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Dr.-Ing. E. Erich Minderung von Emissionen aus kleinen Holzfeuerungsanlagen, Dülmen 12.10.2011 1
Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Verfahren zur Minderung von Emissionen
aus Kleinfeuerungsanlagen
Ref.: Dr.-Ing. E. ErichInstitut für Energie- und Umwelttechnik e.V. Bliersheimer Straße 60, 47229 DuisburgTel.: 02065 / 418 - 268
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
biogene 15,0% Festbrennstoffe(Industrie)
5,3% biogene Festbrennstoffe
(HKW/HW)3,0% biogene
flüssige Brennstoffe
6,6% biogenegasförmige Brennstoffe
8,7% biogenerAnteil des Abfalls
3,8% Solarthermie
4% Geothermiebiogene 53,4%Festbrennstoffe(Haushalte)
gesamt136,1 TWh
66,9 TWh oder 240.647 TJ
Wärmebereitstellung aus erneuerbaren Energien 2010
Aus: BMU-AGEE-Stat (Juli 2011), FNR 2011
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Emissionen aus holzbestückten Kleinfeuerungsanlagen
StaubMineralische StäubeRuß
Gasförmige VerbindungenOrganische VerbindungenWasserdampf
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
0
5
10
15
20
25
30
35
1994 1999 2004 2009
kt
Erdgas
Heizöl
Holzbrennstoffe
Kohlebrennstoffe
Summe
Basis 102kg PM10 pro TJQuelle: UBA Texte 44/08; Struschka et al.: Effiziente Bereitstellung aktueller Emissionsdaten für die Luftreinhaltung
Quelle: Zentrales System Emissionen im Umweltbundesamt, Stand 15.02.2006
Entwicklung der Feinstaubemissionen (PM 10) aus Kleinfeuerungsanlagen
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Holz, lutro
Holz, atro
Holzkohle
Asche
Wasserdampf 100 - 150°C
Brenngas CO, KW, H2
Primärluft
150 - 500°C
Sekundärluft
500-1200°C
Abgas
Primärluft
600°C
Brenngas CO
Abgas Sekundärluft
800°C
Ablauf der Holzverbrennung
Quelle: Marutzky R., Seeger K.: Energie aus Holz und anderer Biomasse, DRW-Verlag 1999
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Kondensierbare organische
Kohlenwasserstoffe
Mineralische Verbindungen
- vorwiegend Salze -(KCL, CaCO3, K2SO4)
RUß
Kohlendioxid (CO2)
Leichtflüchtige organische
Komponenten(VOC)
Kohlenmonoxid(CO)
Wasserdampf(H2O)
Cx Hy Oz + w(H2O)(K, Ca, Cl, S, etc.)
PM10
KCl
CO3
K + ClVerdampfung
CaCO3
-Abgabe
550°C
> 800°C
CmHn
prim. Teere
sek. Teere
C CO+ O2
700 – 850°C
PAK(tert. Teer)
> 850°C
- H2
+ O2
< 700°C
KOKS
O2-Mangel
O2
Nucleation
+ O2 + O2
PyrolyseVergasung
Flamme
Verbrennung
Nach Quelle: Th. Nussbaumer, 6 – 2010, Umwelt Perspektiven, Postfach, 8308 Illnau
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Anorganische Aerosole(K2SO4, KCl, K2CO3, ZnO,…)
Rostfeuerung, Buche, guter Ausbrand
Agglomerat aus organischen
Aerosolen und RußKaminofen, Buche, schlechter
Ausbrand
Grobe Flugasche(CaO, MgO, SiO2….)
Rostfeuerung, Buche, guter Ausbrand
Partikel im Abgas
Quelle: T. Brunner; IEA-Veranstaltung: Highlights der Bioenergieforschung II, 12.11.2009, Wien
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Einfluss der Holzart auf die Gesamtstaubemission im verdünnten und unverdünnten Abgas, Kaminofen ohne automatische Luftklappe (n = Anzahl der Messungen)Buchenscheitholz (w=11%), Birkenscheitholz (w=12%), Fichtenscheitholz (w=10%), Fichtenscheitholz ohne Rinde (Fi.o.Ri., w=10%)
Gesamtstaubemission
Quelle: V. Lenz, DBFZ Report Nr. 3, Leipzig 2011
58 70
49
108
6871
77
107
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Buche Birke Fichte Fi.o.Ri.
(n=6) (n=3) (n=3) (n=3)
Ges
amts
taub
in m
g/N
m³ (
13%
O2)
unverdünntverdünnt
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Aus: Nussbaumer, T.; Lauber, A.: Formation mechanisms and physical properties of particles from wood combustion for design and operation of electrostatic precipitators, 18th European Biomass Conference and Exhibition, Lyon, 3–7 May 2010, ETA-Florence
Darstellung der CO-Emissionen bei der Biomasse-Verbrennung als Funktion der Luftzahl Lambda. Die drei Verbrennungsphasen korrelieren mit den verschiedenen Staubarten im Abgas (Ruß, Salze und kondensierbare organische Kohlenwasserstoffe)
Emissionen bei der Biomasseverbrennung
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Kohlenwasserstoffgehalt im Abgas von Kaminöfen50 mg/m3 (20 – 700mg/m3)(darunter Alkane, Alkene, Aldehyde, Ketone, Essigsäure, Aromaten)
Staubgehalt im Abgas von Kaminöfenca. 50 mg/m3 (20 – 450mg/m3, 5000mg/m3)
PartikelgrößeMehr als 90% der Partikel aus dem Holzbrand sind kleiner PM 10
Mehr als 90% aller Staubemissionen aus Kleinfeuerungsanlagen stammen aus der Holzverbrennung
Emissionen aus Kleinfeuerungsanlagen
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
PAK-Komponente Einheit Staub Holzverbren-
nung
Dieselruß
Naphthalin mg/kg 13 42
Acenaphthylen mg/kg 129 7,1
Acenaphthen mg/kg 17 < 3
Fluoren mg/kg 173 < 3
Phenanthren mg/kg 231 3,7
Anthracen mg/kg 65 < 3
Fluoranthen mg/kg 154 < 3
Pyren mg/kg 170 < 3
Chrysen mg/kg 54 < 3
Benzo(a)anthracen mg/kg 44 < 3
Benzo(b)fluoranthren mg/kg 30 < 3
Benzo(k)fluoranthren mg/kg 11 < 3
Benzo(a)pyren mg/kg 25 < 3
Indeno(1,2,3-cd)pyren mg/kg 9 < 3
Dibenzo(a,h)anthracen mg/kg < 8 < 3
Benzo(g,h,i)perylen mg/kg < 8 < 3
PAH (EPA) ges. mg/kg 1125 53
bei Staubgehalt Abgas mg/m3 5000 100
Vergleich der PAH-Gehalte(gemäß EPA) von Staub aus unvollständiger Holzverbrennung mit Dieselruß
Quelle: Th. Nussbaumer, N. Klippel;
Einfluss der Betriebsweise auf die Partikelemissionen von Holzöfen, Bundesamt für Energie. Bern 2007
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Ursachen für hohe Emissionen
Unvollständige Verbrennung
• schlechte Durchmischung von Brenngas und Verbrennungsluft • zu niedrige Verbrennungstemperatur • zu kurze Aufenthaltszeiten der Brenngase bei hohen Temperaturen
Zu beobachten bei:
• Anbrennphasen / Anfahrvorgängen (zu niedrige Temperaturen) • Hauptverbrennungsphasen (örtlicher Luftmangel)• schlechter Abstimmung von Brennstoff / Verbrennungsluft• Verwendung nicht geeigneter Brennstoffe
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Sekundäre Emissionsminderungsmaßnahmen
Minderung der StaubemissionMassenkraftabscheiderFilternde AbscheiderElektrostatische AbscheiderKondensationseinrichtungen mit Brennwertfunktion/Wäscher
Minderung der CO- und KohlenwasserstoffemissionenKatalytische Abgasreinigung (Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid)
Verfahrenskombinationen
Primäre Emissionsminderungsmaßnahmen
Brennstoffqualität, BrennstoffaufbereitungOfenkonstruktion, VerbrennungstechnikRegelungstechnik
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Einfluss auf EmissionenBrennstoff•Ungeeignete Brennstoffqualität•Brennstofffeuchte•Brennstoffaufbereitung (Stückgröße)
Betreiber•Falsche Brennstoffaufgabemenge•Aufgabehäufigkeit•Verbrennungsluftmenge
PrimärluftSekundärluft
Primäre EmissionsminderungsmaßnahmenBrennraumkonstruktion• Optimierter Feuerraum mit Zonen geringer Gasgeschwindigkeit zur
Absetzung aufgewirbelter Asche- und Brennstoffpartikel• Gute Durchmischung der Verbrennungsluft mit den Brenngasen
(Erhöhung der Turbulenz)• Erhöhung der Verweilzeit in der Nachreaktionszone• Angepasste Primär- und Sekundärluftmenge
Regelungstechnik• Regelung die auch bei Anbrenn- und Teillastbetrieb einen
vollständigen Ausbrand ermöglicht
• Messung vonTemperaturSauerstoffgehalt im AbgasKohlenmonoxidgehalt im Abgas
• Regelung vonPrimärluftmengeSekundärluftmenge
Nachreaktions-zone
Sekundärluft
Nachreaktions-zone
SekundärluftReduktion von CO bis 80%
Feinstaub um 60% möglichH. Kohler: Proc. Int. Biomass Conference, Leipzig May 2011
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Charakteristik verschiedener Staubabscheider
Allgemeine Forderungen an ein Rauchgasreinigungssystem
Geringer Druckverlust PreisgünstigWartungsarm
MassenkraftabscheiderFilternde AbscheiderElektrostatische AbscheiderKondensationseinrichtungen/Wäscher
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Massenkraftabscheider
Bioflamm®Rotationsabscheider
WVT - WirtschaftlicheVerbrennungs-Technik GmbH
ca. 30 - 400 kWNenn
Bioflamm® Multi-zyklonabscheider
WVT - WirtschaftlicheVerbrennungs-Technik GmbH
ca. 50 - 5000 kWNenn
Bioflamm® Rotations-StaubabscheiderTypenreihe: R Leistungsbereich: 30 bis 400 kWStaubgrenzwert: < 100 bis 150 mg/m3Für Kleinfeuerungsanlagen mit manueller oder automatischer Beschickung
Bioflamm® MultizyklonabscheiderTypenreihe: MKLeistungsbereich: 50 bis 5.000 kWStaubgrenzwert: < 100 bis 150 mg/m3Auch als Vorabscheider für Elektro- oder Gewebefilter
Prinzip Rotationsabscheider
Prinzip Zyklonabscheider
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Bioflamm® Metallgewebefilter
WVT - WirtschaftlicheVerbrennungs-Technik GmbH
ca. 100 - 2000 kWNenn
KÖB Feinstaubfilter KÖB Holzheizsysteme GmbH ca. 100 - 540 kWNenn (Holzfeuerung)
Schaumkeramik Fraunhofer IKTS/Fraunhofer IBP Für Kaminöfen, Installation imFeuerungsraum
Mikrofilter Fraunhofer Umsicht ca.30-500kW
Filternde Abscheider
Schaumkeramik Der KÖB FeinstaubfilterMetallgewebefilter für Feuerungsanlagen im Bereich von 100 kW bis zu 540 kW
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Hark ECOplus
Bis zu 40% weniger Brennstoffverbrauch (im Vergleich zu herkömmlichen Hark-Feuerstätten) Integrierter Feinstaubfilter Erheblich gesteigerte Strahlungswärme84-89% Wirkungsgrad Rußabweisende, keramische Feuerraumauskleidung
Schaumkeramikfilter
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Partikelabscheidung85%(Masse und Anzahl)Druckverlust135–480Pa (10% Porosität, 0,14m², 30Bm³)AbreinigungRückspülung, Druckstoß, Vibration, Querstrom
Filternde Abscheider
Quelle: Deerberg, Fraunhofer Umsicht Abschlussbericht FNR FKZ 22021106
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Öko-Carbonizer Bschor GmbHca. 22 - 500 kWNenn (Kaminöfen)(Holz-, Pellet-, Getreidefeuerung)
Profitherm Bomat Heiztechnik GmbHbis 45 kWNenn (Kaminöfen)(Pellet-, HHS-Feuerung bis 2000kW)
Abgaswärmetauscher FERRO Wärmetechnik GmbH ca. 20 - 500 kWNenn
Racoonizer ISELI Umwelt und Heiztechnik AG über 30 kW?AbgaswärmetauscherAWT Schräder Abgastechnologie ca. 15 - 1000 kWNenn
Abgaswäscher
Bomat Profitherm
(Wärmetauscher mit Kondensation)Racoonizer
Bomat Minithermab 10kW
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Der Kern des Öko-Carbonizers ist aus hochwärmeleitfähigem Carbon gefertigt. Darin befinden sich · Bohrungen A für Rauchgas· Bohrungen B für Wasser.
Im Öko-Carbonizer kühlt das Rauchgas in den Bohrungen A ab. Bei der Kondensation des darin gebundenen Wasserdampfes wird Wärme frei.
Diese Wärme wird an den kreuzenden Bohrungen B an Wasser abgegeben.
Schadstoffreduzierung
Schadstoffe werden durch die erfolgte Kondensation in Wassertröpfchen gebunden. Diese fließen ab und können umweltgerecht entsorgt werden.
Öko CarbonizerBschor GmbH
Wärmetauscher/Kondensationsprinzip
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Produktname Hersteller ApplikationenZumik®on Ruegg Cheminée AG
< 35 kWNenn (Kaminöfen)< 50 kWNenn (Pellet-, HHS-Feuerung)
Spanner Feinstaubfilter Spanner Re2 GmbH< 30 kWNenn (SF 20)< 80 kWNenn (SF 50)
OekoTube OekoSolve AG < 70 kWNenn (Holzfeuerung)
Airbox Spartherm Feuerungstechnik GmbHAufsatzmodul für SparthermKamineinsätze 7-20kWNenn
TRION Kaminfilter TRION Luftfiltersysteme GmbH, inair GmbH < 35 kWNenn (Kaminöfen)
Al-Top Schräder Abgastechnologie ca. 15 - 150 kWNenn
Feinstaubkiller TH-Alternativ Energie< 30 kWNenn (Kaminöfen)30 - 500 kWNenn
RuFF-Kat RuFF-TEC AG k.A.
Elektrostatische Abscheider
Prinzip:• Staubpartikel werden durch Sprühelektrode negativ
aufgeladen und im elektrischen Feld zurNiederschlagselektrode transportiert
• Abreinigung der Elektroden durchKlopfen/Schwerkraft/Wasserspülung (Nass-E-Filter)
• Stromverbrauch ca. 20 - 50 W• Feinstaub-Abscheidegrad zwischen 60 % und 95 %• Hohe Anwendungsbreite, für Kleinfeuerungsanlagen verfügbar • Geringer Druckverlust
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Wäscher mit Elektroabscheider
Elektrofilter KFK-Mini Box
Abgasquenche und Elektrofilter
Max. Ofenleistung 5-30 kW
Stromkosten ca. 30 € bei 2000 h/Jahr
Abscheidegrad bis 70%
Wasserbedarf pro Stunde bis 1 Liter (Quenche)
Entsorgung des Wassers über Kanalisation (Rußwasseranalysen vorhanden)
TH-Alternativ EnergieFeinstaubkiller
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EnviCat® Süd Chemie AG Für Kaminöfen zur Installation in Nachbrennkammer
FIRECAT® Gs-components handelsgmbH Nachrüstsatz für Feuerungen in Nachbrennkammer
KLIMA-KAT® Caminos Nachrüstsatz für Kaminöfen der Marke Caminos
Ofenkatalysator moreCat GmbH Für Kaminöfen zur Installation imAbgasrohr
ChimCat® Dr Pley Environmental GmbH Für Kaminöfen zur Installation imAbgasrohr
Abgaskatalysatoren
TotaloxidationskatalysatorenOxidation von Kohlenwasserstoffen
Oxidation von Kohlenmonoxid
Katalytisch aktives Metall (z.B. Pd, Pt) auf Träger
Bedingungen:Ausreichende Temperatur am Katalysator
Ausreichend Sauerstoff
Genügend lange Verweilzeit
CnHm + O2→ CO2 + H2O
CO + O2 → CO2
C + O2 → CO2
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Ofen mit Firecat® Katalysator
Katalytische Abgasreinigungsverfahren
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1. Wärmeaustauschkammer2. Katalysator 3. Bypassklappe4. Flammenschutz5. Sicherheits-Bypass-Öffnung
Columbus U.S.(Nachrüstkatalysator)
Einbauprinzip Katalysator Ofen mit Katalysator
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Standardofenrohr mit Ausschnitt zur Aufnahme und Wechsel der Katalysatorkartusche
Katalysatorkartusche mit Abdeckung
Drehgriff
Katalysatorlinse mit Ofenrohr
moreCat GmbHAbgaskatalysator zum Nachrüsten
0
20
40
60
80
100
250 350 450 550 650 750Temp_vK in °C
Min
deru
ng in
%, O
2_vK
in V
ol%
und
VOC
in m
gC/m
3
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
CO
_vK
in m
g/m
3
CO-Minderung VOC-Minderung O2_vKVOC_vK CO_vK
Katalysator III
Minderungsraten, Konzentrationen von O2, CO und VOC in Abhängigkeit der Temperatur vor Katalysator III (mc/150+) bei Nennlast des Heizeinsatzes(Messung IFK – Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik, Universität Stuttgart)
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Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung
Zusammenfassung
Katalytische Verfahren zur Oxidation von KW, CO und Ruß geeignet, sofern die Abgastemperatur hoch genug ist. Geruchsminderung.
Abgaswärmetauscher und Wäscher sind für kleine Heizungsanlagen verfügbar, Erhöhung der Anlageneffizienz.
Elektrostatische Staubabscheider für Kleinfeuerungsanlagen einsetzbar, keine Beeinträchtigung des Kaminzugs.
Primäre Maßnahmen zur Emissionsminderung haben noch Entwicklungspotential.
Trägheitsabscheider wie Zyklone nur als Vorabscheider geeignet. Multizyklone nur für größere Heizanlagen.
Filternde Abscheider haben hohe Staubabscheidungsraten, aber hohen Druckverlust. Für kleine Leistungsbereiche in Verbindung mit katalytischer Funktion anwendbar.