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Die
Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage zur Kopplung an Heizungsanlagen
sowie ein Heizungssystem gemäß Anspruch
4.
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Aufgrund
der Emissionen von Heizungsanlagen und globaler Bemühungen,
derartige Emissionen zu reduzieren – siehe zum Beispiel Kyoto-Abkommen – werden
bei Heizungsanlagen entsprechende Abgasreinigungsanlagen verwendet.
Insbesondere werden derartige Abgasreinigungsanlagen bei Biomasse-Heizanlagen
eingesetzt, bei denen neben ökonomischen
und ökologischen
Vorteilen eine erhöhte
Emission an Schadstoffen auftreten kann. Insbesondere die relative
hohe Emission an Feinstaub ist bei Biomasse-Heizungsanlagen ein Problem.
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Aus
der
EP 1 193 445 A2 ist
eine Abgasreinigungsanlage bekannt, welche für Biomasse-Heizungsanlagen zur Verringerung der
Feinstaubemission verwendet wird. Die dort beschriebene Vorrichtung
ist in einen Rauchgaskanal einbaubar und weist hierzu einen Deckel
auf, der gasdicht auf eine zugehörige Öffnung an
einem Rauchgaskanal aufsetzbar ist. An der Innenseite des Deckels
ist über
eine isolierende Halterung eine Sprühelektrode, zum Beispiel in
Form eines gespannten Stabes, gehalten. Ein Hochspannungstransformator
mit Gleichrichterfunktion erlaubt den Aufbau einer hohen Gleichspannung zwischen
dem Draht und dem Deckel, welcher elektrisch leitend mit dem Ofenrohr
verbunden ist, sodass dieses als Kollektorelektrode wirkt.
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Bei
einem derartigen Elektrofilter für
die Abgasreinigung, der für
atmosphärische
Heizkamine anwendbar ist, wird vielfach die Hochspannungszuleitung
durch die Feinstaubemission verunreinigt, was zu einem Ausfall der
Abgasreinigungsvorrichtung führen
kann. Zudem wird der Vorteil des geringen Energieverbrauchs bei
derartigen Heizanlagen durch den erhöhten Energieverbrauch dieses
Filters, zumindest teilweise aufgehoben.
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Die
DE 35 29 684 A1 offenbart
einen Rußfilter
für Dieselmotoren
aus keramischem Material, bei dem eine Vielzahl von porösen keramischen
Flächen den
Ruß mechanisch
zurückhält. Um eine
Entrußung mit
geringen elektrischen Leistungen zu erreichen, sind Teilsegmente
des Filters mit elektrischen Heizelementen versehen. Die die Teilsegmente
durchströmende
Abgasmenge wird segmentweise nacheinander elektrisch zur Entzündungstemperatur
des Rußes
aufgeheizt. Eine Regelung der Entrußung greift auf einen Drucksensor
zur Messung des Druckanstiegs des strömenden Abgases über dem
Filter zurück.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Abgasreinigungsanlage,
insbesondere für
nichtatmosphärische,
Feinstaub emittierende Biomasse-Heizungsanlagen, zu schaffen, bei
welcher eine Verunreinigung durch Feinstaub weitgehend vermieden
wird, und bei welcher eine etwaige Verunreinigung durch Feinstaub
erkennbar ist. Auch ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Heizungssystem umfassend eine Heizungsanlage und eine Abgasreinigungsanlage
zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird dies
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs
4 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die
Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage zur Kopplung an Heizungsanlagen,
insbesondere für
Feinstaub emittierende Heizungsanlagen, wie Biomasse-Heizungsanlagen,
sowie ein Heizungssystem damit. Die Abgasreinigungsanlage umfasst
eine über
eine Anschlusseinheit mit der Heizungsanlage nachgeschaltet koppelbare,
von dem Abgas durchströmbare
Filtereinheit mit einem Einlass zum Einströmen des ungereinigten Abgases
in die Filtereinheit und einem Auslass zum Ausströmen des
gereinigten Abgases. Ein Gebläse
fördert
das Abgas in die Filtereinheit, die als Feinstaub filternder Partikelfilter
mit im Wesentlichen in Hauptdurchströmungsrichtung verlaufenden
Kanälen
ausgebildet ist. Die Kanäle
sind an ihren Enden durch Böden
verschlossen, so dass das Abgas durch die porösen Wandungen der Kanäle gezwungen
wird. Die porösen
Wandungen sind aus einem Schaumkeramikmaterial gebildet. Die Filtereinheit
weist eine Regeleinheit mit einer Sensoreinrichtung zur Detektierung
einer Zusetzung des Partikelfilters sowie eine Verbrennungseinrichtung
zur Verbrennung zumindest eines Teils der Zusetzung des Partikelfilters
und langfristigen Funktionserhaltung durch Verringern der Zusetzung
des Partikelfilters auf. Während
der Verbrennung wird das Abgas über
das Gebläse
mit einer reduzierten Förderleistung
gefördert.
Die Sensoreinrichtung umfasst mindestens einen Sensor zur Detektierung
eines steigenden Strömungswiderstandes in
dem Partikelfilter. Die Verbren nungseinheit ist dem Partikelfilter
in Form einer elektrische Widerstandsheizung vorgeschaltet.
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Die
Mittel, welche ein mögliches
Zusetzen durch Abgasverunreinigungen detektieren und/oder ein derartiges
Zusetzen verhindern, bieten den Vorteil, dass weniger Energie als
bei Filtern mit Hochspannungsmitteln benötigt wird. Zudem ist ein derartiger
Partikelfilter weniger störanfällig und
auch einsatzfähig,
wenn keine Hochspannung vorhanden ist.
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Durch
geeignete Partikelfilter und/oder eine frühe Detektion eines Zusetzens
sind auch Grenzwerte von 30–35
mg/m3 für
Feinstaub oder weniger einhaltbar.
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Vorzugsweise
ist das Mittel zur langfristigen Funktionserhaltung als geeignetes
Filtermaterial, welches in dem rohrförmigen Partikelfilter angeordnet
ist, ausgebildet. Dabei ist das Material so ausgewählt, dass
die Verunreinigungen das Material nicht oder kaum durchdringen können. Weiter
ist das Material so ausgebildet, dass die Verunreinigungen nicht
oder nicht gut an dem Material haften, um so ein Zusetzen zu erschweren.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Filtermaterial als
ein poröses
Keramikmaterial ausgebildet ist, wobei die Poren nach Art einer
Durchgangsöffnung
und/oder nach Art eines Sacklochs ausgebildet sein können. Durch
die Poren dieses Keramikmaterials können im Falle des Durchgangsöffnungstyps
die nicht verschmutzten Bestandteile des Abgases durch das Material
durchgeführt
werden, wohingegen die Verschmutzungen nicht oder nur zu einem geringen
Anteil durch die Poren gelangen können. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Filtermaterial eine
Schaumkeramik ist. Insbesondere ist die Schaumkeramik als offenporige, hochtemperaturbeständige Schaumkeramik
ausgebildet. Die Schaumkeramik weist eine vorbestimmte Porosität und eine
vorbestimmte Porengröße auf. Hierdurch
hält die
Schaumkeramik, wie vorstehend aufgeführt, einen über die beiden Parameter einstellbaren
Anteil an Feinstaubemission zurück.
Die Porosität
der Schaumkeramik beträgt
in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
etwa 90 % des freien Volumens. Dies bietet den Vorteil, dass die
offenporige Schaumkeramik ein sehr hohes Rückhaltevolumen für Feinstaub
aufweist. Durch dieses hohe Rückhaltevolumen
ist nur ein seltener Filterwechsel aufgrund von Zusetzen erforderlich,
beispielsweise etwa ein bis zweimal pro Jahr. Die Schaumkeramik
weist weiter den Vorteil auf, dass diese über die Porosität so eingestellt
werden kann, dass diese ein Optimum zwischen Filtrationseffizienz
bei sehr langsamer Strömungsgeschwindigkeit
des Abgases und Druckabfall aufweist. Bei herkömmlichen Filtern, insbesondere aus
feinporig extrudierten Wabenkörpern
von Partikelfiltern für
Dieselfahrzeuge, ist dies nicht möglich.
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Um
eine Optimierung zwischen Anströmfläche des
Partikelfilters und Durchströmlänge zu erhalten,
muss eine entsprechende Feinstrukturierung der Schaumkeramik vorgenommen
werden. Über
die Ausbildung der Anströmfläche lassen
sich insbesondere die Durchströmgeschwindigkeit
und die Druckdifferenz des durchströmenden Abgases beeinflussen. Über die
Durchströmlänge lassen
sich die Verweilzeit der Staubpartikel und die Abscheideeffizienz beeinflussen.
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Bei
einer sehr gleichmäßigen und
langsamen Strömung
stellt sich der Vorteil ein, dass ein so genannter „Blow-Off-Effekt", wie dies zum Beispiel durch
Druckstöße beim
Dieselmotor auftritt, vermieden werden. Bei einem „Blow-Off-Effekt" werden bereits abgeschiedene
Partikel freigesetzt. Prinzipiell sind jedoch auch andere Filtermaterialien
vorstellbar, insbesondere grobporige, keramische Monolithen.
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Bevorzugt
ist zudem, dass das Mittel zur Detektierung einer Zusetzung als
eine Regeleinheit mit einer Sensoreinrichtung ausgebildet ist, welche
eine Zusetzung in dem Partikelfilter detektiert. Auf diese Weise
kann der Zusetzungszustand des Partikelfilters sicher erkannt und überwacht
werden, wodurch ein Versagen durch Zusetzen durch rechtzeitiges
Erkennen und Reinigen oder Austauschen des (Partikel-)Filters verhindert
werden kann. Die Funktionsweise des Mittels zu Detektierung ist
die Folgende. Über
die Sensoreinrichtung wird der Strömungswiderstand des Abgases
erfasst. Bei einem beginnenden Zusetzen des Filters durch Staub
oder Schmutz steigt der Strömungswiderstand
des Abgases. Dies kann beispielsweise über eine Messung eines Druckabfalls
in dem Filter geschehen. Wird ein Wert für einen Strömungswiderstand ermittelt,
der über
einem vorbestimmten Grenzwert liegt, wird dann entsprechend ein
Signal wie ein optisches oder akustisches Signal erzeugt, welches
signalisiert, dass der Filter gereinigt und/oder ausgetauscht werden
muss. Aus diesem Grund ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung
mindestens einen Sensor zur Detektierung eines steigenden Strömungswiderstandes
in dem rohrförmigen
Filter umfasst.
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Zudem
sieht eine Ausführungsform
vor, dass die Mittel zur langfristigen Funktionserhaltung mindestens
eine Verbrennungseinheit zur Verbrennung zumindest eines Teils der
Zusetzung des rohrförmigen
Filters umfassen. Diese Verbrennungseinheit erzeugt eine Verbrennung,
bei welcher der oxidierbare Anteil des Feinstaubs, bevorzugt der
oxidierbare Kohlenstoffanteil des Feinstaubs verbrannt wird. Hierdurch
wird die Menge an Verschmut zung, welche den Filter zusetzten kann,
reduziert, so dass die Lebensdauer eines Filters verlängert wird.
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Die
Verbrennung kann sowohl während
Ruhephasen der Filtereinheit als auch während des Betriebs erfolgen.
Die Funktionsweise des Mittels ist die Folgende:
Der Abgasstrom
wird mit ca. 190°C über ein
Gebläse in
die Filtereinheit gefördert.
Wenn nun eine Verbrennung realisiert werden soll, fördert das
Gebläse
das Abgas mit einer reduzierten Förderleistung. Die reduzierte
Förderleistung
liegt bevorzugt in einem Bereich von 3–4 m3/h. Über die
Verbrennungseinheit wird nun die Temperatur des Abgasstroms erhöht. Bevorzugt liegt
die erhöhte
Temperatur in einem Bereich, bei dem sich der oxidierbare Anteil
des Feinstaubs entzündet,
vorzugsweise über
600°C. Bei
Erreichen die Entzündungstemperatur
des Feinstaubanteils verbrennen die oxidierbaren Feinstaubpartikel.
