Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Vorstudie zur Entwicklung eines St\u00fcckholzheizkessels mit dem Ziel, die neuesten Erkenntnisse der drei Hochschulpartner zur Realisierung eines zukunftsweisenden Holzverbrennungsstandards 2015 synergetisch zu vereinigen. Die Grundlagen f\u00fcr eine solche Entwicklung auf den Gebieten Verbrennungstechnik, Sensorik und Regelung der Zuluftstr\u00f6me, Oxidationskatalyse und Prozessautomatisierung (Monitoring) sollten in dieser Vorstudie zusammen mit Industriepartnern (St\u00fcckholzkessel-Hersteller, Sensorhersteller, Hersteller von Informationssystemen) gem\u00e4\u00df dem Arbeitsprogramm erarbeitet werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEvaluierung der wichtigsten, marktverf\u00fcgbaren St\u00fcckholzkesselkonstruktionen nach dem Stand der Technik insbesondere hinsichtlich der verf\u00fcgbaren Emissionsdaten – Gegen\u00fcberstellung der Daten aus Normpr\u00fcfverfahren und aus Messungen im praxisnahen Betrieb.
\n\tStudien zur Optimierung der Brennr\u00e4ume und zur Vermeidung von Verbrennungsst\u00f6rungen,
\n\tAnalyse der in Frage kommenden Sensorik zur Bestimmung der Restsauerstoffkonzentration und des CO\/HC-Gehalts im Abgas,
\n\tExperimentelle Evaluierung der Sensor-Eigenschaften anhand von Sensitivit\u00e4tsmessungen unter Beaufschlagung von Modellgasen,
\n\tWeiterentwicklung eines Gassensorchips zur Messung der Restsauerstoff- und CO\/HC-Konzentration,
\n\tStudie zu alternativen Oxidationskatalysatoren,
\n\tVorstudie zur Definition der Merkmale eines Feuerungsmonitors und zu dessen Realisierung.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Eine wirksame Absenkung der Schadgas- und Feinstaubemissinen von St\u00fcckholz-Heizkesseln wird durch die Verbesserung der Verbrennungsbedingungen, die mittels Abgassensoren optimierte Zuluftregelung, die Integration eines Oxidationskatalysators und den vorausschauenden Betrieb der Verbrennungsanlage erwartet.
\nVerbrennungstechnik: Nach Erarbeitung des \u00dcberblicks \u00fcber den Stand der Technik der am Markt verf\u00fcgbaren St\u00fcckholz-Heizkessel und nach Zusammenstellung der verf\u00fcgbaren Daten hinsichtlich der Emissionen von Schadgasen (CO, VOC, PAK, etc.) und von Feinstaub konnte zweifelsfrei festgestellt werden, dass die anhand von Normpr\u00fcfverfahren ermittelten Emissionswerte im Vergleich zu den praxisrelevanten teilweise um mehr als eine Gr\u00f6\u00dfenordnung niedriger sind. Eine wirksame Verbesserung der Emissionssituation wird in der Homogenisierung der Zuluftstr\u00f6me, der (sensorischen) Erkennung und automatisierten aktorischen Vermeidung von Verbrennungsst\u00f6rungen und in der Verbesserung der Durchmischung der Pyrolysegase mit der Sekund\u00e4rluft gesehen. Vorschl\u00e4ge hierzu wurden erarbeitet.
\nSensorik: Aus Vorarbeiten war bereits bekannt dass eine Optimierung der Zuluftregelung in allen Phasen des Verbrennungsprozesses nur bei Nutzung der den Verbrennungsprozess n\u00e4herungsweise be-schreibenden Gr\u00f6\u00dfen Verbrennungstemperatur (in der Sekund\u00e4rkammer), Restsauerstoffkonzentration im Abgas und CO\/HC-Gehalt im Abgas als Regeleingangsgr\u00f6\u00dfen m\u00f6glich sein wird. Hierbei ist zu beachten, dass die Restsauerstoffsensorik ungef\u00e4hr im Konzentrationsbereich 4% ? c(O2)?15% bei gleich-zeitig harschen Umgebungsbedingungen (hohe Temperatur, hohe Staub- und Ru\u00dffracht) arbeiten muss. Sensitivit\u00e4ts- und Stabilit\u00e4tsuntersuchungen an verschiedenen Sensorprinzipien in Modellgasen haben insbesondere f\u00fcr die Breitband-Lambdasonde (Bosch, LSU 4.1) und das dynamische Messprinzip (Dittrich Elektronik, MF 420) \u00fcberzeugende Ergebnisse geliefert. Vergleichende Untersuchungen in Holzfeuerungs-Abgasen liegen noch nicht vor. Zur Bestimmung des Gehaltes an un- oder teilverbrannten Abgaskomponenten (CO\/HC) hat sich als aussichtsreichstes Verfahren das Mischpotenzialprinzip (Escube, CarboSen 1000) erwiesen. Allerdings haben Sensitivit\u00e4ts- und Stabilit\u00e4tsuntersuchungen gezeigt, dass auch dieses Messprinzip noch Schw\u00e4chen aufweist. Bei Beaufschlagung mit Modellgaskomponenten (z. B. Toluol, Essigs\u00e4ure oder Benzaldehyd), die auch in Verbrennungsabgasen vorkommen, wurden Sensitivit\u00e4tsr\u00fcckg\u00e4nge festgestellt. Aufgrund von Vermutungen, dass diese Sensitivit\u00e4tsr\u00fcckg\u00e4nge eine Folge von Adsorption und zu geringer Reaktionskinetik dieser Spezies bei Betriebstemperatur sein k\u00f6nnten, wurde die M\u00f6glichkeit der Sensorregeneration mittels kurzzeitiger Betriebszyklen bei erh\u00f6hter Temperatur experimentell untersucht. Die Ergebnisse st\u00fctzen die Wirksamkeit dieses Regenerierungskonzeptes, jedoch sind die systematischen Zusammenh\u00e4nge noch nicht zufriedenstellend aufgekl\u00e4rt.
\nVerbrennungs-Monitor: Aus den ISIS-Vorarbeiten konnte die Erkenntnis gewonnne werden, dass es eine optimale W\u00e4rmeleistung eines St\u00fcckholzheizkessels gibt, bei der die Verbrennung optimal geregelt werden kann und folglich die Emissionen minimal sind. Um die Verbrennungsanlage weitestgehend bei m\u00f6glichst allen W\u00e4rmebedarfsanforderungen in diesem optimalen Prozesszustand betreiben zu k\u00f6nnen, wurde das Konzept eines Feuerungsmonitors entwickelt. Dieser soll neben der Regelung des Feuerungsprozesses den W\u00e4rmeabfluss, die Ladekapazit\u00e4t der W\u00e4rmespeicher und den Brennstoffgehalt im Schacht des Kessels sensorisch erfassen und aus diesen Daten eine W\u00e4rmebedarfsprognose erstellen. Von diesem st\u00e4ndig zu aktualisierende Prognosemodell werden dann Bedienungsempfehlungen an den Betreiber abgeleitet (wann soll wie viel St\u00fcckholz nachgelegt werden?), um bei deren Ber\u00fccksichtigung ung\u00fcnstige Betreibzust\u00e4nde (Teillastbetrieb, Gluterhaltungsbetrieb), die bekannterweise mit erh\u00f6hten Emissionen einhergehen, zu vermeiden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Bisher keine Ver\u00f6ffentlichunen.
\nXiu Zhang; Characterization of gas sensors for exhaust gas analysis in firewood-fueled fireplaces, Master-Thesis, Sensor Systems Technology, Karlsruhe University of Applied Sciences (2010)<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Zur weiteren Umweltentlastung und Reduktion der Risiken f\u00fcr die Gesundheit der Menschen in l\u00e4ndlichen Regionen mit hohem Nutzungsgrad von St\u00fcckholz-Feuerungsanlagen zur W\u00e4rmeversorgung privater Haushalte ist es dringend geboten, auch die Emissionen von St\u00fcckholz-Heizkesseln \u00fcber den Stand der Technik hinaus weiter abzusenken. Dies wird nach dem Stand der erarbeiteten Erkenntnisse nur m\u00f6glich sein, wenn das Gesamtsystem, d. h. die konstruktive Optimierung der Verbrennungsbedingungen in der Feuerungsanlage, die Optimierung der Zuluftregelung auf der Basis geeigneter Abgassensorik und der aktuelle W\u00e4rmebedarf ganzheitlich in die \u00dcberlegungen einbezogen werden, um die Holzfeuerung m\u00f6glichst st\u00e4ndig, d. h. bei den unterschiedlichsten W\u00e4rmeanforderungen im optimalen Prozesszustand betreiben zu k\u00f6nnen. Hierzu ist es notwendig, den Betreiber in den Betrieb der Anlage durch Empfehlun-gen aktiv mit einzubeziehen und ihn \u00fcber den Erfolg seines Handelns (Verbrennungsqualit\u00e4t) zu informieren.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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