. Des Weiteren verfügen die Impaktoren über einen Endlter, in dem nach der letz-
ten Stufe im Abgas verbliebene Partikel zurückgehalten werden. Im Anschluss ießt das Abgas über einen
wassergekühlten Wärmetauscher sowie über einen Silicagelbehälter, wo dessen Temperatur abgesenkt und
die Feuchte auskondensiert wird. In weiterer Folge wird mit Hilfe eines Balgengaszählers das tatsächlich
geförderte Normvolumen ΔVN,tr bestimmt. Die Partikelbeladung pro Stufe Δm(dP) wird durch Verwiegung
der eingesetzten Filter (nach entsprechender Konditionierung im Ofen bzw. Exsikkator) vor und nach der
Messung bestimmt. Aus der Gesamtbeladung und dem abgesaugten Rauchgasvolumen kann anschließend
unter Zuhilfenahme von Gleichung1 auf die Partikelkonzentration yN,tr(dP) zurückgerechnet werden.

324 Schittl, Jauschnik, Pöttler, Krail
2.2.2 Kontinuierliche Aerosolmessung
Die kontinuierliche Bestimmung des Feinstaubgehalts erfolgt unter der Zuhilfenahme eines elektrischen Nieder-
druck-Impaktors (ELPI) der Fa. Dekati Ltd. Bei diesem Messverfahren wird dem Rauchgas ebenfalls zunächst
ein Teilstrom entnommen und in weiterer Folge mit Hilfe zweier in Serie geschalteten Mischer verdünnt. Das
Funktionsprinzip der Mischer basiert auf der Ejektionsverdünnung, wonach Druckluft um eine Ejektordüse
einen Druckabfall bewirkt und somit das Rauchgas verdünnt. In der Mischkammer wird eine homogene Ver-
mischung sichergestellt. Beim Einsatz für die ELPI-Messung wird der erste Mischer auf das Temperaturniveau
des abgesaugten Rauchgases erhitzt und der zweite bei Raumtemperatur betrieben. Es kann somit sichergestellt
werden, dass keine Partikel vor der Verdünnung auskondensieren. Die Verdünnung vermindert zudem die Ag-
glomeration der Partikel. Bei dem eingesetzten Modell liegen die Trennkörner der insgesamt 12 Impaktorstufen
zwischen 0,04 und 9,24µm. Der ELPI nutz dasselbe Trennprinzip wie die zuvor erläuterten Kaskaden- bzw.
DGI-Impaktoren mit dem Unterschied, dass die Partikel vor Eintritt in den Impaktor elektrostatisch aufgeladen
werden. Diese geben dann ihre Ladung auf jener Stufe, auf der sie abgeschieden werden, wieder ab. Auf Basis des
so entstehenden Stromsignals I(dP) wird anschließend eine Anzahlverteilung der abgeschiedenen Partikel N(dP)
unter Zuhilfenahme von Gleichung2 berechnet. (Keskinen et al. 1992)
Darin kennzeichnet ECh(dP) eine Funktion zur Beschreibung der Ladungsezienz, welche wiederum von
mehreren Faktoren wie z.B. der durchschnittlichen Anzahl von Elementarladungen pro Partikel abhängt.
Um nun massenbezogene Daten zu erhalten wird ein Korrekturfaktor für die Dichte und Form der Partikel
berücksichtigt. Aufgrund der Heterogenität der Partikel ist es jedoch nicht möglich durch theoretische
Überlegungen verlässliche Korrekturfaktoren zu bestimmen. Deshalb sind parallel zu den ELPI-Messungen
weitere Daten notwendig (z.B. gravimetrische Impaktormessungen), um einen mittleren Korrekturfaktor
zu generieren. Die exakten Berechnungsvorschriften für die Kalibrierung des ELPI-Signals in beispielsweise
in Marjamäki et al. (2000) angeführt.
3. ERGEBNISSE
3.1 BEWERTUNG
Die experimentellen Testläufe werden entsprechend der in Abschnitt 2.2 erläuterten Staub- bzw. Fein-
staubmessmethoden im waagrechten Abgasrohr nach dem Kessel durchgeführt. Die einzelnen Messungen
können jedoch nicht zeitsynchron durchgeführt werden, da auf der Rohgasseite keine entsprechende Ent-
nahmemöglichkeit zur Verfügung steht. Aus diesem Grund werden die Messungen in zeitlicher Abfolge
nacheinander durchgeführt, wobei die Spannung der Sprühelektrode wechselweise ein- und ausgeschaltet
wird. Insgesamt werden je Abscheiderstatus drei Messungen durchgeführt, um Abweichungen in den Mes-
sergebnissen entsprechend zu berücksichtigen. Die Bestimmung des Abscheidegrads der elektrostatischen
Rauchgasreinigungsanlage η(dP) erfolgt demnach indirekt über die Konzentrationsangaben yESP,aus(dP) bzw.
yESP,ein(dP) des jeweiligen Partikelkollektivs nach Gleichung 3.
Auf Grund der unterschiedlichen Messmethoden stehen auch Ergebnisse mit unterschiedlichen Informa-
tionstiefen zur Verfügung. Während jene Versuche mit variierendem Brennsto die vielseitige Anwendung
des Abscheiderkonzepts aufzeigen, ermöglichen die hinsichtlich des Partikeldurchmesser feiner aufgelösten
Messungen eine Abschätzung des Gesundheits- bzw. Umwelteinusses sowie einen tieferen Einblick in
die Abscheidecharakteristik der einzelnen Partikelklassen. Die Abschätzung des Messfehlers erfolgt anhand
der von Schröderetal. (2014) erläuterten Berechnungsvorschriften. Neben den isokinetischen Entnah-
mebedingungen gilt die Präzision der Gewichtsmessung der leeren bzw. beladenen Filter als maßgebender
Einussfaktor für die Messungenauigkeit (vgl. Kather & Woltersdorf 2013).

Untersuchung eines Elektroabscheiderkonzepts zur Reduktion von Staubemissionen 325
3.2 GESAMTABSCHEIDEGRAD FÜR PM2,5
Die Ergebnisse der gravimetrischen Staubmessungen sind in Tab. 1 für insgesamt vier unterschiedliche bio-
gene Brennstoe und jeweils zwei Lastbereiche aufgelistet. Neben den Verbrennungsbedingungen, welche
beispielsweise durch den Sauerstogehalt repräsentiert werden, sind außerdem die gemessenen Roh- bzw.
Reingaspartikelfraktionen mit einem Durchmesser dP ≤2,5µm (bezogen auf einen Referenzsauerstogehalt
von 13%) sowie die erzielten Abscheidegrade angeführt.
Die ersten Versuche wurden mit herkömmlichen Holzpellets durchgeführt. Wie aus den Daten er-
sichtlich wird, stellen sich für diesen Brennsto charakteristische Verbrennungsbedingungen, welche durch
niedrige CO- (<3 mg/m³N) bzw. NOx-Emissionen (67 bis 85mg/m³N) gekennzeichnet sind, ein. Die
PM2,5-Konzentrationen, welche bei ausgeschalteten ESP gemessen wurden, können mit ca. 22,9 bzw.
10,9mg/m³N im Teil- bzw. Nennlastfall beziert werden. Bei aktiven ESP reduzieren sich die Partikelkon-
zentrationen im Teil- bzw. Nennlastbetrieb auf etwa 5,7 respektive 4,6mg/m³N. In Nennbetrieb ergibt sich
somit ein Abscheidegrad für die PM2,5-Fraktion von 57,2%, während bei reduzierter thermischer Last
deutliche höhere Abscheidegrade von durchschnittlich 74,6% erzielt werden können. Die vom Abscheider
eingebrachte elektrische Leistung schwankt je nach Lastbereich zwischen 4 und 30W.
Des Weiteren wurden Tests mit Hackgut durchgeführt, wobei zwei unterschiedliche Feuchtegehalte des
Brennstos (W20 und W35) untersucht wurden. Betrachtet man zunächst die gasförmigen Emissionen, so
erkennt man rasch, dass im Vergleich zu den Versuchen mit Pellets wesentlich höhere CO- bzw. NOx-Emis-
sionen vorliegen. Die CO-Konzentrationen liegen, je nach Lastzustand und Brennstofeuchte, zwischen 69
und 234mg/m³N. Die Freisetzung von Stickoxiden ist mit durchschnittlich 114mg/m³N nur geringfügig
höher. Im Teillastbetrieb bei der Verbrennung von trockenen Hackgut (W20) kann bei ausgeschaltetem
ESP ein PM2,5-Gehalt von etwa 43,5mg/m³N gemessen werden, während im Nennbetrieb ca. 31,5mg/
m³N PM2,5-Partikel emittiert werden. Obwohl die soeben angeführten Rohgasbeladungen wesentlich hö-
her sind als bei den Verbrennungsversuchen mit Pellets, unterscheiden sich die Abscheidegrade kaum von
den vorherigen Versuchen. Die geringfügig schlechteren Abscheidegrade (50,1 und 72,2%) spiegeln sich
auch in der Performance des Abscheiders wieder. In der Teillastphase wird bei der Hackgutverbrennung bei
einer annähernd gleichen Spannung von ca. 37,7kV eine um etwa 40% geringere Stromstärke (ca.475µA)
erreicht, wodurch die zugeführte elektrische Leistung auf knapp 18W abfällt.
Charakteristisch für die thermische Verwertung von Biomasse mit hohen Wassergehalt (W35) ist der
mit teilweise bis zu 15% hohe Wasserdampfanteil im Abgas. Im Hinblick auf die Partikelemissionen muss
festgehalten werden, dass die Werte für die PM2,5-Fraktion im Rohgas, welche zwischen 19,2 und 28,5mg/
m³N liegen, vermutlich durch die vorliegenden Verbrennungsbedingungen sowie Abgaszusammensetzung
deutlich geringer ausfallen. Um auch hier die Wirkung des elektrostatischen Abscheiders darzulegen, wird
ebenfalls der Abscheidegrad, unter der Annahme gleicher Verbrennungsbedingungen für Versuche mit ein-
bzw. ausgeschalteten ESP, berechnet. Die Messungen mit aktiven Elektroabscheider ergeben zwar geringe
Feinstaubkonzentration von ca. 6,8 (Teillast) bzw. 13,2mg/m³N (Nennlast), jedoch nehmen die Abschei-
degrade mit 64,9 bzw. 53,6% im Durchschnitt die geringsten Werte der untersuchten Brennstoe ein.
Nichtsdestotrotz lässt die gute Performance des Abscheiders hinsichtlich dessen Betriebspunkt vermuten,
dass dennoch eine positive Wirkung durch die Implementierung der Elektrode gegeben ist. Im Teillastbe-
trieb wird z.B. eine der höchsten Werte für die elektrische Leistung des Abscheiders (ca. 25W) gemessen.
Die letzte Versuchsanordnung beinhaltet die Untersuchung eines alternativen biogenen Brennstoes.
In diesem Fall werden Pressrückstände aus der Olivenölherstellung herangezogen. Dieser Brennsto weist
im Hinblick auf Schüttdichte, Heizwert, Wassergehalt sowie Elementarzusammensetzung ähnliche Eigen-
schaften wie Holzpellets auf. Somit können auch thermische Leistungen von ungefähr 34 bzw. 99 kW
erreicht werden, wobei die Schwankungen in der Teillastphase stärker ausgeprägt sind. Trotz der gewähl-
ten Standard-Reglereinstellungen (Pellets) können gute Verbrennungsbedingungen geschaen werden. Die
niedrigen CO-Emissionen (ca. 5mg/m³N) im Vollastfall weisen beispielsweise auf einen nahezu vollständi-
gen Gasphasenausbrand hin. Diese steigen zwar im Teillastbetrieb auf fast 1000mg/m³N, was jedoch den
eingangs erwähnten Betriebsschwankungen zugrunde liegt. Die gebildeten Stickoxidverbindung, welche
ungefähr 89 bzw. 105mg/m³N im Rauchgas einnehmen, liegen im Durchschnitt der zuvor durchgeführten

326 Schittl, Jauschnik, Pöttler, Krail
Verbrennungsversuche. Die PM2,5-Emissionen sind bei ausgeschaltetem ESP vergleichsweise hoch. Je nach
abgegebener Leistung können diese mit etwa 85,5 (Teillast) bzw. 80,4mg/m³N (Nennlast) beziert werden.
Berechnet man anschließend den Abscheidegrad für die PM2,5-Fraktion unter Zuhilfenahme der gemesse-
nen Reingaskonzentration bei aktiven ESP von 14,0 (Teillast) bzw. 25,5mg/m³N (Nennlast), so erhält man
eine Reduktion der Feinstaubpartikel zwischen 68,0 und 83,5%. Betrachtet man nun die Betriebszustände
des Abscheiders, so kann im Teillastbetrieb der Anlage die höchste Spannung aller Versuchsanordnungen
mit rund 39,5kV festgestellt werden. Diese führt jedoch aufgrund der geringen Stromstärke (ca. 264µA)
zu einer maximalen Leistung von lediglich 10W. Im Volllastfall kann ein ähnliches Verhalten beobachtet
werden, wobei auch hier eine im Vergleich zu den Pelletsversuchen halb so hohe Stromstärke zu einer mi-
nimalen Leistung von knapp über 2W führt.
Tab. 1: Feinstaubemissionen (dP≤2,5µm) und Abscheideezienz des integrierten elektrostatischen Abscheiders
für unterschiedliche Brennstoe und Lastfälle der Biomassefeuerung
Brennsto Q
(kW) yO2
(%) T
(°C) u
(m/s) IESP
(µA) UESP
(kV) yESP,aus 1
(mg/m³) yESP,ein 1
(mg/m³)
η
(%)
Pellets 36 12,2 111 1,2 795 37,8 22,6 5,7 74,6
Pellets 93 7,3 146 2,5 151 25,3 10,9 4,6 57,2
Hackgut W20 32 11,4 102 1,3 475 37,7 43,5 12,0 72,2
Hackgut W20 104 6,7 187 3,2 307 23,0 31,5 15,7 50,1
Hackgut W35 39 9,7 103 0,9 633 39,1 19,2 6,8 64,9
Hackgut W35 85 8,2 170 3,2 230 23,3 28,5 13,2 53,6
Olivenkerne 34 12,8 104 0,9 264 39,5 85,5 14,0 83,5
Olivenkerne 99 6,1 158 2,4 86 27,8 80,4 25,5 68,0
1 Die PM2,5-Fraktionen sind auf einen Referenzsauerstogehalt von 13% bezogen.
3.3 FRAKTIONSABSCHEIDEGRAD
Ergänzend zu den gravimetrischen Staubmessungen werden Versuche am Beispiel eines ausgewählten
Brennstos (Hackgut W20) unter Zuhilfenahme kontinuierlicher Aerosolmesstechniken (ELPI) durchge-
führt. Diese Versuchsanordnung wird wie zuvor in Teil- und Nennlastphasen der Feuerungsanlage unter-
teilt. Abb.2 veranschaulicht die Ergebnisse hinsichtlich der Partikelbeladungen sowie der Abscheideezi-
enz des ESP in Abhängigkeit des Kessellastzustandes.
Betrachtet man zunächst den Nennlastbetriebsfall der Feuerung (vgl.Abb.2, oben), so kann beobachtet
werden, dass im Rohgas mit rund 80mg/m³N der Höchstwert der Beladung bei einem Partikeldurchmes-
ser von 5,15µm vorliegt. Mit sinkendem Durchmesser bzw. Volumen der Partikel reduziert sich folglich
die Massenbeladung im Rohgas auf unter 40mg/m³N, wobei die Abscheidewirkung mit durchschnittlich
39,5% konstant bleibt. Obwohl diese Fraktion (dP≥1,99µm) etwa 59,1% der massebezogenen Staub-
beladung des gesamten untersuchten Partikelkollektivs ausmacht, so ist dennoch festzuhalten, dass vor
allem kleine Partikel (dP≤1µm), welche bis in die kleinsten Verzweigungen der Lunge eindringen können,
hauptverantwortlich für gesundheitliche Beschwerden sind. Betrachtet man nun lediglich diesen Bereich
der gemessenen Korngrößenverteilung, so kann man deutlich erkennen, dass für PM1-Partikel, welche zwar
aufgrund der geringen Größe auch eine geringe Masse aufweisen, deutlich höhere Abscheidegrade erreicht
werden. Im Nennlastfall der Feuerung beträgt der mittlere Abscheidegrad für PM1 etwa 54,3%. Das Ver-
teilungsmaximum der gemessenen Aerosolfraktion (ca. 32mg/m³N) liegt bei einem Partikeldurchmesser
von 0,21µm vor, während der maximale Abscheidegrad von etwa 61,8% bei etwas größeren Partikeln
auftritt. Des Weiteren kann man den für die Kalibrierung der ELPI-Daten erforderlichen DGI- bzw. Ge-
samtstaubmessungen entnehmen, dass durch die Integration des ESP auch die Gesamtstaubemissionen um
durchschnittlich 53,8% verringert werden können. Hinsichtlich des Abscheiderbetriebs kann festgehalten

Untersuchung eines Elektroabscheiderkonzepts zur Reduktion von Staubemissionen 327
werden, dass eine mittlere Spannung von ca. 23,1kV ohne häuge Überschläge gehalten werden kann und
somit eine durchschnittliche Leistung von 7,4W eingebracht wird.
Analog zu den Messreihen mit variierenden Brennstoen wurde im Zuge der ELPI-Messung ein Ver-
such im Teillastbetrieb des Kessels (vgl.Abb.2, unten) durchgeführt. Das Bild der Partikelemissionen zeigt
ähnliche Verhältnisse wie zuvor bei den Volllastmessungen, wobei hier tendenziell geringere Beladungen
auftreten. Die höchste Staubbeladung tritt erneut bei großen Partikeln (dP=5,15µm) auf und ist mit unge-
fähr 43mg/m³N nur halb so hoch wie im Nennlastbetrieb. Trotz der etwas geringen Staubkonzentrationen
können deutlich höhere Abscheideezienzen im Teillastbereich erzielt werden, wobei der grundsätzliche
Zusammenhang mit dem Partikeldurchmesser auch hier gegeben ist. Demnach steigt der Abscheidegrad
nach anfänglichem konstanten Wert von 69,8% zwischen 1,99 und 5,15µm kontinuierlich an, je kleiner
die Partikel werden. Mit dem Beginn der PM1-Fraktion liegt dieser bereits deutlich über 75% und ist so-
mit um fast 30% höher als im Nennlastbetrieb der Feuerung. Im Gegensatz zur Nennlastphase ist das Ver-
teilungsmaximum der Aerosolfraktion hinsichtlich der Partikelgröße jedoch nicht so eindeutig ausgeprägt.
Dieses bendet sich zwischen 0,21 und 0,32µm und kann für den Rohgasstrom mit ca. 20,9mg/m³N
beziert werden. Bei aktiven ESP verringert sich diese Beladung um knapp 14,1mg/m³N, wodurch sich
ein maximaler Abscheidegrad von 84,9% für den Teillastbetrieb ergibt. Anders als bei Nennlast, wo nach
diesem Verteilungsmaximum der Abscheidegrad wieder deutlich abfällt (auf ca. 45,8% für dP=0,13µm),
kann dieser im Teillastbetrieb konstant auf über 80% gehalten werden. Die Gesamtstaubemissionen kön-
nen durch den Einsatz des ESP’s um rund 66,4% verringert werden. Im Betrieb erreicht der Abscheider
durchschnittlich eine Spannung von 37,5kV bzw. eine elektrische Leistung von 27,8W.
Abb.2: Feinstaubemissionen (dP≤5,15µm) und Abscheideezienz des integrierten elektrostatischen Abschei-
ders für trockenes Hackgut (W20) in Abhängigkeit des Lastzustandes der Biomassefeuerung (oben: Nennlast,
unten: Teillast) sowie des Partikeldurchmessers

328 Schittl, Jauschnik, Pöttler, Krail
4. SCHLUSSFOLGERUNG
Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass die nachträgliche Implementierung eines elektrostati-
schen Abscheiders in eine Kleinkesselanlage durchaus zur Minderung der Feinstaubemissionen beiträgt.
Wie aus den Ergebnissen der unterschiedlichen Messdurchläufe hervorgeht, werden durch die vorgeschla-
gene Abscheiderkonguration vor allem kleine Partikel – jene mit einem Durchmesser <1µm – mit einer
Ezienz von mindestens 50% aus dem Rauchgas entfernt. Je nach Brennsto und Lastzustand der Feue-
rung variiert dieser Abscheidegrad, wobei Teillastzustände des Kessels die Partikelabscheidung aufgrund von
niedrigeren Temperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten fördern (η≈70%). Bei weiterer Verfeinerung
des Rauchgaspartikelkollektives (zwischen 0,13 und 1,26µm) erkennt man zudem, dass feinere Partikel so-
wohl im Teil- als auch in Nennlastbetriebsphasen mit höherer Ezienz (bis zu 80%) abgeschieden werden.
Die dargelegten Ergebnisse verdeutlichen somit das Konzept sowie die Wirkung eines integrierten Elektro-
abscheiders und rechtfertigen dessen Einsatz, vor allem angesichts des niedrigen Energiebedarfs für dessen
Betrieb. Demungeachtet sind weitere Untersuchungen, beispielsweise hinsichtlich der Partikelbildungsme-
chanismen sowie der Abreinigung der Elektroden notwendig, um die Technologie am Markt verfügbar zu
machen.
