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7/8 | 2014

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SPECIAL Thermische

SPECIAL Thermische Verwertung/Abluftreinigung Füllkörper-Technik: Verbesserung desEmissionsverhaltens Füllkörper-Modul aus Keramik (links), während der Verbrennung (rechts) Kleinfeuerungsanlagen stellen eine nicht zuvernachlässigende Quelle für Feinstaub und andere gasförmige Schadstoffemissionen wie Kohlenmonoxid (CO) und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) dar. Die Abgasbehandlung in Kleinfeuerungsanlagen durch Sekundärmaßnahmen ist aufgrund unvollständiger Verbrennung immer mit Schwierigkeiten sowie bezüglich des Einsatzes im Haushalt mit einem hohen technischen und wirtschaftlichen Aufwand verbunden. Daher sollten diese Schadstoffemissionen durch die Optimierung der Feuerungstechnik effizient gemindert werden. Dr.-Ing. Mohammad Aleysa und Jochen Cypris Im Fachbereich Verbrennungssysteme des Fraunhofer IBP wurde eine Technik mit Füllkörpern entwickelt und untersucht. Sie trägt als konstruktive Maßnahme zur Verbesserung des Verbrennungs- und Emissionsverhaltens sowie zur Erhöhung derEffizienz in biomassebetriebenen Kleinfeuerungsanlagen bei. Indiesem Beitrag werden diese Technik und die Ergebnisse eines Vorversuchsdargestellt. Prinzip und Vorteile der Füllkörper-Technik Füllkörper sind Bauteile aus Keramik, Metall oder Kunststoff, die normalerweise in der Verfahrenstechnik zur Verbesserung von Strömungsverhältnissen, Phasentrennung und zur Erzeugung großer Stoffaustauschflächeneingesetztwerden. DasWirkprinzip beruht auf der Bereitstellung günstigerOxidationsbedingungen währendder Verbrennung innerhalb eines Füllkörper-Moduls. Esspeichert ausreichend Energie und gewährleistet durch seine spezielle Struktur eine Intensivierung der Durchmischung von brennbaren Abgasbestandteilen mit der Verbrennungsluft. Durch die mehrfache Umlenkung wird zudem die aktive Verweilzeit verlängert. Die gespeicherte Energie soll die Oxidation in ungünstigen Betriebsphasen, wie beim Auflegenvon Holz, ermöglichen sowie zu einem stabilenVerbrennungsvorgangunabhängig vonder Dynamik des Verbrennungsprozesses führen. Die bei Verbrennungsprozessen zu verwendenden Füllkörper müssen bestimmte Anforderungen erfüllen, um die gewünschte Funktion zu erreichen. Dazu zählen: 7 hohe Wärmekapazität, 7 Gewährleistung hoherTurbulenz, 7 raue Oberfläche mit adhäsiven Eigenschaften, 7 niedriger Strömungswiderstand sowie 7 hohe mechanische, thermische und chemische Beständigkeit. Darüber hinaus muss das Füllkörper- Modul Feuerraumbereichohne Störung der Hauptströmung der Verbrennungsluftbeziehungsweise desAbgases aufgebaut werden. Weitere Anforderungen hängen vom Einsatzbereich ab. Sosollten die Füllkörper bei Verwendung in Heizkesseln eine hohe Feuerdruckfestigkeit aufweisen. Für diese Technik sind folgende neue Merkmale charakteristisch: 7 Langlebigkeit mit sicherer Funktion (die thermische Oxidation unterliegt keinerAlterung), 7 Möglichkeit zur zusätzlichen Beheizung und zur katalytischen Beschichtung mit optimaler Funktion, 7 stabiler Betrieb, niedrige Emissionen und erhöhterWirkungsgrad, 7 Brennstoffersparnis (mindestens 10 Prozent), 7 Bereitstellung angenehmer Nutzwärme (vergleichbarmit Speicherfeuerstätten), 7 niedriger Strömungswiderstand durch große Öffnungen, 7 keine Verstopfungsgefahr beim Einsatz ungünstiger Brennstoffe, 7 Robustheit gegenüber der Art der Beschickung und der Änderung von verbrennungstechnischen Eigenschaften desBrennstoffes, 7 niedriger Preis und Nachrüstbarkeit sowie 7 Verzicht aufzusätzliche Energie. Untersuchungsergebnisse Die über vier Abbrände gemittelten Verläufe von Kohlenmonoxid bei der Verbrennung vonBuchenholz in einem Holzofen mit und ohne keramische Füllkörper sind inGrafik 1dargestellt. Es istersichtlich, dassdie Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoff-Werte mit Füllkörpern deutlich niedriger sind als ohne diese Füllkörper. Die Konzentra- 18 UmweltMagazin Juli -August2014

tionen sinkenschnell nachdem Schließen der Ofentür und bleiben über lange Zeit, auch inder Ausbrandphase, auf niedrigem Niveau. Dieses Verhalten ist bei Kohlenwasserstoffendeutlicherfestzustellenals bei Kohlenmonoxid. Das beobachtete Emissionsverhalten ist damit zu begründen, dass durch die Füllkörper stabile günstige Oxidationsbedingungen (wirksame Temperatur, lokaler Sauerstoff und aktive Verweilzeit) über eine lange Betriebszeitsichergestellt wurden. Auch die PAK sollten entsprechend reduziert werden können, da sie mit dem Kohlenmonoxid und den Kohlenwasserstoffen während der Verbrennung korrelieren beziehungsweise thermisch behandelt werdenkönnen. Die Stäube wurden bei diesem Versuch sowohl gravimetrisch als auch durch einen Staubzähler bestimmt. Während bei der gravimetrischen Staubmessung nur derGesamtstaub gemessen werden kann, sind durch den Partikelzähler die Feinstäube (Nanound Mikrometerbereich) zu erfassen, welche als direkter Indikator für die Verbrennungsqualität zu verwenden sind. Bei einer gravimetrischen Staubmessung wurde die Konzentration des Gesamtstaubs von 127mg/m3 auf 14 mg/m3 reduziert. Das entspricht einer Minderung des Gesamtstaubs von 80 Prozent. Die Partikelzählung im Bereichvon 5 bis350 nm hat gezeigt, dass sowohl das Spektrum zu größeren Partikelnhin verschoben als auchdie Gesamtanzahl der Feinstaub-Partikel verringert werden kann. Dabei wurde eine Verringerung derPartikelanzahl von5,6 x1010auf 3,2 x 1010 erreicht. Dies entsprichteinerFeinstaubminderung vonknapp 42 Prozent. Der Volumenanteil desKohlendioxids im Abgas beim Einsatz von Füllkörpern fällt höher aus. Das ist mit der besseren Umsetzung von Brennstoffkohlenstoff während des Verbren- nungsprozesses zu begründen. Durch die Erhöhung des Kohlendioxidanteils im Abgas sowie durch die WärmespeicherungimFüllkörper-Modul lässt sich demzufolge die Effizienz der Verbrennung verbessern. Bei dem Vorversuchsprogramm wurde der Wirkungsgrad von71auf 80 Prozent erhöht. Zusammenfassung und Ausblick Diese Technik befindet sich noch in der Entwicklungsphase und die beschriebenen Ergebnisse weisen noch großes Potenzial auf. Bei optimalen Füllkörpernbeziehungsweise einemoptimierten Aufbau sind noch bessere Ergebnisseerreichbar, sodass dieEntwicklung am Fraunhofer IBP fortgesetzt wird, um schließlichindustrielle Lösungenzuerreichen. Der Vorteildieser Technik liegt darin, dass die Verbrennung von Biomasse in Grafik: Kohlenmonoxid-Verläufe (über vier Abbrände gemittelt) bei der Verbrennung von Buchenholz in einem alten Holzofen mit und ohne keramische Füllkörper technisch einfach aufgebauten Systemen, wie Einzelraumfeuerungsanlagen, deutlich verbessert werden kann. Damit lässt sich eine Schadstoffminderung in Wohngebieten erzielen. Durch die Erhöhung der Effizienz der Verbrennung werden sowohl der Kohlendioxidausstoß, der Biomasseverbrauch als auch die Emission anderer Treibhausgase gemindert. Der ökologische und wirtschaftliche Beitrag zum aktivenKlimaschutz istoffenkundig, da die energetische Nutzung der Biomasse zur Bereitstellung von Wärme und Warmwassermit hoherAkzeptanz realisiert werden kann. Dr.-Ing. Mohammad Aleysa, Dipl.-Ing. FH Jochen Cypris, beide Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, Stuttgart, info@ibp.fraunhofer.de Bild und Grafik: Fraunhofer IBP Ihr LowNOx- Partner Lorem ipsum dolor Lorem ipsum dolor Unsere Technik –Ihre Wahl NO x -Reduktion vom Profi ERCals einer der Markt- und Technologieführer bei DeNO x -Anlagen in Europa, entwickelt und produziert hocheffiziente, individuell zugeschnittene Entstickungssysteme für unterschiedliche Verbrennungsanlagen, Kraftwerks- und Industrieanwendungen. Aus einem Bündel möglicher Maßnahmen entwickeln wir für Sie die individuell effizienteste Lösung: · SNCR-Anlagen · SCR-Anlagen · Kombi-Anlagen nach dem ERC-plus Verfahren · ERC-Verfahrenshilfsstoffe zur optimalen Verbrennung mit geringen Emissionen

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