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9. Fachgespräch

"Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen" am 21. März 2018 in Leipzig

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Wirkungsweisen

Für industrielle Anlagen gehören Sekundärmaßnahmen zur Abscheidung partikelförmiger Verunreinigungen in Prozess- und Abgasen seit Jahrzehnten zum Stand der Technik. Systeme zur Abscheidung von partikelförmigen Bestandteilen aus Gasströmen können nach vier Wirkmechanismen unterschieden werden.

Massenkraftabscheider umfassen alle mechanischen Abscheider, bei denen die Trennung von Gasstrom und Partikel durch Schwer-, Trägheits- oder Zentrifugalkräfte erfolgt (Abbildung 1). Diese Abscheiderart ist vorrangig für größere Partikel (aerodynamischer Durchmesser >> 1 µm) geeignet und ist für Kleinfeuerungsanlagen als alleiniger Abscheider nicht geeignet.

Abbildung 1: Massekraftabscheider (links Zyklon; rechts Schwerkraftabscheider)

Elektrostatische Abscheider erreichen die Separation der Partikel vom Abgas durch Aufladung unter Einwirkung eines elektrischen Gleichspannungs-Feldes und der anschließenden Abscheidung der geladenen Partikel auf einer leitenden Niederschlagsfläche [1]. Neben dem klassischen elektrostatischen Abscheider aus Sprühelektrode und parallel oder konzentrisch angeordneter Abscheideelektrode (Abbildung 2)  wurde insbesondere für Kleinfeuerungsanlage auf Basis des Penney-Prinzips ein neuer Abscheidertyp entwickelt (Abbildung 3). Beim Penney-Prinzip sind Aufladezone und Abscheidezone getrennt und können mit unterschiedlich starken elektrostatischen Feldern und Polaritäten beaufschlagt werden. Bei den neu entwickelten Abscheidern wird auf das zusätzliche Aufbauen eines elektrostatischen Feldes in der Abscheidezone verzichtet.

Grundsätzlich funktionieren beide Ansätze über eine Ionisierung der Gasmoleküle in der Aufladezone. Die ionisierten Gasmoleküle hängen sich dann an die Partikel und laden diese dadurch auf. Bei den klassischen Elektroabscheidern werden die so geladenen Partikel von der gegensätzlich geladenen Abscheideelektrode angezogen. Bei einer Überlastung durch zu hohe Partikelkonzentrationen entstehen leitfähige Brücken von Partikel zu Partikel mit Spannungsüberschlägen. Dadurch bricht zum einen kurzfristig das elektrostatische Feld zusammen und zum anderen kommt es teilweise zur Entladung der Partikel (a). Dem wird bei den neuartigen Abscheidern durch die Trennung von Aufladezone und Abscheidezone entgegengewirkt. Der Preis dafür ist, dass bei hohen Staubbeladungen nicht alle Teilchen ausreichend aufgeladen und somit auch nicht abgeschieden werden. Durch das fehlende Feld in der Abscheidezone ist die Wanderungsgeschwindigkeit der Partikel in Richtung Abscheideelektrode tendenziell geringer.

Abbildung 2: klassischer elektrostatischer Abscheider
Abbildung 3: neuartiger elektrostatischer Abscheider

Generell kann bei unzureichender Abreinigung und schlecht leitfähigen Stäuben sich auf der Oberfläche der Abscheideelektrode eine isolierende aufgeladene Staubschicht bilden. Dadurch wird das elektrische Feld verringert und Spannungsüberschläge innerhalb der Staubschicht werden wahrscheinlicher (Rücksprühen), welche schon abgeschiedene Stäube und insbesondere Teere wieder in den Abgasstrom zurückwerfen (Beispiel b). Bei sehr leitfähigen Stäuben (Kohlenstoff) kann es durch eine sehr schnelle Entladung der Partikel an der Abscheideelektrode dazu kommen, dass der Feinstaub abprallt und vom Gasstrom mitgerissen wird.

Filternde Abscheider bestehen für Anwendungen in heißen Gasströmen aus hitzebeständigen Metall- oder speziellen Stoffgeweben oder aus Schüttungen oder Sinterkörpern hitzebeständiger Materialien. Die Partikelabscheidung bei filternden Abscheidern beruht auf verschiedenen Mechanismen (Abbildung 4). Für die gröberen Staubpartikel mit einem mittleren Durchmesser > 1 μm ist der maßgeblich verantwortliche Abscheidemechanismus der Trägheitseffekt. Vor allem bei hohen Anströmgeschwindigkeiten folgen diese Partikel nicht den Stromlinien des Gases, sondern gelangen infolge ihrer Trägheit an die Oberfläche der Faser an der die Partikel aufgrund von Haftkräften gebunden werden können. Zusätzlich erfolgt eine Abscheidung von Partikeln durch den Sperreffekt. Hierbei folgen die Partikel der Stromlinienbahn des Gases trägheitslos und treten allein aufgrund ihrer geometrischen Form mit der Faser in Berührung. Bei feineren Partikeln mit einem mittleren Teilchendurchmesser < 1 μm erfolgt der Kontakt zwischen Faser und Partikel hauptsächlich durch die Brownschen Molekularbewegung. Eine zusätzliche Abscheidung, vor allem feiner Partikel, erfolgt aufgrund elektrostatischer Kräfte, die durch einen gezielt aufgebrachten oder indirekt entstandenen Ladungsunterschied zwischen Partikel und Faser entstehen.

Abbildung 4: Prinzipien der filternden Abscheidung

Nassabscheider beruhen auf dem Prinzip, die im Abgasstrom verteilten Partikel mit einer Waschflüssigkeit in Kontakt zu bringen, um die Partikel darin zu binden und teilweise zu lösen. Das auf diese Weise entstehende Partikel-Flüssigkeitsgemisch wird vom Gasstrom getrennt und abgeschieden. Anschließend erfolgt eine Aufbereitung der beladenen Waschflüssigkeit. In vielen Fällen müssen nachgeschaltete Tropfenabscheider die Waschflüssigkeit aus dem Abgasstrom entfernen. In Abhängigkeit der eingesetzten Waschflüssigkeit können auch gasförmige Emissionen vermindert werden. Eine Sonderform sind Abgaskondensationsanlagen, bei denen durch eine Taupunktunterschreitung Kondensat im Abgas gebildet wird, wobei als Kondensationskeime die vorhandenen Partikel genutzt werden. Die so vergrößerten Partikel lassen sich anschließend durch Massenkräfte abscheiden.

Abbildung 5: Abgaswäscher, Abbildung 6: Abgaskondensator

Kombinationsverfahren. Erfolgversprechend sind auch Kombinationen mehrerer Verfahren. So können beispielsweise Massenkraftabscheider als Vorabscheider eingesetzt werden, um die nachfolgende Reinigungsstufe zu entlasten.

Katalysatoren bilden eine eigene Gruppe der Abgasnachbehandlungsverfahren. Im Unterschied zu den Staubabscheidern, die Feststoffe aus dem Gasstrom entfernen, zielen Katalysatoren auf die Umsetzung von gasförmigen Abgasbestandteilen ab. Viele Katalysatoren wirken darüberhinaus wie filternde Abscheider, deren Abreinigung von brennbaren Stäuben bei ausreichend hohen Temperaturen katalytisch unterstützt wird. Ihr Einfluss auf gasförmige Emissionen, welche zu einem späteren Zeitpunkt auch zum Partikelwachstum beitragen könnten, bleibt bei dieser Betrachtung unberücksichtigt. Da in der Literatur auch hinsichtlich der reinen Partikelabscheidung eine Unterscheidung zwischen filternden Abscheider und Katalysator üblich ist, soll diese auch in dieser Veröffentlichung Anwendung finden.

Die Prinzipien dieser Abscheideverfahren sollen an dieser Stelle nicht weiter besprochen werden und sind Bestandteil eigener Veröffentlichungen.

Quellen:

  1. Ebeling N.: Abluft und Abgas – Reinigung und Überwachung;  WILEY-VCH, Weinheim, 1999