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Dokumentenidentifikation DE102006021133A1 10.01.2008
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung mit Schadstoffen belasteter Abgasströme
Anmelder Institut für Energie und Umwelttechnik e.V.(IUTA).Institut an der Gerhard-Mercator-Universität-Gesamthochschule-Duisburg, 47229 Duisburg, DE
Erfinder Erich, Egon, Dr.-Ing., 47475 Kamp-Lintfort, DE
Vertreter COHAUSZ & FLORACK, 40211 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 04.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006021133
Offenlegungstag 10.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.01.2008
IPC-Hauptklasse B01D 53/88(2006.01)A, F, I, 20060504, B, H, DE
Zusammenfassung Dargestellt und beschrieben sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von mit Schadstoffen belasteten Abgasströmen, wobei der Abgasstrom in einem Reaktor mit einer darin enthaltenen Schüttung aus Metallspänen katalytisch gereinigt wird und wobei die dotierten Metallspäne vor dem ersten Einsatz auf eine Starttemperatur aufgeheizt werden. Um ein neues und kostengünstiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Staubabscheidung anzugeben, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass vor, mit oder nach der katalytischen Reinigung eine Entstaubung der magnetisierbaren Partikel des Abgasstroms in einem Magnetfeld erfolgt, in dem der Reaktor in einer den kompletten lichten Querschnitt des Abgasrohres ausfüllenden Kartusche angeordnet ist und ein weiteres Element zur Entstaubung des Abgasstroms vorgesehen ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von mit Schadstoffen belasteten Abgasströmen, wobei der Abgasstrom in einem Reaktor mit einer darin enthaltenen Schüttung aus Metallspänen katalytisch gereinigt wird und wobei die dotierten Metallspäne vor dem ersten Einsatz auf eine Starttemperatur aufgeheizt werden sowie eine Vorrichtung zur Reinigung von mit Schadstoffen belasteten Abgasströmen, mit einem Reaktor mit einer darin enthaltenen Schüttung aus Metallspänen und einem Heizelement.

Nachstehend wird ein neues, kostengünstiges Verfahren zur Staubabscheidung erläutert, dass in Verbindung mit einer katalytischen Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffreste und des Kohlenmonoxids zu einer umfassenden Reduzierung der Gesamtemissionen von Kleinfeuerungsanlagen führt. Das Einsatzgebiet ist damit nicht auf Kleinfeuerungsanlagen oder Feuerungsanlagen allgemein begrenzt sondern das Verfahren soll nur Anhand dieser Anlagen erläutert werden.

Prinzipiell ist das erfindungsgemäße Verfahren überall dort einsetzbar, wo heiße Gase zu entstauben und gegebenenfalls zu Reduzierung der Kohlenwasserstofffracht zu oxidieren sind.

Grundlage der Erfindung ist die überraschende Erkenntnis, dass sich der sogenannte Seebeck Effekt zur Entwicklung eines Verfahrens zur Entstaubung von Abgasen aus der Holzverbrennung bzw. ganz allgemein zur Entstaubung von heißen Gasen heranziehen lässt.

Der Seebeck Effekt beschreibt die Generierung einer elektrischen Spannung zwischen zwei verschiedenen elektrischen Leitern, die an einem Ende verbunden sind und erwärmt werden (Thermoelektrischer Strom). Die beiden anderen Enden haben dabei eine niedrigere Temperatur. Die Temperaturmessung mittels Thermoelementen beispielsweise gründet auf dem Seebeck Effekt. Bei Thermoelementen werden beispielsweise die Metallkombinationen Ni/CrNi, Fe/Konstantan u.a. zur Temperaturmessung herangezogen.

Die durch solche Metallkombinationen erzeugten Spannungen bewegen sich im Bereich von einigen &mgr;V pro °C Temperaturdifferenz zwischen kaltem und warmen Ende. So ist beispielsweise die Themospannung für Cu/Konstantan durch folgende Formel und Koeffizienten berechenbar. &Dgr; U = &agr;·&Dgr; T &agr; = 40·10–6·&Dgr; T Thermokoeffizient für Cu/Konstantan

Bei 250°C Temperaturdifferenz zwischen den kalten und warmen Enden des Thermoelementes wird eine Spannung von 10 mV erhalten.

