Elektrostatischer Partikelabscheider 01.06.2016, 00:00 Uhr

Rauchgas aus holzgefeuerten Kleinfeuerungsanlagen

Die Auswirkungen von Feinstaub (PM10; PM2,5) auf die menschliche Gesundheit wurden bereits in den 1990er-Jahren in zahlreichen epidemiologischen Studien nachgewiesen und gesetzliche Regelungen haben die Feinstaubbelastung aus Kraftfahrzeugen und der Industrie reduziert. Gleichzeitig hat die zunehmende Nutzung von Holzfeuerungen zu einer erhöhten Emission aus dieser Quelle geführt.

Bild: Heizomat Gerätebau-Energiesysteme GmbH

Bild: Heizomat Gerätebau-Energiesysteme GmbH

Mit der ersten Bundes-Immissionsschutzverordnung (1. BImSchV) werden deshalb Begrenzungen für Feinstaubemissionen aus der Holzfeuerung, wie aus automatisch beschickten Heizungsanlagen und Einzelraumfeuerungsanlagen und Kaminöfen, Kachelöfen, Herden und offenen Kaminen, festgelegt. Seit Anfang 2015 gelten verschärfte Grenzwerte, sodass eine Partikelemission von nur 20 mg/m3 (i. N.) bei einem Sauerstoffgehalt von 13 Vol-% für automatisch beschickte Heizkessel zulässig ist, die regelmäßig vom Schornsteinfeger überprüft wird. Ältere Feuerungsanlagen müssen zunehmend ausgetauscht werden.

Die Partikelkonzentrationen im Abgas moderner Hackschnitzelkessel liegen typischerweise zwischen 20 bis 100 mg/m3 (i. N.). In Abhängigkeit von der Qualität der Feuerung entstehen bei der Holzverbrennung im Rauchgas anorganische Salze, Ruß und Pyrolyseprodukte in Form feinster luftgetragener Partikel sowie Wasserdampf und korrosive Gase. Eine Reduzierung der Partikelemission kann erreicht werden durch optimale Brennstoffe, Verbesserung der Feuerungsführung und Nachverbrennung des Abgases. Trotz der Fortschritte in der Feuerungstechnik können moderne Feuerungen oft die Grenzwerte nur unter Laborbedingungen mit Prüfbrennstoffen einhalten. Der Einsatz von zusätzlichen Filtertechnologien ist bei realen Anlagen insbesondere bei aschereichen Brennstoffen erforderlich.

Abscheidertechnologie reduziert Feinstäube

Die CCA – Carola Clean Air GmbH mit Sitz in Karlsruhe entwickelt, produziert und vertreibt den elektrostatischen Carola®-Abscheider für biomassebefeuerte Kesselanlagen im Leistungsbereich von 25 bis 200 kW. Höhere Kesselleistungen können durch parallele Schaltung von Abscheidern ausgerüstet werden. In zwei Bauvarianten ergänzt der Partikelabscheider die Heizanlage gängiger Hersteller optimal – nachgeschaltet oder integriert in die Kesselgeometrie. Dabei wird der Carola®-Abscheider direkt zwischen Heizkessel und Schornstein in den Rauchgasweg installiert. So können neue wie auch bestehende Kesselanlagen leicht nachgerüstet werden. Durch effektive Filterung des ausströmenden Rauchgases sorgt der Carola®-Abscheider für die sichere Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte der zweiten Stufe der 1. BImSchV.

Für Holzfeuerungen im privaten, landwirtschaftlichen oder gewerblichen Bereich ist der Carola®-Abscheider für unterschiedliche Leistungsbereiche und Feuerungsanlagen einsetzbar: Vier Baugrößen CCA-25, CCA-50, CCA-100 und CCA-200 stehen zur Verfügung (Tabelle).

Technische Daten der Carola®-Abscheider (vorbehaltlich technisch bedingter Änderungen).

Technische Daten der Carola®-Abscheider (vorbehaltlich technisch bedingter Änderungen).

 

Selbst unter schwierigen Verbrennungsbedingungen sind diese Ab­scheider mit unterschiedlichen Brennstoffen, wie Hackschnitzel, Holzpellets oder Agrarbrennstoffen, nutzbar. Für Hackschnitzelkessel ermöglicht der Carola®-Abscheider darüber hinaus den Einsatz kostengünstigerer Brennstoffqualitäten bei gleichzeitiger Einhaltung des Feinstaubgrenzwerts.

Funktionsweise

Das Kernstück des elektrostatischen Carola®-Abscheiders ist ein Kammersystem zur Ionisation und Abscheidung der gasgetragenen Partikel, sowie der darunter angeordnete Aschekasten (Bild 1).

Bild 1. Querschnitt des Carola<sup>®</sup>-Abschneiders

Bild 1. Querschnitt des Carola®-Abschneiders

  • Das Rauchgas aus dem Heizkessel strömt zuerst in die Ionisationskammer des Carola®-Abscheiders. Dort befindet sich eine zentrierte Sternelektrode, an der eine Hochspannung von 20 kV anliegt. Die Hochspannung wird elektronisch geregelt, sodass immer die optimale Coronaleistung zur Verfügung steht. Durch ein automatisches Reinigungssystem wird die Sternelektrode regelmäßig von abgelagerten Stäuben befreit.
  • Das einströmende Gas wird durch die Coronaentladung ionisiert, die sich an den Spitzen der Elektrode (Bild 2, Coronaentladung) ausbildet.
Bild 2. Coronaentladung an der Sternelektrode das Carolaabscheiders. Bild: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Bild 2. Coronaentladung an der Sternelektrode das Carolaabscheiders. Bild: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

  • Die Feinstpartikel werden durch die gasförmigen Ionen elektrisch aufgeladen.
  • Die geladenen Partikel strömen durch den Aschekasten in die nachgeschaltete, rohrförmige Kollektorkammer mit einer geerdeten, wendelförmigen Stahlbürste. Auf den Borsten werden die Partikel entladen und abgeschieden. Die Abscheidung erfolgt ohne externes elektrisches Feld. Nach kurzer Zeit bilden sich auf den Borsten grobe agglomerierte Aschepartikel.
  • Die spiralförmige Edelstahlbürste rotiert periodisch über eine Abstreifkante und reinigt dabei die Wände der Kollektorkammer sowie ihre Borsten. Hierbei ist die Kollektorkammer so dimensioniert, dass die agglomerierten Partikel bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten in den Aschekasten fallen.
  • Der gesammelte Grobstaub wird aus dem Aschekasten entnommen. Die abgeschiedene Asche kann bei privaten Anlagen mit dem häuslichen Abfall entsorgt werden. Gewerbliche Anlagen erfordern eine Entsorgung nach den Anforderungen der Deponieverordnung. Die Leerung des Aschekastens ist die einzige Wartungsarbeit. Eine Ent­leerung ist nach ca. 500 Betriebsstunden erforderlich.
  • Das gereinigte Rauchgas strömt aus dem Abscheider und wird über den Kamin mit einer Konzentration abgegeben, die den gesetzlichen Grenzwerten entspricht.

Die Partikelaufladung und die automatische Reinigung des Abscheiders werden elektronisch gesteuert und überwacht.

Die Wartung des Abscheiders erfolgt zusammen mit der jährlichen Überprüfung des Heizkessels. Die robusten Komponenten und korrosionsfesten Materialien sind auf die Lebensdauer des Heizkessels ausgelegt. Damit übereinstimmend zeigen die bisherigen Erfahrungen aus über ca. 30 000 Betriebsstunden, dass die Komponenten des Abscheiders einen minimalen Verschleiß haben.

Geprüft und zugelassen

Die Abscheidegrade, die Betriebssicherheit und die thermische Beständigkeit der Carola®-Abscheider wurden vom TÜV in umfangreichen Tests gemäß der entsprechenden DIN-EN-Normen belegt. Daraufhin erteilte das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) im Jahr 2015 der CCA – Carola Clean Air GmbH die allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (Z-7.4–3504) für die komplette Produktreihe der Carola®-Abscheider. 2016 folgte die offizielle brandschutztechnische Zulassung durch die Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen (VKF), gelistet als Brandschutzanwendung Nr. 26515. Damit ist der elektrostatische Feinstaubabscheider Carola® als Ergänzung zu Feuerungsaggregaten offiziell in der Schweiz zugelassen.

Feinstaubfreie Holzfeuerung vorantreiben

Viele Kesselhersteller haben mittlerweile erkannt, dass die Kombination neuster Verbrennungstechnologien und Filterung der ausströmenden Rauchgase die größte Chance auf eine nachhaltige Minderung der Feinstaubemissionen bietet. Trotz des höheren verfahrenstechnischen Aufwands dürfte der Einbau von Partikelabscheidern die Akzeptanz der Holzheizung bei der Bevölkerung langfristig verbessern. In zahlreichen Kooperationen mit namhaften Kesselherstellern entwickelt die CCA – Carola Clean Air GmbH die Carola®-Abscheider gezielt weiter, um eine optimale Kombination von Kessel und Abscheider zu erreichen.

Der gemeinsame Fortschritt zeigte sich beispielsweise in der neuen, integrierten Bauweise des Partikelabscheiders, die 2014 in einem Verbundprojekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) entwickelt wurde. So kann der Carola®-Abscheider inzwischen kundenspezifisch an den Heizkessel adaptiert und in den Kessel integriert werden. Das bedeutet für Nutzer der Heizanlagen geringere Bau-, Installations- und Wartungskosten, reduzierten Platz- und Stromverbrauch sowie eine optimierte Regelung des Heizkessels.

Zur Durchführung von Standzeituntersuchungen und zur Qualitätskontrolle der Carola®-Abscheider betreibt die CCA – Carola Clean Air GmbH auf dem Gelände des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) einen eigenen Teststand. Im direkten Austausch mit Kesselherstellern validiert die CCA – Carola Clean Air GmbH darüber hinaus die Carola®-Technologie bei Feldtests vor Ort. So konnten mittlerweile rund 15 Installationen in Kombination mit unterschiedlichen Kesseltypen und -leistungen unter Verwendung von Normbrennstoffen in Betrieb genommen werden (Bild 3).

Bild: Heizomat Gerätebau-Energiesysteme GmbH

Bild 3. Installation des Carola®-Abscheiders CCA-50 an einem 44,5-kW-Heizkessel.   Bild: Heizomat Gerätebau-Energiesysteme GmbH

Mithilfe von Feldinstallationen, deren Daten automatisch erfasst und über das Internet abgefragt werden können, sind wertvolle Langzeittests möglich. Die positive Resonanz seitens der Industrie bestätigt die robuste Konstruktion, die hohe Abscheidewirkung und die Betriebsstabilität der Carola®-Abscheider.

Kosten und Förderung der Abscheidertechnologie

Die derzeitigen Investitionskosten der Partikelabscheider liegen in Abhängigkeit von Baugröße und Ausstattung im Bereich von 20 % der Kesselanlage. Eine umfassende Kalkulation der Investitions- und Betriebskosten der gesamten Anlage gemäß den Vorgaben des TFZ (2015) unter Berücksichtigung der öffentlichen Förderung durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) zeigt, dass die zusätzlichen Kosten des Abscheiders bei üb­lichen Abschreibungszeiträumen den Wärmepreis nur geringfügig erhöhen. Positiv für die Betriebskosten des Abscheiders sind der geringe Stromverbrauch und der trockene Betrieb. Bei der Nutzung niederwertiger Brennstoffe, die ohne Abscheider nicht mehr eingesetzt werden dürfen, sind sogar Einsparungen gegenüber der Nutzung teurer Brennstoffe möglich.

Von H.-R. Paur, K. Janz, A. Bologa, H. P. Rheinheimer

Hanns-Rudolf Paur, Karola Janz, Andrei Bologa, Hans P. Rheinheimer CCA-Carola-Clean-Air GmbH, Eggenstein-Leopoldshafen.

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