DANKSAGUNG
Das F&E-Projekt „EmiL“ (Emission Limited Biomass Combustion) wurde mit den nanziellen Mitteln
des Klima- und Energiefonds durchgeführt und von der Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft
mbH (FFG) abgewickelt. Programmlinie „Energieforschung (e!MISSION)“ (2.Ausschreibung), Projekt-
nummer: 853.606
LITERATUR
Berhardt A., Lezsovits F., Groß B. (2017) Integrated Electrostatic Precipitator for Small-Scaled Biomass
Boilers. Chem. Eng. Technol. 40(2), 278-288, DOI: 10.1002/ceat.201600200.
Blank M., Schö M., Scharler R., Obernberger I. (2015) New CFD based model for the design and
optimisation of electrostatic precipitators for biomass com-bustion plants. In: Proceedings of the 23rd
European Biomass Conference and Exhibition, Wien, AT: ETA-Florence Renewable Energies, pp. 540-
545.
Bologa A., Ecker M., Rheinheimer H., Paur H. (2016) Development and Demon-stration of an Elect-
rostatic Precipitator, which is Optimally Adapted to a Bio-mass Boiler. In: Proceedings of the 24th
European Biomass Conference and Exhibition, Amsterdam, NL: ETA-Florence Renewable Energies,
pp. 434-440.
Donaldson K., Brown D., Clouter A., Dun R., MacNee D., Renwick L., Tran L., Stone V.
(2002) e pulmonary toxicology of ultrane particles. J. Aerosol Med. 15(2), 213-220, DOI:
10.1089/089426802320282338.
Eurostat (2019) Energy, transport and environment statistics. 2019 edition. Europe-an Commission, Envi-
ronment and energy, DOI: 10.2785/660147.
Jaworek A., Krupa A., Tadeusz C. (2007) Modern electrostatic devices and methods for exhaust gas cleaning:
A brief review. J. Electrostat. 65(3), 133-155, DOI: 10.1016/j.elstat.2006.07.012.
Kather A., Woltersdorf N. (2013) Feinstaubemissionen aus biomassebefeuerten Kleinfeuerungsanlagen.
Hamburg, DE: TU Hamburg‐Harburg, Institut für Energietechnik.
Kelz J., Zemann C., Muschick D., Hofmeister G., Gölles M., Retschitzegger S. (2019) Performance eva-
luation of an electrostatic precipitator in a small-scale bi-omass boiler by using dierent biomass feed-
stocks. In: Proceedings of the 27th European Biomass Conference and Exhibition. Lissabon, PT: ETA-
Florence Renewable Energies, pp. 1932-1938.

Untersuchung eines Elektroabscheiderkonzepts zur Reduktion von Staubemissionen 329
Keskinen J., Pietarinen K., Lehtimäki M. (1992) Electrical low pressure impactor. J. Aerosol Sci. 23(4),
353-360, DOI: 10.1016/0021-8502(92)90004-F
Marjamäki M., Keskinen J., Chen D. R., Pui D. (2000) Performance evaluation of the electrical low-
pressure impactor (ELPI). J. Aerosol Sci. 31(2), 249-261, DOI: 10.1016/S0021-8502(99)00052-X
Obaidullah M., Bram S., De Ruyck J. (2018) An Overview of PM Formation Mech-anisms from Residenti-
al Biomass Combustion and Instruments Using in PM Measurements. International Journal of Energy
and Environment 12, 41-50.
Obernberger I., Mandl C. (2011) Survey on the present state of particle precipitation devices for residential
biomass combustion with a nominal capacity up to 50 kW. Graz, AT: TU Graz, Institut für Prozess-
und Partikeltechnik.
Schröder T. et al. (2014) Messmethodensammlung Feinstaub - Methodenvorschlag zur Feinstauberfassung
an Feuerungsanlagen für feste biogene Brennstoe (Bd. 8). (V. Lenz, D. rän, D. Pfeier, Hrsg.)
Leipzig, GE: Fischer Druck.
VDI 2066 (2006) Messen von Partikeln - Staubmessungen in strömenden Gasen - Gravimetrische Bestim-
mung der Staubbeladung. Normenausschuss, VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL).
Kontaktdaten:
Florian Schittl
Forschung Burgenland GmbH
Steinamangerstraße 21
7423 Pinkafeld
Email: orian.schittl@forschung-burgenland.at