Besonders häusliche Kleinfeuerungsanlagen tragen mit 25 Kilotonnen (PM 10), gemessen im Jahr 2005, zu einem deutlichen Teil der gesamten Feinstaub-Emissionen in Deutschland bei und überstiegen sogar die Emissionen aus dem Straßenverkehr (nur Verbrennung) in diesem Jahr. Deshalb untersucht das Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
in diesem Zusammenhang verschiedene Abgasnachbehandlungssysteme auf ihre Wirkung und Effizienz, vor allem bei der Anwendung in biomassebetriebenen häuslichen Kleinfeuerungsanlagen.
Die Untersuchung der Systeme gestaltet sich schwierig, da die Verbrennung in Holzfeuerungen instationären Bedingungen folgt, d.h. die Abgaszusammensetzung schwankt stark in Abhängigkeit der zeitlichen und örtlichen Abfolge des Verbrennungsverlaufes. Damit die untersuchten Abgasnachbehandlungssysteme vergleichbar und unter reproduzierbaren und wiederholbaren Bedingungen getestet werden können, wurde am Fraunhofer-Institut fü Bauphysik IBP ein Testsystem zur Nachbildung von Abgasen aus häuslichen Kleinfeuerungsanlagen entworfen. Mit Hilfe des Testsystems sollen beliebige, einstellbare Abgaszusammensetzungen erzeugt und unter stationären Verhältnissen nachgebildet werden. Dadurch sollen sich komplexe Zustände einer Anlage genau erforschen und mit einer hohen Genauigkeit wiederholen und reproduzieren lassen können.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt hierbei auf der Charakterisierung eines Rußpartikelgenerators und eines Feststoffpartikeldispergierers. Der Nachbildungsbereich bezieht sich auf Feinstaub und Partikel mit einem Durchmesser zwischen wenigen Nanometern und ca. 100 μm. Ein solches Testsystem könnte in Zukunft auch interessant sein, um neuartige Abgasnachbehandlungssysteme zu evaluieren und entwickeln. Beispielsweise könnten auch Messgeräte, sicherheitsrelevante Bauteile einer Anlage und andere Anlagenkomponenten für industrielle wie private Anwendungen, unter stationären Bedingungen getestet werden.
Ziel dieser Arbeit ist daher die Charakterisierung der bestehenden Versuchseinrichtung im Hinblick auf ihre Fähigkeit Feinstaub- und Grobstaub- Emissionen von Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen unter stationären, reproduzierbaren und wiederholbaren Bedingungen nachbilden zu können. Nachfolgend sollen die daraus gewonnenen Ergebnisse
genutzt werden, um Schwachstellen der Anlage zu identifizieren und anschließend diesen Problemen sinnvolle Lösungskonzepte und Maßnahmen gegenüberzustellen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Allgemeine Verbrennung
2.2 Rußpartikelbildung
2.3 Rußpartikeltransport
2.3.1 Sedimentationsverluste
2.3.2 Diffusionsverluste
2.3.3 Thermophoretische Verluste
2.4 Partikelemissionen aus biomassebetriebenen Kleinfeuerungsanlagen
2.4.1 Feinstaubbegriff
2.4.2 Zusammensetzung der Partikelemissionen
2.4.3 Betriebsphasen
3 Beschreibung der Forschungsanlage
3.1 Porenbrennersystem
3.2 Rußpartikelgenerator
3.2.1 Aufbau und Funktionsprinzip
3.2.2 Rezepterstellung
3.3 Feststoffpartikeldispergierer
4 Material und Methoden
4.1 Eingesetzte Messgeräte
4.2 Materialaufstellung
4.3 Materialauf- und -nachbereitung
5 Versuchsdurchführung
5.1 Vorgehen
5.2 Reproduzierbarkeit
5.3 Experimenteller Aufbau
5.4 Empirische Bestimmung der Partikelemissionen
5.4.1 Gravimetrische Konzentrationsmessung
5.4.2 Messung der Partikelgrößenverteilung
5.4.3 Vergleich der Messtechnikmethodik
6 Ergebnisse und Diskussion
6.1 Singulärer Betrieb Palas Rußgenerator
6.1.1 Rezepte
6.1.2 Einfluss der Quenchung
6.1.3 Einfluss der Verdünnungsluft
6.2 Singulärer Betrieb Palas Feststoffpartikeldispergierer
6.3 Kombi-Betrieb der Anlage
6.4 Fehlerbewertung der Messergebnisse
7 Zusammenfassung und Fazit
8 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung einer Forschungsanlage, die dazu entwickelt wurde, Partikelemissionen aus biomassebetriebenen Kleinfeuerungsanlagen unter stationären, reproduzierbaren Bedingungen nachzubilden. Die zentrale Forschungsfrage liegt in der Validierung der Anlage, um die Eignung der installierten Komponenten zur gezielten Erzeugung definierter Abgaszustände für zukünftige Emissionsstudien zu evaluieren.
- Charakterisierung eines Rußpartikelgenerators und eines Feststoffpartikeldispergierers
- Untersuchung von Partikelemissionen im Bereich von Nanometern bis 100 µm
- Analyse der Reproduzierbarkeit und Messgenauigkeit der Versuchseinrichtung
- Vergleich der experimentell ermittelten Messdaten mit theoretischen Berechnungsmodellen
Auszug aus dem Buch
2.4.1 Feinstaubbegriff
Die Partikelemissionen aus biomassebetriebenen Kleinfeuerungsanlagen werden in Feinstaub- und Grobstaub- Emissionen unterschieden. Feinstaub fasst verschiedene Schwebstoffe zusammen, die aufgrund ihres aerodynamischen Durchmessers lange in der Atmosphäre verweilen können[29]. Dabei wird der Feinstaub abermals in Größenklassen, abhängig vom aerodynamischen Durchmesser der Partikel, unterteilt:
• inhalierbarer Feinstaub (PM10): Aerodynamischer Durchmesser < 10 μm
• Lungengängiger Feinstaub (PM2,5): Aerodynamischer Durchmesser < 2,5 μm
• Ultrafeine Partikel (UP): Aerodynamischer Durchmesser < 0,1 μm
PM steht hier für „Standard for Particulate Matter“, einer 1987 von der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde EPA eingeführten Definition des Feinstaubs[31]. Besondere Gesundheitsgefährdung geht von den Ultrafeinen Partikeln aus, die sehr tief in die Lunge eindringen können und zu Entzündungen der Alveolengefäße führen. Des Weiteren können diese Partikel wegen ihrer großen spezifischen Oberfläche toxisch und mutagen wirken, insbesondere wenn sie Schwermetalle oder Dioxine an sich binden und transportieren. Die gesundheitlichen Auswirkungen der Feinstäube werden vor allem durch Häufigkeit und Dauer der Exposition sowie der Partikelanzahl und dem Partikeldurchmesser beeinflusst[33].
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Relevanz der Partikelemissionen durch Kleinfeuerungsanlagen und die Notwendigkeit einer stationären Forschungsanlage zu deren Untersuchung.
2. Theoretische Grundlagen: Erläutert die physikalischen und chemischen Prozesse der Verbrennung, der Rußpartikelbildung, deren Transportmechanismen sowie die Definition von Partikelemissionen.
3. Beschreibung der Forschungsanlage: Stellt die Komponenten Porenbrennersystem, Rußpartikelgenerator und Feststoffpartikeldispergierer und deren Funktionsweisen vor.
4. Material und Methoden: Beschreibt die zur Emissionsmessung eingesetzten Instrumente wie das Gravimat, den SMPS sowie die Vorbereitung der Probenmaterialien.
5. Versuchsdurchführung: Dokumentiert das Vorgehen bei der Validierung, den experimentellen Aufbau der Messstrecke und die Methoden der Partikelanalyse.
6. Ergebnisse und Diskussion: Analysiert und diskutiert die Messreihen zum Einzel- und Kombibetrieb der Komponenten sowie eine Bewertung der aufgetretenen Messfehler.
7. Zusammenfassung und Fazit: Resümiert die Eignung der Forschungsanlage zur reproduzierbaren Nachbildung von Partikelemissionen und zieht ein Gesamtfazit.
8. Ausblick: Identifiziert Weiterentwicklungspotenziale für die Anlage, insbesondere hinsichtlich Regelungssoftware und verbesserter Probenahmetechnik.
Schlüsselwörter
Partikelemissionen, Kleinfeuerungsanlagen, Biomasseverbrennung, Feinstaub, Nanopartikel, Rußpartikelgenerator, Feststoffpartikeldispergierer, Isokinetik, Partikelgrößenverteilung, Verbrennungsprozesse, Laborsimulation, Emissionsmessung, Agglomeration
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau, der Charakterisierung und der Validierung einer Forschungsanlage am Fraunhofer-Institut für Bauphysik, die dazu dient, Partikelemissionen aus Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen unter kontrollierten Bedingungen nachzubilden.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die zentralen Themen umfassen die Verbrennungstechnik, die Bildung und das Verhalten von Ruß- und Feststoffpartikeln sowie die messtechnische Erfassung von Feinstaubemissionen unter variablen Betriebsparametern.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Hauptziel besteht darin nachzuweisen, dass die Anlage instationäre Verbrennungsvorgänge in stationäre, reproduzierbare Parameter übersetzen kann, um somit eine belastbare Testumgebung für Abgasnachbehandlungssysteme zu schaffen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es werden gravimetrische Bestimmungen der Staubkonzentration sowie optische Messverfahren zur Partikelgrößenverteilung (SMPS) eingesetzt und diese mit theoretischen Modellen abgeglichen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Herleitung der Partikelbilanzierung, die technische Beschreibung des Prüfstands, die methodische Vorgehensweise bei den Messreihen sowie die detaillierte Auswertung der Ergebnisse unter Berücksichtigung von Fehleranalysen.
Wodurch zeichnet sich die Arbeit aus?
Die Arbeit zeichnet sich durch eine detaillierte technische Validierung von Labor-Rußgeneratoren und Dispergierern aus, wobei ein besonderer Fokus auf die Vergleichbarkeit von experimentellen Daten und physikalischen Berechnungsmodellen liegt.
Welchen Einfluss hat die „Quenchung“ auf die Rußpartikel?
Die als „Quenchen“ bezeichnete schnelle Abkühlung mittels Stickstoff führt zu einem lokalen Abbruch der Reaktionsprozesse, was die Partikelbildung stabilisiert und ein weiteres unkontrolliertes Wachstum oder eine ungewollte Kondensation im Gasstrom verhindert.
Warum ist eine Unterscheidung zwischen Feinstaub und Grobstaub wichtig?
Die Unterscheidung ist gesundheitlich relevant, da insbesondere Ultrafeine Partikel (UP) sehr tief in die Atemwege und die Blutbahn gelangen können, während grobe Partikel geringere toxikologische Risiken bergen.
- Citar trabajo
- Simon Stürner (Autor), 2016, Inbetriebnahme und Validierung eines Systems zur Simulation von Partikelemissionen in Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1247916
