low-emission-verbrennungssystem (levs) für die verbrennung von

Zusammenarbeit. Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft und. Energie BMWi. Scharnhorststr. 34-37. 10115 Berlin. Postanschrift: 11019 Berlin. Administrative Koordination: Projektträger Jülich. Postfach 61 02 47. 10923 Berlin. Industriepartner: HDG Bavaria GmbH Heizsysteme für Holz. Siemensstraße 22.

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Kommentar

F R A U N H O F E R -I N S T I T U T F ÜR B A U P HY S I K I B P

LOW-EMISSION-VERBRENNUNGSSYSTEM (LEVS) FÜR DIE VERBRENNUNG VON FESTEN BRENNSTOFFEN IN VERGASERKESSELN

ABSCHLUSSBERICHT ÜBER EIN FORSCHUNGSPROJEKT GEFÖRDERT VOM BUNDESAMT FÜR WIRTSCHAFT UND ENERGIE (03KB093A)

Dr.-Ing. Mohammad Aleysa Prof. Dr.-Ing. Philip Leistner

Stuttgart, 28. Februar 2017

Vorwort: Der vorliegende Abschlussbericht zum Thema Low-EmissionVerbrennungssystem entstand im Fachgebiet Verbrennungssysteme des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP im Rahmen des Projekts mit dem Förderkennzeichen 03KB093A von Oktober 2014 bis September 2016. Unser herzlichster Dank geht an das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi und an den Projektträger Jülich für die administrative und finanzielle Unterstützung zur Durchführung dieses Projekts. Danken möchten wir auch der Firma HDG Bavaria GmbH, die dieses Projekt sowohl fachlich als auch technisch durch die Bereitstellung der Versuchsverbrennungsanlage sowie des Heizkesselprototyps unterstützt und mit durchgeführt hat. Unser spezieller Dank gilt Herrn Martin Ecker, dem Geschäftsführer der Firma HDG Bavaria GmbH, Herrn Joachim Kobold und Herrn Christoph Maier für die produktive Zusammenarbeit. Ferner gilt unser Dank allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie Diplomanden und Doktoranden des Fachgebiets Verbrennungssysteme des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP für ihre kooperative und produktive Zusammenarbeit.

Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi Scharnhorststr. 34-37 10115 Berlin Postanschrift: 11019 Berlin

Administrative Koordination: Projektträger Jülich Postfach 61 02 47 10923 Berlin

Industriepartner: HDG Bavaria GmbH Heizsysteme für Holz Siemensstraße 22 84323 Massing

2

Abschlussbericht LEVS-Projekt, Förderkennzeichen 03KB093A

Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP

Inhaltsverzeichnis 1

Einleitung

11

2

Ziele und Inhalt des Projekts

13

3

Stand des Wissens und der Technik

15

3.1

Immissionsschutzrechtliche Anforderungen an Heizkessel für feste Brennstoffe in Deutschland und in Europa Emissionsanforderungen gemäß der 1. BImSchV Emissionsanforderungen gemäß der Ökodesignrichtlinie 2009/125/EG

3.1.1 3.1.2 3.2

15 15 18

Grundlagen zur thermochemischen Umwandlung von Brennstoffen

20

3.3 3.3.1 3.3.2

Schadstoffbildung und primäre Reduktionsmöglichkeiten Staubförmige Schadstoffemissionen Gasförmige Schadstoffemissionen

23 24 26

3.4

Vergasungsprozess in Scheitholzvergaserkesseln

29

3.5

Verbrennungskonzepte der auf dem Markt erhältlichen Vergasertechniken

34

3.6

Konzeptionelle Problematik der herkömmlichen Vergaserkessel

36

3.7

Regelungstechnische Problematik der herkömmlichen Vergaserkessel

37

Verfahrenstechnische Grundlage des Low-EmissionVerbrennungssystems

40

4.1

Technischer Aufbau des Low-Emission-Verbrennungssystems

40

4.2

Neuheitsgrad, Besonderheit und Vorteile des Low-EmissionVerbrennungssystems

42

4

4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6

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Auslegung des Low-Emission-Verbrennungssystems Primär- und Sekundärluftverteilungssystem Brennstoffanzündungssystem Auslegung des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems Auslegung der Zyklonbrennkammer Auslegung der Einbautentechnik zum Einsatz in Heizkesseln Ermittlung des Druckverlusts im gesamten Low-EmissionVerbrennungssystem

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44 44 51 53 65 76 90

3

5

Technische Einrichtungen zur Versuchsdurchführung und verwendete Brennstoffe

92

5.1

Versuchs- und Prüfstand

92

5.2

Abgasanalyse und sonstige Sensorik mit dem Datenerfassungssystem

95

Versuchsverbrennungsanlage, Vergaserkessel auf Basis des Low-Emission-Verbrennungssystems

98

5.4

Verwendete Brennstoffe

98

6

Untersuchungsergebnisse des Low-EmissionVerbrennungssystems

100

6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3

Verbrennungs- und Abbrandverhalten Verbrennungs- und Abbrandverhalten von Buchenscheitholz Verbrennungs- und Abbrandverhalten von Fichtenscheitholz Verbrennungs- und Abbrandverhalten von Hackschnitzel

101 102 105 107

6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3

Emissionsverhalten beim Betrieb des Low-EmissionVerbrennungssystems Untersuchung zu gasförmigen Emissionen Untersuchungen zum Feinstaub gemäß VDI 2066-1 Zusammenfassung der Emissionsergebnisse

110 110 122 124

6.3

Strömungstechnisches Verhalten im Heizkessel

126

6.4

Effizienz und Wirkungsgrad der Verbrennung im LEVS

129

7

Bewertung des Low-Emission-Verbrennungssystems

134

7.1

Bewertung der LEVS-Komponenten auf die Emissionsminderung, die Effizienzerhöhung und die Stabilität des Betriebs 134 Einfluss des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems auf die Emissionsminderung 134 Einfluss der Nachbehandlungsstufe auf die Emissionsminderung 137 Einfluss der Zyklonbrennkammer auf die Feinstaubabscheidung 139

5.3

7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.2

4

Bewertung der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse

141

7.3

Ökologische Bewertung des LEVS

143

8

Entwicklung einer Grundlage für die Regelung des LowEmissino-Verbrennungssystems 145

8.1

Anforderungen an die Regelung zum Einsatz im LEVS

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145

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8.2

Entwicklungsumgebung, Hard- und Software für die Entwicklung und praktische Umsetzung der LEVS-Regelung

147

8.3

Besonderheiten und Vorteile des Regelungskonzepts

149

8.4

Effektivität und Regelbarkeit des Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems

151

Umsetzbarkeit des Low-Emission-Verbrennungssystems in der Praxis

153

10

Verwertung der erzielten Ergebnisse

155

11

Zusammenfassung und Ausblick/ Summary and Outlook 157

9

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5

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1:

Abbildung 2:

Abbildung 3:

Abbildung 4:

Abbildung 5: Abbildung 6:

Abbildung 7: Abbildung 8: Abbildung 9: Abbildung 10: Abbildung 11:

Abbildung 12: Abbildung 13: Abbildung 14:

Abbildung 15:

Abbildung 16: Abbildung 17:

6

Vereinfachte Darstellung der thermischen Umwandlung biogener Festbrennstoffe mit der Schadstoffbildung...........................................................23 Verbrennungskonzepte der auf dem Markt verfügbaren Scheitholzvergaserkessel, links: Unterbrand- bzw. Sturzbrandprinzip, rechts: seitliches Abbrandprinzip...............................................................34 Querschnitt des Heizkessels mit den drei innovativen Bestandteilen (Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhrund Abgasfördersystem, Zyklonbrennkammer und Einbautentechnik) des LEVS.............................................40 Schematische Darstellung der Grundfläche des Vergasungsraums mit der Sekundärluftdüse sowie mit dem Flächenprinzip zur Verteilung von Primärluft. ...........46 In der Versuchsverbrennungsanlage verwendete Sekundärluftdüse mit dem Brenngaskanal. ......................49 Brennstoffschicht aus Zeitungspapier (links) und feinen Holzstücken (rechts) für eine sachgemäße Anzündung. ...................................................................52 Abmessungen eines Zyklons mit den geometrischen Verhältnissen. .................................................................68 Fraktionsabscheidegradkurven für verschiedene Typen von Zyklonen. .................................................................72 Abmessungsbezeichnung für ein Einbautenmodul. ..........84 Technische Einrichtungen zur Versuchsdurchführung. ......92 Hydraulischer Schaltplan für das im Rahmen des LEVS entwickelten eingesetzten Wärmeabfuhrsystems zur Simulation des Betriebs von Heizkesseln. .........................94 Abgasanlage mit Abgasprobenentnahme und Messsystemen gemäß DIN EN 303-5 und DIN EN 304. .....96 Verwendete Brennstoffe bei der Entwicklung des LEVS...............................................................................99 Thermografische Bildaufnahme zur Erkennung der Wärmeverluste in dem eingesetzten LEVS-Prototyp während des Betriebs....................................................132 Im unteren Teil der Zyklonbrennkammer gesammelte Stäube nach der Verbrennung von circa drei Tonnen Buchenscheitholz (sechs Gitterboxen). ...........................140 Der im Rahmen des LEVS-Projekts eingesetzte Versuchsregler auf Basis von SPS. ..................................145 Vorläufiger Umsetzungsplan der Firma HDG Bavaria GmbH für die Verwertung der Forschungsergebnisse des LEVS-Projekts..........................................................155

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Diagrammverzeichnis Diagramm 1:

Diagramm 2: Diagramm 3:

Diagramm 4: Diagramm 5: Diagramm 6: Diagramm 7:

Diagramm 8:

Diagramm 9:

Diagramm 10:

Diagramm 11:

Diagramm 12:

Diagramm 13:

Diagramm 14:

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Abhängigkeit des unteren Heizwerts des Brenngases von der zugeführten Primärluftmenge sowie des Wassergehalts des Brennstoffs (Buchenholz) mit der minimalen erforderlichen Glutbetthöhe für eine stabile Vergasung. ..........................................................30 Tanner-Dreieck zur Bestimmung der Brennbarkeit und des Heizwertes von festen Brennstoffen. .........................33 Kohlenstoffmonoxid bei einem typischen Betrieb eines herkömmlichen Vergaserkessels. Das Diagramm unten ist mit einer angepassten Skalierung der YAchse dargestellt. ...........................................................35 Kennlinien von zwei Typen von Radialgebläsen, Typ HRG 134und Typ RG 128. ........................................63 Förderleistung des im LEVS eingesetzten Saugzuggebläses im Eingebauten Zustand. ......................64 Berechnete theoretische Abscheidegradkurve für die Zyklonbrennkammer des LEVS-Prototyps. ........................73 Druckverlust in der Zyklonbrennkammer, gemessen (schwarze Linie) und berechnet (rote Linie) gemäß der Gleichung 43. .................................................................76 Druckverlust im Einbautenmodul, gemessen (schwarze Linie) und berechnet (rote Linie) gemäß der Gleichung 43. .................................................................89 Gesamtdruckverlust im Heizkessel bzw. LEVSPrototyp, gemessen (schwarze Linie) und berechnet (rote Linie) gemäß der Gleichung 43 bzw. der Gleichung 31. .................................................................90 Sauerstoffgehalt im Abgas, Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Buchenscheitholz im LEVS. ............................................104 Volumenströme von Primärluft, Sekundärluft und Abgas, Sauerstoffgehalt sowie Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid im Abgas bei der Verbrennung von Buchenscheitholz im LEVS. ............................................104 Sauerstoffgehalt im Abgas, Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz im LEVS. ............................................106 Volumenströme von Primärluft, Sekundärluft und Abgas, Sauerstoffgehalt sowie Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid im Abgas bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz im LEVS. ............................................107 Sauerstoffgehalt im Abgas, Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Hackschnitzel im LEVS...................................................108 Abschlussbericht LEVS-Projekt, Förderkennzeichen 03KB093A

7

Diagramm 15:

Diagramm 16:

Diagramm 17:

Diagramm 18:

Diagramm 19:

Diagramm 20:

Diagramm 21:

Diagramm 22:

Diagramm 23: Diagramm 24:

Diagramm 25:

Diagramm 26: Diagramm 27:

Diagramm 28:

8

Volumenströme von Primärluft und Sekundärluft, Sauerstoffgehalt sowie Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid im Abgas bei der Verbrennung von Hackschnitzel im LEVS...................................................109 Sauerstoffgehalt, Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Buchenscheitholz im LEVS. .....................................111 Sauerstoffgehalt, Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz im LEVS. ......................................113 Sauerstoffgehalt, Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Hackschnitzel im LEVS. ...........................................114 Sauerstoffgehalt, Konzentrationen von Gesamtkohlenwasserstoffen und Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Buchenscheitholz im LEVS..................116 Sauerstoffgehalt, Konzentrationen von Gesamtkohlenwasserstoffen und Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz im LEVS. .................118 Sauerstoffgehalt, Konzentrationen von Gesamtkohlenwasserstoffen und Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Hackschnitzel im LEVS. ......................119 Konzentrationen an Stickstoffoxiden bei der Verbrennung von Buchen- und Fichtenscheitholz sowie Hackschnitzel im LEVS. ........................................121 Staubkonzentrationen bei der Verbrennung von unterschiedlichen Brennstoffen im LEVS. .......................123 Mittlere Abgasvolumenströme in der Abgasanlage im Norm- und Betriebszustand, in der Zyklonbrennkammer und in der Einbautentechnik im Betriebszustand. ...........................................................127 Mittlere Temperaturen in der Abgasanlage im Normund Betriebszustand, in der Zyklonbrennkammer sowie im unteren sowie oberen Bereich des Einbautenmoduls im Betriebszustand. ...........................127 Druckverluste im LEVS während des Betriebs. ................128 Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und Stäuben bei Variation des Abgasförderdrucks im LEVS...........................................129 Mindestwirkungsgrade von Heizkesseln gemäß DIN EN 303-5. ..............................................................131

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Diagramm 29:

Diagramm 30:

Diagramm 31: Diagramm 32: Diagramm 33:

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Feuerungsleistung und Wärmeleistung bzw. Relativwerte der Wärmeverluste bezogen auf die Feuerungsleistung bei einem Betrieb vom LEVS mit Buchenscheitholz. .........................................................133 Emissionen bei dem Betrieb des LEVS (Zyklonbrennkammer und Nachbehandlungsstufe) mit dem Gebläse-Zwei-Klappen-Verbrennungsluftzufuhrund Abgasfördersystem. ...............................................135 Verteilung der Partikelanzahlkonzentrationen mit und ohne Nachbehandlungsstufe im LEVS. ...........................139 Konzentrationen und Korngrößenverteilung des im Heißzyklon gesammelten Feinstaubs..............................141 Einstellung der Primär- und Sekundärluft für die Einhaltung einer günstigen Kesseltemperatur von ca. 83 °C und eines Lambdawerts von 1,3. .........................152

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9

Tabellenverzeichnis Tabelle 1:

Tabelle 2:

Tabelle 3:

Tabelle 4:

Tabelle 5:

Tabelle 6:

Tabelle 7: Tabelle 8: Tabelle 9: Tabelle 10: Tabelle 11:

Tabelle 12: Tabelle 13: Tabelle 14:

Tabelle 15:

10

Emissionsgrenzwerte für Staub und Kohlenstoffmonoxid nach der 1. BImSchV für Heizkessel.......................................................................16 Immissionsschutzrechtliche Anforderungen nach der 1. BImSchV beim Einsatz der Brennstoffe Nummer 8 und 13 (§ 3 Abs. 1). ........................................................17 Emissionsgrenzwerte und Jahresnutzungsgrad bei Festbrennstoffkesseln für feste Brennstoffe gemäß vorläufiger Ökodesign-Richtlinie. .....................................18 Verbrennungstechnische Kenndaten von naturbelassenen wasserfreien Hölzern [Mittelwerte nach Hartmann et al. 2000 und Spliethoff et al. 1996]. ............................................................................31 Angaben über den Druckverlust, Verbrennungsluftund Abgasvolumenstrom für die Auslegung des Primärluft-, Sekundärluft- und Saugzuggebläses. .............61 Bewertung der Struktur bezüglich des Einsatzes in handbeschickten biomassebetriebenen Einzelraumfeuerungsanlagen [Aleysa et al. 2015].............81 Erforderliche Angaben zur Auslegung der Einbautentechnik. ...........................................................82 Mittelwerte der Emissionen bei der Verbrennung von Buchenscheitholz. .........................................................124 Mittelwerte der Emissionen bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz. .........................................................125 Mittelwerte der Emissionen bei der Verbrennung von Hackschnitzel. ..............................................................125 Vergleich der Emissionen und Verbrennungseffizienz beim LEVS mit dem Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem sowie mit dem Gebläse-Zwei-KlappenVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem. .........137 Emissionen und Wirkungsgrade bei der Verbrennung im LEVS. .......................................................................138 Bewertung der Wiederholbarkeit und der Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. ........................142 Vergleich der Emissionen und des Wirkungsgrads zwischen dem LEVS und einem Vergaserkessel gemäß dem Stand der Technik beim Einsatz von Buchenscheitholz und einer thermischen Leistung von 50 kWth. .......................................................................144 Zusammenhänge zwischen den Regelakteuren und Regelgrößen bei der Regelung des Verbrennungsprozesses im LEVS. ..................................148

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Einleitung Nach den vorliegenden Erkenntnissen sind die häuslichen Kleinfeuerungsanlagen eine nicht zu vernachlässigende Quelle für Feinstaub und andere Schadstoffe wie Kohlenstoffmonoxid (CO), flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) [Klippel et al. 2006, BMU 2007]. In den deutschen Haushalten werden derzeit etwa 700.000 biomassebetriebene Heizkessel mit einer mittleren thermischen Leistung von circa 35 kW betrieben, die meistens mit Scheithölzern, Pellets oder Holzhackschnitzeln beschickt werden. Tendenziell werden durch die zunehmende Anzahl an Passiv- und Niedrigstenergiegebäuden immer mehr biomassebetriebene Heizkessel zur zentralen Erwärmung von Trink- und Heizungswasser zum Einsatz kommen. Die Schadstoffminderung in Biomassefeuerungsanlagen erfolgt durch Präventiv-, Primär- und Sekundärmaßnahmen. Präventivmaßnahmen sind gesetzliche und rechtliche Maßnahmen, die durch Verordnungen, Normen und Richtlinien geregelt werden. Dadurch werden die Zulassung, die Errichtung und die Beschaffenheit von Feuerungsanlagen für die Herstellung und für den Betrieb in der Praxis rechtlich festgelegt. Eine zukünftig wichtige Präventivmaßnahme zur Regulierung des eingesetzten Brennstoffs, der Anlagentechnik und des Betreiberverhaltens ist die permanente Betriebsüberwachung. Dank modernster Sensor- und Mikrocontrollertechnik lässt sich eine permanente Betriebsüberwachung für Heizkessel technisch und wirtschaftlich sinnvoll umsetzen, sodass im Vergleich zur heutigen Überwachung gemäß der 1. BImSchV eine bessere Bewertung und Monitoring des Betriebs von Biomasseheizkesseln umzusetzen ist. Unter Primärmaßnahmen sind Maßnahmen zu verstehen, die beispielsweise als Verbesserungen der Konzeption, der Konstruktion oder der Regelung des Prozesses zu ergreifen sind. Außerdem können Primärmaßnahmen anhand von integrierten Technologien umgesetzt werden. Diese integrierten Technologien gewährleisten funktionelle Verbesserungen des Prozesses und kommen meistens vor dem Wärmetauscher bzw. vor der Abkühlung des Abgases zum Einsatz. Die Besonderheit der Primärmaßnahmen hinsichtlich der Anwendung in Biomasseheizkesseln liegt darin, dass sie eine sichere Funktion hinsichtlich der Minderung von Schadstoffen und der Erhöhung der Verbrennungseffizienz leisten. Darüber hinaus lassen sie sich wirtschaftlicher, sicherer sowie einfacher in der Praxis implementieren und betreiben. Der Einsatz von Sekundärmaßnahmen erfolgt in der Regel über nachgeschaltete Systeme wie beispielsweise Staubabscheider, deren Betrieb meistens mit einem hohen technischen und wirtschaftlichen Aufwand verbunden ist. Soll die Schadstoffminderung ausschließlich durch nachgeschaltete Abgasbehandlungssysteme (Sekundärmaßnahmen) praktiziert werden, wird der Einsatz von Kleinfeuerungsanlagentechnik zur

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Bereitstellung von Wärme und Warmwasser in vielen Bereichen aus folgenden Gründen eingeschränkt: − Hohe Anschaffungs-, Wartungs- und Pflegekosten im Vergleich zu den Kosten der Kleinfeuerungsanlagen ohne nachgeschaltete Abgasbehandlungssysteme. − Platzbedarf. Bezüglich des Einsatzes im Haushalt stellt der Platzbedarf einen entscheidenden Faktor für den Einsatz der Biomassekleinfeuerungsanlagen dar. Für den Einsatz einer Abgasbehandlungsanlage sollte entsprechend Platz geplant und zur Verfügung gestellt werden. − Beim Einsatz von Abgasbehandlungssystemen im Haushaltsbereich müssen bestimmte Anforderungen und entsprechende Sicherheitsmaßnahmen aus Versicherungsgründen eingehalten werden. Das führt zu hohen Kosten und somit zur erschwerten Akzeptanz bei vielen Nutzern. Der Einsatz von Hochspannung wie beim Elektroabscheider oder Druckbehälter wie bei Oberflächenfilter (Abreinigungsfilter) im Haushalt ist kritisch zu betrachten. − Da solche Abgasbehandlungssysteme keine selbstlaufenden Systeme sind, ist mit entsprechenden Kompetenzen für den Betrieb solcher, meistens technisch komplizierten Systeme, vor Ort zu rechnen. Die technische Pflege, Reinigung, Wartung kann nur durch ausgebildete Fachkräfte durchgeführt werden, was die Erhöhung der Betriebskosten und somit die sinkende Akzeptanz bei Nutzern zur Folge hat. − Die bisher entwickelten Abgasbehandlungssysteme, vor allem Staubabscheider, zeigen bisher keine Stabilität im Dauerbetrieb. Sollten sie nicht entsprechend im Praxisbetrieb überwacht werden, ist die gewünschte Schadstoffminderung nur bedingt zu erreichen. Aufgrund der oben geschilderten Problematiken sollten Sekundärmaßnahmen erst eingesetzt werden, wenn die Möglichkeiten zur Verbesserung der Verbrennung durch Primärmaßnahmen vollständig ausgeschöpft sind bzw. nicht mehr ökonomisch und ökologisch sinnvoll umgesetzt werden können. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein innovatives Verbrennungskonzept bzw. –system (LEVS: Low-Emission-Verbrennungssystem) zur Minderung von staub- und gasförmigen Emissionen sowie Erhöhung der Verbrennungseffizienz erfolgreich entwickelt und unter praktischen Einsatzbedingungen erprobt. Der Ansatz des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP bei diesem Verbrennungssystem beruht darauf, dass die staub- und gasförmigen Schadstoffe durch eine verfahrenstechnische Kombination aus einer neuartigen Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasförderung (das sogenannte Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhrund Abgasfördersystem), einer Zyklonbrennkammer und einer neuartigen thermischen Nachbehandlungsstufe (die sogenannte Einbautentechnik) 12

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sicher und nachhaltig gemindert werden. Diese Kombination führt zu einer stabilen und vollständigen Verbrennung, unabhängig von dem eingesetzten Brennstoff sowie von den Betriebs- und Einsatzbedingungen, wodurch die Emissionsanforderungen gemäß der 1. BImSchV sowie der künftigen Ökodesign-Richtlinie im Praxisbetrieb ohne Probleme und Bedarf an Sekundärmaßnahmen eingehalten werden können. 2

Ziele und Inhalt des Projekts Im Rahmen dieses Projekts und im Zeitraum zwischen Oktober 2014 bis Ende September 2016 wurde ein innovatives Verbrennungssystem (LEVS) für Vergaserkessel entwickelt und unter praktischen Einsatzbedingungen erfolgreich erprobt. Dieses Verbrennungssystem gewährleistet sowohl eine Effizienzerhöhung als auch eine stabile, emissionsarme Verbrennung in allen Betriebsphasen unabhängig von dem verwendeten Brennstoff. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden die konstruktiven Auslegungsparameter und die Betriebsbedingungen des LEVS erforscht. Anhand der erhaltenen Versuchsergebnisse und in Kooperation mit der Firma HDG Bavaria GmbH wurde ein Prototyp konstruiert, hergestellt und über zirka 8 Monate dauererprobt. Bei der Erprobung wurden umfangreiche Untersuchungen zu staub- und gasförmigen Schadstoffemissionen (Gesamt- und Feinstäube, CO, CnHm und NOx), der Stabilität und der Effizienz der Verbrennung beim Einsatz verschiedener biogener Brennstoffe bei praxisnahen Betriebsbedingungen durchgeführt. Das Arbeitsprogramm zur Durchführung dieses Forschungsvorhabens hat zwei Entwicklungsphasen umfasst:  In der ersten Projektphase wurde das Verbrennungskonzept des LEVS anhand einer Versuchsverbrennungsanlage ausführlich unter bekannten Laborbedingungen erforscht.  Auf Basis der Forschungsergebnisse und den daraus erworbenen Erfahrungen und Erkenntnisse wurde in der zweiten Projektphase ein Prototyp angefertigt und über eine Betriebszeit von 16 Monaten beim Einsatz unterschiedlicher Brennstoffe (insgesamt ca. 32 Tonnen Scheitholz und vier Tonnen Hackschnitzel) erprobt bzw. untersucht. Zur Beurteilung des Low-Emission-Verbrennungssystems wurden experimentelle Untersuchungen zum Abbrandverhalten vom Brennstoff bei der Vergasung, zum Verbrennungsverhalten von Brenngas, zum strömungstechnischen Verhalten, zur Effektivität und Regelbarkeit des Verbrennungsluftzufuhrsystems und zum Emissionsverhalten durchgeführt: − Abbrandverhalten vom Brennstoff bei der Vergasung (als BatchVerfahren): Die Untersuchungen zum Abbrandverhalten, das von der neuen Verbrennungsluftzufuhr beeinflusst wird, sind sehr wichtig für die Ermittlung der Betriebsgrenzen bzw. zur Bestimmung der

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Anforderungen an das Low-Emission-Verbrennungssystem. Ein wichtiger Aspekt ist die Untersuchung der Stabilität des Vergasungsprozesses bezüglich der geforderten thermischen Leistung des Heizkessels. − Verbrennungsverhalten während des gesamten Betriebs: Dazu gehören vor allem Untersuchungen zu Effizienz, Stabilität und Modellierbarkeit der Verbrennung, Temperaturverhalten und der Oxidationsleistung in der Nachbehandlungsstufe (Einbautentechnik) beim Einsatz verschiedener Einbauten. − Effektivität und Regelbarkeit des Verbrennungsluftzufuhrsystems: Beim Versuchsbetrieb wurde der Einfluss der Verbrennungsluftzufuhr auf den Vergasungsprozess sowie auf die Qualität und die Stabilität der Verbrennung in verschiedenen Betriebszuständen untersucht. Zudem wurde die Grundlage für die Entwicklung einer praxistauglichen Regelung bzw. den Betrieb der Versuchsverbrennungsanlage bzw. des Prototyps erarbeitet. − Strömungstechnisches Verhalten im Verbrennungssystem: Für die Verbrennung im Low-Emission-Verbrennungssystem ist die Untersuchung des strömungstechnischen Verhaltens von großer Bedeutung. Das strömungstechnische Verhalten beschreibt das Druckverlustverhalten in den Systembestandteilen während des Betriebs. Der Druckverlust im Verbrennungssystem ist ein wichtiger Parameter zur Bewertung der Betriebsstabilität des Verbrennungssystems. − Emissionsverhalten beim Betrieb des Low-EmissionVerbrennungssystems: Die Art und Menge der gebildeten gas- und staubförmigen Schadstoffemissionen sind sehr wichtige Parameter zur Beurteilung der Praxistauglichkeit des Low-Emission-Verbrennungssystems. Es sind Messungen für Feinstaub und Kohlenstoffmonoxid, die zum Einhalten der Grenzwerte der 1. BImSchV relevant sind, durchzuführen. Da die Stickstoffoxide (NOx) sowie Kohlenwasserstoffe (CnHm) bei der Verbrennung von Biomasse in Kleinfeuerungsanlagen immer mehr an Bedeutung gewinnen, werden sie bei den Untersuchungen mit berücksichtigt. Im Rahmen des LEVS-Projekts hat das Fraunhofer IBP die Planungs-, Konzeptions- und Auslegungsarbeiten, die Durchführung der nötigen Verbrennungsversuche und die dazugehörigen Analysen, die Auswertung der Messergebnisse, die Bewertung des Verbrennungssystems und die Erstellung von Zwischenbericht und Abschlussbericht übernommen. Die Aufgabe der Firma HDG Bavaria GmbH umfasste hauptsächlich die Konstruktion und die Anfertigung der Verbrennungsversuchsanlage und des Prototyps. Außerdem wurden die Dauererprobung und die Prüfung des Prototyps von der Firma HDG Bavaria GmbH übernommen.

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3 3.1

Stand des Wissens und der Technik Immissionsschutzrechtliche Anforderungen an Heizkessel für feste Brennstoffe in Deutschland und in Europa In diesem Abschnitt werden die Anforderungen an die Emissionen gemäß der 1. BImSchV sowie nach der aktuellen Version der Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG für Heizkessel dargestellt.

3.1.1 Emissionsanforderungen gemäß der 1. BImSchV Kleinfeuerungsanlagen werden durch die 1. BImSchV (Erste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes, Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen) geregelt. Sie haben eine thermische Nennwärmeleistung bis 1.000 kWth und dürfen nur mit bestimmten Brennstoffen betrieben werden. Diese Brennstoffe sind im Paragraph 3 der 1. BImSchV genannt. Bezüglich des Einsatzes im Haushalt ist zwischen dezentral und zentral einzusetzenden Kleinfeuerungsanlagen zu unterscheiden: − Zentral einzusetzende Feuerungsanlagen (Heizkessel: Pellet-, Hackschnitzel- und Holzvergaserkessel): Diese werden vor dem Inverkehrbringen gemäß der DIN EN 303-5 sowie der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG geprüft sowie gemäß der 1. BImSchV wiederkehrend einmal in jedem zweiten Kalenderjahr überwacht. Die wiederkehrende Überwachung soll hier nur für Heizkessel mit einer thermischen Nennwärmeleistung größer als 4 kW durch den zuständigen Schornsteinfeger gemäß dem Abschnitt 4 der 1. BImSchV durchgeführt werden. − Dezentral im Wohnraum einzusetzende Feuerungsanlagen bzw. Einzelraumfeuerungsanlagen: Diese Feuerungsanlagen machen über 90 % der gesamten Biomassefeuerungen der 1. BImSchV aus und werden für die Bereitstellung der Wärme sowie Warmwasser eingesetzt. Vor dem Inverkehrbringen müssen die Einzelraumfeuerungsanlagen nach bestimmten Normen (Raumheizer: DIN EN 13240, Kamineinsätze und Kachelöfen: DIN EN 13229 und Speicherfeuerstätten: DIN EN 15250, DIN EN 14785 usw.) von einer unabhängigen Prüfstelle wie z. B. der Prüfstelle Feuerstätten und Abgasanlagen des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP (D-PL-11140-11-03) geprüft werden. Einzelraumfeuerungsanlagen unterliegen keiner wiederkehrenden Emissionsüberwachung durch den Schornsteinfeger unabhängig von ihrer thermischen Leistung und dem eingesetzten Brennstoff. Sie müssen lediglich bei der Typprüfung sowohl bestimmte Emissionsgrenzwerte als auch Mindestwirkungsgrade einhalten. Die Tabelle 1 zeigt die Grenzwerte für Staub und Kohlenstoffmonoxid vor und nach der Novellierung der 1. BImSchV in Abhängigkeit von den eingesetzten Brennstoffen und der thermischen Nennwärmeleistung.

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Tabelle 1:

Emissionsgrenzwerte für Staub und Kohlenstoffmonoxid nach der 1. BImSchV für Heizkessel. NWL

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Brennstoffe naturbelassenes stückiges Holz, Presslinge aus naturbelassenem Holz in Form von Holzbriketts und Holzpellets

1. BImSchV, vor dem 22.03.2010

naturbelassenes stückiges Holz, Presslinge aus naturbelassenem Holz in Form von Holzbriketts und Holzpellets und Stroh oder ähnliche pflanzliche Stoffe Ausnahme: Stroh oder ähnliche pflanzliche Stoffe mit Schadstoffen unbelastete bzw. unbehandelte Holzwerkstoffe und ihre Reste, wie z. B. Sperrholz, Spanplatten, Faserplatten

1. BImSchV, nach dem 22.03.2010

naturbelassenes stückiges Holz

Stufe I: Anlagen, die ab dem 22.03.2010 errichtet werden

Stufe II: Anlagen, die nach dem 31.12.2014 errichtet werden

Presslinge aus naturbelassenem Holz in Form von Holzbriketts und Holzpellets mit Schadstoffen unbelastete bzw. unbehandelte Holzprodukte und ihre Reste, wie z. B. Sperrholz, Spanplatten, Faserplatten Stroh und ähnliche pflanzliche Stoffe und sonstige nachwachsende Rohstoffe naturbelassenes stückiges Holz, Presslinge aus naturbelassenem Holz in Form von Holzbriketts und Holzpellets mit Schadstoffen unbelastete bzw. unbehandelte Holzwerkstoffe und ihre Reste, wie z. B. Sperrholz, Spanplatten, Faserplatten Stroh und ähnliche pflanzliche Stoffe und sonstige nachwachsende Rohstoffe

Staub

[kW]

CO

[mg/Vm³]* --------

≤ 15

--------

Abgastrübung nach Ringelmannskala

> 15 ≤ 50

150

4.000

> 50 ≤ 150

150

2.000

> 150 ≤ 500

150

1.000

> 500

150

500

< 100

150

4.000

> 15 ≤ 100

150

8.00

> 100 ≤ 500

150

5.00

> 500

150

300

≥ 4 ≤ 500

100

1.000

> 500

100

5.00

≥ 4 ≤ 500

60

8.00

> 500

60

500

≥ 30 ≤ 100

100

8.00

> 100 ≤ 500

100

5.00

> 500

100

300

≥ 4 < 100

100

1.000

≥4

20

400

≥ 30 ≤ 500

20

400

> 500

20

300

≥ 4 < 100

20

250

*:Konzentrationen im Normzustand, trocken und Bezugssauerstoff 13 [Vol.-%]

Die in dieser Tabelle dargestellten Konzentrationen beziehen sich auf einen Volumengehalt an Sauerstoff im Abgas von 13 Vol.-%. Bei der Durchführung der Messungen durch den zuständigen Schornsteinfeger sollen die Anforderungen der 2. Anlage der 1. BImSchV eingehalten werden. Beispielsweise müssen die überwachungsbedürftigen Emissionen 16

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(Kohlenstoffmonoxid und Staub) im ungestörten Dauerbetriebszustand der Feuerungsanlagen bei der höchsten einstellbaren Wärmeleistung im Kern des Abgasstromes gemessen werden. Das Messprogramm muss immer vollständig durchgeführt werden. Es soll nicht abgebrochen werden, wenn eine einzelne Messung negativ ausfällt. Wie aus der Tabelle 1 zu entnehmen ist, wurde in der neuen 1. BImSchV die Leistungsgrenze für die überwachungspflichtigen Biomassekleinfeuerungsanlagen von 15 kW auf 4 kW gesenkt sowie die Grenzwerte des Staubs und Kohlenstoffmonoxids sukzessiv in zwei zeitlichen Stufen verschärft. Seit dem 31.12.2014 müssen neue Biomassekleinfeuerungsanlagen einen Grenzwert für Staub von 20 mg/m3 unabhängig vom eingesetzten Brennstoff sowie der Nennwärmeleistung der Kleinfeuerungsanlage einhalten. Außerdem regelt die 1. BImSchV, dass die Grenzwerte der Stufe 2 erst für Scheitholzfeuerungsanlagen gelten, die ab dem Jahr 2017 zu erreichten sind. Bei der Verbrennung von Stroh und ähnlichen Pflanzen müssen bei der Typprüfung der Feuerungsanlage Grenzwerte für Dioxine und Furane von 0,1 ng/m3 und für Stickstoffoxide NOx von 600 mg/m3 im Vergleichszustand eingehalten werden. Dieser Grenzwert für Stickstoffoxide wurde für die Feuerungsanlagen auf 500 mg/m3 verschärft, die nach dem 31. Dezember 2014 errichtet wurden. Tabelle 2:

Immissionsschutzrechtliche Anforderungen nach der 1. BImSchV beim Einsatz der Brennstoffe Nummer 8 und 13 (§ 3 Abs. 1).

Thermische Nennwärmeleistung (NWL)

100 kW> NWL ≥ 4 kW :

(**)

:

Stickstoffoxide NOx(*)

[ng/m3]

[kW]

(*)

Dioxine und Furane PCDD/PCDF

0,1

Kohlenstoffmonoxid CO

Staub

[mg/Vm3] (**) 500

400

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Kontrolle nur bei der Typprüfung für die Zulassung von Brennstoffen gemäß der 1. BImSchV. Abgas im Vergleichszustand (trocken, Normzustand, Bezugssauerstoff 13 Vol.-%).

Aufgrund der erhöhten Schadstoffe vor allem Feinstaub und Stickstoffoxide NOx in Wohngebieten wird das Thema „Minderung von Stickstoffoxiden aus Biomassefeuerungen“ ständig debattiert und gewinnt zunehmend an Bedeutung. Primär- und Sekundärmaßnahmen zur Minderung von NOxEmissionen sollten hinsichtlich des Einsatzes in Biomassefeuerungen erforscht bzw. entsprechend entwickelt werden. Die Besonderheit der handbeschickten Kleinfeuerungsanlagen liegt darin, dass der Betreiber durch sein Verhalten sowohl den Brennstoff als auch die Verbrennungstechnik (insbesondere durch die Bedienung und die Wartung) stark beeinflussen kann. Aufgrund dieser Doppelbeeinflussung soll die Regelung des Betreiberverhaltens maßgeblich zu einer effizienten und umweltverträglichen Energiebereitstellung durch die thermische Umsetzung von Biomasse beitragen.

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3.1.2 Emissionsanforderungen gemäß der Ökodesignrichtlinie 2009/125/EG Für die Vereinheitlichung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte in Europa, wurde die Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG entwickelt. Zur Durchführung dieser Richtlinie wurden von der europäischen Kommission Verordnungen erlassen, die in allen europäischen Staaten unmittelbare Gültigkeit haben. In der Verordnung (EU) 2015/1189 sind die immissionsschutzrechtlichen Vorhaben für Feststoffkessel (Raumheizungs-Jahres-Emissionen) geregelt. Die Emissionsgrenzwerte und Jahresnutzungsgrade für Festbrennstoffkessel sind in Tabelle 3 aufgelistet. Tabelle 3:

Emissionsgrenzwerte und Jahresnutzungsgrad bei Festbrennstoffkesseln für feste Brennstoffe gemäß vorläufiger Ökodesignrichtlinie. Ökodesign-Richtlinie ab dem 01.01.2020

Biomasseheizkessel geteilt in zwei Leistungsbereiche ( 20 kW) sowie in manuell und automatisch betriebene Heizkessel.

Raumheizungs-JahresEmissionen ES CO NOx OGC Staub [mg/Vm³]

RaumheizungsJahresnutzungsgrad

*

son [%]

Heizkessel mit einer Nennwärmeleistung von 20 kW oder weniger

manuell

700

200

30

60

automatisch

500

200

20

40

Heizkessel mit einer Nennwärmeleistung von mehr als 20 kW

manuell

700

200

30

60

automatisch

500

200

20

40

75

77

*) Die Emissionen von Staub, gasförmigen organischen Verbindungen OGC, Kohlenstoffmonoxid CO und Stickstoffoxiden NOx werden in standardisierter Form bezogen auf trockenes Abgas mit einem Sauerstoffgehalt von 10 Vol.- % und unter Normbedingungen bei 0 °C und 1013 Millibar angegeben.

Diese Anforderungen gelten für alle Brennstoffe, die für den Festbrennstoffkessel geeignet sind. Gemäß der Verordnung (EU) 2015/1189 der Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG bezeichnen die Raumheizungs-Jahres-Emissionen: − bei automatisch befeuerten Festbrennstoffkesseln einen gewichteten Durchschnitt der Emissionen bei Nennwärmeleistung sowie der Emissionen bei 30 % der Nennwärmeleistung in mg/m3; − bei manuell befeuerten Festbrennstoffkesseln, die dauerhaft bei 50 % der Nennwärmeleistung betrieben werden können, einen gewichteten Durchschnitt der Emissionen bei Nennwärmeleistung sowie der Emissionen bei 50 % der Nennwärmeleistung in mg/m3; − bei manuell befeuerten Festbrennstoffkesseln, die nicht dauerhaft bei 50 % oder weniger der Nennwärmeleistung betrieben werden können, die Emissionen bei Nennwärmeleistung in mg/m3; Die Raumheizungs-Jahres-Emissionen Es von Staub, gasförmigen organischen Verbindungen, Kohlenstoffmonoxid und Stickstoffoxiden 18

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werden bei manuell befeuerten Festbrennstoffkesseln, die dauerhaft bei 50 % der Nennwärmeleistung betrieben werden können, sowie bei automatisch befeuerten Festbrennstoffkesseln wie folgt berechnet: Es = 0,85*Es,p + 0,15*Es,n wobei: − Es,p die jeweils bei 30 % oder 50 % der Nennwärmeleistung gemessenen Emissionen von Staub, gasförmigen organischen Verbindungen, Kohlenstoffmonoxid und Stickstoffoxiden sind; − und Es,n die bei Nennwärmeleistung gemessenen Emissionen. − Die Staubemissionen sind mithilfe einer gravimetrischen Methode zu ermitteln, bei der keine Partikel berücksichtigt werden, die durch gasförmige organische Verbindungen gebildet werden, wenn sich Rauchgas mit Umgebungsluft vermischt. − Die Stickstoffoxidemissionen werden als Summe von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid berechnet und als Stickstoffdioxid angegeben. Der Raumheizungs-Jahresnutzungsgrad im Betriebszustand son bezeichnet: − bei automatisch befeuerten Festbrennstoffkesseln einen gewichteten Durchschnitt des Brennstoff-Wirkungsgrades bei Nennwärmeleistung sowie des Brennstoff-Wirkungsgrades bei 30 % der Nennwärmeleistung, angegeben in %; − bei manuell befeuerten Festbrennstoffkesseln, die dauerhaft bei 50 % der Nennwärmeleistung betrieben werden können, einen gewichteten Durchschnitt des Brennstoff-Wirkungsgrades bei Nennwärmeleistung sowie des Brennstoff-Wirkungsgrades bei 50 % der Nennwärmeleistung, angegeben in %; − bei manuell befeuerten Festbrennstoffkesseln, die nicht dauerhaft bei 50 % oder weniger der Nennwärmeleistung betrieben werden können, den Brennstoff-Wirkungsgrad bei Nennwärmeleistung, angegeben in %; Der Brennstoff-Wirkungsgrad  bezeichnet das Verhältnis der nutzbaren Wärmeleistung zur Gesamtenergiezufuhr eines Festbrennstoffkessels in %, wobei die Gesamtenergiezufuhr als Brennwert oder als Endenergie, multipliziert mit 2,5, angegeben wird. Ein direkter Vergleich zwischen den Grenzwerten zwischen der 1. BImSchV und der Ökodesign-Richtlinie lässt sich aufgrund der unterschiedlichen Ermittlungszustände und Definitionen nicht ziehen.

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3.2

Grundlagen zur thermochemischen Umwandlung von Brennstoffen Die thermochemische Umwandlung von Brennstoffen ist in vier unterschiedliche Phasen - Trocknung, Entgasung, Vergasung und Oxidation unterteilt. Diese Umwandlungsphasen können bei der technischen Umsetzung − entweder in einer Stufe (einer einzigen Brennkammer) wie bei den bisher bekannten automatisch beschickten Biomassefeuerungen, − oder in mehreren Stufen (mehrere getrennte Brennkammern) wie bei Holzvergaserkesseln erfolgen. Die Umwandlungsphasen unterscheiden sich teilweise durch den Temperaturbereich, in dem sie ablaufen können, und wesentlich durch die dem Prozess zugeführte Sauerstoffmenge. Die beiden Parameter Temperatur und Sauerstoffgehalt bestimmen die physikalischen und chemischen Umwandlungsreaktionen und infolgedessen die Prozessprodukte. Im Folgenden werden die Umwandlungsphasen näher beschrieben [Marutzky 2002]. Aufheizung und Trocknung Der Umwandlungsprozess beginnt mit der Erwärmung der feuchten Brennstoffmasse. Wenn sie eine Temperatur von über 65 °C erreicht, beginnt das im Brennstoff vorhandene freie und gebundene Wasser zu verdampfen [Kaltschmitt et al. 2009]. Bei einer Temperatur von bis zu etwa 200 °C wird in der Regel das Wasser vollständig aus der Brennstoffmasse ausgetrieben [Kaltschmitt et al. 2009]. Die für diesen Vorgang benötigte Energie entspricht der Energie, die für die Erwärmung der Brennstoffmasse sowie zur Verdampfung des vorhandenen Wassers nötig ist. Bei der Trocknung können bei einer Temperatur von über 150 °C Spuren organischer Komponenten wie z. B. Essig- und Ameisensäure sowie Kohlenstoffmonoxid mit freigesetzt werden [Marutzky 2002]. Bei nicht ausreichend hohen Temperaturen, wie beispielsweise in der Anfahrbetriebsphase der Biomassefeuerungen, werden diese Komponenten emittiert und in die Umwelt getragen. Pyrolytische Zersetzung (Entgasung) Die pyrolytische Zersetzung von festen Biomassen beginnt bei einem Temperaturbereich von 150 °C bis 200 °C und endet je nach Brennstoffart und Umgebungsbedingungen bei einer Temperatur von 500 °C bis 600 °C. Dabei werden die Makromoleküle, aus denen sich der Brennstoff zusammensetzt, durch die Wärmeeinwirkung aufgebrochen, irreversibel zerstört und in Form von Brenngasen und Dämpfen (wie z. B. CO2, H2, CH4, H2O und CH3OH) und anderen dampfförmigen Kohlenwasserstoffverbindungen (z. B. Teere) freigesetzt [Marutzky 2002]. Da die Entgasung ein endothermer Prozess ist, muss Energie zugeführt werden. Diese Energie kann, je nach Verfahren, entweder extern oder durch Teilverbrennung bereitgestellt werden. Bei einer weiteren Erwärmung der Biomasse (ab etwa 500 °C bis 600 °C) entstehen keine kondensierbaren

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oder gasförmigen Komponenten mehr, da in diesem Temperaturbereich die organischen Makromoleküle bereits vollständig freigesetzt worden sind. Es können jedoch wegen des sich im Brennstoff befindenden Sauerstoffs Sekundärreaktionen zwischen den freigesetzten Gasen untereinander und mit dem verbliebenen Kohlenstoff stattfinden und dadurch weitere Gase wie CO und CO2 gebildet werden. Bei der pyrolytischen Zersetzung werden, je nach Brennstoff, zwischen 60 % und 85 % des organischen Anteils abgebaut. Nach der pyrolytischen Zersetzung verbleibt ein Rückstand, der überwiegend aus Kohle und Asche besteht [Marutzky 2002]. Der Verlauf der pyrolytischen Zersetzung und die verbrennungstechnischen Eigenschaften der produzierten Brenngase sind von der Art und Zusammensetzung des Brennstoffs, der maximalen Entgasungstemperatur, der Aufheizgeschwindigkeit, der wirksamen Verweilzeit und der Katalysatoren abhängig. Die Qualität der produzierten Brenngase spielt eine ausschlaggebende Rolle, so dass dadurch die gesamte Verbrennung und infolgedessen die Auslegung der Feuerungskonstruktion beeinflusst werden können. Vergasung Die Vergasung findet nach Abschluss der pyrolytischen Zersetzung als exothermer Prozess, d. h. mit Energiefreisetzung, statt. Dabei werden die bei der pyrolytischen Zersetzung entstehenden gasförmigen, flüssigen und vor allem festen Produkte durch weitere Wärmeeinwirkung infolge der Anwesenheit von sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln (wie z. B. Luft, Wasserdampf, Kohlenstoffmonoxid sowie reiner Sauerstoff) zu weiteren nutzbaren Brenn- und Synthesegasen umgewandelt. Die Vergasungsmittel müssen dem Prozess so zugeführt werden, dass während der Vergasung immer unterstöchiometrische Bedingungen gewährleistet werden können. Zu den bei der Vergasung produzierten Komponenten zählen CO, CO2, H2, CH4 sowie N2, sofern Luft als Vergasungsmittel verwendet wird [Marutzky 2002]. Die Zusammensetzung des Pyrolysegases wird wesentlich durch die Zusammensetzung und die morphologischen Eigenschaften des Eingangsmaterials, der Menge und Art des Vergasungsmittels, Reaktionsbedingungen und Vergasungsverfahren beeinflusst. Vergasungsreaktionen sind Gleichgewichtsreaktionen. Je nach Temperaturbereich verschieben sich die Gleichgewichtslagen. Bei Biomassefeuerungen mit gestufter Verbrennung wird Luft als Vergasungsmittel eingesetzt. Dabei finden die Entgasung und die Vergasung parallel in einem Reaktionsraum (Vergasungszone) statt. Die Entgasung findet dabei trotz der Anwesenheit von Sauerstoff statt, da die bei diesem Entgasungsvorgang entstehenden Brenngase aus dem Brennstoff nach außen ausgetrieben werden und den in der Umgebung befindlichen Sauerstoff verdrängen, so dass der Zersetzungsprozess bis zum Abschluss ohne Sauerstoff ablaufen kann. Die bei der Vergasung entstehenden Brenngase werden aus der Vergasungszone (Vergasungskammer) in den Feuerraum weitergeleitet und dort unter Zugabe von Sekundärluft (Sauerstoff) oxidiert [Marutzky 2002].

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Oxidation Das bei der Vergasung entstehende Brenngas wird mit Sauerstoff unter Wärmefreisetzung zu CO2 und H2O oxidiert. Zudem können bei der Oxidation, je nach elementarer Zusammensetzung des Brennstoffs vor allem auch NO, NO2, SO2, HCl und HF sowie staubförmige Schadstoffemissionen wie Schwermetalle, Metalloxide und organische sowie anorganische Stäube gebildet und freigesetzt werden. Hinzu kommen bei unvollständiger Oxidation Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe. Für eine vollständige Oxidation müssen folgende Bedingungen realisiert werden [Marutzky 2002, Joos 2006]: − Es muss genügend Sauerstoff (Sekundärverbrennungsluft) der Verbrennungskammer zugeführt werden. Eine höhere Sekundärluftmenge (entspricht Lambda größer als 1,8) als die tatsächlich benötige Verbrennungsluftmenge führt zur starken Kühlung der Flamme und somit zur Verschlechterung der Verbrennung. Ein Lambdawert von kleiner als 1,2 (entspricht einem Sauerstoffgehalt im Abgas von 4 Vol.-%.) hat eine unvollständige Verbrennung mit entsprechenden hohen Schadstoffemissionen zur Folge. Der für eine vollständige Verbrennung optimale Lambdabereich hängt stark von der Konstruktion der Brennkammer bzw. vom Verbrennungskonzept ab. − Es muss sichergestellt werden, dass die Temperatur in der Brennkammer hoch genug ist, um das Brenngas aufoxidieren zu können. Die für eine gute Oxidation notwendige Temperatur liegt, je nach Verweilzeit und Qualität der Durchmischung, zwischen 600 °C und 850 °C. − Der in die Brennkammer zugeführte Sauerstoff muss sehr gut mit den Brenngasen durchmischt werden. Dabei spielt die Bauart der Brennkammer sowie die Art der Verbrennungsluftzufuhr eine große Rolle. Die Abgasviskosität steigt mit der Temperatur an, welches zur Verschlechterung der Durchmischung führen kann. − Die Brenngase müssen mit dem Sauerstoff für eine ausreichende Zeit in der Brennkammer verweilen und in Kontakt gebracht werden. Die minimale Verweilzeit der Brenngase in der Brennkammer hängt von der Mischung, der verfügbaren Sauerstoffmenge und der Temperatur ab. Bei einer Brennkammertemperatur von größer als 850 °C kann eine sehr gute Oxidation bei einer Mindestverweilzeit von 0,5 Sekunden erreicht werden. Sinkt die Temperatur auf 600 °C, muss die notwendige Verweilzeit um zwei bis vier Sekunden, ausgehend von den gleichen Durchmischungsverhältnissen, zunehmen. Die vier genannten Einflussgrößen hängen sehr stark voneinander ab. Nur bei einer optimalen Einstellung dieser Einflussgrößen kann eine emissionsarme Verbrennung gewährleistet werden.

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3.3

Schadstoffbildung und primäre Reduktionsmöglichkeiten Bei der thermochemischen Umsetzung von Festbrennstoffen entsteht eine Vielzahl völlig unterschiedlicher Schadstoffe. Diese Schadstoffe lassen sich in gas- und staubförmige Emissionen unterteilen. Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Abbrandverhaltens bei der thermischen Umwandlung biogener Brennstoffe mit den wichtigsten möglichen chemischen Reaktionen. Biogene Festbrennstoffe: Wasser (H2O), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Stickstoff (N), Chlor (Cl), Fluor (F), Schwefel (S), mineralische und metallische Elemente bzw. Bestandteile

(T: bis 200 °C)

Entgasung (T: 150-600 °C, λ = 0)

Vergasung und Teiloxidation (T: 500-1.000 °C, 0 < λ < 1)

H2O(q) à H2O(g) CnHm à xCH4 + yH2 + zC + PAKs + VOCs + Ruß CH4 + H2O à CO + 3H2 C + H 2O à CO + H2 C + CO2 à 2CO S + 2H à H 2S N + H2 à NH2 Cl + F + 2H à HCl + HF Hg, Cd, Pb, Cu + Cl à HgCl2, CdCl2, PbCl2, CuCl2 2K + SO4 à K2SO4 K + Cl à KCl Cl2 + Aromate + xO2 à PCDD/PCDF CO + O à CO2 N+O à NO S + O2 à SO2 Ca + Si, 2Al3 + 12O à CaO + SiO2 + 3Al2O3 Metalle (Cu, Zn, Cd, Pb, As) + O2 à Metalloxide (CuO, ZnO, CdO, PbO, As2O3 usw.) Ionische und metallische Dämpfe (K+, SO4+2, NO3- und Cu, Zn, Cd, Pb, As)

Schlacke bzw. Verbrennungsasche

Aufheizung und Trocknung

Wärme

Brenngas bzw. Pyrolysegas: CnHm, CO, H2, NH2, H2S, PAKs, VOCs, Ruß Dioxine und Furane (PCDD/PCDF) NO, SO2 HF, HCl K2SO4,KCl, HgCl2, CdCl2, PbCl2, CuCl2 CaO, SiO2, Al2O3, ZnO, CdO, PbO, As2O3 Ionische und metallische Dämpfe (K+, SO4+2, NO3- und Zn, Cd, Pb, As) O2, N2, H2O, CO2 Sekundärluft (O2 +N2)

Mögliche chemische Reaktionen bei der Verbrennung vom Brenn- bzw. Pyrolysegas (T: > 500 °C, λ > 1)

CnHm + (n+m/4)O2 à 2CO + O2 à 2H2 + O2 à 2NH2 + 2O2 à H2S + O2 à S + SO4-2 + xO à NO + xO à PCDD, PCDF + O2 à Cl2 + Aromate + xO2 à H2 + Cl + F à HCl + HF à HgCl2, CdCl2, PbCl2, CuCl2 à CaO + SiO2 + Al2O3 à Cu + Zn + Cd + Pb + 2As + 7O à Hg, Cd, Pb, Cu + Cl à

nCO2 + m/2H2O 2CO2 2H2O 2NO + 2H2O SO2 + H2O SOx (SO2, SO3) NOx (NO + NO2) H2O + CO2 + HCl + Aromate PCDD/PCDF HCl + HF HCl + HF HgCl2, CdCl2, PbCl2, CuCl2 CaO + SiO2 + Al2O3 CuO + ZnO + CdO + PbO + As2O3 HgCl2, CdCl2, PbCl2, CuCl2

und org. Stäube

       

Schadstoffe bei unvollständiger Verbrennung: CO, CnHm, PAKs, VOCs

Parallel laufende Prozesse

Thermochemische Umwandlung biogener Festbrennstoffe

Primärluft (O2 +N2)

Abgase bei vollständiger Verbrennung  Typische Verbrennungsprodukte und sonstige Gase: H2O, CO2, O2, N2  Gasförmige Schadstoffe: NOx, SO2, HCl, HF, PCDD/PCDF  Staubförmige Schadstoffe bzw. anorganische Stäube Salze: K2SO4,KCl, HgCl2, CdCl2, PbCl2, CuCl2 Metalloxide: CaO, SiO2, Al2O3, ZnO, CdO, PbO, As2O3

Abbildung 1:

Vereinfachte Darstellung der thermischen Umwandlung biogener Festbrennstoffe mit der Schadstoffbildung. Im Folgenden werden die wichtigsten staub- und gasförmigen Emissionen sowie mögliche Primärmaßnahmen zur Minderung dargestellt.

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3.3.1 Staubförmige Schadstoffemissionen Die staubförmigen Emissionen sind in primäre und sekundäre Partikel unterteilt. Zu den primären Partikeln gehören entweder im oder am Holz bestehende Bestandteile, wie Sand und Erde, oder im Glutbett gebildete staubförmige Komponenten, die mit dem Abgasstrom mitgeführt werden, ohne in die Gasphase überzugehen [Klippel et al. 2007]. Sekundäre Partikel sind generell sehr fein. Sie entstehen durch chemische Reaktionen sowie durch physikalische Vorgänge (Absorption, Nukleation, Kondensation) aus chemischen Komponenten, wie z. B. SOx, NOx, die sich im Feuerraum gasförmig befinden [Marutzky 2002, Kaltschmitt et al. 2009]. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften staubförmiger Emissionen hängen von dem eingesetzten Brennstoff ab [Oser et al. 2003]. Staubförmige Emissionen können sowohl aufgrund vollständiger und unvollständiger Verbrennung als auch durch Mitreißen von Partikeln aus dem Brennstoff oder der Asche entstehen [Marutzky 2002, Kaltschmitt et al. 2009, Oser et al. 2003]. Staubförmige Emissionen aus vollständiger Verbrennung Staubförmige Emissionen aus vollständiger Verbrennung sind anorganische Bestandteile des Brennstoffs, die nach einer Fragmentierung und Verdampfung des Brennstoffpartikels bei wieder sinkenden Temperaturen über die Nukleation mit anschließender Koagulation sowie durch die direkte Kondensation freigesetzt werden können, und mineralische Aschepartikel, die mit dem Abgasstrom aus dem Glutbett mitgerissen werden können. Hierzu zählen folgende Partikeltypen [Marutzky 2002, Kaltschmitt et al. 2009]: − Schwerflüchtige, mineralische Aschebestandteile (z. B. CaO, Al2O3, SiO2), − Ascheverbindungen, die durch Verdampfung und Kondensation oder Neubildung in der Feuerung entstehen (z. B. KCl, K2SO4, Nitrate) und − Schwermetalle und Schwermetallverbindungen, die aus dem Brennstoff oder aus Verunreinigungen entstehen. Diese können in metallischer, oxidischer oder chloridischer Form vorkommen. Die Minderung dieser Stäube im Abgas kann hauptsächlich durch eine mehrstufige Verbrennung erreicht werden. In der ersten Verbrennungsstufe bei der Vergasungszone muss die Temperatur niedriger eingestellt werden als die Verdampfungstemperatur dieser Stäube. Außerdem tragen die Verteilung und Regulierung der Verbrennungsluft zur Reduzierung dieser Stäube maßgeblich bei. Es müssen dabei günstige Strömungsverhältnisse in der Glutzone gewährleistet werden, so dass diese Stäube durch die Begrenzung des Sauerstoffangebotes nicht entstehen können bzw. durch niedrige Strömungsgeschwindigkeiten in der Vergasungszone nicht mit dem Abgasstrom mitgerissen und anschließend emittiert werden. Zudem lässt sich der Anteil der schwerflüchtigen, mineralischen Aschebestandteile durch

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den Einsatz von rindefreien Hölzern und mit Erde und Sand unbelasteten Brennstoffen sehr gut mindern [Marutzky 2002]. Staubförmige Emissionen aus unvollständiger Verbrennung Hierunter werden nicht verbrannte Kohlenstoffverbindungen verstanden, die kohlenstoffhaltige feste oder nach der Abkühlung der Reaktionsprodukte entstehenden Zersetzungsprodukte sowie kondensierte Syntheseprodukte umfassen [Marutzky 2002, Klippel et al. 2006]. Kohlenstoffhaltige Zersetzungsprodukte sind organische Verbindungen, die bei der pyrolytischen Zersetzung aufgrund des hohen Anteils der flüchtigen Bestandteile des Brennstoffs freigesetzt werden können. Sie werden aufgrund ungünstiger Verbrennungsbedingungen, wie z. B. ungenügend zugeführter Sauerstoff, zu kurze Verweilzeiten, unzureichende Oxidationstemperatur im Brennraum, und schlechte Durchmischung gebildet. Die kohlenstoffhaltigen kondensierten Syntheseprodukte, wie z. B. Ruß, werden in der Flamme durch Agglomeration kleinster KohlenstoffCluster freigesetzt. Ihre Bildung wird durch ungenügende Luftzufuhr, ungleichmäßige Entzündung und schlechte Durchmischung von Brennstoff und Luft bzw. Sauerstoff begünstigt. Die staubförmigen Emissionen aus unvollständiger Verbrennung können durch die Verbesserung der Brennstoffeigenschaften, wie z. B. Einsatz von trockenen Brennstoffen und/oder einer Stückigkeit, die an dem Brennstoffraum angepasst ist, sowie durch die Verbesserung der Feuerungstechnik erheblich gemindert werden. Für die Verbesserung der Feuerungstechnik können folgende Maßnahmen genutzt werden: − Automatische Beschickung des Brennstoffs. − Regelung des Verbrennungsprozesses bzw. die Zufuhr der Primärund Sekundärverbrennungsluft durch den Einsatz geeigneter Sensorik wie z. B. COe/O2-Sonde. − Konstruktive Optimierung des Feuerraumes, so dass eine günstige Verteilung der Primär- und Sekundärverbrennungsluft sowie eine gute Durchmischung mit Brenngas gewährleistet werden können. − Einsatz von Pufferspeichern, so dass die benötigte Energiemenge durch einen durchgängigen Betrieb der Feuerungsanlage (Vermeidung des Teilastbetriebs) bereitgestellt werden kann. Stäube aus unvollständiger Verbrennung müssen definitiv durch Primärmaßnahmen gemindert werden, da sie einen erheblichen negativen Einfluss auf die nachgeschalteten Abgasbehandlungssysteme, vor allem auf Entstaubungssysteme, haben. Diese Stäube bilden beispielsweise bei Elektroabscheidern eine klebrige Schicht auf den Sprühelektroden, so dass die Ionisation und somit die Abscheidung gestört werden. Zudem wird auf der Niederschlagselektrode aufgrund ihrer Leitfähigkeit eine Staubschicht mit schlechten elektrischen Eigenschaften gebildet, was das Rücksprühen von der Niederschlagselektrode zur Folge hat [Schwister 2009]. Bei

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Nassabscheidern bildet sich aus diesen Stäuben eine klebrige Schicht auf der Oberfläche des Wärmetauschers, den Innenwänden der Waschkammer und des Wasserführungssystems (Rohre, Ventile und Pumpen), was zu einer Störung des Betriebs führen kann. Die Problematik dieser Art von Stäuben besteht bei Abreinigungsfiltern in einer Erhöhung des Druckverlustes sowie in der Bildung einer Staubschicht, die eine schlechte Permeabilität und Durchlässigkeit hat und sich nur schwierig abreinigen lässt. Staubförmige Emissionen aus dem Brennstoff Der Anteil dieser Partikel im Abgas hängt von der Art und Konstruktion der Feuerungsanlage sowie den Eigenschaften des Brennstoffs ab. Die Bildung dieser Partikel wird durch hohe Geschwindigkeiten der Luftströmung in den Feuerraum, ungünstige Stellen für die Primär- und Sekundärluftzufuhr, den Einsatz von Brennstoffen mit niedriger Dichte, ungenügende Durchmischung von Verbrennungsluft und Brennstoff und lokal unzureichende Verbrennungstemperaturen verstärkt. Zur Minderung können Gegenmaßnahmen wie z. B. mehrstufige Verbrennung und Verteilung der Verbrennungsluft, Regulierung der Verbrennungsluftzufuhr und Verbesserung der Brennstoffeigenschaften wie z. B. durch die Pelletierung oder Brikettierung genannt werden. 3.3.2 Gasförmige Schadstoffemissionen Die Art und Konzentrationen der gasförmigen Schadstoffemissionen im Abgas hängen von der elementaren Zusammensetzung des Brennstoffs bzw. dem Anteil der chemischen Elemente wie z. B. Stickstoff (N), Chlor (Cl), Fluor (F) und Schwefel (S) und Schwermetallen ab, die bei der Verbrennung zu Schadstoffen umgewandelt werden können [Joos 2006]. Stickstoffoxide Stickstoff tritt im Abgasvolumenstrom bei der vollständigen Verbrennung von biogenen Festbrennstoffen als Stickstoffmonoxid (> 95 %), als Stickstoffdioxid (< 5 %) und seltener in Form von Lachgas (N2O) auf. Bei der Entstehung wird in drei Bildungswege unterschieden. Erstens werden Stickstoffoxide bei dem Verbrennungsvorgang überwiegend durch die Reaktion des im Brennstoff gebundenen Stickstoffs mit Sauerstoff gebildet. Der Anteil des im Brennstoff gebundenen Stickstoffs, der zu Stickstoffoxiden reagiert, hängt von der Verbrennungstemperatur ab. Er schwankt zwischen 15 % bei mehrstufiger Verbrennung und 35 % bei einstufiger Verbrennung [Joos 2006]. Zweitens beginnt bei einer Flammentemperatur von über 1.200 °C der molekulare und atomare Stickstoff aus der Verbrennungsluft zu oxidieren und es entstehen dadurch die sogenannten thermischen Stickstoffoxide. Zusätzlich werden prompte Stickstoffoxide bei Anwesenheit von Stickstoffradikalen und Sauerstoff bei einer Flammentemperatur von über 1.300 °C gebildet [Schultes 1996, Marutzky 2002, Kaltschmitt et al. 2009]. Die thermischen und prompten Stickstoffoxide spielen bei der Verbrennung in Biomassefeuerungen nur eine untergeordnete Rolle, da die

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maximale Temperatur, die im Glutbett bzw. in der Flamme unter 1.200 °C liegt. Bei der Verbrennung in automatisch beschickten Biomassefeuerungen müssen die Stickstoffoxide bisher bei der wiederkehrenden Kontrolle durch den Schornsteinfeger nicht überwacht werden. Sie müssen lediglich bei der Typprüfung für die Zulassung von Brennstoffen Nummer 8 und 13 (§ 3 Abs.1) für den Einsatz in Kleinfeuerungsanlagen der 1. BImSchV überwacht werden und bestimmte Grenzwerte einhalten. Die Grenzwerte gemäß der 1. BImSchV sind in der Tabelle 2 dargestellt. Dioxine und Furane Dioxine und Furane können ein großes Problem bei Verbrennungsprozessen darstellen. Ihre Bildung bei dem Verbrennungsvorgang wird insbesondere im Temperaturbereich zwischen 200 °C und 700 °C bei Anwesenheit von Sauerstoff, Chlor und Aromaten begünstigt [Schultes 1996]. Die höchste Bildungsgeschwindigkeit von Dioxinen und Furanen erfolgt in einem Temperaturbereich von 250 °C und 400 °C. Bei höheren Temperaturen (T > 1.000 °C) beginnt die Zersetzung von Dioxinen und Furanen. Die Bildung von Dioxinen und Furanen wird bei Anwesenheit von katalytisch wirkenden Schwermetallen (wie z. B. Kupfer) sowie beim Einsatz von Elektrofiltern begünstigt. Außerdem hat das Sauerstoffangebot in der Primärreaktionszone ausschlaggebenden Einfluss auf die Bildung von Dioxinen und Furanen. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei einem Sauerstoffüberschuss von mehr als 13 Vol.-% mit einem exorbitanten Anstieg der Dioxine und Furane im Abgas zu rechnen ist [nach Kaltschmitt et al. 2009]. Dioxine und Furane werden bei der Verbrennung vornehmlich an den festen Verbrennungsrückständen adsorbiert (ca. 80 % bis 90%). Der Rest wird mit dem Abgas ausgetragen. Etwa 90 % davon wird im nachgeschalteten Entstaubungssystem mit dem Staub abgeschieden [Schultes 1996]. Dioxine und Furane können nur diskontinuierlich mit komplexen Probeentnahmesystemen und Analyseverfahren ermittelt werden. Sie müssen bei der Typprüfung für die Zulassung von Brennstoffen Nummer 8 und 13 (§ 3 Abs. 1) für den Einsatz in Kleinfeuerungsanlagen der 1. BImSchV überwacht werden und bestimmte Grenzwerte einhalten. Die Grenzwerte gemäß der 1. BImSchV sind in der Tabelle 2 dargestellt. Die Einhaltung der in der Tabelle 2 dargestellten Grenzwerte von Kohlenstoffmonoxid und vor allem von Stickstoffoxiden, Dioxinen und Furanen durch Primärmaßnahmen, wie z. B. durch gestufte Verbrennung mit Abgasrückführung, ist außerordentlich wichtig für die Zulassung von Feuerungsanlagen und für die Zulassung neuer biogener Brennstoffe für den Einsatz in Kleinfeuerungsanlagen der 1. BImSchV, weil sich diese Schadstoffemissionen durch Sekundärmaßnahmen nur mit entsprechend hohem technischen und wirtschaftlichen Aufwand behandeln lassen, wodurch das Interesse an Kleinfeuerungsanlagentechnik für die Bereitstellung von Wärme und Warmwasser stark abnehmen wird.

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Erfahrungen sowie neue Untersuchungen haben gezeigt, dass bei der Verbrennung von biogenen Brennstoffen (wie z. B: Gärreste, Grünschnitt, Gras und niederqualitatives Hackgut) in automatisch beschickten Biomassefeuerungsanlagen eine deutliche Überschreitung der Grenzwerte von Stickstoffoxid sowie Dioxinen und Furanen bei der Typprüfung stattfindet, so dass diese Brennstoffe für den Einsatz in Kleinfeuerungsanlagen der 1. BImSchV nicht zugelassen werden dürfen. Eine bedeutsame Minderung von Dioxinen und Furanen bei der Verbrennung von Biomasse ist durch die Reduzierung der Sauerstoffkonzentration im Glutbett zu erreichen [Kaltschmitt et al. 2009]. Chlor- und Fluorwasserstoff Die sich im Brennstoff befindenden Chlor- und Fluorverbindungen reagieren bei der Verbrennung überwiegend (80 % bis 90 %) mit dem vorhandenen Wasserstoff zu Chlor- und Fluorwasserstoffen und werden mit dem Abgas ausgetragen [Joos 2006]. Die Anteile der Chlor- und Fluorwasserstoffe im Abgas hängen bei der Verbrennung von der Art des Brennstoffs sowie von dem Gehalt der Chlor- und Fluorverbindungen im Brennstoff ab. Der Rest (10 % bis 20 %) der Chlor- und Fluorverbindungen liegt nach der Verbrennung in Form von Chlorid- und Fluoridsalzen sowie in Form von Schwermetallchloriden und Schwefelfluoriden vor, die sich in der Rost- und Flugasche sowie im Staub wiederfinden. Die Einbindung in die Asche hängt von der Art der Schwefelverbindungen im Brennstoff, vom Gehalt der basischen Komponenten in der Asche, von der Gestaltung der Feuerung und von den Temperaturverhältnissen ab [Kaltschmitt et al. 2009]. Gemäß der 1. BImSchV sind keine Grenzwerte für Chlor- und Fluorwasserstoff definiert bzw. einzuhalten. Um die Feuerungsanlagen, die abgasführenden Bauteile sowie die nachgeschalteten Systeme (Wärmeaustauscher, Abgasbehandlungssysteme, Abgasanlagen und ihre Bestandteile) vor Nieder- und Hochtemperaturkorrosion zu schützen sowie die Bildung von Dioxin und Furanen zu vermeiden, sollten immer chlor- und fluorarme Brennstoffe oder Maßnahmen für die Begünstigung der Bindung dieser chemischen Elemente in der Verbrennungsasche, eingesetzt werden. Schwefeloxide Der im Brennstoff befindliche Schwefel kann während der Verbrennung mit Sauerstoff reagieren und mit dem Abgasstrom bei einer vollständigen Verbrennung als Schwefeldioxid ausgetragen werden. Bei der unvollständigen Verbrennung kann ein Teil des Schwefels mit dem Wasserstoff reagieren und in Form von Schwefelwasserstoff H2S emittiert werden. Beim Verbrennungsvorgang kann ein Teil des Schwefels mit Kalzium und Kalium aus dem Brennstoff reagieren und in die Verbrennungsasche als Calciumsulfat CaSO4 und Kaliumsulfat K2SO4 eingebunden werden. Aufgrund der leichten Flüchtigkeit des Schwefels sind hinsichtlich des Umfangs der Schwefeleinbindung in die Verbrennungsasche keine gesicherten Aussagen möglich [Kaltschmitt et al. 2009].

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Die Einbindung des Schwefels ist von der Schwefelverbindung im Brennstoff, der Gestaltung der Feuerung, den Temperaturverhältnissen, der Verweilzeit des Abgases im Verbrennungsraum sowie von der Art und dem Gehalt der basischen Komponenten in der Asche abhängig. Es lässt sich, je nach oben genannten Einflussgrößen, zwischen 40 % und 60 % des Schwefelanteils aus dem Brennstoff in die Asche einbinden. Der Rest reagiert zu gasförmigen Verbindungen, die in nachgeschalteten Abgasreinigungssystemen wie z. B. Wäscher- oder Sorptionsverfahren entfernt werden sollten [Kaltschmitt et al. 2009]. Obwohl in der 1. BImSchV keine Grenzwerte für Schwefeloxide vorgegeben sind, ist die Einhaltung der Schwefeldioxidkonzentrationen unter bestimmten Grenzen (ca. 50 ppm) für die Schonung und den Schutz der Feuerungsanlagen, der abgasführenden Bauteile sowie der nachgeschalteten Systeme (Wärmeaustauscher, Abgasbehandlungssysteme, Abgasanlagen und ihre Bestandteile) vor Niederund Hochtemperaturkorrosion zu empfehlen. 3.4

Vergasungsprozess in Scheitholzvergaserkesseln Um ein Brenngas mit günstigen verbrennungstechnischen Eigenschaften über den gesamten Betrieb (Brennstoffcharge) des Vergaserkessels zu erzeugen, sind − ein maximaler Wassergehalt,

− ein minimaler Anteil an flüchtigen Bestandteilen und − ein minimaler Energiegehalt.

des Brennstoffs erforderlich. Der Einfluss dieser Parameter auf die Verbrennungsqualität wird im Folgenden beschrieben: Wassergehalt des Brennstoffs: Bei einer zweistufigen Verbrennung (Vergasung mit anschließender Verbrennung) muss der maximale Wassergehalt, bei dem die Verbrennung sachgemäß läuft, deutlich geringer sein als bei der direkten einstufigen Verbrennung. Das ist auf die starke ungleichmäßige Trocknung der gesamten Brennstoffmasse im Brennstofffüllraum aufgrund höherer Temperaturen während der Vergasung vor allem in der Anfahrbetriebsphase zurückzuführen. Die Qualität bzw. der Energiegehalt des Brenngases variiert in Abhängigkeit vom Wassergehalt des Brennstoffs sowie der zugeführten Primärluftmenge. Ein maximaler Wassergehalt im Brennstoff mit einer minimalen bzw. maximalen spezifischen Primärluftmenge ist erforderlich, um eine stabile Verbrennung zu gewährleisten. Diagramm 1 zeigt die Abhängigkeit des unteren Heizwerts des Brenngases von der zugeführten Primärluftmenge sowie des Wassergehalts des Brennstoffs (Buchenholz). Dieses Diagramm wurde rechnerisch für Buchenholz unter Berücksichtigung seiner verbrennungstechnischen Eigenschaften ermittelt. Im Diagramm 1 ist ersichtlich, dass der Heizwert des

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Brenngases mit zunehmendem Wassergehalt des Brennstoffs sowie ansteigender Primärluftmenge (Vergasungsmittel) abnimmt. Die Zündwilligkeit des Brenngases hängt von seinem Heizwert sowie der verfügbaren Wärme ab. Die minimale Primärluftmenge soll so eingestellt werden, dass ausreichend exotherme Reaktionen mit der Freisetzung entsprechender Wärme und Brenngase stattfinden können. Die Brenngase sollen einen Mindestenergiegehalt aufweisen, um anschließend in der nachgeschalteten Brennkammer effizient und schadstoffarm verbrannt werden zu können.

3,25 3,00

Glutbetthöhe

2,75

35

Der Bereich, in dem die Vergasung ohne Glutbett intensiv genug für eine sachgemäße stabile Verbrennung stattfindet.

30

Der Bereich, in dem eine Mindestglutbetthöhe für eine stabile sachgemäße Verbrennung erforderlich ist.

2,50 2,25

25

2,00

20

1,75 1,50

15

1,25 1,00

Glutbett-Höhe [cm]

Unterer Heizwert des Brenngases [kWh/kg BG]

3,50

10

0,75 0,50

5 Angenommener Ascheanteil: 1 Ma.-% Spez. PL-m: Spezifische Primärluftmenge [kg PL/kg BS]

0,25 0,00 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 60

Wassergehalt des Brennstoffs [%], Buchenholz Diagramm 1:

Abhängigkeit des unteren Heizwerts des Brenngases von der zugeführten Primärluftmenge sowie des Wassergehalts des Brennstoffs (Buchenholz) mit der minimalen erforderlichen Glutbetthöhe für eine stabile Vergasung. Im Diagramm 1 ist außerdem die minimale erforderliche Glutbett-Höhe dargestellt, welche für eine stabile Vergasung und somit Verbrennung erforderlich ist. Brennstoff mit einem Wassergehalt von bis zu 14 Ma.-% lassen sich ohne Probleme und ohne jegliches Glutbett verbrennen. Steigt der Wassergehalt des Brennstoffs über 14 Ma.-% an, ist eine minimale Glutbetthöhe bzw. Energiemenge für einen stabilen Betrieb des Vergasungsprozesses gemäß den Angaben von Diagramm 1 notwendig. Weiche oder harte Scheithölzer, die über einen Wassergehalt von größer als 18 Ma.-% verfügen, sollten im Vergaserkessel nicht eingesetzt werden. Lose

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Brennstoffe, wie z. B. Hackschnitzel lassen sich aufgrund größerer spezifischer Oberfläche mit höherem Wassergehalt (bis 38 Ma.-%) in Vergaserkesseln einsetzen. Ein minimaler Wassergehalt von ca. 7 Ma.-% zwecks kontrollierter Vergasung sollte nicht unterschritten werden. Bei handbeschickten Vergaserkesseln sollte unabhängig vom Wassergehalt der Hackschnitzel ein Glutbett vorhanden sein, um eine sichere Anzündung des Brennstoffs und Fortsetzung des Vergasungsprozesses zu gewährleisten. Außerdem ist die Beschickung von Hackschnitzeln im Kaltstart ohne ein Glutbett bzw. ohne entsprechendes Brennstoffanzündsystem nicht zu empfehlen. Anteil an flüchtigen Bestandteilen Unter flüchtigen Bestandteilen sind Zersetzungsprodukte zu verstehen, die bei der Pyrolyse von Biomasse unter definierten Bedingungen (bei einer Erhitzung auf 900 °C unter Luftabschluss) entstehen. Der Anteil an flüchtigen Bestandteile wird gemäß der Norm DIN 51720:2001-03 bestimmt und charakterisiert die Eigenschaften des Festbrennstoffs, unter Wirkung von Wärme und Abschluss von Sauerstoff in brennbare gasförmige Bestandteile zu zerfallen. Tabelle 4:

Verbrennungstechnische Kenndaten von naturbelassenen wasserfreien Hölzern [Mittelwerte nach Hartmann et al. 2000 und Spliethoff et al. 1996].

Brennstoffe bzw. Hölzer, die in der Regel in Vergaserkesseln eingesetzt werden.

Heizwert Ascheanteil

Fichtenholz (mit Rinde)

18,80

0,6

0,0

99,4

82,9

Buchenholz (mit Rinde)

18,40

0,5

0,0

99,5

84,0

Pappelholz (Kurzumtrieb)

18,50

1,8

0,0

98,2

81,2

Weidenholz (Kurzumtrieb)

18,40

2,0

0,0

98,0

80,3

[MJ/kg]

[%]

Wassergehalt [%]

Brennbares

Flüchtige Bestandteile

[%]

[%]

bezogen auf die wasserfreien Brennstoffe

Der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen variiert je nach Brennstoff und gibt direkte Rückschlüsse auf die Bildung von Brenngasen bei dem Vergasungsprozess. Daher stellt er ein wichtiges Brennstoffmerkmal dar, das für die Dimensionierung von Brennkammern sowie Auslegung des Verbrennungsluftzufuhrsystems von großer Bedeutung ist. Bei der Verbrennung von Festbrennstoffen sind nicht nur der Anteil der flüchtigen Bestandteile, sondern auch die Zersetzungstemperatur sowie die Art und die Geschwindigkeit der Zersetzung von großer Bedeutung. Beispielsweise fordert eine ungleichmäßige pyrolytische Zersetzung vom Brennstoff eine dynamische und intelligente Regelung, um anschließend eine stabile und vollständige Verbrennung zu gewährleisten. Brennstoffe mit einem geringen Anteil an flüchtigen Bestandteilen eignen sich nur bedingt zum Einsatz in Vergaserkesseln. Das Gleiche gilt für Festbrennstoffe mit hohem Anteil an schwerflüchtigen Bestandteilen wie z. B. bei intensiv biologisch

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vorbehandelten biogenen Festbrennstoffen. In der Regel verfügen Hölzer über einen Anteil von flüchtigen Bestandteilen zwischen 81 % und 84 % bezogen auf die Trockensubstanz. Die Tabelle 4 stellt die verbrennungstechnischen Kenndaten von naturbelassenen Hölzern bezogen auf eine wasserfreie Substanz dar [Mittelwerte nach Hartmann et al. 2000 und Spliethoff et al. 1996]. Energiegehalt des Brennstoffs Der Energiegehalt des Brennstoffs lässt sich durch den unteren bzw. oberen Heizwert beschreiben. Unter dem unteren Heizwert wird die Wärmemenge verstanden, die bei der vollständigen Oxidation eines Brennstoffs ohne Berücksichtigung der Kondensationswärme (Verdampfungswärme) des im Abgas befindlichen Wasserdampfes freigesetzt wird. Wird die Verdampfungswärme des Wasserdampfes berücksichtigt bzw. zum unteren Heizwert addiert, ergibt sich daraus der obere Heizwert. Der Zusammenhang zwischen dem unteren (Hu) und oberen (Ho) Heizwert lässt sich durch die folgende Gleichung beschreiben: Hu = Ho – w* r

[kJ/kg] oder [kWh/kg]

Unter w lässt sich die Gesamtfeuchte während der thermischen Umwandlung verstehen. Diese beinhaltet neben der Brennstofffeuchte auch die hygroskopische Feuchte und das Reaktionswasser aus der Oxidation von Wasserstoff H2 bzw. R-H-Molekülen. Die Verdampfungswärme I r I beträgt ≈ + 2.500 kJ/kg. Die Brennbarkeit sowie der Heizwert von festen heterogenen Brennstoffen lassen sich durch das Tanner-Dreieck mit Hilfe der Zusammensetzung bzw. Wasseranteil, Ascheanteil und Brennbares bestimmen. Der im Diagramm 2 rot markierte Bereich charakterisiert Brennstoffe, die brennbar sind. In diesem Bereich befindet sich ein weiterer Bereich, welcher durch eine grün gestrichelte Linie eingegrenzt ist. Dieser Bereich charakterisiert Brennstoffe, die selbstbrennend sind. Beispielsweise charakterisiert der Punkt 1 im Diagramm 2 Brennstoffe mit einem Ascheanteil von ca. 37 %, Wasseranteil von ca. 36 % und einen Anteil an Brennbarem von ca. 27 %. Dieser Brennstoff mit dieser Zusammensetzung ist zwar brennbar aber nicht selbstbrennend wie beispielsweise der Brennstoff, der durch den Punkt 2 (Ascheanteil: 20 %, Wasseranteil: 20%, Brennbares: 60 %) im selben Diagramm beschrieben wird. In dem Diagramm 2 ist außerdem ein gelb markierter Bereich zu erkennen, welcher die günstigen bzw. möglichen Zusammensetzungen der Festbrennstoffe bzw. Hölzer in Form von Scheiten charakterisiert, die sich ohne Probleme in Vergaserkesseln einsetzen lassen. Außerhalb dieses Bereiches lässt sich nur bedingt ein Brenngas mit günstigen verbrennungstechnischen Eigenschaften bei der zweistufigen Verbrennung in Vergaserkesseln produzieren. Für eine sachgemäße Verbrennung ist nicht nur der Heizwert bzw. Anteil an flüchtigen Bestandteilen sondern auch die Art der Vergasung des

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0 Bereich der brennbaren Festbrennstoffe

0,0

0,6

1,1

1,7

2,2

0,0

2.000

4.000

6.000

8.000

- 2.500 - 0,7

Brennstoffs von großer Bedeutung. Je ungleichmäßiger die Vergasung stattfindet, umso intelligenter und dynamischer muss die Regelung und entsprechend genauer die Konstruktion sein, um eine stabile Vergasung und somit vollständige Verbrennung zu gewährleisten. Zwar ist der Anteil an flüchtigen Bestandteilen für die Bildung vom Brenngas wichtig, dennoch sollte ein gewisser Koksanteil im Brennstoff vorhanden sein, damit ein Glutbett gebildet werden kann, welches in der Regel eine große Rolle beim Betrieb und der Stabilität des Vergasungsprozesses spielt. Brennstoffe, die kein oder nur ein schwaches Glutbett bilden können, lassen sich nur bedingt in Vergaserkesseln einsetzen. Beispielsweise findet die Vergasung von Fichtenholz schlagartig bzw. so ungleichmäßig statt, dass sich der Bedarf an Sauerstoff während der Verbrennung rapide ändert. Um diesen Bedarf zu decken, ist eine schnelle Erkennung mit entsprechender Reaktion durch den Regler erforderlich.

1,0

0,2

0,8

Wasser 0, 4

0, 4

1

10.000

2,8

12.000

3,3

14.000

3,9

16.000

4,4

18.000

5,0

20.000

5,6

21.500

5,8

0,2

0,8

2 1,0

0

0

0,2

0,4

0,6

0,8

Brennbares Bereich der selbstbrennenden Festbrennstoffe

Diagramm 2:

Heizwert [kJ/kg]

0, 6

0,6

Asche

Heizwert [kWh/kg]

1,0

Günstiger Bereich für Scheitholz zum Einsatz in Vergaserkesseln Günstiger Bereich für Hackschnitzel zum Einsatz in Vergaserkesseln

Tanner-Dreieck zur Bestimmung der Brennbarkeit und des Heizwertes von festen Brennstoffen. Zusätzlich zu den oben erwähnten verbrennungstechnischen Eigenschaften des Brennstoffs spielen die morphologischen Eigenschaften des Brennstoffs eine entscheidende Rolle beim Einsatz in Vergaserkesseln. Hier gilt, je größer die aktive Oberfläche ist, umso höher darf der Wassergehalt im Brennstoff sein bzw. intensiver und unkontrollierter kann die Vergasung stattfinden.

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Sehr feine Brennstoffe (überwiegender Anteil mit einer Korngröße < 1,2 cm) lassen sich nur bedingt in Vergaserkesseln verbrennen. Die in diesem Abschnitt bzw. im Diagramm 2 erwähnten Werte bzw. Bereiche der verbrennungstechnischen Kennwerte basieren auf den praktischen Erfahrungen, die beim Betrieb mit dem eingesetzten LEVSVergaserkessel (Abschnitt ‎4.1) gemacht wurden. Diese Werte bzw. Bereiche können je nach Konstruktion und Verbrennungs- und Regelkonzept des Vergaserkessels abweichen. 3.5

Verbrennungskonzepte der auf dem Markt erhältlichen Vergasertechniken Bei den auf dem Markt verfügbaren Vergaserkesseln findet die Verbrennung in zwei Stufen statt. In der ersten Stufe wird der Brennstoff vergast. Über eine Öffnung wird das Brenngas in eine nachgeschaltete Brennkammer gefördert und dort unter Zugabe von Sekundärluft verbrannt. Die Brennkammer kann entweder seitlich oder unter der Vergasungszone (Unterbrandfeuerung) angeordnet werden. Mit Hilfe eines Saugzuggebläses wird sowohl die nötige Verbrennungsluftmenge zugeführt als auch die entstehenden Verbrennungsabgase aus dem Heizkessel abgeführt. Die Aufteilung der Primär- und Sekundärluft erfolgt durch zwei Luftklappen, die entweder automatisch oder manuell zu regeln sind. Nach der Verbrennungskammer wird das Abgas über Umlenkeinrichtungen zu einem Wärmeaustauscher weitergeleitet, bevor es in die Umgebung abgeleitet wird. Eine integrierte Abgasreinigung bei herkömmlichen Vergaserkesseln ist in keiner Art und Weise vorgesehen (Abbildung 2).

Abbildung 2:

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Verbrennungskonzepte der auf dem Markt verfügbaren Scheitholzvergaserkessel, links: Unterbrand- bzw. Sturzbrandprinzip, rechts: seitliches Abbrandprinzip.

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Die herkömmlichen Vergaserkessel weisen eine schlechte Verbrennungsqualität (CO bis zu 50.000 mg/Nm3) in der Anfahrbetriebsphase sowie in der Ausbrandphase auf. Außerdem charakterisiert sich der Betrieb in der Regelbetriebsphase durch eine sehr empfindliche bzw. nicht stabile Verbrennung, wie dem Diagramm 3 zu entnehmen ist. 55.000 Kohlenstoffmonoxid [mg/Vm3]

50.000 45.000

Anfahrbetrieb

Regelbetrieb

Ausbrand

Nachbrand

CO-Mittelwert aus drei Betrieben eines herkömmlichen Holzvergaserkessels bei der Verbrennung von Buchenscheitholz.

40.000 35.000 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0 00:00

01:00

02:00

03:00

04:00

05:00

06:00

Versuchszeit [hh:mm]

Kohlenstoffmonoxid [mg/Vm3]

4.000 3.600 3.200 2.800 2.400 2.000 1.600 1.200 800

CO-Grenzwert: 400 [mg/Vm3]

400 0 00:00

Diagramm 3:

01:00

02:00 03:00 Versuchszeit [hh:mm]

04:00

05:00

06:00

Kohlenstoffmonoxid bei einem typischen Betrieb eines herkömmlichen Vergaserkessels. Das Diagramm unten ist mit einer angepassten Skalierung der Y-Achse dargestellt.

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In der Anfahrbetriebsphase ist die Belastung an staub- und gasförmigen Emissionen aller Arten sehr hoch. Jede Verbesserung des Verbrennungsverhaltens in dieser Phase soll zu einer bedeutsamen Reduzierung der Emissionen sowie Erhöhung des Wirkungsgrads führen. Obwohl in dieser Phase über 95 % der gesamten Emissionen entstehen, wird sie bei der Überwachung durch den Schornsteinfeger nicht berücksichtigt. In der Regelbetriebsphase hängt die Schadstoffbelastung von der Qualität der Verbrennung ab. Bei einer unvollständigen Verbrennung (wie in Störfällen, Teillastbetrieb und Gluthaltebetrieb) ist mit hohen Emissionen wie in der Anfahrbetriebsphase zu rechnen. In der Ausbrandsowie Nachbrandbetriebsphase ist zwar die Belastung an Kohlenstoffmonoxid hoch, es lassen sich aber andere Kohlenwasserstoffe sowie Feinstäube nur in geringeren Konzentrationen feststellen. Der ungünstige oben geschilderte Abbrandvorgang bei herkömmlichen Vergaserkesseln ist auf die folgende Problematik bzw. Ursachen zurückzuführen: − Verbrennungstechnische und konstruktive (konzeptionelle) Problematik. − Regelungstechnische Problematik. Im Abschnitt ‎3.6 sowie Abschnitt ‎3.7 sind diese Ursachen näher und ausführlicher dargestellt. 3.6

Konzeptionelle Problematik der herkömmlichen Vergaserkessel Folgende Gründe bei herkömmlichen Vergaserkesseln führen zu einem instabilen Betrieb bzw. einer nicht reproduzierbaren Verbrennung. − Bestehende Brennkammern mit ihrer einfachen Form können, aus konstruktiven Gründen, eine vollständige Verbrennung nur im Regelbetrieb, bei bestimmten Strömungsverhältnissen bzw. in einem engen Leistungsbereich gewährleisten. Die Änderung der Strömungs- bzw. Druckverhältnisse hat großen Einfluss auf die Qualität der Verbrennung. − Es besteht eine strömungstechnische Abhängigkeit zwischen der Primär- und der Sekundärluft. Jede Änderung des Strömungswiderstands beim jeweiligen Luftkanal hat großen Einfluss auf die zugeführte Verbrennungsluftmenge im anderen Kanal und somit auf die Qualität der Verbrennung. − Die Regelung der Sekundär- und Primärluft ist aufgrund des verwendeten Verbrennungsluftzufuhrsystems und seinen Regelakteuren sehr träge. Eine ausreichende Regelungsdynamik für einen stabilen Betrieb und eine vollständige Verbrennung in kritischen Betriebsphasen kann nur bedingt realisiert werden. Die regelungstechnische Problematik der herkömmlichen Vergaserkessel ist im Abschnitt ‎3.7 ausführlich beschrieben.

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− Bei herkömmlichen Vergaserkesseln wird durch ein einziges Saugzuggebläse sowohl die Verbrennungsluft zugeführt als auch das Abgas aus dem Heizkessel gefördert. Die zugeführte Verbrennungsluftmenge bzw. die Förderleistung des Saugzuggebläses hängt von der Abgastemperatur bzw. der Abgasviskosität sowie vom Unterdruck hinter dem Heizkessel in der Abgasanlage bzw. dem Schornstein ab. Die Änderung des Unterdrucks, wie z. B. bei ungünstigen Witterungsbedingungen, hat negativen Einfluss auf die zugeführte Verbrennungsluftmenge und infolgedessen auf den gesamten Verbrennungsprozess. − Eine reproduzierbare gute Verbrennung in der Anfahrbetriebsphase lässt sich bei den herkömmlichen Verbrennungskonzepten nicht erreichen. Zu dieser Problematik trägt sowohl die Verbrennungsregelung als auch das Brennstoffanzündsystem bzw. die Anzündweise bei. Zusätzlich zu den oben genannten Punkten wurde anhand einer Kohlenstoffbilanz festgestellt, dass bis zu 12 Ma.-% des gesamten Brennstoffkohlenstoffs ohne thermische Umwandlung bleiben bzw. als nicht verbrannte Bestandteile mit dem Abgas ausgestoßen werden. Dadurch nimmt nicht nur die Effizienz der Verbrennung ab, sondern es entstehen auch erhebliche Umweltbelastungen bzw. –verschmutzungen. Ein anderer Grund für die Verschlechterung der Effizienz während des Betriebs liegt an der Belegung des Wärmeübertragers mit der mitgerissenen Verbrennungsasche, welche die Wärmeübertragung massiv hindert und bis zu 37 % verringert. 3.7

Regelungstechnische Problematik der herkömmlichen Vergaserkessel Wie im Abschnitt ‎3.5 beschrieben wurde, findet die Verbrennung in herkömmlichen Vergaserkesseln in zwei Stufen statt. In der ersten Stufe wird der Festbrennstoff vergast. Das erzeugte Brenngas wird anschließend einer nachgeschalteten Brennkammer zugeführt und dort unter Zugabe von Sekundärluft verbrannt. Ein abgasseitiges Saugzuggebläse sorgt dafür, dass die nötige Verbrennungsluft über den gesamten Betrieb bereitgestellt und das entstehende Verbrennungsabgas sicher aus dem Heizkessel gefördert wird. Die Einstellung bzw. die Aufteilung der gesamten Verbrennungsluft in Primär- und Sekundärluft erfolgt durch zwei mit Stellmotoren geregelte Klappen. Dieses Verbrennungsluftzufuhrsystem wird hier als Gebläse-ZweiKlappen-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem bezeichnet. Die Regelung des Verbrennungsprozesses in den herkömmlichen Vergaserkesseln erfolgt durch die Einstellung der Primär- und Sekundärluftmenge. Durch die zugeführte Primärluftmenge wird die Brennstoffvergasungsintensität und somit die thermische Leistung des Heizkessels eingestellt. Im Allgemeinen lässt sich die Problematik der heutigen Verbrennungsluftregler auf Basis des Gebläse-Zwei-KlappenVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems anhand der folgenden Punkte zusammenfassen:

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− Die Regelung der Primär- und Sekundärluft erfolgt durch eine indirekte Größe bzw. durch die Öffnungsweite der Sekundär- und Primärluftklappen. Dadurch lässt sich keine ausreichende Regelungsdynamik sowohl bei der Bestimmung der nötigen Verbrennungsluftmenge als auch bei der Verteilung der Sekundärund Primärluft erreichen. Je nach Strömungswiderstand in den Luftkanälen und Druckverhältnissen im Heizkessel sowie in der Abgasanlage werden unterschiedliche Mengen an Primär- und Sekundärluft in einer nicht reproduzierbaren Weise zugeführt, wodurch die Verbrennung in vielen Betriebsphasen nicht sachgemäß stattfinden kann. Besonders wichtig ist die Anfahrbetriebsphase, in der über 90 % der Schadstoffemissionen aufgrund unvollständiger Verbrennung entstehen. − Die Stellmotoren lassen sich regelungstechnisch und konstruktionsbedingt nur sehr langsam regeln, wodurch die Verbrennungsluftzufuhr bei einer Änderung der Betriebsparameter (Druck, Sauerstoffbedarf, Vergasungsintensität, Wärmeverbrauch bzw. Kessel- und Abgastemperatur usw.) nicht rechtzeitig an den Verbrennungsluftbedarf angepasst werden kann. Dadurch entstehen aufgrund von Sauerstoffmangel zwangsläufig hohe Schadstoffemissionen vor allem in der Anfahrbetriebsphase beim Kaltstart und bei der Nachbeschickungsbetriebsphase des Vergaserkessels (Diagramm 3). − Mit den konventionellen Reglern der Vergaserkessel können aufgrund geringerer Flexibilität bzw. langsamer Anpassung von Sekundärluft und Primärluft, biogene Brennstoffe mit unterschiedlichen verbrennungstechnischen Eigenschaften (Wassergehalt, Brennbares, Heizwert von Brennstoff und erzeugtem Brenngas, Aschegehalt, Morphologie, Porosität, chemische Zusammensetzung, Oberflächeneigenschaften, Vergasungs- und Zündfähigkeit, Energiedichte) nur bedingt ökonomisch und ökologisch verbrannt werden. Durch diese geringe Regelungsflexibilität gerät die Verbrennung schnell in Sauerstoffmangel oder -überschuss, sodass hohe Schadstoffkonzentrationen entstehen. − Die herkömmliche Regelung ist eine strategische aber keine intelligente Regelung. Diese Regelung ist nur für optimale Betriebsbedingungen und für hochqualitative Brennstoffe entwickelt bzw. ausgelegt und entsprechend erprobt. Biogene Brennstoffe mit ungünstigen Eigenschaften, wie z. B. Hackgut, trockenes Buchenholz (Wassergehalt < 10 Ma.-%) oder Fichtenholz mit einem Wassergehalt von mehr als 20 Ma.-%, lassen sich in herkömmlichen Vergaserkesseln nur bedingt sachgemäß verbrennen. Beispielsweise besteht eine hohe Abhängigkeit zwischen den Öffnungsweiten der Stellklappen und den verbrennungstechnischen Eigenschaften des beschickten Brennstoffs. Daher werden von den Herstellern in der Regel für jeden Brennstoff spezifische Öffnungsweiten für die Stellklappen definiert, mit denen die Verbrennung optimal 38

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stattfinden sollte. Damit die Öffnungsweiten an den Brennstoff angepasst werden können, muss der Anlagenbetreiber vor jeder Neubeschickung eine Angabe über den beschickten Brennstoff in der Regelung hinterlegen. Die Anlagenbetreiber kennen jedoch die Brennstoffeigenschaften häufig nicht, wodurch die vordefinierten bzw. falschen Einstellungen ausgewählt und der Heizkessel nur diskontinuierlich optimal betrieben werden kann. Durch die oben geschilderten Punkte ist zu erkennen, dass sich die Hauptproblematik der Regelung aus dem Verbrennungsluftzufuhrsystem (Gebläse-Zwei-Klappen-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem) und seinen Akteuren mit ihren eingeschränkten Einstellmöglichkeiten sowie technischen Grenzen ergeben. Aus den in diesem Abschnitt sowie im Abschnitt ‎3.6 erwähnten Gründen lassen sich eine hohe Reproduzierbarkeit bzw. Wiederholbarkeit bei der Verbrennung von unterschiedlichen Brennstoffen mit variablen verbrennungstechnischen Eigenschaften nur bedingt erreichen. Im Rahmen des LEVS-Projekts wurde ein innovatives Verbrennungsluftzufuhrsystem (Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem) erfolgreich getestet. Dieses Verbrennungsluftzufuhrund Abgasfördersystem hat gegenüber den herkömmlichen Reglern den Vorteil, dass es eine intelligente Regelung des Verbrennungsprozesses ermöglicht, wodurch nicht nur eine schadstoffarme und effiziente Verbrennung, sondern auch ein sehr stabiler Betrieb unabhängig von dem eingesetzten Brennstoff zu erreichen ist. Das Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems wurde bisher durch einen einfachen Versuchsregler auf SPS-Basis betrieben, wobei die nötige regelungstechnische Grundlage entwickelt und erarbeitet wurde (siehe Abschnitt ‎8). Diese wichtige Grundlage soll für die Entwicklung eines intelligenten Universalreglers genutzt werden, der für einen sicheren Betrieb des Vergaserkessels gemäß den Anforderungen der DIN EN 303-5 sowie der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG, geeignet ist.

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4

Verfahrenstechnische Grundlage des Low-Emission-Verbrennungssystems

4.1

Technischer Aufbau des Low-Emission-Verbrennungssystems Die Abbildung 3 zeigt den Aufbau bzw. einen Querschnitt im Heizkessel mit den drei innovativen Bestandteilen des LEVS. 14

13

15

12

18 4 1 2

18

17 16

8 3

9

10

7

5 6

11

1 2 3 4 5 6

Sekundärluftgebläse Primärluftgebläse Tür des Vergasungsraums Brennstoff-Füllraum Vergasungsraum Verstellbares Rost

Abbildung 3:

7 8 9 10 11 12

Brenngasöffnung Brenngaskanal Primärluftöffnungen Zyklonbrennkammer Staubsammelbehälter Einbautentechnik/ Nachbehandlungsstufe

13 14 15 16 17 18

Saugzuggebläse Revisionsklappe Beschickungstür Tauchrohr Zyklon-Eintrittskanal Wassertasche/Wärmeaustauscher

Querschnitt des Heizkessels mit den drei innovativen Bestandteilen (DreiGebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem, Zyklonbrennkammer und Einbautentechnik) des LEVS. Vergaserkessel auf der Basis vom LEVS unterscheiden sich von bekannten Vergaserkesseln durch die Verbrennungsluftzufuhr (1, 2 und 13), die

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Zyklonbrennkammer (10) und die Nachbehandlungsstufe bzw. Einbautentechnik (12). Zur Vergasung wird die vorgewärmte Primärluft der Vergasungszone seitlich durch ein Primärluftgebläse (2) statt einer Luftklappe zugeführt. Das bei dem Vergasungsprozess entstehende Brenngas wird in die Zyklonbrennkammer (10) unter der Zugabe von Sekundärluft mit Hilfe eines Sekundärluftgebläses (1) über einen Brenngaskanal (8) gefördert. Die Nachbehandlungsstufe bzw. die Einbautentechnik liegt über der Zyklonbrennkammer. Bei der Einbautentechnik handelt es sich um ein drei-dimensionales Modul, das aus keramischen oder metallischen Einbauten (Füllkörper) mit speziellen MiniTurbulatoren (ligules) besteht. Die Einbautentechnik sorgt sowohl für die weitere Behandlung der schweroxidierbaren Komponenten als auch für die Abscheidung und Sammlung adhäsierbarer Aerosole und organischer Feinstaubpartikel (wie z. B. Ruß) in den Betriebsphasen, bei denen die Temperatur für eine vollständige Oxidation nicht ausreichend ist. Diese Aerosole und Feinpartikel werden später beim Erreichen einer günstigen, höheren Temperatur vollständig oxidiert. Dadurch wird das EinbautenModul ohne zusätzliche Energie regeneriert. Ein besonderer Vorteil der Nachbehandlungsstufe bzw. der Einbautentechnik liegt daran, dass die Aktivierungsenergie während des Betriebs bzw. der Verbrennung intensiv gespeichert und automatisch für die thermische Oxidation in ungünstigen Betriebsphasen (wie z. B. im Teillastbetrieb und in der Ausbrandbetriebsphase) bereitgestellt werden kann. Aufgrund der großen Abgaswege (> 15 mm) im Einbauten-Modul bzw. der Vorabscheidung grober Aschepartikel in der Zyklonbrennkammer, ist die Verstopfung des Einbauten-Moduls auszuschließen. Die unter der Zyklonbrennkammer (11) gesammelten Flugaschen und Feinstäube können entweder manuell oder automatisch durch einen Schneckenförderer aus dem Heizkessel befördert und von dort über einen Sammelbehälter mit der Verbrennungsasche entsorgt werden. Der Heizkessel verfügt über mehrere Türen für die Beschickung des Brennstoffs (15), Entsorgung der Verbrennungsasche (3) sowie der im Zyklon abgeschiedenen Stäube und Flugaschen und für die Wartung der Einbautentechnik (14). Nach dem Wärmeübertrager (18), welcher um die Zyklonbrennkammer sowie der Nachbehandlungsstufe in Form von Wassertaschen angebracht ist, wird das Abgas durch ein Saugzuggebläse aus dem Heizkessel befördert. Dieses ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Vergaserkesseln, nur in Bezug auf den Unterdruck in der Hauptbrennkammer bzw. Brennstofffüllschacht geregelt. Die Anzündung des Brennstoffs im Kaltstart kann entweder manuell oder automatisch mit Hilfe eines elektrischen Anzündsystems (Heizstab bzw. Heißluftgebläse) erfolgen. Die Anzündung des Brennstoffs im Kaltstart hat großen Einfluss auf die Verbrennungsqualität und die Betriebssicherheit vor allem in der Anfahrbetriebsphase.

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4.2

Neuheitsgrad, Besonderheit und Vorteile des Low-EmissionVerbrennungssystems Der Neuheitsgrad des LEVS ergibt sich aus dem Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem, der Zyklonbrennkammer und der Nachbehandlungsstufe. Die Vorteile der drei neuen Systemstufen gegenüber dem Stand der Technik sind im Folgenden beschrieben: Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem: Die Zufuhr der Verbrennungsluft bzw. die Abfuhr des Abgases aus dem Heizkessel erfolgt durch ein neuartiges System, welches sich durch die folgenden Vorteile charakterisiert: − Durch den Einsatz von zwei Gebläsen besteht keine strömungstechnische Abhängigkeit zwischen der Primär- und der Sekundärluft. Die Änderung der Strömungsverhältnisse im und nach dem Heizkessel hat keinen Einfluss auf die zugeführte Verbrennungsluftmenge und somit auf die Verbrennungsqualität. − Da die Verbrennungsluftzufuhr bzw. die Abgasabfuhr durch strömungs- und regelungstechnisch getrennte Gebläse erfolgt, kann die Verbrennungsluftzufuhr nicht durch die Änderung der Abgasparameter, oder durch ungünstige Witterungsbedingungen und Strömungsverhältnisse beeinflusst werden. − Die strömungs- und regelungstechnische Unabhängigkeit zwischen der Primär- und Sekundärluftzufuhr gewährleistet eine schnelle und präzise Luftzufuhr bzw. eine optimale Anpassung und Verteilung der Primär- und der Sekundärluft in den Vergasungs- und Reaktionszonen. − Die Trennung der prozesstechnischen Funktion der Regelakteure bzw. Gebläse ermöglicht eine separate dynamische Regelung der Primär- und Sekundärluft mit einfachen Regelalgorithmen. − Die Regelung der Verbrennungsluft erfolgt durch direkte Größen (Drehzahl der Gebläse-Motoren), wodurch eine schnellere Regelreaktion und ein dynamischerer Regelungsprozess realisiert werden können. Die oben dargestellten Vorteile des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhrund Abgasfördersystems ermöglichen die Entwicklung einer Universalregelung, die eine emissionsarme und effiziente Verbrennung unabhängig von der Konstruktion der Heizkessel sowie dem eingesetzten Brennstoff gewährleistet. Die im Rahmen dieses Projekts erarbeitete Regelungsgrundlage ist im Abschnitt ‎8 dargestellt. Zyklonbrennkammer: Die Zyklonbrennkammer agiert sowohl als Brennkammer als auch als Feinstaubabscheider. Die besondere Leistung für die Feinstaubabscheidung in der Zyklonbrennkammer ergibt sich aus der Begünstigung der Agglomerationsmechanismen, welche besonders effektiv bei hohen Abgastemperaturen und unterschiedlichen Geschwindigkeiten der

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Feinstaubpartikel in der Zyklonbrennkammer während der Verbrennung stattfinden können. Im Folgenden sind die Vorteile dieser innovativen Verbrennungsstufe dargestellt: − In der Zyklonbrennkammer erfolgt eine Vorabscheidung grober und feiner Staubpartikel. Staubpartikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von bis zu 10 µm lassen sich bis zu 90 % dank der effektiven Agglomerationsmechanismen (thermische, elektrostatische und turbulente Agglomeration sowie Agglomeration durch Gradienten) in der Zyklonbrennkammer abscheiden. − Durch die Abscheidung der Verbrennungsaschen und – stäube wird eine schnelle Belegung des Wärmeübertragers mit Verbrennungsasche vermieden, wodurch ein besserer Wärmeaustausch und somit hoher Kesselwirkungsgrad über eine längere Betriebszeit ohne notwendige Kesselreinigung durch den Bediener gewährleistet wird. − Intensive Durchmischung und Verlängerung der aktiven Verweilzeit unabhängig von den Mengen des Gasgemischs (Brenngas- und Sekundärluftmenge) während unterschiedlicher Betriebsphasen. − Die Zyklonbrennkammer mit der Einbautentechnik spielt eine große Rolle bei der Stabilisierung der Strömung im gesamten Heizkessel. − Erhöhung der Modulierbarkeit der thermischen Leistung des Vergaserkessels. − Vermeidung der Kurzströmung im Brennkammerbereich bei kleineren Abgasvolumenströmen. Die Zyklonbrennkammer kann aus dem gleichen Material der herkömmlichen Brennkammer in Form von Segmenten hergestellt und aufgebaut werden. Eine Verteuerung des Heizkessels wegen der speziellen Zyklonform der Brennkammer ist auszuschließen. Nachbehandlungsstufe (Einbautentechnik): Bei der Nachbehandlungsstufe handelt es sich um eine sogenannte Einbautentechnik. Diese innovative Technik zeichnet sich durch die folgenden Vorteile aus: − Die Einbautentechnik agiert als thermischer Oxidationsreaktor und gewährleistet eine vollständige Verbrennung, unabhängig von den Störungen bzw. der Dynamik des Vergasungsprozesses. − Diese innovative Technik benötigt für ihre Funktion keine externe Energie. Außerdem werden durch den Einsatz dieser Technik keine Energieverluste entstehen. − Durch den Einsatz der Einbautentechnik wird die aktive Reaktionszone durch die Intensivierung der Durchmischung, die Homogenisierung sowie die Stabilisierung der Temperatur vergrößert, wodurch eine vollständige Verbrennung unabhängig von der Dynamik des Vergasungsprozesses stattfinden kann.

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− Dank der Einbautentechnik können schweroxidierbare Abgasbestandteile (Aerosole, Ruß und Kohlenwasserstoffe) behandelt werden. − Gewährleistung vollständiger Verbrennung im Teillastbetrieb sowie in der Ausbrandphase durch die Bereitstellung der nötigen Aktivierungsenergie für die Oxidation. Die Einbautentechnik funktioniert auf eine natürliche Art und Weise ohne jegliche Regelung. Außerdem lässt sie sich ökonomisch und ökologisch in allen Phasen des Lebenszyklus einsetzen. Weitere konzeptionelle Vorteile der Einbautentechnik mit der Auslegung zum Einsatz in Heizkesseln sind im Abschnitt ‎4.3.5 ausführlich dargestellt. 4.3

Auslegung des Low-Emission-Verbrennungssystems Das LEVS-Verbrennungskonzept stellt ein neues innovatives Konzept zum Einsatz in Biomasseheizkesseln dar. In diesem Abschnitt wird eine verfahrenstechnische Grundlage zur Auslegung von Heizkesseln auf Basis des LEVS unter Berücksichtigung der sicherheitsrelevanten Anforderungen der DIN EN 303-5 sowie der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG geschildert, welche für die Typprüfung, Zulassung und ferner für einen sicheren Betrieb von Biomasseheizkesseln in der Praxis relevant sind. Bei der Auslegung sind folgende Systemkomponenten zu berücksichtigen: − Primär- und Sekundärluftverteilungssysteme, − Brennstoffanzündungssystem,

− Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem, − Zyklonbrennkammer,

− Einbautentechnik zum Einsatz in Heizkesseln. Es ist zu erwähnen, dass der Brennstoff bei dem Betrieb der Versuchsverbrennungsanlage bzw. des Prototyps manuell angezündet wurde. Ein automatisches Brennstoffanzündsystem war nicht vorhanden. Die im Abschnitt ‎4.3.2 dargestellten technischen Betriebsempfehlungen wurden beim Betrieb der Versuchsverbrennungsanlage erarbeitet und stellen eine wichtige Grundlage für die Auslegung des Anzündsystems dar. Im Abschnitt ‎4.3.3, Abschnitt ‎4.3.4 und Abschnitt ‎4.3.5 ist die verfahrenstechnische Grundlage für die Auslegung der Systemkomponenten des LEVS ausführlich dargestellt. 4.3.1 Primär- und Sekundärluftverteilungssystem In diesem Abschnitt wird eine Methode bzw. einfache Grundlage für die Konstruktion und Auslegung des Primär- und Sekundärluftverteilungssystems dargestellt. Alle Angaben und Annahmen im Abschnitt ‎4.3.1.1 bzw. im Abschnitt ‎4.3.1.2 sind approximativ und basieren auf langjährigen praktischen Erfahrungen, die bei der Auslegung, dem Betrieb und der Prüfung von Vergaserheizkesseln erworben wurden.

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4.3.1.1 Primärluftverteilungssystem Für eine stabile Vergasung und somit Verbrennung sowie einen sicheren Betrieb eines LEVS-Vergaserkessels ist die Berechnung der Primär- und Sekundärluft mit einer entsprechenden Verteilung von großer Bedeutung. Die Länge und der Querschnitt der Primär- und Sekundärluftkanäle sollen so ausgesucht werden, dass die Verbrennungsluft innerhalb von weniger als einer halben Sekunde in die aktive Reaktionszone der Primär- und Sekundärluft gelangt. Dadurch lässt sich eine stabilere und effizientere Regelung aufgrund der schnelleren Erkennung des Regeleffekts nach der Durchführung der Regelstrategien bzw. -reaktionen erreichen. Berechnung des Querschnitts des Primärluftkanals Die Berechnung des Querschnitts des Primärluftkanals erfolgt gemäß der Gleichung 1: .

APLK  APLO 

QPL

Gleichung 1

PLK

Wobei: .

QPL :

Primärluftmenge im Nennlastbetrieb [Nm3/s].

PLK :

Luftgeschwindigkeit im Primärluftkanal [m/s]. Zwischen 2,5 [m/s] und 3,5 [m/s].

APLK :

Querschnitt des Primärluftkanals [m2].

APLO :

Querschnitt der Primärluftöffnungen [m2].

Die Primärluftmenge lässt sich näherungsweise gemäß der Gleichung 2 berechnen: .

QPL 

0,98  Pth 3.600

Gleichung 2

Wobei: .

QPL :

Primärluftmenge bzw. Primärluftvolumenstrom [Nm3/s].

Pth :

Thermische Nennwärmeleistung des Heizkessels [kWth].

Bei Einsatz der Gleichung 2 in die Gleichung 1 ergibt sich die Gleichung 3 für die Berechnung des Querschnitts des Primärluftkanals bzw. der Primärluftöffnungen. APLK  APLO 

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0,98  Pth 3.600  PLK

Gleichung 3

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Es ist zu erwähnen, dass je niedriger die Luftgeschwindigkeit im Glutbereich ist, umso weniger staub- und gasförmige Schadstoffe können gebildet bzw. mobilisiert werden. Es gilt außerdem, je höher die Luftgeschwindigkeit ist, desto schneller und rechtzeitiger kann die Regelung auf ungünstige Betriebszustände z. B. im Fall des Sauerstoffmangels reagieren. Verteilung der Primärluft in der aktiven Vergasungszone Die Verteilung der Primärluftöffnungen in der aktiven Vergasungszone kann nach dem Flächenverteilungsprinzip erfolgen, wie in der Abbildung 4 dargestellt ist. Sekundärluftdüse

Brenngasöffnung Brenngas AVRL

AVRR

APLL

APLR Vergasungsraum AVRM AVR = AVRL+ AVRM + AVRR APLK = APLO= APLL + APLM + APLR APLK = APLO

Abbildung 4:

Schematische Darstellung der Grundfläche des Vergasungsraums mit der Sekundärluftdüse sowie mit dem Flächenprinzip zur Verteilung von Primärluft. Gemäß dem Flächenverteilungsprinzip kann die gesamte Fläche des Vergasungsraums (AVR) in drei Flächenbereiche (AVRL, AVRM und AVRR) unterteilt werden. Die gesamte Querschnittsfläche der Primärluftöffnungen APLO kann je nach dem Verhältnis des jeweiligen Flächenbereichs zur Gesamtfläche des Vergasungsraums AVR gemäß der Gleichung 4, der Gleichung 5 und der Gleichung 6 aufgeteilt werden. APLL  APLO 

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AVRL AVR

APLM  APLO 

AVRM AVR

APLR  APLO 

AVRR AVR

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Gleichung 4

Gleichung 5

Gleichung 6

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Die Grundfläche des Vergasungsraums AVR lässt sich gemäß der Gleichung 7 berechnen: AVR 

Pth , B th

250 > Bth > 200

Gleichung 7

Wobei: Pth :

Thermische Nennwärmeleistung des Heizkessels [kWth].

Bth :

Thermische Belastung des Vergasungsraums [kWth/m2].

Bei der Berechnung der Grundfläche des Vergasungsraums sollte für eine stabile Vergasung sowie die Vermeidung der thermischen Überlastung des Rostes ein spezifischer Wert für die thermische Belastung zwischen 200 kWth/m2 und 250 kWth/m2 angenommen werden. Die Verteilung der gemäß der Gleichung 4, der Gleichung 5 und der Gleichung 6 (bzw. APLL, APLM und APLR) gerechneten Flächen soll räumlich im jeweiligen Flächenbereich und geometrisch gleichmäßig erfolgen. Dabei ist es sehr wichtig, dass sich die durchströmende Verbrennungsluftmenge proportional zu der sich im jeweiligen Bereich befindenden Brennstoffmasse verhält. Dadurch lässt sich eine gleichmäßigere Vergasung und somit bessere Verbrennung über den gesamten Betrieb erreichen. Die Anzahl der Primärluftöffnungen kann gemäß der Gleichung 8, der Gleichung 9 und der Gleichung 10 berechnet werden. nPLL 

nPLM 

nPLR 

APLL APLL 4  APLL   2 AO   dO   dO2 4

Gleichung 8

APLM A 4  APLM  PLM2  AO   dO   dO2 4

Gleichung 9

APLR APLR 4  APLR   2 AO   dO   dO2 4

Gleichung 10

Wobei: nPLL, nPLM, nPLR:

Anzahl der Primärluftöffnungen im jeweiligen Bereich [-] des Vergasungsraums.

dO :

Durchmesser der Primärluftöffnung [m].

AO :

Querschnitt bzw. Fläche der Primärluftöffnung [m2].

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Die Unterteilung des Vergasungsraums in unterschiedliche Bereiche soll individuell für jeden Heizkesseltyp je nach Form und Geometrie sowie je nach Position und Abmessungen der Brenngasöffnung erfolgen. Bei der Auslegung des Primärluftverteilungssystems ist es sehr wichtig, den Querschnitt der Primärluftöffnung zu berechnen, an der das Primärluftgebläse am Primärluftkanal angebracht wird. Die Geometrie und Abmessungen dieser Öffnung sollten so ausgesucht werden, dass die Strömung nach dem Gebläse nicht gestört wird sowie der Vergasungsprozess gestoppt werden kann, wenn das Gebläse steht bzw. sich bei seiner minimalen Förderleistung dreht. Das heißt, bei minimaler Förderleistung des Primärluftgebläses darf nur so wenig Primärluft den Primärluftkanal durchströmen, so dass der Vergasungsprozess mit dieser zugeführten Luftmenge nicht stattfinden kann. Diese Anforderungen sind sehr wichtig für die Regelung des Vergasungsprozesses. Bei der eingesetzten Versuchsverbrennungsanlage hat sich eine Öffnung von ca. 4 cm2 bei der Verbrennung von unterschiedlichen Brennstoffen (siehe Abschnitt ‎5.4) bewährt. Der optimale Querschnitt der Primärluftöffnung soll individuell bzw. experimentell für jeden Anlagentyp bzw. für jede gewünschte thermische Nennwärmeleistung festgelegt werden. Die gesamte Fläche der Primärluftöffnungen kann entweder bis 20 % größer oder gleich wie die Querschnittsfläche des Primärluftkanals sein. Kleinere Flächen der Primärluftöffnungen können zu einer ungünstigen Strömung in dem Primärluftkanal und folglich zur gestörten Primärluftzufuhr führen. 4.3.1.2 Sekundärluftverteilungssystem Die Zugabe der Sekundärluft erfolgt meistens über eine sogenannte Sekundärluftdüse an einer einzigen Stelle, die in der Regel an der Primärluftöffnung angeordnet ist. Dadurch lässt sich eine schnelle und sichere Anzündung der Brenngase sicherstellen. Um eine schlagartige Kühlung des Brenngases zu vermeiden, ist es zu empfehlen, dass die Sekundärluft über mehrere Stellen vor und in der Brennkammer zugegeben werden soll. Da die Sekundärluftzugabe bzw. Sekundärluftdüse strömungstechnisch näher zum Saugzuggebläse angeordnet ist als die Brenngasentstehungsstelle, sollte der Strömungswiderstand im Sekundärluftverteilungssystem größer sein als im Primärluftverteilungssystem sowie über den Vergasungsraum während des Betriebs. Ein geringerer Strömungswiderstand im Sekundärluftverteilungssystem führt beim Gebläse-Zwei-KlappenVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem (siehe Abschnitt ‎3.5) gemäß dem Stand der Technik zur Entstehung von Überdruck im Vergasungs- bzw. Brennstofffüllraum vor allem beim Kaltstartbetrieb. Beim Drei-Gebläse- Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem spielt der Strömungswiderstand im Sekundärluftverteilungssystem nur eine untergeordnete Rolle, da die Sekundärluft durch eine enge unveränderliche

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Sekundärluftöffnung (der Öffnung zwischen dem Sekundärluftgebläse und dem Sekundärluftkanal) mit Hilfe des Sekundärluftgebläses in den Sekundärluftkanal eingeblasen wird. Die optimalen Abmessungen bzw. Form und Geometrien der Sekundärluftöffnung sollen so festgelegt werden, dass eine kontrollierte Sekundärluftzufuhr bzw. weder Sauerstoffüberschuss bei minimaler Förderleistung des Sekundärluftgebläses noch Sauerstoffmangel bei der höchsten erwünschten Förderleistung des Sauerstoffgebläses ermöglicht wird.

Sekundärluftdüse

Abgas (Brenngas + Sekundärluft) Sekundärluft

Sekundärluftöffnungen Brenngas

Brenngas

Öffun Sekundärluftdüse

Abbildung 5:

In der Versuchsverbrennungsanlage verwendete Sekundärluftdüse mit dem Brenngaskanal. Zur Auslegung des Sekundärluftverteilungssystems gehört die Berechnung des Querschnitts des Sekundärluftkanals mit den nötigen Sekundärluftöffnungen und ihren Anordnungen in der Sekundärluftdüse. Eine wichtige Aufgabe bei der Auslegung der Sekundärluftzufuhr, wie bei der Primärluftzufuhr, ist die Bestimmung des Querschnitts zwischen dem Sekundärluftgebläse und dem Sekundärluftkanal. Die Strömungsfläche des Querschnitts soll so festgelegt werden, dass die Sekundärluft kontrolliert in geringerer Menge (< 8 m3/h) zugeführt wird, wenn das Sekundärluftgebläse mit minimaler Förderleistung läuft. Berechnung des Querschnitts des Sekundärluftkanals Der Querschnitt des Sekundärluftkanals berechnet sich gemäß der Gleichung 11:

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.

ASLK  ASLO 

QSL

Gleichung 11

SLK

Wobei: .

QSL :

Sekundärluftmenge bzw. Sekundärluftvolumenstrom [Nm3/s].

SLK :

Luftgeschwindigkeit im Sekundärluftkanal [m/s]. Zwischen 3,5 [m/s] und 5,5 [m/s].

ASLK :

Querschnitt des Primärluftkanals [m2].

ASLO :

Querschnitt der Sekundärluftöffnungen [m2].

Die Sekundärluftmenge für die Auslegung des Sekundärluftkanals lässt sich approximativ gemäß der Gleichung 12 berechnen: .

QSL 

Pth  (0,75  0,22   ) 3.600

Gleichung 12

Wobei: .

QSL :

Sekundärluftmenge bzw. Sekundärluftvolumenstrom [Nm3/s].

Pth :

Thermische Nennwärmeleistung des Heizkessels [kWth].

Beim Einsatz der Gleichung 12 in die Gleichung 11 ergibt sich die Gleichung 13 für die Berechnung des Querschnitts des Sekundärluftkanals bzw. der Sekundärluftöffnungen. ASLK  ASLO 

Pth  (0,75  0,22   ) 3.600  SLK

Gleichung 13

Je höher die Luftgeschwindigkeit im Sekundärluftkanal ist, umso schneller wird der Bedarf an Sauerstoff durch die Lambdasonde detektiert und desto rechtzeitiger kann die Regelung auf den Sauerstoffüberschuss bzw. Sauerstoffmangel reagieren. Sehr hohe Luftgeschwindigkeiten im Sekundärluftkanal führen zu einem hohen Druckverlust und somit zu entsprechenden Lärmemissionen und Betriebskosten des Sekundärluftgebläses. Die gesamte Fläche der Sekundärluftöffnungen kann entweder bis 20 % größer oder gleich wie die Querschnittsfläche des Sekundärluftkanals festgelegt werden. Kleinere Flächen der Sekundärluftöffnungen können zu einer ungünstigen Strömung in dem Sekundärluftkanal und folglich zur gestörten Sekundärluftzufuhr und somit unvollständigen Verbrennung führen.

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4.3.2 Brennstoffanzündungssystem Um eine schnelle und sichere Anzündung des Brennstoffs vor allem beim Kaltstart des Vergaserkessels sowie eine stabile gleichmäßige Vergasung während des Betriebs zu gewährleisten, ist eine entsprechende günstige Gestaltung des Vergasungsraums und des Primärluftverteilungssystems bzw. der Primärluftöffnungen erforderlich. Je kürzer der Brenngasweg bis zur Zugabe der Sekundärluft, desto sicherer und schneller entzündet sich das Brenngas. Ein langer Weg führt meistens zur Kühlung des Brenngases und somit zur Störung der Anzündung vor allem in der Anfahrbetriebsphase. Beim Kaltstart der Vergaserkessel bzw. vor dem Aufbau eines Glutbetts soll darauf geachtet werden, dass der Vergasungsprozess nicht schlagartig wie beispielsweise aufgrund gestörter Primärluftzufuhr oder ungünstiger fehlerhafter Anzündung des Brennstoffs abgebrochen wird. Dabei werden zwar weiter Brenngase gebildet, die aber im Fall nicht hinreichender Wärme nicht angezündet werden können. Überwiegen dabei die endothermen Reaktionen den exothermen Reaktionen, sinken die Temperaturen in der Vergasungszone stetig ab und der Vergasungsprozess kann nicht mehr stattfinden und wird folglich beendet. Die Dauer dieser Phase hängt von der verfügbaren Wärme vor dem Auftreten der Störung ab. Verfügt die Vergasungszone über ausreichend Wärme, so dass die exothermen Reaktionen weiterhin stattfinden können, steigen die Temperaturen in der Vergasungszone an und tragen zur Weiterbildung energiereicher Brenngase bzw. Gasgemische bei, welche im Bereich des Vergasungsraums beim Erreichen der nötigen Zündtemperatur und in Anwesenheit von Sauerstoff angezündet werden und knallartige Verpuffungen mit starken Druckwellen im Kessel verursachen. Ein weiterer Grund für solche Verpuffungen ist der Überdruck im Brennstofffüllraum während des Betriebs, in dem sich die Brenngase sammeln und dort in Anwesenheit vom Sauerstoff explosionsartig reagieren. Diese ungünstigen Betriebsfälle lassen sich durch die Überwachung des Drucks im Brennstofffüllraum sowie durch die Anordnung und die Konstruktion der Primär- und Sekundärluftzufuhrsysteme (Kanäle mit dem Luftverteilungssystem) vermeiden. Ein konkretes Betriebsbeispiel für die Störung des Vergasungsprozesses ergab sich aus einer schlagartigen Reduzierung der Primärluft im Kaltstart. Dabei wurde die Revisionstür (zur Entsorgung der Verbrennungsasche) während dem Anzünd- und Beschickungsvorgang für maximal ca. 90 Sekunden offen gelassen, um eine möglichst große Primärluftmenge unter dem Rostbereich zuzuführen und somit eine schnellere Anzündung des Brennstoffs zu gewährleisten. Zwar zündete der Brennstoff schnell, aber der Vergasungsprozess brach direkt nach dem Schließen der Revisionstür ab. Das ist damit zu begründen, dass die laufende Vergasungsreaktion bzw. die produzierten Brenngase mehr Sauerstoff benötigt haben als die Sauerstoffmenge, die dem Vergasungsprozess nach dem Schließen der Revisionstür zur Verfügung gestellt werden konnte.

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Um eine sichere Anzündung des Brenngases zu erreichen, soll das Glutbett teilweise durch- oder angeströmt werden, so dass eine ausreichende Wärmemenge mit dem Brenngas transportiert und später für die Oxidation bei der Zugabe der Sekundärluft zur Verfügung gestellt werden kann. Der Nachteil der kompletten Durchströmung des Glutbetts liegt an dem Mitreißen oder Mobilisieren von staub- und gasförmigen Emissionen. Diese Problematik ist bei Vergaserkesseln mit unterem Abbrand deutlich zu beobachten. Dabei werden zwar die brennbaren gasförmigen Emissionen reduziert, wohingegen die Emission der Feinstäube so ansteigen, dass die Einhaltung eines Staubgrenzwerts von 20 mg/Vm3 im Praxisbetrieb nur bedingt möglich ist. Die Verbesserung der Durch- bzw. Anströmung des Glutbetts bei einem seitlichen Abbrand lässt sich durch die Positionierung der Primärluft- sowie Brenngasöffnungen bzw. den Aufbau des Rostes mit einer bestimmten Neigung realisieren.

Brenngasöffnung Abbildung 6:

Brennstoffschicht aus Zeitungspapier (links) und feinen Holzstücken (rechts) für eine sachgemäße Anzündung. Im Kaltstart der Vergaserkessel soll eine Brennstoffanzündungsschicht, wie z. B. aus Papier und feinen trockenen (Wassergehalt < 12 Ma.-%) Hölzern, mit einer Dicke von mindestens 15 cm (entspricht ca. 3,8 kg bis 5,5 kg Brennstoff) unter den Scheithölzern bzw. an der Stelle der automatischen Anzündung angebracht werden, welche sich intensiv mit der Freisetzung großer Wärmemenge verbrennen lässt und dadurch der Vergasungsprozess sicher mit hoher Wiederholbarkeit sowie Reproduzierbarkeit gestartet werden kann (Abbildung 6). Bei allen durchgeführten Versuchen wurde erst diese Anzündungsschicht angezündet, bevor die großen Holzscheite (Länge 50 cm, Querschnitt zwischen ca. 10 cm und 18 cm) nachgelegt wurden. Bei diesem Beschickungsregime bzw. dieser Anzündweise lassen sich der Vergasungs- bzw. der Verbrennungsprozess nicht nur schnell und innerhalb von weniger als fünf Minuten mit sehr niedrigen Schadstoffemissionen starten, sondern auch mit einer hohen Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit sicherstellen. Nach maximal sechs Minuten können Konzentrationen an Kohlenstoffmonoxid von weniger als 400 mg/Vm3 erreicht werden (Abschnitt ‎6). Bei Vergaserkesseln sollten beim Kaltstart, wenn kein Glutbett vorhanden ist, keine Brennstoffe mit einem Wassergehalt von größer als 14 Ma.-%

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beschickt werden. Ansonsten ist mit einem langsamen Start des Verbrennungsprozesses und somit mit einem hohen Schadstoffausstoß sowie mit einer niedrigen Verbrennungseffizienz zu rechnen. Bei Brennstoffen mit einem Wassergehalt von größer als 14 Ma.-% wird eine Mindesthöhe für das Glutbett benötigt (Diagramm 1), um einen sachgemäßen (sicher und schadstoffarm) Start des Verbrennungsprozesses zu gewährleisten. Brennstoffe mit einem Wassergehalt von größer als 18 Ma.-% sollten aus ökologischen, ökonomischen und sicherheitstechnischen Gründen nicht in Scheitholzvergaserkesseln unabhängig von der verfügbaren Höhe des Glutbetts eingesetzt werden. Trockene sowie lose Brennstoffe lassen sich in Vergaserkesseln ohne Probleme einsetzen. Vorausgesetzt ist, dass eine dynamische und intelligente Regelung sowie eine richtige Dimensionierung des Verbrennungsluftzufuhrsystems, vor allem des Sekundärluftgebläses, vorhanden sind. Die auf dem Markt vorhandenen Verbrennungsluftzufuhrsysteme bzw. Regler der Vergaserkessel sind nur bedingt für die Verbrennung von trockenen bzw. problematischen Brennstoffen geeignet. Trockene (Wassergehalt < 7 Ma.-%) und feine (Hackgut) Brennstoffe, welche eine dichte Schicht bzw. die Eindringung von Primärluft hindern, sollten für die Anzündung bzw. im Kaltstart des Heizkessels nicht verwendet werden, da dadurch eine große Gefahr für die Erstickung der Verbrennung bzw. Unterbrechung des Vergasungsprozesses aufgrund des starken Sauerstoffmangels in der Vergasungszone besteht. Bei dem verwendeten LEVS-Prototyp wurde das Brenngas über einen engen Brenngaskanal der Zyklonbrennkammer unter einer sukzessiven Sekundärluftzugabe zugeführt (Abbildung 5), um die ursprüngliche Konstruktion des Heizkessels zu behalten. Solche Lösungen sollten in der Praxis zwecks verbesserter Anzündung des Brenngases vermieden werden. Das Brenngas soll möglichst über den kürzesten Weg bzw. bevor es abgekühlt wird, der Zyklonbrennkammer unter Zugabe von Sekundärluft zugeführt werden. 4.3.3 Auslegung des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems Das LEVS-Verbrennungskonzept zeichnet sich durch das Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem aus. Bei diesem System werden drei Gebläse eingesetzt: -

Primärluftgebläse für den Betrieb des Vergasungsprozesses und Einstellung der erforderlichen thermischen Leistung mit einer effizienten und umweltfreundlichen Verbrennung.

-

Sekundärluftgebläse für die Einstellung des nötigen Sauerstoffs für eine vollständige Verbrennung.

-

Saugzuggebläse für eine sichere Beförderung des Abgases und Einstellung eines günstigen Unterdrucks im gesamten Heizkessel.

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Unter der Auslegung des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems fallen folgende Punkte an: -

Berechnung und Dimensionierung der Primär- und Sekundärluftkanäle mit den Ein- sowie Austrittsöffnungen der Primär- und Sekundärluft.

-

Berechnung des Strömungswiderstands im gesamten Heizkessel mit dem maximal zu erwartenden Druckverlust im Betriebszustand.

-

Berechnung der erforderlichen elektrischen Förderleistungen der Systemgebläse.

Das Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem soll so ausgelegt und berechnet werden, dass sowohl die Zufuhr der Verbrennungsluft als auch eine sichere Abfuhr des Abgases aus dem Heizkessel in allen Betriebszuständen gewährleistet werden sollen. Außerdem soll das Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem möglichst eine sachgemäße Verbrennung, d. h. eine effiziente und schadstoffarme Verbrennung, unabhängig von der gefahrenen thermischen Leistung sowie dem eingesetzten Brennstoff gewährleisten. 4.3.3.1 Allgemeine Anforderungen an das Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhrund Abgasfördersystem Zu einer sachgemäßen Verbrennung und einem stabilen sicheren Betrieb von Scheitholzvergaserkesseln muss das Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem bestimmte Anforderungen erfüllen. Die große Herausforderung bei der Verbrennungsluftzufuhr ergibt sich aus dem Chargenbetrieb sowie aus dem Konzept der zweistufigen Verbrennung. Die Erzeugung eines Brenngases mit günstigen verbrennungstechnischen Eigenschaften sowie die rechtzeitige Zufuhr der für eine vollständige Verbrennung benötigten Verbrennungsluftmenge fordern den Einsatz eines Verbrennungsluftzufuhrsystems, welches sich nicht nur intelligent regeln lässt sondern auch günstige Strömungsverhältnisse gewährleistet. Unter günstigen Strömungsverhältnissen sind Strömungsverhältnisse im gesamten Heizkessel zu verstehen, welche zu einer stabilen Vergasung und somit Verbrennung führen und bei denen weder hoher Überdruck (> 20 Pascal) noch ein starker Unterdruck (150 Pascal) im Heizkessel herrschen dürfen. Die Verbrennungsluftzufuhr mit zwei strömungstechnisch getrennten Gebläsen ist neuartig und wurde erst im Rahmen dieses Forschungsprojekts erforscht. Für den Einsatz in Scheitholzvergaserkesseln müssen die Gebläse bestimmte technische Anforderungen an folgende Parameter einhalten: − Förderleistung zur Bereitstellung von Verbrennungsluft und Abfuhr des Verbrennungsabgases aus dem Heizkessel, − Regelbarkeit und regelungstechnische Integrierbarkeit in die Regelung des Heizkessels,

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− Eignung zur Einhaltung der Anforderungen der DIN EN 303-5 sowie der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG im Praxisdauerbetrieb. Diese Anforderungen an diese Parameter sind im Folgenden beschrieben. 4.3.3.2 Förderleistung zur Bereitstellung von Verbrennungsluft und Abfuhr des Verbrennungsabgases aus dem Heizkessel Die Förderleistung der Gebläse des Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems ist sehr wichtig, um einen sachgemäßen und sicheren Betrieb zu gewährleisten. Der Einfluss der Förderleistung auf den Betrieb ist im Folgenden beschrieben: Primärluftgebläse Die Förderleistung des Primärluftgebläses bestimmt die Luftmenge, die in den Vergasungsraum zugeführt wird, die Vergasungsintensität und folglich die thermische Leistung des Heizkessels. Eine Überdimensionierung des Primärluftgebläses führt zu folgenden Problemen: − Überlastung des Wärmeaustauschers und folglich zur Verschlechterung der Effizienz aufgrund intensiverer und unkontrollierter Vergasung. − Die intensive und unkontrollierte Vergasung führt zur Bildung großer Brenngasmengen. Sollte das Sekundärluftgebläse nicht die benötigte Sekundärluftmenge für eine vollständige Verbrennung bereitstellen können, entsteht eine unvollständige Verbrennung mit vielen entsprechenden Schadstoffen. Beim starken Sauerstoffmangel können explosionsfähige Gemische (CO > 5 Vol.-%) im Heizkessel sowie in der Abgasanlage gebildet werden. − Erhöhung der staubförmigen Emissionen aufgrund der Bildung und Mobilisierung von Metallsalzen und -oxiden, der erhöhten Abgasgeschwindigkeiten im Glutbettbereich und dem Mitreißen von Stäuben mit dem Brenn- sowie Abgasstrom. − Erhöhung der gasförmigen Schadstoffe aufgrund der Sauerstoffanreicherung und Temperaturerhöhung im Glutbettbereich, wodurch das Potential der Schadstoffmobilisierung (SOx, NOx, Dioxine und Furane usw.) erhöht wird. − Schwierigkeiten bei der feinen Einstellung der zugeführten Verbrennungsluftmenge und somit der thermischen Leistung des Heizkessels. − Schwierige Einstellung günstiger Strömungs- und Druckverhältnisse im Heizkessel. Hingegen führt die Unterdimensionierung des Primärluftgebläses sowie der Primärluftöffnungen zu folgenden Konsequenzen: − Verzögerung des Starts bzw. der Brennstoffanzündung aufgrund einer nicht ausreichenden Sauerstoffmenge, wobei eine ungünstige,

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schwache Vergasung stattfindet, bei der ein Brenngas mit einem niedrigen Heizwert bzw. einer geringeren Anzündwilligkeit produziert wird. Das führt zu einer unvollständigen Verbrennung mit hohem Anteil an nicht verbrannten staub- und gasförmigen Schadstoffemissionen. − Ungünstige Vergasung führt in der Regel zur ineffizienten Verbrennung, da ein großer Teil der Energie über die nicht verbrannten energiereichen Bestandteile verloren geht. − Entstehung von teerhaltigen bzw. sauren Kondensaten aufgrund niedriger Temperaturen im Vergasungsraum, welche zu Anbackungen in dem Wärmeübertrager sowie in den Abgaswegen oder Korrosion führen können. Die oben erwähnten Probleme und Konsequenzen ergaben sich aus der praktischen Erprobung des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems. Sekundärluftgebläse Das Sekundärluftgebläse soll so ausgelegt werden, dass die für eine vollständige Verbrennung benötigte Sekundärluftmenge zu jedem Zeitpunkt der Verbrennung unabhängig von der Menge sowie den verbrennungstechnischen Eigenschaften des Brenngases bereitgestellt werden kann. Der Durchsatz sowie die verbrennungstechnischen Eigenschaften des Brenngases variieren, je nach Brennstoff, als auch bei dem gleichen Brennstoff bzw. der Brennstoffcharge, je nach Betriebszeitpunkt, sehr stark. Der Bedarf an Sauerstoff bzw. der Sekundärluft soll trotz dieser starken Variationen schnell erkannt und gedeckt werden. Das Sekundärluftgebläse sollte für einen Worstcase ausgelegt werden, welcher sich gemäß den Erfahrungen des Fraunhofer IBP bei der Verbrennung von losen trockenen und energiereichen Brennstoffen (wie z. B. Hackschnitzel aus Buchenholz mit einem Feuchtgehalt von weniger als 7 Ma.-% sowie einer Korngröße zwischen 3 mm und 40 mm) beim vorhandenen Glutbett mit einer Dicke größer als 15 cm ergibt. Die Unterdimensionierung des Sekundärluftgebläses führt zu einem starken Sauerstoffmangel. Dies hat sowohl eine unvollständige Verbrennung mit hohem Anteil an nicht verbrannten staub- und gasförmigen Emissionen als auch eine entsprechende Verschlechterung der Verbrennungseffizienz zur Folge. Im kritischen Fall führt der starke Sauerstoffmangel zur Bildung von explosionsfähigen Gemischen (CO > 5 Vol.-%), die zu gefährlichen Betriebszuständen und somit zur Gefährdung der Nutzer führen können. Die Überdimensionierung (größer als ca. 200 % der benötigten maximalen Förderleistung) führt zusätzlich zur Verteuerung des Verbrennungsluftzufuhrsystems sowie zu regelungstechnischen Schwierigkeiten, bei denen sich eine feine Einstellung nur bedingt und durch komplexe Regelungsalgorithmen realisieren lässt.

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Saugzuggebläse Das Saugzuggebläse soll die während der Verbrennung produzierten Abgase aus dem Heizkessel in allen Betriebszuständen sicher abführen sowie günstige Strömungs- und Druckverhältnisse für eine stabile Vergasung und somit Verbrennung gewährleisten. Außerdem soll dadurch der Strömungswiderstand im gesamten Heizkessel (in den Verbrennungsluftkanälen sowie den Abgaswegen) überwunden werden, ohne dass ein kritischer Überdruck im Heizkessel entstehen darf. Die Förderleistung des Saugzuggebläses bestimmt die maximale zu erreichende thermische Leistung des Heizkessels. Eine minimale Förderleistung des Saugzuggebläses bei dem maximal zu erwartenden Druckverlust im Heizkessel ist für eine ausreichende Vergasung zur stabilen und vollständigen Verbrennung erforderlich. Eine Überdimensionierung des Saugzuggebläses hat in der Regel außer einer Verteuerung des Verbrennungsluftzufuhrsystems keine funktionellen Nachteile, wenn das Saugzuggebläse sich hinsichtlich des Unterdrucks im Heizkessel so regeln lässt, dass ein Unterdruck im Bereich zwischen - 25 Pascal und - 150 Pascal im Heizkessel eingestellt werden kann. Bei der Unterdimensionierung des Saugzuggebläses entsteht vor allem in der Anfahrbetriebsphase ein Überdruck im Heizkessel. Ein Überdruck im Heizkessel in dieser Betriebsphase führt zusätzlich zum Austreten von Abgasen im Leckagefall oder zu einer explosionsartigen Zündung des Brenngases mit hohen Druckwellen im Heizkessel, die mechanische Schäden im Heizkessel sowie eine Gefährdung des Nutzers zur Folgen haben können. Aus diesem Grund soll ein Überdruck im Heizkessel in allen Betriebsphasen vermieden werden. Bei Vergaserkesseln ist eine größere Förderleistung des Saugzuggebläses immer zu empfehlen, so dass ein hoher Überdruck im Heizkessel während des Betriebs aufgrund ungünstiger Witterungsverhältnisse oder partieller Verstopfung im gesamten System vermieden werden kann. 4.3.3.3 Regelbarkeit und regelungstechnische Integrierbarkeit in die Regelung des Heizkessels Bei dem Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem sollen die drei Gebläse; Primärluftgebläse, Sekundärluftgebläse und das Saugzuggebläse, stufenlos hinsichtlich der Drehzahl regelbar sein, so dass die Verbrennungsluftzufuhr präzise sowie die Abgasabfuhr während des Betriebs sicher erfolgen können. Die Ausgangssignale, mit denen die Gebläse geregelt werden, werden durch Temperaturfühler Pt100, eine Lambdasonde und einen Drucksensor (Druckwächter) generiert. Die üblichen Ausgangssignale dieser Sensoren sind Spannungssignale in einem Wertebereich von 0 Volt bis 10 Volt. Die Hardware des Reglers (SPS oder Mikrocontroller) soll in der Lage sein, diese Art von Signalen zu empfangen, zu prüfen und anschließend für die Regelung bereitzustellen. Außerdem soll die verwendete Soft- bzw. Hardware eine Interaktion zwischen den Regelakteuren untereinander ermöglichen, wodurch die Funktionalität dieser Regelakteure zwecks der Betriebssicherheit überprüft wird.

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Die auf dem Markt erhältlichen Gebläse können mit Spannungssignalen, Stromsignalen oder mit Pulssignalen (PWM-Signale: Pulsweitenmodulation) geregelt werden. Unabhängig von der Art dieser Signale sollen die Gebläse so geregelt werden, dass ihre Förderleistungen und somit die zugeführte Verbrennungsluftmenge fein eingestellt werden können. Bei der Einstellung der Förderleistung spielt die Regelungsreaktion der Gebläse eine entscheidende Rolle für die Stabilität des Betriebs sowie für die Qualität der Verbrennung. Die Regelungsgeschwindigkeiten (prozentuale Erhöhung oder Reduzierung der Förderleistung pro Zeiteinheit) der Gebläse sind so festzulegen, dass ein Sauerstoffüberschuss im Abgas in einem bestimmten Bereich (in der Regel zwischen 5 Vol.-% und 6 Vol.-%, entspricht einem Lambdawert zwischen 1,25 und 1,35) sowie ein Unterdruck im höchsten Punkt des Vergasungsraums zwischen - 25 Pascal und -150 Pascal in kurzer Zeit und ohne große Schwankungen eingestellt werden können. Außerdem soll die gewünschte Kesseltemperatur so schnell wie möglich erreicht werden, ohne dass eine Überlastung des Wärmeübertragers bzw. Verschlechterung der Effizienz oder gefährliche Betriebszustände wie z. B. Überdruck im Vergasungsraum auftreten dürfen. Ein entscheidender Punkt bei der Regelung ist die Regelungsreaktion (Geschwindigkeit bei der Erhöhung oder Reduzierung der Förderleistung) der Regelakteure bzw. der Gebläse. Eine schnelle Regelungsreaktion des Primärluftgebläses führt zu einem dynamischen Vergasungsprozess. Bei einem schnellen (z. B. > 5 % der Gesamtförderleistung pro Sekunde) Anstieg der Förderleistung des Primärluftgebläses findet ein Überdruck im Vergasungsraum bzw. eine intensive Vergasung statt, bei der ein Sauerstoffmangel während der Verbrennung herrscht. Sinkt die Förderleistung des Primärluftgebläses während des Betriebs schnell ab, wird der Vergasungsprozess schlagartig abgebrochen, wodurch sich ein hoher Sauerstoffüberschuss aufgrund der geringeren entstehenden Brenngasmenge einstellt und folglich eine unvollständige Verbrennung durch ungünstige Relation von Brenngas zu Sekundärluft entsteht. Bei der Einstellung des Primärluftgebläses sollen nicht nur die Kesseltemperatur sondern auch die erreichten Förderleistungen des Sekundärluftgebläses sowie des Saugzuggebläses mit dem Unterdruck im Heizkessel berücksichtigt werden. Die Hard- und Software soll eine Interaktion zwischen den Regelakteuren (Gebläse und BELIMO-Klappe) so gewährleisten, dass gefährliche Betriebszustände vermieden werden können. Eine schnelle Regelungsreaktion des Sekundärluftgebläses auf die Signale der Lambdasonde führt zu starken Schwankungen der zugeführten Sekundärluftmenge, wodurch die Einstellung eines günstigen Sauerstoffgehalts bzw. –überschusses im Abgas (Lambdawert) für eine optimale Verbrennung anspruchsvoll wird. Da sich die Konzentrationen des Sauerstoffs im Abgas während der Verbrennung sekündlich ändern, stellt die Regelung der Förderleistung des Sekundärluftgebläses eine große Herausforderung dar und fordert intelligente Regelungsalgorithmen.

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Variiert das Saugzuggebläse seine Regelungsreaktion bzw. Förderleistung stark, um einen bestimmten Unterdruck im Heizkessel während des Betriebs einhalten zu können, entstehen ungünstige Druck- und Strömungsverhältnisse im Heizkessel, welche zu einer instabilen Verbrennung führen können. Der Unterdruck im Heizkessel soll für einen bestimmten Druckbereich und nicht für einen einzigen Unterdruck-Sollwert geregelt werden, damit eine stabile Verbrennung erreicht wird. 4.3.3.4 Eignung zur Einhaltung der Anforderungen der DIN EN 303-5 sowie der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG im Dauerbetrieb in der Praxis Das Verbrennungsluftzufuhrsystem soll so konzeptioniert werden, dass die Anforderungen der DIN EN 303-5 (Abschnitt 5.16: Funktionsüberprüfung der Sicherheit und der Risikoanalyse) sowie der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG im Dauerbetrieb in der Praxis einhalten werden können. Dabei sind sowohl konstruktive als auch regelungstechnische Maßnahmen zu betrachten, die im Rahmen einer technischen Risikoanalyse ausführlich geprüft werden müssen. Bei der Risikoanalyse des Verbrennungsluftzufuhrsystems sollen ungünstige Betriebsfälle (Worst-CaseSzenarien) während des Betriebs simuliert werden, ohne dass die Bildung von explosionsfähigen Gemischen (CO > 5 Vol.-%, gemessen im Betriebszustand im Kernstrom in der Abgasanlage) im Heizkessel bzw. in der Abgasanlage, Überhitzung des Heizkessels (Kesseltemperatur > 105 °C) und Austreten von Abgasen in den Aufstellraum auftreten dürfen. Die Sicherheitsprüfung bei Unterbrechung der Luftzufuhr wird gemäß Abschnitt 5.16.3 der DIN EN 303-5 durchgeführt. Hier sind folgende Aspekte bei der Nennwärmeleistung zu untersuchen: − Ausfall des Verbrennungsluftzufuhrsystems.

− Ausfall der Luftzufuhr durch Verschließen der einstellbaren Zuluftöffnung des Heizkessels. Die Risiken sollen von Herstellern nach EN ISO 12100 bewertet werden. Zusätzlich zu den im Abschnitt 5.16 (Funktionsüberprüfung der Sicherheit und der Risikoanalyse) erwähnten Untersuchungspunkten können je nach Verbrennungssystem zusätzliche sicherheitstechnisch relevante Untersuchungen durchgeführt werden, welche sich in der Regel aus der Kombination mehrerer technischer Fehler oder von ungünstigen Betriebsfällen ergeben.

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4.3.3.5 Auswahl und Auslegung der Gebläse Die Gebläse des Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems werden anhand der benötigten Förderleistung im Betriebszustand und der geförderten Druckdifferenz bzw. des Druckverlusts ausgesucht. Die Anwendung bzw. der Einsatzbereich im Prozess mit dem zur Verfügung stehenden Platz sowie dem erzeugten Betriebsgeräusch (Lärmemissionen) spielen ebenso eine wichtige Rolle. Beim Einsatz im Abgasbereich wie beim Einsatzfall des Sauzuggebläses sind chemische und thermische Anforderungen von großer Bedeutung und einzuhalten. Zur Auswahl sowie Auslegung von Gebläsen zum Einsatz in Heizkesseln sind Angaben über den Druckverlust bzw. über den Verbrennungsluft- und Abgasvolumenstrom, wie in der Tabelle 5 dargestellt ist, erforderlich. Die für die Auslegung der Primär-, Sekundär- und Saugzuggebläse relevante Verbrennungsluft- und Abgasmengen lassen sich gemäß der Gleichung 14, Gleichung 15 und Gleichung 16 ermitteln: Zur Auslegung des Primärluftgebläses relevante Primärluftmenge: .

V PLG 

kPLG  0,98  Pth 3.600

Gleichung 14

Wobei: .

V PLG :

Die für die Auslegung des Primärluftgebläses relevante Primärluftmenge [Nm3/s].

Pth :

Thermische Nennwärmeleistung des Heizkessels [kWth].

kPLG :

Sicherheitsfaktor, kPLG nimmt einen Wert zwischen 1,10 bis 1,15 an.

Zur Auslegung des Sekundärluftgebläses relevante Sekundärluftmenge: .

V SLG 

kSLG  Pth  0,75  0,22    3.600

Gleichung 15

Wobei: .

V SLG :

Die für die Auslegung des Sekundärluftgebläses relevante Sekundärluftmenge [Nm3/s].

Pth :

Thermische Nennwärmeleistung des Heizkessels [kWth].

kSLG :

Sicherheitsfaktor, kSLG nimmt einen Wert zwischen 1,1 und 1,25 an.

Es ist zu erwähnen, dass die Gleichung 14, die Gleichung 15 sowie die Gleichung 16 nur für Festbrennstoffe gelten, die über einen Heizwert zwischen 4,5 kWh/kg und 5,5 kWh/kg verfügen.

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Saugzuggebläse

Sekundärluftgebläse

Primärluftgebläse

Tabelle 5:

Angaben über den Druckverlust, Verbrennungsluft- und Abgasvolumenstrom für die Auslegung des Primärluft-, Sekundärluft- und Saugzuggebläses. Druckverlust/ Strömungswiderstand

Verbrennungsluft/Abgasmenge

[Pa]

[m3/h]

Druckverlust am Eintritt und Austritt des Gebläses sowie im Primärluftkanal und -öffnungen während des Betriebs. Der Druckverlust im Primärluftkanal kann anhand eines Prototyps experimentell ermittelt werden.

Maximale Primärluftmenge, welche sich im Kaltstartbetrieb bzw. ohne Verfügbarkeit eines Glutbetts bei der Vergasung von groben (Holzscheiten) und feuchten Brennstoffen ergibt. Hier gilt, je gröber und feuchter der Brennstoff ist, umso mehr Primärluft für die Vergasung bzw. weniger Sekundärluft für die Verbrennung vom Brenngas wird benötigt. Die für die Auslegung des Primärluftgebläses relevante Luftmenge lässt sich näherungsweise bzw. approximativ gemäß der Gleichung 14 ermitteln.

Druckverlust am Eintritt und Austritt des Gebläses sowie im Sekundärluftkanal und -öffnungen während des Betriebs. Der Druckverlust im Sekundärluftkanal und –öffnungen kann anhand eines Prototyps experimentell ermittelt werden.

Maximale Sekundärluftmenge, die in Anwesenheit eines hohen (> 10 cm) Glutbetts und bei der Verfeuerung von trockenen (Wassergehalt < 7 Ma. %) und feinen (Korngröße zwischen 3 mm und 40 mm) Brennstoffen für eine vollständige Verbrennung benötigt wird. Es gilt, je höher das Glutbett bzw. feiner und trockener der Brennstoff ist, umso mehr Sekundärluft wird für eine vollständige bzw. weniger Primärluft wird für die Aufrechterhaltung des Vergasungsprozesses benötigt. Die für die Auslegung des Sekundärluftgebläses relevante Luftmenge kann näherungsweise bzw. approximativ gemäß der Gleichung 15 berechnet werden.

Gesamtdruckverlust im Heizkessel bei einem maximalen Abgasvolumenstrom (Gleichung 16) bzw. maximaler Abgastemperatur sowie Überdruck in der Abgasanlage bei ungünstigen Witterungsverhältnissen. Der Gesamtdruckverlust im Heizkessel kann anhand eines Prototyps experimentell ermittelt werden.

