![Page 1: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/1.jpg)
Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem Biomassekessel für Agrarbrennstoffe
C. Zemann, J. Kelz, D. Muschick,
S. Retschitzegger, M. Gölles
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen,
TFZ Straubing, 20.03.2019
![Page 2: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/2.jpg)
■ Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb,
Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen (< 500kW)
■ Erhöhte Anforderungen an das Verbrennungssystem
um schadstoffarme und effiziente Verbrennung zu erreichen
■ Höhere Aschegehalte
■ Niedrigere Energiedichten
■ Niedrigere Ascheschmelztemperaturen
■ …
■ Große Variationsbreite der Brennstoffeigenschaften
zwischen den verschiedenen Brennstoffen
Ausgangssituation und Problemstellung
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 2
![Page 3: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/3.jpg)
CO-l-Charakteristik für unterschiedliche Brennstoffe und Leistungen
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 3
Kurzumtrieb (Pappel) Holzpellets
Variierende CO-Emissionen bei
variierenden Betriebsbedingungen / Brennstoffen
CO
in
mg
/Nm
³
600
500
400
300
200
100
0 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9
lgesamt
CO
in
mg
/Nm
³ 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9
lgesamt
600
500
400
300
200
100
0
hohe Leistung
mittlere Leistung
geringe Leistung
hohe Leistung
mittlere Leistung
geringe Leistung
![Page 4: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/4.jpg)
Staubemissionen für unterschiedliche Primärluftverhältnisse
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 4
0
10
20
30
40
50
60
70
45 kW (0,5) 45 kW (0,7) 45 kW (0,85)
pa
rtik
elf
örm
ige
Em
iss
ion
en
[mg
/Nm
³]
Kurzumtrieb - Primärluftzahl
PM1 (ELPI) Gesamtstaub
λPVZ
Partikelförmige Emissionen hängen neben Brennstoffeigenschaften
auch wesentlich von Betriebsbedingungen ab (u.a. von λPVZ)
![Page 5: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/5.jpg)
■ Grundsätzliche Möglichkeiten
■ Primärmaßnahmen
– Konstruktive Maßnahmen: Rost- und Feuerungsgeometrie, Ausführung der Luftzufuhr
– Regelungstechnische Maßnahmen: Adaptive Regelungskonzepte
■ Sekundärmaßnahmen
– Elektrofilter
– Katalysatoren
■ Forschungsprojekt – MoREIntegrALBiomass
■ Regelungstechnische Anforderungen und Möglichkeiten
■ Möglichkeiten zur Adaptierung / Integration bestehender Elektrofilter und Bewertung deren Abscheideeffizienz
Nutzung alternativer Brennstoffe / Erhöhung der Brennstoffflexibilität
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 5
![Page 6: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/6.jpg)
■ Ausstattung einer grundsätzlich für Brennstoffflexibilität konzipierten Rostfeuerung mit umfassender Sensorik
■ Untersuchung des Emissionsverhaltens verschiedener Biomassebrennstoffe in Abhängigkeit des Betriebszustandes
■ Holzpellets, Kurzumtrieb (Pappel), Maisspindel, Stroh
■ Variation der Luftverhältnisse
– λPVZ: 0,5; 0,7; 0,85
– λges: 1,1 – 1,9
■ Unterschiedliche Leistungen
Grundsätzliche Vorgehensweise (1/2)
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 6
![Page 7: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/7.jpg)
■ Entwicklung einer modellbasierten Regelung zur
■ gezielten Einhaltung der für schadstoffarme Verbrennung
erforderlichen Verbrennungsbedingungen
■ automatischen Anpassung an geänderte
Brennstoffeigenschaften
■ Konzeption eines modular integrierbaren Elektrofilters
■ Experimentelle Bewertung von Regelung und Elektrofilter
Grundsätzliche Vorgehensweise (2/2)
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 7
![Page 8: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/8.jpg)
Modellbasierte Regelung – Grundlegende Struktur
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 8
CO-λ-Optimierung
Massenstrom
-regler
Leistungsregler
Biomasse-
feuerung
Sollwert für den
Restsauerstoffgehalt
des Rauchgases
Steuersignale für
Ventilatoren und
Stokerschnecke
Messwerte aus der
Biomassefeuerung Ermittelter Zustand der Biomasse-
feuerung und Brennstoffeigenschaften
λprimär - Regler
Sauerstoffregler
Sollwerte für die
Massenströme
an Primär- und
Sekundärluft
sowie Brennstoff
Zustands-
beobachter
und
Softsensoren
![Page 9: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/9.jpg)
Modellbasierte Regelung – Beispielhaftes Ergebnis
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 9
Stationärer Betrieb bei 30 kW mit Maisspindel-Grits
O2 in
Vo
l.%
15
10
5 0 10 20 30 40 50 60
0 10 20 30 40 50 60
lP
VZ
2
1,5
1
0,5
Zeit in Minuten
MODELLBASIERTE REGELUNG
Messwert
Sollwert
Messwert
Sollwert
O2 in
Vo
l.%
0 10 20 30 40 50 60
15
10
5
0 10 20 30 40 50 60
2
1,5
1
0,5
lP
VZ
Zeit in Minuten
AKTUELLE REGELUNG
Messwert
Sollwert
Messwert
Sollwert
![Page 10: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/10.jpg)
Modellbasierte Regelung – Beispielhaftes Ergebnis
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 10
Stationärer Betrieb bei 30 kW mit Maisspindel-Grits
O2 in
Vo
l.%
15
10
5 0 10 20 30 40 50 60
0 10 20 30 40 50 60
lP
VZ
2
1,5
1
0,5
Zeit in Minuten
MODELLBASIERTE REGELUNG
Messwert
Sollwert
Messwert
Sollwert
O2 in
Vo
l.%
0 10 20 30 40 50 60
15
10
5
0 10 20 30 40 50 60
2
1,5
1
0,5
lP
VZ
Zeit in Minuten
AKTUELLE REGELUNG
Messwert
Sollwert
Messwert
Sollwert
Der Einsatz der modellbasierten Regelung führt zu
verringerten Schwankungen des Sauerstoffgehalts
einer gezielten Einstellung des
Luftverhältnisses in der Primärverbrennungszone
![Page 11: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/11.jpg)
Einsatz der modellbasierten Regelung führt grundsätzlich zu
verringerten Schwankungen aller geregelten Größen
stabilerem Betrieb bei allen Leistungen und bei Leistungswechseln
Ermöglicht eine gezielte Einstellung der optimalen Verbrennungs-
bedingungen (insbesondere Luftverhältnis in Primärverbrennungszone)
Reduziertes Risiko der Ascheschmelze
Verringerung von Schadstoffmissionen
Einsatz eines Zustandsbeobachters samt Soft-Sensoren zur Ermittlung
des Zustands der Biomassefeuerung und der Brennstoffeigenschaften
Nutzung dieses Wissens in der modellbasierten Regelung zur Anpassung
an wechselnde Brennstoffe Brennstoffflexibilisierung
Übergeordnete modulare CO-λ-Optimierung maximiert Wirkungsgrad
bei gleichzeitiger Verringerung der Schadstoffemissionen
Modellbasierte Regelung – Zusammenfassung
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 11
![Page 12: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/12.jpg)
Modular integrierbarer Elektrofilter –Experimentelle Bewertung
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 12
PR
FID
RGA
RGT
dp
FRT
P
DL
T
BMF
T
DGI
GMZST
ELPITMTM
T p
NILMS
EF
GMZ
BMF Biomassefeuerung
EF Elektrofilter
NILMS nicht-invasives Luftmassenmesssystem
FRT Feuerraumtemperatur
P Leistung
RGT Rauchgastemperatur
ST Gesamtstaubmessung
RGA Rauchgasanalyse
dp Differenzdruckmessung
DL Druckluft
GMZ Gasmengenzähler
DGI Dekati Gravimetric Impactor
ELPI Elektrischer Niederdruck-Kaskadenimpaktor
TM turbulenter Mischer
T Temperaturmessung
![Page 13: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/13.jpg)
Modular integrierbarer Elektrofilter – Beispielhaftes Ergebnisse (1/2)
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 13
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
1.600
1.800
2.000
0
3
6
9
12
15
18
21
08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30
CO
-un
d N
Ox
-Ge
ha
lt
O2
un
d C
O2
-Ge
ha
lt
O2-Gehalt RG [Vol% RG tr] CO2-Gehalt RG [Vol% RG tr] CO-Gehalt RG [mg/Nm³] NOx-Gehalt RG (als NO2 gerechnet) [mg/Nm³]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
10
20
30
40
50
60
70
08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30
RG
-u
nd
Ne
tzte
mp
era
ture
n
Ke
ss
ell
eis
tun
g
