Projekt-44: Aerosole in Biomassefeuerungen - Charakterisierung, Bildung, Beeinflussung; Projektteil Landwirtschaft

Auf Grund der stetigen Weiterentwicklung auf dem Gebiet der thermischen Biomassenutzung konnten die gasförmigen Emissionen von Biomassefeuerungsanlagen in den vergangenen Jahren auf das Niveau von Anlagen, die mit fossilen Brennstoffen befeuert werden, gesenkt werden. Lediglich bezüglich der Staub- und Aerosolemissionen besteht für die Biomassefeuerungen noch dringender Aufholbedarf. Dem entsprechend zielte das vorliegende Projekt auf eine genauere Erforschung der Bildung und der Charakteristika von Aerosolen (Partikel < 1µm – aus Gas- oder Flüssigphase gebildet) und Flugaschen (Partikel >1 µm – vom Brennstoffbett mitgerissene bzw. durch Zerbrechen der Holzkohlepartikel gebildete Partikel) in Biomasse-Festbettfeuerungen ab, und untersucht weiters die Flugaschen- und Aerosolabscheideeffizienz von am Markt erhältlicher Staubabscheidetechnologien. Um diese Zielsetzungen zu erreichen wurde das Projekt in 4 inhaltliche Schwerpunkte unterteilt. Zu Beginn erfolgte eine Evaluierung der für die Messung von Staub- und Aerosolemissionen notwendige Messtechnik, um darauf aufbauend eine passende Ausrüstung zusammenzustellen, die den speziellen Anforderungen, die durch die Zielsetzungen des Projektes an die Partikelmesstechnik gestellt werden, gerecht wurde. Mit der im Rahmen dieser ersten Projektphase entwickelten Methodik wurden dann Messungen an Biomassefeuerungsanlagen durchgeführt, um relevante Charakteristika von Aerosolen und Flugaschen wie die Korngrößenverteilung, die chemische Zusammensetzung und Struktur der Partikel sowie deren Konzentration im Rauchgas zu bestimmen. Bei den Messungen erfolgte eine Berücksichtigung aller für Österreich relevanten Brennstoffe (Rinde, Hackgut, Späne, Spanplattenreste, Altholz) und Feuerungstechnologien (Rostfeuerungen und Unterschub-feuerungen die mit Heißwasserkesseln oder Thermoölkesseln ausgerüstet sind). Zusätzlich wurde im Rahmen von speziellen Messserien die Effizienz der Aerosol- und Flugaschen-abscheidung von verschiedenen Entstaubungstechnologien untersucht. Im Rahmen des 4. Projektschwerpunktes wurden alle erarbeiteten Daten ausgewertet und einer kritischen Beurteilung unterzogen. Ziel war es, eine möglichst vollständige Beschreibung der maßgeblichen Charakteristika von Aerosolen und Flugaschen zusammenzustellen und Möglichkeiten zu finden, die Partikelbildung in Biomassefeuerungen zu beeinflussen. Des weiteren stellen die gewonnenen Daten und Ergebnisse die Basis für eine Optimierung von Staubabscheidetechnologien dar. Die Beurteilung marktüblicher Partikelmessinstrumente hat ergeben, dass folgendes Setup für die erforderlichen Messungen die genauesten Ergebnisse bezüglich der genannten relevanten Charakteristika von Aerosolen und Flugaschen gewährleistet: - Bestimmung der Gesamtstaubkonzentration mittels eines gravimetrischen Verfahren nach VDI 2066. - Bestimmung der Korngrößenverteilung und Konzentration von Aerosolen mittels Niederdruck-Kaskadenimpaktor (diskontinuierliches Verfahren). - Kontinuierliche Messung der Korngrößenverteilung und Konzentration von Aerosolen im Rauchgas mittels elektrischem Niederdruck-Kaskadenimpaktor. - Zusätzliche nasschemische Analyse der gezogenen Gesamtstaub- und Impaktorproben. - Einzelpartikelprobenahme von Flugaschen- und Aerosolpartikeln mittels Polykarbonatfiltern und nachfolgende elektronenmikroskopische Untersuchung. Es wurden insgesamt 9 Messperioden an 6 verschiedenen Feuerungsanlagen (zwei Fernheizwerke, 3 Feuerungen in der holzverarbeitenden Industrie und eine Versuchsanlage) durchgeführt. Im Rahmen dieser Messperioden erfolgte die Untersuchung einer breiten Palette von Brennstoffen, nämlich von Hackgut (Hartholz und Weichholz), Spänen (Hartholz), Rinde, Altholz und Spanplattenresten. Bezüglich der Flugaschenemissionen im Rauchgas nach Kesselaustritt konnte festgestellt werden, dass die Feuerungstechnologie und die Anlagenauslastung die bestimmenden Parameter für die Flugaschenbildung sind. Mit steigender Anlagenauslastung steigt die Konzentration der Flugaschenpartikel im Rauchgas generell an. Je ruhiger das Brennstoffbett in einer Feuerung ist, um so niedriger ist die Flugaschenkonzentration im Rauchgas. Außerdem war zu bemerken, dass bei Brennstoffen mit höherem Aschengehalt auch höhere Flugaschenemissionen zu verzeichnen waren. Die Messwerte bewegten sich zwischen ca. 100 mg/Nm³ (bezogen auf trockenes Rauchgas und 13 Vol.% O2) für die Verbrennung verschiedener aschearmer Brennstoffe auf einem Wanderrost und 1.300 mg/Nm³ bei der Verbrennung von Rinde auf einem Vorschubrost. Bezüglich der Aerosolbildung konnte die chemische Zusammensetzung des Brennstoffes als der hauptsächlich bestimmende Parameter identifiziert werden. Bei Brennstoffen, die hohe Konzentrationen an leicht flüchtigen Komponenten aufweisen (z.B.: K, Na, Cl, S, Pb, Zn, Cd) wurden signifikant höhere Aerosolemissionen gemessen als bei Brennstoffen mit vergleichsweise niedrigen Gehalten an flüchtigen Elementen. Dem entsprechend traten die höchsten Aerosolkonzentrationen mit bis zu 160 mg/Nm³ bei der Verbrennung von Altholz (hohe Schwermetall- und Alkalimetallkonzentrationen) und einem speziellen Spanplattensortiment (sehr hohe Na- und Cl-Konzentrationen) auf. Ebenfalls vergleichsweise hohe Aerosolkonzentrationen wurden bei den Brennstoffen Rinde (bis zu 155 mg/Nm³) und Sägespäne (Hartholz) (bis zu 118 mg/Nm³) gemessen. Die geringsten Aerosolemissionen (11 bis 43 mg/Nm³) wurden bei der Verbrennung von Fichtenhackgut ermittelt. Die Bandbreite der gemessenen Aerosolkonzentrationen erstreckte sich somit von ca. 11 mg/Nm³ bis 160 mg/Nm³ (jeweils bezogen auf trockenes Rauchgas und 13 Vol.% O2). Die Korngrößenverteilung der Aerosolfraktion ist durchwegs unimodal und weist ein Maximum bei ca. 0,1 bis 0,35 µm (aerodynamischer Durchmesser) auf. Je höher die Aerosolbeladung des Rauchgases ist, um so größer ist auch die Korngröße, bei der das Maximum der Korngrößenverteilung auftritt. Dieser Umstand lässt den Schluss zu, dass bei den vorherrschenden Bedingungen bezüglich Verweilzeit und Verbrennungstemperatur immer annähernd die selbe Anzahl an Aerosolen in Biomassefeuerungsanlagen gebildet wird, woraus bei größerer erzeugter Aerosolmasse Partikel mit größerem Durchmesser resultieren. Es konnten keine signifikanten Abhängigkeiten der gebildeten Aerosolmenge und der Korngrößenverteilung der Aerosole von der Anlagentechnologie und der Stückigkeit des Brennstoffes festgestellt werden. Ebenso waren keine Unterschiede auf Grund der eingesetzten Feuerungstechnologie (Unterschubfeuerungen, Vorschubrostfeuerungen) oder Kesseltechnologie (Thermoölkessel und Heißwasserkessel) bemerkbar. Auch Variationen der Feuerraumtemperatur und des Restsauerstoffgehaltes im Rauchgas zeigten, dass diese Parameter keine bedeutenden Einflussfaktoren auf die Aerosolemissionen darstellen. Aus dem gesammelten Datenmaterial lassen sich drei unterschiedliche Aerosolbildungsprozesse ableiten, die für Stammholz, Rinde und Altholz als plausibel erscheinen. Die drei Mechanismen leiten sich dabei aus den unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen dieser drei Brennstoffkategorien ab, die in weiterer Folge auch zu unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen der Aerosole führen. Aerosole, die während der Verbrennung von Stammholz gebildet werden, setzen sich hauptsächlich aus K, Cl und S zusammen. Im Fall der Rindenverbrennung ist zusätzlich ein höherer Gehalt an Schwermetallen (Zn, Pb) feststellbar. Außerdem treten bei der Verbrennung von Rinde selbst in den kleinsten Teilchenfraktionen (unter 0,1 ?m) deutlich messbare Ca-Konzentrationen auf. Bei der Verbrennung von Altholz dominieren Schwermetalle (Zn, Pb) und Cl die Zusammensetzung der Aerosolfraktion. Aus diesen unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen der Aerosole lassen sich auf Grund der chemischen und thermodynamischen Eigenschaften der beteiligten Elemente und Verbindungen für jede der drei genannten Brennstoffkategorien unterschiedliche Aerosolbildungsprozesse ableiten. Im Rahmen der durchgeführten Messperioden wurde weiters die Abscheideleistung verschiedener Staubabscheider evaluiert. Es konnte festgestellt werden, dass für Biomassefeuerungsanlagen mit Kesselnennleistungen <500 kWth für chemisch unbehandelte Biomassebrennstoffe mit dem sogenannten rotierenden Partikelabscheider sowohl bei Volllast als auch bei Teillast durchwegs Emissionen im Bereich von 50 mg/Nm³ und darunter erreicht werden. Elektrofilter und vor allem Gewebefilter weisen sehr gute Abscheidegrade für Aerosole auf, was durch Gesamtstaubemissionen im Bereich kleiner als 40 mg/Nm³ bei zwei getesteten E-Filtern und kleiner 3 mg/Nm³ beim untersuchten Gewebefilter belegt wird. Mit Rauchgaskondensationsanlagen lassen sich ebenfalls mittlere Gesamtstaubemissionen unter 50 mg/Nm³ erzielen. Für Multizyklone, die am häufigsten in österreichischen Biomassefeuerungen eingesetzte Entstaubungstechnologie, zeigten die Messungen, dass zwar grobe Flugaschenpartikel mit hoher Effizienz abgeschieden werden können (>90%), jedoch im Bereich der Aerosolfraktion keine Abscheidung möglich ist. Berücksichtigt man, dass, wie bereits erwähnt wurde, allein die Aerosolemissionen bei der Verbrennung der überwiegenden Anzahl der im Rahmen des Projektes untersuchten Brennstoffe, in einem Bereich von 50 mg/Nm³ und höher lagen, so wird deutlich, dass ein gesichertes Einhalten eines Staubemissionsgrenzwertes von 50 mg/Nm³ (bezogen auf trockenes Rauchgas und 13 Vol.% O2) mit Multizyklonen alleine nicht möglich ist. Die im Rahmen des Projektes gesammelten und ausgewerteten Daten ergaben, dass die Aerosolbildung in Biomassefeuerungen hauptsächlich von der chemischen Zusammensetzung des Brennstoffes abhängig ist. Da alle anderen untersuchten möglichen Einflussfaktoren wie Feuerraumtemperaturen, Anlagenauslastung und Sauerstoffgehalt im Rauchgas keinen signifikanten Einfluss auf die Aerosolbildung zeigten, muß davon ausgegangen werden, dass diese, und damit auch die resultierenden Aerosolemissionen, nicht mit Primärmaßnahmen beeinflusst werden können. Auf Basis der erzielten Resultate aus dem Projekt kann für Biomassebrennstoffe bei Kenntnis der chemischen Zusammensetzung die Größenordnung der zu erwartenden Aerosolemission abgeschätzt werden, genaue Vorhersagen sind jedoch nicht möglich. Der Grund liegt im unterschiedlichen Freisetzungsverhalten asche- und aerosolbildender Elemente aus dem Brennstoff, das derzeit noch nicht ausreichend erforscht ist. Des weiteren haben die Messungen gezeigt, dass speziell für Anlagen im kleinen und mittleren Leistungsbereich derzeit keine Entstaubungstechnologie zur Verfügung steht, die eine effiziente Aerosolabscheidung unter wirtschaftlich akzeptablen Randbedingungen garantiert. Aus dem Projekt resultiert eine große Menge gut abgesicherter Daten bezüglich chemischer Zusammensetzungen, Korngrößenverteilungen und Konzentrationen von Aerosolen im Rauchgas bei der Verbrennung verschiedener biogener Brennstoffe in Festbettfeuerungen. Diese Daten sollen in Zukunft dazu dienen, Filterauslegungen besser auf das Entstaubungsproblem anzupassen, und somit effiziente und kostengünstige Lösungen für Biomassefeuerungen in allen Leistungsbereichen anbieten zu können.