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Die für die Auslegung des Saugzuggebläses relevante Abgasmenge kann gemäß der Gleichung 16 berechnet werden. Es ist zu erwähnen, dass sich die gemäß der Gleichung 16 ermittelte Abgasmenge von der stöchiometrisch berechneten Abgasmenge unterscheidet. Die Gleichung 16 gibt näherungsweise bzw. approximativ die höchste zu erwartende Abgasmenge an, die während der Verbrennung bzw. in Störfällen produziert und aus dem Heizkessel befördert werden soll.

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Zur Auslegung des Saugzuggebläses relevante Abgasmenge:

 273,15  TAb  kSZG  Pth  1,88  0,55        273,15  V SZG  3.600 Wobei:

Gleichung 16

.

.

V SZG :

Die für die Auslegung des Saugzuggebläses relevante Abgasmenge im Betriebszustand [Bm3/s].

TAb :

Maximanl zu erwartende Abgastempertur [°C].



Lambda bzw. Luftüberschusszahl [-].

Pth :

Thermische Nennwärmeleistung des Heizkessels [kWth].

kSZG :

Sicherheitsfaktor kSZG nimmt einen Wert zwischen 1,20 und 1,30 an.

Bei der Kenntnis der Verbrennungsluft- und Abgasmenge mit dem maximal zu erwartenden Druckverlust in den jeweiligen Systembestandteilen kann mit Hilfe der Gebläsekennlinie (Diagramm 4) das geeignet Gebläse ausgewählt werden. Die Gebläsekennlinie beschreibt die Abhängigkeit zwischen der Förderleistung des Gebläses mit der Druckerhöhung, die durch das Gebläse generiert werden kann. Das Diagramm 4 stellt die Kennlinien von zwei Gebläsen dar, die sich für den Einsatz in Vergaserkesseln für die Primär-und Sekundärluftzufuhr eignen. Beispielsweise ist für einen Heizkessel mit einer thermischen Leistung von 50 kW eine relevante Primärluftmenge für die Auslegung des Primärluftgebläses von 61 [Nm3/h] gemäß der Gleichung 14 und unter der Annahme eines Werts für den Sicherheitsfaktor von 1,15 zu ermitteln. .

V PLG 

0,97  kPLG  Pth 0,97  1,15  50 = 3.600 3.600

= 0,016 [Nm3/s] bzw. entspricht 56 [Nm3/h] Die für die Auslegung des Sekundärluftgebläses relevante Verbrennungsluftmenge ergibt sich aus der Gleichung 15 unter der Annahme eines Werts für den Sicherheitsfaktor von 1,25 und für den Lambdawert von 1,3. .

V SLG 

kSLG  Pth  0,75  0,22    1,25  50  0,75  0,22  1,3 = 3.600 3.600

= 0,018 [Nm3/s] bzw. entspricht 65 [Nm3/h]. Zur Bereitstellung der benötigten Primär- und Sekundärluftmenge in den kritischen bzw. in der Tabelle 7 dargestellten Betriebsfällen kann beispielsweise das Gebläse mit dem Typ HRG 134 eingesetzt werden. Vorausgesetzt ist, dass der Druckverlust im gesamten

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Primärluftverteilungssystem kleiner als 1.300 Pascal und im Sekundärluftverteilungssystem kleiner als 250 Pascal während des Betriebs liegen soll. Diese maximal benötigen Förderleistungen der Primär- und Sekundärluftgebläse werden nur in kritischen Betriebsfällen benötigt, die in der Tabelle 5 dargestellt sind. Im normalen Regelbetrieb wird maximal 60 % dieser Förderleistung eingesetzt. Die Kennlinien der Gebläse sind im Normprüfstand gemäß DIN 24 163 mit freiem Eintritt und Austritt ermittelt worden. Alle angegebenen Daten beziehen sich grundsätzlich auf die Normluftdichte  = 1,2 kg/m³. Die Betriebskennlinien sollen im installierten Zustand für jeden Einsatz ermittelt werden, um die Plausibilität der Auslegung zu überprüfen. 3.500

Nenndaten, Typ: HRG 134

3.000

Druckerhöhung [Pa]

2.500 2.000

Spannung Frequenz Max. Volumenstrom Max. Druckerhöhung Max. Aufnahmeleistung Max. Drehzahl Zul. Motorumgebungstemperatur

[V] [HZ] [m³/h] [Pa] [W] [min-1] [°C]

Zul. Fördermitteltemperatur

[°C]

230 0/60 78 3.000 70 8.500 60

80

Typ: HRG134

1.500 1.000

Typ: RG 128

500 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

Volumenstrom [Nm3/h] Diagramm 4:

Kennlinien von zwei Typen von Radialgebläsen, Typ HRG 134und Typ RG 128. Bei der Auswahl der Gebläse soll darauf geachtet werden, dass sowohl die benötigte Verbrennungsluftmenge zugeführt als auch der Strömungswiderstand überwunden wird. Außerdem soll aus sicherheitstechnischen Gründen die Summe der maximalen berechneten und entsprechend ausgesuchten Förderleistungen der Primär- und Sekundärluftgebläse multipliziert mit zwei kleiner als die Förderleistung der ausgewählten Saugzuggebläse im Kaltzustand (Luft bei Umgebungstemperatur) sein. Eine Überdimensionierung der Primär- und Sekundärluft sowie des Saugzuggebläses ist nicht zu empfehlen. Saugzuggebläse werden in der Regel individuell von den Herstellern je nach Anwendung in Heizkesseln ausgelegt und angefertigt. Dabei wird lediglich

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das Gehäuse mit den Schaufeln berechnet. Der Betriebsmotor mit der nötigen elektrischen Leistung wird extra erworben. Kennlinien im Normprüfstand gemäß DIN 24 163 für die Saugzuggebläse sind meistens nicht vorhanden. Eine Charakterisierung der Förderleistung ist individuell durchzuführen. Diagramm 5 stellt die Förderleistung des im LEVS eingesetzten Saugzuggebläses bei der Durchströmung durch das LEVS bei einer Gastemperatur zwischen 25 °C und 180 °C sowie beim freien Lauf ohne Strömungswiderstand dar. Mit diesem Saugzuggebläse kann eine maximale Abgasmenge von ca. 150 m3/h beim Betrieb des LEVS bei einer Abgastemperatur von 180 °C gefördert werden.

Gasvolumenstrom [m3/h]

360 320

Förderleistung des Saugzuggebläses durch LEVS [m³/h], Umgebungstemperatur 25 [°C]

280

Förderleistung des Saugzuggebläses ohne LEVS [m³/h]

240

Förderleistung des Saugzuggebläses durch LEVS [m³/h], bei einer Gastempertur von 180 [°C ]

200 160 120 80 40 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Ausgangssignal des Saugzuggebläses [Volt] Diagramm 5:

Förderleistung des im LEVS eingesetzten Saugzuggebläses im Eingebauten Zustand. Beispielsweise muss für einen Heizkessel mit einer thermischen Leistung von 50 kWth und einer Abgastemperatur von 180 °C ein Saugzuggebläse ausgesucht werden, welches ein Abgasvolumenstrom gemäß der Gleichung 16 von 280 Bm3/h fördern kann.

 273,15  180  1,3  50  1,88  0,55  1,3     273,15  V SZG  3.600 .

= 0,0777 Bm3/s, entspricht 280 Bm3/h.

64

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4.3.4 Auslegung der Zyklonbrennkammer Bei der Auslegung des Zyklons müssen in der Regel die Form und Baugröße der Zyklonelemente (Einlauf, Tauchrohr, Mantel, Apex, Austritt, Staubsammelbehälter usw.), der Druckverlust und der geforderte Gesamtabscheidegrad zur Einhaltung des geforderten Staubgrenzwerts bestimmt werden. Im LEVS soll der Zyklon sowohl als Brennkammer als auch als hocheffizienter Feinstaubabscheider agieren und entsprechend ausgelegt werden. Hier muss ein Kompromiss zwischen einem hohen Abscheidegrad und einer längeren Verweilzeit für eine vollständige Verbrennung und einen möglichst niedrigen Druckverlust über den gesamten Betrieb gefunden werden. Im Abschnitt ‎4.3.4.1 sowie Abschnitt ‎4.3.4.2 ist die Auslegung der Zyklonbrennkammer des LEVS ausführlich erläutert. 4.3.4.1 Auslegung des Zyklons als Brennkammer Unter der Auslegung des Zyklons als Brennkammer ist die Berechnung des kleinsten Volumens des Zyklons, das eine ausreichend lange Verweilzeit mit starker Durchmischung des Brenngases mit der Sekundärluft in der aktiven Reaktionszone sowie einen möglichst niedrigen Druckverlust während des Betriebs gewährleistet, zu verstehen. Das Volumen des Zyklons lässt sich gemäß der Gleichung 17 berechnen. .

Gleichung 17

VZBK  V ZAb  ZBK

Wobei: .

V ZAb :

Abgasvolumenstrom in der Zyklonbrennkammer im Betriebszustand [Bm3/s].

VZBK :

Volumen der Zyklonbrennkammer [m3].

 ZBK 

Verweilzeit in der Zyklonbrennkammer [s].

Der Abgasvolumenstrom für die Auslegung der Zyklonbrennkammer lässt sich gemäß der Gleichung 18 unter Berücksichtigung der maximal zu erwartenden Abgastemperatur im Zyklon während des Betriebs berechnen. .

V ZAb 

Pth  273,15  TZAb   0,78  Hu  1,67  (  1)  0,87  Hu  0,5    3.600  Hu  273,15 

Gleichung 18 Wobei: VZBK :

Volumen der Zyklonbrennkammer [m3].

TZAb :

Maximale zu erwartende Abgastemperatur in der Zyklonbrennkammer während des Betriebs [°C].

Pth :

Thermische Nennwärmeleistung des Heizkessels [kWth].

Hu 

Heizwert des Brennstoffs [kWh/kg].

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Beim Einsatz der Gleichung 18 in die Gleichung 17 ergibt sich die Gleichung 19 für die Berechnung des Volumens der Zyklonbrennkammer: VZBK 

 ZBK  Pth 3.600  Hu

 0,78  Hu  1,67  (  1)  0,87  Hu  0,5 

273,15  TZAb 273,15

Gleichung 19 Die Verweilzeit ZBK in der Zyklonbrennkammer kann zwischen 0,3 Sekunden und 0,8 Sekunden angenommen werden. Eine Verweilzeit von 0,5 Sekunden ist zu empfehlen. Hier gilt, je länger die Verweilzeit ist, umso größer wird das Volumen der Brennkammer. Das führt nicht nur zur Vergrößerung des gesamten Heizkessels mit entsprechender Wirtschaftlichkeitsverschlechterung sondern auch zur Erhöhung der Wärmeverluste und folglich zur Verschlechterung der Oxidation. Kürzere Verweilzeiten führen zur Verkleinerung des Brennkammervolumens mit entsprechender Erhöhung des Druckverlusts. Die optimale Abgastemperatur für die Auslegung des Zyklons liegt zwischen 1.000 °C und 1.200 °C. Bei einer vollständigen Verbrennung gilt, je niedriger der Lambdawert und trockener der Brennstoff, umso höhere Abgastemperaturen sind in der Brennkammer zu erwarten. Um eine thermische Belastung des Materials der Brennkammer zu vermeiden bzw. eine höhere Lebensdauer zu gewährleisten, sollte eine Abgastemperatur von 1.250 °C nicht überschritten werden. Für eine hohe Wirtschaftlichkeit und ein konkurrenzfähiges Produkt ist eine Lebensdauer für die Brennkammer von fünf Jahren von vielen Herstellern in Deutschland erwünscht. Geometrisch kann das aktive Volumen der Brennkammer gemäß der Gleichung 20 berechnet werden: VZBK 

 3



 3  ra2  hz  (hi  ht  hz )(ra2  ru2  ra  ru )



Gleichung 20

Die Ziffern (ra, ru, hz, hi, ht) der Gleichung 20 sind in der Abbildung 7 dargestellt und erklärt.

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4.3.4.2 Auslegung des Zyklons als Feinstaubabscheider Zyklone können sowohl zur Abscheidung fester als auch flüssiger Partikel in heißen (wie z. B. Abgas) oder kalten (wie z. B. Abluft) Medien verwendet werden. Abbildung 7 zeigt einen typischen Aufbau eines Zyklons mit den wichtigsten Bestandteilen bzw. den der Berechnung zugrundeliegenden Abmessungen. Das mit den Staubpartikeln beladene Abgas wird einem zylindrischen Behälter mit konischem Unterteil tangential über verschiedene Einlaufgeometrien zugeführt. Dank der Einlaufgeometrien wird eine Drehströmung des Abgases im Inneren des Zyklons erzeugt. Durch die sich ausbildende Wirbelströmung sedimentieren die Staubpartikel infolge der auf sie wirkenden Zentrifugalkräfte zur äußeren Wand des Zyklons und werden mit der Wandgrenzschichtströmung in spiralförmigen Bahnen entlang des Konus nach unten in den Staubsammelbehälter transportiert. Der Sammelbehälter ist durch einen Apexkegel von der Hauptströmung des Zyklons abzutrennen, damit die Drehströmung nicht bis in den Sammelbehälter hineinreicht, da durch den Unterdruck im Zentrum der Strömung ansonsten bereits abgeschiedene Partikel mitgerissen werden könnten. Über eine technische Austragungseinrichtung wie z. B. Schneckenförderer, Zellenradschleusen oder Doppelpendelklappen, die den Durchtritt des Abgases verhindern, wird der abgeschiedene Staub aus dem Zyklon ausgetragen, sodass dieser sicher entsorgt werden kann. Durch den Apexkegel wird die Abgasströmung gezwungen, nach oben umzukehren. Das Abgas verlässt den Zyklon in Form einer Radialströmung von außen nach innen und strömt durch das sogenannte Tauchrohr am Kopf des Zyklons nach oben. Das Tauchrohr ist das wichtigste Bauteil des Zyklons, da dessen Durchmesser die im Zyklon auftretende Zentrifugalkraft und damit die Abscheideleistung sowie den Druckverlust bestimmt. Die anderen Abmessungen werden an das Tauchrohr angepasst. Für eine zuverlässige Auslegung von Zyklonen, die bei hohen Abgastemperaturen betrieben werden, muss beachtet werden, dass die Viskosität des Abgases mit der Temperatur erheblich zunimmt. Durch die Zunahme der Viskosität werden folgende Größen beeinflusst: − Die Wandreibung und damit die Umfangsgeschwindigkeit, − Die Grenzschichtströmung,

− Die Turbulenz der Abgasströmung. Im Allgemeinen gilt, je höher die Abgastemperatur, umso geringer ist der Fraktionsabscheidegrad. Allerdings finden in der Zyklonbrennkammer unterschiedliche Mechanismen statt, die zu einer starken Agglomeration der Staubpartikel und folglich zur bedeutsamen Verbesserung des Abscheidegrads führen. Die Agglomerationsmechanismen sind im Abschnitt ‎4.3.4.3 beschrieben.

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1 2 3 4

5

1:

Eintrittsrohr des Zyklons

2:

Tauchrohr

3:

Zyklonmantel

4:

Abscheideraum

5:

Apexkegel

6:

Staubsammelbehälter

7:

Zellenradschleuse/ Schneckenförderer

8:

Staubentsorgungsbehälter

− ra/ri = 2,5 bis 5 − hz/ri = 3 bis 10 − he/ri = 1,5 bis 3,5

6

− hi/ri = 5 bis 20

7

− ht/ri = 2 bis 4 − be/ri = 0,7 bis 2 − ru/ri = 1,2 bis 1,4 − s/ri = 1

1

− rk/ri = 1,4 bis 1,7 − H≤l+h. 2

8

Abbildung 7:

68

Abmessungen eines Zyklons mit den geometrischen Verhältnissen.

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4.3.4.3 Ermittlung des Gesamtabscheidegrads Zur Berechnung des Gesamtabscheidegrads muss zusätzlich zur Fraktionsabscheidegradkurve T(dP) die Korngrößenverteilung des Staubes am Eintritt in den Zyklon qE(dP) bekannt sein. Je nach Grenzbeladung µGr sind zwei Staubbeladungsbereiche und somit Gleichungen für die Ermittlung des Gesamtabscheidegrads zu definieren: − Erstens, wenn die Staubbeladung µS kleiner ist als die Grenzbeladung µGr, lässt sich der Gesamtabscheidegrad anhand der Gleichung 21 berechnen. d P ,max

Tges. 

 T (d ))  q P

E

 (dP )ddP für µGr für µS < µGr,

Gleichung 21

d P ,min

− Zweitens, wenn die Staubbeladung µS größer ist als die Grenzbeladung µGr, berechnet sich der Gesamtabscheidegrad anhand der Gleichung 22. Hier wird zusätzlich zur Abscheidung im Wirbelbereich des Zyklons die Abscheidung im Einlauf des Zyklons mitberücksichtigt. dP ,max

  Tges.  1 Gr  Gr   T (dP ))  qE  (dP )ddP für µS > µGr S S d

Gleichung 22

P ,min

Die Grenzbeladung µGr sowie der Staubbeladungsbeiwert µs kann gemäß der Gleichung 23 bzw. der Gleichung 24 ermittelt werden. Z   Ab  ri  ra

Gr 

 r  1 i    P  dP2,50,3  w u , a  w u r a  

Gleichung 23

.

S 

mS

Gleichung 24

.

 Ab  V Ab

Wobei:

dP2,50,3 : Medianwert der Massensummenverteilung [-].  Ab :

Dynamische Viskosität des Abgases [Pa·s = kg/m·s].

∆:

Dichtedifferenz,(Partikeldicht – Abgasdicht) [kg/m3].

r:

Radius der Kreisbahn der Partikel bzw. des Grenzkorns [m].

w u 

Bahngeschwindigkeit der Partikel bzw. des Grenzkorns [m/s]. Typische Umfangsgeschwindigkeiten im Zyklon liegen zwischen 10 m/s und 30 m/s.

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w r 

Radialgeschwindigkeit [m/s]. Radialgeschwindigkeiten liegen in einem Größenordnungsbereich von wenigen m/s (im Mittelwert zwischen 0,0 und 0,8 m/s).

.

mS :

Staubbeladung am Eintritt des Zyklons [kg/s].

S :

Staubbeladungsbeiwert [-].

Z :

Wandreibungsbeiwert des Zyklons [-], (Gleichung 28, Gleichung 29).

Die Ziffern der Abmessungen re, ri können der Abbildung 9 entnommen werden. Die Korngrößenverteilung qE(dP) muss experimentell anhand eines Staubzählers bestimmt werden. Die Trennkurve kann gemäß einem Berechnungsmodell nach Barth/Muschelknautz mit vielen vereinfachten Annahmen ermittelt werden. Dabei wurden hauptsächlich folgende Annahmen getroffen: − eine konstante Radialgeschwindigkeit über die Höhe des Zyklons, − keine zeitlichen und örtlichen Geschwindigkeitsschwankungen,

− keine gegenseitige Beeinflussung zwischen den abzuscheidenden Partikeln bei höherer Beladung. Für Zyklone mit tangentialem Einlauf gilt die Näherungsbeziehung gemäß der Gleichung 25.       2 T d p   1 3,564    dP     d*     P 

( 1,235)

Gleichung 25

*

Der Durchmesser des Grenzkorns dP lässt nach dem Berechnungsmodell nach Barth/Muschelknautz gemäß der Gleichung 26 berechnen.

dP* 

18   Ab  w r  ri     w i   (  p   Ab )   be  he hi       r  r  Z  r  e i i  

Gleichung 26

Wobei:

70

dP* :

Durchmesser des Grenzkorns [m].

w i 

Tauchrohrgeschwindigkeit [m/s], (Gleichung 27).

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Die Tauchrohrgeschwindigkeit berechnet sich aus der Gleichung 27. .

.

V ZAb V ZAb wi   Ai   ri2

Gleichung 27

Die Ziffern der Abmessungen re, ri, hi, be lassen sich aus der Abbildung 9 ablesen. Der Wandreibungsbeiwert Z ist materialabhängig und muss unter der Berücksichtigung des Einflusses des abgeschiedenen Staubes auf die Wandreibung gemäß der Gleichung 28 bzw. der Gleichung 29 berechnet werden.

Z  Ab  (1 2  S ) für  S < 1

Gleichung 28

Z  Ab  (1 3  S ) für  S > = 1

Gleichung 29

Ab :

Reibungsbeiwert der partikelfreien Abgasströmung [-]. Ab= 0,005.

Der Einlaufbeiwert  charakterisiert die Einlaufströmung. Der Tangentialeinlauf (Schlitzeinlauf) lässt sich gemäß der Gleichung 30 ermitteln. 1

 A   b 3   1  0,54  0,153  i    e  Ae   ra   :

Gleichung 30

Einlaufbeiwert [-].

Abbildung 8 zeigt die Fraktionsabscheidegradkurven für verschiedene Zyklontypen sowie bei einer Trennungskurve gemäß der Gleichung 26, welche eine ideal scharfe Trennung, das heißt einen Sprung der Trennkurve von 0 auf 1 beim Grenzkorndurchmesser, generiert. Da aber die nach dem Modell von Barth/Muschelknautz getroffenen vereinfachenden Annahmen nicht exakt zutreffen sind, ist die tatsächliche Trennung unscharf, wie die Abbildung 8 für verschiedene Zyklontypen (A für Spiraleinlauf, B für Tangentialeinlauf und C für Wendeleinlauf) verdeutlicht. Jeder Verlauf charakterisiert einen Zyklontyp und ist von der Baugröße des Zyklons unabhängig. Außerdem spielen die unterschiedlichen Betriebszustände nur eine untergeordnete Rolle, solange die Staubkonzentrationen nicht zu hoch sind. Der Abbildung 8 ist außerdem zu entnehmen, dass der Punkt T(dP) = 0,5, bei dem 50 % der Partikel abgeschieden werden, sich nach rechts zu größeren Durchmessern im Vergleich zum berechneten Grenzkorndurchmesser gemäß der Gleichung 26 verschiebt. Zur Anpassung des Modells an die Realität wird gemäß dem Modell vom Barth/Muschelknautz die Annahmen d50,t  1,3  dP* getroffen, woraus sich der Medianwert der Trennkurve bzw. die Trennkurve

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für den Zyklon mit tangentialer Einlaufströmung gemäß der Gleichung 25 ergibt.

Fraktionsabscheidegrad

Ideale Trennung gemäß Gleichung 26

* Bezogener Partikeldurchmesser d p / d P

ra/ri hi/ri be/ri he/ri Abbildung 8:

a 4,0 7,5 0,7 2,1

b 3,0 10,0 0,9 3,1

c 2,0 10,0 -

Fraktionsabscheidegradkurven für verschiedene Typen von Zyklonen. Für den im Rahmen dieses Forschungsprojekts eingesetzten LEVS-Prototyp wurde die in Diagramm 6 dargestellte Abscheidegradkurve durch das oben beschriebene Modell berechnet. Der Fraktionsabscheidegradkurve im Diagramm 6 ist zu entnehmen, dass bis zu einer Partikelgröße von 10 µm fast 100 % der Stäube in der Zyklonbrennkammer abgeschieden werden können. Im Diagramm 6 ist außerdem zu sehen, dass der Fraktionsabscheidegrad bei kleineren Partikelgrößen abnimmt, sodass der

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Fraktionsabscheidegrad bei einer Partikelgröße von 1 µm bei etwa 50 % und bei der Partikelgröße von 0,1 µm nur noch etwa 0,001 % beträgt.

Fraktionsabscheidegrad T (xP) [%]

100,000

10,000 Ohne Berücksichtigung der: - thermischen Agglomeration, - Agglomeration durch einen Gradienten, - elektrostatischen Agglomeration, - turbulenten Agglomeration

1,000 Bereich mit 50 % Abscheidegrad 0,100

0,010

0,001

0,000 0,01

0,1

1

10

100

Partikelgröße xP [µm] Diagramm 6:

Berechnete theoretische Abscheidegradkurve für die Zyklonbrennkammer des LEVS-Prototyps. Es ist zu erwähnen, dass in der Kurve des Fraktionsabscheidegrads im Diagramm 6 keine Mechanismen betrachtet werden, wodurch die Agglomeration und somit die Abscheidung von Feinststäuben (> 0,1 µm) in der Zyklonbrennkammer zusätzlich begünstigt wird. Bei der Zyklonbrennkammer finden unterschiedliche Mechanismen statt, die das Agglomerationsverhalten zwischen den Staubpartikeln begünstigen, wodurch sich Agglomerate mit einem größeren aerodynamischen Durchmesser und hoher Dichte bilden und die Abscheideleistung im Zyklon verbessert wird. Die Vielfalt der Agglomerationsmechanismen im Zyklon im heißen Betriebszustand wird nach den Arten der wirkenden Kräfte klassifiziert. Hier ist zwischen thermischer Agglomeration, turbulenter Agglomeration, elektrostatischer Agglomeration und Agglomeration durch Gradienten sowie unter äußerer Feldwirkung zu unterscheiden, welche in der Zyklonbrennkammer eine große Rolle spielen. Die thermische Agglomeration entsteht durch brownsche Bewegung von Partikeln in Temperaturgradienten. Durch die stochastische Bewegung der Partikel ergibt sich eine hohe Wahrscheinlichkeit für die Kollision von Partikeln, sodass sich die Partikel zu größeren Bestandteilen agglomerieren [Veli 1994]. Die turbulente Agglomeration entsteht durch Schwankungsbewegung der

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Partikel, sodass die Partikel bei einer Beschleunigung zusammenstoßen können und dadurch Agglomerate bilden. Die elektrostatische Agglomeration entsteht durch elektrostatische Feldkräfte, wobei die Partikel in einem induzierten elektrischen Feld (beispielsweise beim Einbringen einer Elektrode in einen Zyklon) durch unterschiedliche Partikeldriftgeschwindigkeiten zusammenstoßen und anschließend agglomerieren. Auf diesem Weg stoßen die schnellen Partikel mit langsamen Partikeln zusammen, sodass die Partikel agglomerieren können [Katzer et al. 1998, Gutsch 1995]. Die Agglomeration durch Gradienten findet in einem Strömungsfeld mit Schergradienten statt. Hierbei bewegen sich die Partikel in unterschiedlichen Geschwindigkeiten, wobei sie kollidieren können, wenn sich die Projektionsflächen von zwei Partikeln in Richtung der relativen Bewegung überlappen [Spicer et al. 1996]. Die Agglomeration von Partikeln unter äußerer Feldwirkung entsteht durch unterschiedliche Geschwindigkeiten der Partikel in einem Schwere- oder Zentrifugalfeld, sodass die Partikel kollidieren und agglomerieren. 4.3.4.4 Druckverlust im Zyklon Neben der Abscheideleistung ist der Druckverlust eine wichtige Größe für die Auslegung der Zyklonbrennkammer. Zur Berechnung des Druckverlusts im Zyklon soll der Gesamtdruckverlust je nach Strömungsbereich in drei Anteile unterteilt werden. Diese Strömungsbereiche sind: − Druckverlust im Einlaufbereich, − Druckverlust im Abscheideraum und − Druckverlust im Tauchrohr. Beim Zyklon wird der Hauptdruckverlust im Tauchrohr verursacht. Daher wird als Bezugsgeschwindigkeit die Tauchrohrgeschwindigkeit gemäß der Gleichung 27 eingesetzt, um den gesamten Druckverlust gemäß der Gleichung 31 zu berechnen. p  

 Ab   w i2 = ( e   a   i ) Ab  w i2 2 2

Gleichung 31



ist der Druckverlustbeiwert, der den Strömungswiderstand in der gesamten Zyklonbrennkammer beschreibt. Für Zyklone mit einem Tangentialeinlauf wie im Fall vom LEVS, werden die Druckverlustbeiwerte (im Einlaufbereich, im Abscheideraumbereich und im Tauchrohrbereich) wie im Folgenden berechnet: Beim Tangentialeinlauf ist der Druckverlust im Einlaufströmungsbereich im Vergleich zu anderen Strömungsbereichen im Abscheideraum- sowie im Tauchrohrbereich so gering, dass er vernachlässigt werden kann. Daher nimmt  e einen Wert von Null an.

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Der Druckverlustbeiwert im Abscheideraum  a kann gemäß der Gleichung 32 berechnet werden.     2 ri  1   wu   a    1   2 ra w   1 w u    hi    i  Z   w i  ri   

Gleichung 32

Druckverlustbeiwert im Tauchrohr  i lässt sich gemäß der Gleichung 33 berechnen. 4

2

 w 3  w   w   i  K   u    u   K 0  1 u   wi   wi   wi 

Gleichung 33

Das Verhältnis zwischen der Umfangsgeschwindigkeit wu und der Tauchrohrgeschwindigkeit wi ergibt sich aus der Gleichung 34:

wu  wi  

1 he  be h  Z  i b ri   (ra  e )  ri 2

Gleichung 34

Die Faktoren K und K0 hängen von der Form des Tauchrohrs ab. Für scharfkantige Tauchrohre nimmt K einen Wert von 4,4 bzw. K0 einen Wert von 2,0 an. Für abgerundete Tauchrohre sinkt der Strömungswiderstand ab und der Faktor K nimmt einen Wert von 3,4 bzw. der Faktor K0 einen Wert von 1,1 an. Der Hauptdruckverlust im Zyklon wird im Tauchrohr des Zyklons verursacht. Der Druckverlustbeiwert des Abscheideraums sowie des Tauchrohrs hängen von der Staubbeladung ab. Bei ansteigender Staubbeladung im Zyklon sinkt der Druckverlustbeiwert im Tauchrohr ab und nimmt hingegen im Abscheideraum zu. In der Zyklonbrennkammer des LEVS wurde ein Druckverlustbeiwert für den Abscheideraum von ca. 0,4 ermittelt, wobei der Druckverlustbeiwert des Tauchrohrs bei ca. 12,5 lag. Für die Staubbeladung bei dieser Ermittlung wurde ein Wert von 0,016 g/s (das entspricht einer Staubkonzentration von 150 mg/Bm3 oder über 650 mg/Vm3) angenommen. Das Diagramm 7 zeigt den Druckverlust in der Zyklonbrennkammer des LEVS bei einem realen Betrieb des Prototyps bei der Verbrennung von Buchenholz. Die schwarze Linie stellt den gemessenen Druckverlust in der Zyklonbrennkammer dar, wobei die rote Linie den nach der Gleichung 31 berechneten Druckverlust beschreibt. Es ist ersichtlich, dass die beiden Druckverlustlinien das gleiche Verhalten über den gesamten Betrieb aufweisen. Im Mittel liegt der gemäß der Gleichung 31 berechnete Druckverlust um ca. 30 % höher als der gemessene Druckverlust.

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Druckverlust in der Zyklonbrennkammer [Pa]

500 gemessener Druckverlust in der Zyklonbrennkammer [Pa]

450

berechneter Druckverlust in der Zyklonbrennkammer [Pa]

400 350 300 250 200 150 100 50 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Betriebszeit [h] Diagramm 7:

Druckverlust in der Zyklonbrennkammer, gemessen (schwarze Linie) und berechnet (rote Linie) gemäß der Gleichung 43. Bei der Fertigung von Zyklonen mit tangentialem Einlauf ist darauf zu achten, dass der Einlauf tangential erfolgen muss. Fertigungstechnische Fehler bewirken sowohl die Verschlechterung des Abscheidegrads als auch die Erhöhung des Verschleißes am Tauchrohr sowie am Zyklonmantel. Außerdem ist für die Bildung einer ungestörten Wirbelströmung im Zyklon sehr wichtig, dass das Tauchrohr von der Eintrittsströmung getroffen werden darf.

4.3.5 Auslegung der Einbautentechnik zum Einsatz in Heizkesseln In diesem Abschnitt wird die Einbautentechnik verfahrenstechnisch hinsichtlich der Auslegung für den Einsatz in Biomasseheizkesseln betrachtet. Dabei werden folgende Punkte ausführlich behandelt: − Erforderliche Angaben zur Auslegung der Einbautentechnik.

− Charakteristische Größen zur Auslegung der Einbautentechnik. − Berechnung und Dimensionierung des Einbautenmoduls. − Ermittlung des Druckverlusts.

Es ist zu erwähnen, dass die Auslegungsgrundlage für den Einsatz der Einbautentechnik in Einzelraumfeuerungsanlagen im Rahmen eines von FNR geförderten Projekts (Förderkennzeichen FKZ: 13NR104) ausführlich erstellt

76

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wurde [Aleysa et al. 2016]. Zwar unterscheiden sich viele Auslegungsfaktoren bzw. –größen (Tabelle 7) bei der Auslegung der Einbautentechnik für den Einsatz in Einzelraumfeuerungsanlagen von den Auslegungsgrößen beim Einsatz der Einbautentechnik in Heizkesseln, jedoch bleibt die verfahrenstechnische Grundlage gültig und lässt sich mit einer ausreichenden Genauigkeit für den Einsatz der Einbautentechnik in Heizkesseln verwenden. Die Einbautentechnik verfügt über folgende Vorteile bzw. Besonderheiten, wie im Rahmen von mehreren Projekten im Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP festgestellt wurde: −

Die Funktion bzw. die Oxidationsleistung der Einbautentechnik ist auf Dauer zu gewährleisten. Die Oxidation findet in den Einbautenmodulen rein thermisch ohne jegliche Beschichtung oder Alterungsprobleme statt, die bei Katalysatoren innerhalb von kurzer Zeit auftreten.

−

Die Filter-Oxidationswirkung der Einbautentechnik sorgt über den gesamten Abbrand für eine stabile sachgemäße Verbrennung mit geringen Emissionen und hohen Wirkungsgraden.

−

Durch den Einsatz der Einbautentechnik wird eine Brennstoffersparnis aufgrund der Verbesserung der Verbrennungseffizienz je nach Anlagentyp von bis zu 12 % erzielt. Durch die Strömungsstabilisierung und Wärmespeicherung lassen sich die Wärmeverluste im Abgas sowie die Verluste durch nicht verbrannte Bestandteile reduzieren, wodurch eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads zu erreichen ist.

−

Der durch die Einbautentechnik verursachte Druckverlust ist sehr gering und verhält sich konstant. Beim Betrieb vom LEVS lag der Druckverlust im Mittel unter 30 Pascal (Diagramm 8). Die großen Öffnungsweiten (Durchmesser des Abgaswegs bis 70 mm möglich) der Einbautentechnik sorgen für einen geringen Strömungswiderstand.

−

Es besteht aufgrund großer Abgaswege keine Verstopfungsgefahr beim Einsatz ungünstiger Brennstoffe. Durch die großen Abgaswege sowie die hohen erreichbaren Temperaturen im Einbautenmodul kommt es auch beim Einsatz ungünstiger Brennstoffe, wie z. B. feuchtem Holz, nicht zu einer Verblockung der Abgaswege.

−

Die Einbautentechnik ist sehr robust gegenüber der Art der Beschickung und der Änderung von verbrennungstechnischen Eigenschaften des eingesetzten Brennstoffs. Durch die Generierung einer Durchmischung und die intensive Wärmeabgabe der Einbauten in den Abgasstrom können Schadstoffe auch bei einer Veränderung betrieblicher Parameter der Kleinfeuerungsanlagen für einen stabilen Verbrennungsbetrieb sorgen.

−

Die Einbautentechnik ist im Praxisbetrieb nicht manipulierbar. Da eine Verblockung während des gesamten Betriebs auszuschließen ist, ist bei der Verwendung der Einbautentechnik kein Bypass notwendig. Außerdem ist der Ausbau der Einbautentechnik zu Reinigungszwecken,

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77

wie bei anderen integrierten Technologien, nicht notwendig und aufgrund des verstopfungsfreien Betriebs nicht vorgesehen. −

Zum Betrieb der Einbautentechnik wird keine zusätzliche Energie benötigt. Die Energie wird während des Betriebs gespeichert und in den ungünstigen Betriebsphasen (Start- und Ausbrandphasen) für die Oxidation auf eine natürliche Weise bereitgestellt.

−

Die Einbautentechnik ist sehr preiswert und nachrüstbar. Die Materialkosten liegen wie beispielsweise beim Einsatz im LEVS deutlich unter 8 €/Einbautenmodul. Außerdem werden zur Anfertigung der Einbautenmodule keine speziellen Fertigungstechnologien oder Sonderkompetenzen benötigt.

−

Die Materialien der Einbauten (Keramik, Edelstahl oder Metallguss) sind mechanisch, thermisch und chemisch beständig. Diese Eigenschaft garantiert eine hohe Langlebigkeit der Technik, sodass sie im Vergleich zu üblichen Filtersystemen wie z. B. Schaumkeramik oder Drahtgestrick nicht periodisch ausgetauscht werden muss.

−

Die Einbautentechnik ist wartungsarm und selbstreinigend. Die hohe Materialbeständigkeit und die großen Abgaswege in den Einbautenmodulen sorgen dafür, dass sich die Technik eigenständig reinigen und regenerieren kann bzw. nicht gewartet werden muss.

Aus den oben aufgelisteten Vorteilen lässt sich die Einbautentechnik sowohl technisch einfach als auch ökonomisch und ökologisch sinnvoll einsetzen. Diese Technik ist nicht nur bei der Herstellung sowie beim Betrieb sondern auch bei der Entsorgung umweltfreundlich und kostengünstig. Darüberhinaus zeichnet sich die Einbautentechnik dadurch aus, dass sie nicht nur für eine kurze Zeit auf dem Prüfstand unter Sonderbetriebsbedingungen sondern für einen sicheren Betrieb unter Praxiseinsatzbedingungen funktioniert. 4.3.5.1 Funktionsprinzip der Einbautentechnik Das Wirkungsprinzip der Einbautentechnik beim Einsatz in Kleinfeuerungsanlagen beruht auf der Bereitstellung günstiger Oxidationsbedingungen während der Verbrennung innerhalb eines definierten Einbautenmoduls. Dieses Modul speichert während der Verbrennung ausreichend Energie in Form von Wärme und stellt sie automatisch für die thermische Oxidation zur Verfügung, wenn die Temperaturen während der Verbrennung unter bestimmten Grenzen (Abgastemperatur < Modultemperatur) absinken. Durch seine spezielle Architektur gewährleistet das Einbautenmodul eine intensive Durchmischung der brennbaren Abgasbestandteile mit der Verbrennungsluft sowie eine Verlängerung der aktiven Verweilzeit durch eine Mehrfachumlenkung bzw. Verwirbelung der Abgase. Die gespeicherte Energie (Wärme) soll die Oxidation nicht verbrannter Bestandteile im Abgas in den ungünstigen Betriebsphasen wie z. B. beim Teillastbetrieb, Nachbeschicken und im Betriebsregelungsbereich ermöglichen sowie zu

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einem stabilen Verbrennungsvorgang unabhängig von der Dynamik des Vergasungsprozesses führen. Unter brennbaren gasförmigen Bestandteilen bei der Verbrennung von Biomasse entstehen hauptsächlich Kohlenstoffmonoxid, Methan, Formaldehyd und Wasserstoff. Diese Abgase können direkt mit Sauerstoff bei Temperauren > 500 °C zu Kohlenstoffdioxid und Wasser reagieren. Häufig wird in diesem Zusammenhang von einer Online-Oxidation gesprochen, das heißt die Oxidation erfolgt bei der Durchströmung der Abgase in das Einbautenmodul. Bei staubförmigen brennbaren Bestandteilen (organischer Feinstaub und organische Aerosole) ist zwischen zwei Behandlungsphasen zu unterscheiden, welche entweder bei der Durchströmung der Partikel in das Einbautenmodul oder nach dem Anhaften der Partikel an der Oberfläche der Einbauten im Reaktor stattfinden. In den beiden Phasen werden die flüssigen bzw. festen Partikel durch Verdampfung oder thermische Zersetzung zu brennbaren Gasen (wie z. B. CO oder CnHm) umgewandelt. Diese Gase werden in Gegenwart von Sauerstoff und ausreichend hoher Temperatur zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert. Bei brennbaren staubförmigen Bestandteilen ist zwischen Ruß und organischen Kohlenstoffverbindungen zu unterscheiden. Organische Kohlenstoffverbindungen verdampfen oder zersetzen sich bei erhöhten Temperaturen (bis ca. 600 °C). Ruß hingegen verdampft bei diesen niedrigen Temperaturen nicht und verbrennt erst bei Temperaturen oberhalb von 600 °C in Anwesenheit von Sauerstoff. Diese Kenntnisse sind besonders wichtig für die Auslegung der Einbautentechnik hinsichtlich der Selbstreinigung bzw. des Einsatzes in Kleinfeuerungsanlagen. Anorganische Feinstäube werden aufgrund elektrischer, thermischer und turbulenter Effekte agglomeriert. Anorganische Feinstäube verändern ihren Ladungszustand bei hohen Temperaturen aufgrund von thermischen Emissionsvorgängen [Reuter-Hack 2011]. Es ist stark zu vermuten, dass die Feinstäube je nach ihrer Beschaffenheit entweder positiv oder negativ geladen werden. Durch die entstehenden elektrischen Kräfte bilden die anorganischen Partikel stabile Agglomerate und werden an der Oberfläche der Einbautentechnik abgeschieden. Aus dem oben geschilderten Funktionsprinzip lässt sich erkennen, dass die Einbautentechnik sowohl als Oxidationsreaktor als auch als Feinststaubfilter funktioniert. Daher wird sie auch als Filter-Oxidations-Reaktor bezeichnet. 4.3.5.2 Auswahl von Einbauten zum Einsatz in Heizkesseln Die Einbautentechnik soll sowohl als Filter als auch als Reaktor funktionieren. Um das zu realisieren, müssen die Einbauten sowohl bestimmte Anforderungen erfüllen als auch über eine bestimmte Struktur verfügen. Die auf dem Markt verfügbaren Strukturen lassen sich in deterministische und nicht-deterministische Strukturen unterteilen. Deterministische Strukturen sind konstruktiv so aufgebaut, dass sie definierte Abgasströmungswege über den gesamten Querschnitt sowie über die gesamte Höhe des Aufbaus (des

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Einbautenmoduls) aufweisen. Diese Abgaswege weisen keine strömungsruhigen Zonen oder wechselnde Strömungsrichtungen auf und werden nicht innerhalb der Struktur komplett oder teilweise beendet. Nichtdeterministische Strukturen haben in der Regel sehr komplexe Abgaswege bezüglich der Form sowie des Verlaufs innerhalb der Struktur. Im Rahmen der Forschungsaktivitäten des Fachgebiets Verbrennungssysteme des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP wurden deterministische und nichtdeterministische Strukturen untersucht [Aleysa et al. 2015]. Die Bewertung der untersuchten Strukturen wurde hinsichtlich des Einsatzes in handbeschickten biomassebetriebenen Feuerungsanlagen gemäß folgenden Kriterien durchgeführt und in Tabelle 6 dargestellt. − Entwicklung des Druckverlustes während des Betriebs, − Beladungsverhalten,

− Verstopfungsgefahr während des Betriebs,

− Reinigungsbedarf und Reinigungshäufigkeit,

− Sicherheit und Zuverlässigkeit während des Betriebs,

− Reduktion brennbarer gasförmiger Schadstoffemissionen am Beispiel Kohlenstoffmonoxid (CO) und Propan (C3H8), − Reduktion staubförmiger Emissionen am Beispiel Ruß als typisches Produkt bei unvollständiger Verbrennung von Biomasse, − Potential zur Effizienzerhöhung im Praxisbetrieb,

− Thermische und mechanische Stabilität im Dauerbetrieb, − Wirtschaftlichkeit.

In der Tabelle 6 ist ersichtlich, dass die deterministischen Strukturen für den Einsatz in häuslichen Kleinfeuerungsanlagen besser geeignet sind als die nicht-deterministischen Strukturen. Zwar ist die in der Tabelle 6 dargestellte Bewertung der Strukturen für handbeschickte Einzelraumfeuerungsanlagen erstellt worden, die Ergebnisse lassen sich jedoch ohne Probleme auf Heizkessel übertragen. Deterministische Strukturen charakterisieren sich dadurch, dass der Druckverlust beim Auftreten ungünstiger Betriebszustände nicht schnell ansteigt und folglich Zustände vermieden werden können, bei denen ein Austreten von Abgasen in den Aufstellraum der Feuerungsanlagen oder hohe Schadstoffbelastungen in die Umwelt abgegeben werden. Durch dieses Druckverlustentwicklungsverhalten sowie durch die nicht manipulierbare Bauweise, werden integrierte Technologien (wie z .B. die Einbautentechnik) auf Basis der untersuchten deterministischen Strukturen sicher und zuverlässig betrieben. Deterministische Strukturen agieren sowohl als Feinstaubfilter, als auch als Reaktoren. Durch die Bereitstellung günstiger Oxidationsbedingungen, ausreichend langer aktiver Verweilzeit, hoher Temperaturen und einer intensiven Durchmischung des Sauerstoffs mit den brennbaren Bestandteilen in der Struktur, werden sowohl organische Feinpartikel als auch brennbare Schadgase aufoxidiert und somit behandelt.

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Zusätzlich zu dem hohen Potential der Schadstoffminderung tragen deterministische Strukturen durch die besondere konstruktive Bauweise maßgeblich zur Effizienzerhöhung der Feuerungsanlagen bei. Ein Nachteil der nicht-deterministischen Strukturen liegt in der raschen Entwicklung von Druckverlusten während des Betriebs, wodurch zusätzlich zur Verstopfungsgefahr eine aufwändige und häufige Abreinigung des Systems erforderlich ist. Bei einer partiellen Verstopfung kann die Verbrennungsluftzufuhr gestört und somit die Verbrennung verschlechtert werden. Zusätzlich dazu kann das Abgas aus der Feuerungsanlage in den Aufstellraum austreten. Nicht-deterministische Strukturen agieren gut als Filter aber nicht als Reaktor. Die relativ gute Filtrationsleistung tritt erst beim Aufbau eines Staubkuchens auf der Strukturoberfläche auf. Im Neuzustand, in dem die Poren offen sind, können die feinen Partikel die Struktur zum großen Teil passieren, bis ein Staubkuchen gebildet wird. Je feinporiger die Struktur ist, umso schneller bildet sich ein Filterkuchen, mit dem hohe Abscheidegrade mit entsprechend erhöhtem Druckverlust erreicht werden [Aleysa et al. 2015]. Tabelle 6:

Bewertung der Struktur bezüglich des Einsatzes in handbeschickten biomassebetriebenen Einzelraumfeuerungsanlagen [Aleysa et al. 2015].

Kategorien

Nicht-deterministische Strukturen

Deterministische Strukturen Keramische Metallische Einbauten Einbauten

Schaumkeramik (Nichtoxidkeramik)

Drahtgestrick (Edelstahl)

Druckverlust während des Betriebs

--

--

++

++

Beladungsverhalten

--

--

++

++

Verstopfungsgefahr während des Betriebs

--

--

++

++

Reinigungsbedarf/Reinigungshäufigkeit

-

--

++

Effizienzerhöhung im Praxisbetrieb

0

0

Sicherheit und Zuverlässigkeit

---

---

++ ++ ++ ++

+ + +

0

0

++

+

Mechanische Stabilität

+ + -

++

++

Thermische Stabilität im Dauerbetrieb

+

+

++

++

Wirtschaftlichkeit

-

+

++

++

Bewertungskriterien

Reduktion brennbarer Abgase

+

++ +

Reduktion staubförmiger Emissionen < günstige Oxidationstemperatur > günstige Oxidationstemperatur

++ +

sehr gut gut

--

schlecht sehr schlecht

0

neutral

In der Tabelle 6 ist ersichtlich, dass metallische und keramische Einbauten (Typ: Pall-Ringe) für den Einsatz in Biomassefeuerungsanlagen besonders geeignet sind. Im Rahmen dieses Projekts wurden kermische Pall-Ringe (keramische Pall-Ringe 80 mm) verwendet.

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4.3.5.3 Erforderliche Angaben zur Auslegung der Einbautentechnik Zur Auslegung der Einbautentechnik sind Angaben über das Abgas, über die Verbrennungstechnik, über die zu verwendenden Brennstoffe sowie über die einzusetzenden Einbauten bzw. Füllkörper erforderlich. In der Tabelle 7 sind die wichtigsten Angaben dargestellt. Tabelle 7:

Erforderliche Angaben zur Auslegung der Einbautentechnik.

Angaben über das Abgas − − − − − − −

Unterdruck in der Abgasanlage bzw. im Schornstein Abgastemperatur im Einsatzbereich sowie in der Abgasanlage Maximale Beladung mit staub- und gasförmigen Schadstoffen Minimaler, maximaler und mittlerer Abgasvolumenstrom Abgasmassenstrom und Abgaszusammensetzung Abgasdichte, Abgasviskosität und Wärmekapazität Luftüberschusszahl

Angaben über die Verbrennungstechnik − Verbrennungsprinzip (Unterbrand, Oberbrand) − Anlagentyp (automatisch oder handbeschickter Heizkessel, Einzelraumfeuerungsanlagen ohne oder mit wasserführende(n) Bauteile(n)) − Thermische Nennwärmeleistung − Konstruktion mit der Feuerraumauskleidung, Flächen der Glasscheiben − Verbrennungsluftzufuhr − Abgasabfuhr und Abgaswege − Fläche des Feuerraumbodens − Dimension und das Volumen der Nachoxidationskammer − Erforderlicher Unterdruck (Förderdruck) für einen sicheren Betrieb Angaben über die Einbauten − − − − −

Material der Einbauten (Füllkörper) Art und Architektur der Struktur Dimension der Einbauten (Durchmesser und Länge bzw. Höhe) Mechanische, chemische und thermische Stabilität Druckverlustbeiwert

Angaben über den Brennstoff − − − −

Elementare Zusammensetzung Heizwert und Energiedichte Feuchtegehalt Aschegehalt

Sonstige Angaben − Anwendungsbereich und –gebiet − Angaben über die Besonderheit Verbrennungsprozess (Chargenbetrieb, kontinuierlicher Betrieb, automatisiert bzw. geregelter Betrieb usw.) − Technische und normative Anforderungen − Sicherheitsanforderungen 82

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Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Abgases müssen für jeden Anwendungsfall experimentell ermittelt werden. Außerdem muss der Verbrennungsprozess, in dem das Abgas produziert wird, beschrieben und charakterisiert werden. Der Konstrukteur muss sich mit der Arbeitsweise und dem Betrieb von Biomasseheizkesseln auseinandersetzen. Vorrangiges Ziel der Auslegung der Einbautentechnik ist die Bestimmung des benötigten Volumens und einer günstigen Strömungsfläche des Einbautenmoduls. Die wesentlichen Kenngrößen sind hierbei die effektive thermische Volumenbelastung des Einbautenmoduls, die Verweilzeit und Strömungsflächenbelastung, da diese die Oxidationsleistung, den Druckverlust und die Druckverlustentwicklung während des Betriebs beeinflussen 4.3.5.4 Charakteristische Größen zur Auslegung der Einbautentechnik Um eine möglichst hohe Abscheide- und Reduktionsleistung der Einbautentechnik als spezielles thermisches Nachverbrennungsverfahren zu erreichen, ist es wichtig, dass das Einbautenmodul, als das Kernstück dieser Technik, entsprechend berechnet und dimensioniert wird. Bei der Dimensionierung sollen zwei spezifische Belastungen des Einbautenmoduls berücksichtigt werden: 

Strömungsflächenbelastung des Einbautenmoduls.



Thermische Flächen- und Volumenbelastung des Einbautenmoduls.

Strömungsflächenbelastung Die Strömungsflächenbelastung gibt an, mit wie vielen Betriebskubikmetern Abgas pro Quadratmeter Modulfläche und Zeiteinheit das Einbautenmodul zu beaufschlagen ist, damit ein sicherer und stabiler Betrieb mit der Einbautentechnik erzielt werden kann (Abbildung 9). Die aktive Strömungsfläche des Einbautenmoduls bestimmt den Druckverlust, die Wärmeverteilung sowie die Stabilisierung der Druck- und Strömungsverhältnisse innerhalb des Einbautenmoduls und somit im gesamten Kessel während des Betriebs. Der Druckverlust entwickelt sich umgekehrt proportional mit der aktiven Strömungsfläche, d. h. mit zunehmender Strömungsfläche sinkt der Druckverlust ab bzw. mit abnehmender Strömungsfläche steigt der Druckverlust an. Bei der Auslegung der Einbautentechnik zum Einsatz in Biomasseheizkesseln kann eine Strömungsflächenbelastung von 1,5 [m3/m2.s] bis 3,5 [m3/m2.s] angenommen werden. Hier gilt: Je niedriger die Strömungsflächenbelastung ist, umso länger ist die Verweilzeit in der aktiven Reaktionszone und umso besser findet die Oxidation statt. Sehr geringe Strömungsflächenbelastungen (ca. < 1,5 [m3/m2.s]) führen zur Überdimensionierung des Einbautenmoduls sowie des Querschnitts des Heizkessels und folglich zu zunehmenden Wärmeverlusten, bevor das Abgas dem Einbautenmodul zugeführt wird. Die Überdimensionierung hat eine Verringerung der thermischen Volumenbelastung und eine ungünstige Wärmeverteilung innerhalb des Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP

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Einbautenmoduls zur Folge (siehe thermische Volumen- und Flächenbelastung). .

Em

V Ab,Em [m3/m2.s]  AEm

Gleichung 35

Wobei: .

V Ab ,Em : Abgasvolumenstrom [m3/s ].

Em :

Strömungsflächenbelastung [m3/m2.s].

AEm:

Die aktive Strömungsfläche des Einbautenmoduls [m2].

Ein günstiger Wert für die Strömungsflächenbelastung in dem empfohlenen Bereich zwischen 1,5 [m3/m2.s] und 3,5 [m3/m2.s] wird durch den maximal erlaubten Druckverlust im gesamten Heizkessel bestimmt. Bei der Auslegung ist ein Druckverlust von kleiner als 50 Pascal im Einbautenmodul bei einer Abgastemperatur von 800 °C einzuhalten. Strömungsfläche: AEm = aEm x bEm

Volumen des Einbautenmoduls:

VEm = aEm x bEm x

hEm

hEm

Filter-Reaktor-System

bEm Abgasvolumenstrom .

V Ab

Abbildung 9:

Wärmestrom .

.

.

Q Em  Q ges.  Qver.

Abmessungsbezeichnung für ein Einbautenmodul. Der Querschnitt des Einbautenmoduls kann viereckig bzw. quadratisch oder kreisförmig ausgesucht werden. Wichtig dabei ist, dass die Strömungsflächenbelastung gleichmäßig über den gesamten Betrieb gewährleistet werden kann. Thermische Volumen- und Flächenbelastung des Einbautenmoduls Die thermische Volumen- bzw. Flächenbelastung beschreiben die nötige thermische Energiemenge, die dem Einbautenmodul während der

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Verbrennung zugeführt werden muss, damit eine ausreichend hohe Temperatur im gesamten Einbautenmodul für die Oxidation der staub- und gasförmigen Bestandteile erreicht werden kann. Die thermische Volumenbelastung ergibt sich aus der Energiemenge pro Zeiteinheit geteilt durch das aktive Volumen des Einbautenmoduls gemäß der Gleichung 36. .

Thermische Volumenbelastung q v : .

.

Q q v = Em VEm

Gleichung 36

oder [kW/m3]

Die thermische Flächenbelastung ergibt sich aus der Energiemenge pro Zeiteinheit und aktiver Strömungsfläche gemäß der Gleichung 37. .

Thermische Flächenbelastung q A : .

.

Q q v = Em AEm

Gleichung 37

[kW/m²]

Der gesamte Wärmestrom bzw. die Wärmemenge pro Zeiteinheit, die bei der Verbrennung erzeugt wird, lässt sich gemäß der Gleichung 38 berechnen:

.

.

.

Q Em = kver  Q ges. = kver  Hu  mB

[kW]

Gleichung 38

Die Ziffern der Gleichung 36, der Gleichung 37 und der Gleichung 38 sind im Folgenden beschrieben: .

Q ges. : Der gesamte Wärmestrom bzw. die Wärmemenge pro Zeiteinheit,

die bei der Verbrennung erzeugt wird. .

Q Em :

VEm: AEm: kver:

Hu:

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Der Wärmestrom bzw. Wärmemenge pro Zeiteinheit, die dem Einbautenmodul zugeführt wird. Das aktive Volumen des Einbautenmoduls. Die aktive Strömungsfläche des Einbautenmoduls. Der Wärmeverlustfaktor beschreibt die Wärmeverluste in der Feuerungsanlage, bevor der Wärme- bzw. Abgasvolumenstrom dem Einbautenmodul zugeführt wird. Bei den Heizkesseln ist je nach Einsatzort des Einbautenmoduls (vor dem Wärmeübertrager) und Isolierungsqualität des Heizkessels einen Wert für kver von 0,80 bis 0,95 anzunehmen. Der untere Heizwert des Brennstoffs [kWh/kg].

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Beim Einsatz der Einbautentechnik in Heizkesseln wird dem Verbrennungsprozess keine externe thermische Energie wie in klassischen thermischen Nachverbrennungsverfahren zugeführt. Die bei der Verbrennung entstehende Wärme soll so verwaltet werden, dass die nötigen Oxidationstemperaturen im gesamten Einbautenmodul eingestellt werden können. Die Überdimensionierung des Einbautenmoduls führt zwar zur Verlängerung der Verweilzeit des Abgases aber auch zur Absenkung der Temperaturen im Einbautenmodul. Um Ablagerungen von Ruß im Einbautenmodul zu vermeiden, muss dem Einbautenmodul während der Verbrennung eine ausreichende Wärmemenge (Temperaturen von mindestens 550 °C über einen Zeitraum von mindestens 5 Minuten) zugeführt werden, sodass eine effektive thermische Selbstreinigung erreicht werden kann. Die optimale thermische Volumenbelastung des Einbautenmoduls sollte größer als 0,5 MW/m3 sein. Je größer die thermische Volumenbelastung des Einbautenmoduls ist, umso besser ist es für die thermische Selbstreinigung. Hier sollte darauf geachtet werden, dass die hohe thermische Volumenbelastung nicht zur Verkürzung der Verweilzeit und zur unnötigen Erhöhung des Druckverlusts im Einbautenmodul führen sollte. Außerdem kann es bei hoher Wärmekonzentration zur thermischen Belastung der Materialien des Einbautenmoduls bzw. des Heizkessels kommen. Da Heizkessel über ein Abgassaugzuggebläse verfügen, besteht kein Problem mit dem Ausgleich des Druckverlusts. Ein Druckverlust im Neuzustand gemäß Abschnitt ‎4.3.5.5 kann bis 50 Pascal akzeptiert werden. Bei der Integrierung der Einbautentechnik ist es wichtig, dass aufgrund der Erhöhung des Strömungswiderstands keine ungünstigen Strömungsverhältnisse im Heizkessel entstehen dürfen, die die Verbrennungsluftzufuhr stören und die Abgasförderung aus dem Heizkessel behindern bzw. die Verbrennung folglich verschlechtern. Außerdem muss bei dem Einbau bzw. beim Aufbau des Einbautenmoduls darauf geachtet werden, dass die Einbauten durch die thermische Ausdehnung nicht mechanisch beansprucht und dadurch beschädigt werden können. 4.3.5.5 Berechnung und Dimensionierung des Einbautenmoduls Unter der Dimensionierung des Einbautenmoduls, als essentieller Teil der Einbautentechnik, ist die Festlegung des Volumens sowie der Strömungsfläche des Einbautenmoduls zu verstehen. Die beiden Größen sollen so festgelegt werden, dass sowohl die minimale empfohlene thermische Flächenbelastung als auch der maximale Druckverlust eingehalten werden können. Die minimale thermische Flächenbelastung soll zusätzlich zu einer optimalen Oxidation die thermische Selbstreinigung bzw. Regenerierung des Moduls gewährleisten. Zwischen dem Volumen des Einbautenmoduls, dem Abgasvolumenstrom und der Verweilzeit des Abgases im Einbautenmodul besteht ein vereinfachter Zusammenhang, der sich anhand von Gleichung 39 beschreiben lässt. Durch diesen Zusammenhang lässt sich das durchströmte

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Volumen des Einbautenmoduls berechnen. Das durchströmte Volumen des Einbautenmoduls ergibt sich normalerweise aus der Differenz des Gesamtvolumens des Einbautenmoduls abzüglich des Volumens der Einbauten. Das Volumen der Einbauten ist allerdings im Vergleich zum gesamten Volumen des Einbautenmoduls sehr klein (< 1,5 %) und kann somit vernachlässigt werden. .

VEm = V Ab,E   EM

Gleichung 39

Wobei: .

V Ab,E : Abgasvolumenstrom im Betriebszustand im Einbautenmodul [m3/s] VEm

Durchströmtes Volumen des Einbautenmoduls [m3]

EM

Verweilzeit des Abgases im Einbautenmodul [s]

Die Verweilzeit soll so ausgesucht werden, dass die thermische Volumenund Flächenbelastung des Einbautenmoduls in einem günstigen Bereich für einen möglichst optimalen Betrieb liegen sollten. Der Abgasvolumenstrom für die Auslegung der Einbautentechnik bzw. des Einbautenmoduls lässt sich gemäß der Gleichung 18 bzw. Gleichung 40 unter Berücksichtigung der maximal zu erwartenden Abgastemperatur im Einbautenmodul während des Betriebs berechnen. .

V Ab,EM 

Pth 273,15  TEM  0,78  Hu  1,67  (  1)  0,87  Hu  0,5  3.600  Hu 273,15

Gleichung 40 Wobei: .

V Ab,Em : Abgasvolumenstrom im Einbautenmodul [m3/s]. TEM :

Die durchschnittliche maximale Abgastemperatur im Einbautenmodul während des Betriebs [°C].

Pth :

Thermische Nennwärmeleistung des Heizkessels [kWth].

Hu 

Heizwert des Brennstoffs [kWh/kg].

Beim Einsatz der Gleichung 40 in die Gleichung 39 ergibt sich die Gleichung 41 für die Berechnung des Volumens des Einbautenmoduls: VEM 

 EM  Pth 273,15  TEM  0,78  Hu  1,67  (  1)  0,87  Hu  0,5  3.600  Hu 273,15 Gleichung 41

Die Verweilzeit EM im Zyklon kann zwischen 0,1 Sekunden und 0,3 Sekunden angenommen werden. Eine Verweilzeit von 0,2 Sekunden ist zu empfehlen. Hier gilt, je länger die Verweilzeit ist, umso größer wird das Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP

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Volumen des Einbautenmoduls und folglich geringer die thermische Flächenund Volumenbelastung. Eine lange Verweilzeit führt, wie bei der Zyklonbrennkammer nicht nur zur Vergrößerung des gesamten Heizkessels mit entsprechender Wirtschaftlichkeitsverschlechterung sondern auch zur Erhöhung der Wärmeverluste und folglich zur Verschlechterung der Oxidation. Kürzere Verweilzeiten führen zur Verkleinerung des Brennkammervolumens mit entsprechender Erhöhung des Druckverlusts. Die Anzahl der benötigten Einbauten ergibt sich aus der Gleichung 42: nEin 

VEM VEin

Gleichung 42

Wobei: nEin :

Anzahl der benötigten Einbauten [-].

VEm

Gesamtvolumen des berechneten Einbautenmoduls [m3].

VEin

Volumen eines einzelnen Einbaus bzw. Füllkörpers [m³].

Die Anordnung der Einbauten im Einbautenmodul sollte deterministisch und reihenweise erfolgen, wodurch eine deterministische Struktur des Einbautenmoduls erzeugt wird. Deterministische Strukturen weisen definierte Abgasströmungswege über den ganzen Querschnitt sowie über die gesamte Höhe des Aufbaus auf. Diese Abgaswege dürfen über keine strömungsruhigen Zonen oder wechselnde Strömungsrichtungen verfügen. Bei dem Aufbau des Einbautenmoduls soll darauf geachtet werden, dass der gesamte Querschnitt bzw. das Volumen des Einbautenmoduls vom Abgas gleichmäßig durchströmt werden kann. 4.3.5.6 Ermittlung des Druckverlusts im Einbautenmodul Zur Abschätzung des Druckverlusts im Einbautenmodul bei einer deterministischen Anordnung der Einbauten (bzw. Pall-Ringe) lässt sich Gleichung 43 verwenden. Diese vereinfachte Gleichung ist von der allgemeinen Gleichung für die Berechnung des Druckverlusts in einphasiger Strömung abgeleitet.

pEm

h  kEin. Em . dF  n

.    4  V Ab  361  (273,15  T )    n    d F2  EM    

2

Gleichung 43

2

Wobei: .

V Ab : ∆pEm:

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Abgasvolumenstrom [Nm3/s]. Druckverlust im Einbautenmodul [Pa].

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TEM: kEin: hEm: n: dF:

Abgastemperatur im Einbautenmodul [°C]. Druckverlustbeiwert [-]. Höhe des Einbautenmoduls [m]. Anzahl der Einbauten (Pall-Ringe) im Querschnitt bzw. in einer Reihe im Querschnitt des Einbautenmoduls [-]. Durchmesser des Einbaus (Füllkörpers) bzw. des Pall-Rings [m].

Für keramische Pall-Ringe mit einem Durchmesser von 50 mm nimmt der Druckverlustbeiwert kEin einen Wert zwischen 25 und 45 an, wobei für keramische Pall-Ringe mit einem Durchmesser von 80 mm einen Wert für kEin zwischen 8 und 15 eingesetzt werden kann. Für metallische Pall-Ringe mit einem Durchmesser von 35 mm ist einen Wert für kEin zwischen 15 und 35 einzusetzen. Diese Werte sind empirisch im Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP unter bekannten und reproduzierbaren Bedingungen durch den Einsatz eines Abgassimulators ermittelt worden. Sie gelten nur für deterministisch angeordnete metallische und keramische Pall-Ringe. Diagramm 8 zeigt den Druckverlust im Einbautenmodul bei einem realen Betrieb des LEVS-Prototyps bei der Verbrennung von Buchenholz. Die schwarze Linie stellt den gemessen Druckverlust dar, wobei die rote Linie den Druckverlust beschreibt, der durch die Gleichung 43 mit den erfassten Messdaten (Abgasvolumenstrom, mittlere Abgastemperatur usw.) des gleichen Betriebs ermittelt worden ist.

Druckverlust im Einbautenmodul [Pa]

100

gemessener Druckverlust in der Einbautentechnik [Pa] berechneter Druckverlust in der Einbautentechnik [Pa]

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Betriebszeit [h] Diagramm 8:

Druckverlust im Einbautenmodul, gemessen (schwarze Linie) und berechnet (rote Linie) gemäß der Gleichung 43. Dem Diagramm 8 ist zu entnehmen, dass die beiden Druckverlustlinien das gleiche Verhalten über den gesamten Betrieb aufweisen. Im Mittelwert liegt der gemäß der Gleichung 43 berechnete Druckverlust um ca. 35 % höher

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als der gemessene Druckverlust. Das ist mit dem höhen angenommen Druckverlustbeiwert kEin zu begründen. Dabei wurde der höchste Wert von 15 für den Faktor kEin für die Berechnung eingesetzt. 4.3.6 Ermittlung des Druckverlusts im gesamten Low-EmissionVerbrennungssystem Der Druckverlust im gesamten LEVS-Prototyp ergibt sich aus der Summe des Druckverlusts in der Zyklonbrennkammer gemäß der Gleichung 31, des Einbautenmoduls gemäß der Gleichung 43 sowie der sonstigen Abgaswege im Heizkessel. Der Druckverlust in dem Abgasweg ist meistens im Vergleich zum Druckverlust in der Zyklonbrennkammer sowie im Einbautenmodul gering und lässt sich vernachlässigen. Diagramm 9 zeigt den Druckverlust im gesamten Heizkessel bei einem realen Betrieb des Prototyps bei der Verbrennung von Buchenholz. Die schwarze Linie stellt den gemessenen Druckverlust dar, wobei die rote Linie den berechneten Druckverlust beschreibt. Dem Diagramm 9 ist zu entnehmen, dass der gemessene Gesamtdruckverlust geringer ist als der berechnete Druckverlust. Die beiden Druckverlustlinien zeigen ein ähnliches Verhalten. Im Allgemeinen gilt, je höher die Strömungsdynamik bei der Messung ist, umso mehr weichen die Druckverlustlinien aufgrund der großen Messunsicherheit des Druckmessgeräts voneinander ab.

Gesamtdruckverlust im Heizkessel [Pa]

500 450

gemessener Gesamtdruckverlust im Heizkessel

400

berechneter Gesamtdruckverlust im Heizkessel

350 300 250 200 150 100 50 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Betriebszeit [h] Diagramm 9:

Gesamtdruckverlust im Heizkessel bzw. LEVS-Prototyp, gemessen (schwarze Linie) und berechnet (rote Linie) gemäß der Gleichung 43 bzw. der Gleichung 31. Die ermittelte verfahrenstechnische Grundlage zur Berechnung des Druckverlusts bei der Auslegung des Heizkessels lässt sich für praktische Zwecke hinreichend genau verwenden.

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4.3.6.1 Konstruktion und Platzierung des Einbautenmoduls Bei den thermischen Oxidationsverfahren hängt die nötige Verweilzeit von der Art der Schadstoffe sowie der erforderlichen maximalen Schadstoffkonzentration im Reingas ab. Dabei wird mit konstanten Temperaturen oder bestimmten Temperaturbereichen gearbeitet, die durch Zufuhr zusätzlicher Energie für den Prozess bereitzustellen sind. Beim Einsatz von thermischen Oxidationsverfahren in Heizkesseln handelt es sich um einen völlig anderen Anwendungsbereich sowie um andere Betriebs- und Einsatzbedingungen als bei herkömmlichen thermischen Oxidationsverfahren. Dabei wird dem chargenbetriebenen Prozess keine zusätzliche Energie zugeführt. Die bei der Verbrennung freiwerdende Energie wird während des Betriebs im Einbautenmodul gespeichert und bei Bedarf bzw. bei Absenkung der Temperatur automatisch in den Abgasvolumenstrom abgegeben. Die Verweilzeit bei diesem speziellen Einsatz kann nicht beliebig ausgesucht werden. Im gesamten Oxidationsreaktor bzw. in den strömungsrelevanten Bereichen des Einbautenmoduls sollen über einen Zeitraum von mindestens 5 Minuten Temperaturen von 600 °C erreicht werden, sodass organische Feinstaubablagerungen abgebrannt werden und sich das Einbautenmodul selbst reinigen kann. Kalte Bereiche im oberen Teil des Einbautenmoduls oder unzureichend durchströmte Einbauten führen zur Bildung von Ablagerungen und folglich zur Erhöhung des Strömungswiderstands mit zunehmender Betriebszeit. Bei vielen Heizkesseln lässt sich eine Verweilzeit von 0,2 Sekunden bis zu 0,5 Sekunden realisieren, ohne, dass es dabei zu Ruß- oder Feinstaubablagerungen im Einbautenmodul oder zu einer exorbitanten Vergrößerung des Volumens des Heizkessels führt. Bei der Platzierung des Einbautenmoduls im Heizkessel soll darauf geachtet werden, dass dadurch die Verbrennungsluftzufuhr sowie die Abgasabfuhr nicht gestört werden. Für einen adäquaten Betrieb des Heizkessels mit der Einbautentechnik sind angemessene Strömungsverhältnisse erforderlich. Bei Heizkesseln dürfen aufgrund der Wärmekonzentration im Einbautenmodul keine Hotspots gebildet werden, die zum lokalen Kochen des Wassers im Wärmeaustauscher führen. Dadurch entstehen nicht nur unangenehme Schallemissionen sondern auch lokale thermische Überlastungen des Wärmeaustauschers. Das Einbautenmodul muss vor dem Wärmeaustauscher zugänglich eingebaut werden, um die erforderlichen Oxidationstemperaturen zu gewährleisten bzw. den Austausch beim Auftreten von Schäden zu ermöglichen. Es sollte auch darauf geachtet werden, dass die Strömungs- und somit Wärmeverteilung nach dem Einbautenmodul gleichmäßig bleibt, sodass eine möglichst hohe und effiziente Wärmeübertragung erreicht werden kann.

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Technische Einrichtungen zur Versuchsdurchführung und verwendete Brennstoffe In diesem Kapitel werden die mess- und versuchstechnische Einrichtung mit den Brennstoffen beschrieben, die für die Versuchsdurchführung und Auswertung eingesetzt wurden. Die versuchstechnische Einrichtung beinhaltet die Versuchsverbrennungsanlage mit dem Prüfstand gemäß DIN EN 304 sowie DIN EN 303-5 mit den entsprechenden Abgasmesssystemen und Datenerfassung- und Auswerteprogrammen. Im Folgenden wird die technische Einrichtung detailliert erläutert.

5.1

Versuchs- und Prüfstand Die technische Einrichtung des Versuchs- und Prüfstands ist in Abbildung 10 dargestellt. Die Versuchsverbrennungsanlage (Heizkessel auf Basis vom LEVS) steht auf einem Prüfboden mit integrierter Abbrandwaage. Mit der Abbrandwaage lässt sich die Abnahme der Brennstoffmasse bei der Verbrennung des Brennstoffs im LEVS genaustens aufzeichnen. Außerdem kann durch die Abbrandwaage der Zeitpunkt der Neubeschickung ermittelt werden, sodass die Versuche repräsentativ und wiederholbar durchgeführt werden können. Eine Neubeschickung wird getätigt, wenn der Brennstoff vollständig verbrannt ist und die Waage den gleichen Messwert wie vor der letzten Beschickung anzeigt.

Abbildung 10:

92

Technische Einrichtungen zur Versuchsdurchführung.

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Die für die Versuchsdurchführung wichtigen Betriebsparameter werden durch eine SPS aufgezeichnet, gespeichert und visualisiert. Die SPS wird außerdem dazu verwendet, den Heizkessel bzw. das Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem mit dem Wärmeabfuhrsystem zwecks der Simulation des Haushaltsbetriebs zu regeln. Das Prinzip des Versuchsreglers für LEVS ist in Abschnitt ‎8.2 ausführlich erläutert. Die Wärmeabnahme des Heizungswassers im Haushalt wird durch ein Wärmeabfuhrsystem simuliert. Die Abbildung 11 stellt das entwickelte Wärmeabfuhrsystem zur Simulation des Heizkesselbetriebs dar. Das Wärmeabfuhrsystem besteht aus zwei Kreisläufen. Die vom Kessel an den Primärkreislauf übertragene Energie wird über einen Plattenwärmetauscher an den Sekundärkreislauf übertragen und von dort über ein Rückkühlwerk an die Umgebung abgegeben. Die abgeführte Wärmeleistung wird über zwei Umwälzpumpen und über das fünfstufig betreibbare Rückkkühlwerk geregelt. Durch die Pumpen wird die Verweilzeit des Wassers sowohl im Primär- als auch Sekundärkreislauf und somit die mitgeführte Wärme eingestellt. Durch die Kühlleistung des Rückkühlwerks lässt sich die thermische Leistung in der Versuchsverbrennungsanlage zusätzlich modulieren, da bei höherer Kühlleistung mehr Brennstoff verbrannt bzw. Wärme durch den Brennstoff freigesetzt werden muss, um die Kesselsolltemperatur einzuhalten. Die Versuchsverbrennungsanlage ist über einen Abgasstutzen mit der Messstrecke verbunden. Im Abgasstutzen werden der Sauerstoffgehalt und die Abgastemperatur im Abgasstutzen ermittelt, welche hauptsächlich für die Regelung eingesetzt werden. In der Messstrecke befinden sich die Messstellen für den Abgasförderdruck und die mittlere Abgastemperatur sowie die Abgasprobenentnahme für die Abgasanlysen. Die gravimetrischen Staubmesssysteme nach VDI 2066 und die Abgasprobenentnahme für das Staubzählverfahren erfolgen nach der Abgasprobenentnahme für die Gasanalyse. Bei der Versuchsdurchführung ist zwischen zwei Messgruppen zu unterscheiden. Bei der ersten Messgruppe werden Messungen an der Versuchsverbrennungsanlage und bei der zweiten Messgruppe werden Messungen in der Abgasanlage durchgeführt: − Messung an der Versuchsverbrennungsanlage: Temperaturen (Kesselwandtemperatur, Brennstofffüllschachttemperatur, Temperaturen in der Zyklonbrennkammer, Temperaturen in der Einbautentechnik sowie Kessel- und Abgastemperatur), Verbrennungsluftmengen (Primär- und Sekundärluftmengen). − Messung an der Abgasanlage: Abgastemperatur, Staubkonzentration (Fein- und Feinststäube), gasförmige Bestandteile (Gesamtkohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Stickstoffoxide), Abgasmenge. Die Messstellen sind in der Abbildung 12 dargestellt.

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T

T

Abbildung 11:

BV6

T3

T4

KAV2

RKW

HV8

HV7

HV9

BV4

HW

EV1

p

p1

MAG2

KV2

MV

SV2

TH8

TH7

HV6

BV15

P1

HV17

T

p NV4

T7

p4

HV16 NV5

RSV2

PWT

SV1

p5

p

HV5

BV3

HV4

MDM

Mobiler Wagen

P3

BV12

BV11

TH5

KV1

MAG1

T

T5

HV3

BV14

BV8

T2

T

T

T1

T

BV13

T8

HV11

TH4

TH3

BV10

P2

HV2

HV1

T6

T

HV10

BV2

BV1

TH6

RSV1

p3

p

BV7

NV3

p2

p

NV2

KAV8

KAV7

TH2

TH1

Wand zu Raum P18

EV4

KAV6

KAV5

KAV13

LEVS-Prototyp

HV15

EV5

HV14

BV9

KAV12

EV2

EV3

KAV11

BV = Befüllungsventil EV = Entlüftungsventil HV = Hilfsventil HW = Hydraulische Weiche KAV = Kesselanschlussventil KP = Kappenventil MAG = Ausdehnungsgefäß MDM = Massendurchflussmesser MV = Mischventil NV = Nadelventil p = Druckanzeige P = Pumpe PWT = Plattenwärmetauscher RKW = Rückkühlwerk RSV = Rückschlagventil SV = Sicherheitsventil T = Temperaturanzeige TH = Tauchhülse

Legende:

KAV4

KAV3

KAV14

Hydraulischer Schaltplan für das im Rahmen des LEVS entwickelten eingesetzten Wärmeabfuhrsystems zur Simulation des Betriebs von Heizkesseln.

BV5

KAV1

BV16

TH10

TH9

Wand nach Außen

KAV16

HV13

KAV15

HV12 Wand zur Technikumshalle

Fest installierter Teil (Raum T45)

NV1

KAV9 KAV10

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5.2

Abgasanalyse und sonstige Sensorik mit dem Datenerfassungssystem Bei den verwendeten Sensoren und Datenerfassungssystemen zur Durchführung der Messungen ist zwischen den Sensoren zur Regelung der Versuchsverbrennungsanlage und den hochgenauen Messeinrichtungen zur Erfassung von staub- und gasförmigen Emissionen sowie Kessel- und Abgasparametern zu unterscheiden. Die Regelung der Versuchsverbrennungsanlage bzw. des LEVS-Prototyps erfolgt durch eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) der Firma Beckhoff Automatisation GmbH. Die Regelgrößen für diese SPS werden durch entsprechende Sensoren ermittelt, deren elektrischen Signale an spezielle SPS-Klemmen übertragen werden. Für die Regelung des Heizkessels werden Lambdasonden zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration, Pt100 für die Messung der Kessel- und Abgastemperaturen und ein in der SPS integrierter Druckwächter verwendet. Die elektrischen Signale aus den Sensoren werden anschließend in der SPS durch hinterlegte Kalibrierkurven in die entsprechenden Messgrößen umgerechnet. Auf Basis dieser Messgrößen und spezieller Algorithmen kann die Verbrennung anschließend durch die SPS beispielsweise für die Regelung der Primär- und Sekundärluftgebläse reguliert werden. Eine nähere Beschreibung der technischen Zusammensetzung der Funktion der Regelung ist im Abschnitt 8 ‎ erläutert. Bei den Messeinrichtungen zur Erfassung der Emissionen im Abgas werden sowohl heißextraktive Analysegeräte (GASMET: TTGASSYS001 der Firma Ansyco), als auch kaltextraktive Abgasanalysegeräte (Advanc Optima AO 200 der Firma ABB AUTOMATION) eingesetzt. Beide Abgasanalysegeräte sind für den Einsatz unter rauen Betriebsbedingungen sowie für den Dauerbetrieb geeignet und zur Durchführung von Emissionsmessungen im Rahmen einer Überwachung gemäß der 17. BImSchV zugelassen. Folgende Abgaskomponenten lassen sich kontinuierlich und mit hoher Genauigkeit messen. -

Typische Verbrennungsprodukte: Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasserdampf (H2O) und Sauerstoff (O2).

-

Brennbare Abgaskomponenten aus unvollständiger Verbrennung: Kohlenstoffmonoxid (CO), Gesamtkohlenwasserstoffe (CnHm), gefährliche Kohlenwasserstoffverbindungen (u.a. auch Polyzyklisch Aromatische Kohlenwasserstoffe).

-

Nicht-brennbare saure Abgaskomponenten: Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2), Schwefeldioxid (SO2), Chlorwasserstoff (HCl) und Fluorwasserstoff (HF).

Zur Messung der Gesamtkohlenwasserstoffe (CnHm) wird auch der Kohlenwasserstoff-Analysator Thermo-FID der Firma SK-Elektronik eingesetzt. Je nach verwendetem Kalibriergas werden die gemessenen Konzentrationen entweder als Methan (CH4)- oder als Propan (C3H8)Äquivalente angegeben. Außerdem können sonstige Abgasbestandteile wie z. B. Ammoniak (NH3), Distickstoffmonoxid (N2O), Ethen (C2H4), Ethan

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(C2H6), Pentan (C5H12), Methanol (CH4O) oder Formaldehyd (CH2O) mit dem Abgasanalysator der Firma Ansyco (FTIR-Spektroskopie) nach einer entsprechenden Kalibrierung erfasst werden.

Staubkonzentration Partikelanzahlkonzentration

Staubprobenentnahme

Staubkonzentration Partikelanzahlkonzentration

Staubprobenentnahme

Abgasgeschwindigkeit Abgastemperatur Abgasvolumenstrom

Flügelradsonde

Abgasförderdruck Abgastemperatur

Differenzdruckmessgerät Temperaturmessung

CnHm, NOx, CO2 O2, CO

Abgasprobenentnahme (Kaltextraktiv/FID)

CnHm, PAKs, NOx, CO2 O2, CO, HCL, H2O

Abgasprobenentnahme (Heißextraktiv) ) Lambdasonde Probenentnahme Temperaturmessung

O2 Abgastemperatur

LEVS

Abbildung 12:

96

Abgasanlage mit Abgasprobenentnahme und Messsystemen gemäß DIN EN 303-5 und DIN EN 304.

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Bei der Messung von Staubpartikeln ist zwischen groben Stäuben (> 1 µm) und Feinstäuben (zwischen 5 nm und 1 µm) zu unterscheiden. Grobe Stäube lassen sich gravimetrisch sehr gut erfassen. Feinstäube können nur zum geringen Teil auf dem Planfilter abgeschieden und somit kaum gravimetrisch erfasst werden. Aus diesem Grund werden Feinstäube für gewöhnlich durch eine Staubzählmethode erfasst. Um das LEVS Verbrennungskonzept hinsichtlich der Feinstaubabscheidung zu bewerten, wurden die drei folgenden Staubmessgeräte gemäß dem Stand der Technik verwendet: -

Gravimat SHC502 der Firma Sick Sensor Intelligence,

-

SM 96 der Firma Wöhler (Schornsteinfegermesssystem, zugelassen für die Messung nach der 1. BImSchV),

-

Testo 380 Feinstaubmessgerät (Onlinemessgerät, zugelassen für die 2. Stufe der 1. BImSchV).

Die Entnahmesonden der Staubmessgeräte werden in der Mitte des Abgasstroms befestigt. Mit dem Gravitmat SHC 502 können über einen Staudruckaufnehmer an der Filterkopfsonde die Abgasgeschwindigkeiten in der Abgasanlage während der Staubmessung erfasst werden. Durch die Messung der Abgasgeschwindigkeit kann die Sauggeschwindigkeit für die Probenentnahme an die Geschwindigkeit des Abgases angepasst werden, sodass eine isokinetische Probenentnahme möglich ist. Die Zeit der Probenentnahme kann im Gravimat SHC 502 beliebig eingestellt werden. Die dadurch isokinetisch entnommene Staubprobe wird auf einem Filterpapier gesammelt, getrocknet und abgewogen. Das Staubmesssystem SM 96 misst in Anlehnung von VDI 2066. Dabei wird eine Abgasprobe mit einem Gesamtabsaugvolumen von 270 Liter über 30 Minuten konstant abgesaugt. Die entnommenen Staubproben werden in einem Glasfilter gesammelt. Sowohl beim SM 96 als auch beim Gravimat SHC 502 werden die Staubkonzentration aus der Gewichtsdifferenz der getrockneten Filter vor und nach einer 30 minütigen Probenentnahme ermittelt. Die daraus resultierende Massendifferenz wird anschließend auf das abgesaugte Abgasvolumen bezogen. Beim Testo 380 fließt die Abgasprobe von der Entnahmesonde durch einen Rotationsverdünner. Von dort aus wird ein Teil der Abgasprobe auf einen Schwingquarz geleitet, der als Feinstaubsensor fungiert. Die Schwingfrequenz des Feinstaubsensors steht in unmittelbarer Abhängigkeit zur Feinstaubkonzentration im Abgas. Auf Basis dieses Messprinzips, lässt sich die Feinstaubkonzentration über die gesamte Probenentnahme online ermitteln. In Abbildung 12 sind das LEVS mit der Abgasanlage und den einzelnen Messpunkten dargestellt. Die eingesetzten Sensoren und Messgeräte sind hochpräzise und eignen sich sehr gut für den Einsatz in Verbrennungsprozessen.

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5.3

Versuchsverbrennungsanlage, Vergaserkessel auf Basis des Low-EmissionVerbrennungssystems Zur Untersuchung der praktischen Umsetzbarkeit des LEVS wurde eine Versuchsverbrennungsanlage auf Basis vom LEVS unter Berücksichtigung der Anforderungen von DIN EN 303-5 und der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG hergestellt und unter praktischen Einsatzbedingungen getestet. Der technische Aufbau des LEVS ist in Abschnitt ‎4.1 ausführlich erläutert. Das Verbrennungsluftzufuhrsystem in der Versuchsanlage lässt sich flexibel durch Luftklappen oder Gebläse austauschen. Der Brennstoff wird durch eine Öffnungsklappe in den etwa 250 Liter großen Vergasungsraum beschickt. Das im Vergasungsraum erzeugte Brenngas wird in der Zyklonbrennkammer und der anschließenden 30 cm hohen Nachbehandlungsstufe verbrannt. Unter der Zyklonbrennkammer befindet sich ein Staubsammelkasten, in dem die im Zyklon abgeschiedenen Stäube gesammelt werden. Der Staub kann nach dem Betrieb über eine seitliche Öffnung im LEVS entfernt und entsprechend entsorgt werden. Nach der Nachbehandlungsstufe tritt das Abgas in die Wärmetauscherrohre des LEVS ein, wobei das Kesselwasser erhitzt und das Abgas abgekühlt wird. Über ein regelbares Saugzuggebläse wird das Abgas anschließend aus dem LEVS in die Abgasanlage gefördert. Die Messung und der Betrieb im LEVS erfolgt nach DIN EN 303-5. Diese nicht harmonisierte Prüfnorm beschreibt die Anforderungen und Prüfverfahren für Sicherheit, Verbrennungsqualität, Kennzeichnung und Wartung sowie die Untersuchung des Einflusses von entsprechenden Sicherheitssystemen.

5.4

Verwendete Brennstoffe Mit dem LEVS sollen Brennstoffe mit unterschiedlicher Qualität und Brennstoffeigenschaften sicher und schadstoffarm verbrannt werden können. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden unterschiedliche Arten von biogenen Festbrennstoffen eingesetzt, um die Flexibilität des LEVS hinsichtlich einer Variation des Brennstoffs zu überprüfen. In Abbildung 13 sind die Brennstoffe, die bei der Entwicklung und Erprobung des LEVS verwendet wurden zu sehen. Die Brennstoffe wurden von einem lokal ansässigen Holzlieferanten geliefert. Bei den Versuchen mit dem LEVS wurden harte und weiche Scheithölzer und Hackschnitzel mit unterschiedlichen Brennstoffqualitäten wie beispielsweise Dichte, Größe, Oberfläche, Form, Rindenanteil und Wassergehalt eingesetzt. Als Hartholz wurde Buche und als Weichholz Fichte verwendet. Hart- und Weichhölzer zeigen in der Regel unterschiedliches Verbrennungsverhalten. Im Abschnitt ‎3.4 ist das Vergasungsverhalten von Brennstoffen in Heizkesseln genaustens beschrieben. Der Wassergehalt der Scheithölzer lag zwischen 13 % und 20 %. Der Wassergehalt der Hackschnitzel lag zwischen 25 % und 45 %.

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Abbildung 13:

Verwendete Brennstoffe bei der Entwicklung des LEVS.

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6

Untersuchungsergebnisse des Low-Emission-Verbrennungssystems Das gesamte Low-Emission-Verbrennungssystem (LEVS) besteht aus den folgenden drei innovativen Bestandteilen: -

Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem mit dem Versuchsregler,

-

Zyklonbrennkammer und

-

Nachbehandlungsstufe.

In diesem Forschungsprojekt wurden das LEVS und der Einfluss der einzelnen Bestandteile des LEVS auf die Verbrennung untersucht. Zur Beurteilung des LEVS-Verbrennungskonzepts wurden experimentelle Untersuchungen zum Abbrandverhalten vom Brennstoff bei der Vergasung, zum Verbrennungsverhalten von Brenngas, zum strömungstechnischen Verhalten, zur Effektivität und Regelbarkeit des Verbrennungsluftzufuhrsystems und zum Emissionsverhalten durchgeführt: − Verbrennungs- und Abbrandverhalten vom Brennstoff bei der Vergasung (als Batch-Verfahren): Die Untersuchungen zum Abbrandverhalten, das von der neuen Verbrennungsluftzufuhr beeinflusst wird, sind sehr wichtig für die Ermittlung der Betriebsgrenzen bzw. zur Bestimmung der Anforderungen an das LEVS. Ein wichtiger Aspekt ist die Untersuchung der Stabilität des Vergasungsprozesses bezüglich der geforderten Leistung des Heizkessels. Dazu gehören vor allem Untersuchungen zur Effizienz, Stabilität und Modulierbarkeit der Verbrennung, Temperaturverhalten und des Oxidationswirkungsgrads in der Nachbehandlungsstufe beim Einsatz verschiedener Einbauten. − Effektivität und Regelbarkeit des Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems: Beim Versuchsbetrieb soll der Einfluss der Verbrennungsluftzufuhr auf den Vergasungsprozess sowie auf die Qualität und die Stabilität der Verbrennung in verschiedenen Betriebszuständen untersucht werden. Zudem ist die Grundlage für die Entwicklung einer geeigneten Regelung für den Einsatz in der Verbrennungsversuchsanlage zu erarbeiten. − Strömungstechnisches Verhalten im Verbrennungssystem: Für die Verbrennung im LEVS ist die Untersuchung des strömungstechnischen Verhaltens von großer Bedeutung. Das strömungstechnische Verhalten beschreibt das Druckverlustverhalten in den Systembestandteilen während des Betriebs. Der Druckverlust ist ein wichtiger Parameter zur Bewertung der Betriebsstabilität des Verbrennungssystems sowie zur Abschätzung des benötigten Energieaufwands für den Betrieb. Außerdem lassen sich die

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geometrischen und technischen Eigenschaften der Einbautentechnik bzw. der Nachbehandlungsstufe bestimmen. − Emissionsverhalten beim Betrieb des LEVS: Die Art und Menge der gebildeten gas- und staubförmigen Schadstoffemissionen sind sehr wichtige Parameter zur Beurteilung der Praxistauglichkeit von Verbrennungssystemen. Es sind Messungen für Feinstaub und Kohlenstoffmonoxid, die zum Einhalten der Grenzwerte der 1. BImSchV wichtig sind, durchzuführen. Da die Stickstoffoxide sowie Kohlenwasserstoffe (CnHm) bei der Verbrennung von Biomasse in Kleinfeuerungsanlagen immer mehr an Bedeutung gewinnen, werden sie bei den Untersuchungen mitberücksichtigt. Im Folgenden werden die experimentellen Untersuchungen mit den Ergebnissen bei der Verbrennung von Buchen- und Fichtenscheitholz sowie Hackschnitzel mit unterschiedlicher Brennstoffqualität dargestellt. 6.1

Verbrennungs- und Abbrandverhalten Das Verbrennungs- und Abbrandverhalten ist wichtig für die Bewertung von Verbrennungsprozessen in Heizkesseln mit zweistufiger Verbrennung (Vergasung mit anschließender Verbrennung vom Brenngas). Bei der Verbrennung in handbeschickten Vergaserkesseln ist zwischen vier verschiedenen Betriebsphasen (Kaltstart, Regelbetrieb, Nachbeschickung, Ausbrand) zu unterscheiden. Es ist zu erwähnen, dass es bisher keine einheitlichen Definitionen für die einzelnen Betriebsphasen gibt. In diesem Forschungsprojekt werden diese Betriebsphasen wie folgt definiert. − Der Kaltstart (Anfahrbetriebsphase) beschreibt den Beginn der Verbrennung nach dem Anzünden, ohne Vorwärmung des Vergaserkessels bzw. Anwesenheit eines Glutbetts. Durch die niedrigen Temperaturen im Vergaserkessel entstehen beim Kaltstart in der Regel hohe Konzentrationen an Schadstoffen wie beispielsweise Kohlenstoffmonoxid und Gesamtkohlenwasserstoffen. Der Kaltstart bzw. die Anfahrbetriebsphase gilt als beendet, wenn die Konzentration für Kohlenstoffmonoxid unter den Grenzwert von 400 mg/Vm³ sinkt und auf einem niedrigen Niveau verbleibt. − Der Regelbetrieb beschreibt die Phase der Verbrennung nach der Anfahrbetriebsphase. Im Regelbetrieb liegen die Konzentrationen für Kohlenstoffmonoxid unter dem Grenzwert und verlaufen stabil. Der Regelbetrieb gilt als beendet, wenn die Konzentration von Kohlenstoffmonoxid am Ende der Verbrennung den Grenzwert von 400 mg/Vm³ überschreitet und der Brennstoff fast vollständig verbrannt ist. Das Ende des Regelbetriebs sowie der Anfang des Ausbrands lassen sich durch den Stand der Abbrandwaage sowie durch den Gehalt von Kohlenstoffdioxid im Abgas erkennen.

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− Die Nachbeschickung mit neuem Brennstoff erfolgt, wenn die Anzeige der Abbrandwaage den Stand vor der letzten Beschickung erreicht bzw. wenn Kohlenstoffmonoxid rapide ansteigt und Kohlenstoffdioxid absinkt. Beim Nachbeschicken herrschen bereits hohe Temperaturen im Vergaserkessel. Der neue Brennstoff wird nach der Nachbeschickung durch die Restglut des vorherigen Chargenabbrands angezündet. Die Nachbeschickung ist beendet, wenn die Konzentrationen an Kohlenstoffmonoxid unter 400 mg/Vm³ sinken bzw. der Grenzwert der 1. BImSchV wieder eingehalten wird. − Der Ausbrand beginnt an dem Betriebspunkt wenn der Stand der Waage den Stand vor der letzten Nachbeschickung erreicht hat und der Gehalt an Kohlenstoffdioxid im Abgas rapide absinkt. Im folgenden Abschnitt wird das Verbrennungs- und Abbrandverhalten beim Betrieb des LEVS ausführlich dargestellt. Die Untersuchung des Verbrennungs- und Abbrandverhaltens im LEVS wurde mit Scheithölzern und Hackschnitzeln durchgeführt. Die bei der Untersuchung eingesetzten Brennstoffe sind in Abschnitt ‎5.4 aufgeführt. 6.1.1 Verbrennungs- und Abbrandverhalten von Buchenscheitholz Buche ist ein Hartholz und eignet sich gut für die Verbrennung in Vergaserkesseln. Buche besitzt im Vergleich zu anderen Brennhölzern hohe Energiegehalte und Rohdichten. Die hohe Dichte von Buche beruht auf der Zellstruktur des Holzes, in der nur wenig Gase, aber hohe Feststoffanteile gebunden werden können. Aus diesem Grund wird die im Brennstoff enthaltene Energie bei der Verbrennung von Buche nur langsam freigesetzt, sodass sich hohe Brenndauern und eine stabile Verbrennung erreichen lassen. Trotz der guten verbrennungstechnischen Eigenschaften von Buchenscheitholz, können in herkömmlichen Vergaserkesseln über den gesamten Betrieb aufgrund der nicht präzisen Verbrennungsluftzufuhr schlechte Verbrennungsbedingungen entstehen. Um das Verbrennungs- und Abbrandverhalten von Buchenholz im LEVS zu bewerten, ist das Verbrennungsverhalten im Diagramm 10 und Diagramm 11 dargestellt. Im Diagramm 10 ist der Gehalt von Sauerstoff (Sauerstoffüberschuss) und Kohlenstoffdioxid mit den mittleren Kessel- und Abgastemperaturen dargestellt. Das Diagramm 11 zeigt außerdem die Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid sowie den Gehalt an Sauerstoff mit den Volumenströmen von Primär- und Sekundärluft bei der Verbrennung von Buchenscheitholz im LEVS über drei Chargen. Bei jedem Abbrand wurde die Versuchsverbrennungsanlage je nach Holzund Beschickungsqualität mit einer Buchenscheitholzmasse von 65 kg bis 80 kg betrieben. Beim Kaltstart des LEVS wird eine Anzündschicht aus Papier und feinen trockenen Hölzern unter den Buchenscheithölzern angezündet, wodurch in

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kurzer Zeit große Wärmemengen freigesetzt werden können. Die Zündung ist in Abschnitt ‎4.3.2 ausführlich erläutert. Im Diagramm 10 ist deutlich zu ersehen, dass die Zündung bzw. der Kaltstart nur wenige Minuten (weniger als 6 Minuten) andauern. Das lässt sich mit einer ausreichenden Verbrennungsluftmenge und Verteilung aufgrund der präzisen Abstimmung von Primär- und Sekundärluftzufuhr mit dem Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem begründen. Außerdem tragen sowohl die Zyklonbrennkammer als auch die Einbautentechnik massiv zu einer Verbesserung des Verbrennungs- und Abbrandverhaltens durch intensive Durchmischung des erzeugten Brenngases mit Sauerstoff in der bei, wodurch die Oxidation begünstigt und starke Schwankungen des Gehalts von Sauerstoff und den Konzentrationen an Kohlenstoffdioxid vermieden werden. Dadurch lässt sich eine gute Verbrennungsqualität sowie -stabilität mit hoher Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit erreichen. Dem Diagramm 11 ist zu entnehmen, dass beim Kaltstart viel Primärluft (> 40 Nm³/h) in den Vergasungsraum gefördert wird, sodass die Zündung und Vergasung der Scheithölzer durch hohe Verbrennungsluft- bzw. Sauerstoffzufuhr beschleunigt werden. Durch die hohe Verbrennungsluftzufuhr steigen die Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid unmittelbar von 0,04 % auf 15 % an, wobei der Gehalt an Sauerstoff von 21 % auf 5 % absinkt. Durch den abnehmenden Gehalt an Sauerstoff im Abgas des LEVS wird vom Sekundärluftgebläse viel Verbrennungsluft (> 60 Nm³/h) in die Zyklonbrennkammer gegeben, sodass über die gesamte Startphase kein Sauerstoffmangel oder Kühlung der Brenngase auftreten und die Regelbetriebsphase in kurzer Zeit erreicht werden können. Wegen der intensiven Vergasung beim Kaltstart ist die Brennstoffabnahme und somit die thermische Leistung in dieser Betriebsphase höher als in den restlichen Betriebsphasen des Chargenbetriebs. In Diagramm 11 ist außerdem ersichtlich, dass im Regelbetrieb durch das Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem die im LEVS notwendigen Mengen an Verbrennungsluft für eine stabile Verbrennung genauestens eingestellt werden können. Dies lässt sich an den stabilen Verläufen der Kesseltemperatur und dem optimalen Sauerstoffgehalt im Abgas (zwischen 5,2 Vol.-% und 5,5 Vol.-%) im Diagramm 11 ablesen. Es gilt, je geringer die Kesseltemperatur, desto mehr Primärluft wird gefördert. Gleichzeitig gilt, dass mehr Sekundärluft gefördert wird, wenn der Sauerstoffgehalt im Abgas abnimmt. Auf Basis dieses Konzepts lässt sich ein stabiles Verbrennungs- und Abbrandverhalten erreichen. Im Diagramm 10 ist dargestellt, dass die Kesseltemperatur während der Verbrennung solange ansteigt, bis die Solltemperatur von etwa 83 °C erreicht wird. Beim Erreichen der Sollkesseltemperatur wird die Primärluftmenge so geregelt, dass diese Temperatur eingehalten wird.

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103

20

200

1. Auflage

2. Auflage

3. Auflage 180

CO2- und O2-Konzentration [Vol.-%]

140 O2

120

CO2 Abgastemperatur Kesseltemperatur

10

100 80 60

5

Abgas- und Kesseltemperatur [°C]

160 15

40 20 0

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Betriebszeit [h]

Sauerstoffgehalt im Abgas, Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Buchenscheitholz im LEVS.

150

20

1. Auflage

2. Auflage

3. Auflage

125 15 100

Primärluftvolumenstrom Sekundärluftvolumenstrom Abgasvolumenstrom CO2 O2

75

10

50 5

CO2- und O2 - Konzentration [Vol.-%]

Volumenstrom von Primärluft, Sekundärluft und Abgas [Nm³/h]

Diagramm 10:

25

0

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Betriebszeit [h]

Diagramm 11:

104

Volumenströme von Primärluft, Sekundärluft und Abgas, Sauerstoffgehalt sowie Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid im Abgas bei der Verbrennung von Buchenscheitholz im LEVS.

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Den Kurvenverläufen im Diagramm 11 ist außerdem zu entnehmen, dass sich die Mengen der Verbrennungsluft am Ende des Chargenabbrands stark verändern. Während im Ausbrand mehr Primärluft gefördert wird, sinkt die zugeführte Menge an Sekundärluft. Dieses Regelverhalten im Ausbrand lässt sich auf die Änderung der Brenngasqualität am Ende des Chargenabbrands zurückführen, sodass die Kessel- und Abgastemperaturen sinken. Am Ende der Verbrennung sinkt der Heizwert des Brenngases so stark ab, dass die freigesetzte Wärmemenge abnimmt, wodurch die Kessel- und Abgastemperaturen sinken. Um einem Sinken der Kesseltemperatur entgegenzuwirken, wird mehr Primärluft (> 60 Nm³/h) in den Vergasungsraum gefördert, wodurch der restliche Brennstoff vergast werden soll. Durch die großen Mengen von Primärluft wird die Vergasung intensiviert und dadurch die restliche Brennstoffmenge optimal thermisch umgesetzt. Am Ende der Charge dreht sich das Primärluftgebläse mit maximaler Förderleistung, damit das Glutbett optimal abgebrannt wird. Durch dieses Regelverhalten kann die im Brennstoff enthaltene Restenergie fast vollständig genutzt werden. 6.1.2 Verbrennungs- und Abbrandverhalten von Fichtenscheitholz Fichte gehört zur Gruppe der Weichhölzer. Charakteristisch für die Verbrennung von Fichte sind eine schnelle Zündung und kurze Brenndauer. Die schnelle Zündung von Fichte wird durch den hohen Harzanteil im Brennstoff begünstigt, sodass in kurzer Zeit viel Energie freigesetzt und hohe Temperaturen für eine vollständige Oxidation erreicht werden können. Nachteilig auf die Verbrennung wirken sich aufplatzende Harzblasen aus, wodurch es bei der Verbrennung zu einer schlagartigen Vergasung, Sauerstoffmangel und hohen Konzentrationen an Schadstoffen im Abgas kommen kann. Im Diagramm 12 sind die Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid, Sauerstoffgehalt im Abgas und Kessel- sowie Abgastemperaturen dargestellt. Das Diagramm 13 zeigt die Verläufe der zugeführten Mengen der Primär- und Sekundärluft sowie des Abgases mit den Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid und des Sauerstoffgehalts im Abgas bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz im LEVS. Durch beide Diagramme lässt sich das Verbrennungs- und Abbrandverhalten charakterisieren, wie im Abschnitt ‎6.1.1 erwähnt ist. Im Diagramm 12 ist zu erkennen, dass die Kessel- und Abgastemperaturen nach dem Kaltstart sehr schnell ansteigen, sodass die Solltemperatur des Kesselwassers von etwa 83 °C bei etwa gleicher Wärmeabnahme in kürzerer Zeit als bei der Verbrennung von Buchenscheitholz erreicht wird. Der schnelle Anstieg der Temperaturen ist auf die rasche Wärmefreisetzung zurückzuführen, die bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz entsteht. Die schnelle Wärmefreisetzung im Kaltstart wird durch hohe Mengen von Primärluft begünstigt. Dadurch lassen sich die Vergasung und Verbrennung im LEVS beschleunigen, wodurch in kurzer Zeit hohe Temperaturen erreicht

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werden können. In der Anfahrbetriebsphase ist eine Primärluftmenge von mehr als 60 Nm³/h notwendig. 20

180

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2. Auflage

4. Auflage

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CO2- und O2-Konzentration [Vol.-%]

15

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O2 CO2 Abgastemperatur Kesseltemperatur

100

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Abgas- und Kesseltemperatur [°C]

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0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

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13

14

15

16

Betriebszeit [h]

Diagramm 12:

Sauerstoffgehalt im Abgas, Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz im LEVS. Im Diagramm 12 und im Diagramm 13 lässt sich auch erkennen, dass das Verbrennungs- und Abbrandverhalten über die vier Chargenabbrände nach der Anfahrbetriebsphase stabil verläuft. Nach dem Kaltstart bzw. der Anfahrbetriebsphase liegen der Sauerstoffgehalt im Abgas und die Konzentrationen an Kohlenstoffdioxid über die gesamte Brenndauer im Sollbereich. Dabei schwankt der Sauerstoffgehalt während der Verbrennung zwischen 5,0 % und 7,0 % und die Konzentration von Kohlenstoffdioxid zwischen 13,0 % und 14,0 %. Das Verbrennungsverhalten lässt sich auf eine gleichbleibende Brenngas- und Verbrennungsqualität im LEVS zurückführen. Durch die gleichbleibende Brenngasqualität sowie durch eine gute Durchmischung der Abgase in der Zyklonbrennkammer und Nachbehandlungsstufe wurde eine gute Verbrennungsqualität erreicht, sodass die Verbrennung über die gesamte Brenndauer stabil stattgefunden hat. Schwankungen des Sauerstoffgehalts im Abgas, die beispielsweise durch eine schlagartige Vergasung aufgrund des Aufplatzens von Harzblasen entstehen können, werden durch eine rasche Anpassung der Förderleistung des Sekundärluftgebläses ausgeglichen, sodass auch bei der Verbrennung von Weichhölzern im LEVS kein Mangel an Sauerstoff im Abgas auftreten kann.

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In herkömmlichen Vergaserkesseln sinkt der Sauerstoffgehalt im Abgas und steigen die Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid im Ausbrand bzw. am Ende der Verbrennung nur langsam an, sodass über einen längeren Zeitraum schlechtere Verbrennungs- und Abbrandbedingungen eingestellt werden. Durch die nicht gezielte Verbrennungsluftzufuhr und strömungstechnische Abhängigkeit der Primär- und Sekundärluft in herkömmlichen Vergaserkesseln wird diese Problematik zusätzlich verschärft. Im Diagramm 12 und im Diagramm 13 lässt sich ablesen, dass der Sauerstoffgehalt im Abgas und die Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid am Ende der Verbrennung bzw. im Ausbrand schlagartig absinken. Dieses Verbrennungsverhalten lässt sich damit begründen, dass der Brennstoff dank der intelligenten Regelungsstrategie im LEVS fast vollständig verbraucht wurde und dadurch keine Brenngase mit ausreichendem Energiegehalt für eine stabile Verbrennung mehr erzeugt bzw. verbrannt werden können.

Volumenstrom von Primärluft, Sekundärluft und Abgas [Nm³/h]

150

20

2. Auflage

1. Auflage

4. Auflage

3. Auflage

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100 Primärluftvolumenstrom Sekundärluftvolumenstrom Abgasvolumenstrom O2

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CO2- und O2-Konzentration [Vol.-%]

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1

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3

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16

Betriebszeit [h]

Diagramm 13:

Volumenströme von Primärluft, Sekundärluft und Abgas, Sauerstoffgehalt sowie Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid im Abgas bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz im LEVS. Zusammengefasst wurde bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz unabhängig von der Qualität des Brennstoffs wie beispielsweise Wassergehalt und Größe der Oberfläche ein stabiles Verbrennungs- und Abbrandverhalten erreicht.

6.1.3 Verbrennungs- und Abbrandverhalten von Hackschnitzel Hackschnitzel sind maschinell zerkleinerte Hölzer, die aus Resthölzern wie beispielsweise Holzabfällen hergestellt werden. Durch den maschinellen Zerkleinerungsprozess haben Hackschnitzel eine größere Oberfläche als Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP

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Scheithölzer, sodass sich das Brennverhalten von Hackschnitzeln maßgeblich von Scheithölzern unterscheidet. Der Vorteil des LEVS-Konzepts beruht darauf, dass sich durch die Kombination aus verbesserter Verbrennungstechnik (Zyklonbrennkammer mit Nachverbrennungsstufe) und intelligenter Regelung unterschiedliche biogene Brennstoffe sicher und schadstoffarm verbrennen lassen. Im Rahmen der Erprobung vom LEVS bei der Verbrennung von Hackschnitzeln wurde festgestellt, dass vor der Verbrennung von Hackschnitzel im Batchverfahren ein Glutbett aufgebaut werden muss, mit dem die endotherme Zündung nach der Beschickung unterstützt wird. Hackschnitzel können nicht beim Kaltstart bzw. in der Anfahrbetriebsphase eingesetzt werden, da die Flamme im Vergaserkessel nach dem Anzünden erstickt und die Vergasung im Vergasungsraum dadurch unterbrochen wird. Um Hackschnitzel im Kaltstart einsetzen zu können, wird ein entsprechendes automatisches Anzündsystem benötigt, mit dem eine sichere Anzündung gewährleistet werden kann. Zur Schaffung eines geeigneten Glutbetts vor der Verbrennung mit Hackschnitzeln im LEVS wurde die Versuchsanlage vor dem Betrieb mit Hackschnitzeln mit Buchenscheitholz betrieben, wodurch ein Glutbett aufgebaut wurde. Erst bei den darauffolgenden Chargenabbränden wurden Hackschnitzel in die Versuchsanlage nachbeschickt. In anderen Beschickungsfällen wurde das LEVS zunächst mit Scheithölzern (etwa 30 kg, dies entspricht etwa zwei Holzschichten) beschickt und angezündet, bevor Hackschnitzel (etwa 20 kg bis 30 kg) hinzubeschickt wurden. 20

1. Auflage

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CO2- und O2-Konzentration [Vol.-%]

15

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O2 CO2 Abgastemperatur Kesseltemperatur

10

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5

Abgas- und Kesseltemperatur [°C]

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Buchenscheitholz

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0 0

1

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Betriebszeit [h]

Diagramm 14:

108

Sauerstoffgehalt im Abgas, Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Hackschnitzel im LEVS.

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Im Diagramm 14 sind Mittelwerte der Abgas- und Kesseltemperaturen gezeigt. Das Diagramm 15 stellt die Mengen an Primär- und Sekundärluft dar. Bei diesem Betrieb wurde die Versuchsverbrennungsanlage zunächst mit Buchenscheitholz im Anfahrbetrieb und anschließend mit Hackschnitzel betrieben. Im Diagramm 14 und im Diagramm 15 ist ersichtlich, dass sich die Verläufe des Sauerstoffgehalts im Abgas und der Konzentrationen von Kohlestoffdioxid bei der Verbrennung von beiden Brennstoffen stabil verhalten. Die Stabilität der Verbrennung ist mit der gezielten Verbrennungsluftzufuhr durch das Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhrund Abgasfördersystem zu begründen. Außerdem tragen die Zyklonbrennkammer und die Nachbehandlungsstufe durch intensive Durchmischung und eine Verlängerung der Verweilzeit zu dieser Stabilisierung bei. 150

20

Volumenstrom von Primärluft und Sekundärluft [Nm³/h]

1. Auflage

2. Auflage

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100 O2 CO2 Primärluftvolumenstrom Sekundärluftvolumenstrom

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CO2- und O2-Konzentration [Vol.-%]

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Buchenscheitholz

Hackschnitzel

Hackschnitzel

0

0 0

1

Diagramm 15:

2

3

4

5

6 7 Betriebszeit [h]

8

9

10

11

12

13

Volumenströme von Primärluft und Sekundärluft, Sauerstoffgehalt sowie Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid im Abgas bei der Verbrennung von Hackschnitzel im LEVS. Der Sauerstoffgehalt im Abgas verläuft sowohl bei der Verbrennung von Buchenscheitholz als auch von Hackschnitzel stabil (Diagramm 15). Zwar treten kurze Sauerstoffschwankungen im Abgas im Regelbetrieb auf, jedoch wird im Mittel der notwendige Sauerstoffgehalt im Abgas für eine stabile Verbrennung im Bereich zwischen 5,0 Vol.-% bis 5,8 Vol.-% aufrechterhalten. Diese Schwankungen entstehen durch die ungleichmäßige Vergasung der Hackschnitzel, wobei kleinste Änderungen der Mengen von Primärluft einen starken Einfluss auf den Vergasungsprozess haben können. Die Schwankungen des Sauerstoffs im Abgas können durch die hohe Reaktionsregelgeschwindigkeit des Sekundärluftgebläses ausgeglichen

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werden, wobei die Mengen von Sekundärluft zwischen 60 Nm³/h und 10 Nm³/h schwanken. Durch diese schnelle Anpassung der Regelung, lässt sich im LEVS über den gesamten Betrieb eine stabile Verbrennung erreichen. 6.2

Emissionsverhalten beim Betrieb des Low-Emission-Verbrennungssystems Die Errichtung und Unterhaltung der Kleinfeuerungsanlagen werden durch die Regelungen in der 1. BImSchV bestimmt und überwacht. In der 1. BImSchV sind die für die Verbrennung in Kleinfeuerungsanlagen zugelassenen Brennstoffe (sogenannte Regelbrennstoffe) und die Emissionsgrenzwerte festgelegt. Die immissionsschutzrechtlichen Anforderungen sind in Abschnitt ‎3.1 detailliert erläutert. Vergaserkessel werden gemäß der 1. BImSchV im Abstand von zwei Jahren durch den Schornsteinfeger wiederkehrend überwacht. Die Messung der Emissionen durch den Schornsteinfeger erfolgt dabei meistens unter Sondereinstellungen (Regelbetrieb, optimale Bedienungsqualitäten und Eigenschaften von Brennstoffen usw.), wodurch sich niedrige Emissionen im Regelbetrieb erreichen lassen. Die Betriebsphasen, in denen normalerweise hohe Emissionen entstehen, wie beispielsweise in der Anfahrbetriebsphase, werden bei dem aktuellen Überwachungssystem nicht miterfasst, obwohl diese Betriebsphasen bis zu 90 Minuten andauern und hierbei über 90 % der Emissionen entstehen können. Mit dem LEVS soll eine Minderung der Emissionen sowohl im Regelbetrieb als auch beim Start und Ausbrand unabhängig vom eingesetzten Brennstoff und anderen Betriebseinstellungen wie beispielsweise unterschiedlichen Abgasförderdrücken erreicht werden.

6.2.1 Untersuchung zu gasförmigen Emissionen Im Rahmen der Untersuchungen mit dem LEVS wurden gas- und staubförmige Emissionen gemessen, die für die Einhaltung aktueller und zukünftiger Emissionsgrenzwerte zu berücksichtigen sind. Bei den gasförmigen Emissionen wurden die mittleren Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid, Gesamtkohlenwasserstoffen und Stickstoffoxiden über mehrere Betriebsversuchstage gemittelt. Bei den Stäuben wurden gravimetrische Messungen nach VDI 2066 und für Feinststäube (mit einem aerodynamischen Durchmesser zwischen 5 nm und 350 nm) ein Staubzählverfahren (SMPS) eingesetzt. 6.2.1.1 Kohlenstoffmonoxid Kohlenstoffmonoxid ist ein geruchloses Gas, das bei einer unvollständigen Verbrennung gebildet werden kann. Das Gefahrenpotential von Kohlenstoffmonoxid beruht darauf, dass es sich im Blut etwa 200 bis 300 Mal stärker an Hämoglobin binden kann als Sauerstoff. Dadurch kann eine Belastung von Kohlenstoffmonoxid auf den Menschen je nach Dauer der Belastung und Konzentration, zu schweren gesundheitlichen Erkrankungen bis zum Tod führen. Kohlenstoffmonoxid gilt außerdem als Energieträger und führt bei der Entstehung bei der Verbrennung zur Verschlechterung der Verbrennungseffizienz und somit des Wirkungsgrads des Heizkessels.

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Im Folgenden werden die Verläufe von Kohlenstoffmonoxid bei der Verbrennung von Buchen- und Fichtenscheitholz sowie mit Hackschnitzeln dargestellt. Kohlenstoffmonoxid bei der Verbrennung von Buchenscheitholz Beim Kaltstart von Vergaserkesseln entstehen die höchsten Konzentrationen an nicht verbrannten Bestandteilen im Abgas wie beispielsweise VOCs und Kohlenstoffmonoxid. In herkömmlichen Vergaserkesseln kann die Konzentration an Kohlenstoffmonoxid beim Kaltstart für längere Zeit (bis 90 Minuten) auf über 50.000 mg/Vm³ ansteigen. In Abschnitt ‎3.5 ist ein Beispiel einer Verbrennung von Scheithölzern beim Betrieb eines herkömmlichen Vergaserkessels dargestellt. Im Diagramm 16 sind die Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid bei der Verbrennung von Buchenscheitholz über drei Chargenabbrände dargestellt. 20

8.000

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1. Auflage

2. Auflage

3. Auflage 180

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10

5

CO-Konzentration [mg/Vm³]

CO2- und O2-Konzentration [Vol.-%]

6.000

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4.000

CO2

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CO Kesseltemperatur Abgastemperatur

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Abgas- und Kesseltemperatur [°C]

160 15

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0 0

Diagramm 16:

1

2

3

4

5

6

7

8 9 10 11 Betriebszeit [h]

12

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15

16

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18

Sauerstoffgehalt, Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Buchenscheitholz im LEVS. Im Diagramm 16 ist zu sehen, dass die Konzentrationen des Kohlenstoffmonoxids in der Startphase unterhalb von 8.000 mg/Vm³ liegen. Diese Anfahrbetriebsphase dauert bei einer erfolgreichen Anzündung des Brennstoffs im LEVS nur wenige Minuten (weniger als 6 Minuten) an. Die Verbesserung der Startphasen lässt sich durch eine optimale Abstimmung zwischen Primär- und Sekundärluft beim Einsatz von Gebläsen statt Luftklappen, sowie durch die gute Verbrennung in der Zyklonbrennkammer und Einbautentechnik begründen. Durch die intensive Wärmeabgabe der Einbautentechnik lässt sich auch bei hohem Sauerstoffgehalt eine gute

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Verbrennung erreichen, wodurch das Abgas nicht abgekühlt wird und somit ausreichende Oxidationstemperaturen im LEVS beibehalten werden können. In der Zyklonbrennkammer und in der Einbautentechnik wird das Abgas zusätzlich stark turbuliert, sodass schweroxidierbare Bestandteile noch vor dem Wärmetauscher besser mit dem Restsauerstoff im Abgas durchmischt und dadurch vollständig oxidiert werden können. Im Diagramm 16 lässt sich außerdem erkennen, dass die Kurvenverläufe von Kohlenstoffmonoxid, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid stabil verlaufen. Das Verbrennungs- und Abbrandverhalten mit dem Gehalt an Sauerstoff und den Konzentrationen an Kohlenstoffdioxid ist im Abschnitt ‎6.1.1 ausführlich erklärt. Die Konzentration von Kohlenstoffmonoxid liegt im Regelbetrieb deutlich unter dem Grenzwert von 400 mg/Vm³. Dabei wurde der Grenzwert in über 95 % der Verbrennungszeit um mehr als das 20-fache unterschritten bzw. liegen die Konzentrationen teilweise sogar unterhalb der Nachweisbarkeitsgrenze. Beim Betrieb des LEVS Systems wurden reproduzierbare und wiederholbare Messergebnisse erzielt. Das bedeutet, dass zwischen den Auflagen und den einzelnen Versuchstagen vergleichbare Kurvenverläufe und Mittelwerte mit niedrigen Konzentrationen an Kohlenstoffmonoxid erreicht wurden. Kohlenstoffmonoxid bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz Das Verbrennungs- und Emissionsverhalten von Weichhölzern wie beispielsweise Fichte unterscheidet sich stark von Harthölzern wie beispielsweise Buchenholz. Charakteristisch für die Verbrennung von Weichhölzern ist eine schnelle und intensive Vergasung sowie Wärmefreisetzung. Durch die Kombination von effektiver Verbrennungstechnik und intelligenter Regelung im LEVS soll unabhängig von der Art des Brennstoffs ein stabiler Betrieb und niedrige Emissionen gewährleistet werden. Im Diagramm 17 sind die Kurven der Mittelwerte von Kohlenstoffmonoxid mit den Verläufen der Kurven zur Bewertung des Verbrennungs- und Abbrandverhaltens wie beispielsweise Kessel- und Abgastemperaturen, Sauerstoffgehalt und Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid dargestellt. Aus den Verläufen lässt sich ablesen, dass die Verbrennung von Fichte im LEVS beim Start und im Regelbetrieb sehr stabil abläuft. Im Kaltstart steigt die Konzentration von Kohlenstoffmonoxid bei der Verbrennung von Fichte nicht über 2.000 mg/Vm³. Außerdem dauert diese Betriebsphase weniger als 4 Minuten an. Das ist damit zu begründen, dass Fichte mit entsprechender Wärmefreisetzung schlagartig vergast, wodurch innerhalb kürzester Zeit hohe Temperaturen für eine vollständige Oxidation erreicht werden können. Durch die zeitliche Verkürzung und Minderung der Konzentrationen von nicht verbrannten Bestandteilen im Abgas beim Kaltstart wird eine signifikante Schadstoffminderung bei der Verbrennung im LEVS erreicht.

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Aus den Mittelwertkurven im Diagramm 17 ist zusätzlich zu erkennen, dass die Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid auch in den Phasen des Betriebs stabil verlaufen, in denen Sauerstoffmangel (< 5 Vol-%) auftritt. Das stabile Emissionsverhalten bei geringem Stauerstoffgehalt (zwischen 3,8 Vol.-% und 5,0 Vol.-%) ist auf die gute Durchmischung von Kohlenstoffmonoxid mit dem Sauerstoff im Abgas in der Zyklonbrennkammer und der Nachbehandlungsstufe zurückzuführen. Bei herkömmlichen Anlagen ohne Einbautentechnik liegt der optimale Sauerstoffgehalt zwischen 5,5 Vol.-% und 7,0 Vol.-%. Ein höherer Sauerstoffgehalt bei der Verbrennung führt zur Erzeugung größerer Abgasmengen mit entsprechenden Abgaswärmeverlusten. 20

8.000

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2. Auflage

1. Auflage

3. Auflage

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6.000 CO - Konzentration [mg/Vm³]

CO2- und O2-Konzentration [Vol.-%]

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120 O2 CO2

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CO Kesseltemperatur Abgastemperatur

4.000

80 60 2.000

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Abgas- und Kesseltemperatur [°C]

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Diagramm 17:

1

2

3

4

5

6

7 8 9 10 Betriebszeit [h]

11

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13

14

15

16

Sauerstoffgehalt, Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz im LEVS. Zusammengefasst lässt sich feststellen, dass mit dem LEVS bei der Verbrennung von Buchen- und Fichtenscheitholz niedrige Konzentrationen an Kohlenstoffmonoxid (Konzentrationen durchschnittlich im Regelbetrieb zwischen 0 mg/Vm³ und 10 mg/Vm³) erreicht werden, sodass nicht nur die aktuellen und zukünftigen Grenzwerte für Kohlenstoffmonoxid eingehalten bzw. deutlich unterschritten werden, sondern auch Null Emissionen an Kohlenstoffmonoxid erreicht werden können. Kohlenstoffmonoxid bei der Verbrennung von Hackschnitzel Hackschnitzel werden meistens für automatisch beschickte Heizkessel eingesetzt. Überwiegend bestehen Hackschnitzel aus Baumresten wie beispielsweise Ästen, Kronen oder schwachen Hölzern. Durch die vergleichsweise schlechtere Brennstoffqualität haben Hackschnitzel zwar

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einen geringeren Heizwert pro Kilogramm als gewöhnliche Scheithölzer, jedoch kann durch die große Oberfläche während der Verbrennung auch bei wenig Zufuhr von Primärluft eine schnelle Vergasung und gute Verbrennung erreicht werden. Die Voraussetzung für eine gute Verbrennung von Hackschnitzeln in Vergaserkesseln ist eine geeignete Konstruktion der Vergasungs- und Brennräume und Regelungstechnik. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden Hackschnitzel im BatchVerfahren in den LEVS Vergaserkessel beschickt. Im Diagramm 18 sind die mittleren Verläufe vom Sauerstoffgehalt sowie die Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid und die Temperaturen im Kessel und im Abgas dargestellt. Zur Schaffung eines geeigneten Glutbetts wurde beim ersten Chargenabbrand Buchenscheitholz und bei den darauffolgenden Abbränden Hackschnitzel verwendet. Im Rahmen dieses Projekts wurde die Anzündung des Brennstoffs im Kaltstart händisch durchgeführt. Hackschnitzel lassen sich im Kaltstart ohne Glutbett nur einsetzen, wenn ein automatisches Anzündsystem verfügbar ist. 20

8.000

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1. Auflage

2. Auflage

3. Auflage

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CO- Konzentration [mg/Vm³]

CO2- und O2-Konzentration [Vol.-%]

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O2 CO2

100

CO Kesseltemperatur Abgastemperatur

4.000

80 60 2.000

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Abgas- und Kesseltemperatur [°C]

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Buchenscheitholz 0

Hackschnitzel

Hackschnitzel

0

0 0

Diagramm 18:

1

2

3

4

5

6 7 8 Betriebszeit [h]

9

10

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12

13

Sauerstoffgehalt, Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Hackschnitzel im LEVS. Im Diagramm 18 lässt sich ablesen, dass die Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid beim Kaltstart mit Buchenscheitholz zwar über 8.000 mg/Vm³ ansteigt, aber nach weniger als 16 Minuten erneut auf unter 400 mg/Vm³ absinkt. Die Verbesserung des Emissionsverhaltens wird in den Betriebsphasen, in denen in der Regel noch niedrige Temperaturen herrschen vor allem durch die Wärmespeicherung und anschließende

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Bereitstellung zur Oxidation von nicht verbrannten Bestandteilen in der Nachbehandlungsstufe erreicht. Im Diagramm 18 ist zusätzlich dargestellt, dass nach der Verbrennung von Buchenscheitholz bei der zweiten und dritten Auflage Hackschnitzel verbrannt wurden. Im Diagramm 18 lässt sich erkennen, dass sich die Qualität des Verbrennungs- und Emissionsverhaltens unabhängig vom Einsatz des Brennstoffs nicht verschlechtert hat. Die Konzentrationen an Kohlenstoffmonoxid verhalten sich stabil und liegen bei 20 mg/Vm³ (als Mittelwert) und somit deutlich unter dem Grenzwert der 1. BImSchV (400 mg/Vm³). Es ist zu erwähnen, dass der Wassergehalt der eingesetzten Hackschnitzel stark schwankte und dennoch bzw. unabhängig vom Wassergehalt und der Korngrößen der Hackschnitzel (Größe der Oberfläche) bei der Verbrennung im LEVS eine hohe Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit der Ergebnisse mit niedrigen Konzentrationen an Kohlenstoffmonoxid erreicht wurde. Die hohe Flexibilität des LEVS gegenüber der Art und Qualität der Brennstoffe ist mit dem intelligenten Regelverhalten des Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems und den konstruktiven Eigenschaften des LEVS zu begründen. Bei der Verbrennung von Brennstoffen mit einer größeren Oberfläche wie im Fall von Hackschnitzel werden durch die intelligente Regelung geringere Mengen an Primärluft in den Vergasungsraum zugegeben. Im LEVS findet anschließend die Verbrennung und Nachverbrennung unter Zugabe von Sauerstoff bzw. Sekundärluft in der Zyklonbrennkammer und Nachbehandlungsstufe statt. Die für die Aufrechterhaltung der Vergasung nötige, zugeführte Primärluftmenge bei der Verbrennung von Hackschnitzeln ist geringer als bei der Verbrennung von Buchen- und Fichtenscheitholz (vergleiche Diagramm 10 mit Diagramm 14), wobei die Menge der Primärluft mit Hackschnitzeln während des Betriebs deutlich größer ist als die Menge der Sekundärluft. 6.2.1.2 Gesamtkohlenwasserstoffe Der Begriff Gesamtkohlenwasserstoffe beschreibt eine Gruppe von chemischen Verbindungen die aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen und bei unvollständiger Verbrennung gebildet werden. Gesamtkohlenwasserstoffe lassen sich chemisch in mehrere Untergruppen einteilen wie beispielsweise Methan, Methanol und Phenol deren Gefährdungspotentiale stark unterschiedlich sein können. Die Wirkung auf den Menschen ist vielfältig und häufig schon bei niedrigen Konzentrationen stark gesundheitsschädlich. In der 1. BImSchV gibt es aktuell keine Anforderungen an die Konzentration der Gesamtkohlenwasserstoffe im Abgas. Aufgrund der gesundheitsschädigenden Wirkung der Kohlenwasserstoffe auf den Menschen und im Hinblick auf die zukünftigen Anforderungen gemäß der Ökodesignrichtlinie (Tabelle 3 im Abschnitt ‎3.1.2) wird den Gesamtkohlenwasserstoffen eine besondere Bedeutung zugeteilt.

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Gesamtkohlenwasserstoffe bei der Verbrennung von Buchenscheitholz Im Rahmen der durchgeführten Verbrennungsversuche sowie beim Betrieb von unterschiedlichen Biomasseheizkesseln wurde festgestellt, dass Kohlenstoffmonoxid alleine als Verbrennungsindikator nicht ausreichend für die Bewertung der Vollständigkeit einer Verbrennung von Biomassen ist, da sich Aerosole im Abgas auch bei niedrigen Konzentrationen an Kohlenstoffmonoxid (CO < 30 ppm) befinden können. Diese Aerosole befinden sich in der Dampfphase und können erst nach der Abkühlung des Abgases erfasst werden. Diese kondensierbaren Aerosole sind aus toxikologischer Sicht besonders gefährlich. Nach der Kondensation können die Kondensate über verschiedene Bildungsmechanismen sowohl als feste, als auch flüssige Komponenten im Abgas vorliegen. Aus diesem Grund sollten für die Bewertung der Verbrennung von Biomasse neben Kohlenstoffmonoxid auch die Konzentrationen von Gesamtkohlenwasserstoffen und Feinststäube im Nanometerbereich herangezogen werden. 20

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2. Auflage

1. Auflage

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CnHm- Konzentration [mg/Vm³]

CO2- und O2-Konzentration [Vol.-%]

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CO2

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C n Hm Kesseltemperatur Abgastemperatur

100

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80 60

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Abgas- und Kesseltemperatur [°C]

160 15

40 25 20

0

0

0 0

Diagramm 19:

1

2

3

4

5

6

7

8 9 10 11 Betriebszeit [h]

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15

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Sauerstoffgehalt, Konzentrationen von Gesamtkohlenwasserstoffen und Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Buchenscheitholz im LEVS. Im Diagramm 19 sind die mittleren Konzentrationen der Gesamtkohlenwasserstoffe bei der Verbrennung von Buchenscheitholz im LEVS dargestellt. Die Minderung der Kohlenwasserstoffe im LEVS ergibt sich aus den zeitlichen Verkürzungen der Start- und Ausbrandphasen und der Stabilisierung der Konzentration von Gesamtkohlenwasserstoffen im Regelbetrieb. Dem Diagramm 19 ist zu entnehmen, dass die

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Konzentrationen der Gesamtkohlenwasserstoffe beim Kaltstart und beim Nachbeschicken zwar deutlich über 170 mg/Vm³ ansteigen, aber innerhalb von wenigen Minuten (weniger als 6 Minuten) auf unter 5 mg/Vm³ absinken. Hier kann die Nachbehandlungsstufe im LEVS bereits zu Beginn der Verbrennung genügend Wärme speichern und diese anschließend zur Nachverbrennung von nicht verbrannten Bestandteilen bereitstellen. Außerdem wird das Abgas durch intensive Durchmischung im Zyklon und Turbulatoren in der Einbautentechnik mit dem restlichen Sauerstoff vermischt, sodass die Oxidation von Kohlenwasserstoffen in den Start- und Ausbrandphasen verbessert wird. Im Diagramm 19 sind die Konzentrationen der Gesamtkohlenwasserstoffe in den Regelbetriebsphasen sehr stabil und so gering, dass mit den verwendeten Messgeräten teilweise keine nachweisbaren Verbindungen an Kohlenwasserstoffen im Abgas mehr ermittelt werden konnten. Die Konzentration der Gesamtkohlenwasserstoffe lag in dieser Betriebsphase zeitweise bei 0 mg/Vm³. Erst beim Nachbeschicken, wobei durch geringere Temperaturen für gewöhnlich höhere Konzentrationen an nicht verbrannten Komponenten im Abgas entstehen, steigt die Konzentration an Gesamtkohlenwasserstoffen erneut an. Es lässt sich aus den Ergebnissen feststellen, dass mit dem LEVS eine stabile Verbrennung mit geringen Konzentrationen an Gesamtkohlenwasserstoffen erreicht werden können. Gesamtkohlenwasserstoffe bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz Fichte enthält, wie viele Weichhölzer, einen hohen Anteil an Harzen. Harze sind gelblich bis bräunliche Gemische, die sowohl nichtflüchtige als auch sehr flüchtige Kohlenwasserstoffe enthalten, die bei der Verbrennung von Fichte zu hohen Konzentrationen an Gesamtkohlenwasserstoffen im Abgas führen können. In Diagramm 20 sind die mittleren Verläufe der Konzentrationen von Gesamtkohlenwasserstoffen bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz dargestellt. Dem Diagramm 20 ist zu entnehmen, dass die Konzentrationen der Gesamtkohlenwasserstoffe während des Betriebs stabil und mit niedrigen Emissionen verlaufen. Im Diagramm 20 ist außerdem zu erkennen, dass es in den Start- und Ausbrandphasen zu einem starken Mangel an Sauerstoff kommen kann, wobei der Sauerstoffgehalt auf unter 3 Vol.-% absinkt und die Konzentrationen an Gesamtkohlenwasserstoffen kurzfristig ansteigen. Dieser kurzfristige (weniger als eine Minute) Mangel an Sauerstoff lässt sich auf die intensive Vergasung durch die größere aktive Oberfläche von Fichte, die bei der Freisetzung der Harze bei hohen Temperaturen erzeugt wird sowie durch die starke Trocknung der gesamten sich im Füllschacht befindenden Brennstoffmasse, zurückführen. Es ist zu erwähnen, dass dieses Phänomen bei der Verbrennung von Fichte deutlich stärker auftritt als bei Buche. Durch das intelligente Regelverhalten und die schnelle Anpassung der Mengen von Primär- und Sekundärluft im LEVS Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP

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kann der Mangel an Sauerstoff im Abgas durch eine höhere Sekundärluftzufuhr schnell ausgeglichen und somit erneut eine stabile Verbrennung hergestellt werden. Im Regelbetrieb kann die Vergasung und Nachverbrennung kontrolliert stattfinden, sodass auch bei Schwankungen der Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid und vom Sauerstoffgehalt niedrige Konzentrationen an Gesamtkohlenwasserstoffen erreicht werden. Bei diesen Versuchen schwankten die Konzentrationen der Gesamtkohlenwasserstoffe zwischen 1 mg/Vm³ und 5 mg/Vm³. Diese Stabilität der Verbrennung ist durch die Wirkung der Nachbehandlungsstufe auf den Verbrennungsprozess zu begründen, wodurch bei intensiver Durchmischung und Wärmeabgabe eine vollständige Verbrennung erreicht werden kann. 20

150

180

1. Auflage

2. Auflage

3. Auflage

4. Auflage 160 140

10

5

CnHm- Konzentration [mg/Vm³]

CO2- und O2-Konzentration [Vol.-%]

15 100

120

O2 CO2 C n Hm

100

Abgastemperatur Kesseltemperatur

75

80 50

60 40

Abgas- und Kesseltemperatur [°C]

125

25 20 0

0

0 0

Diagramm 20:

1

2

3

4

5

6

7 8 9 Betriebszeit [h]

10

11

12

13

14

15

16

Sauerstoffgehalt, Konzentrationen von Gesamtkohlenwasserstoffen und Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz im LEVS. Dank des Einsatzes der Einbautentechnik wurden viele Kohlenwasserstoffverbindungen unterschiedlicher Art, die sich als Aerosole im Abgas befinden, stark reduziert. Diese Stoffe lassen sich messtechnisch bisher nicht selektiv erfassen. Die einzige Möglichkeit zur Erfassung solcher Schadstoffe ist die Zählung dieser Partikel durch den Einsatz von Staubzählverfahren, wobei diese Stoffe (Aerosole mit anderen Arten von Feinstäuben) miterfasst werden können. Im Abschnitt ‎7.1.2 ist der Einfluss der Einbautentechnik auf die Minderung von Feinststäuben und Aerosolen deutlich dargestellt. Im Diagramm 31 des Abschnitts ‎7.1.2 ist deutlich zu erkennen, dass Aerosole und Feinstäube in Höhe von über 60 % reduziert werden konnten.

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Gesamtkohlenwasserstoffe bei der Verbrennung von Hackschnitzel Im Rahmen der Untersuchungen mit dem LEVS bei der Verbrennung von Hackschnitzel wurde festgestellt, dass für die Vergasung von Hackschnitzel deutlich geringere Mengen an Primärluft benötigt wurden, als bei der Verbrennung von Buchen- und Fichtenscheitholz. Das ist mit der größeren aktiven Oberfläche von Hackschnitzeln begründbar, wodurch schon bei wenig Primärluft intensiv vergast wird. Da sich die Intensität der Vergasung mit Hackschnitzel schon bei geringen Änderungen der Primärluft stark verändern kann, muss die Zufuhr von Sekundärluft über den gesamten Betrieb dynamisch angepasst werden, sodass der Sollbereich des Sauerstoffgehalts im Abgas bzw. der optimale Lambdabereich jederzeit eingehalten werden können. Im Diagramm 21 ist der Verlauf von Gesamtkohlenwasserstoffen beim Betrieb des LEVS mit Buchenscheitholz beim ersten Chargenabbrand und Hackschnitzel bei den weiteren Auflagen dargestellt. Im Diagramm 21 ist sichtbar, dass die Konzentrationen der Gesamtkohlenwasserstoffe beim Kaltstart nach wenigen Minuten auf unter 10 mg/Vm³ absinken und anschließend stabil unter 6 mg/Vm³ liegen. Ähnlich wie beim Kaltstart, steigen die Konzentrationen der Gesamtkohlenwasserstoffe beim Nachbeschicken an, wobei die Konzentrationen anschließend erneut auf unter 10 mg/Vm³ absinken. 20

200

180

1. Auflage

3. Auflage

2. Auflage

10

5

140

150

CnHm- Konzentration [mg/Vm³]

CO2- und O2-Konzentration [Vol.-%]

15

120

O2 CO2

100

C n Hm Kesseltemperatur Abgastemperatur

100

80 60 50

40

Abgas- und Kesseltemperatur [°C]

160

20

Buchenscheitholz 0

Hackschnitzel

Hackschnitzel

0

0 0

Diagramm 21:

1

2

3

4

5

6 7 Betriebszeit [h]

8

9

10

11

12

13

Sauerstoffgehalt, Konzentrationen von Gesamtkohlenwasserstoffen und Kohlenstoffdioxid sowie Abgas- und Kesseltemperatur bei der Verbrennung von Hackschnitzel im LEVS. Dem Verlauf im Diagramm 22 ist außerdem zu entnehmen, dass die Konzentration an Gesamtkohlenwasserstoffen beim Ausbrand 50 mg/Vm³

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nicht übersteigt. Die niedrigen Konzentrationen der Gesamtkohlenwasserstoffe beim Ausbrand sind auf die gute Oxidationsleistung in der Einbautentechnik aufgrund großer gespeicherter Energiemenge im Einbautenmodul zurückzuführen, welche bei sinkenden Temperaturen während der Verbrennung bereitgestellt werden kann. Bei der Verbrennung von Hackschnitzel mit unterschiedlichen Qualitäten und Wassergehalten wurde eine stabile Verbrennung mit niedrigen Konzentrationen an Gesamtkohlenwasserstoffen und hoher Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit unter praxisnahen Betriebsbedingungen erzielt. 6.2.1.3 Stickstoffoxide Stickstoff ist ein wichtiger Nährstoff und hat einen großen Einfluss auf das Wachstum und die Wachstumsgeschwindigkeit von Pflanzen. Die Bildung von Stickstoffoxiden bei Verbrennungsprozessen ist eine endotherme Reaktion. Die Gefahr, die von Stickstoffoxiden für den Menschen ausgeht, beruht auf der hohen Löslichkeit in Wasser, wodurch Schleimhäute gereizt und Atemwegserkrankungen entstehen können. Bei der Verbrennung kann Stickstoff zu Stickstoffoxiden durch unterschiedliche Pfade umgewandelt werden, wobei bei der Verbrennung hauptsächlich Stickstoffmonoxid (> 95 %) und Stickstoffdioxid (< 5 %) im Abgas vorhanden sind. Folgende Mechanismen führen zur Entstehung von Stickstoffoxiden: -

Brennstoff-Stickstoffoxid entsteht während der Verbrennung aus den im Brennstoff gebundenen Anteilen an Stickstoff und ist dadurch stark von den verbrennungstechnischen Eigenschaften des Brennstoffs abhängig.

-

Thermisches Stickstoffoxid entsteht unter hohen Temperaturen aus dem in der Verbrennungsluft enthaltenen Stickstoff und Sauerstoff. Bei Temperaturen von mehr als 1.300 °C können die Konzentrationen von thermischen Stickstoffoxiden im Abgas deutlich zunehmen.

-

Promptes Stickstoffoxid kann während der Verbrennung bei hohen Temperaturen durch die Reaktion von Kohlenwasserstoff-Radikalen mit dem in der Verbrennungsluft enthaltenen Stickstoff entstehen.

Bei der Verbrennung von festen Brennstoffen in Heizkesseln werden Stickstoffoxide hauptsächlich durch den im Brennstoff enthaltenen Stickstoff gebildet. Die Konzentrationen an Stickstoffoxiden im Abgas bei der Verbrennung von Holz sind stark von der Qualität des Brennstoffs bzw. vom Anteil von molekularem Stickstoff im Brennstoff abhängig. Die Umwandlung von Stickstoff zu Stickstoffoxiden während der Verbrennung hängt vom Sauerstoffangebot und der Temperatur im Glutbett ab. Hier gilt, je höher die

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Temperaturen und das Sauerstoffangebot im Glutbettbereich sind, desto mehr Stickstoffoxide werden gebildet. Im Diagramm 22 sind die mittleren Emissionen von Stickstoffoxiden (als NO2) bei der Verbrennung von Buchen- und Fichtenscheitholz und Hackschnitzeln gegenübergestellt. Im Diagramm 22 ist ersichtlich, dass die Konzentrationen an Stickstoffoxiden bei der Verbrennung von Fichte, Buche und Hackschnitzeln deutlich unter dem zukünftigen Grenzwert der Ökodesignrichtlinie von 200 mg/Vm³ liegen. Bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz wurden geringere Konzentrationen an Stickstoffoxiden ermittelt als bei der Verbrennung von Buchenscheitholz und Hackschnitzeln. Der geringere Anteil von Stickstoffoxiden im Abgas bei der Verbrennung von Fichte lässt sich mit dem geringeren Anteil an Stickstoffverbindungen im Brennstoff Fichte im Vergleich zum Brennstoff Buche begründen. Der Stickstoffgehalt von Buchenholz ist etwa doppelt so hoch wie bei Fichte und beträgt circa 0,20 Ma.-% der Trockensubstanz. 200

Buchenscheitholz Fichtenscheitholz Hackschnitzel

175

NOx- Konzentration [mg/Vm³]

150

125

100

75

50

25

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Betriebszeit [h]

Diagramm 22:

Konzentrationen an Stickstoffoxiden bei der Verbrennung von Buchen- und Fichtenscheitholz sowie Hackschnitzel im LEVS. Durch die zweistufige Verbrennung im LEVS sind die Stickstoffoxidkonzentrationen im Abgas deutlich geringer als bei der direkten einstufigen Verbrennung. Bei der zweistufigen Verbrennung sind sowohl die Temperaturen im Glutbettbereich (beispielsweise beim Treppenrost) als auch das Sauerstoffangebot durch die unterstöchiometrische Vergasung niedriger als bei der direkten Verbrennung. Dadurch wird weniger im Brennstoff gebundener Stickstoff

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mit dem Sauerstoff reagieren und sich somit nicht zu Stickstoffoxiden umwandeln können. 6.2.2 Untersuchungen zum Feinstaub gemäß VDI 2066-1 Im Rahmen von Untersuchungen im Fachgebiet Verbrennungssysteme des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP mit unterschiedlichen Typen von Heizkesseln wurde festgestellt, dass trotz nahezu vollständiger Verbrennung (CO < 50 mg/Vm³) die Grenzwerte der 1. BImSchV für Feinstäube bei der Verbrennung in Heizkesseln überschritten werden können. Die Überschreitung der Grenzwerte bei nahezu vollständiger Verbrennung lässt sich auf die zwei folgenden Effekte zurückführen: − Strömungstechnische Effekte: Durch die intensive Beströmung des Glutbetts wird die Bildung und das Mitreißen von anorganischen Verbindungen bzw. Stäuben verstärkt. Wenn solche Feinstäube gebildet werden, können sie nur durch integrierte oder nachgeschaltete Abgasreinigungssysteme abgeschieden werden. − Thermochemische und physikalische Effekte: Bei den thermochemischen Effekten werden Feinstäube bei der Abkühlung des Abgases durch unterschiedliche physikalische und chemische Mechanismen gebildet. Die Entstehung von organischen Feinstäuben kann durch die Zerstörung der Grundaerosole vermieden werden. Dafür werden sowohl hohe Temperaturen als auch eine ausreichende Verweilzeit von mehreren Sekunden benötigt, welche mit der herkömmlichen Technik der Vergaserkessel nicht realisiert werden können. Eine integrierte Technik für die Einstellung günstiger Oxidationsbedingungen für solche schweroxidierbaren Bestandteile ist notwendig. Bei Vergaserkesseln bilden sich je nach Strömung im Glutbettbereich unterschiedliche Arten von Stäuben. Bei Vergaserkesseln mit seitlichem Abbrand, bei denen das Glutbett während der Verbrennung nicht intensiv beströmt wird, werden weniger Feinstäube gebildet als bei Vergaserkesseln mit unterem Abbrand, bei denen das gesamte Brenngas durch das Glutbett strömt. Im Rahmen der Forschungsaktivitäten im Fachgebiet Verbrennungssysteme des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP wurde festgestellt, dass bei nahezu vollständiger Verbrennung bei Vergaserkesseln mit unterem Abbrand doppelt soviel Feinstaub (bis 48 mg/Vm³) gemessen wurde wie bei Vergaserkesseln mit seitlichen Abbrand. Die Messung von Stäuben wurde mit drei unterschiedlichen Messgeräten für eine hohe Vergleichbarkeit durchgeführt. Dabei wurden ein Staubmessgerät nach VDI 2066-1 (Gravimat SHC 502 der Firma Sick), ein SchornsteinfegerStaubmessgerät der Firma Wöhler (Wöhler SM 96) sowie ein OnlineStaubmessgerät der Firma Testo (Testo 380) eingesetzt.

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Im Rahmen der Untersuchungen wurden die Staubkonzentrationen über den gesamten Abbrand halbstündig mit den oben erwähnten Staubmessgeräten gemessen. Im Diagramm 23 sind die Konzentrationen von Stäuben im Abgas mit unterschiedlichen Brennstoffen gemittelt über mehrere Versuchstage dargestellt. Dem Diagramm 23 ist zu entnehmen, dass der Grenzwert für Stäube von 20 mg/Vm³ im LEVS mit den drei Brennstoffen Buchenscheitholz, Fichtenscheitholz und Hackschnitzel deutlich unterschritten wurde. Im Regelbetrieb und Ausbrand liegen die Konzentrationen für Stäube immer unter 5 mg/Vm³. 24 22

Staubgrenzwert gemäß der 1. BImSchV 20 Buchenscheitholz

Staubkonzentration [mg/Vm³]

18

Fichtenscheitholz

Hackschnitzel

16 14 12 10 8 6 4 2 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18

Betriebszeit [h]

Diagramm 23:

Staubkonzentrationen bei der Verbrennung von unterschiedlichen Brennstoffen im LEVS. Die sehr niedrigen Staubkonzentrationen beim LEVS mit unterschiedlichen Brennstoffen sind auf die verfahrenstechnische Kombination aus Zyklonbrennkammer und Einbautentechnik zurückzuführen. In der Zyklonbrennkammer werden die durch strömungstechnische Effekte gebildeten Stäube durch Zentrifugalkräfte aus dem Abgas abgeschieden. Der Trenneffekt wird außerdem durch starke Agglomerationsmechanismen in der Zyklonbrennkammer sowie in der Einbautentechnik begünstigt (Abschnitt ‎4.3.4.3). In der Einbautentechnik werden außerdem alle organischen Grundstrukturen bzw. Verbindungen, die anschließend durch thermochemische und physikalische Effekte gebildet werden, irreversibel thermisch zerstört. Die Einflüsse der Zyklonbrennkammer und Einbautentechnik sind im Abschnitt ‎7.1 ausführlich erläutert.

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6.2.3 Zusammenfassung der Emissionsergebnisse Bei der Erprobung des LEVS mit unterschiedlichen Brennstoffen sowie mit unterschiedlichen Betriebsbedinungen wurden alle immissionsschutzrechtlichen Anforderungen gemäß der 1. BImSchV mit hoher Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit eingehalten. Die Mittelwerte der gemessenen staub- und gasförmigen Emissionen (gemittelt über mehrere Betriebstage) sind in der Tabelle 8 bei der Verbrennung von Buchenscheitholz, in der Tabelle 9 bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz und in Tabelle 10 bei der Verbrennung von Hackschnitzel dargestellt. In diesen Tabellen sind die stündlichen Mittelwerte vom Kaltstart bis zum Ausbrand dargestellt. Dabei wurde der Heizkessel über mehrere Betriebschargen betrieben. Den Tabellen kann entnommen werden, dass eine stabile und reproduzierbare Verbrennung bzw. Emissionswerte unabhängig von dem eingesetzten Brennstoff sowie den betrieblichen Rahmenbedingungen erreicht werden können. Außerdem lässt sich erkennen, dass in den kritischen Betriebsphasen wie beispielsweise Anfahrbetriebsphase und Nachbeschickungsphase so niedrige Emissionswerte erreicht wurden, dass auch hier die Emissionsanforderungen nach der 1. BImSchV und der Ökodesignrichtlinie ohne Probleme eingehalten werden können. Tabelle 8:

Mittelwerte der Emissionen bei der Verbrennung von Buchenscheitholz.

Betriebsphase

Betriebszeit [Stunden]

Mittelwerte über mehrere Betriebstage (ohne jegliche Abzüge der Messunsicherheit) CO2 CO CnHm NOx [Vol.- %] [mg/Vm³]

Staub gemäß VDI 2066 -1

Anfahrbetriebsphase (Kaltstart)

0-1

13,1

462

177

98

20,9

Regelbetriebsphase

1-2 2-3 3-4

13,6 13,8 13,8

12 8 49

6 4 2

122 121 100

9,4 2,4 1,1

4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9 - 10

12,4 14,1 14,0 14,0 14,0 14,1

423 12 8 8 10 8

8 1 1 30 0 0

115 136 128 141 124 113

8,6 3,0 2,6 3,5 4,9 2,5

10 - 11 11 - 12 12 - 13 13 - 14 14 - 15 15 - 16 16 - 17 17 - 18 18 - 19

13,1 14,2 13,9 14,1 14,2 13,9 12,7 7,3 2,2

428 17 6 7 7 7 383 8.050 3.301

0 2 0 0 0 0 0 0 0

103 133 112 113 110 103 79 81 50

3,0 8,0 3,0 2,5 1,8 2,0 4,0 2,0 --

Nachbeschickung

Regelbetriebsphase

Nachbeschickung

Regelbetriebsphase

Ausbrand

124

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Tabelle 9:

Mittelwerte der Emissionen bei der Verbrennung von Fichtenscheitholz. Betriebszeit

Betriebsphase

[Stunden]

Mittelwerte über mehrere Betriebstage (ohne jegliche Abzüge der Messunsicherheit) CO2 CO CnHm NOx [Vol.- %] [mg/Vm³]

Staub gemäß VDI 2066 -1

Anfahrbetriebsphase (Kaltstart)

0-1

13,2

130

12

115

24,5

Regelbetriebsphase

1-2 2-3

13,3 13,8

5 5

0 1

122 79

7,7 5,6

3-4 4-5 5-6 6-7

13,1 13,9 13,9 13,9

187 10 8 21

1 0 0 0

61 70 63 66

4,5 9,9 3,1 4,3

7-8 8-9 9 - 10 10 - 11

13,3 13,8 13,9 13,9

190 8 6 7

11 0 0 0

70 67 65 72

4,8 4,0 3,5 4,1

11 - 12 12 - 13 13 - 14 14 - 15 15 - 16 16 - 17 17 - 18

13,4 13,9 13,8 13,8 9,6 1,6 0,3

336 8 6 20 9.502 5.072 239

4 0 0 0 742 38 1

78 66 75 74 53 34 6

3,7 2,5 1,8 2,5 5,1 3,2 2,1

Nachbeschickung Regelbetriebsphase Nachbeschickung Regelbetriebsphase Nachbeschickung Regelbetriebsphase

Ausbrand

Tabelle 10:

Mittelwerte der Emissionen bei der Verbrennung von Hackschnitzel.

Betriebsphase

Betriebszeit [Stunden]

Mittelwerte über mehrere Betriebstage (ohne jegliche Abzüge der Messunsicherheit) CO2 CO CnHm NOx [Vol.- %] [mg/Vm³]

Staub gemäß VDI 2066 -1

Anfahrbetriebsphase (Kaltstart)

0-1

12,8

488

44

134

32,0

Regelbetriebsphase

1-2 2-3 3-4

13,8 13,6 13,7

10 8 10

6 3 1

146 137 124

8,3 5,0 3,3

4-5 5-6 6-7 7-8

13,7 13,8 13,8 13,7

116 17 73 52

1 0 5 1

122 115 125 114

8,0 2,5 3,0 4,6

8-9 9 - 10 10 - 11 11 - 12 12 - 13 13 - 14 14 - 15 15 - 16

13,8 13,9 13,8 12,6 4,2

113 12 8 436 13.310

5 0 0 2 29

119 116 121 116 74

4,0 1,8 2,0 7,0 7,8

1,8 1,2

8.461 3.051

7 3

25 16

4,2 4,4

0,7

975

1

10

3,0

Nachbeschickung Regelbetriebsphase Nachbeschickung Regelbetriebsphase

Ausbrand

In den oben dargestellten Tabellen ist außerdem zu sehen, dass in der Anfahrbetriebsphase bzw. in der ersten Stunde des Betriebs deutlich niedrigere Emissionen erreicht wurden als bei herkömmlichen Vergaserkesseln. Diese niedrigen gemittelten Emissionswerte sind auf die Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP

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niedrigen Konzentrationen und hauptsächlich auf die Verkürzung der Startphase, dank des innovativen Verbrennungsluftzufuhrsystems mit der intelligenten Regelung, zurückzuführen. In der Ausbrandbetriebsphase wurden zwar hohe Emissionen ermittelt, jedoch ist die Dauer dieser Phase deutlich kürzer (um circa 80 %) als bei herkömmlichen Heizkesseln. Die durchschnittliche Dauer des Ausbrands beim LEVS beträgt zwischen 15 Minuten und 30 Minuten. Es ist zu erwähnen, dass gemäß der 1. BImSchV und Ökodesignrichtlinie keine Anforderungen an die Einhaltung der Grenzwerte für staub- und gasförmige Emissionen in der Anfahrbetriebsphase, Nachbeschickungsphase sowie Ausbrandbetriebsphase bestehen. Die Emissionsmessungen durch den Schornsteinfeger erfolgen ausschließlich in der Regelbetriebsphase bzw. im Dauerbetrieb gemäß Anlage 2 der 1. BImSchV (Abschnitt ‎3.1.1). 6.3

Strömungstechnisches Verhalten im Heizkessel Das strömungstechnische Verhalten beschreibt den Druckverlust im gesamten Heizkessel bzw. die Entwicklung des Druckverlusts während des Betriebs. Das Ziel ist es, einen geringen und konstanten Druckverlust zu erzielen, sodass ein sicherer und zuverlässiger Betrieb in jeder Betriebsphase erreicht werden kann. Außerdem muss ein konstantes strömungstechnisches Verhalten während des Betriebs erzeugt werden, sodass eine stabile Vergasung und somit gleichmäßige Verbrennung erzielt werden können. Der Gesamtdruckverlust im Heizkessel ergibt sich hauptsächlich aus dem Druckverlust in der Zyklonbrennkammer sowie in der Einbautentechnik. Bei der Dimensionierung der beiden Verbrennungsstufen soll darauf geachtet werden, dass mit dem herkömmlichen Saugzuggebläse des Heizkessels sowohl der Druckverlust überwunden als auch konstante Strömungsverhältnisse erzeugt werden können. Die Betrachtung des Druckverlusts im LEVS wurde im Abschnitt ‎4.3.4.4 und Abschnitt ‎4.3.5.6 ausführlich beschrieben. Zusätzlich zur Konstruktion und dem Material des Heizkessels spielen der maximal erzeugte Abgasvolumenstrom in der jeweiligen Verbrennungsstufe im Betriebszustand mit der Abgastemperatur gemäß der Gleichung 31 (für Zyklonbrennkammer) sowie gemäß der Gleichung 43 (für die Einbautentechnik) eine entscheidende Rolle für den Druckverlust während des Betriebs. Im Diagramm 24 sind die Abgasvolumenströme im Norm- und Betriebszustand und in der Zyklonbrennkammer sowie Einbautentechnik im Betriebszustand dargestellt.

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Abgasvolumenstrom [m3/h]

500 Abgasvolumenstrom in der Abgasanlage [Nm3/h] Abgasvolumenstrom in der Abgasanlage [Bm3/h] Abgasvolumenstrom in der Einbautentechnik [Bm3/h] Abgasvolumenstrom in der Zyklonbrennkammer [Bm3/h]

400

300

200

100

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Betriebszeit [h] Diagramm 24:

Mittlere Abgasvolumenströme in der Abgasanlage im Norm- und Betriebszustand, in der Zyklonbrennkammer und in der Einbautentechnik im Betriebszustand.

1.200 1.100 1.000

Temperatur [°C]

900 800 700 600 500

Abgastemperatur in der Abgasanlage [°C]

400

Abgastemperatur in der Zyklonbrennkammer [°C]

300

Temperaturen im unteren Bereich des Einbautenmoduls [°C]

200

Temperaturen im oberen Bereich des Einbautenmoduls [°C]

100 0 0 Diagramm 25:

1

2

3

4

5 6 7 Betriebszeit [h]

8

9

10

11

12

Mittlere Temperaturen in der Abgasanlage im Norm- und Betriebszustand, in der Zyklonbrennkammer sowie im unteren sowie oberen Bereich des Einbautenmoduls im Betriebszustand.

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127

Das Diagramm 26 zeigt den Druckverlust in der Zyklonbrennkammer, Einbautentechnik und im gesamten Heizkessel. Diese Druckverluste ergeben sich aus den im Diagramm 24 sowie Diagramm 25 dargestellten Werten der Temperaturen bzw. Abgasvolumenströme. Aus dem Diagramm 26 lässt sich entnehmen, dass der Hauptdruckverlust im Heizkessel in der Zyklonbrennkammer verursacht wird, wobei der Druckverlust im Mittel bei etwa 200 Pascal liegt. Der in der Einbautentechnik entstehende Druckverlust ist gering im Vergleich zum Druckverlust in der Zyklonbrennkammer und verhält sich im Dauerbetrieb bzw. über das Betriebsjahr konstant, ohne dass jegliche Reinigungsarbeiten im Einbautenmodul durchgeführt werden müssen. 20

gemessener Gesamtdruckverlust im Heizkessel [Pa] gemessener Druckverlust in der Zyklonbrennkammer [Pa] gemessener Druckverlust in der Einbautentechnik [Pa] Unterdruck in der Abgasanlage [Pa]

350

18 16

300 Druckverlust [Pa]

14 250

12

200

10 8

150

6 100 4 50

2

0

Unterdruck in der Abgasanlage [Pa]

400

0 0

Diagramm 26:

1

2

3

4

5 6 7 Betriebszeit [h]

8

9

10

11

12

Druckverluste im LEVS während des Betriebs. Durch die vergleichbare Höhe des Druckverlusts im LEVS wie bei den herkömmlichen Heizkesseln der Firma HDG Bavaria GmbH, konnte beim Betrieb des LEVS das gleiche Saugzuggebläse verwendet werden. Zwar wird durch die Kombination von Zyklonbrennkammer und Einbautentechnik ein gewisser Druckverlust verursacht, jedoch hat dieser Druckverlust einen positiven Einfluss auf die Stabilisierung der Strömungsverhältnisse im gesamten Heizkessel und somit auf die Qualität der Verbrennung. Die Änderung des Unterdrucks in der Abgasanlage führt nicht zu einer Verschlechterung der Verbrennung aufgrund der Verkürzung der Verweilzeit der Abgase im Heizkessel, wie in herkömmlichen Heizkesseln zu beobachten ist. Das Diagramm 27 zeigt die Verläufe der Konzentrationen von Staub, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid sowie den

128

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Sauerstoffgehalt während der Verbrennung im LEVS bei unterschiedlichen Abgasförderdrücken. 20

20

40

6.000

15

30

4.000

10

2.000

5

8.000

CO O2 CO2

5

0

0

0 0

Diagramm 27:

1

2

3

4 5 Betriebszeit [h]

6

7

8

20

10

Unterdruck in der Abgasanlage [Pa]

10

CO - Konzentration [mg/Vm³]

CO2- und O2-Konzentration [Vol.-%]

15

Staubkonzentration [mg/Vm³]

Staub Unterdruck in der Abgasanlage

0

9

Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und Stäuben bei Variation des Abgasförderdrucks im LEVS. Aus dem Diagramm 27 lässt sich entnehmen, dass die gas- und staubförmigen Emissionen durch die Variation des Abgasförderdrucks sowohl in der Anfahrbetriebsphase als auch in der Regelbetriebsphase nicht negativ beeinflusst wurden. In der Anfahrbetriebsphase wurde der Abgasförderdruck zwischen 4 Pascal und etwa 28 Pascal variiert. In der Regelbetriebsphase wurde für die erste Charge ein Förderdruck von etwa 28 Pascal und für die zweite Charge ein Abgasförderdruck von nur 8 Pascal eingestellt. Es wurde außerdem festgestellt, dass sich die Druckverhältnisse bzw. Druckverluste im LEVS durch die Variation des Abgasförderdrucks nicht bedeutend verändert haben. Zusätzlich zur Zyklonbrennkammer mit der Einbautentechnik spielt das Verbrennungsluftzufuhrsystem eine bedeutsame Rolle für die Stabilität der Verbrennung sowie der Strömungs- bzw. Druckverhältnisse im gesamten LEVS. Eine besondere Rolle spielt dabei die Regulierung der Förderleistung durch das Saugzuggebläse, wodurch kontinuierlich ein definierter Unterdruckbereich im LEVS beibehalten werden kann. Die Förderleistung des Saugzuggebläses wird durch die Regelung bei niedrigem Unterdruck erhöht und bei hohem Unterdruck entsprechend verringert.

6.4

Effizienz und Wirkungsgrad der Verbrennung im LEVS Zur Bewertung von Verbrennungskonzepten sollen nicht nur die Schadstoffemissionen sondern auch die Verbrennungseffizienz betrachtet werden, welche sich vom Wirkungsgrad des Heizkessels unterscheidet. Die

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129

Verbrennungseffizienz VEff beschreibt den Anteil der umgewandelten Energie des Brennstoffs, welcher durch die Verbrennung in Form von Wärme vorliegen kann und sich über Wärmetransportvorgänge (Leitung, Konvektion und Strahlung) übertragen und nutzen lässt. Der Wirkungsgrad des Heizkessels beschreibt den Anteil der Wärme, der vom Wärmeübertrager an das Kesselwasser übertragen und genutzt wird. Gemäß der DIN EN 303-5 lässt sich der Kesselwirkungsgrad, welcher das Verhältnis der abgegebenen nutzbaren Wärmeleistung Q zur Feuerungsleistung QB darstellt, entweder durch eine direkte Methode gemäß der Gleichung 44 oder indirekte Methode gemäß Gleichung 45 berechnen.

K 

Q  100 QB

Gleichung 44

Wobei:

K :

Kesselwirkungsgrad [%].

Q:

Wärmeleistung bzw. vom Heizkessel je Zeiteinheit nach den Anforderungen der DIN EN 303-5 nutzbar abgegebene Wärme(menge) an das Wasser [kW].

QB :

Feuerungsleistung bzw. dem Heizkessel je Zeiteinheit vom Brennstoff zugeführte Wärme(menge), basierend auf dem Heizwert [kW].

K  [1 (q A  qU  qS  qB )] 100

Gleichung 45

Wobei: qA :

Der Verlust durch freie Wärme der Abgase (Relativwert, bezogen auf die Feuerungsleistung QB).

qU :

Der Verlust durch unvollständige Verbrennung (Relativwert, bezogen auf die Feuerungsleistung QB).

qS :

Der Verlust durch Strahlung, Konvektion und Leitung (Relativwert, bezogen auf die Feuerungsleistung QB).

qB :

Der Verlust durch nicht verbrannten Brennstoff in der Asche (Relativwert, bezogen auf die Feuerungsleistung QB).

Gemäß der DIN EN 303-5 müssen Heizkessel einen Mindestwirkungsgrad aufweisen. Für Heizkessel mit einer thermischen Nennwärmeleistung von kleiner als 100 kW darf der Kesselwirkungsgrad den Wirkungsgrad der jeweiligen Klasse gemäß dem Diagramm 28 nicht unterschreiten. Für Heizkessel mit einer thermischen Nennwärmeleistung von über 100 kW werden die Anforderungen für die Klasse 4 auf 84 % und für die Klasse 5 auf 89 % festgelegt. Für Heizkessel der Klasse 3 mit einer thermischen Nennwärmeleistung von über 300 kW werden die Werte auf 82 % festgelegt. 130

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100 Klasse 5, < 100 kW

Kesselwirkungsgrad [%]

95

Klasse 4, < 100 kW Klasse 5, K = 87 + log(Q)

Klasse 3, < 300 kW

90 85

Klasse 4, K = 80 + 2 log(Q)

80

Klasse 3, K = 67 + 6 log(Q)

75 70 65 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Wärmeleistung [kW] Diagramm 28:

Mindestwirkungsgrade von Heizkesseln gemäß DIN EN 303-5. Die Verbrennungseffizienz lässt sich nach der oben erwähnten Definition gemäß der Gleichung 46 bestimmen. Dabei werden nur die Wärmeverluste durch unvollständige Verbrennung qU sowie durch den nicht verbrannten Brennstoff qB in der Asche berücksichtigt bzw. abgezogen.

VEff  [1 (qU  qB )] 100

Gleichung 46

Die Bewertung des Verbrennungskonzepts kann nur durch die Verbrennungseffizienz erfolgen, wobei die Bewertung der konstruktiven Ausführung des Heizkessels bzw. des Wärmeaustauschers gemäß dem Kesselwirkungsgrad durchgeführt wird. Im Kaltstart der Verbrennung ist der Kesselwirkungsgrad, auch bei einer hohen Verbrennungseffizienz, aufgrund hoher Wärmeverluste durch die Aufwärmung der gesamten Heizkesselmasse sowie der Wassermasse im Wärmeaustauscher niedriger als im Temperaturbeharrungszustand, bei dem der Heizkesselwirkungsgrad gemäß der DIN EN 303-5 ermittelt wird. Die Wärmeverluste durch den Heizkessel können mit einer optimierten Konstruktion und Ausführung des Wärmeaustauschers sowie einer guten Dämmung minimiert werden. Die Abbildung 14 zeigt eine thermografische Bildaufnahme zur Erkennung der Wärmeverluste in dem eingesetzten LEVSPrototyp während des Betriebs. Die gelben und roten Flächen sind Stellen mit hohen Wärmeverlusten. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP

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131

Abbildung 14:

Thermografische Bildaufnahme zur Erkennung der Wärmeverluste in dem eingesetzten LEVS-Prototyp während des Betriebs. Zur Verringerung der Wärmeverluste über das Abgas qA beim Betrieb vom LEVS wurde eine Regelschleife entwickelt, welche die thermische Leistung des LEVS ständig kontrolliert und so anpasst, dass diese Verluste unabhängig vom Wärmebedarf, der Effektivität der Wärmeübertragung und den Witterungsverhältnissen minimal gehalten werden kann. Außerdem ist die Primärluftzufuhr so geregelt, dass beim Ausbrand eine hohe Primärluftmenge in das Glutbett zugeführt wird und dadurch ein besserer Abbrand zu gewährleisten ist. Energiehaltige Koksreste wurden nach dem Abbrand nicht festgestellt. Die verbliebene Verbrennungsasche nach dem Abbrand sowie die in der Zyklonbrennkammer gesammelten Stäube haben einen Glühverlust von weniger als 4 Ma.-% aufgewiesen. Die Berechnung des Wirkungsgrads von Heizkesseln mit Chargenbetrieb ist eine große Herausforderung, da sich der Heizwert des beschickten Brennstoffs aufgrund der starken Trocknung sowie teilweisen Vergasung der gesamten beschickten Brennstoffmasse während des Betriebs in einer unbekannten Weise ändert, wodurch die Feuerungsleistung trotz genauer

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Berechnung der Brennstoffabnahme während der Verbrennung nur bedingt ausreichend genau bzw. nur approximativ ermittelt werden kann. Das Diagramm 29 zeigt die Relativwerte der Wärmeverluste bezogen auf die Feuerungsleistung QB beim Betrieb des LEVS mit Buchenscheitholz bei einer durchschnittlichen Feuerungsleistung von ca. 55 kWth und einem Wirkungsgrad von 91,1 %.

Wärmeleistung: QB= 50,1 kWth ≡ 91,1 % von Q

Feuerungsleistung = Q =55 kWth

Wärmeleistung Q

Wärmeverluste: qA= 3,40 kWth ≡ 6,2 % von Q qU= 0,06 kWth ≡ 0,1 % von Q qS= 1,37 kWth ≡ 2,5 % von Q qB= 0,06 kWth ≡ 0,1 % von Q

qA: Wärmeverlust durch freie Wärme der Abgase qU: Wärmeverlust durch unvollständige Verbrennung qS: Wärmeverlust durch Strahlung, Konvektion, Leitung qB: Wärmeverlust durch nicht verbrannten Brennstoff in der Asche

Diagramm 29:

Feuerungsleistung und Wärmeleistung bzw. Relativwerte der Wärmeverluste bezogen auf die Feuerungsleistung bei einem Betrieb vom LEVS mit Buchenscheitholz. Dem Diagramm 29 ist zu entnehmen, dass der Wärmeverlust durch das Abgas qA den größten Anteil am gesamten Wärmeverlust ausmacht. Eine Verringerung dieses Wärmeverlusts ist durch regelungstechnische oder konstruktive Maßnahmen möglich aber aufgrund der Vermeidung der Funktionsstörung des Schornsteins oder Kondensatbildung vor allem im Chargenbetrieb nicht zu empfehlen. Der Wärmeverlust qS durch die Leitung, Konvektion und Strahlung ist relativ gering und lässt sich durch die Verbesserung der Dämmung oder Optimierung der Ausführung des Wärmeaustauschers weiter verringern.

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133

Der Wirkungsgrad des LEVS bei diesem Betrieb liegt bei 91,1 %. Mit diesem Wirkungsgrad sind nicht nur die Anforderungen der DIN EN 303-5 gemäß dem Diagramm 28 sowie der Ökodesignrichtlinie eingehalten, sondern auch Voraussetzungen für eine BAFA- Förderung (Förderung durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) erfüllt. Die Effizienz der Verbrennung gemäß der oben eingeführten Definition bzw. der Gleichung 46 liegt bei 99,9 %. Diese hohe Effizienz ist auf die vollständige Verbrennung vom Brennstoff zurückzuführen, bei der sich weder brennbare Bestandteile von über 98 % der gesamten Verbrennungszeit im Abgas befinden noch energiehaltige Brennstoffreste (Koks) aufgrund unvollständiger thermischer Umsetzung des Brennstoffs im Vergasungsraum verbleiben. 7 7.1

Bewertung des Low-Emission-Verbrennungssystems Bewertung der LEVS-Komponenten auf die Emissionsminderung, die Effizienzerhöhung und die Stabilität des Betriebs In diesem Abschnitt wird der Einfluss der Nachbehandlungsstufe auf die Emissionsminderung, die Leistung der Zyklonbrennkammer zur Abscheidung von Feinstäuben und die Effektivität des Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems im Vergleich zum Gebläse-Zwei-Klappen-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems untersucht.

7.1.1 Einfluss des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems auf die Emissionsminderung Zur Bewertung des Beitrags des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems auf die Verbrennung wurde das LEVS nur mit der Zyklonbrennkammer und Einbautentechnik mit dem herkömmlichen Gebläse-Zwei-Klappen-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem der Firma HDG Bavaria GmbH betrieben. Im Diagramm 30 ist der Sauerstoffgehalt mit den Konzentrationen des Feinstaubs, des Kohlenstoffmonoxids und des Kohlenstoffdioxids bei der Verbrennung von Buchenscheitholz dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Konzentration von Kohlenstoffmonoxid in der Anfahrbetriebsphase in der ersten Stunde des Betriebs auf über 22.000 mg/Vm³ ansteigt und anschließend über längere Zeit über dem Grenzwert der 1. BImSchV von 400 mg/Vm³ liegt. Beim Kaltstart war die Reproduzierbarkeit einer sachgemäßen Verbrennung nicht gegeben. Der Grund dafür ist, dass keine günstige Abstimmung zwischen der Primär- und Sekundärluft durch die träge Regelung der Luftklappen und aufgrund der strömungstechnischen Abhängigkeit zwischen Primär- und Sekundärluft gewährleistet werden kann. Außerdem wurde bei einer Vielzahl von Versuchen festgestellt, dass die Regelung einen Zustand erreicht, bei dem ein starker Mangel an Sauerstoff trotz maximaler Verbrennungsluftzufuhr bzw. minimaler Primärluftzufuhr aufgetreten ist.

134

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20

Staub [mg/Vm3] CO [mg/Vm3] CO-Grenzwert: 400 [mg/Vm3] CO2 [Vol.-%] O2 [Vol.-%]

18.000 16.000

18 16 Ausbrand

14.000

14

12.000

12

10.000

10 1. Charge

8.000

2. Charge

8

6.000

6

4.000

4

2.000

2

0

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Staub [mg/Vm3], O2 und CO2 [Vol.-%]

Kohlenstoffmonoxid [mg/Vm3]

20.000

12

Betriebszeit [h] Diagramm 30:

Emissionen bei dem Betrieb des LEVS (Zyklonbrennkammer und Nachbehandlungsstufe) mit dem Gebläse-Zwei-KlappenVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem. Gleichzeitig ist in Diagramm 30 ersichtlich, dass es sowohl in der Anfahrbetriebsphase als auch in der Regelbetriebsphase zu einem schnellen Absinken der Konzentrationen von Sauerstoff von etwa 6 Vol.-% auf unter 4 Vol.-% und Kohlenstoffdioxid von etwa 13 Vol.-% auf zeitweise unter 9 Vol.-% kommen kann. Diese unvollständige Umsetzung der Biomasse bzw. die Senkung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid in dieser Betriebsphase kann eine Minderung des Wirkungsgrads zwischen 3 % und 5 % verursachen. Durch den Sauerstoffmangel in diesen Betriebsphasen steigt die Konzentration von Kohlenstoffmonoxid auch im Regelbetrieb deutlich über den Grenzwert. Dieser Mangel an Sauerstoff lässt sich auf die schwache Dynamik und hohe strömungstechnische Abhängigkeit der Luftklappen beim Betrieb mit dem Gebläse-Zwei-KlappenVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem zurückführen. Durch die schwache Dynamik können die Luftklappen nicht schnell genug auf einen schlagartigen Mangel an Sauerstoff reagieren, sodass die Konzentrationen von nicht verbrannten Bestandteilen wie beispielsweise Kohlenstoffmonoxid im Abgas ansteigen. Aufgrund der starken strömungstechnischen Abhängigkeit der Primär- und Sekundärluft bei der Verbrennung kann auch bei voller Öffnungsweite der Klappe für die Sekundärluft nicht genügend Sauerstoff in die Nachbrennkammer für eine vollständige Verbrennung zugeführt werden. In dieser Betriebsphase (0,5 h bis 1,0 h) wurden Feinstaubkonzentrationen trotz des Einsatzes der Zyklonbrennkammer und der Einbautentechnik von 80 mg/Vm³ gemessen.

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135

Der Effekt der thermischen Nachbehandlungsstufe (Einbautentechnik) im LEVS ist sowohl in der Regelbetriebsphase als auch beim Ausbrand deutlich zu beobachten. Zwar steigen die Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid beim Auftreten von Sauerstoffmangel in der Regelbetriebsphase von Zeit zu Zeit an, jedoch sind diese auftretenden Spitzen an Kohlenstoffmonoxid dank der Einbautentechnik im Vergleich zu herkömmlichen Vergaserkesseln deutlich geringer. In der Einbautentechnik kann auch bei geringem Sauerstoffgehalt (bis zu 3,8 Vol.-% im Abgas, entspricht einem Lambdawert von 1,2) im Abgas durch intensive Durchmischung eine gute Oxidation von nicht verbrannten Bestandteilen gewährleistet werden. Im Ausbrand bei herkömmlichen Vergaserkesseln steigen die Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid am Ende der Charge (bei ca. 20 % der restlichen Brennstoffmasse im Brennstofffüllraum) langsam an, sodass über längere Zeit hohe Konzentrationen an Schadstoffen und somit hohe Schadstofffrachten freigesetzt werden. Das Verbrennungskonzept in herkömmlichen Vergaserkesseln ist in Abschnitt ‎3.5 ausführlich erläutert. Mit der Einbautentechnik lassen sich die Emissionen im Ausbrand deutlich mindern. Das Diagramm 30 verdeutlicht, dass die Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid im Ausbrand schlagartig ansteigen, während die Konzentration von Kohlenstoffdioxid in dieser Betriebsphase entsprechend rapide absinkt. Das Verbrennungsverhalten lässt sich dadurch erklären, dass der Brennstoff in dieser Betriebsphase fast vollständig verbrannt wurde (weniger als 5 % der gesamten Brennstoffmasse). Der Einfluss der Einbautentechnik beruht darauf, dass die Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid und anderen nicht verbrannten Bestandteilen bis zum Ende der Verbrennung stabil und bei einem geringen Niveau (< 30 mg/Vm³) verweilen. In der Regelbetriebsphase sowie in der Ausbrandphase wurde der Staubgrenzwert (20 mg/Vm³) der 1. BImSchV ohne Probleme eingehalten. Dabei lagen die Staubkonzentrationen zwischen 3 mg/Vm³ und 8 mg/Vm³. In den kritischen Betriebsphasen, bei denen hohe Konzentationen an Kohlenstoffmonoxid entstanden sind wie beispielsweise zwischen der ersten und zweiten Stunde des Betriebs, wurden entsprechend höhere Staubkonzentrationen von bis zu 88 mg/Vm³ ermittelt. In der Tabelle 11 ist ersichtlich, dass durch das Drei-Verbrennungsluftzufuhrund Abgasfördersystem im LEVS niedrigere Emissionen an Kohlenstoffmonoxid, Gesamtkohlenwasserstoffen sowie an Feinstaub erreicht wurden, als mit dem Gebläse-Zwei-KlappenVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem. Zwar können mit dem Gebläse-Zwei-Klappen-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem die Grenzwerte der 1. BImSchV eingehalten werden, jedoch lässt sich mit dem Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem eine deutliche zusätzliche Minderung von nicht verbrannten Bestandteilen im Abgas erzielen.

136

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Tabelle 11:

Vergleich der Emissionen und Verbrennungseffizienz beim LEVS mit dem DreiGebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem sowie mit dem Gebläse-Zwei-Klappen-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem. Anfahrbetrieb

Kategorien

(*)

Regelbetrieb

LEVS mit 3GS

LEVS mit 2KS

LEVS mit 3GS

LEVS mit 2KS

Dauer als Anteil vom gesamten Abbrand [%]

1-2

8 - 15

92 - 98

Kohlenstoffmonoxid [mg/Vm3]

2.000 12.000

8.000 25.000

Gesamtkohlenwasserstoffe, [mg/Vm3]

200 800

Feinstaub gemäß VDI 2066 [mg/Vm3]

20 - 80

Wirkungsgrad im Dauerbetrieb [%]

--

Ausbrand LEVS mit 3GS

LEVS mit 2KS

80 - 90

2-3

2-3

0 - 15

5 - 50

4.800 8.000

5.000 10.000

350 1.000

0-4

5 - 20

5 - 12

20 - 100

20 - 90

4 -6

4-8

0-2

4-8

92

92

--

--

--

3GS: Drei-Gebläsen-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem. 2KS: Gebläse-Zwei-Klappen-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem. (*):

Hier wurde der Heizkessel mit der Zyklonbrennkammer sowie der Einbautentechnik betrieben, um die Vorteile des 3GS ermitteln zu können.

In der Anfahrbetriebsphase entstehen in der Regel die höchsten Emissionen. Der Tabelle 11 ist zu entnehmen, dass die Anfahrbetriebsphase beim Einsatz des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems nur etwa 1 % bis 2 % der gesamten Abbranddauer beträgt, wobei mit dem Gebläse-Zwei-Klappen-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems im LEVS die Anfahrbetriebsphase bis zu 15 % der gesamten Abbrandzeit ausmacht. Mit dem Einsatz des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems ist die Anfahrbetriebsphase nicht nur kürzer, sondern auch die gas- und staubförmigen Emissionen deutlich geringer als beim Gebläse-Zwei-Klappen-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem. In der Regelbetriebsphase zeigen die beiden Systeme vergleichbar niedrige Werte. In der Ausbrandphase wird die Luft beim Einsatz vom Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem gezielter und intensiver in das Glutbett zugegeben, wodurch eine bessere Verbrennung als beim Gebläse-Zwei-Klappen-Verbrennungsluftzufuhr-und Abgasfördersystem erzielt werden kann. Außerdem lässt sich feststellen, dass sowohl beim DreiGebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem als auch beim Gebläse-Zwei-Klappen-Verbrennungsluftzufuhr-und Abgasfördersystem deutlich geringere Emissionen als bei herkömmlichen Heizkesseln dank der Zyklonbrennkammer und der Einbautentechnik erzielt werden können (Vergleiche Tabelle 11 und Tabelle 14) 7.1.2 Einfluss der Nachbehandlungsstufe auf die Emissionsminderung Die Verbesserung des Verbrennungs- und Emissionsverhaltens im LEVS ergibt sich aus der Kombination aus intelligenter Regelung und verbesserter Verbrennungstechnik durch die integrierte Abgasreinigung, wodurch sich biogene Brennstoffe schadstoffarm und effizient verbrennen lassen. Die im Vergasungsraum erzeugten Brenngase werden in der Zyklonbrennkammer und Einbautentechnik im LEVS vollständig oxidiert. Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP

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Die Einbautentechnik hat eine besonders hohe Oxidationsleistung von schweroxidierbaren gas- und staubförmigen Bestandteilen, die in der Regel sowohl hohe Temperaturen (über 700 °C) mit einer längeren Verweilzeit (von mehreren Sekunden) für ihre Oxidation benötigen. Diese Bestandteile werden in der herkömmlichen Verbrennungstechnik nicht thermisch umgesetzt und verbleiben im Abgas als Aerosole bzw. Feinstäube. Ohne die Einbautentechnik werden solche Oxidationsbedingungen nicht realisiert. Durch die raue Oberfläche der Einbautentechnik adhäsieren die schweroxidierbaren organischen Bestandteile an der heißen Oberfläche der Einbautentechnik und werden anschließend aufoxidiert. Um das Potential der Einbautentechnik für die Schadstoffminderung vor allem von Feinstäuben abschätzen zu können, wurde der LEVS-Prototyp sowohl mit als auch ohne Einbautentechnik betrieben. In der Tabelle 12 sind die Mittelwerte der Emissionen und Wirkungsgrade bei den Versuchen mit und ohne die Einbautentechnik im LEVS beim Anfahrbetrieb, Regelbetrieb und Ausbrand als Mittelwerte dargestellt. Tabelle 12:

Emissionen und Wirkungsgrade bei der Verbrennung im LEVS. Anfahrbetrieb

Kategorien

mit Einbautentechnik

ohne Einbautentechnik

Dauer als Anteil vom gesamten Abbrand [%]

1-2

Kohlenstoffmonoxid [mg/Vm3]

Regelbetrieb

Ausbrand

mit Einbautentechnik

ohne Einbautentechnik

1-2

92 - 98

89 - 95

2-3

5-8

2.000 12.000

2.000 15.000

0 - 15

20 - 100

4.8008.000

5.000 15.000

Gesamtkohlenwasserstoffe [mg/Vm3]

200 800

650 1.500

0 -4

5 - 15

5 - 12

20 - 50

Feinstaub gemäß VDI 2066 [mg/Vm3]

20 - 80

20 - 120

4 -6

8 - 11

0-2

6-8

92

90

Wirkungsgrad im Dauerbetrieb [%]

--

--

Mit Einbautentechnik

--

ohne Einbautentechnik

--

Aus der Tabelle 12 kann abgelesen werden, dass die Leistung der Einbautentechnik zur Emissionsminderung deutlich in der Anfahr- und Ausbrandbetriebsphase zu bemerken ist. In der Regelbetriebsphase wurden sowohl mit als auch ohne die Einbautentechnik vergleichbar niedrige Emissionen erreicht. Ohne die Einbautentechnik ließen sich während des Abbrands Emissionsspitzen nicht vermeiden, welche jedoch durch die intelligente Regelung deutlich kleiner sind und nur über kurze Zeit auftreten (Diagramm 30). Eine bemerkbare Verbesserung des Wirkungsgrads durch den Einsatz der Einbautentechnik war nur geringfügig festzustellen. Es wurde lediglich eine Steigung des Wirkungsgrads von 1 % bis 2 % ermittelt. Die besondere Leistung der Einbautentechnik liegt an der Abscheidewirkung von Feinststäuben im Nanometerbereich. Im Rahmen dieses Projekts wurden Feinstaubpartikel an der gleichen Stelle in der Abgasanlage mit und ohne Einbautentechnik beim Betrieb des LEVS-Prototyps durch ein 138

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Partikelzählverfahren ermittelt. Solche Stäube sind für die Menschen besonders gesundheitsrelevant und lassen sich gravimetisch nicht erfassen. Im Diagramm 31 ist die Verteilung der Partikelanzahlkonzentrationen mit und ohne Einbautentechnik beim Betrieb des LEVS-Prototyps im Größenbereich von 5 nm bis 350 nm dargestellt. Aus dem Diagramm 31 lässt sich ablesen, dass durch diese innovative und kostengünstige Technik eine bedeutsame Minderung der Feinststäube erreicht werden kann. Dabei wurden eine Minderung von Feinststaubkonzentrationen zwischen 45 % und 50 % erreicht. 2,00E+09

Partikelanzahlkonzentration dN/dln(dp) [1/cm³]

1,80E+09 1,60E+09

ohne Nachbehandlungsstufe mit Nachbehandlungsstufe

1,40E+09 1,20E+09 1,00E+09 8,00E+08 6,00E+08 4,00E+08 2,00E+08 5,1 6,1 7,2 8,6 10,3 12,3 14,6 17,4 20,8 24,9 29,8 35,7 42,9 51,6 62,2 75,3 91,6 112,0 137,8 171,1 214,6 272,4 350,5

0,00E+00

Partikeldurchmesser [nm] Diagramm 31:

Verteilung der Partikelanzahlkonzentrationen mit und ohne Nachbehandlungsstufe im LEVS. Der Vorteil der Einbautentechnik liegt nicht nur an der Minderung der staubund gasförmigen Emissionen, sondern vielmehr an der Verbesserung der Leistungsmodulation und der Stabilisierung der Verbrennung, wobei auch in kritischen Betriebsphasen vor allem in dem Leistungsmodulationsbetriebszustand im Teillastbetrieb eine sachgemäße Verbrennung gewährleistet werden kann.

7.1.3 Einfluss der Zyklonbrennkammer auf die Feinstaubabscheidung Die neuartige integrierte Zyklonbrennkammer gewährleistet nicht nur die Abscheidung grober Partikel sondern auch von Feinstaubpartikeln im Nanound Mikrometerbereich (Abbildung 15).

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139

Im unteren Teil der Zyklonbrennkammer gesammelte Stäube

Abbildung 15:

Im unteren Teil der Zyklonbrennkammer gesammelte Stäube nach der Verbrennung von circa drei Tonnen Buchenscheitholz (sechs Gitterboxen). Feinstäube werden unter Wirkung thermischer, turbulenter und GradientenAgglomeration agglomeriert und folglich effektiver durch die Flieh- und Schwerkraft abgeschieden. Die in der Zyklonbrennkammer abgeschiedenen Feinstäube wurden hinsichtlich der Korngrößenverteilung untersucht. Das Diagramm 32 zeigt die Konzentrationen sowie die Korngrößenverteilung des in der Zyklonbrennkammer abgeschiedenen Feinstaubs, welcher anhand eines im Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP vorhandenen Abgassimulators untersucht wurde. In dem Diagramm 32 ist ersichtlich, dass die Zyklonbrennkammer die Abscheidung von Feinstäuben im Nanometerbereich (zwischen 75 nm und 350 nm) sehr gut gewährleisten kann. Außerdem sind die Konzentrationen der Feinstäube (Partikel/cm3) bei den generierten Konzentrationen (20 mg/m3) höher bzw. machen 40 % bis 60 % der Konzentrationen aus, die im Abgas in der Regel ermittelt werden können. Die hohe Leistung der Zyklonbrennkammer zur Abscheidung von Feinstäuben ist mit der Begünstigung des Agglomerationsverhaltens der Feinsstäube zu begründen. Im Abschnitt ‎4.3.4.3 ist der Einfluss der Agglomerationen in der Zyklonbrennkammer beschrieben. Außerdem ist im Diagramm 6 der theoretische Abscheidegard (Trennkurve) für die verwendete Zyklonbrennkammer dargestellt.

140

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2,60E+04 Mittelwerte der Zählungmesszyklen

2,40E+04

dN/dlog(dp) in 1/cm³

2,20E+04 2,00E+04 1,80E+04

- Im Abgassimulator eingestellte Staubkonzentrationen: ca. 20 mg/m3 - Trägermedium: Luft bei 25 °C

1,60E+04 1,40E+04 1,20E+04 1,00E+04 8,00E+03 6,00E+03 4,00E+03 2,00E+03

5 6 7 9 11 12 15 17 21 25 30 36 43 52 62 75 92 112 138 171 215 272 351

0,00E+00

Partikeldurchmesser dp [nm] Diagramm 32:

Konzentrationen und Korngrößenverteilung des im Heißzyklon gesammelten Feinstaubs. Die Zyklonbrennkammer hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Energie für den Betrieb benötigt wird. Mit den gleichen Saugzuggebläsen, die in der Regel in herkömmlichen Vergaserkesseln eingesetzt werden, ließ sich der LEVS-Prototyp mit der Zyklonkammer ohne Probleme betreiben. Außerdem wird für den Betrieb keine zusätzliche Energie benötigt. Integrierte Abscheidetechnologien wie die Zyklonbrennkammer im LEVS tragen nicht nur zur Feinstaubabscheidung, sondern auch zur Stabilisierung der Verbrennung und Erhöhung der Modulierbarkeit der thermischen Leistung bei.

7.2

Bewertung der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse Unter Wiederholbarkeit ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die gleichen bzw. ähnlichen Messergebnisse erhalten werden können, wenn der Heizkessel von demselben Nutzer unter praktischen Betriebsbedingungen mehrfach betrieben wird. Die Reproduzierbarkeit bezieht sich hier darauf, dass die gleichen bzw. ähnlichen Ergebnisse erreicht werden, wenn der Heizkessel von mehreren Nutzern mehrfach unter praktischen Betriebsbedingungen betrieben wird. Die Wiederholbarkeit bzw. die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse werden anhand der in der Tabelle 13 dargestellten Betriebsgrößen für die vier typischen Betriebsphasen (Anfahrbetriebsphase, Regelbetriebsphase,

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Nachbeschickungsbetriebsphase und Ausbrandbetriebsphase) beim Betrieb des Heizkessels über mehrere Chargen bewertet. Eine hohe Verbrennungseffizienz lässt sich in allen Betriebsphasen des Heizkessels erreichen. Im Kaltstart ist zwar die Verbrennungseffizienz hoch, aber der Wirkungsgrad des Heizkessels niedriger im Vergleich zu anderen Betriebsphasen. Das ist mit der Aufwärmung des gesamten Heizkessel- bzw. der Wassermasse im Wärmeaustauscher zu begründen. Wärmeverluste über die nicht verbrannten Bestandteile oder über das Abgas sind aufgrund der hochqualitativen Verbrennung bzw. niedrigen Abgastemperaturen dank der innovativen Verbrennungstechnik (Kombination aus Zyklonbrennkammer und Einbautentechnik) geringer als bei den herkömmlichen Vergaserkesseln. Genauere Werte der Wärmeverluste sind im Abschnitt ‎6.4 dargestellt. Tabelle 13:

Bewertung der Wiederholbarkeit und der Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Typische Betriebsphasen bei Vergaserkesseln

Betriebsgrößen

Kategorien

++: - -: +/-:

Verbrennungseffizienz

Anfahrbetriebsphase (Kaltstart) ++

Regelbetriebs -phase ++

Ausbrandphase ++

Nachbeschickungsphase ++

Emissionen

+/-

++

++

++

Regelbarkeit

++

++

++

++

Druckverhältnisse

+/-

++

++

++

Betriebsstabilität

++

++

++

++

Betriebssicherheit

++

++

++

++

Absolut wiederholbar und reproduzierbar. Nicht wiederholbar und reproduzierbar. Nur bedingt wiederholbar bzw. reproduzierbar.

Die staub- und gasförmigen Emissionen in der Anfahrbetriebsphase bzw. im Kaltstart hängen von der Qualität der Anzündung des Brennstoffs ab. Bei einer erfolgreichen bzw. optimalen Anzündung des Brennstoffs dauert die Anfahrbetriebsphase weniger als 6 Minuten, wobei diese Phase bei einer nicht optimalen Anzündung bis zu einer halben Stunde dauern kann. In über 98 % der Fälle beim Betrieb des LEVS-Prototyps wurde mit einer erfolgreichen Anzündung gemäß der Anleitung im Abschnitt ‎4.3.2 gestartet, obwohl die Anzündung manuell betätigt wurde. Mit einem automatischen Anzündsystem sollte die Anzündung sicherer, stabiler und schneller als bei der manuellen Anzündung des Brennstoffs stattfinden. In der Regelbetriebsphase wurden unabhängig von der Art und der Qualität des Brennstoffs bzw. der Beschickung sehr niedrige staub- und gasförmige Emissionen erreicht. Außerdem waren die Emissionen beim Ausbrand bei allen durchgeführten Betrieben deutlich niedriger als die Emissionen bei den herkömmlichen Vergaserkesseln (Abschnitt ‎3.6). Eine sehr gute Regelbarkeit der Verbrennung bzw. des Betriebs sowohl hinsichtlich der erforderten thermischen Leistung als auch hinsichtlich der Deckung des für eine vollständige Verbrennung benötigten 142

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Sauerstoffbedarfs sowie der Einstellung günstiger Druckverhältnisse für eine stabile Vergasung im Heizkessel wurden bei allen Betriebsphasen erreicht. Der eingesetzte Versuchsregler hat ein stabiles und sicheres Verhalten bei allen verwendeten Brennstoffen gezeigt. Durch die funktionelle Trennung der Aufgaben der Verbrennungsluftzufuhrakteure bzw. Gebläse wurde ein stabiler und sicherer Betrieb gewährleistet. Die Betriebsstabilität war unabhängig von der Art und Qualität des eingesetzten Brennstoffs und Beschickungsqualität sowie unabhängig von der Änderung der Rahmenund Betriebsparameter wie z. B. starke Änderung des Unterdrucks in der Abgasanlage oder Änderung der Wärmeabnahme im Wärmeabfuhrsystem hoch. Gefährliche Betriebszustände bei ungünstigen Betriebsfällen wie z. B. Überdruck im Heizkessel oder Überhitzung des Wärmeaustauschers sind beim Sicherheitsprüfungstest gemäß der DIN EN 303-5 nicht aufgetreten. Eine thermische Ablaufsicherung ist für eine erhöhte Betriebssicherheit im Fall eines Stromausfalls bei Vergaserkesseln erforderlich bzw. aufzubauen. 7.3

Ökologische Bewertung des LEVS Der Ausbau der energetischen Nutzung von Biomasse zur Bereitstellung von Wärme und Warmwasser im Haushaltsbereich trägt maßgeblich zum Erreichen der Klimaschutzziele bei. Dieser Effekt kann allerdings nur bei Anwendung innovativer Verbrennungstechnologien erreicht werden, welche die thermische Umsetzung von Biomasse emissionsarm und effizient gewährleisten können. Aufgrund der neuen Emissionsgrenzwerte der 1. BImSchV für Vergaserkessel (seit Januar 2017) werden - bezüglich heutiger Verbrennungskonzepte der Vergaserkessel - Sekundärmaßnahmen zur Abgasbehandlung benötigt. Das hat die Abnahme des Interesses an Biomassefeuerungen durch den Kunden wegen erhöhten Investitions- und Betriebskosten und somit die Abnahme der energetischen Nutzung von Biomasse zur Folge. Der Vorteil der LEVSTechnik für die Vergaserkesselbranche liegt darin, dass auf Sekundärmaßnahmen zur Emissionsminderung verzichtet werden kann, wodurch die Nachfrage nach Vergaserkesseln stark bleibt und aufgrund der kommenden Energiewende in Deutschland zunehmen kann. Außerdem können durch dieses Verbrennungssystem die Effizienz der Verbrennung unterschiedlicher Biomassen deutlich verbessert, und infolgedessen sowohl Kohlenstoffdioxid CO2 aufgrund der Reduzierung des Biomasseverbrauchs als auch andere Treibhausgase gemindert werden. Anhand der Erhöhung der Verbrennungseffizienz sowie der CO2- und Schadstoffminderung ist ein ökologischer und wirtschaftlicher Beitrag zum aktiven Klimaschutz zu leisten, und ein ökologischer sowie umweltfreundlicher Ausbau der energetischen Nutzung der Biomasse zur Bereitstellung von Wärme und Warmwasser mit hoher Akzeptanz zu realisieren. Tabelle 14 zeigt einen Vergleich zwischen dem LEVS und einem Vergaserkessel gemäß dem Stand der Technik hinsichtlich der Emissionen und des Wirkungsgrads im Dauerbetrieb.

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143

Tabelle 14:

Vergleich der Emissionen und des Wirkungsgrads zwischen dem LEVS und einem Vergaserkessel gemäß dem Stand der Technik beim Einsatz von Buchenscheitholz und einer thermischen Leistung von 50 kWth. Anfahrbetrieb

Kategorien LEVS

Kessel (Stand der Technik)

Regelbetrieb

Ausbrand

LEVS

Kessel (Stand der Technik)

LEVS

Kessel (Stand der Technik)

Dauer als Anteil vom gesamten Abbrand [%]

1-2

20 - 30

92 - 98

40 - 65

2-3

15 -25

Kohlenstoffmonoxid [mg/Vm3]

2.000 12.000

15.000 45.000

0 - 15

150 380

4.800 8.000

16.000 25.000

Gesamtkohlenwasserstoffe [mg/Vm3]

200 800

650 1.500

0 -4

20 - 50

5 - 12

50 - 350

Feinstaub gemäß VDI 2066 [mg/Vm3]

20 - 80

1.500 5.000

4 -6

30 150

0-2

10 - 20

92

78

Wirkungsgrad im Dauerbetrieb [%]

--

--

--

--

Der Tabelle 14 ist zu entsnehmen, dass durch die LEVS-Technik eine bedeutsame Minderung des Kohlenstoffmonoxids, der Gesamtkohlenwasserstoffe sowie des Feinstaubs im Vergleich zu den Vergaserkesseln gemäß dem Stand der Technik erzielt werden kann. Die Minderung ergibt sich aus der Optimierung der Verbrennung und aus der starken Verkürzung der problematischen Betriebsphasen wie z. B. Anfahrbetriebsphase und Ausbrandphase. Zusätzlich zur Minderung der Emissionen ist eine Erhöhung des Wirkungsgrads von mindestens 15 % mit einem entsprechenden Brennstoff- und folglich CO2-Ersparnis zu erreichen. Ein besonderer Vorteil des LEVS liegt in der hohen Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit (siehe Abschnitt ‎7.2) der Abbrände bzw. der guten Ergebnisse der Emissionen sowie der Verbrennungseffizienz, welche in herkömmlichen Vergaserkesseln nicht gegeben sind.

144

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8

Entwicklung einer Grundlage für die Regelung des Low-EmissinoVerbrennungssystems Im Rahmen dieses Projekts wurde die Grundlage für eine Regelung des LEVS entwickelt und anhand eines Versuchsreglers sowie einer SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) für den Betrieb des Prototyps umgesetzt und verwendet (Abbildung 16).

3

4

1

2

7 5

Abbildung 16:

6

1:

Industrie PC

2:

Buskoppler

3:

Input- und Outputklemmen (Temperatur- und Druckmessklemmen, Motorklemmen und Energieversorgungsklemmen)

4:

Stromversorgungseinheit

5:

Elektronik der Lambdasonde

6:

Sicherheitsschalter

7:

Stromverteilungsklemmen

Der im Rahmen des LEVS-Projekts eingesetzte Versuchsregler auf Basis von SPS. Bei der Erarbeitung der Regelungsgrundlage wurde festgestellt, dass dank der ausgesuchten Akteure (Kombination aus drei Gebläsen) eine intelligente universal einsetzbare Regelung für den Betrieb vom LEVS realisiert werden kann. Universal bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die normativen und sicherheitstechnischen Anforderungen unabhängig von der Konstruktion des LEVS eingehalten werden sollen. Die Intelligenz beschreibt, dass der Regler komplexe Zusammenhänge erkennt, um dadurch die Aufgaben eines Experten zur Einstellung einer stabilen Verbrennung unterschiedlicher Brennstoffe mit variablen verbrennungstechnischen Eigenschaften bei unterschiedlichen Rahmen- und Betriebsbedingungen zu übernehmen und zu erfüllen.

8.1

Anforderungen an die Regelung zum Einsatz im LEVS Die in Heizkesseln einzusetzenden Regler sollen in der Regel sowohl die betrieblichen und sicherheitsrelevanten Anforderungen der Norm DIN EN 303-5 bzw. der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG einhalten als auch einen stabilen Betrieb gewährleisten, bei dem die immissionsschutzrechtlichen Anforderungen der 1. BImSchV mit einer effizienten Verbrennung im Praxisbetrieb sicher erfüllt werden können.

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145

Folgende Funktionen sollen gemäß den im Fraunhofer-Institut für Bauphysik erworbenen Erfahrungen und Erkenntnissen durch diesen Regler gewährleisten werden: − Stabiler und emissionsarmer Betrieb, wodurch eine deutliche Minderung von Schadstoffkonzentrationen in Wohngebieten erreicht werden soll. − Einsatz eines intelligenten statt strategischen stationären Regelkonzepts. Die heutigen eingesetzten Regelungssysteme für Biomasseheizkessel agieren lediglich strategisch und nicht intelligent. Die strategische Regelung reagiert auf den aktuellen Betriebszustand bzw. auf einzelne Betriebsparameter. Dadurch können Betriebsphasen mit hohen Konzentrationen nicht verbrannter gasund staubförmiger Emissionen aufgrund fehlender regelungstechnischer Zusammenhänge zwischen den Regelakteuren auftreten. Eine intelligente Regelung kann anhand von den ermittelten Betriebsparametern schlechtere und ungünstige Betriebsphasen vorhersehen und diesen rechtzeitig mit Hilfe von entsprechenden Regelalgorithmen entgegenwirken. − Druckregelung im Heizkessel, wodurch gleichzeitig stabile Strömungsverhältnisse für eine stabile Vergasung unabhängig von dem eingesetzten Brennstoff, der Überwindung von Strömungswiderständen und der Vermeidung gefährlicher Betriebszustände gewährleistet werden sollen. − Hohe Leistungsmodulation des Heizkessels bei niedrigen Emissionen und hohen Wirkungsgraden. Hier soll auch in ungünstigen Betriebszuständen, wie in der Anfahrbetriebsphase oder im Teillastbetrieb, in denen normalerweise hohe Emissionen entstehen, eine sachgemäße Verbrennung gewährleistet werden. − Hohe Flexibilität gegenüber dem Einsatz unterschiedlichster biogener Brennstoffe wie z. B. Scheitholz, Hackschnitzel, Gärreste, Holzspäne und sonstigen biogenen Restbrennstoffen. − Erfüllung der Anforderung der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und Prüfnorm DIN EN 303-5 für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb in der Praxis. − Nachrüstbarkeit in allen bekannten Technologien der Scheitholzvergaserkessel, die mit dem Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem ausgestattet sind, sowie die Eignung für handautomatische und handbeschickte Heizkessel. Bei der Entwicklung des intelligenten Universalreglers werden handelsübliche Sensoren (Lambdasonde, Pt 100 usw.) und Aktoren (Verbrennungsluftzufuhr- und Saugzuggebläse) eingesetzt. Dadurch kann das gesamte System (Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem mit dem geplanten Regler) kostengünstig und mit hoher Akzeptanz seitens der Industrie umgesetzt werden.

146

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8.2

Entwicklungsumgebung, Hard- und Software für die Entwicklung und praktische Umsetzung der LEVS-Regelung Für den Betrieb des LEVS-Prototyps wurde eine speicherprogrammierbare Steuerung SPS der Firma Beckhoff Automation GmbH verwendet. Diese Entwicklungs- und Programmiermethode zeichnet sich dadurch aus, dass sie sich flexibel hinsichtlich der Erfassung und der Verwaltung von Regelgrößen (Ein- und Ausgangssignale) gestalten lässt, wodurch die Programmierung während eines laufenden Betriebs ohne Gefährdung erfolgen kann. Die Besonderheit der SPS liegt an der Entwicklungsumgebung TwinCAT, welche die Programmierung in unterschiedlichen Programmiersprachen ermöglicht und sich auf entsprechende Mikrocontroller übertragen lässt. Gemäß der erarbeiteten Grundlage für die Regelung des LEVS ist zwischen vier Regelblöcken (Regelblöcke für: Primärluftgebläse, Sekundärluftgebläse, Saugzuggebläse und Zuluftklappe bzw. BELIMO-Klappe) mit den Akteuren sowie zwischen den Sensoren und Regelgrößen zu unterscheiden. Die regelungstechnischen Zusammenhänge zwischen den Regelakteuren und Regelgrößen sind ausführlich in Tabelle 15 zusammengefasst. Bei dem Regelungskonzept ist zwischen drei unterschiedlichen Gruppen von Regelungsgrößen zu unterscheiden: Die erste Gruppe regelt den Verbrennungsprozess bzw. den Betrieb des Heizkessels hinsichtlich: − niedriger Emissionen durch die Einhaltung des Sauerstoffgehalts im Abgas im bestimmten Bereich (5,2 Vol.-% bis 5,6 Vol.-%), in dem die Verbrennung vollständig abläuft. Die Einstellung des Sauerstoffgehalts erfolgt durch das Sekundärluftgebläse als Regelakteur. − Einstellung einer günstigen Kesseltemperatur im Bereich zwischen 80 °C bis 83 °C, bei der niedrige Emissionen und ein hoher Wirkungsgrad zu erreichen sind. Die Regulierung der Kesseltemperatur erfolgt über das Primärluftgebläse als Regelakteur. − Einstellung günstiger Druckverhältnisse, bei denen eine stabile Vergasung und somit Verbrennung erfolgen kann. Als Regelakteur ist hier das Saugzuggebläse zu nennen, das außerdem die Überwindung des Druckverlusts und die sichere Förderung des Abgases aus dem Heizkessel gewährleisten muss. Die zweite Gruppe der Regelungsgrößen sorgt für einen effizienten Betrieb des Heizkessels. Besonders wichtig ist es, hohe Abgastemperaturen (beispielsweise > 180 °C) sowie Betriebszustände mit sehr niedrigen oder hohen Sauerstoffgehalten (7,0 Vol.-% 87 °C, soll das Primärluftgebläse ausgeschaltet werden. Das Sekundärluftgebläse wird im Regelbetrieb unabhängig von der Kesseltemperatur geregelt. In einem einzigen Fall, in dem das Sekundärluftgebläse nach Kesseltemperatur regelt, ist im Überlastbetrieb, bei dem die Kesseltemperatur über 90 °C ansteigt. In diesem Betriebszustand läuft das Sekundärluftgebläse mit voller Förderleistung, bis die Kesseltemperatur unter 90 °C sinkt. Dadurch sollen gefährliche Betriebszustände wie z. B. hoher Wasserdruck im Kessel und thermische Belastung des Kessels vermieden werden. Für einen schnellen Start des Kessels läuft das Hauptsaugzuggebläse solange mit voller Leistung, bis die Kesseltemperatur unter 45 °C und der Sauerstoffgehalt unter 19,5 Vol.-% absinkt. Dadurch kann der Kessel günstige Oxidationstemperaturen innerhalb von weniger als 6 Minuten erreichen.

Mit der BELIMO-Luftklappe kann der Primärluftkanal im Havariefall oder bei Kesseltemperaturen > 90 °C komplett verschlossen werden. Beim Verschließen des Primärluftkanals wird die Vergasung gestoppt und folglich die Leistung des Heizkessels stark gedrosselt, sodass die Kesseltemperatur schnell absinkt und gefährliche Betriebsphasen vermieden werden.

Druck Um sichere und günstige Druckverhältnisse im Heizkessel während des Betriebs einzustellen, überprüft das Primärluftgebläse den Druck im Vergasungsraum. Wenn das Hauptsaugzuggebläse 90 % seiner Förderleistung erreicht hat und trotzdem kein Unterdruck im Kessel erreicht wird, reduziert das Primärluftgebläse seine Leistung in einem bestimmten Maß, bis der gewünschte Unterdruck erreicht wird.

Keine relevante Regelgröße für das Sekundärluftgebläse.

Die einzige Aufgabe des Hauptsaugzuggebläses ist es den Druck im Kessel in einem bestimmten Bereich einzustellen, sodass der Strömungswiderstand im Kessel überwunden und das produzierte Abgas bei der Verbrennung aus dem Kessel sicher gefördert werden kann.

Keine relevante Regelgröße für die BELIMO-Luftklappe.

Keine relevante Regelgröße für die BELIMO-Luftklappe.

Keine relevante Regelgröße für das Hauptsaugzuggebläse.

Keine relevante Regelgröße für das Sekundärluftgebläse.

Die Abgastemperatur hängt von der thermischen Leistung des Heizkessels ab. Bei einer Erhöhung der thermischen Leistung und somit der Förderleistung des Primärluftgebläses steigt die Abgastemperatur. Wird die thermische Leistung bzw. die Förderleistung des Primärluftgebläses reduziert, sinkt die Abgastemperatur ab. Mit steigender Abgastemperatur sinkt der Wirkungsgrad des Heizkessels ab. Aus diesem Grund soll das Primärluftgebläse bei Abgastemperaturen beispielsweise > 180 °C soweit gedrosselt werden, bis die Abgastemperatur sinkt.

Abgastemperatur

Regelgrößen

Um starken Sauerstoffmangel bzw. die Bildung von explosionsfähigen Gemischen und hohen Emissionen während des Betriebs zu vermeiden, soll die BELIMOLuftklappe beim Erreichen von Sauerstoffkonzentrationen von kleiner als 3 Vol.-% die Primärluftöffnung schließen. Die Vermeidung dieses Betriebszustands sorgt auch für die Verbesserung der Effizienz der Verbrennung durch die Reduzierung von chemischen Verlusten (Energiegehalt von nicht verbrannten Bestandteilen) im Abgas.

Keine relevante Regelgröße für das Hauptsaugzuggebläse.

Der Sauerstoffgehalt im Abgas wird durch die Förderleistung des Sekundärluftgebläses reguliert. Er ist eine Größe zur Beschreibung des Luftüberschusses im Abgas in Heizkesseln. Bei einem geringen Sauerstoffgehalt liegt ein niedriger Luftüberschuss vor, wodurch die Oxidation von nicht verbrannten Bestandteilen im Abgas nicht vollständig ablaufen kann. Steigt der Sauerstoffgehalt im Abgas, vergrößert sich der Luftüberschuss, wobei das Abgas so stark abgekühlt wird, sodass keine vollständige Oxidation mehr stattfinden kann. Gemäß den Erfahrungen am Fraunhofer IBP soll der Sauerstoffgehalt zwischen 5,2 Vol.-% und 5,8 Vol.-% liegen.

Um Sauerstoffmangel, wie z. B. beim Einsatz von losen und/oder sehr trockenen Brennstoffen, die intensiv vergast werden können zu vermeiden, schaut das Primärluftgebläse nach dem Sauerstoff im Abgas sowie nach der Förderleistung des Sekundärluftgebläses. Wenn das Sekundärluftgebläse 90 % seiner Förderleistung erreicht hat und ein Sauerstoffgehalt im Abgas von unter 5 Vol.-% festgestellt wird, reduziert sich die Förderleistung des Primärluftgebläses in einem bestimmten Maß, so dass Sauerstoffmangel und folglich eine unsachgemäße Verbrennung vermieden werden kann. Das Gleiche erfolgt, wenn das Sekundärluftgebläse seine minimale Förderleistung erreicht und es trotzdem einen hohen Sauerstoffüberschuss im Abgas gibt. In diesem Fall erhöht das Primärluftgebläse seine Leistung in einem bestimmten Maß, so dass die Vergasung intensiviert wird und dadurch die Verbrennung schadstoffarmer und effizienter stattfinden kann.

Sauerstoffgehalt

Zusammenhänge zwischen den Regelakteuren und Regelgrößen bei der Regelung des Verbrennungsprozesses im LEVS.

Die dritte Gruppe der Regelgrößen sorgt für einen sicheren Betrieb, bei dem keine gefährlichen Betriebszustände auftreten sollten, wie Überhitzung vom Heizkessel (Kesseltemperatur > 87 °C), starker Sauerstoffmangel (O2 < 4 Vol.-%) bzw. Explosionsgefahr, Austreten von Abgasen in den Wohnbereich aufgrund von Überdruck bzw. Leckagen und Unterschreitung von Taupunkttemperaturen im Kesselbereich, wodurch Korrosionsgefahr entstehen kann. Die Gewährleistung der Betriebssicherheit ergibt sich aus den Interaktionen zwischen den Regelakteuren. Zwar sind die Regelblöcke des Versuchsreglers für eine dynamische und schnelle Regelung unabhängig voneinander gestaltet, aber es besteht eine regelungstechnische Kommunikation zwischen den Regelakteuren, sodass die Überforderung eines Akteurs durch das ungünstige Verhalten eines anderen Akteures vermieden wird. Beispielsweise wird die momentane Förderleistung des Sekundärluftgebläses sowie des Saugzuggebläses von dem Primärluftgebläse stetig geprüft. Wenn das Sekundärluftgebläse 90 % seiner Förderleistung erreicht hat und der Sauerstoffgehalt im Abgas trotzdem niedrig ist, reduziert das Primärluftgebläse seine Förderleistung, um Sauerstoffmangel und somit hohe Emissionen bei der Verbrennung zu vermeiden. Das Gleiche erfolgt, wenn das Sekundärluftgebläse seine minimale Förderleistung erreicht und es trotzdem einen hohen Sauerstoffüberschuss im Abgas gibt. In diesem Fall erhöht das Primärluftgebläse seine Leistung so weit, dass die Vergasung intensiviert wird und dadurch die Verbrennung schadstoffärmer und effizienter stattfinden kann. Gemäß dem Regelungskonzept soll der Regler nicht nur für das LEVSVerbrennungskonzept, sondern für alle bekannten Technologien der Holzvergaserkessel geeignet und nachrüstbar sein, die sowohl mit dem Gebläse-Zwei-Klappen-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem sowie mit einem Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem ausgestattet sind. Auch mit den veralteten Verbrennungstechnologien der Holzvergaserkessel lässt sich dank des innovativen Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems sowie des intelligenten Regelungskonzepts eine massive Reduzierung der Emissionen sowie Erhöhung der Effizienz im Praxisbetrieb erreichen. 8.3

Besonderheiten und Vorteile des Regelungskonzepts Die Neuheiten des erarbeiteten Regelungskonzepts ergeben sich aus dem neuen Verbrennungsluftzufuhrsystem (Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem) mit seinen Regelakteuren, die dem Regler folgende Charakteristika und Vorteile verleihen: − Bei dem Regelungskonzept handelt es sich um eine intelligente Regelung mit einer schnellen Reaktionszeit (im Mikrosekundenbereich), wodurch eine vollständige und effiziente Verbrennung unabhängig von den verbrennungstechnischen Eigenschaften des eingesetzten Brennstoffs sowohl in der

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Regelbetriebsphase als auch in der Kaltstartphase gewährleistet werden kann. Hierbei sollen schlechte Betriebsphasen rechtzeitig durch die intelligenten Regelungsalgorithmen erkannt werden, bevor diese entstehen können. Der intelligente Regler besitzt eine besondere Fähigkeit, aus den ermittelten Parametern (Eingangs- und Ausgangssignale sowie momentane Leistung der Regelakteure) eine logische Schlussfolgerung bzw. Entscheidung für die Regelung zu ziehen und rechtzeitig umzusetzen. − Das Regelungskonzept zeichnet sich durch vier getrennte Regelblöcke aus, welche über einfache Regelalgorithmen bzw. Regelschleifen verfügen. Durch diese Unterteilung kann die Regelung sowohl schneller als auch einfacher gestaltet und angepasst werden. − Bei der Regelung sind drei Gruppen von Regelgrößen definiert, die nicht nur für die Regelung des Verbrennungsprozesses sondern vielmehr für die Gewährleistung eines sicheren Betriebs des Heizkessels sowie einer hohen Effizienz zuständig sind. − Die Regelung ermöglicht eine Interaktion zwischen den Regelakteuren, wodurch Regelprioritäten definiert und in der Software so angeordnet werden können, dass ein sicherer und effizienter Betrieb gewährleistet werden kann. − Der Regler mit dem Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem ist universal einsetzbar. Unabhängig von der technischen Ausführung der Primär- und Sekundärluftkanäle, der Konstruktion des Vergasungsraums mit der Nachbrennkammer sowie der Abgaswege lässt sich das Drei -Gebläse-Verbrennungsluftzufuhrund Abgasfördersystem mit dem Regler so sicher einsetzen, dass die Anforderungen der DIN EN 303-5 und der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG eingehalten werden können. − Mit der Regelung lassen sich unterschiedliche Brennstoffe wie Scheithölzer aus Fichte oder Buche und sonstige biogene Restbrennstoffe flexibel und schadstoffarm verbrennen. − Der Regler ermöglicht eine hohe Modulation der Leistung von Heizkesseln, sodass sowohl im Regelbetrieb als auch beim Teillastbetrieb vergleichbar niedrige Emissionen und hohe Wirkungsgrade erreicht werden können. Es ist zu erwähnen, dass für die Umsetzung des konzipierten Reglers keine neuen Sensoren benötigt werden. Die gleichen, in herkömmlichen Vergaserkesseln eingesetzten Sensoren können für die Regelung des DreiGebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems eingesetzt werden.

150

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8.4

Effektivität und Regelbarkeit des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems Die Regelung der Verbrennungsluftzufuhr in Vergaserkesseln stellt eine große Herausforderung unabhängig von dem eingesetzten Verbrennungsluftzufuhrsystem dar. Vergaserkessel können verbrennungskonzeptbedingt nicht mit einer konstanten thermischen Leistung über die gesamte Verbrennungszeit betrieben werden. Das liegt an der ungleichmäßigen Vergasung vom Brennstoff bzw. vom Holz während des Betriebs. Während in der Anfahrbetriebsphase eine intensive Vergasung mit entsprechendem Brennstoffverbrauch entsteht, findet sie in der Regelbetriebsphase kontrollierter statt, wodurch die Regelung der thermischen Leistung modulierbarer und feiner erfolgen kann. Am Ende der Brennstoffcharge findet eine starke Vergasung statt, da der Rest des Brennstoffs aufgrund der hohen Temperaturen im Brennstofffüllraum sehr trocken wird. Die Vergasung beim Chargenbetrieb wird außerdem durch die Art sowie die morphologischen und verbrennungstechnischen Eigenschaften des Brennstoffs beeinflusst. Hier gilt, je feiner, trockener und energiereicher der Brennstoff ist, umso intensiver und unkontrollierter kann die Vergasung stattfinden. Die oben beschriebene Dynamik der Vergasung erfordert den Einsatz eines Verbrennungsluftzufuhrsystems mit entsprechenden Regelakteuren und einer intelligenten Regelung, wodurch nicht nur die starken Änderungen am Sauerstoffbedarf während des Betriebs erkannt sondern auch eine entsprechend schnelle Einstellung der Regelakteure für eine schadstoffarme Verbrennung vorgenommen werden können. Gebläse als Regelakteure haben den Vorteil, dass die Verbrennungsluftzufuhr mit direkten Regelgrößen (Drehzahl) geregelt werden kann, wodurch eine hohe Effektivität der Regelung zu gewährleisten ist. Ein wichtiger Aspekt bei der Regelung der Verbrennungsluftgebläse liegt in der Auswahl einer günstigen Reaktionsgeschwindigkeit sowie eines Regelschritts der Gebläseförderleistung beim Empfangen von Signalen aus den Sensoren (Lambdasonde, Kesseltemperatur, Drucksensor usw.). Diese beiden Faktoren müssen so ausgesucht werden, dass die Verbrennung stabil, vollständig und sicher erfolgen kann. Bei der Regelung sind die folgenden drei Größen durch die Akteure einzustellen. − Eine günstige Kesseltemperatur (zwischen 80 °C und 83 °C) für einen effizienten Betrieb des Vergaserkessels (Regelakteur: Primärluftgebläse). − Ein günstiger Lambdawert, bei dem weder Sauerstoffmangel noch Sauerstoffüberschuss bei der Verbrennung auftreten dürfen (Regelakteur: Sekundärluftgebläse). − Ein Unterdruck im gesamten Heizkessel (Regelakteur: Saugzuggebläse).

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Diagramm 33 verdeutlicht das Regelverhalten von dem Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem bei einem 18-stündigen Betrieb des LEVS-Prototyps. Im Diagramm 33 ist ersichtlich, dass es mit dem verwendeten Versuchsregler gelungen ist, einen sicheren stabilen Betrieb des LEVS-Prototyps zu erreichen. Dabei konnte eine definierte günstige Kesseltemperatur (zwischen 80 °C und 83 °C) für einen effizienten, Betrieb trotz langer Betriebszeit, eingestellt werden. Ein Lambdawert von 1,3 für eine schadstoffarme und vollständige Verbrennung konnte problemlos eingestellt werden. Ein Sauerstoffmangel bzw. -überschuss während des Betriebs ist dank der intelligenten und durchdachten Regelalgorithmen nicht aufgetreten. Die Konzentrationen des Kohlenstoffmonoxids lagen im Regelbetrieb deutlich unter 20 mg/Vm3. Eine Feinstaubkonzentration von unter 5 mg/Vm3 ließ sich über den gesamten Betrieb problemlos erreichen. 10

Primärluftmenge [Nm3/h] Sekundärluftmenge [Nm3/h] Kesseltemperatur [°C) Lambda

80

9 8 7

60

6 5

40

4 3

20

Lambdawert [--]

Volumenströme [Nm³/h], Kesseltemperatur [°C]

100

2 1

0

0 0

Diagramm 33:

1

2

3

4

5

6

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Betriebszeit [h]

Einstellung der Primär- und Sekundärluft für die Einhaltung einer günstigen Kesseltemperatur von ca. 83 °C und eines Lambdawerts von 1,3. Dem Diagramm 33 ist zu entnehmen, dass das Verhalten vom Primär- und Sekundärluftgebläse sehr dynamisch ist. Dabei sind starke Schwankungen der zugeführten Primär- und Sekundärluftmengen festzustellen. Die starken Schwankungen der Sekundärluftmenge liegen im Minutenbereich und ergeben sich aus Schwankungen der Menge und Qualität des Brenngases während des Betriebs. Das Sekundärluftgebläse versucht einen Lambdawert von 1,3 einzustellen, so dass die Verbrennung vollständig stattfinden kann. Die Schwankungen des Primärluftgebläses liegen ebenfalls im Minutenbereich und ergeben sich hauptsächlich durch die Regelung des Unterdrucks im Heizkessel. Das Primärluftgebläse überprüft stetig die erreichte Leistung des Saugzuggebläses nach dem verwendeten

152

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Regelkonzept. Erreicht das Saugzuggebläse 85 % seiner Förderleistung ohne den definierten Unterdruckbereich (-30 bis -150 Pascal) im Heizkessel einstellen zu können, drosselt das Primärluftgebläse seine Förderleistung soweit ab, bis ein Unterdruck im Heizkessel eingestellt werden kann, ohne die Vergasung negativ zu beeinflussen. 9

Umsetzbarkeit des Low-Emission-Verbrennungssystems in der Praxis Automatisch geregelte bzw. motorisch betriebene Vergaserkessel sind gemäß der DIN EN 303-5 sowie gemäß der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG vor dem Inverkehrbringen zu prüfen. Außerdem müssen sie die Emissionsund Effizienzanforderungen der 1. BImSchV sowie zukünftig gemäß der Ökodesignrichtlinie einhalten (siehe Abschnitt ‎3.1), bevor sie in Deutschland vermarktet werden dürfen. Für eine sichere und hohe Umsetzbarkeit müssen alle Bestandteile der Verbrennungstechnik die sicherheitstechnischen Anforderungen jeweiliger Prüfnormen erfüllen sowie aus wirtschaftlichen Gründen eine Mindestlebensdauer aufweisen. Die praktische Umsetzbarkeit des Low-Emission-Verbrennungssystems wird in diesem Abschnitt auf Basis der erworbenen Betriebserfahrungen bzw. Forschungsergebnisse aus einer technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Sichtweise betrachtet und bewertet. Bei dem LEVS handelt es sich um eine innovative Verbrennungstechnik mit einem neuartigen Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem sowie einer integrierten zweistufigen Abgasreinigung, welche aus einem Fliehkraftabscheider (Zyklonbrennkammer) mit einem nachgeschalteten thermischen Oxidationsverfahren (Einbautentechnik) besteht. Bei der Konzeptionierung und der technischen Umsetzung des LEVS wurde eine Kombination aus konstruktiven und regelungstechnischen Maßnahmen zur Schadstoffminderung und Effizienzerhöhung verwendet. Das Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr-und Abgasfördersystem und somit der Vergaserkessel lassen sich mit den herkömmlichen Sensoren (Lambdasonde, Temperaturfühler und Druckmesssensor) regeln. Die Regelung kann außerdem mit der konventionellen Soft- und Hardwaretechnik programmiert und betrieben werden. Die Akteure des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr-und Abgasfördersystems ermöglichen den Einsatz einer intelligenten Regelung, welche die Verbrennung unterschiedlicherer Brennstoffe mit variablen verbrennungstechnischen Eigenschaften ohne jegliche Einstellung durch den Nutzer gewährleistet. Die Besonderheit des LEVS liegt in der integrierten, natürlich funktionierenden Abgasreinigungs- und -behandlungstechnik, welche für ihren Betrieb weder motorische bzw. elektronische Antriebe noch eine Regelung oder direkte Stromversorgung benötigt. Diese integrierte Technik wird vor dem Wärmeaustauscher eingebaut und verfügt über ein natürliches Wirkungsprinzip, das einen nachhaltigen Effekt zur Minderung der staubund gasförmigen Schadstoffemissionen sowie eine bedeutsame Erhöhung der Verbrennungseffizienz vor allem im Praxisbetrieb gewährleistet.

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Das Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem sowie die integrierte Abgasreinigungstechnik sollen sich mit den verfügbaren Kompetenzen und den üblichen maschinellen Einrichtungen der Heizkesselhersteller ohne erhöhte Kosten implementieren lassen. Ein höherer Aufwand bei der Typprüfung gemäß dem DIN EN 303-5 oder der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG aufgrund zusätzlicher Sicherheitsanforderungen, wie z. B. beim Einsatz von kombinierten oder integrierten Elektroabscheidern, ist nicht notwendig. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass die benötigten Bestandteile (Gebläse, Sensoren, Einbauten, Zyklonbrennkammer) zur Herstellung des LEVS Standardprodukte sind und einfach auf dem deutschen und europäischen Markt zu erwerben sind. Die Lebensdauer dieser Bestandteile lässt sich mit der Lebensdauer der technischen Bestandteile vergleichen, die in herkömmlichen Vergaserkesseln verwendet werden. Die Einbauten sowie die Zyklonbrennkammer müssen aus temperaturbeständigen Materialien wie z. B. hochtemperaturbeständiger Keramik bestehen, so dass eine minimale Lebensdauer von 5 Jahren für die Zyklonbrennkammer sowie von mindestens 2 Jahre für die Einbautentechnik gewährleistet werden können. Ein besonderer Vorteil der integrierten Abgasreinigung liegt in dem konstanten Druckverlustverhalten während der Nutzung. Dieses stabile Druckverlustverhalten führt zu einem sicheren Betrieb in der Praxis ohne Bedarf an zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen. Der in der Zyklonbrennkammer sowie in der Einbautentechnik erhöhte Strömungswiderstand lässt sich mit den Standardgebläsen der Vergaserkessel überwinden und führt zur Stabilisierung der Strömungsverhältnisse im Heizkessel während der Verbrennung und unabhängig von dem Betriebszustand, wodurch nicht nur eine schadstoffarme sondern auch eine effiziente Verbrennung stattfinden kann. Durch die innovativen technischen Prozessstufen bzw. Bestandteilen des LEVS werden sowohl die staub- als auch die gasförmigen Schadstoffemissionen vor allem in den kritischen Betriebsphasen (Anfahrbetriebsphase, Ausbrandbetriebsphase und Teillast) bzw. beim Einsatz von problematischen Brennstoffen massiv reduziert. Die ökologischen Vorteile des LEVS liegen nicht nur in der Verbesserung der Verbrennungseffizienz, sondern auch in der Minderung der gesamten Schadstoffemissionen, welche sich unabhängig von dem eingesetzten Brennstoff und der Bediengungsqualität erreichen lassen. Dabei ist eine Minderung der staub- und gasförmigen Emissionen von mindestens 98 % im Praxisbetrieb zu gewährleisten, wodurch auf Sekundärmaßnahmen für die Einhaltung der Kohlenstoffmonoxid- und Staubgrenzwerte gemäß der 1. BImSchV sowie der Ökodesignrichtlinie verzichtet werden kann. Das führt nicht nur zur Kostenersparnis sondern auch zur Erhöhung der Akzeptanz von solchen Verbrennungstechnologien. Nur dank der Kombination der Zyklonbrennkammer mit der Einbautentechnik lässt sich eine hohe Modulation der thermischen Leistung des Heizkessels mit gleichzeitig schadstoffarmer und effizienter Verbrennung beim Einsatz unterschiedlicher Brennstoffe mit variablen verbrennungstechnischen Eigenschaften erzielen.

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10 Verwertung der erzielten Ergebnisse Die Firma HDG Bavaria GmbH sowie weitere Heizkesselhersteller haben großes Interesse an der Vermarktung der LEVS-Technik gezeigt. Für die Verwertung dieser innovativen und zukunftsträchtigen Verbrennungstechnik hat die Firma HDG Bavaria GmbH einen dreistufigen vorläufigen Umsetzungsplan aufgestellt. Dieser vorläufige Umsetzungsplan ist in der Abbildung 17 dargestellt und soll bei der Entwicklung eines praxistauglichen Reglers sowie nach einer Dauererprobung des NullSerienprodukts in der Praxis in den folgenden Zeiträumen realisiert werden: −

Entwicklung des LEVS

2016 – 2017:

Umsetzung der Einbautentechnik.

−

2016 – 2018:

Umsetzung der Einbautentechnik mit der Zyklonbrennkammer.

−

2017 – 2019:

Umsetzung des kompletten LEVS: Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem, Zyklonbrennkammer und Einbautentechnik.

2014 -2016 Entwicklung des LEVS Entwicklung des Verbrennungskonzepts des Low-EmissionVerbrennungssystems (LEVS) mit der Grundlage einer geeigneten Regelung. Das LEVS-Projekt wurde erfolgreich und plangemäß abgeschlossen.

Entwicklung des Universalreglers mit der Umsetzung des kompletten LEVS

Umsetzung des LEVS Einbautentechnik mit der Zyklonbrennkammer 2016 -2017 Einbautentechnik Im ersten Schritt wird die Einbautentechnik in den bestehenden Vergaserkesseln, EURO-Typ der Firma HDG Bavaria integriert. Die Integrierung der Einbautentechnik in bestehende Vergaserkessel lässt sich einfach umsetzen, da für den Einsatz der Nachbehandlungsstufe keine Regelung oder Weiterentwicklung der bestehenden Produktserie benötigt wird. Außerdem ist der Einsatz der Einbautentechnik preiswert (< 10 € /Kessel) und mit geringen technischen Risiken verbunden.

2016 -2018 Einbautentechnik mit ZyklonBrennkammer Mit dem Ziel der Dauererprobung bzw. Belastung des Materials der Zyklon-Brennkammer sowie der Einbautentechnik werden fünf Nullserienprodukte (handbeschickte Vergaserkessel) hergestellt. Diese Nullserienprodukte sollen anschließend in privaten Haushalten während des Praxisbetriebs dauererprobt werden. Hier wird der herkömmliche Regler der Firma HDG Bavaria verwendet. Zwar können mit dem bestehenden Verbrennungsluftzufuhrsystem der Firma HDG Bavaria konventionelle Scheithölzer sachgemäß verbrannt werden, jedoch ist eine schadstoffarme Verbrennung von biogenen Brennstoffen mit ungünstigen verbrennungstechnischen

2017 -2019 Komplettes LEVS: Einbautentechnik, Zyklonbrennkammer und 3-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem Erst nach der Entwicklung eines geeignet Reglers für LEVS soll das erste Serienprodukt der Firma HDG Bavaria mit dem kompletten Verbrennungskonzept des LEVS hergestellt und nach einer erfolgreichen Dauererprobung im häuslichen Betrieb anhand von NullSerienprodukten auf den deutschen Markt gebracht werden. Durch den zusätzlichen Einsatz des geregelten 3-Gebläse-Systems können zusätzlich zu den konventionellen Scheithölzern auch weitere biogene Brennstoffe sachgemäß verbrannt werden

Eigenschaften nur bedingt möglich.

erfolgreich erforscht

Abbildung 17:

Forschungsbedürftig

Vorläufiger Umsetzungsplan der Firma HDG Bavaria GmbH für die Verwertung der Forschungsergebnisse des LEVS-Projekts. Die Firma HDG Bavaria GmbH hat eine etablierte Vergaserkesseltechnik, die sie seit Jahren auf dem deutschen und europäischen Markt erfolgreich vertreibt. Eine sofortige Umstellung der Produktion bzw. Umsetzung der

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LEVS-Technik ist aus technischen, wirtschaftlichen und unternehmerisch politischen Gründen nicht möglich und benötigt zusätzlich zu einem wirtschaftlich und technisch überzeugenden Konzept eine Mindestvorlaufzeit. Für die Einführung eines neuen ausgereiften Produkts bzw. Heizkessels auf dem Markt ist eine Zeit von fünf Jahren üblich. Konzept-, Material- und Produktionsfehler müssen aus technischen und wirtschaftlichen Gründen durch langzeitige Forschung und durch Untersuchungen unter realen und praktischen Einsatzbedingungen vermieden werden. Beispielsweise führen Materialfehler in der Brennkammer zu massiven wirtschaftlichen Verlusten, die in der Regel von kleinen und mittleren Unternehmen nicht ohne schwere Konsequenzen getragen werden können. Technische Fehler in der Regelung, welche im Rahmen einer üblichen Ersttyprüfung gemäß DIN EN 303-5 oder durch eine technische Risikoanalyse unter Laborbedingungen nur bedingt festgestellt werden, können zu massiven Schäden oder Personengefährdungen in Haushalten führen. Die Vermarktung der Projektergebnisse bzw. die vollständige Umsetzung des LEVS hängt von der Entwicklung eines geeigneten praxistauglichen Reglers sowie langzeitiger Untersuchung des Materials der Einbautentechnik sowie der Zyklonbrennkammer unter realen Betriebs- und Einsatzbedingungen ab. Ohne die Entwicklung eines praxistauglichen Reglers, welcher die Anforderungen der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und der Norm DIN EN 303-5 erfüllt und die Verbrennung unterschiedlicher Brennstoffe mit variablen verbrennungstechnischen Eigenschaften ermöglicht, wird das LEVS nur bedingt bzw. sehr eingeschränkt umgesetzt. Aufgrund des in den letzten drei Jahren rückgängigen Marktes für Biomassefeuerungsanlagen sind die kleinen und mittleren Unternehmen wie die Firma HDG Bavaria GmbH nicht in der wirtschaftlichen Lage solche forschungsbedürftigen und intensiven Projekte selbst zu finanzieren. Die Entwicklung einer praxistauglichen Regelung und Dauererprobung des LEVS in der Praxis sollten im Rahmen von weiteren öffentlich geförderten Projekten durchgeführt werden. Öffentlich geförderte Projekte haben gegenüber den Industrieprojekten den Vorteil, dass die erreichten Ergebnisse von jedem Unternehmen zur Verfügung gestellt werden können. Aufgrund des großen Potentials der LEVS-Technik bzw. dieses Verbrennungskonzepts zur Effizienzerhöhung sowie Minderung der staub- und gasförmigen Emissionen wird dieses Konzept auf automatisch beschickten Hackschnitzelheizkessel übertragen bzw. verbrennungs- und regelungstechnisch weiterentwickelt.

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11 Zusammenfassung und Ausblick/ Summary and Outlook Die Bereitstellung von sicheren unabhängigen Energiequellen zur ökologischen und ökonomischen Versorgung der Industrie sowie der Haushalte in Deutschland mit Strom und Wärme ist ein wesentliches politisches Ziel und stellt eine der höchsten Prioritäten der Energiewirtschaft in Deutschland dar. Biomasse ist ein wichtiger und vielseitiger erneuerbarer Energieträger in Deutschland und lässt sich in fester, flüssiger und gasförmiger Form energetisch verwerten, wodurch sie zur Realisierung der kommenden Energiewende in Deutschland und zum Klimaschutz beitragen kann. Die Suche nach alternativen regional verfügbaren Energiequellen wie Biomasse soll aufgrund der nicht vorhersehbaren Preisentwicklung und der Knappheit der fossilen Energieträger zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die verstärkte energetische Nutzung der Biomasse darf andererseits nicht zur Erhöhung der gesundheitsgefährdenden Schadstoffemissionen in Wohngebieten führen und erfordert die Entwicklung von innovativen Verbrennungstechnologien, die nicht nur eine ökonomische und ökologische Energiebereitstellung gewährleisten sondern auch so modern und technisch aufgebaut werden müssen, dass sie sich in die bestehenden intelligenten Energiemanagementsysteme in Gebäuden bzw. sonstigen Einrichtungen integrieren lassen. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein innovatives Verbrennungssystem (sogenanntes LEVS: Low-Emission-Verbrennungssystem) zum Einsatz in Vergaserkesseln entwickelt und erfolgreich dauererprobt. Das LEVS unterscheidet sich von den Verbrennungstechnologien der herkömmlichen Vergaserkessel durch das Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem mit der intelligenten Regelung, durch die Zyklonbrennkammer und durch die Einbautentechnik. Diese drei Innovationen gewährleisten sowohl eine hohe Verbrennungseffizienz als auch eine stabile, emissionsarme Verbrennung in allen Betriebsphasen beim Einsatz unterschiedlicher Festbrennstoffe. Bei der ersten Projektphase wurde das LEVS anhand einer Versuchsverbrennungsanlage auf dem Prüfstand unter Berücksichtigung der Anforderungen der DIN EN 303-5 sowie der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG entwickelt. Im Rahmen der Prüfstandsmessungen wurde die Grundlage für die Auslegung der LEVS-Komponenten sowie die Grundlage für die automatische Regelung erforscht und unter definierten praktischen Bedingungen validiert. Außerdem wurden die technischen Empfehlungen für den Betrieb des LEVS mit dem Wärmeabfuhrsystem sowohl auf dem Prüfstand als auch in der Praxis erarbeitet. Nach der Prüfstandsentwicklung und auf Basis der erworbenen Erfahrungen und Ergebnisse wurde die Versuchsverbrennungsanlage ausschließlich technisch modifiziert und daraus ein Prototyp für die Dauererprobung des LEVS und für die Optimierung des Versuchsreglers hergestellt.

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Bei der Erprobung des LEVS wurde Buchenholz, Fichtenholz und Holzhackschnitzel mit zwei unterschiedlichen Qualitäten eingesetzt. Zur Entwicklung und Bewertung des LEVS im Dauerbetrieb wurden Untersuchungen zu dem Verbrennungs- und Abbrandverhalten, der Effektivität und der Regelbarkeit des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhrund Abgasfördersystems, dem strömungstechnischen Verhalten sowie dem Emissionsverhalten beim langzeitigen Betrieb des Low-EmissionVerbrennungssystems durchgeführt. Diese Untersuchungen wurden mit unterschiedlichen Betriebs- und Brennstoffkonstellationen so oft durchgeführt, dass die Wiederholbarkeit und die Reproduzierbarkeit der Messungen bewertet werden können. Bei den Vergaserkesseln bzw. zweistufigen Verbrennung beim Chargenbetrieb findet die thermische Umsetzung des Brennstoffs ungleichmäßig statt. In der Startbetriebsphase direkt nach der Anzündung erfolgt eine intensive Trocknung sowie Vergasung des Brennstoffs aufgrund hoher Temperaturen im Brennstofffüllschacht. Mit der Betriebszeit während der Charge sinkt die Intensität der Vergasung langsam ab und stabilisiert sich in der Regelbetriebsphase. Am Ende der Brennstoffcharge steigt die Vergasungsintensität wieder an, da der Brennstoffrest im Füllschacht mit der Betriebszeit während des Abbrands stark getrocknet ist. Die Feuchte, der Heizwert (Energiedichte) und die Stückigkeit des Brennstoffs spielen die Hauptrolle bei der Stabilität der Vergasung und folglich der Verbrennung. Je größer die Brennstoffscheite sind, umso trockener sollten sie sein, um ein Brenngas mit günstigen verbrennungstechnischen Eigenschaften für eine stabile und vollständige Verbrennung produzieren zu können. Bei der Verbrennung von Scheithölzern mit einem Feuchtegehalt von größer als 14 Ma.-% sollte ein Glutbett mit einer bestimmten Höhe vorhanden sein. Die erforderliche Höhe steigt mit zunehmendem Wassergehalt an. Scheithölzer mit einem Wassergehalt von größer als 18 Ma.-% sollten in Vergaserkessel unabhängig von der verfügbaren Glutbetthöhe nicht eingesetzt werden. Hackschnitzel können mit einem Wassergehalt bis 40 Ma.-% in Vergaserkesseln verfeuert werden. Im Rahmen des Projekts wurden Hackschnitzel entweder in Anwesenheit vom Glutbett oder auf Scheithölzer beschickt, so dass die Anzündung sicher gewährleistet werden konnte. Im Kaltstart wurde Hackschnitzel aufgrund fehlendem automatischen Anzündsystem nicht verwendet. Das Verbrennungsverhalten hängt von dem Vergasungsverhalten des Brennstoffs ab. Hier gilt, je feiner und trockener der Brennstoff ist, umso intensiver wird er vergast und desto höher steigt der Heizwert des Brenngases und somit die Qualität der Verbrennung an. Im Rahmen dieses Projekts wurde die Grundlage für die Auslegung und Regelung des Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems entwickelt und validiert. Für eine hohe Betriebssicherheit und Regelbarkeit des Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems muss die Förderleistung der Gebläse genau berechnet werden. Die nötige Förderleistung des

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Primärluftgebläses muss für schwer pyrolysierbare Brennstoffe wie z. B. feuchte (17 Ma.-% < Wassergehalt < 20 Ma.-%) harte Hölzer für den Kaltstart des Vergaserkessels festgelegt werden. Das Sekundärluftgebläse soll so ausgelegt werden, dass der Sauerstoffbedarf bei der Verbrennung von sehr trockenen und feinen Brennstoffen gedeckt werden kann. Die Förderleistung des Saugzuggebläses soll für die Einstellung eines ausreichenden Unterdrucks mit stabilen Strömungsverhältnissen sowie für die Überwindung des Strömungswiderstands im gesamten Heizkessel ausreichend sein. Das Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem mit dem auf Basis von SPS entwickelten Versuchsregler hat eine sehr stabile, emissionsarme Verbrennung vor allem in kritischen Betriebsphasen und beim Einsatz von für den Chargenbetrieb ungünstigen Brennstoffen wie z. B. Hackschnitzel gewährleistet. Besonders wichtig war die Regelung der Kesseltemperatur bzw. die thermische Leistung für einen effizienten Betrieb des Heizkessels sowie die feine Einstellung des für eine vollständige Verbrennung nötigen Sauerstoffs trotz hoher Dynamik der Vergasung während der Verbrennung von feinen Hölzern und Hackschnitzeln. Die ausgesuchte Kombination aus dem Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem, der Zyklonbrennkammer und der Einbautentechnik hat zu einer sachgemäßen Verbrennung mit sehr niedrigen staub- und gasförmigen Emissionen geführt. Dabei wurden unabhängig vom eingesetzten Brennstoff Konzentrationen an Kohlenstoffmonoxid von kleiner als 20 mg/Vm3, an Gesamtkohlenwasserstoffe (gemessen als Propan CnHm) von kleiner als 2 mg/Vm3 und an Staub von kleiner als 5 mg/Vm3 über mehr als 95 % der gesamten Abbrandzeit (Anfahrbetriebsphase, Regelbetriebsphase, Nachbeschickungsphase und Ausbrandphase) gemessen. Ein Einfluss auf die Stickstoffoxide durch das LEVS konnte nicht festgestellt werden. Die niedrigeren Stickstoffoxide im Vergleich zu anderen Verbrennungskonzepten der Biomasseheizkessel sind auf die gestufte Verbrennung zurückzufuhren. Die maßgebliche Emissionsminderung durch das LEVS ergibt sich aus der Verbesserung der Verbrennung in kritischen Betriebsphasen wie z. B: Anfahrbetriebsphase, Nachbeschickungsphase und Teillastbetriebsphase. Die Anfahrbetriebsphase, bei der in herkömmlichen Vergaserkesseln über 90 % der gesamten Emissionen entstehen, wurde beim Betrieb vom LEVS drastisch verkürzt sowie die Emissionsspitzen massiv (um circa das 4-fache) reduziert. Bei erfolgreicher Anzündung dauert die Anfahrbetriebsphase im Kaltstart des LEVS weniger als sechs Minuten bei höchsten Konzentrationen an Kohlenstoffmonoxid von weniger als 12.000 mg/Vm3, wobei diese Betriebsphase bei herkömmlichen Vergaserkesseln bis zu 90 Minuten bei Konzentrationen an Kohlenstoffmonoxid von bis 50.000 mg/Vm3 andauern kann. Die minimale Reduzierung der staub- und gasförmigen Emissionen im Praxisbetrieb durch das LEVS im Vergleich zu herkömmlichen Vergaserkesseln beträgt 87 %. Mit dem LEVS wurden nicht nur sehr niedrige staub- und gasförmige Emissionen in über 95 % der verbrannten Betriebschargen mit einer sehr

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hohen Wiederhol- und Reproduzierbarkeit erreicht, sondern auch eine hohe Verbrennungseffizienz, unabhängig vom Betriebszustand und von den eingesetzten Brennstoffen gewährleistet. Die Erhöhung der Verbrennungseffizienz ergibt sich bei dem LEVS aus der regelungstechnisch kontrollierten Abgastemperatur, der ständig sauberen Wärmeaustauschfläche dank der Vorabscheidung von Flugaschen und Stäuben in der Zyklonbrennkammer sowie aus der Minimierung der energiehaltigen Bestandteile durch die vollständige Verbrennung. Ein Kesselwirkungsgrad von über 91 % lässt sich im Nennlastbetrieb erreichen. Ausgehend vom Praxisbetrieb lässt sich eine minimale Erhöhung des Wirkungsgrads von 15 % mit entsprechenden Brennstoff- und CO2Ersparnissen gewährleisten. Der Gesamtdruckverlust im LEVS lag unter 300 Pascal. Dabei entsteht der Hauptdruckverlust durch den Strömungswiderstand in der Zyklonbrennkammer. Weniger als 15 % des gesamten Druckverlusts wird durch die Einbautentechnik verursacht. Mit dem Standardsaugzuggebläse der Firma HDG Bavaria GmbH wurde der Druckverlust im LEVS reibungslos überwunden sowie günstige Strömungsverhältnisse im Heizkessel für eine stabile Vergasung und somit optimale Verbrennung eingestellt. Für einen sicheren und praxistauglichen Betrieb sind konstante Strömungsverhältnisse über eine längere Betriebszeit (mindestens 2.500 Betriebsstunden) von großer Bedeutung, welche beim Betrieb des LEVS sichergestellt wird. Eine unkontrollierte Druckverlusterhöhung in der Einbautentechnik wegen der Verstopfung mit Rückständen ist vor allem beim Einsatz von problematischen Brennstoffen wie z. B. feuchtes (Wassergehalt > 20 ma.-%) Fichtenholz nicht aufgetreten bzw. ist über lange Betriebszeit auszuschließen. Der Strömungswiderstand durch die Zyklonbrennkammer sowie durch die Einbautentechnik hat zur Stabilisierung der Strömungsverhältnisse im gesamten LEVS beigetragen, wodurch der Einfluss von ungünstigen Unterdruckschwankungen in der Abgasanlage, wie es häufig im Praxisbetrieb vorkommt, total eliminiert werden kann. Dabei hat der Unterdruck in der Abgasanlage keinen Einfluss auf die Mengen und Verteilung der zugeführten Verbrennungsluft und folglich auf die Verbrennungsqualität aufgewiesen. Für die vielseitige und effiziente Verwertung der Forschungsergebnisse wurde der LEVS-Prototyp mit dem bestehenden Gebläse-Zwei-KlappenVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem bzw. mit dem bestehenden Standardregler der Firma HDG Bavaria GmbH betrieben. Zwar wurde keine schnelle Absenkung der Emissionen in der ersten Betriebsstunde im Kaltstart, wie beim Einsatz des Drei-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems, erreicht, aber das System zeigte eine sehr stabile Verbrennung in den anderen Betriebsphasen. Ein Sauerstoffmangel trat ab und zu während der Regelbetriebsphase auf und wurde von dem Regler innerhalb von weniger als fünf Minuten korrigiert. Beim Einsatz von ungünstigen Brennstoffen wie z. B. im Fall von feinen und

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trockenen Hölzern war eine vollständige Verbrennung aufgrund des starken Sauerstoffmangels nur bedingt zu erreichen. Im Rahmen des LEVS-Projekts ist es gelungen und bewiesen, dass mit dem Einsatz von integrierten und Primärmaßnahmen nicht nur die Grenzwerte der 1. BImSchV im Dauerpraxisbetrieb eingehalten und bis zum Vierfachen des Feinstaubs bzw. bis zum Zwanzigfachen des Kohlenstoffmonoxids unterschritten werden können, sondern auch mehr kostengünstige und konkurrenzfähige Verbrennungstechnologien zur thermischen Verwertung von Biomassen und sonstigen biogenen Brennstoffen produziert werden können. Der im Rahmen dieses Projekts verwendete Versuchsregler wurde soft- und hardwaretechnisch auf Basis von SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) erfolgreich entwickelt. Für die Verwertung der Projektergebnisse ist für die Entwicklung eines praxistauglichen intelligenten Universalreglers auf Basis der Drei-Gebläse-Verbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystem äußerst notwendig. Dieser Regler soll die betrieblichen und sicherheitsrelevanten Anforderungen der Norm DIN EN 303-5 bzw. der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG einhalten sowie einen stabilen Betrieb gewährleisten, so dass die immissionsschutzrechtlichen Anforderungen der 1. BImSchV mit einer effizienten Verbrennung im Praxisbetrieb sicher erfüllt werden können. Die nötige regelungstechnische Grundlage mit einem Versuchsregler wurde im Rahmen des LEVS-Projekts entwickelt. Diese sehr wichtige Grundlage soll für die Entwicklung eines Universalreglers zur Regelung des Verbrennungsprozesses in allen Heizkesseln auf Basis des 3-GebläseVerbrennungsluftzufuhr- und Abgasfördersystems des LEVS verwendet werden. Außerdem ist ein Praxistest des LEVS mit dem Regler über mindestens zwei Heizperioden im Rahmen von Null-Serien-Produkt sehr wichtig, um ein sicheres Produkt ohne wirtschaftliche und technische Risiken auf den Markt zu bringen. Die Entwicklung des Universalreglers für LEVS mit der Dauererprobung in der Praxis soll im Rahmen von Folgeprojekten erfolgen. Die Vorteile des LEVS-Verbrennungskonzepts lassen sich auf die automatisch beschickten Heizkessel zur Verfeuerung von Hackschnitzel und sonstigen biogenen Brennstoffen übertragen. Mit der LEVS-Technik sollen die Grenzwerte der 1. BImSchV ohne jegliche Sekundärmaßnahmen eingehalten werden. Die ökonomischen Vorteile dabei können deutlich bei Heizkesseln mit einer thermischen Leistung kleiner als 100 kW festgestellt werden bzw. bei denen sich eine gut und sicher funktionierende Filtertechnik nur bedingt wirtschaftlich realisieren lässt. An der Weiterentwicklung und Erforschung der LEVS-Technik für automatisch beschickte Heizkessel sind mehrere Unternehmen interessiert. Ein Folgeprojekt befindet sich mit der Firma HDG Bavaria GmbH in der Planung.

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Summary and Outlook One of the main priorities and an essential political objective of energy economy in Germany has been the provision of safe and independent sources of energy for an ecological and economic supply with heat and electricity. Within this context, Biomass, as a renewable energy source in Germany, is an important and versatile energy carrier and can be energetically recovered in solid, liquid and gaseous form. It may contribute to the realization of the coming energy policy in Germany as well as to the climate protection worldwide. The search for alternative regionally available energy sources, such as biomass, is gaining increasingly importance due to the unpredictable price development and the scarcity of fossil fuels. However, the increased energy use of biomass must not lead to an increase in harmful pollutant emissions in residential areas and should promote the development of innovative combustion technologies which not only ensure an economic and ecological energy supply but also have to be modernized and regulated in such a way that they can be integrated into the existing intelligent energy management systems in buildings or other facilities. Within the scope of this project, an innovative combustion system, the socalled LEVS: Low-Emission Combustion System was developed and successfully tested for the use in gasification boilers. When compared to the other conventional gasification boilers, the LEVS is distinguished by the intelligently controlled three-fan-combustion air supply and exhaust gas system, the cyclone combustion chamber and the internals technology. These three innovations ensure both high combustion efficiency and stable, low-emission combustion in all operating phases for different solid fuels. During the first phase of this project, LEVS had been developed using a rough-scale experimental incineration plant, taking into account the requirements of DIN EN 303-5 and the Machinery Directive 2006/42 / EC. Within the scope of the test bench measurements the basic lay-outs of LEVS components as well as the basis for the automatic control system were researched and validated under real operation and defined practical conditions. Furthermore, the technical recommendations for operating LEVS with the heat dissipation system were developed both on the test stand and in practice. After this phase of intensive test-based development, the experimental incineration plant was technically modified. Upon on it, a prototype was constructed for a long-term testing of LEVS as well as for the optimization of the test controller. For the development and assessment of LEVS in continuous operation, investigations were conducted on the combustion and burn-up behavior using beech-, spruce wood and wood chips. Further properties such as the effectiveness and controllability of the three-fan-combustion air supply and exhaust gas system and the properties of the aerodynamic gas flow as well as the emitted emissions during the long-term operation of the low-emission combustion system were also

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investigated. These investigations had been carried out so often with different operating and fuel constellations that the repeatability and reproducibility of the measurements can be assessed. In gasification boilers or the two-stage combustion systems during batch operation, the gasification of the fuel takes place unevenly. During the startup phase immediately after the ignition, intensive drying and gasification of the fuel occurs due to high temperatures. When feeding, the intensity of the gasification decreases slowly but it stabilizes again in the regular operation phase. At the End of each fuel batch, the gasification intensity increases again due to the very dried fuel residue in the filling shaft. The humidity, the calorific value and the quantity of the fuel used have a big influence on the stability of the gasification and, consequently, the combustion. The larger the wood log is, the drier it has to be in order to produce a fuel gas with favorable combustion characteristics for a stable and complete combustion. In case of logs combustion with a moisture content of more than 14 Ma.-%, a firebed with a certain height should be present. The required height increases with increasing the water content. Logs with a water content of more than 18 Ma.-% should not be used in gasification boilers regardsless of the available ember bed height. Wood chips can be fired with water content up to 40 Ma.-% in gasification boilers. In the course of the project, woodchips were fed either in the presence of the ember bed or on wood logs to ensure a safe ignition. In the cold starting phase, wood chips were not used due to the lack of an automatic ignition system. The combustion behavior depends on the gasification behavior of the fuel. In this regard the finer and drier the fuel is, the more intensively it is gasified and the higher is the calorific value of the fuel gas and thus the quality of the combustion enhances. The basis for designing and regulation of the three combustion air fans was developed and validated. The delivery capacity of the combustion air supply and exhaust gas system should be precisely calculated for a high operational reliability and controllability. The necessary delivery of the primary air fan must be determined for the hard to pyrolyzed fuels, such as moist hard wood (17 Ma.-% < water content < 20 Ma.-%) for the cold start of the gasification boiler. The secondary air fan should be designed such that the oxygen demand is covered during the combustion by very dry and fine fuels. The delivery capacity of the induced draught fan should be sufficient for setting a suitable underpressure as well as overcoming the flow resistance throughout the entire boiler. The three-fan combustion air supply and exhaust gas system with test controller, which is developed on the basis of PLC (programmable logic controller), ensures a very stable and low-emission combustion especially in the critical operating phases such as the start-up phase and also when using fuels that are unfavorable for batch operation. The control of the boiler temperature and of the thermal capacity was particularly important for an efficient operation of the boiler as well as the fine adjustment of the oxygen required for a complete combustion despite the high dynamics of the gasification during the combustion of fine wood and wood chips.

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The combination of the three-fan combustion air supply and exhaust system, the cyclone-combustion chamber and the internals technology has led to low-emission combustion with very low dust- and gaseous emissions. Irrespective of the fuel used, concentrations of carbon monoxide of less than 20 mg / Vm3, of total hydrocarbons (measured as propane CnHm) of less than 2 mg / Vm3 and of fine dust of less than 5 mg / Vm3 over more than 95 % of the total burning time (Start-up operating phase, regular operating phase, post-charge phase and burn-out phase). There was no influence on the nitrogen oxides due to the LEVS. The lower nitrogen oxides compared to other combustion concepts of biomass boilers are due to stepped combustion. The relevant emission reduction through LEVS results from the improvement of the combustion in critical operating phases such as: start-up phase, post-charge phase and partial-load operation phase. Through LEVS, the start-up phase, which produces over 90% of the total emissions in the conventional gasification boilers, was drastically shortened and the emission peaks were massively reduced as well. In the case of successful ignition, the cold start-up phase of LEVS lasts for less than six minutes with concentrations of carbon monoxide of less than 12,000 mg / Vm3. This operating phase, in conventional gasification boilers, can last up to one and a half hours with concentrations of carbon monoxide up to 40,000 mg / Vm3. Through LEVS, the minimum reduction of dust and gaseous emissions, in practice, is 87% compared to conventional gasification boilers. Through LEVS, very low dust and gaseous emissions over 95% of the burnt batches with very high repeatability and reproducibility were achieved. Furthermore, LEVS can ensure high combustion efficiency regardless of the operating condition and the fuel used. The increase in combustion efficiency results from the technical regulation of exhaust gas temperature and the constantly clean surfaces of heat exchanger due to the pre-separation of fly ashes and dusts in the cyclone-combustion chamber, as well as the minimization of the energy-containing components by complete combustion. A boiler efficiency of more than 91% can be achieved in nominal load operation. In practice, a minimum increase of the efficiency of 15% with corresponding fuel and CO2 savings can be guaranteed. The total pressure loss in LEVS was below 300 Pascals. The main pressure loss originates from the flow resistance in the cyclone-combustion chamber. Less than 15 % of the total pressure losses are caused throughout the internal technology. With the standard draught fan, manufactured by HDG GmbH, the pressure loss throughout LEVS can be smoothly overcome and thus favorable flow conditions in the boiler are created for a stable gasification and consequently optimum combustion. For safe and applicable operation constant flow condition are of great importance over a longer operating time (at least 2,500 operating hours) and this has been ensured during operating the LEVS. An uncontrolled pressure drop increase in the internals, due to the clogging with residues, does not occur also when using problematic fuels such as moist (water content > 20 Ma.-%) spruce wood. The flow resistance throughout the cyclone-combustion chamber as well as

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throughout the internals contributes to the stabilization of the flow conditions in the entire LEVS. In addition, the influence of unfavorable underpressure fluctuations in the exhaust system, as it is often in practice, can be totally eliminated. The negative pressure in the exhaust gas system has no influence on the quantities and distribution of the combustion air supplied and consequently on the combustion quality. For an efficient and a wide-range utilization of the research results, the LEVS prototype was operated with the existing two-valve combustion air supplyand exhaust gas system as well as with the existing standard controller of the HDG Bavaria GmbH. Although a rapid reduction in emissions during the first operation hour of the cold start was not achieved, as it was the case with the three-fan combustion air supply and exhaust gas system, the system showed a very stable combustion in the other operating phases. An oxygen deficiency occurred during the regular operation and was corrected by the controller within less than of 5 minutes. When using unfavorable solid fuels, such as fine and dry wood, a complete combustion could only be conditionally achieved due to the high oxygen demand. Within the framework of the LEVS project, it has been achieved and proven, that the use of the integrated primary measures (cyclone-combustion chamber and the internals), not only can ensure compliance with the limit values of the 1st BImSchV in continuous operation and also achieve up to four times-reduction in fine dust as well as up to twenty times for carbon monoxide, but also can offer more cost-effective and competitive combustion technologies for the thermal utilization of biomass and other biogenic fuels. The test controller used in this project has been successfully developed on the basis of software and hardware of PLC (programmable logic controller). The development of a practical intelligent universal controller based on the three-van combustion air supply and exhaust gas system is extremely necessary for the utilization of the project results. This controller is intended to comply with the operational and safety-relevant requirements of the standard DIN EN 303-5 and the machinery guideline 2006/42 / EC as well as to ensure a stable operation so that the emission control law requirements of the 1 BImSchV can be safely met with efficient combustion in practice. The necessary regulatory basis of the test controller has been developed as part of the LEVS project. This basis is very important for the development of a universal controller based on the three-fan combustion air systems of the LEVS in order to regulate the combustion process in all gasification boilers. In addition, within a framework of zero-series product, it is very important to test the LEVS with the controller in practice over at least two heating seasons in order to produce a safe product without any economic and technical risks. The development of this universal controller for LEVS with the long-term testing in practice is to be carried out as a part of a follow-up project.

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The advantages of the LEVS technology or the combustion concept can be transferred to automatically fed boilers for burning wood chips and other biogenic fuels. With the LEVS technology, the limit values of the 1st BImSchV are met without any secondary measures. The economic advantages of this concept can be clearly demonstrated in automatically fed boilers with thermal capacities of less than 100 kW, in which a wellfunctioning and cost-effective filter system cannot be economically implemented. Several companies are interested in the development of the LEVS technology for automatically fed boilers. A follow-up project with HDG Bavaria GmbH is being planned.

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