Kesselleistung [kW] T VL [°C] T RL [°C] T RG [°C]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30PM
1 -
un
d S
tau
be
mis
sio
ne
n
PM1-Gehalt (ELPI) [mg/Nm³] PM1-Gehalt (DGI) [mg/Nm³] Gesamtstaub [mg/Nm³]
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30
Lu
ftve
rhä
ltn
iss
e
Gesamtluftverhältnis [-] Primärluftverhältnis [-]
E-Filter inaktiv E-Filter aktiv
E-Filter inaktiv E-Filter aktiv
Stationärer Betrieb bei 45kW mit Pappel (Hackgut)
![Page 14: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/14.jpg)
Modular integrierbarer Elektrofilter – Beispielhaftes Ergebnisse (2/2)
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 14
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
0
50
100
150
200
250
mit E-Filter ohne E-Filter mit E-Filter ohne E-Filter mit E-Filter ohne E-Filter
NL TL SL
Luft
verh
ältn
isse
Par
tike
lfö
rmig
e E
mis
sio
ne
n m
g/N
m³
Maisspindel-Grids
Gesamtstaub
Feinstaub (PM1)
Primärluftverhältnis
Gesamtluftverhältnis
Abscheidegrade bei Maisspindel-Grits in Abh. d. Leistung
![Page 15: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/15.jpg)
■ Konzeption und Integration des Elektrofilters
■ Adaptierung marktverfügbarer Technologie war möglich
■ Positionierung nach Wärmeüberträger begünstigt modulare Bauweise
■ Experimentelle Bewertung
■ Umfassende Testläufe mit begleitenden Emissionsmessungen
sowie Brennstoff, Staub- und Ascheanalysen
■ Zufriedenstellende Abscheidegrade für alle untersuchten
– Brennstoffe
– Anlagenleistungen
■ Langzeitbewertung über mehrere Jahre Betrieb ist noch ausständig
Modular integrierbarer Elektrofilter – Zusammenfassung
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 15
![Page 16: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/16.jpg)
Forschungsprojekt zur Erhöhung der Brennstoffflexibilität kontinuierlich beschickter Biomassefeuerungen in Richtung alternativer Brennstoffe
■ Untersuchung des Emissionsverhaltens in Abhängigkeit des Betriebszustandes untermauert Wichtigkeit
■ der Sicherstellung optimaler Verbrennungsbedingungen ■ der Verwendung geeigneter Sekundärtechnologien
■ Entwickelte modellbasierte Regelung ermöglicht
■ gezielte Einhaltung optimaler Verbrennungsbedingungen
■ automatische Anpassung an geänderte Brennstoffeigenschaften
■ Modular integrierbarer Elektrofilter
■ Fokus auf alternative Biomassebrennstoffe
■ Marktverfügbare Elektrofiltertechnologie konnte adaptiert werden
■ Bewertung zeigte zufriedenstellende Abscheidegrade für alle untersuchten Brennstoffe und Anlagenleistungen
Zusammenfassung und Ausblick (1/2)
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 16
![Page 17: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/17.jpg)
Erforderliche Arbeiten zur praktischen Nutzung
der erarbeiteten Ergebnisse
■ Überführung der entwickelten modellbasierten Regelung in die Serie
■ Untersuchung des Langzeitverhaltens des Elektrofilters
■ Untersuchung der gezielten Optimierung der Abscheideraten des
Elektrofilters für spezifische alternative Biomassebrennstoffe
(Fokus des Projektes lag auf Brennstoffflexibilität)
Zusammenfassung und Ausblick (1/2)
TFZ Straubing, 20.03.2019
10. Fachgespräch Partikelabscheider in häuslichen Feuerungen
Folie 17
![Page 18: Primäre und sekundäre Verbesserungen an einem ...¶lles/AFG2019_Präsentation... · Derzeit geringe Nutzung alternativer Brennstoffe (Kurzumtrieb, Mais, Stroh, etc.) in Biomasse-Kleinfeuerungen](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022041216/5e057750744dda7a5a6908c8/html5/thumbnails/18.jpg)
Danke für die Aufmerksamkeit!
Dr. Markus Gölles
Inffeldgasse 21b, 8010 Graz, Austria
0043-316-873-9208
www.bioenergy2020.eu
Weitere Informationen:
https://www.bioenergy2020.eu/de/kompetenzbereiche/anlagenregelungstechnik/projekte/view/420
Dieses Projekt wurde aus Mitteln des Klima - und
Energiefonds gefördert und im Rahmen des
Energieforschungsprogramms 2014 durchgeführt.