Technische Universität Hamburg (TUHH)
Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE)
Eißendorfer Str. 40
21073 Hamburg
Die energetische Nutzung biogener Festbrennstoffe leistet einen wichtigen Beitrag zur erneuerbaren Wärmeversorgung, ist im Rahmen der thermischen Verwertung jedoch weiterhin mit erheblichen umweltrelevanten Herausforderungen verbunden. So treten insbesondere bei der Verbrennung von Holzhackschnitzeln, je nach Brennstoffqualität und Anlagenbetrieb, Emissionen von Staub und Kohlenmonoxid (CO) sowie weiteren luftgetragenen Schadstoffen auf. Diese Emissionen sind sowohl aus umwelt- als auch aus gesundheitspolitischer Sicht problematisch, da vor allem Feinstaubpartikel besonders kritisch für die menschliche Gesundheit sind und unvollständige Verbrennungsvorgänge mit erhöhten CO-Emissionen einhergehen. Zugleich können aschebildende Komponenten der Biomasse, insbesondere Kalium (K) und Chlor (Cl), zu Ablagerungen, Verschlackung, Korrosion und einer erhöhten Belastung der Abgasreinigung führen, was den Anlagenbetrieb erschwert und zusätzliche Kosten verursacht.
Vor diesem Hintergrund bestand der Anlass des Vorhabens darin, eine brennstoffseitige Maßnahme zur Emissionsminderung unter realen Großanlagenbedingungen in einem Biomasseheizkraftwerk mit Rostfeuerung zu erproben. Während mineralische Additive wie Kaolin in kleineren Feuerungsanlagen bereits als wirksam zur Bindung von Alkalimetallen und zur Minderung von Staub- und CO-Emissionen beschrieben wurden, liegen für Biomasseheizkraftwerke im unteren zweistelligen Megawattbereich mit variablen Brennstoffqualitäten und kontinuierlichem Betrieb bislang nur wenige systematische Untersuchungen vor. Daher sollte die Übertragbarkeit des in Kleinfeuerungen nachgewiesenen Wirkprinzips auf einen großtechnischen Anlagenmaßstab sowie die Möglichkeit einer automatisierten und bedarfsgerechten Additivierung unter Praxisbedingungen untersucht werden. Zugleich sollte die technische Umsetzbarkeit und die emissionsmindernde Wirkung von Kaolin im großtechnischen Dauerbetrieb näher beleuchtet werden.
Das Fördervorhaben zielte darauf ab, eine automatisierte aluminium-silikat-basierte Brennstoffadditivierung mit Kaolin an einem bestehenden Biomasseheizkraftwerk technisch zu realisieren, messtechnisch zu bewerten und hinsichtlich ihrer ökologischen, technischen und wirtschaftlichen Eignung zu prüfen. Dabei sollten insbesondere die Reduktion von Gesamtstaub (TPM)- und CO-Emissionen, die Bindung von Kalium in der Asche, die Veränderung der Aschezusammensetzung sowie mögliche Auswirkungen auf Verschlackung, Korrosion und die Verwertbarkeit der Rückstände untersu
Das Vorhaben wurde in vier aufeinander aufbauende Arbeitspakete gegliedert. Zunächst erfolgte die technische Planung, Realisierung und Inbetriebnahme einer automatisierten Kaolin-Zudosierung im Biomasseheizkraftwerk. Hierzu wurden verschiedene technische Varianten hinsichtlich ihrer Eignung für eine gleichmäßige Einbringung des Additivs in den Brennstoffstrom geprüft. Nach der Auswahl eines Rohrkettenförderers als geeignete Lösung wurde die Anlage baulich umgesetzt, in das bestehende Kraftwerk integriert und in Betrieb genommen. Die Zudosierung erfolgte aus Bigbags. Im Zuge der Inbetriebnahme wurden sowohl die Fördertechnik als auch die Synchronisation mit dem Brennstofftransport angepasst und unter Praxisbedingungen erprobt.
Im zweiten Arbeitspaket wurden die Auswirkungen der Kaolinadditivierung messtechnisch und labortechnisch untersucht. Dazu wurden Referenz- und Additivmessungen unter Volllast und Teillast durchgeführt und mit etablierten Messverfahren ausgewertet. Die Gesamtstaubemissionen wurden gravimetrisch erfasst, während gasförmige Emissionen mit stationären und mobilen Messsystemen bestimmt wurden. Ergänzend wurden Brennstoff-, Rostaschen-, Zyklonaschen- und im Langzeitversuch auch Gewebefilterproben entnommen und auf Wassergehalt, Aschegehalt, chemische Zusammensetzung, kristalline Phasen und Morphologie untersucht. So konnten die additivbedingten Veränderungen der Emissionen und der Aschezusammensetzung unter realen Anlagenbedingungen bewertet werden.
Ein drittes Arbeitspaket diente der Erarbeitung eines datenbasierten Ansatzes für eine bedarfsgerechte Regelung der Kaolindosierung. Hierfür wurden Leitwartendaten des Kraftwerks systematisch aufbereitet und als Grundlage für ein prädiktives Modell verwendet, mit dem CO-Emissionen auf Basis aktueller Betriebsparameter mit zeitlichem Vorlauf vorhergesagt werden können. Ziel war es, die Kaolinzufuhr künftig emissionsabhängig zu steuern und damit effizienter zu gestalten.
Im vierten Arbeitspaket erfolgte die technische, ökologische und wirtschaftliche Bewertung der Ergebnisse. Dabei wurden die erzielten Emissionsminderungen, die Veränderungen in den Aschefraktionen sowie die praktischen Betriebserfahrungen in einen übergeordneten Zusammenhang eingeordnet.
Die im Vorhaben gesetzten Ziele konnten in wesentlichen Teilen erreicht werden. Die technische Realisierung der automatisierten Kaolin-Zudosierung gelang grundsätzlich und es konnten unter realen Betriebsbedingungen mehrere Messkampagnen durchgeführt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits geringe Kaolindosierungen deutliche umweltrelevante Effekte bewirken können. So wurden unter den untersuchten Bedingungen Minderungseffekte von bis zu 39% bei Staubemissionen (Messpunkt vor der Abgasreinigung) und bis zu 91% bei CO erzielt. Damit wird das Potenzial einer brennstoffseitigen Emissionsminderung als Ergänzung zu den bestehenden Sekundärmaßnahmen deutlich. Auch die labortechnischen Analysen stützen dies: in der Rostasche konnten Kalium-Aluminium-Silikate nachgewiesen werden, was auf eine wirksame Bindung von Kalium durch Kaolin hinweist.
Die Ergebnisse eines Langzeitversuchs untermauern den positiven Trend auch für einen längeren Betriebszeitraum. Unter kontinuierlicher Additivierung zeigten sich niedrigere CO-Emissionen sowie geringere Drücke in Zyklon und Gewebefilter, was auf eine reduzierte Staubbelastung schließen lässt. Damit konnte gezeigt werden, dass die Kaolinadditivierung nicht nur kurzfristig wirkt, sondern auch im längerfristigen Betrieb ein relevantes Minderungspotenzial besitzt.
Im Hinblick auf die ökologische und wirtschaftliche Bewertung ist der Ansatz insgesamt vielversprechend. Die Emissionsminderung kann zu einer Entlastung von Umwelt und Abgasreinigung sowie zu geringeren Anteilen der Feinaschefraktionen beitragen. Für den weiteren Einsatz sind jedoch technische Optimierungen erforderlich, insbesondere eine stabilere Dosierung des Additivs.
Die Projektergebnisse wurden über wissenschaftliche und fachpraktische Formate verbreitet, insbesondere durch eine wissenschaftliche Publikation, sowie durch Präsentationen auf Konferenzen, Tagungen und in Arbeitskreissitzungen mit Kraftwerksbetreibern. In enger Abstimmung mit dem Projektparnter und der TUHH wurden die Ergebnisse so aufbereitet, dass sie wissenschaftlich und praktisch nutzbar sind. Die Erkenntnisse zur Kaolin-Zudosierung, zu Emissionsminderungen und zu betrieblichen Herausforderungen sind auf andere Biomasseheizkraftwerke übertragbar und liefern konkrete Hinweise für Betrieb und Optimierung. Im Partnerkraftwerk werden die Ergebnisse genutzt, um die Brennstoffadditivierung fortzuführen.
PublikationDas Vorhaben hat gezeigt, dass die automatisierte Kaolin-Zudosierung zur Emissionsminderung in einem großtechnischen Biomasseheizkraftwerk technisch umsetzbar ist und messbare ökologische Vorteile bietet. Die Ergebnisse belegen eine deutliche Reduktion von Staub- und CO-Emissionen. Damit wurde ein Ansatz validiert, der die brennstoffseitige Emissionsminderung sinnvoll ergänzen kann und über den bisherigen Stand der Praxis hinausgeht.
Gleichzeitig hat das Projekt verdeutlicht, dass für einen stabilen Dauerbetrieb weitere technische Optimierungen erforderlich sind, insbesondere hinsichtlich der kontinuierlichen und bedarfsgerechten Dosierung des Additivs. Auch vertiefende Untersuchungen in Hinblick auf die Zusammensetzung der Aschefraktionen im Dauerbetrieb sind geplant. Die Untersuchungen im Rahmen des Projektes liefern eine belastbare Grundlage für die Weiterentwicklung des Verfahrens und für künftige Anwendungen bei weiteren Brennstoffen und Feuerungstechnologien. Insgesamt leistet das Vorhaben einen wichtigen Beitrag zur umweltverträglicheren Nutzung biogener Festbrennstoffe.