Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung · Technische Thermodynamik & Gasaufbereitung Emissionen aus holzbestückten Kleinfeuerungsanlagen Staub Mineralische Stäube Ruß Gasförmige

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



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



Emissionen aus holzbestückten Kleinfeuerungsanlagen

StaubMineralische StäubeRuß

Gasförmige VerbindungenOrganische VerbindungenWasserdampf



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



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



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



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



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



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



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



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

Dr.-Ing. E. Erich Minderung von Emissionen aus kleinen Holzfeuerungsanlagen, Dülmen 12.10.2011

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




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



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



Charakteristik verschiedener Staubabscheider

Allgemeine Forderungen an ein Rauchgasreinigungssystem

Geringer Druckverlust PreisgünstigWartungsarm

MassenkraftabscheiderFilternde AbscheiderElektrostatische AbscheiderKondensationseinrichtungen/Wäscher



Massenkraftabscheider

Bioflamm®Rotationsabscheider

WVT - WirtschaftlicheVerbrennungs-Technik GmbH

ca. 30 - 400 kWNenn

Bioflamm® Multi-zyklonabscheider


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



Bioflamm® Metallgewebefilter


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



Hark ECOplus

Bis zu 40% weniger Brennstoffverbrauch (im Vergleich zu herkömmlichen Hark-Feuerstätten) Integrierter Feinstaubfilter Erheblich gesteigerte Strahlungswärme84-89% Wirkungsgrad Rußabweisende, keramische Feuerraumauskleidung

Schaumkeramikfilter



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



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



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



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



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



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



Ofen mit Firecat® Katalysator

Katalytische Abgasreinigungsverfahren



1. Wärmeaustauschkammer2. Katalysator 3. Bypassklappe4. Flammenschutz5. Sicherheits-Bypass-Öffnung

Columbus U.S.(Nachrüstkatalysator)

Einbauprinzip Katalysator Ofen mit Katalysator



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

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VOC

in m

gC/m

3

0

1.000

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4.000

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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)



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.

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