Projekt 22663/01

Optimierung der Verbrennungsvorgänge in Stückholzfeuerungsanlagen mittels sensorischer und katalytischer Methoden

Projektträger

Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft Institut für Angewandte Forschung
Moltkestr. 30
76133 Karlsruhe
Telefon: 0721/925-1282

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Energieträger Holz wird vor dem Hintergrund weiter steigender Mineralölpreise für die privaten Haushalte in ländlichen Regionen zunehmend an Bedeutung gewinnen, da die Verfeuerung von Stückholz, sei es in Kachelofeneinsätzen oder in zentralen Stückholzheizkesseln, eine sehr preiswerte Alternative darstellt, wenn das Scheitholz in Eigenarbeit bereitgestellt werden kann. Angesichts der sehr komplexen Scheitholz-Verbrennungsprozesse geht die Verfeuerung von Scheitholz allerdings mit erheblichen Umweltbelastungen einher (Emission von toxischen aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen bei unvollständiger Verbrennung), da die Brennraumgeometrien und Abgasführungen der meisten Verbrennungsanlagen nicht optimiert sind und die Möglichkeiten der sensorgeführten Prozesssteuerung nicht dem Stand der Technik entsprechend genutzt werden. In diesem Förderprojekt haben sich die An-tragsteller zum Ziel gesetzt, durch den Einsatz geeigneter Sensoren die Schlüssel-Parameter Verbrennungstemperatur, Restsauerstoffgehalt und CO/HC-Gehalt kontinuierlich und in-situ im Abgas zu messen und diese Daten als Eingangsgröße für die kontinuierliche Regelung der Verbrennungsluft zu nutzen. Hierzu ist ein geeigneter Regelungsalgorithmus zu entwickeln, mit dem es gelingen sollte, die Emission der Schadstoffe pro erzeugte Wärmeeinheit wirksam herabzusetzen. In einem zweiten Schritt werden die Möglichkeiten des Einsatzes eines Oxidationskatalysators zur Unterstützung der Nachverbrennung ins-besondere bei niedrigen Verbrennungstemperaturen geprüft. Diese Untersuchungen werden an feue-rungstechnisch weitgehend optimierten Verbrennungsanlagen durchgeführt. Unsere Kooperationspartner stellen sowohl eine Kachelofeneinsatz (Typ SF10SK, Brunner GmbH, Eggenfelden) als auch einen Stückholz-Heizkessel (Typ Vitolig 200, Viessmann GmbH, Allendorf) zur Durchführung des Vorhabens zur Verfügung.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAus der Zielsetzung ergeben sich folgende Arbeitsschritte:
Bestimmung der unvollständig verbrannten Gaskomponenten, die im Verlauf eines Abbrandes emittiert werden mit Standard-Analysemethoden (Koop. mit dem ICT-WGT, Forschungszentrum Karlsruhe).
Entwicklung eines hochtemperaturbeständigen CO/HC-Sensors durch die ESCUBE GmbH, Stuttgart.
Experimentelle Charakterisierung der Gassensoren zum in-situ Monitoring von Restsauerstoff (Dittrich GmbH, Baden-Baden) und CO/HC (ESCUBE GmbH, Stuttgart) in institutseigenen Testanlagen.
Einbau der Sensorik (Gassensorik, Temperatur, Luftmassenstrom von Primär- und Sekundärluft, Wärmemengenzähler) in einen Kachelofen-Einsatz (Brunner GmbH, Eggenfelden) und in einen Stückholz-Feuerungskessel (Viessmann, Allendorf) und Installation der zugehörigen Messtechnik.
Ermittlung und Bilanzierung der Schadgasemissionen pro erzeugter Wärmemengeneinheit bei Prozessregelung von Primär- und Sekundärluft nach eigenem (noch zu entwickelnder) Regelungsalgorithmus im Vergleich zum Stand der Verbrennungsregelungen, die bereits von den Partnern Brunner und Viessmann zur Verfügung gestellt werden.
Einbau von Oxidationskatalysatoren in die Sekundärbrennkammern und Untersuchung von deren Wirksamkeit bzgl. der weiteren Reduktion der Schadgasemissionen und von deren Langzeitstabilität.
Erstellung eines Regelungskonzeptes für Stückholzverbrennungsanlagen auf der Basis der in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse.


Ergebnisse und Diskussion

Im Projektzeitraum wurden nicht nur wichtige Erkenntnisse und Erfahrungen auf dem Gebiet der in-situ-Gassensorik in Feuerungsprozessen gesammelt, es wurde darüber hinaus - und das ist zukunftsweisend - auf der Basis der sensorischen Eingangsgrößen Verbrennungstemperatur, Restsauerstoffgehalt im Abgas und CO/HC-Gehalt im Abgas ein vollständig neuer Algorithmus zur Regelung des Primär- und Sekundärluftstromes erstellt und experimentell nachgewiesen, dass mit diesem neuen Regelungskonzept eine spürbare Verringerung der Schadgasemissionen (auf ca. 15% (Kachelofeneinsatz) bzw. auf ca. 50% (Stückholzheizkessel)) erreicht wird. Nebenbei konnte gezeigt werden, dass beide Verbrennungsanlagen mit dem gleichen Regelungskonzept betrieben werden können, wenn die Regelungsparameter angepasst werden, d.h. es ist davon auszugehen, dass der entwickelte Regelungsalgorithmus auf sehr unterschiedliche Verbrennungsanlagen adaptierbar ist, wenn gewisse feuerungstechnische Voraussetzungen erfüllt werden.
Kombiniert man das neue Regelungsverfahren mit einem in die Feuerungsanlage integrierten Oxidationskatalysator zur Nachverbrennung der Schadgase, dann zeigen die Experimente, dass die Schadgasemissionen nochmals deutlich verringert sind, so dass schließlich gegenüber dem Betrieb des Herstellers Emissionsreduktionen auf unter 1% (Kachelofeneinsatz) bzw. ca. 25% (Stückholzheizkessel) bereits erreicht wurden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Teile der Arbeit wurden anlässlich der Fachtagung Emissionsminderung an Kleinfeuerungsanlagen in Dülmen im Nov. 2006 vorgetragen. Auf Einladung der Arbeitsgemeinschaft der Kachelofenwirtschaft (AdK) wurde das Projekt auf dem Messestand der AdK auf der ISH 2007 in Frankfurt anhand von zwei Vorträgen vorgestellt. Schließlich wurde der abschließende Projektstand auf Einladung beim 6. Stuttgarter Holzfeuerungskolloquium zusammen mit einem weiteren Vortrag zum ESCUBE CarboSen 1000 präsentiert.
Das aus den Projektarbeiten hervorgegangene neue Regelungskonzept für Primär- und Sekundärluft wurde in Zusammenarbeit mit dem Technologie-Lizenzbüro der Hochschulen in Baden-Württemberg (TLB) im Sept. 2006 zum Schutzrecht angemeldet.


Fazit

Die Projektergebnisse sprechen für sich und sollten in Anbetracht der hohen Umweltbelastungen durch zunehmende Nutzung von Holzfeuerungsanlagen zur Wärmegewinnung mit Nachdruck im Rahmen der Entwicklung moderner Verbrennungsanlagen umgesetzt werden. Hierzu ist allerdings auch der Gesetzgeber gefordert, die nötigen gesetzlichen Rahmenbedingungen (1. BImSch) vorzugeben

Übersicht

Fördersumme

180.000,00 €

Förderzeitraum

01.07.2005 - 30.06.2007

Bundesland

Baden-Württemberg

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik