Metal mesh filter systems for small biomass furnaces

Dissertation von Björn Baumgarten
Universität Stuttgart, 2022

Heizen mit Holz ist eine Möglichkeit, fossile CO2-Emissionen im Heizsektor zu verringern. Es führt jedoch zu lokalen Emissionen anderer Luftschadstoffe wie Feinstaub.

Ein Metallgewebefilter mit wasserbasierter Abreinigung wurde zur Verringerung der Feinstaubemissionen getestet. Es wurden zwei Optionen untersucht: Spülen des Gewebes mit Wasser im Gegenstrom sowie ultraschallunterstützte Reinigung.

Zunächst wurden grundlegende Untersuchungen mit einem manuell betriebenen Prototyp durchgeführt. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf den Filterprozessen und dem allgemeinen Verhalten des Metallgewebes. Sekundäre Phänomene wie z. B. Kondensation und Teerbildung, die das Verhalten des Metallgewebes und des Filterkuchens beeinflussen könnten, wurden minimiert. Es wurden Daten zu Regeneration, erreichbarer Staubabscheidung und Standzeit gesammelt.

Auf der Grundlage der Ergebnisse wurde ein automatisierter Prototyp für einen 180-kW-Ofen gebaut, um die Zuverlässigkeit der Regeneration über einen längeren Zeitraum zu demonstrieren und das gesamte System unter realistischen Bedingungen, einschließlich Kondensationsprozessen, zu untersuchen. Die Feuerung wurde sowohl mit konstanter Leistungsabgabe als auch unter Verwendung eines modulierenden Lastprofils mit Zündungen, Stopps und Laständerungen betrieben, was zu Kondensation und Teeremissionen führte.

Es konnte gezeigt werden, dass die Filtration in zwei Stufen abläuft: Zunächst findet eine Oberflächenabscheidung auf dem Gewebe statt, und anschließend eine Tiefenfiltration im Filterkuchen. Der Abscheidegrad lag während der Oberflächenabscheidung unter 50%, stieg aber während der Tiefenfiltration nach Bildung eines Filterkuchens auf über 95% an. Der Druckverlust des Filters kann mit einer Exponentialfunktion dargestellt werden, die die Gasgeschwindigkeit und die Staubbeladung sowie zwei Faktoren enthält. Diese Faktoren werden von der Feuerung, der Ausbrandqualität und der Brennstoffqualität bestimmt.

Beide Regenerationsmodi waren erfolgreich, und es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Abscheideleistung als auch die Standzeit (bevor eine Regeneration erforderlich war) von der Wahl des Brennstoffs und der Gasgeschwindigkeit abhängen, ohne dass es Anzeichen für eine Verringerung der Standzeit aufgrund von Rückständen oder Teerbildung gab. Bei einer Gasgeschwindigkeit von 33,3 m/h wurde eine Abscheideleistung von bis zu 91 ± 1% und eine Standzeit von 55 h (Pellets) bzw. 38 h (Hackschnitzel) gemessen. Bei 66,6 m/h sank der Abscheidegrad auf 74 ± 4% und 12 (Pellets) bzw. 3,4 h (Hackschnitzel) Standzeit.

Der Langzeitbetrieb des automatisierten Prototyps war erfolgreich. Der Filter wurde 419,5 h mit 234 Regenerationen betrieben. Bei Vermeidung einer Partikelanreicherung im Regenerationswasser wurden keine Anzeichen einer unzureichenden Reinigung festgestellt. Des Weiteren führten Kondensation und Teeremissionen zu keinen Problemen bei der Abreinigung. Es konnten keine Unterschiede zwischen den verschiedenen Regenerationsmethoden festgestellt werden. Allerdings ist ein Unteraschallschwinger kostspielig, weshalb die Gegenstromabreinigung vorzuziehen ist.

Über eine gesamte Filtration (einschließlich beider Phasen) konnte ein Abscheidegrad zwischen 80 und 86% erreicht werden.

Zusätzlich wurden die Abfallprodukte, der unlösliche feste Rückstand und das mit dem löslichen Anteil der Partikel beladene Regenerationswasser, bewertet. Die im Holz enthaltenen Schwermetalle bildeten bei der Verbrennung überwiegend unlösliche Verbindungen, die zusammen mit anderen wertvollen Metallen in hohen Konzentrationen in der Feststofffraktion verblieben. Bei einem großflächigen Einsatz des Filters sollte die Nutzung der Flugasche im Rahmen von Urban Mining in Betracht gezogen werden. Die flüssige Fraktion kann über das kommunale Abwassersystem entsorgt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Metallgewebefilter mit Nassregenerierung eine erfolgsversprechende Option darstellen. Der Hauptvorteil gegenüber den derzeitigen Technologien besteht darin, dass die Emissionen während des gesamten Feuerungsbetriebs gefiltert werden können, einschließlich der Zündung und während Laständerungen, wodurch eine 100-prozentige Verfügbarkeit des Filters erreichbar ist.

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