&quot;Partikelabscheidung an Einzelraumfeuerungsanlagen - Schadstoff- und einsatzortspezifische Bewertung von elektrostatischen Abscheidern und faserbasierten Tiefenfiltern“

Wohter, Daniel; Quicker, Peter; Pfeifer, Herbert

doi:10.18154/RWTH-2026-06159

"Partikelabscheidung an Einzelraumfeuerungsanlagen - Schadstoff- und einsatzortspezifische Bewertung von elektrostatischen Abscheidern und faserbasierten Tiefenfiltern“

Wohter, Daniel^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Daniel Wohter

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Quicker, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Pfeifer, Herbert (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-08-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06159
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1037656/files/1037656.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Einzelraumfeuerungsanlagen (frei) ; Emissionsprofil (frei) ; PAK-Emissionen (frei) ; Partikelabscheidung (frei) ; Partikelemissionen (frei) ; Tiefenfilter (frei) ; elektrostatische Abscheider (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die häusliche Verbrennung von Holz in sogenannten Einzelraumfeuerungsanlagen (ERF) stellt eine bedeutsame Quelle von Luftschadstoffen dar. Sowohl in der Europäischen Union (EU) als auch in Deutschland zählt sie zu den größten Partikelemittenten (PM10 und PM2,5). Die Partikel werden unmittelbar in den Lebensräumen der Menschen emittiert. Es handelt sich vorwiegend um Ruß und damit um feine und ultrafeine Partikel (UFP). Studien zeigen eine bedenkliche toxikologische Wirkung auf Menschen und Umwelt. Die Emissionen der Feuerungen werden in der Öffentlichkeit zunehmend kritischer bewertet. Eine deutliche Verschärfung der Grenzwerte ist auf EU-Ebene zu erwarten. Für deren Einhaltung sind sekundäre Minderungsmaßnahmen unumgänglich. Der elektrostatische Abscheider stellt derzeit die einzige etablierte und marktverfügbare Technologie zur Partikelminderung dar. Eine differenzierte Bewertung dieser Technik, die sowohl eine Größenfraktionierung als auch organische Schadstoffe wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) berücksichtigt, ist bisher nicht bekannt. An dieser Stelle setzt die vorliegende Arbeit an, deren übergeordnetes Ziel es ist, durch eine umfassende Bewertung Lösungsansätze für eine signifikante Verbesserung der Partikelminderung an ERF aufzuzeigen. In einem ersten Schritt (Forschungsschwerpunkt I) wurde hierfür ein erweitertes Emissionsprofil von ERF erarbeitet. Das wesentliche Ergebnis ist die Darstellung der chemischen und physikalischen Partikelcharakteristik in drei Dimensionen. Die erste Dimension umfasst die zeitliche, prozessimmanente Veränderung der Partikel in fünf charakteristischen Phasen einer Abbrandperiode. Die zweite Dimension berücksichtigt den Abgaszustand des Prozesses. Der neu eingeführte Begriff dient der Bewertung des Feuerungsprozesses im Hinblick auf den Eintrag von unvollständigen Verbrennungsprodukten in das Abgas. Die Veränderung der Partikelcharakteristik im Verlauf des Abgasweges, ausgehend vom Abgasstutzen der Feuerung bis zur Kaminmündung stellt die dritte und vorwiegend technische Dimension der Emissionsbetrachtung dar. Auf Grundlage des dreidimensionalen Emissionsprofils konnte im zweiten Forschungsschwerpunkt der Stand des Wissens in Bezug auf die Wirksamkeit des elektrostatischen Abscheiders beim Einsatz an ERF gezielt erweitert werden. Verfahrenstechnische Limitierungen wurden insbesondere für die Positionierung des Abscheiders in der Nähe der Kaminmündung festgestellt. Diese gehen auf kondensierte organische Substanzen zurück. Ein deutlicher Einbruch des anzahlbasierten Abscheidegrads wurde unter schlechten Abgasbedingungen ermittelt. Ultrafeine Partikel < 50 nm wurden unabhängig vom Installationsort als weitere Herausforderung für den Abscheider identifiziert. Für eine zielgerichtete Optimierung der Partikelabscheidung an ERF wird im dritten Schwerpunkt der Arbeit eine Verfahrenskopplung aus elektrostatischem Abscheider und faserbasiertem Tiefenfilter vorgeschlagen. Der Ansatz beruht auf einer vorherigen experimentellen Bewertung konventioneller Filtermedien. Die sichere Sequestrierung der Partikel wurde als zentrale Eigenschaft herausgestellt. Die höchsten Abscheidewerte wurden für die Bereiche erzielt, in denen der elektrostatische Abscheider Defizite aufweist. Auch dem Wiedereintrag von bereits abgeschiedenen Rußpartikeln kann durch eine Kopplung begegnet werden. Ein Modell zum Wachstum und zur Veränderung der Partikelablagerungsstrukturen an der Einzelfaser legt abschließend die Grundlage für eine aufgabenspezifische Adaptierung faseriger Filtermedien im Hinblick auf den Einsatz an ERF.

The residential burning of wood in single-room heaters (small stoves) is a predominant source of air pollutants. Both in the European Union (EU) and in Germany, this simple method of heat generation contributes significantly to the emission of particulate matter (PM10 and PM2.5). The particles are emitted directly in the environment of the people. They consist mainly of soot and are therefore fine and ultrafine particles (UFP). Studies show a serious toxicological effect on humans and the environment. The emissions from these stoves are being assessed more critically by the public. A significant tightening of the emission limits is to be expected at EU level. Secondary reduction measures are essential for their compliance. The electrostatic precipitator is currently the only established and commercially available technology for particle reduction. A differentiated evaluation of this technology, which takes into account not only particle size distribution but also organic pollutants such as polycyclic aromatic hydrocarbons, is not yet known. This is the starting point for the present work. The overall objective is to identify possible solutions for a significant improvement in the particulate reduction of small residential heating installations by means of a comprehensive evaluation of the current state of the art. In a first step (research focus I), an enhanced emission profile of the wood-fired stoves was elaborated for this purpose. The main result is the description of the chemical and physical particle characteristics in three dimensions. The first dimension comprises the process related change of the particle properties over time in five characteristic phases of a combustion period. The second dimension takes into account the exhaust gas condition of the process. The term, as introduced in this study, is used to assess the combustion process with respect to the presence of products of incomplete combustion in the exhaust gas. The change in particle characteristics in the path of the exhaust gas, starting from the gas outlet of the furnace to the chimney opening, represents the third and predominantly technical dimension of the emission profile. The three-dimensional emission profile was used to enhance the understanding of the effectiveness of the electrostatic precipitator (research focus II). Process limitations were identified in particular for the positioning of the precipitator near the chimney opening. These restrictions are the result of condensed organic substances. A significant drop in the particle number separation efficiency was determined under poor exhaust gas conditions. Ultrafine particles < 50 nm were identified as a further challenge for the precipitator, regardless of the installation location. For a major optimization of the particle separation of single-room heaters, a process combination of electrostatic precipitator and fibre-based depth filter is suggested in the third research focus. The approach is based on an experimental evaluation of conventional filter media. The secure sequestration of particles was identified as a key property. The highest separation values were found in the areas in which the electrostatic precipitator shows deficits. The re-entrainment of soot particles from the precipitator walls can also be prevented by combining both techniques. Finally, a model for the growth and change of the particle deposits on the individual fiber provides the basis for an adaptation of fibrous filter media with regard to the use in the exhaust gas of wood fired stoves.

OpenAccess:
PDF
(additional files)