LUAT
Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. K. Görner
Universität Essen
Entwicklung und Erprobung eines Kombizyklons für die Gasreinigung
bei der Biomasseverbrennung
Dipl.-Ing. H. Spliessgardt
Dr.-Ing. R. Schulz
Prof. Dr.-Ing. K. Görner
Universität Essen, Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik, Essen
Dipl.-Ing. R. Heidenreich, Dipl.-Ing. M. List
ILK – Institut für Luft- und Kältetechnik, Dresden
Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik Universität Essen
Leimkugelstraße 10
45141 Essen Tel.: 0201-183 7511 Fax: 0201-183 7513
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VDI-Berichte Nr. 1511
1999, Seite 129 - 142
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Entwicklung und Erprobung eines Kombizyklons
für die Gasreinigung bei der Biomasseverbrennung
Dipl.-Ing. H. Spliessgardt, Dr.-Ing. R. Schulz, Prof. Dr.-Ing. K. Görner
LUAT – Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik, Universität-GH Essen
Dipl.-Ing. R. Heidenreich, Dipl.-Ing. M. List
ILK – Institut für Luft- und Kältetechnik, Dresden
Im Rahmen eines Gemeinschaftprojektes sind am Institut für Luft- und Kältetechnik,
Dresden, und am Institut für Umweltverfahrenstechnik, Essen, die Möglichkeiten
einer kombinierten Abscheidung von Staub und Schadgasen bei der energetischen
Nutzung von Biomasse untersucht worden. Nachfolgend werden die Untersuchungs-
ergebnisse zusammengefaßt und ein dreistufiger Kombiabscheider vorgestellt, der
zwei Staubabscheidungsstufen und eine katalytische Gasreinigungsstufe in sich
vereint.
1. Einleitung
Die Problematik hoher CO2-Emissionen bei der Nutzung fossiler Energieträger und
des damit verbundenen Treibhauseffektes sind bekannt und bestimmen die
öffentliche Diskussion. Es sollte daher eine energiepolitische und umweltschonende
Hauptaufgabe der nächsten Zeit sein, eine Verringerung der CO2-Belastung der
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Erdatmosphäre zu bewirken. Entsprechende freiwillige Verpflichtungen der
Industriestaaten sind auf internationalen Klima-Konferenzen ausgesprochen worden.
Die energetische Nutzung von Biomasse, wie z. B. Holz und Stroh, weist sich durch
eine Neutralität in der CO2-Bilanz aus. Es wird bei der Verbrennung der Biomasse
nur soviel CO2 freigesetzt wie die Pflanzen zuvor während ihres Wachstums aus der
Atmosphäre entnommen haben. Sieht man von Energieaufwendungen für
Aufbereitung und Transport ab, schließt sich damit ein Kreislauf, der zu keiner
Erhöhung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre führt. Unter den regenerativen
Energien hebt sich die Biomasse mit einem beträchtlichen Nutzungspotential hervor.
In Deutschland beträgt die energetische Nutzung fester Biomasse zur Zeit rund
1 Prozent des Endenergieverbrauchs. Die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe
konstatiert, daß dieser Biomasse-Anteil verzehnfacht werden kann. Durch eine
stärkere Ausschöpfung des Nutzungspotentials könnte so ein beachtlicher Beitrag
zur Schonung fossiler Ressourcen und zur Minderung der CO2-Emissionen geleistet
werden.
Das verbreiteste Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomasse stellt die
Verbrennung dar. Die Biomasse-Verbrennung erfolgt überwiegend in kleineren
Anlagen, die eine thermische Leistung bis maximal 10 MW aufweisen. Diese
Baugröße wird durch die verbrauchernahe Anbindung, z. B. bei Fernwärmenetzen,
und den logistischen Problemen bei größeren Einheiten bedingt. Für die
Verbrennung wird das gesamte Spektrum der vorhandenen Biomasse-
Festbrennstoffe, wie Holz, Stroh, Ganzpflanzen, in unterschiedlichen Aufbereitungs-
formen herangezogen.
Die gestiegenen Anforderungen an die Reinhaltung der Luft verlangen in der
heutigen Zeit auch für kleinere und mittlere Feuerungsanlagen hochwertige
Gasreinigungssysteme. Neben der heute bereits gesetzlich vorgeschriebenen
Rauchgasentstaubung ist man bestrebt, auch gasförmige Schadstoffe zu erfassen
und zu minimieren. Für eine Reduzierung der Schadgasemissionen bietet sich die
katalytische Abgasreinigung an, die in kleinen Einheiten realisiert werden kann und
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bei der keine unerwünschten und zu entsorgenden Reststoffe anfallen.
Voraussetzung für den störungsfreien Betrieb von Katalysatoren ist jedoch eine
weitgehende Entstaubung der Rauchgase auf hohem Temperaturniveau vor dem
Eintritt in den Katalysator. Aufgrund dieser Überlegungen ist im Rahmen des
Forschungsprojektes ein neuartiger Kombiabscheider entwickelt worden, der eine
wesentlich verbesserte Abscheidung vor allem im Feinstaubbereich aufweist, um den
Einsatz von integrierten Katalysatoren für die Schadgasabscheidung zu ermöglichen.
2. Laboruntersuchungen
In Abbildung 1 ist das Verfahrensschema für den Kombiabscheider aufgezeigt. Die
Entstaubung erfolgt zweistufig in einem Zyklon-Teil und einer filternden Abscheider-
stufe, die im Tauchrohrbereich angeordnet ist. Direkt anschließend kann eine
Katalysatorschüttung angeordnet werden, die sich dann noch im heißen Abscheider-
bereich befindet.
Abbildung 1: Verfahrensschema des Kombiabscheiders
Der erste Teil der Staubabscheidung entspricht prinzipiell dem einer herkömmlichen
Zyklonbauart mit tangentialem Eintritt. Die Konzeption der zweiten Stufe zur
Staubabscheidung sieht vor, daß das Tauchrohr des zugrundeliegenden Zyklons mit
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einem perforierten Material ausgerüstet wird, um die Gesamtabscheideleistung zu
verbessern. Das dafür in Frage kommende Material muß eine filternde Funktion
erfüllen, gut abreinigbar und formstabil sein. Des weiteren muß dieses patronen-
förmige Tauchrohr die auftretenden Temperaturen und eventuellen Funkenflug
funktionssicher überstehen. Der Kombiabscheider ist in Abbildung 2 schematisch
dargestellt.
Abbildung 2: Kombiabscheider (schematisch)
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Im Rahmen des Forschungsprojektes sind verschiedene Loch- und Schlitzfolien
sowie Metallgewebe auf ihre Eignung für diese Aufgabe mit der vorgesehenen
Filtermaterialprüfung nach VDI 3926 untersucht worden. Da für den Einsatz der
dritten, katalytischen Abscheiderstufe möglichst niedrige Staubgehalte erforderlich
sind, fand eine besondere Berücksichtigung der mit den Filtermaterialien erzielbaren
Entstaubungsleistung statt. Das ausgewählte Metallgewebe PZ 17 zeichnete sich bei
den Untersuchungen zur Filtermaterialprüfung zum einen durch eine ausreichende
Stabilität und zum anderen durch eine gute bis sehr gute Entstaubungsleistung aus,
mit der teilweise Reingaswerte von unter 1 mg/m³ erreicht werden konnten. Die
Materialkennwerte für das Metallgewebe PZ 17 sind in der folgenden Tabelle
aufgeführt.
Umgekehrtes Trassengewebe PZ 17
Drahtdurchmesser Kette / Schuß 0,04 mm / 0,13 mm
Maschenweite 22 µm
Porosität 49 %
Luftdurchlässigkeit 540 l/dm² min
Gewebedicke 0,21 mm
Gewicht 0,83 kg/m²
Werkstoff rostfreier Stahl
Materialart 1.4301 (DIN)
Legierung X5 CrNi 17
Temperaturbeständigkeit 600°C
Tabelle 1: Materialkennwerte für das Metallgewebe PZ 17
Das Filtermaterial wird plissiert in eine Patronenform gebracht. Bei den relativ
geringen Außenabmessungen, einer Länge von 1300 mm und einem Durchmesser
von 327 mm, ergibt sich eine Filterfläche von 9 m². Für den Einsatz des Kombi-
abscheiders bei einem maximalen Volumenstrom von 600 m³/h ergibt sich eine
Filterflächenbelastung von 67 m³/m²h. Für diesen Betriebspunkt konnten in den
Laboruntersuchungen noch stabile Betriebspunkte ermittelt werden. Eine weitere
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Steigerung des Gasdurchsatzes wäre zwar für den Zyklonteil möglich, allerdings
führt er zu einer wesentlichen Erhöhung des Druckverlustes an der zweiten,
filternden Stufe. In Abbildung 3 ist der Verlauf des Druckverlustes als Parameter des
Volumenstrom aufgezeigt. Erwartungsgemäß ergibt sich für die Kombination von
Zyklon und Filterpatrone der höchste Druckverlust. Eine Verringerung des Zyklon-
Druckverlustes wird durch den Einbau einer gelochten Tauchrohrverlängerung
erzielt; diese Verringerung kann durch eine geänderte Strömung im Zyklon erklärt
werden. Das gelochte Tauchrohr führt beim Einsatz mit der Filterpatrone zu einer
Trennung der Zyklonströmung von der Filteranströmung und gleichzeitig zu einer
Unterteilung des Abscheideraums für eine getrennte Staubaustragung.
Abbildung 3: Druckverlust für Zyklon und Filterpatrone
Das patronenförmige Tauchrohr wird ähnlich den filternden Abscheidern zeit- bzw.
druckverlustgesteuert abgereinigt, um einen kontinuierlichen Betrieb des
0
100
200
300
400
500
600
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Volumenstrom [m³/h]
Zyklon mit Filterpatrone
Zyklon
Zyklon mit gelochtem Tauchrohr
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Kombiabscheiders zu gewährleisten. Dabei kommt das Pulse-Jet-Verfahren zum
Einsatz. Der Regenerierungseffekt beruht bei diesem Verfahren auf der kurzzeitigen
Umkehr der Strömungsrichtung, so daß der an der Filterpatrone abgeschiedene
Staub abgereinigt werden kann. Bei metallischen Filterelementen ist im Gegensatz
zu nicht starren Filtermaterialien vor allem der Spüleffekt maßgebend für die
Abreinigungswirkung. Falls besondere Betriebsbedingungen es erforderlich machen,
ist auch der Einsatz von Strömungsleiteinrichtungen zur Verbesserung der
Abreinigungswirkung möglich.
In den Laboruntersuchungen mit Teststaub konnte mit dem Zyklon eine Abscheide-
leistung von 92% erzielt werden. Durch den Einsatz der Filterpatrone ließ sich diese
Abscheideleistung auf Werte von über 99% steigern; der Reingasstaubgehalt lag bei
dieser Betriebsweise bei etwa 1 mg/m³. In Tabelle 2 sind exemplarisch Reingas-
staubgehalte und Abscheidegrade für den längeren Versuchsbetrieb aufgeführt.
Gasdurchsatz [m³/h] Reingasstaubgehalt [mg/m³] Abscheidegrad [%]
Minimum Maximum Minimum Maximum
500 0,5 3,7 99,6 99,9
600 1,7 6,8 99,3 99,8
für einen Rohgasstaubgehalt von 1 g/m³ (Teststaub: Schiefermehl)
Tabelle 2: Reingasstaubgehalt und Abscheidegrad für Laborversuche
Die Wirkungsweise der zweistufigen Staubabscheidung spiegelt sich deutlich in der
Korngrößenverteilung der abgeschiedenen Stäube wider. In der ersten Stufe der
Staubabscheidung, im Zyklon, wird eindeutig die Grobfraktion des Aufgabegutes
abgeschieden, während an der Filterpatrone der Feinstaub zurückgehalten werden
kann. Bei einer mittleren Korngröße des verwendeten Teststaubes von 8 µm ermittelt
man bei einem Gasdurchsatz von 600 m³/h im Zyklon 18 µm und an der Filterpatrone
4,5 µm als mittlere Korngröße. Die ausgetragenen Massenanteile liegen dabei etwa
im Verhältnis von 60% für den Zyklon und 40% für die Filterpatrone. Aufgrund der
durchgeführten zweistufigen Staubabscheidung bietet sich eine getrennte
Behandlung der Stäube an. Eine Reihe von Veröffentlichungen in den vergangenen
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Jahren haben gezeigt, daß die anfallenden Stäube bei der Biomasseverbrennung
sehr fein sein können und die Fraktionen von Korndurchmessern kleiner 4 µm
besonders schadstoffbeladen sind. So eignet sich der Kombiabscheider ideal für eine
getrennte Behandlung der Fein- und Grobstaubfraktion. Bereits während der
Konstruktionsphase ist durch eine Zweiteilung des Zyklonbunkers eine gesonderte
Behandlung des Feinstaubes getrennt vom Grobstaub ermöglicht worden.
3. Teilstromversuchsanlage
Im Rahmen der zweiten Projektphase sind die Untersuchungen zur kombinierten
Staub- und Schadgasabscheidung an einer realen Biomasse-Verbrennungsanlage
fortgeführt worden. Der Kombiabscheider ist im Teilstrom einer Holzfeuerung mit
4,4 MW thermischer Leistung in der Nähe von Dresden getestet worden. Für den
Teilstrom von 1300 m³/h kamen zwei Kombiabscheider zum Einsatz. Die parallel zur
Entstaubung durchgeführte Schadgasuntersuchung fand im entstaubten Rohgas
statt. Da das Temperaturniveau des Rauchgases nicht beeinflußt werden konnte,
mußte ein entstaubter Teilvolumenstrom zur Schadgasuntersuchung wiederauf-
geheizt werden. Die Rohgasdaten der Holzfeuerung wiesen sehr starke zeitliche
Schwankungen auf, so daß teilweise extreme Erprobungssituationen auftraten. Der
Staubgehalt variierte im Bereich von 500 bis 1000 mg/m³, die Rauchgastemperatur
im Bereich von 120 bis 190°C. Die einzelnen Rauchgasbestandteile unterlagen sehr
starken Schwankungen aufgrund der Anlagenführung.
Abbildung 4 zeigt eine Ansicht der beiden Kombiabscheider mit den Rauchgas-
leitungen zur Teilstromentnahme. Im rechten Bereich ist der Multiklon zur
Entstaubung der gesamten Verbrennungsanlage zu erkennen. Die Meßgeräte und
Hilfseinrichtungen sind in dem Container untergebracht, der gleichzeitig die beiden
Kombiabscheider trägt.
In den Laboruntersuchungen wurde sowohl die On-Line-Abreinigung als auch die
Off-Line-Abreinigung untersucht. Aufgrund der Auslegung der Teilstrom-Versuchs-
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anlage mit zwei Kombiabscheidern wurde während der Untersuchungen an der
Holzverbrennung eine Off-Line-Abreinigung der Patronenfilter durchgeführt.
Abbildung 4: Teilstromversuchsanlage an Holzfeuerung
Das Rohgas der Verbrennungsanlage wies bei einem durchschnittlichen Staubgehalt
von 1 g/m³ mit dp50 ≈ 50 µm eine deutlich gröbere Korngrößenverteilung auf als der
während der Laboruntersuchungen verwendete Teststaub (dp50 ≈ 8 µm). Nach einer
erforderlichen Grundbestaubung der Filterelemente stellte sich nach einer
Anlagenlaufzeit von etwa 24 h ein quasistabiles Betriebsverhalten des Kombizyklons
ein. Dieses Einschwingverhalten ist charakterisiert durch einen systematischen
Anstieg des Druckverlustes der Filterelemente bis zum oberen Druckverlustendwert.
Gleichzeitig sinkt die Reingasstaubkonzentration mit zunehmender Anlagenlaufzeit,
bedingt durch den Filterkuchenaufbau am Filterelement und einer höheren
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Staubeinlagerungsrate im Filtermaterial. In Abbildung 5 ist dieser Zusammenhang
aus dem Diagramm deutlich zu ersehen. Man erkennt den ansteigenden Bereich für
die Filterpatronen, der durch einen oberen und unteren Druckverlustwert begrenzt
wird. Die Reingasstaubkonzentration sinkt nach Beginn der Filtrationsphase
kontinuierlich ab und geht zusammen mit dem Druckverlust in einen konstanten
Verlauf über.
Abbildung 5: Kenndaten der Filterpatrone über der Meßzeit
Bedingung für den effektiven Einsatz von Staubabscheidern ist eine stabile
Betriebsweise. Für eine hohe Abreinigungsintensität konnte auch an der
Teilstromversuchsanlage dieses Betriebsverhalten erreicht werden. Dabei stellte sich
ein mittlerer Druckverlust von 1200 Pa bei Filterflächenbelastungen von 50 m³/m²h
an den Filterpatronen ein.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00
Meßzeit [h]
0
3
6
9
12
15
18
21
Filterpatrone 2
Filterpatrone 1
Sigrist-Photometer
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Es konnten mit dem Kombizyklon an der Teilstromversuchsanlage Reingas-
konzentrationen von 5 mg/m³ ermittelt werden. Diese gegenüber den Labor-
untersuchungen erhöhten Reingaskonzentrationen ergeben sich aus den
unterschiedlichen Staubeigenschaften und realen Rauchgasbedingungen. Darüber
hinaus sind in der Erprobung aufgrund der Anordnung der Teilstromversuchsanlage
verschiedene Schwierigkeiten mit der Pulse-Jet-Abreinigung aufgetreten. Für eine
stabile Untersuchungsphase von über 1200 Betriebsstunden lassen sich aber die in
Tabelle 3 aufgeführten mittleren Roh- und Reingasstaubkonzentrationen angeben.
Mittlere Staubkonzentration Abscheidegrad
Rohgas Reingas
mg/m³ i.N. mg/m³i.N. %
1070 6,3 99,41
1010 8,0 99,21
1440 7,1 99,51
720 5,8 99,19
1460 4,8 99,67
1560 5,6 99,64
∅ kRoh = 1210 mg/m³i.N. kRein = 6,3 mg/m³i.N. η = 99,44 %
Tabelle 3: Mittlere Roh- und Reingasstaubkonzentrationen
Mit dem Kombizyklon konnte auch bei der Staubabscheidung an der Teilstrom-
versuchsanlage eine Aufteilung in Grob- und Feinstaub erfolgreich durchgeführt
werden. Parallel zu der geänderten Rohgaszusammensetzung ergibt sich eine
andere Aufteilung der Grob- und Feinfraktion im Kombizyklon. Die Feinfraktion
bewegte sich im dp50-Bereich von 10...15 µm, während für die Grobfraktion ein
dp50-Bereich von 50...150 µm ermittelt wurde. Die schwankenden Korngrößen-
bereiche ergeben sich aus den unterschiedlichen Betriebsphasen der Holzfeuerung.
Die Massenanteile von Grob- und Feinstaub lagen mit einem Verhältnis von 80%
zu 20% ähnlich wie bei den Laboruntersuchungen. In Tabelle 4 sind die
durchschnittlichen Trenngrade für die zweistufige Staubabscheidung des Kombi-
zyklons aufgeführt.
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Volumenstrom Flugstaubaustrag
Filterpatrone 1 Zyklon 1 Filterpatrone 2 Zyklon 2
m³/h % % % %
900 20 80 20 80
850 20 80 20 80
800 21 79 21 79
Tabelle 4: Massenanteile des getrennten Staubaustrages vom Kombizyklon
Es läßt sich ein stabiles Trennverhalten von 1 : 4 für die Abscheidung an der Filter-
patrone und im Zyklon unabhängig von variierenden Betriebsparametern ermitteln.
Die Zielstellung einer eindeutigen Abtrennung der Feinkornfraktion konnte somit
auch an der Teilstromversuchsanlage bestätigt werden. Wie zuvor bereits erwähnt,
ist eine getrennte Behandlung der Grob- und Feinfraktion aufgrund der unter-
schiedlichen Schadstoffbelastung anzustreben. Aus der Gegenüberstellung der
Schwermetallgehalte der abgeschiedenen Zyklonstäube und der Filterpatronen-
stäube geht deutlich hervor, daß eine Anreicherung von Schwermetallen in der
Feinfraktion stattfindet. In Abbildung 6 ist die Analyse der Grob- und Feinfraktion
beispielhaft für Zink, Mangan und Blei dargestellt.
Zink Mangan Blei0
5000
10000
15000
20000
25000
Sch
wer
met
allg
ehal
t [m
g/k
g T
S]
Zink Mangan Blei
Staubaustrag - FilterpatroneStaubaustrag - Zyklon
Abbildung 6: Staubanalyse der Grob- und Feinfraktion
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Eingeschränkt werden die Untersuchungsergebnisse durch die extreme
Erprobungssituation des Kombizyklons an der Teilstromversuchsanlage durch den
intermittierenden Betrieb der Holzfeuerung.
4. Zusammenfassung
Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, daß durch die Modifikation eines
konventionellen Zyklons eine wesentliche Steigerung der Abscheideleistung erzielt
werden kann. Die Staubabscheidung erfolgt zweistufig in einem Zyklonteil und an der
als Tauchrohr ausgebildeten Filterpatrone. Damit können Reingasstaubgehalte
erzielt werden, die den Einsatz eines integrierten Katalysators ermöglichen.
Nach den Laboruntersuchungen der ersten Phase konnte im Rahmen der zweiten
Projektphase eine Teilstromversuchsanlage an einer Holzfeuerung in Betrieb
genommen werden. Grundsätzlich wurden dabei die Ergebnisse der
Laboruntersuchungen bestätigt. Allerdings ergab sich aufgrund der teilweise
extremen Betriebsbedingungen eine außergewöhnliche Erprobungsphase. Die
Untersuchungsergebnisse können daher nicht ohne weiteres auf andere
Industrieanlagen übertragen werden. Es ist daher geplant, die Untersuchung des
Kombizyklons im Technikumsmaßstab unter definierten Betriebsbedingungen an
einer vorhandenen Versuchsfeuerung weiter fortzuführen. Unter anderem besteht
dabei auch die Möglichkeit, weitere Filtermaterialien einzusetzen und für den Einsatz
im Kombizyklon zu optimieren.
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Literatur
[1] Görner, K.; Schulz, R.; Cramer, C.; Spliessgardt, H.; List, M.; Ritscher, G.; Thieme, S.;
„Untersuchungen zur kombinierten Staub- und Schadgasabscheidung bei der Energieerzeugung
aus Biomasse“, Zwischenbericht; Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Osnabrück, 1997
[2] Görner, K.; Schulz, R.; Cramer, C.; Spliessgardt, H.; List, M.; Hartig, P.; Heidenreich, R.;
Ritscher, G.; Thieme, S.; „Untersuchungen zur kombinierten Staub- und Schadgasabscheidung
bei der Energieerzeugung aus Biomasse“, Abschlußbericht, Deutsche Bundesstiftung Umwelt,
Osnabrück, 1998