Projekt 32975/02

Entwicklung, Erprobung und Untersuchung eines innovativen Verfahrens zur Additivierung von Hackschnitzeln zwecks Reduzierung der Emissionen aus Holzfeuerungen

Projektträger

Technische Universtit√§t Hamburg Institut f√ľr Umwelttechnik und Energiewirtschaft
Eißendorfer Str. 40
21073 Hamburg
Telefon: 040428783008

Zielsetzung

H√§usliche Holzheizungen etwa in Form kleiner Zentralheizungen f√ľr Holzhackschnitzel gelten als Verursacher von Partikelemissionen, die zur allgemeinen Feinstaubbelastung der Atmosph√§re beitragen. Mit dem Inkrafttreten der 2. Stufe der 1. BImSchV Anfang 2015 sehen sich moderne Holzfeuerungen nun hohen umweltrechtlichen Anforderungen, insbesondere vor dem Hintergrund stark reduzierter Grenzwerte f√ľr Staub und Kohlenstoffmonoxid, gegen√ľber. Hinsichtlich des Emissionsverhaltens kommt dabei neben anlagenseitigen Faktoren insbesondere der Brennstoffqualit√§t eine bedeutende Relevanz zu, sodass zuk√ľnftig eine gesteigerte Nachfrage nach Brennstoffen mit emissionsoptimierten Brennstoffeigenschaften erwartet wird. Ein vielversprechender Ansatz der emissionsbezogenen Brennstoffoptimierung bzw. der (prim√§ren) brennstoffseitigen Emissionsminderung ist die Brennstoffadditivierung, d. h. die Zugabe sogenannter Additive zu den einzusetzenden Brennstoffen. Um dem Problem der (anorganischen) (Gesamt-)Staubbildung zu begegnen, haben sich aluminiumsilikat-basierte Additive (z. B. Kaolin) als sehr zielf√ľhrend erwiesen. Verglichen mit (Holz-)Pellets liegen f√ľr die Brennstoffadditivierung bei der Verbrennung von Holzhackschnitzeln in entsprechenden (Klein-)Feuerungsanlagen allerdings nur sehr begrenzte Erkenntnisse hinsichtlich der Emissionsminderung (z. B. Staub, Kohlenstoffmonoxid) vor. Vorrangiges Ziel des vorliegenden Vorhabens ist es daher, den Minderungseffekt des aluminiumsilikat-basierten Additivs Kaolin auf die (Gesamt-)Staubbildung in einer handels√ľblichen Holzhackschnitzelfeuerungsanlage umzusetzen und messtechnisch zu erfassen. Ausgehend von diesen Untersuchungen sollen Aussagen abgeleitet werden, ob und unter welchen Bedingungen dies eine technisch, √∂konomisch und √∂kologisch sinnvolle sowie im praktischen Betrieb umsetzbare Option zur (prim√§ren) brennstoffseitigen Staubreduktion darstellen kann, um die Grenzwerte der 1. BImSchV f√ľr Staub von 20 mg/Nm¬≥13Vol%O2 bzw. f√ľr Kohlenstoffmonoxid von 400 mg/m¬≥13Vol%O2 im Rauchgas einhalten zu k√∂nnen.

Arbeitsschritte

In einem ersten Arbeitsschritt, d. h. der technischen Planung f√ľr die Additiv- bzw. Kaolineinbringung, werden verschiedene Zuf√ľhrungsoptionen f√ľr das aluminiumsilikat-basierte Kaolin identifiziert, analysiert und schlie√ülich bewertet. Im Sinne eines wirtschaftlichen, ressourcenschonenden sowie wirksamen Einsatzes des Kaolins gilt es bei der Betrachtung der unterschiedlichen Konzepte auch auf eine m√∂glichst homogene Vermischung von Holzhackschnitzeln und Additiv zu achten. Mittels entsprechender Bewertungsgr√∂√üen sind u. a. die konzeptionelle Ausgestaltung der verschiedenen Zuf√ľhrungsoptionen und deren potenzielle konstruktive Umsetzung zu untersuchen, um letztlich eine Vorzugsvariante aus den unterschiedlichen Konzepten identifizieren zu k√∂nnen. W√§hrend eines zweiten Arbeitsschritts, der technischen Umsetzung der Additiv- bzw. Kaolineinbringung, soll dann die zuvor festgelegte Vorzugsvariante der Zuf√ľhrungsoptionen in geeigneter Weise am Beispiel einer handels√ľblichen Hackschnitzelfeuerungsanlage implementiert werden. Entsprechende Anforderungen an die Eigenschaften des eingesetzten Kaolins (z. B. Menge, Partikelgr√∂√üe), die sich ggf. durch das gew√§hlte Konzept ergeben, k√∂nnen dabei in verschiedenen Vorversuchen bzw. Tests untersucht werden. Diese im Vorfeld durchzuf√ľhrenden Untersuchungen dienen dar√ľber hinaus auch dazu, die Erh√∂hung der anfallenden Aschemenge als Folge der Brennstoffadditivierung absch√§tzen zu k√∂nnen, um die Notwendigkeit f√ľr eine konstruktive Anpassung der Feuerungsanlage beurteilen zu k√∂nnen. F√ľr die ausgew√§hlte Vorzugsvariante der Additiv- bzw. Kaolineinbringung werden in einem dritten Arbeitsschritt schlie√ülich entsprechende Pr√ľfstandmessungen bzw. Verbrennungsversuche an einer handels√ľblichen Hackschnitzelfeuerungsanlage unter praktischen Bedingungen durchgef√ľhrt und die anfallenden Verbrennungsprodukte (z. B. Rauchgas, Staub, Asche) analysiert. Die Bestimmung der freigesetzten Staubemissionen erfolgt dabei in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2066 Blatt 1. Weiterhin soll untersucht werden, wie sich der Einsatz von Kaolin auf die Partikelgr√∂√üenverteilung der (Gesamt-)Staubemissionen im Rauchgas auswirkt. W√§hrend der Verbrennungsversuche werden sowohl unadditivierte Holzhackschnitzel als auch Holzhackschnitzel unter Zugabe des aluminiumsilikat-basierten Additivs Kaolin verbrannt. Dabei wird neben der Menge auch die mittlere Partikelgr√∂√üe des Kaolins variiert, um die entsprechenden Einfl√ľsse untersuchen zu k√∂nnen. Abschlie√üend erfolgt in einem vierten Arbeitsschritt eine technische, √∂kologische und √∂konomische Bewertung bzw. Analyse der gesammelten Forschungsergebnisse unter besonderer Beachtung der ggf. notwendigen Anpassungen handels√ľblicher Hackschnitzelfeuerungen in Anbetracht der untersuchten Zuf√ľhrungsoption des Kaolins. Zudem sollen Aussagen abgeleitet werden, die die (prim√§re) brennstoffseitige Emissionsminderungsma√ünahme der Brennstoffadditivierung unter Ber√ľcksichtigung der 2. Stufe der 1. BImSchV in Relation zu herk√∂mmlichen Sekund√§rma√ünahmen, wie beispielsweise elektrostatischen Partikelabscheidern, beurteilen.

Ergebnisse

Als vielversprechendstes technisches L√∂sungskonzept f√ľr die Additiv- bzw. Kaolineinbringung wurde die Zuf√ľhrung mit dem Brennstoffmassenstrom identifiziert. Ergebnisse zu entsprechenden Untersuchungen innerhalb des vorliegenden Forschungsvorhabens weisen darauf hin, dass es auch durch den Einfluss mechanischer Einwirkungen √ľber einen l√§ngeren Zeitraum nicht zu einer relevanten Entmischung von Kaolin und Holzhackschnitzeln kommt, d. h. das Kaolin weist ein best√§ndiges Anhaftverhalten an der Oberfl√§che der Holzhackschnitzel auf. Der aus der (Brennstoff-)Additivierung der Holzhackschnitzel resultierende erh√∂hte Aschegehalt stellte im vorliegenden Vorhaben anlagentechnisch kein Hemmnis dar, da die eingesetzte Feuerungsanlage √ľber einen aktiven Austrag per Aschekette verf√ľgt. Durch die Verwendung einer geeigneten Menge (z. B. 1 Ma% Additivgehalt) sowie Sorte (z. B. Kaolin FP) des aluminiumsilikat-basierten Additivs Kaolin konnten mittlere (Gesamt-)Staub- und Kohlenstoffmonoxidemissionen von lediglich 17 mg/Nm¬≥13Vol%O2 bzw. 10 mg/Nm¬≥13Vol%O2 erreicht werden, d. h. gegen√ľber der Verbrennung der Holzhackschnitzel ohne Additiv wurden die (Gesamt-)Staubemissionen um 55 % reduziert, w√§hrend die Reduktion f√ľr die Kohlenstoffmonoxidemissionen sogar 87 % betrug. Dementsprechend konnten f√ľr beide betrachteten Luftschadstoffe, d. h. (Gesamt-)Staub und Kohlenstoffmonoxid, die limitierenden Grenzwerte von 20 mg/Nm¬≥13Vol%O2 bzw. 400 mg/Nm¬≥13Vol%O2 der 1. BImSchV eingehalten und sogar unterschritten werden. Im Vergleich zur untersuchten (Brennstoff-)Additivierung zeigte die Verwendung eines elektrostatischen Partikelabscheiders im Zuge der Pr√ľfstandmessungen zwar ebenfalls eine deutliche Reduktion der (Gesamt-)Staubemissionen w√§hrend der Verbrennung der Holzhackschnitzel, jedoch konnte durch den Partikelabscheider keine Abnahme der Kohlenstoffmonoxidemissionen erreicht werden. Allerdings konnte gezeigt werden, dass sowohl die aluminiumsilikat-basierte (Brennstoff-)Additivierung als auch die Nutzung eines elektrostatischen Partikelabscheiders zu einer reduzierten ultrafeinen Partikelfraktion (PM0,1) der Feinstaubemissionen bei der Verbrennung der Holzhackschnitzel f√ľhren kann, wodurch grunds√§tzlich die toxikologische Relevanz der entsprechenden Emissionen gemindert werden k√∂nnte.

√Ėffentlichkeitsarbeit

Die Ergebnisse der Voruntersuchungen zur technischen Umsetzung der Additiv- bzw. Kaolinbringung im Rahmen des Vorhabens wurden in Form eines wissenschaftlichen Zeitschriftenartikels veröffentlicht:

Gollmer, C., Höfer, I., Kaltschmitt, M.: Laboratory-scale additive content assessment for aluminium-silicate-based wood chip additivation, Renewable Energy, 164 (2021) S.1471-1484.

Zeitschriftenartikel

Fazit

Durch das Vorhaben konnte erfolgreich gezeigt werden, dass sich die aluminiumsilikat-basierte (Brennstoff-)Additivierung mittels Kaolin auch auf den Brennstoff Holzhackschnitzel √ľbertragen l√§sst. Im Zuge der Zuf√ľhrung des Kaolins mit dem Brennstoffmassenstrom sollte zuk√ľnftig auch die Option einer Bereitstellung von additivierten, emissionsoptimierten Brennstoffen bzw. Holzhackschnitzeln unmittelbar durch die Brennstofflieferanten weiterverfolgt werden, da somit, eine entsprechende Ber√ľcksichtigung derartiger Brennstoffe in den zugeh√∂rigen (Brennstoff-)Normen vorausgesetzt, keinerlei konstruktive Anpassungen an der Feuerungsanlagentechnik notwendig w√§ren, wodurch die St√∂ranf√§lligkeit auf ein Minimum begrenzt werden k√∂nnte und zudem kein zus√§tzlicher Aufwand, etwa in Form der Beschaffung und Vorhaltung des ben√∂tigten Additivs, beim Feuerungsanlagenbetreiber entstehen w√ľrde. Die durchgef√ľhrten Pr√ľfstandmessungen an der verwendeten, handels√ľblichen Feuerungsanlage konnten schlie√ülich zeigen, dass die aluminiumsilikat-basierte (Brennstoff-)Additivierung von Holzhackschnitzeln mittels Kaolin unter realen, praxiskonformen Bedingungen zu einer deutlichen Reduktion sowohl der (Gesamt-)Staub- als auch der Kohlenstoffmonoxidemissionen gegen√ľber dem unadditivierten Referenzfall f√ľhrt. Die Pr√ľfstandmessungen lassen vermuten, dass den beiden betrachteten (Gesamt-)Staubminderungsma√ünahmen, d. h. (Brennstoff-)Additivierung und elektrostatischem Partikelabscheider, tendenziell unterschiedliche Wirkmechanismen zugrunde liegen, sodass sich f√ľr zuk√ľnftige Untersuchungen eine kombinierte Betrachtung bzw. Verwendung beider Ma√ünahmen als vielversprechend herausstellen k√∂nnte. Abschlie√üend kann festgehalten werden, dass die aluminiumsilikat-basierte (Brennstoff-)Additivierung von Holzhackschnitzeln mittels Kaolin an einer handels√ľblichen Feuerungsanlage technisch ohne Weiteres umsetzbar ist, sich aus dieser Umsetzung verschiedene √∂kologische Vorteile hinsichtlich der Emissionen aus der Verbrennung von Holzhackschnitzeln ergeben (z. B. Minderung der (Gesamt-)Staub-, Kohlenstoffmonoxid- sowie PM0,1-Emissionen) und die resultierenden Kosten aufgrund des verh√§ltnism√§√üig geringen Additivbedarfs einen vertretbaren √∂konomischen Aufwand im Vergleich zur sekund√§ren Minderungsma√ünahme in Form eines elektrostatischen Partikelabscheiders darstellen.

√úbersicht

Fördersumme

385.505,00 ‚ā¨

Förderzeitraum

01.09.2018 - 31.12.2021

Bundesland

Hamburg

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik