Projekt 27383/02

Konzeption, Darstellung und Untersuchung eines extrem emissionsarmen Stückholz-Heizkessels

Projektträger

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

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Optimierung der Stückholzverbrennung durch Verbrennungsluftregelung auf der Basis der senso-risch erfassten Abgasparameter Verbrennungstemperatur, Restsauerstoffkonzentration und CO/HC-Gehalt sind durch konstruktive Gegebenheiten der Verbrennungsanlage Grenzen gesetzt. Eine ganzheit-liche Betrachtung unter Einbeziehung des zu prognostizierenden Energiebedarfs ist notwendig, um ver-brennungstechnisch optimierte Verbrennungsbedingungen im Alltagsbetrieb realisieren zu können.
Zielsetzung: Entwicklung eines Stückholz-Heizkessels, der unter praxisnahen Betriebsbedingungen hin-sichtlich der Emissionen von Schadgasen (CO, VOC, PAK etc.) und Feinstäuben neue Maßstäbe setzt.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden• Konstruktive Optimierung der Brennräume hinsichtlich Durchlüftung des Brenngutes (Primärkammer) und Durchmischung der Pyrolysegase mit der Sekundärluft (Sekundärbrennkammer).
• Verbrennungsluftregelung basierend auf den Parametern Verbrennungstemperatur, Restsauerstoff-konzentration (ROC) und CO/HC-Gehalt.
• Evaluation und Weiterentwicklung der Gassensorik.
• Verbrennungsprozess-Monitor zur Prozessregelung und Wärmebedarfsbilanzierung



Ergebnisse und Diskussion

Durch Modifizierung eines Heizkessels aus der Serie des Verbundpartners Bosch Thermotechnik in Ko-operation mit dem IFK (verteilte Verbrennungsluftzufuhr über Öffnungen in den Roststegen; seitlich an-gebrachte, neu konstruierte Nachbrennkammer; Verbrennungsluftzuführung über zwei separat regelbare Gebläse) konnten Hohlbrandsituationen gänzlich vermieden werden. Die Nachverbrennung der Pyroly-segase ist mit einer am IFK entwickelten Verwirbelungstechnik mit der Verbrennungsluft exzellent. In der stationären Hochtemperatur (HT)-Verbrennungsphase wurden CO-Konzentrationen von unter 20mg/m3 und PM-Emissionen von 10-14 mg/m3 (beide Werte bezogen auf 13%ROC) gemessen.
Mit der ISIS-Verbrennungsluftregelung wurden ähnlich niedrige Emissionswerte in der HT-Verbren-nungsphase erzielt. Mit speziellen Algorithmen für die Zünd- und die Nachlegephase auf vorhandene Glut können beide instationäre, bekannterweise von erhöhten Emissionen begleitete Phasen, sehr kurz gehalten werden (3-4min.bzw. <2min). Stationärer Teillastbetrieb ist mit der momentanen Version des Musterkessels (noch) nicht möglich. Hierzu sind weitere konstruktive Modifikationen der Primär-Brenn-kammer notwendig. Experimente am ISIS zum automatisierten Teillastbetrieb zeigten allerdings, dass bei Absenkung der Verbrennungstemperatur auf Werte unter 920°C die Emissionen deutlich zunehmen. – Dies unterstreicht die Notwendigkeit einer Wärmebedarfsprognose für die Stückholzfeuerung.
Drei verschiedene Sensorprinzipien zur kontinuierlichen Messung der Restsauerstoffkonzentration (ROC) wurden am ISIS untersucht. Sowohl die Sonde MFO10-O (Dittrich Elektronic, Baden-Baden), als auch die Sonde LSU 4.9 (Bosch) sind für Anwendungen in Holzfeuerungsprozessen gut geeignet.
Zur Bestimmung des CO/HC-Gehaltes und zur Verbrennungsluftregelung wurde der CarboSen-Misch-potentialsensor (Lamtec GmbH) eingesetzt. Nach einem speziellen Kalibrierverfahren wurde im Prozess eine sogenannte CO/H2-äquivalente Konzentration der unverbrannten Kohlenwasserstoffe gemessen, die recht gut die gasförmigen Emissionen beschreibt. Die Signalstabilität weist allerdings noch zu hohe Exemplarstreuung auf. Vom IRS wurde ein Kombisensor auf der Basis des CarboSen entwickelt, der sowohl CO/HC als auch ROC mit einem Chip zu messen vermag. Ein ähnliches Kombiprinzip hat auch die Dittrich GmbH, basierend auf der Kombination einer Nernst- mit einer Coulombschen Pumpzelle, entwickelt. Die Signalabhängigkeit sowohl von ROC als auch von CO- bzw. H2-Gaskonzentrationen ist gut reproduzierbar, jedoch ist die Signalauswertung noch weiterzuentwickeln.
Zur Erstellung von Wärmebedarfsprognosen ist die aktuelle Kenntnis des Holz-Vorrates im Kessel von Bedeutung. Es wurde ein spezielles Wägeprinzip entwickelt, mit dem die Bestimmung der Brennstoff-masse mit einer Genauigkeit von ca. ?1kg möglich ist.
Experimente zur Reduzierung der gasförmigen Emissionen durch katalytisch gestützte Nachverbrennung waren geplant, konnten aber wegen Zeitknappheit und technischer Abstimmungsprobleme nicht durch-geführt werden.
Es wurde ein Feuerungsprozess-Monitor konzipiert, der aus einem Modul zur Verbrennungsregelung im Kessel mit Human-Interface und einem Wohnraum-Bedienelement (Kommunikationsprozessor) besteht. Letztere Einheit dient zur Visualisierung der wichtigsten aktuellen Feuerungsprozess-Parameter, zur Kommunikation der Verbrennungsqualität und zur numerischen Simulation der Wärmebedarfsprognose um den Betreiber über den aktuellen Brennstoff-Nachlegebedarf zu informieren.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

H. Kohler, S. Brunner, P. Butschbach, D. Glesing; Sensorik und Abgas-Katalyse zur Reduktion der Emissionen von Klein-Holzfeuerungsanlagen, Konferenz „Energetische Biomassenutzung – Neue Tech-nologien und Konzepte für die Bioenergie der Zukunft“, Berlin, 5. Nov. 2012, Konferenzband Energeti-sche Biomassenutzung, S. 80 (2013) ISSN 2192-1806
J. Brodbeck, M. Struschka; Entwicklung eines feuerungstechnisch optimierten Holzvergaserkessels, Vortrag Workshop „Feuerungstechnik trifft Sensorik“, Hochschule Karlsruhe, 15. Feb. 2013.
H. Kohler, S. Brunner, P. Butschbach, D. Glesing; Sensorik und Abgaskatalyse zur Minderung der Emis-sionen von Holzverbrennungsanlagen kleiner Leistung, Vortrag Workshop „Feuerungstechnik trifft Sen-sorik“, Hochschule Karlsruhe, 15. Feb. 2013.
J. Brodbeck, M. Struschka; Entwicklung eines feuerungstechnisch optimierten Holzvergaserkessels, VDI - KrdL Expertenforum, Betrieb von Biomasse-Kleinfeuerungsanlagen – Umwelt- und Sicherheitsaspekte, 16. April 2013



Fazit

Das sehr ambitionierte Ziel, einen sowohl konstruktiv als auch regelungstechnisch optimierten, extrem emissionsarmen Stückholzheizkessel zu entwickeln, konnte im Projektzeitraum nicht ganz erreicht wer-den. Es wurden aber einige sehr innovative Teilergebnisse erzielt, die bei Fortsetzung des Projektes in einer zweiten Stufe sehr gute Aussichten auf Zielerreichung versprechen.

Übersicht

Fördersumme

320.000,00 €

Förderzeitraum

18.06.2010 - 30.09.2012

Bundesland

Baden-Württemberg

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik