Open Access Research

Emission factors and chemical characterisation of fine particulate emissions from modern and old residential biomass heating systems determined for typical load cycles

Joachim Kelz1, Thomas Brunner123* and Ingwald Obernberger123

Author Affiliations

1 BIOENERGY 2020+ GmbH, Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Österreich

2 Institut für Prozess- und Partikeltechnik, Technische Universität Graz, Inffeldgasse 21a, A-8010 Graz, Österreich

3 BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Österreich

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Environmental Sciences Europe 2012, 24:11  doi:10.1186/2190-4715-24-11

Published: 8 March 2012

Abstract

It is already well known that there are significant differences regarding the emissions, especially particulate matter (PM) emissions, of old and modern as well as automatically and not automatically controlled biomass based residential heating systems. This concerns their magnitude as well as their chemical composition. In order to investigate emission factors for particulate emissions and the chemical compositions of the PM emissions over typical whole day operation cycles, a project on the determination and characterisation of PM emissions from the most relevant small-scale biomass combustion systems was performed at the BIOENERGY 2020+ GmbH, Graz, Austria, in cooperation with the Institute for Process and Particle Engineering, Graz University of Technology. The project was based on test stand measurements, during which relevant operation parameters (gaseous emissions, boiler load, flue gas temperature, combustion chamber temperature etc.) as well as PM emissions have been measured and PM samples have been taken and forwarded to chemical analyses. Firstly, typical whole day operation cycles for residential biomass combustion systems were specified for the test runs. Thereby automatically fed and automatically controlled boilers, manually fed and automatically controlled boilers as well as manually fed stoves were distinguished. The results show a clear correlation between the gaseous emissions (CO and OGC) and the PM1 emissions. It is indicated that modern biomass combustion systems emit significantly less gaseous and PM emissions than older technologies (up to a factor of 100). Moreover, automatically fed systems emit much less gaseous and PM emissions than manually fed batch-combustion systems. PM emissions from modern and automatically controlled systems mainly consist of alkaline metal salts, while organic aerosols and soot dominate the composition of aerosols from old and not automatically controlled systems. As an important result comprehensive data concerning gaseous and PM emissions of different old and modern biomass combustion systems over whole day operation cycles are now available. Derived from these data, correlations between burnout quality, particulate emissions as well as particle composition of the PM emissions can be deduced.

Keywords:
aerosols; small-scale biomass combustion systems; whole day operation cycle; chemical composition

Emissionsfaktoren und chemische Charakterisierung von Feinstaubemissionen moderner und alter Biomasse-Kleinfeuerungen über typische Tageslastverläufe

Kurzfassung

Es ist allgemein bekannt, dass es signifikante Unterschiede bezüglich partikelförmiger Emissionen von modernen und alten sowie automatisch und nicht automatisch geregelten Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen gibt. Die Unterschiede beziehen sich einerseits auf die Höhe der Partikelemission und andererseits auf deren chemische Zusammensetzung. Um Emissionsfaktoren für partikelförmige Emissionen über typische realitätsnahe Tageslastverläufe zu bestimmen und die Feinstaubemissionen chemisch zu charakterisieren, wurde ein Projekt an der BIOENERGY 2020+ GmbH, Graz, Österreich, in Kooperation mit dem Institut für Prozess- und Partikeltechnik, Technische Universität Graz, Österreich, initiiert. Fünf moderne, dem aktuellen Stand der Technik entsprechende, Biomasse-Kleinfeuerungen sowie zwei Altanlagen, die den aktuellen Anlagenbestand widerspiegeln, wurden im Zuge von Testläufen an einem Teststand untersucht. Dabei wurden alle relevanten Betriebsparameter der Biomasse-Kleinfeuerungen sowie die im Zuge des Verbrennungsprozesses entstehenden gas- und partikelförmigen Emissionen kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet. Des Weiteren wurden Partikelemissionsproben gezogen und anschließend chemisch analysiert. Für die Testläufe wurden typische Tageslastverläufe, die den Betrieb dieser Feuerungen in der Praxis abbilden, berücksichtigt. Dabei wurde zwischen automatisch beschickten und automatisch geregelten Kesseln, manuell beschickten und automatisch geregelten Kesseln sowie manuell beschickten Naturzugöfen unterschieden. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Zusammenhang zwischen den gasförmigen Emissionen, die durch unvollständigen Gasphasenausbrand (CO- und org.C-Emissionen) entstehen, und den Feinstaubemissionen. Es wurde festgestellt, dass moderne Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen wesentlich (bis zu einem Faktor 100) geringere gas- und partikelförmige Emissionen aufweisen als ältere Technologien. Weiters emittieren automatisch beschickte Systeme signifikant geringere gas- und partikelförmige Emissionen als händisch beschickte Systeme. Die Feinstaubemissionen von modernen und automatisch geregelten Biomasse-Kleinfeuerungen bestehen zum Großteil aus Alkalimetallverbindungen, während organische Kohlenstoffverbindungen und Russ die Zusammensetzung der Feinstäube aus alten und nicht geregelten Systemen dominieren. Es stehen nun erstmals umfangreiche Daten zu gas- und partikelförmigen Emissionen über für die jeweilige Biomasse-Kleinfeuerung typische, realitätsnahe Tageslastverläufe zur Verfügung, die deutliche Korrelationen zwischen Ausbrandqualität, Partikelemission und chemischer Zusammensetzung der Partikel zeigen.

Keywords:
Schlüsselwörter; Feinstaub; Biomasse-Kleinfeuerungen; Tageslastverlauf; chemische Zusammensetzung