Sind im Wesentlichen alle oxidierbaren Feinstaubpartikel verbrannt,
schaltet die Verbrennungseinheit ab und das Gebläse fördert mit normaler Förderleistung.
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Das
Ende dieses vorbeschriebenen Abbrandes kann über die Messung der Druckdifferenz
detektiert werden. Üblicherweise
wird nach der Verbrennung eine Regenerationszeit von einigen Minuten,
bevorzugt von fünf
bis zehn Minuten vor Normalbetrieb der Filtereinheit eingehalten.
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In
einer Ausführungsform
ist entsprechend dem Vorstehenden die Verbrennungseinheit als eine dem
Filter vorgeschaltete elektrische Widerstandsheizung ausgebildet.
Mit dieser Widerstandsheizung lässt
sich das Abgas auf einfache Weise auf eine entsprechende Verbrennungstemperatur
bringen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe auch mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Die
Erfindung sieht hierbei ein Heizungssystem zur Erzeugung von Energie
mittels Verbrennung von einem Energieträger wie Biomasse vor, umfassend
eine Feinstaub emittierende Heizungsanlage wie eine Biomasse-Heizungsanlage
zum Verbrennen des Energieträgers,
wobei Feinstaub enthaltende Abgase entstehen, und eine mit der Heizungsanlage
gekoppelte erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage.
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Das
Heizungssystem ist dabei wie folgt aufgebaut. Eine Heizungsanlage,
bevorzugt eine Biomasse-Heizungsanlage wie eine Pelletheizung, verbrennt
einen Brennstoff (Biomasse). Über
ein Gebläse
wird die Verbrennungsluft oder das Abgas bei ca. 190°C durch ein
Abgasrohr der Abgasreinigungsanlage zugeführt. Die Abgasreinigungsanlage
weist eine Filtereinheit und eine entsprechende Sensorik mit Sensoren
und Regelkreis auf. Das Abgas wird durch die Filtereinheit, deren
Funktionsweise vorstehend beschrieben ist, durchgelei tet und verlässt gereinigt
die Filtereinheit. Über
einen Schornstein wird das gereinigte Abgas dann an die Umgebung
abgegeben.
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Optional
kann die Heizungsanlage einen Wärmetauscher
aufweisen, welcher der Filtereinheit nachgeschaltet ist. Dieser
Wärmetauscher,
der bevorzugt wassergekühlt
ist, senkt die Abgastemperatur des Abgases, insbesondere nach einer
Verbrennung des oxidierbaren Feinstaubanteils. Die von dem Abgas
abgegebene Wärme
kann für
die Heizungsanlage genutzt werden.
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Alternativ
kann das Gebläse
der Filtereinheit nachgeschaltet sein, etwa in Form eines regelbaren Saugzuggebläses. Damit
können
dann auch atmosphärische,
also gebläselose
Biomasse-Heizanlagen mit der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage bzw.
der erfindungsgemäßen Filtereinheit
betrieben, ausgestattet oder nachgerüstet werden.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
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1:
einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Heizungssystems mit einer
Abgasreinigungsanlage und
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2a und 2b:
schematisch zwei Ansichten einer Filtereinheit, einmal in einem
Längsschnitt,
einmal in einer Draufsicht.
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1 zeigt
schematisch einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Heizungssystems 1.
Das Heizungssystem 1 umfasst eine Heizungsanlage 2 zum Verbrennen
von Biomasse, wobei ein Abgas oder Verbrennungsgas entsteht, welches
Feinstaub beinhaltet. Die dargestellte Heizungsanlage 2 ist
als Pelletkaminofen ausgebildet. Das Abgas aus dem Kaminofen strömt in eine
mit der Heizungsanlage 2 gekoppelte Abgasreinigungsanlage 3,
in welcher die Abgase von Verschmutzungen wie Staub oder Schmutz gereinigt
werden. Die Abgasreinigungsanlage 3 umfasst eine Filtereinheit 4.
Die Filtereinheit 4 ist rohrförmig ausgebildet und wird von
dem Abgas durchströmt.
Ein Partikelfilter 5, der in der 1 schematisch
als Quadrat dargestellt ist, ist in der Filtereinheit 4 ausgebildet.
Der Partikelfilter 5 ist als Feinstaub filternder Partikelfilter
ausgebildet. Dieser Partikelfilter 5 ist aus einer Schaumkeramik
ausgebildet.
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Weiter
umfasst die Filtereinheit 4 eine Regeleinheit mit einer
Sensoreinrichtung 6. Die Sensoreinrichtung 6 erfasst über mindestens
einen Sensor Werte, die für
das Detektieren eines Zusetzens der Filtereinheit 4 relevant
sind. Diese Werte sind zum Beispiel der Druckabfall, der Strömungswiderstand und
dergleichen.
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Wenn
ein Zusetzen über
die Regeleinheit detektiert wurde, können die das Zusetzen verursachenden
Feinstaubpartikel zumindest zum Teil verbrannt werden. Hierzu weist
die Filtereinheit 4 eine als Widerstandsheizung ausgebildete
Verbrennungseinheit 7 auf. Mit dieser wird die Abgastemperatur
soweit erhöht,
dass zumindest ein Teil des Feinstaubs, insbesondere ein oxidierbarer
Teil des Feinstaubs verbrennt.
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Der
Filtereinheit 4 nachgeschaltet ist ein Wärmetauscher 8. Über diesen
lässt sich
die Abgastemperatur senken und die von dem Abgas abgegebene Wärme nutzen.
Nachdem das Abgas den Wärmetauscher 8 durchströmt hat,
wird dieses über
einen Schornstein 9 an die Umgebung abgegeben.
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In 2a und 2b ist
der Partikelfilter deutlicher dargestellt. 2a und 2b zeigen schematisch
zwei Ansichten einer Filtereinheit 4, genauer eines Partikelfilters 5,
einmal in einem Längsschnitt
und einmal in einer Draufsicht. In 2a ist der
Partikelfilter 5 in einem Längsschnitt zu sehen. Der Partikelfilter 5 weist
eine rohrförmige
Form auf, wobei in dem Rohr Wandungen 5a aus einem Schaumkeramikmaterial
ausgebildet sind. Die Wandungen 5a bilden dabei Kanäle 5b,
die durch einen Boden 5c verschlossen sind, so dass das
einströmende
Abgas durch die poröse
Wandung 5a gezwungen wird. Dies ist schematisch durch die
Pfeile angedeutet. Durch die Wandung 5a gelangt der Abgasstrom
in einen benachbarten Kanal 5b', welcher ebenfalls einen Boden 5c' aufweist, wobei
der Boden 5c' jedoch
in Hauptströmungsrichtung
des Abgases in entgegengesetzter Richtung zu dem Boden 5c ausgebildet
ist. Die verschmutzenden Partikel des Abgases gelangen nicht oder
nicht vollständig
durch diese Poren, so dass diese nicht in den Kanal 5b' gelangen und
das Abgas somit gereinigt diesen Kanal 5b' verlassen kann.
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2b zeigt
den Partikelfilter 5 in einer Draufsicht. In der Draufsicht
wird der rohrförmige
Aufbau des Partikelfilters 5 deutlich. Die Kanäle 5b, 5b' sind ringförmig ausgebildet
und konzentrisch um eine Mittelachse des rohrförmigen Partikelfilters 5 ausgeformt.
Der Boden 5c' verdeckt
in der Darstellung den dahinter angeordneten Kanal 5b'.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern in vielfältiger
Weise abwandelbar. Sämtliche
aus den Ansprüchen
hervorgehenden Merkmale können sowohl
für sich
als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich
sein.
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- 1
- Heizungsanlage
- 2
- Ofeneinrichtung
- 3
- Abgasreinigungsanlage
- 4
- Filtereinheit
- 5
- Partikelfilter
- 5a
- Wandung
- 5b,
5b'
- Kanal
- 5c,
5c'
- (Kanal-)Boden
- 6
- Sensoreinrichtung
- 7
- Verbrennungseinheit
- 8
- Wärmetauscher