Wird zur Berechnung der Stromstärke der Cu Leiter herangezogen, so wird gemäß nachstehender Berechnungsformel bei einem Leiterdurchmesser d von 10 mm und einer Länge l von 0,1 m bei einer Temperaturdifferenz von 250°C eine Stromstärke von 450 A erzeugt. I = &pgr; × &agr; × &Dgr; T × d2/&rgr;20 × l × 4 I = 0,0018 × d2 × &Dgr; T/l in A

Die magnetische Feldstärke ist direkt proportional abhängig von der Stromstärke, d.h. je größer die Stromstärke ist, umso stärker ist das den Leiter umgebende Magnetfeld. Magnetisierbare Partikel, wie beispielsweise Ruß, der paramagnetisch werden dadurch auf dem Leiter abgeschieden. Außer Ruß können noch eine Vielzahl anderer Partikel verschiedenster Zusammensetzung durch dieses Verfahren immobilisiert werden. Die zwangsläufig bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen bzw. Holz oder anderem organischem Material entstehenden feinste Partikel sind mit Ruß behaftet bzw. lagern sich an Rußpartikel an. Dadurch ist es möglich insbesondere die Feinstpartikel weitgehend aus einem Abluftstrom herauszufiltern.

Dies ist in Anbetracht von 14,6 Mio. fossil befeuerten Kleinfeuerungsanlagen in der Bundesrepublik Deutschland (2003) besonders relevant, da diese Verbrennungseinheiten einen Großteil der Partikel kleiner PM 10 emittieren, darunter größtenteils Ruß. Bekannt ist auch, dass an Ruß aus Verbrennungseinheiten auch Kohlenwasserstoffe wie PAK und darunter auch Benz(a)pyren gebunden sind, deren kanzerogene Wirkung unstrittig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens sowie einer Vorrichtung zur Reduzierung gasförmiger und fester Emissionen aus den Rauchgasen holzbetriebener Klein- und Kleinstfeuerungsanlagen. Dies geschieht vor dem Hintergrund, dass ein Großteil der aus Kleinfeuerungsanlagen emittierten Staub-, Kohlenmonoxid- (CO) und Kohlenwasserstoffmengen aus der Holzverbrennung resultiert. Hinsichtlich steigender bzw. gleichbleibend hoher Öl- und Gaspreise ist mit einer Zunahme dieser Feuerungsstellen, insbesondere der Pelletheizungen, zu rechnen. Darüber hinaus ist erwünscht, dass eine sichere und problemlose Nachrüstung von Altanlagen möglich ist.

Diese Aufgabe ist hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gelöst, dass vor, mit oder nach der katalytischen Reinigung eine Entstaubung der magnetisierbaren Partikel des Abgasstromes in einem Magnetfeld erfolgt.

Hinsichtlich der Vorrichtung besteht die Lösung der Aufgabe darin, dass der Reaktor in einer den kompletten lichten Querschnitt des Abgasrohres ausfüllenden Kartusche angeordnet ist und dass ein weiteres Element zur Entstaubung des Abgasstromes vorgesehen ist.

Die verfahrenstechnische Auslegung ist nachfolgend beispielhaft für eine Entstaubungseinheit für Kleinfeuerungsanlagen bzw. Einzelraumfeuerstätten beschrieben.

Die eigentliche Entstaubungseinheit nach einer weiteren Lehre der Erfindung kurz Abscheidegitter genannt, besteht aus einem gut elektrisch leitendenden Ringmaterial wie beispielsweise Kupfer oder einem anderen Metall in aus einem darauf angebrachten Metallgitter, beispielsweise aus Edelstahl der V2A oder V4A Gruppe oder einem anderen Metall bzw. Metalllegierungen. Das Abscheidegitter ist beispielsweise in einem Ofenrohr so montiert, dass es auf zwei diagonal angelöteten oder angeschweißten runden Metallstücke fixiert ist. Zwei Bohrungen im Ofenrohr dienen als Auflager, wobei das eine Rundmetall als Knebel ausgeführt ist, wodurch es möglich wird, das Abscheidegitter im Ofenrohr frei zu drehen. Nicht eingezeichnet ist eine Klappe, die es ermöglicht, die Katalysatorkartusche und das Abscheidegitter mit wenigen Handgriffen aus dem Ofenrohr zu entfernen. Die Drehknebel an Abscheidegitter und Katalysatorkartusche sind so konzipiert, dass sie von Katalysatorkartusche und Abscheidegitter gelöst werden können, wodurch die Klappe auch ohne die genannten Katalysatorkartusche und Abscheidegitter wieder zum Verschluss des Ofenrohrs dienen kann.

Erfindungsgemäß kann das Gitter der Entstaubungseinheit auch mit einer katalytisch aktiven Substanz beschichtet sein, die die Totaloxidation von beispielsweise Ruß auf dem Gitter unterstützt. Die Abreinigung des Abscheidegitters, das genau in das Ofenrohr bzw. in jede andere Geometrie eingepasst ist, erfolgt durch ruckartige Drehbewegung gegen ein im Ofenrohr angebrachtes Hindernis, im Falle des obigen Beispiel an die Katalysatorkartusche, bzw. mechanisch. Denkbar wäre ebenfalls ein Klopfwerk. Auch der Ausbau des Gitters und eine externe Reinigung ist möglich.

Ein von der Anmelderin bereits entwickeltes katalytisches Abgasreinigungssystem basiert auf einem Trägerkatalysator, dessen Grundgerüst aus gereinigten Edelstahlspänen besteht, die bei der Produktion in metallverarbeitenden Betrieben anfallen. Diese Fertigungsrückstände werden durch Dotierung mit verschiedenen Übergangsmetallen zu Oxidationskatalysatoren aufgebaut, die für eine effektive Umsetzung von Schadstoffen (Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid) zu ungiftigem Kohlendioxid und Wasserdampf eingesetzt werden. Zur Untersuchung von Wirksamkeit sowie Praxistauglichkeit wurde neben den Versuchen in Labor und Technikum ein mehrmonatiger Feldversuch in Privathaushalten durchgeführt.

Bei den durchgeführten Entwicklungsarbeiten zeigte sich, dass die Katalysatoraktivität bei Temperaturen oberhalb von 330 °C einsetzt. Durchgeführte Messungen der Staubkonzentrationen im Abgas verdeutlichten die Dringlichkeit einer Partikelabscheidung. Weiterhin ergab sich im Feldversuch die Notwendigkeit der Herabsetzung des Druckverlustes der Katalysatorschüttung im Sinne einer universellen Nutzung in Kleinfeuerungsanlagen ohne zusätzliche Heißgasventilation.

Die bestmögliche Nutzung der Katalysatoreigenschaften hinsichtlich seiner Emissionsminderungswirkung wird erreicht, wenn dieser sofort ab Feuerungsbeginn die erwünschte Arbeitstemperatur aufweist. Hierzu soll gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung eine elektrische Beheizung der Katalysatorschüttung dienen. Das durch die Katalysatorschüttung geführte Abgas soll einer Entstaubung unterworfen werden. Erste Beobachtungen deuten darauf hin, dass eine Partikelabscheidung durch Nutzung thermoelektrischer Effekte geeignet ist. Alternativ dazu ist die Konzeption einer kleinen Elektrofiltereinheit denkbar.

Unter idealen Bedingungen werden bei der Verbrennung von festen, flüssigen und gasförmigen Energieträgern im Wesentlichen Kohlendioxid und Wasser freigesetzt. In Kleinfeuerungsanlagen sind die Voraussetzungen für die vollständige Oxidation des Brennstoffes allerdings nicht zu realisieren, weshalb umweltbelastende Stoffe wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffverbindungen, die zum Teil auch sehr geruchsintensiv sind, emittiert werden. Daneben kommt es insbesondere bei Verbrennung von Kohle und Holz zur Freisetzung von Staub- und Rußpartikeln. Selbst bei einem modernen Pelletkessel (Köb & Schäfer Pyrot 300) fällt eine jährliche Staubemission von ca. 35 kg an. Das Spektrum der Partikeldurchmesser verteilt sich hauptsächlich über Feinststäube; so liegen über 75 % der Staubemissionen aus holzbetriebenen Anlagen bei Partikeldurchmessern von unter 0,5 &mgr;m.

Rund 35 % des energetisch genutzten Holzes werden in Kleinstfeuerungsanlagen verbrannt. Von diesen Feuerungsstätten sind ca. sieben Millionen Einheiten in Deutschland in Betrieb. Oberhalb einer Leistung von 15 kW wird der derzeitige Anlagenbestand auf 200 000 bis 400 000 geschätzt. Insbesondere die Kleinstfeuerungsanlagen gelten als hauptsächliche Schadstoffquellen, für die Emissionsminderungsmaßnahmen bisher nicht erhältlich sind. In Baden-Württemberg stammen 70 % der PM10-Gesamtemission aus Kleinfeuerungsanlagen von 1 314 t/a aus holzbetriebenen Einheiten, zur CO-Emission tragen sie mit 32 259 t/a und einem Anteil von 74 % ebenfalls in erheblichem Ausmaß bei. Weiterhin resultieren die Emissionen an Kohlenwasserstoffen aus Kleinfeuerungen überwiegend aus mit Holz befeuerten Öfen.

Neben den aus ökologischer Sicht ohnehin nachteiligen Folgen der beschriebenen Schadstofffreisetzungen kommt es infolge der geringen Schornsteinhöhen dieser Anlagen gerade im näheren Umfeld zu Geruchsbelästigungen, die Anlass für Nachbarschaftsstreitigkeiten geben. Auf Grund dieser Tatsachen dürfen beispielsweise offene Kamine, die mit Holz befeuert werden, nur gelegentlich, nach der geltenden Rechtsprechung an 8 Tagen im Monat für jeweils ca. 5 Stunden und nur mit naturbelassenem, stückigem Holz im lufttrockenen Zustand oder mit Holzbriketts betrieben werden.

Der Gesetzgeber hat sich in Anbetracht der steigenden Zahl der mit Holz bzw. Holzpellets (prognostizierter Anstieg der Pelletproduktion von 90 000 Tonnen im Jahr 2003 auf 260 000 Tonnen im Jahr 2006) betriebenen Kleinfeuerungsanlagen des Problems angenommen und bereitet eine weitere Novellierung der 1. BImSchV vor. Sollte deren Fortschreibung zu einer Erweiterung des Geltungsbereiches auf Anlagen unterhalb einer Leistung von 15 kW führen, würde dies fraglos zur Stilllegung einer größeren Anzahl dieser Feuerstätten führen. Angesichts des wünschenswerten Einsatzes von Holz als nachwachsendem, heimischem Brennstoff, der sich CO2-neutral verhält, liegt die Entwicklung von Verfahren zur Schadstoffminderung nahe, damit die Vorteile der Holzfeuerung künftig verstärkt genutzt werden können.

Die Kenntnis der Verbrennungsvorgänge und der entstehenden Verbindungen ist für die Entwicklung und Anpassung von Abgasreinigungsmaßnahmen von großer Bedeutung. Die Verbrennung von Holz kann prinzipiell in 3 Phasen eingeteilt werden.

Erwärmung und Trocknung:

Bei diesem endothermen Vorgang wird das Holz von außen nach innen durch Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung auf etwas über 100°C erwärmt. Dabei wird freies, ungebundenes Wasser sowie bei höheren Temperaturen auch zellgebundenes Wasser freigesetzt. Entgasung und thermische Zersetzung: Ab ca. 200°C beginnt die Freisetzung von flüchtigen Verbindungen wie Teeren, organischen Säuren, Kohlenwasserstoffen, Kohlenoxid und Wasserstoff aus der Zellulose und Hemizellulose sowie dem Lignin.

Verbrennung:

Die flüchtigen Verbindungen, die etwa 85 Gew.-% bezogen auf die trockene Holzmenge ausmachen, verbrennen im Feuerraum mit dem Luftsauerstoff; im Idealfall vollständig zu Kohlendioxid und Wasserdampf. Die verbleibende Holzkohle verbrennt deutlich langsamer.

In der Trocknungsphase verliert Holz je nach Feuchtegehalt 10-15 % seines Gewichtes, bei der sich anschließenden Entgasung bis zu 85 Gew.-%. Als Holzkohle verbleiben ca.

10 Gew.-% und als Asche ca. 1-2 Gew.-%. Herrscht nun im Feuerraum Luftmangel, schlechte Durchmischung oder zu niedrige Temperatur, kann eine vollständige Oxidation der organischen Verbindungen in der Gasphase nicht stattfinden. Diese Verbindungen bilden zusammen mit CO2, H2O, CO, NOX und den Partikeln das Abgas, das über den Kamin abgegeben wird. Das Spektrum der so freigesetzten Verbindungen reicht von einfachen Kohlenwasserstoffen wie den Alkanen bis hin zu Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK).

Unter den Kohlenwasserstoffen in Tabelle 1 sind neben den aufgeführten Verbindungen noch eine Vielzahl von organischen Verbindungen, darunter Alkane und Alkene, Carboxylsäuren, Alkohole, Benzol, Phenole und Kresole, Polystyrole sowie Dioxine und Furane zusammengefasst. Die genannten organischen Verbindungen verursachen den typischen Geruch von Holzrauch und sind teilweise hochtoxisch. Kohlenwasserstoffe 4800 mg/MJ

100-8000 mg/MJ
Aldehyde 30-130 mg/MJ Formaldehyd 90 mg/MJ

20-125 mg/MJ
Essigsäure 360 mg/MJ PAK 0,3-11 mg/MJ BaP 0,005-0,3 mg/MJ
Tabelle 1: Organische Verbindungen im Abgas kleiner Holzverbrennungsanlagen

Als einfache Lösung zur Rauchgasreinigung in Kleinfeuerungsanlagen bieten sich katalytische Systeme zur Oxidation der schädlichen Abgaskomponenten Kohlenwasserstoffe und CO zu geruchsneutralem CO2 und H2O an.

Erfindungsgemäß wurde ein preiswerter und einfach aufgebauter Katalysator entwickelt, der in seinem Grundgerüst aus einem metallischen Träger besteht, auf den katalytisch aktive Substanzen aufgebracht werden.

Als Trägermaterial zur Aufnahme der katalytisch wirksamen Komponenten kommt eine Schüttung aus gereinigten Edelstahlspänen, die bei der Produktion in Metall verarbeitenden Betrieben anfallen, zum Einsatz. Diese im Sinne des Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetzes als Abfälle bezeichneten Stoffe werden durch Dotierung mit verschiedenen Übergangsmetallen zu dem Oxidationskatalysator aufgebaut. Durch die Anwesenheit des Katalysators kann die gewünschte Oxidationsreaktion zum Abbau der Kohlenwasserstoffe im Rauchgas zu unschädlichem CO2 und Wasser unter milden Reaktionsbedingungen gestartet und unterhalten werden. Mit den Metallspänen steht ein kostengünstiges und robustes Trägermaterial zum Aufbau von Katalysatoren zur Verfügung.

In der beschriebenen Anordnung konnten hohe Emissionsminderungen bzgl. CO und Kohlenwasserstoffen gemessen werden. Testläufe des Systems am Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen (IVD) der Universität Stuttgart bestätigten IUTA-eigene Untersuchungen über die Emissionsminderungen. Am IVD konnten eine CO-Minderung von 60% und Kohlenwasserstoffabsenkungen von 45-50 (jeweils gemittelt über mehrere Stunden) festgestellt werden.

In den 4 und 5 sind die CO- und Kohlenwasserstoffkonzentrationen im Abgas vor und nach Passieren des Katalysators dargestellt.

Offen blieb bisher die Entstaubung der Abgase, wobei im Abgas von Kleinfeuerungsanlagen von 70 m3/h führt dies zu einer stündlichen Freisetzung von 42 g, was den dringenden Handlungsbedarf deutlich macht, insbesondere da zu ca. drei Vierteln Feinststäube unterhalb eines Durchmessers von 0,5 &mgr;m emittiert werden.

Erste Versuche mit einer elektrischen Vorheizung des Katalysators zeigten, dass bei Verwendung einer Heizpatrone eine starke Partikelabscheidung auf dem Edelstahlgitter der Katalysatorkartusche eintrat. Dieser Effekt ist wahrscheinlich auf die bekannte thermoelektrische Erscheinung zurückzuführen, wonach infolge eines Stromflusses durch den Seebeck-Effekt ein elektromagnetisches Feld ausgebildet wird, das der Partikelabscheidung auf dem Gitter dienen kann.

Nach einer weiteren Lehre der Erfindung soll das Abgas von mitgeführten Feinstaubmengen durch Integration eines dafür zu konzipierenden Filters befreien. Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, zur Partikelabscheidung einen Elektrofilter zu installieren, dessen Ausgestaltung unten näher erläutert wird.

Die Verwirklichung des Gesamtvorhabens bis hin zur Marktreife soll zu einem Endprodukt führen, das durch Robustheit, einfache Handhabung und einen akzeptablen Preis den Bedürfnissen der Verbraucher entgegenkommt und zum anderen die bestehende Lücke in den Maßnahmen zur Luftreinhaltung schließt.

In einem durchgeführten Feldversuch in Privathaushalten wurde weiterer Optimierungsbedarf des katalytischen Abgasreinigungssystems aufgezeigt, der nach eigenen Technikumsuntersuchungen bzw. den Tests in anderen Instituten nicht ersichtlich war. Bereits während der Feldversuche wurden Verbesserungen bzgl. der Handhabbarkeit vorgenommen. So wurde zusätzlich eine Revisionsklappe eingeführt, um einen einfacheren Zugriff auf die Katalysatorkartusche zu ermöglichen.

Als entscheidendes Kriterium für den effektiven Einsatz des Katalysators erwiesen sich die individuell sehr unterschiedlichen Zugverhalten der Kamine in den Privathaushalten. Bei sehr ungünstigen Verhältnissen reicht der Kaminzug lediglich dazu aus, die Verbrennung im Bypass-Betrieb des Katalysators zu unterhalten. Entscheidende Verbesserungen hinsichtlich der Einsatzfähigkeit bei verschiedenen Kaminzügen und Ofensystemen sind über eine Minderung des durch die Katalysatorschüttung hervorgerufenen Druckverlustes zu erwarten.

Die Anwendung des Katalysators ab Feuerungsbeginn und unter allen Zugverhältnissen erfordert folgende Veränderungen:

  • 1. eine Herabsetzung des Katalysator-Druckverlustes durch eine weitere Entwicklungsstufe des Katalysators,
  • 2. die zusätzliche Beheizung der Katalysatorschüttung durch Integration einer Heizpatrone.

Dies soll nachfolgend erläutert werden.

Druckverlust:

Ein handelsüblicher Kaminofen braucht für einen ordnungsgemäßen Durchbrand von Holz einen Zug von ca. 10-15 Pa. Die Untersuchung des Druckverlustes der Katalysatorschüttung ergab einen Wert von ca. 13 Pa bei einem Volumenstrom von ca. 70 m3/h. Somit müsste der Kaminzug mindestens 30 Pa betragen.

Der Kaminzug &Dgr;p ergibt sich zu: &Dgr;p = h (dAbgas – dLuft) g(1)

dAbgas
: Dichte Abgas in kg/m3
dLuft
: Dichte Außenluft in kg/m3
g
Erdbeschleunigung = 9,81 m/s2

h Höhe des Kamins in m

Gemäss Gl. 1 beträgt die notwendige Kaminhöhe bei 10°C Außentemperatur, 250°C Abgastemperatur am Kamineintritt und einem &lgr; (Luftzahl) von 3,5 zur Erzeugung von 30 Pa Ofenzug ca. 6 m. Unter Witterungsbedingungen, die zu einer Verringerung der Luftdichte führen, wäre diese Kaminhöhe nicht mehr für eine ideale Verbrennung ausreichend. Gleichsam ungünstig kann sich auch die Hanglage eines Hauses auf die Zugverhältnisse auswirken, wenn Abwinde gegen den Abgas-Auftrieb im Kamin wirken. Da kein Parameter von Gl. 1 hinsichtlich einer Erhöhung von &Dgr;p zu beeinflussen ist, muss eine Verringerung des Druckverlustes angestrebt werden.

Der an Schüttgütern eintretende Druckverlust &Dgr;pV ist direkt proportional zur Länge der durchströmten Schicht: &Dgr;pV = 0,5 &lgr;R &rgr;f u02 l/d(2)

&lgr;R
: Reibungskoeffizient
&rgr;f
: Dichte des Gases
u0
: Strömungsgeschwindigkeit
dP
: Partikeldurchmesser
l
: Länge der Schüttung

Inzwischen hat der Lieferant des eingesetzten Spänekatalysators eine Weiterentwicklung in der Beschichtung vorgenommen. Erste Versuche mit dieser Modifikation zeigten eine deutlich erhöhte Aktivität gegenüber dem ursprünglichen Katalysator. Durch Verwendung dieses aktiveren Katalysators wird eine Verringerung der Kartuschenhöhe bzw. der Katalysatormenge erzielt, was gemäß Gl. 2 zwangsläufig den Druckverlust erniedrigt.

Beheizung:

Durch eine externe Beheizung ist die sofortige Betriebsbereitschaft des Katalysators sichergestellt und auch das Abgas in der Anfangsphase der Verbrennung kann durch den Katalysator geführt werden. Gerade zu diesem Zeitpunkt war bei den vorausgegangenen Versuchen ein Bypass-Betrieb nötig, um den Verbrennungsvorgang zu beginnen.

Die Vorbeheizung der Katalysatorschicht bewirkt insbesondere beim Anfeuern des Ofens eine Erhöhung des Zuges durch Konvektion wegen der auftretenden Dichteunterschiede der Luft. Der Effekt der Beheizung auf die Dichte &rgr;Luft wird aus dem idealen Gasgesetz sichtbar: &rgr;Luft = (M p)/(R T)(3)

M
: Molmasse Luft (2,9·10–2 kg/mol)
p
: Atmosphärendruck (105 Pa)
R
: allgemeine Gaskonstante (8,314 J/mol K)
T
: Temperatur (in K)

Aus Gl. 3 zeigt sich, dass eine Erwärmung der Luft von 20 °C auf 350 °C zu mehr als einer Halbierung der Dichte von 1,153 auf 0,530 kg/m3 führt.

Zum Einsatz soll eine möglichst selbstregelnde 200 W-Heizpatrone kommen, die mit Netzspannung betrieben werden kann und im Zentrum der Katalysatorkartusche platziert ist. Der Stromfluss und damit die externe Beheizung wird bei ca. 350 °C automatisch abgeschaltet.

Die Umsetzung des Gesamtkonzeptes soll durch innovative Kombination der katalytischen Abgasreinigung mit einer Entstaubung verwirklicht werden.

Vor Umsetzung der ursprünglich vorgesehenen Entwicklung eines kleinen Elektrofilters war zu prüfen, ob die beobachtete Partikelabscheidung auf den Seebeck-Effekt zurückgeht, und ob er ausreichend für eine umfangreiche Entstaubung ist.

Eine bekannte Anwendung dieses Effektes ist neben dem Thermoelement der thermoelektrische Generator. Bei diesem Gerät wird durch Aneinanderreihung von Thermoelementen und unter Zufuhr von Wärme ein elektrischer Strom generiert.

Die einzelnen Schweißpunkte des Edelstahlgitters der Katalysatorkartusche in leitender Verbindung mit der Kupferoberfläche der eingesetzten Heizpatrone lassen Parallelen zum Thermogenerator erkennen. Ein auftretender Thermostrom führt zur Ausbildung eines elektromagnetischen Feldes, wodurch es insbesondere zur Abscheidung der paramagnetischen Ruß-Feinstpartikel kommt.

Sollte der Effekt auch für mineralische Partikel ausreichend hoch sein, könnte vor dem Katalysator eine gitterförmige Abscheideeinheit angeordnet werden, die völlig unkompliziert auf der thermoelektrischen Kontaktspannung zweier unterschiedlicher Metalle basiert. Die Reinigung des Gitters würde durch die erweiterte Revisionsklappe erfolgen, beispielsweise mittels Staubsauger oder händisch nach dem problemlos zu gestaltenden Ausbau.

Ansonsten ist zur Reinigung des Abgases von Partikeln der Einsatz eines Elektrofilters denkbar, da dieses Verfahren auch für kleine Partikeldurchmesser von ca. 0,1 &mgr;m eine hohe Abscheidungsrate von über 95 aufweist und sich im Gegensatz zu anderen Filtersystemen durch das Auftreten eines geringen Druckverlustes auszeichnet.

Hierzu wird eine drahtförmige Elektrode (Sprühelektrode) negativ aufgeladen, die aufgrund der hohen Spannung eine derartige Feldstärke erhält, dass es zu Koronaentladungen kommt. Diese Entladungen führen zur Bildung ionisierter Gasmoleküle des Abgasstroms, die in Folge von Kollisionen mit Staubpartikeln zu einer Ladungsübertragung auf diese Staubteilchen führen. Die nun negativ geladenen Stäube lagern sich unter der Wirkung des elektrischen Feldes an der positiven Elektrode (Abscheideelektrode) an.

Die notwendige Filterspannung von 10-15 kV lässt sich aus einer herkömmlichen 220 V Wechselspannung-Steckdose durch Hintereinanderschaltung eines Gegentakt-Resonanzwandlers mit einer mehrstufigen Spannungsvervielfacherkaskade nach Villard generieren. Nachteil dieses Verfahrens ist neben der zwingend notwendigen Bedienersicherheit eine permanente Zufuhr von elektrischer Leistung, die die Betriebskosten der Öfen, wenn auch nur geringfügig, erhöht.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand einer lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung,

2 ein erstes Ausführungsbeispiel des Einsatzschemas der Vorrichtung aus 1,

3 den schematischen Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

4 eine Darstellung der Minderung der Kohlenwasserstoffemission durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und

5 eine Darstellung der Minderung der Kohlenmonoxidemission durch die erfindungsgemäße Vorrichtung.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Eine in einer Edelstahllinse 1 befindliche Katalysatorkartusche 2 ist von außen frei drehbar in einem Ofenrohr 3 installiert. Zum Anfeuern und bis zur nötigen Betriebstemperatur des Katalysators von ca. 330 °C steht die Linse (1) senkrecht im Bypassbetrieb; nach Erreichen dieser Temperatur wird sie waagerecht gestellt, so dass der gesamte Abgasstrom durch die katalytisch aktive Schicht in der Katalysatorkartusche 2 tritt. Für Wartungsarbeiten (Abreinigen der Späne von anhaftendem Staub) kann eine Revisionsklappe (nicht dargestellt) dienen, die einen einfachen Zugriff auf die Katalysatorkartusche 2 ermöglicht.

Die nachfolgenden 2 und 3 zeigen die Katalysatorkartusche 2 und ihre Anordnung im Ofenrohr 3.

Zum Verdrehen der Linse 1 im Ofenrohr 3 dient eine senkrecht zum Ofenrohr angeordnete Drehachse 4. Des weiteren zeigt 1, dass der Edelstahllinse 1 mit Katalysatorkartusche 2 ein Abscheidegitter 5 vorgeschaltet sein kann, um die groben Bestandteile des Abgasstroms vor Erreichen der Linse 1 abzufangen. Auch dieses Abscheidegitter 5 kann mittels einer Drehachse 6 im Ofenrohr 3 verdreht werden. Die Betätigung der Drehachse 4, 6 erfolgt beispielsweise über einen (nicht dargestellten) Knebel.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass als Element zur Entstaubung eine im Abgasstrom angeordnete Sprühelektrode und eine im Abgasstrom oberhalb der Sprühelektrode angeordnete Abscheideelektrode vorgesehen sind. Dies soll anhand von zwei verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt werden:

Das in 2 dargestellte Reinigungsverfahren basiert auf einer Partikelabscheidung nach dem Katalysator und soll insbesondere bei größeren Hausheizungen (Pelletfeuerungen) eingesetzt werden.

Eine Sprühelektrode 8 befindet sich innerhalb des aus einem Ofen 7 kommenden Ofenrohres 3. Sie kann weitgehend mit einer Keramikhülse ummantelt sein. Ihr gegenüber liegt eine Abscheideelektrode 9 als flächige, isolierte Metallauskleidung vor.

In dieser Anordnung ist zu erkennen, dass die Staubabscheidung an einer Stelle erfolgt, von wo aus die Partikel herabfallen können, wenn eine entsprechende Aufwuchsmasse 11 gebildet wurde. Es ist zu prüfen, inwieweit eine Umpolung der Elektroden 8, 9 außerhalb des Ofenbetriebes zu einem Herabfall abgeschiedener Partikel führt. Als Vorteile können sich das Freihalten der Katalysatorschüttung von zusätzlichen Staubablagerungen und eine einfachere bauliche Ausgestaltung des Bereiches der Katalysatorkartusche 2 erweisen.

3 zeigt den schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels, bei dem die Katalysatorkartusche 2' als Abscheideelektrode 9' wirkt.

Bei dieser Variante soll die Sprühelektrode 8' in einem Abstand von ca. 20 cm unterhalb der Katalysatorkartusche 2' angebracht werden. Als positive Abscheideelektrode 9' wird der metallische Körper der Katalysatorkartusche 2' geschaltet.

Diese dargestellte und insoweit bevorzugte bauliche Ausgestaltung beinhaltet eine Isolation der frei drehbaren Kartusche 2' durch Verwendung einer Keramikhülse 12 als Drehachse, sowie die äußere Beschichtung des Linsenkörpers 1' mit einem Keramikvlies 13. Zur sicheren Vermeidung von Überschlägen durch Ausbildung leitfähiger Rußfilme ist die weitgehende Ummantelung der Sprühelektrode 8' mit Keramik 14 vorgesehen. Die als Keramikhülse 12 ausgebildete Drehachse kann ferner mit einem Heizelement 15 ausgestattet sein.

Als vorteilhaft wird bei dieser Anordnung angesehen, dass der Nutzer infolge der Drehbarkeit der Katalysatorkartusche 2' leicht eine Abreinigung des anhaftenden Staubes vornehmen kann. Weiterhin erscheint der Abbrand abgeschiedener Rußpartikel unter den herrschenden hohen Temperaturen in diesem Bereich günstig.


Anspruch[de]
Verfahren zur Reinigung von mit Schadstoffen belasteten Abgasströmen, wobei der Abgasstrom in einem Reaktor mit einer darin enthaltenen Schüttung aus Metallspänen katalytisch gereinigt wird und wobei die dotierten Metallspäne vor dem ersten Einsatz auf eine Starttemperatur aufgeheizt werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor, mit oder nach der katalytischen Reinigung eine Entstaubung der magnetisierbaren Partikel des Abgasstromes in einem Magnetfeld erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die benötigte Energie zur Erzeugung des Magnetfeldes von einem dem Abgasstrom ausgesetzten Thermoelement bereitgestellt wird. Vorrichtung zur Reinigung von mit Schadstoffen belasteten Abgasströmen, mit einem Reaktor mit einer darin enthaltenen Schüttung aus Metallspänen und einem Heizelement, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor in einer den kompletten lichten Querschnitt des Abgasrohres (3) ausfüllenden Kartusche (2, 2') angeordnet ist und dass ein weiteres Element zur Entstaubung des Abgasstromes vorgesehen ist. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Element zur Staubabscheidung ein Abscheidegitter (5) vorgesehen ist. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Element zur Entstaubung eine im Abgasstrom angeordnete Sprühelektrode und eine im Abgasstrom oberhalb der Sprühelektrode angeordnete Abscheideelektrode vorgesehen sind. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühelektrode (8) der Kartusche (2) im Abgasstrom nachgeschaltet ist. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühelektrode (8') der Kartusche (2') vorgeschaltet ist und dass die Kartusche (2') als Abscheideelektrode (9') ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Entstaubung mit einer katalytisch beschichteten Substanz beschichtet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Befreiung der Abgase von im Abgasstrom mitgeführten Feinstaubungen ein Filterelement vorgesehen ist. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Filterelement ein Elektrofilter vorgesehen ist.






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