Projekt 27383/01

Entwicklung eines Konzeptes für einen emissionsarmen Stückholzheizkessel und Durchführung begleitender Untersuchungen

Projektträger

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

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Vorstudie zur Entwicklung eines Stückholzheizkessels mit dem Ziel, die neuesten Erkenntnisse der drei Hochschulpartner zur Realisierung eines zukunftsweisenden Holzverbrennungsstandards 2015 synergetisch zu vereinigen. Die Grundlagen für eine solche Entwicklung auf den Gebieten Verbrennungstechnik, Sensorik und Regelung der Zuluftströme, Oxidationskatalyse und Prozessautomatisierung (Monitoring) sollten in dieser Vorstudie zusammen mit Industriepartnern (Stückholzkessel-Hersteller, Sensorhersteller, Hersteller von Informationssystemen) gemäß dem Arbeitsprogramm erarbeitet werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEvaluierung der wichtigsten, marktverfügbaren Stückholzkesselkonstruktionen nach dem Stand der Technik insbesondere hinsichtlich der verfügbaren Emissionsdaten - Gegenüberstellung der Daten aus Normprüfverfahren und aus Messungen im praxisnahen Betrieb.
Studien zur Optimierung der Brennräume und zur Vermeidung von Verbrennungsstörungen,
Analyse der in Frage kommenden Sensorik zur Bestimmung der Restsauerstoffkonzentration und des CO/HC-Gehalts im Abgas,
Experimentelle Evaluierung der Sensor-Eigenschaften anhand von Sensitivitätsmessungen unter Beaufschlagung von Modellgasen,
Weiterentwicklung eines Gassensorchips zur Messung der Restsauerstoff- und CO/HC-Konzentration,
Studie zu alternativen Oxidationskatalysatoren,
Vorstudie zur Definition der Merkmale eines Feuerungsmonitors und zu dessen Realisierung.


Ergebnisse und Diskussion

Eine wirksame Absenkung der Schadgas- und Feinstaubemissinen von Stückholz-Heizkesseln wird durch die Verbesserung der Verbrennungsbedingungen, die mittels Abgassensoren optimierte Zuluftregelung, die Integration eines Oxidationskatalysators und den vorausschauenden Betrieb der Verbrennungsanlage erwartet.
Verbrennungstechnik: Nach Erarbeitung des Überblicks über den Stand der Technik der am Markt verfügbaren Stückholz-Heizkessel und nach Zusammenstellung der verfügbaren Daten hinsichtlich der Emissionen von Schadgasen (CO, VOC, PAK, etc.) und von Feinstaub konnte zweifelsfrei festgestellt werden, dass die anhand von Normprüfverfahren ermittelten Emissionswerte im Vergleich zu den praxisrelevanten teilweise um mehr als eine Größenordnung niedriger sind. Eine wirksame Verbesserung der Emissionssituation wird in der Homogenisierung der Zuluftströme, der (sensorischen) Erkennung und automatisierten aktorischen Vermeidung von Verbrennungsstörungen und in der Verbesserung der Durchmischung der Pyrolysegase mit der Sekundärluft gesehen. Vorschläge hierzu wurden erarbeitet.
Sensorik: Aus Vorarbeiten war bereits bekannt dass eine Optimierung der Zuluftregelung in allen Phasen des Verbrennungsprozesses nur bei Nutzung der den Verbrennungsprozess näherungsweise be-schreibenden Größen Verbrennungstemperatur (in der Sekundärkammer), Restsauerstoffkonzentration im Abgas und CO/HC-Gehalt im Abgas als Regeleingangsgrößen möglich sein wird. Hierbei ist zu beachten, dass die Restsauerstoffsensorik ungefähr im Konzentrationsbereich 4% ? c(O2)?15% bei gleich-zeitig harschen Umgebungsbedingungen (hohe Temperatur, hohe Staub- und Rußfracht) arbeiten muss. Sensitivitäts- und Stabilitätsuntersuchungen an verschiedenen Sensorprinzipien in Modellgasen haben insbesondere für die Breitband-Lambdasonde (Bosch, LSU 4.1) und das dynamische Messprinzip (Dittrich Elektronik, MF 420) überzeugende 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 Sensitivitäts- und Stabilitätsuntersuchungen gezeigt, dass auch dieses Messprinzip noch Schwächen aufweist. Bei Beaufschlagung mit Modellgaskomponenten (z. B. Toluol, Essigsäure oder Benzaldehyd), die auch in Verbrennungsabgasen vorkommen, wurden Sensitivitätsrückgänge festgestellt. Aufgrund von Vermutungen, dass diese Sensitivitätsrückgänge eine Folge von Adsorption und zu geringer Reaktionskinetik dieser Spezies bei Betriebstemperatur sein könnten, wurde die Möglichkeit der Sensorregeneration mittels kurzzeitiger Betriebszyklen bei erhöhter Temperatur experimentell untersucht. Die Ergebnisse stützen die Wirksamkeit dieses Regenerierungskonzeptes, jedoch sind die systematischen Zusammenhänge noch nicht zufriedenstellend aufgeklärt.
Verbrennungs-Monitor: Aus den ISIS-Vorarbeiten konnte die Erkenntnis gewonnne werden, dass es eine optimale Wärmeleistung eines Stückholzheizkessels gibt, bei der die Verbrennung optimal geregelt werden kann und folglich die Emissionen minimal sind. Um die Verbrennungsanlage weitestgehend bei möglichst allen Wärmebedarfsanforderungen in diesem optimalen Prozesszustand betreiben zu können, wurde das Konzept eines Feuerungsmonitors entwickelt. Dieser soll neben der Regelung des Feuerungsprozesses den Wärmeabfluss, die Ladekapazität der Wärmespeicher und den Brennstoffgehalt im Schacht des Kessels sensorisch erfassen und aus diesen Daten eine Wärmebedarfsprognose erstellen. Von diesem ständig zu aktualisierende Prognosemodell werden dann Bedienungsempfehlungen an den Betreiber abgeleitet (wann soll wie viel Stückholz nachgelegt werden?), um bei deren Berücksichtigung ungünstige Betreibzustände (Teillastbetrieb, Gluterhaltungsbetrieb), die bekannterweise mit erhöhten Emissionen einhergehen, zu vermeiden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Bisher keine Veröffentlichunen.
Xiu Zhang; Characterization of gas sensors for exhaust gas analysis in firewood-fueled fireplaces, Master-Thesis, Sensor Systems Technology, Karlsruhe University of Applied Sciences (2010)


Fazit

Zur weiteren Umweltentlastung und Reduktion der Risiken für die Gesundheit der Menschen in ländlichen Regionen mit hohem Nutzungsgrad von Stückholz-Feuerungsanlagen zur Wärmeversorgung privater Haushalte ist es dringend geboten, auch die Emissionen von Stückholz-Heizkesseln über den Stand der Technik hinaus weiter abzusenken. Dies wird nach dem Stand der erarbeiteten Erkenntnisse nur möglich 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 Wärmebedarf ganzheitlich in die Überlegungen einbezogen werden, um die Holzfeuerung möglichst ständig, d. h. bei den unterschiedlichsten Wärmeanforderungen im optimalen Prozesszustand betreiben zu können. Hierzu ist es notwendig, den Betreiber in den Betrieb der Anlage durch Empfehlun-gen aktiv mit einzubeziehen und ihn über den Erfolg seines Handelns (Verbrennungsqualität) zu informieren.

Übersicht

Fördersumme

79.000,00 €

Förderzeitraum

20.08.2009 - 21.03.2011

Bundesland

Baden-Württemberg

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik