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Herleitung von Auslegungskriterien für einen optimalen Betrieb von Hackschnitzel- bzw. Pellet-Kesselanlagen

Diplomarbeit 2003 105 Seiten

Technik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Aufgabenstellung und Zielsetzung

3. Grundlagen
3.1. Brennstoffeigenschaften von Holz
3.1.1. Zusammensetzung von Holz
3.1.2. Wassergehalt und Heizwert von Holz
3.2. Besondere Aspekte bei der Holzverbrennung
3.2.1. Verbrennungsverlauf
3.2.2. Emissionen bei der Verbrennung von Holz
3.3. Emissionsrechtliche Anforderungen
3.4. Qualitätsanforderungen an Pellets und Hackschnitzel
3.5. Kesseltechnik
3.5.1. Aufbau und Funktion der Feuerungsanlage
3.5.2. Regelung der Feuerraumtemperatur
3.5.3. Regelung der Kesselwassertemperatur

4. Einsatz eines Holzkessels im Anlagenbetrieb
4.1. Monovalenter Anlagenbetrieb
4.1.1. Pelletsfeuerungen
4.1.2. Hackschnitzelfeuerungen
4.2. Bivalenter Anlagenbetrieb

5. Herleitung von Auslegungskriterien
5.1. Kriterien der optimalen Dimensionierung des Holzkessels
5.2. Darlegung der Auslegungskriterien anhand von zwei Objektbeispielen
5.2.1. Erstellung der Jahresdauerlinie der beiden Objekte
5.2.2. Berechnung der Jahresheizarbeit der beiden Objekte
5.2.3. Berechnung der Jahresbrennstoffkosten für beide Objekte
5.2.4. Ermittlung der Investitionskosten der Systemvarianten
5.2.5. Bestimmung einer Lösungsvariante für beide Objekte
5.3. Betriebsverhalten der Kessel im Tagesverlauf
5.4. Realisierungsmöglichkeit der Anlagenhydraulik
5.4.1. Hydraulische Lösungsmöglichkeit für Objekt A
5.4.2. Hydraulische Lösungsmöglichkeit für Objekt B
5.4.3. Hydraulische Lösungsmöglichkeit mit Pufferspeicher

6. Zusammenfassung und Ausblick

7. Literaturverzeichnis

Verzeichnis der Bilder

3.1 Pelletierung mit einer Ringmatrizenpresse

3.2 Integralfeuerung der Firma Bioflamm

3.3 Schrägschnecken- und Schubbodenaustragung

3.4 Rostflächenetagen des Einschubbrenners

3.5 Rückseite des Einschubbrenners mit Primär- und Sekundärluftgebläse

5.1 Holzkessel Typ RRK und Niedertemperaturkessel Euroval NT

Verzeichnis der Tabellen

3.1 Emissionsanforderungen an nicht genehmigungsbedürftige Holzfeuerungen nach BImSchV

3.2 Zusammenstellung der Grenzwerte und Bedingungen nach der österreichischen Norm für Holzhackgut (ÖNorm M7 133)

5.1. Rechteckflächen der beiden Jahresdauerlinien mit der jeweils errechneten Heizarbeit

5.2 Leistungsaufteilung der fünf Systemvarianten bei einer Nennleistung von 500 kW

5.3 Zusammenfassung der Ergebnisse der Berechnung für Objekt A

5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse der Berechnung für Objekt B

5.5 Investitionskosten der fünf möglichen Systemvarianten

5.6 Kennzahlensystem am Beispielheizwerk (Krankenhaus) einer bivalenten Anlage

Verzeichnis der Abbildungen

1.1 Primärenergieverbrauch nach Energieträgern in Deutschland

1.2 Potentiale regenerativer Energien in Deutschland (Abschätzung)

1.3. Holzvorrat, jährlicher Zuwachs und Nutzung

2.1 Hydraulikschemen einer Kombination von Holzkessel und Öl- /Gaskessel mit Pufferspeicher und ohne Pufferspeicher

3.1 Schematische Zusammensetzung von festen Brennstoffen

3.2 Anteil an brennbaren Gasen von Festbrennstoffe

3.3 Elementarzusammensetzung von Holz bei 20 % Wassergehalt

3.4 Zusammenhang zwischen Wassergehalt x bzw. u und dem unteren Heizwert Hu

3.5 Zuständige Verordnung in Abhängigkeit der Brennstoffgruppe und Feuerungswärmeleistung

3.6 Schematische Darstellung einer Unterschubfeuerung

3.7 Schematische 3D- Grafik eines Zyklonabscheiders

3.8 Auswirkungen der elektronischen Regeleinheit

3.9 Sicherungseinrichtungen an der Feuerungsanlage

3.10 Schema einer Rückbrand- Sicherheitseinrichtung

3.11 Anheizphasen und Regelphase der Feuerraumtemperaturregelung

3.12 Prinzipieller Ablauf der Regelung der Kesselwassertemperatur

4.1 Anlagenschema eines Hackschnitzelkessels mit Pufferspeicher

4.2 Beispiel eines Anlagenschemas eines bestehenden Kesselhauses für eine Nahwärmeversorgung

4.3 Beispiel einer Jahresdauerlinie bei Kombination einer Hackschnitzelfeuerung mit Ölfeuerung zur Spitzen- und Schwachlastabdeckung

5.1 Jahresdauerlinie der Schule mit Turnhalle und Schwimmbad

5.2 Jahresdauerlinie der Schule

5.3 Jahresdauerlinie der Schule mit Rechteckflächen

5.4 Jahresdauerlinie der Schule mit Turnhalle und Schwimmbad mit Rechteckflächen

5.5 Objekt A: Heizarbeit des Holzkessels bei 350 kW Nennleistung

5.6 Objekt A: Heizarbeit des Holzkessels bei 300 kW Nennleistung

5.7 Objekt A: Heizarbeit des Holzkessels bei 250 kW Nennleistung

5.8 Objekt A: Heizarbeit des Holzkessels bei 200 kW Nennleistung

5.9 Objekt A: Heizarbeit des Holzkessels bei 150 kW Nennleistung

5.10 Objekt A: Jahresheizarbeitsanteil von Holzkessel und Niedertemperaturkessel in Abhängigkeit der Holzkesselleistung

5.11 Objekt A: Verhalten der Brennstoffkosten bei steigendem Leistungsanteil des Holzkessels

5.12. Objekt B: Heizarbeit des Holzkessels bei 350 kW Nennleistung

5.13 Objekt B: Heizarbeit des Holzkessels bei 300 kW Nennleistung

5.14 Objekt B: Heizarbeit des Holzkessels bei 250 kW Nennleistung

5.15 Objekt B: Heizarbeit des Holzkessels bei 200 kW Nennleistung

5.16 Objekt B: Heizarbeit des Holzkessels bei 150 kW Nennleistung

5.17 Objekt B: Jahresheizarbeitsanteil von Holzkessel und Niedertemperaturkessel in Abhängigkeit der Holzkesselleistung

5.18 Objekt B: Verhalten der Brennstoffkosten bei steigendem Leistungsanteil des Holzkessels

5.19 Investitionskosten von Holzkessel Typ EuroBioTec RRK/System Binder und Niedertemperaturkessel Typ Euroval NT in Abhängigkeit ihrer Nennleistung

5.20 Systemabhängige Investitionskosten von Holzkessel und Niedertemperaturkessel mit Gesamtinvestition

5.21 Objekt A: Gegenüberstellung der jährlichen Gesamtbrennstoffkosten und Kesselinvestitionskosten

5.22 Objekt B: Gegenüberstellung der jährlichen Gesamtbrennstoffkosten und Kesselinvestitionskosten

5.23 Objekt A: Tagesverlauf der benötigten Kesselleistung an einem Wintertag (Januar)

5.24 Objekt A: Tagesverlauf der benötigten Kesselleistung an einem Wintertag (September)

5.25 Objekt B: Tagesverlauf der benötigten Kesselleistung an einem Wintertag (November)

5.26 Objekt B: Tagesverlauf der benötigten Kesselleistung an einem Sommertag (August)

5.27 Anlagenschema der hydraulischen Systemlösung für Objekt A

5.28 Anlagenschema der hydraulischen Systemlösung für Objekt B

5.29 Anlagenschema einer möglichen Systemlösung mit Pufferspeicher

Verwendete Formelzeichen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Holz als eines der ältesten Rohstoffe, steht dem Menschen seit der Entdeckung des Feuers vor etwa 400000 Jahren als Energieträger zur Verfügung.

Erst im Laufe der Industrialisierung Mitte des 19. Jahrhunderts wurde Holz als Brennstoff durch Kohle und zu Beginn des 20. Jahrhunderts durch Erdöl bzw. Erdgas ersetzt.

Der Ersatz durch fossile Energieträger führte in den letzten 100 Jahren zu einem Anstieg der CO2- Konzentration um 27% mit der Folge einer Erhöhung der mittleren Welttemperatur um ca. 0,5%. /1/

Bei unveränderter Emission ist eine globale Erwärmung von ca. 2 bis 5°C in 100 Jahren zu erwarten. Die Geschwindigkeit der Temperaturveränderung ist zwei bis ist fünf mal so groß wie sie sein dürfte, damit sich die Vegetation anpassen kann; allgemein geht man von maximal 0,1°C pro Jahrzehnt als soeben, ohne zu große Einbrüche, verträglich aus. Es sind also großflächige Zusammenbrüche von Ökosystemen zu erwarten. /2/

Politisch wurden auf der Konferenz der Vereinten Nationen für Umwelt und Entwicklung im Juni 1992 in Rio de Janeiro in der Agenda 21 alle wesentlichen Politikbereiche einer umweltverträglichen, nachhaltigen Entwicklung angesprochen. Mit dem von 170 Staaten verabschiedeten Aktionsprogramm für das 21. Jahrhundert wurden Handlungsaufträge gegeben, um u. a. eine nachhaltige Nutzung der natürlichen Ressourcen sicherzustellen.

In Deutschland hat sich zudem die Bundesregierung verpflichtet, das CO2- Minderungsziel zu erfüllen, das eine Reduktion der CO2- Emissionen um 25%, bis zum Jahr 2005 gegenüber 1990 vorsieht.

Zur Erfüllung dieses Ziels ist neben dem Einsparen von Energie und der rationellen Energienutzung, der Einsatz von kohlenstoffarmen und erneuerbaren Energieträgern notwendig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Primärenergieverbrauch nach Energieträgern in Deutschland (1999) /3/

Die Grafik aus Abbildung 1.1 veranschaulicht, dass die regenerativen Energieträger einen sehr geringen Anteil an den Gesamtenergieträgern in Deutschland ausmachen.

In anderen europäischen Ländern wie z.B. Österreich, Schweiz, Finnland oder Schweden werden schon heute zwischen 15 und 20% des Primärenergiebedarfs durch Biomasse abgedeckt. Diese Länder zählen zu den Vorreitern auf diesem Gebiet.

Auch der weltweite Anteil an erneuerbaren Energien am Primärenergieverbrauch beträgt ca. 17%, wobei 66% aus nicht kommerziellem Brennholz und anderen Biomassen kommen und die restlichen 33% Wasserkraft stellt. /4/

Auf den Gesamtbedarf betrachtet ist der Anteil an regenerativen Energien enttäuschend niedrig, obwohl das theoretische Potential an nutzbaren erneuerbaren Energiequellen um ein vielfaches größer ist als der aktuelle weltweite Primärenergieverbrauch.

Nach einer Studie des Deutschen Institutes für Wirtschaftsforschung besitzt Biomasse unter den regenerativen Energieträgern das weitaus größte Potential in Deutschland.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2: Potentiale regenerativer Energien in Deutschland (Abschätzung) /3/

Zur Erhöhung des Anteils von Biomasse am Primärenergieverbrauch kann insbesondere die zur Verfügung stehende energetisch nutzbare Holzmenge einen Beitrag leisten.

Holz als Energieträger wird hierbei aus Forstwirtschaft und Landwirtschaftspflege gewonnen oder als Restholz aus der be- und verarbeitenden Holzindustrie erlangt. Seit über 200 Jahren wird in Deutschland eine nachhaltige Forstwirtschaft betrieben, d.h. es wird dem Wald nicht mehr Holz entnommen als nachwächst. Heute werden etwa zwei Drittel des jährlichen Zuwachses von ca. 60 Mio. m³ dem Wald entnommen. Der Rest verbleibt im Wald und vergrößert den Holzvorrat./6/

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.3: Holzvorrat, jährlicher Zuwachs und Nutzung /6/

Für die energetische Nutzung von Holz in Holzheizanlagen sprechen ökologische und wirtschaftliche Argumente. Zu den ökologischen Vorteilen zählt die CO2- Verbrennung, d.h. bei der Verbrennung von Holz wird die Menge an CO2 freigesetzt, die der Baum zuvor beim Wachstum aufgenommen hat und führt deshalb zu keiner Veränderung des CO2- Gehaltes in der Atmosphäre. Aufgrund der sicheren Brennstofflagerung und der kurzen Transportwege werden durch den Ersatz fossiler Energieträger durch Holz Umweltbeeinträchtigungen durch Öltankerkatastrophen, Pipeline- Leckagen und Gasexplosionen vermieden.

Im Bereich der wirtschaftlichen Argumentation ermöglicht die Holzenergienutzung eine lokale und regionale Wertschöpfung. Die bei der Errichtung einer Holzheizanlage getätigten Investitionen verbleiben in der Region und fördern die Entwicklung eines neuen Wirtschaftfaktors mit Standort gebundenen Arbeitsplätzen.

Heutzutage hat die Holzheizungstechnik bei den holzbefeuerten Zentralheizungsanlagen einen Automationsstand erreicht, der den Öl- und Gasfeuerungen im Bereich Komfort und Wirkungsgrad kaum nachsteht. Bei den automatisch beschickten und sich selbst reinigenden Pelletskesselanlagen muss lediglich ca. alle sechs bis acht Wochen der Aschekasten entleert werden. Moderne Pellets- und Hackschnitzelanlagen zeichnen sich durch eine vollständige und schadstoffarme Verbrennung aus.

Für größere Anlagen zur Wärmeversorgung von Industriebetrieben, kommunalen Einrichtungen und Wohngebieten werden neben Pellets auch Hackschnitzel eingesetzt, die ebenfalls vollautomatisch vom Lagerraum in die Kesselanlage befördert werden. Dabei ist zu beachten, dass die Regelbarkeit eines Hackschnitzelkessels begrenzt ist. Um erhöhte Schadstoffemissionen zu vermeiden, sollte der Kessel vorwiegend im Bereich seiner Nennleistung betrieben werden. Da Hackschnitzelkessel in der Regel nicht unter 20% ihrer Nennleistung betrieben werden können, wird durch einen zusätzlichen fossil befeuerten Kessel ein redundantes Feuerungssystem zur Verfügung gestellt. Ein Öl- oder Gaskessel dient hier zur Abdeckung der Spitzen- und Schwachlast.

Neben der reinen Wärmeerzeugung ist bei großen Leistungen auch der Einsatz der Kraft- Wärme- Kopplung zur zusätzlichen Stromerzeugung möglich. Hier lassen sich die Systeme in Verbrennung und Vergasung des Holzes unterteilen. Beim Verbrennungssystem wird mittels der Rauchgaswärme überhitzter Dampf erzeugt, der sich in einer Turbine zur Stromerzeugung entspannt und danach zur Wärmeauskopplung kondensiert. Die Technik zur Holzvergasung (z.B. mit Hackschnitzel) mit anschließender Nutzung des Schwachgases in Kraftmaschinen befindet sich derzeit noch in der Entwicklungsphase.

2 Aufgabenstellung und Zielsetzung

Der Weg der Heizsystemhersteller führt immer mehr dahin, komplette Systemlösungen anzubieten, die aus einzelnen optimal aufeinander abgestimmten Systemkomponenten bestehen. Eine Systemlösung für ein Einfamilienhaus für die Deckung des Heizbedarfs und zur Trinkwassererwärmung könnte z.B. aus den Komponenten Wärmeerzeuger, Kombi- Pufferspeicher und thermischer Solaranlage bestehen.

Der Heizsystemhersteller FRÖLING, Overath, hat sich zum Ziel gesetzt, für die Versorgung von Nahwärmenetzen eine Systemlösung für Pellets- und Hackgut- Großkessel ab 100 kW Nennleistung anzubieten. Ein dem heutigen Stand der Technik gerecht werdendes Nahwärmenetz sollte aus ökologischen Gründen einen regenerativen Brennstoff als Hauptenergieträger nutzen. Daher bietet sich Holz in Form von Pellets oder Hackschnitzeln als umweltschonender und CO2 - neutraler Brennstoff für einen Grundlastkessel an. Ein mit Öl oder Gas betriebener Niedertemperaturkessel ist für die Abdeckung der Spitzenlast zuständig.

Ausgangspunkt der Systemlösung der Fa. FRÖLING waren zwei vereinfachte Hydraulikschemen, die die Kombination der beiden Kessel einmal mit und einmal ohne Pufferspeicher zeigen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Hydraulikschemen einer Kombination von Holzkessel undöl- /Gas- Kessel mit Pufferspeicher und ohne Pufferspeicher (Werksbilder Firma FRöLING)

Problem hierbei ist, wie die aufzubringende Gesamtleistung der Anlage auf die beiden Kessel prozentual aufgeteilt werden muss, um einen optimalen Betrieb des Systems zu gewährleisten. Zudem stellt sich hier die Frage, welche Auswirkungen ein möglicher Einsatz eines Pufferspeichers auf die Betriebsweise hat.

Da Herstellerfirmen überwiegend entweder nur auf Öl- /Gaskessel oder auf Holzkessel spezialisiert sind, liegen keine fundierten Kenntnisse darüber vor, wie groß der Holzkessel in bivalenten Anlagen im Hinblick auf einen optimalen Betrieb dimensioniert werden muss. Daher werden von der planerischen Seite noch viele Fehler bei der Auslegung gemacht, die zu einem unwirtschaftlichen Betrieb des Holzkessels mit hohen Emissionen führen.

Die noch sehr junge Technik der wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Holzverbrennung ist zum jetzigen Zeitpunkt in Verbindung mit fossilen Brennstoffen nirgends in der Literatur behandelt. Daher sind durch Gespräche mit Planern und Holzkesselherstellern und durch Untersuchung von bestehenden Anlagen die Grundlagen zu erarbeiten.

Ziel dieser Diplomarbeit ist es, Auslegungskriterien für Holzkessel in einem bivalenten Anlagensystem herzuleiten, die einen technisch und wirtschaftlich sinnvollen Betrieb ermöglichen. Grundlage dieser Herleitung ist die durch die Brennstoffeigenschaften bestimmende Holzkesseltechnik, die sich im Betriebsverhalten von Öl- oder Gaskesseln unterscheidet.

3 Grundlagen

3.1 Brennstoffeigenschaften von Holz

Für die Auslegung und den Betrieb einer Holzheizanlage sind die Brennstoffeigenschaften wichtige Ausgangsgrößen, da sie Einfluss auf Lagerdimensionierung, Fördereinrichtung, Feuerung, Abgasreinigungssystem, Ascheverwertung und Regelung nehmen.

Für das Anlagenkonzept und die Betriebsweise der Anlage bedeutet das, dass neben dem Nutzerverhalten der Verbraucher auch auf den vorgesehenen Brennstoff und dessen Eigenschaften zu achten ist.

3.1.1 Zusammensetzung von Holz

Holz und andere Festbrennstoffe lassen sich in brennbare und in nichtbrennbare Substanzen unterteilen. Die nicht- brennbaren Bestandteile sind Asche und Wasser, wogegen die flüchtigen Bestandteile und der Restkoks die brennbare Substanz bilden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Schematische Zusammensetzung von festen Brennstoffen /7/

Holz hat jedoch im Vergleich zu Kohlebrennstoffen einen hohen Anteil an vergasbaren, flüchtigen Bestandteilen und einen geringen Aschegehalt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Anteil an brennbaren Gasen von Festbrennstoffe

Aufgrund des hohen Anteils an brennbaren Bestandteilen verbrennt Holz mit einer langen Flamme und erfordert deshalb einen für die Verbrennung großen und hohen, der Flammenbildung angepassten, Feuerraum mit Nachverbrennungszone.

Die wichtigsten Hauptbestandteile von naturbelassenem Holz sind Cellulose mit etwa 47% und die Hemicellulose mit etwa 25%, die im Wesentlichen als Grundund Gerüstsubstanz fungieren. Des Weiteren bildet Lignin als Bindesubstanz mit ca. 24%, und organische und anorganische Nebenbestandteile, wie Harze, Öle und Mineralstoffe mit ca. 4%, den Rest.

Die Elementarzusammensetzung ermöglicht Rückschlüsse auf den Heizwert des Brennstoffs und macht zu erwartende Emissionen und Ascheanfälle bei der Verbrennung erkennbar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.3: Elementarzusammensetzung von Holz bei 20% Wassergehalt

Die wesentlichen Elementarbestandteile von Holz sind der Kohlenstoff und der Wasserstoff, da sie den Heizwert bestimmen und bei der Verbrennung zu Kohlendioxid und Wasser oxidieren.

3.1.2 Wassergehalt und Heizwert von Holz

Bei der energetischen Nutzung von Holz ist der Wassergehalt die entscheidende Kenngröße. Der Wasser- oder Feuchtegehalt hat eine bedeutende Einflussnahme auf den Heizwert und auf die Verbrennung. In Freiluftlagerung erreicht das Holz den so genannten lufttrockenen Zustand (lutro) von 15% bis 20%. Durch Erwärmung auf Temperaturen über 100°C lässt sich die Holzfeuchte vollkommen entfernen. Dieser Zustand wird als absolut trocken (atro) bezeichnet.

Der Wassergehalt kann in zwei unterschiedliche Formen dargestellt werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hierbei handelt es sich um die Differenz zwischen dem Frischgewicht und dem absolutem Trockengewicht bezogen auf das absolute Trockengewicht in Prozent.

Wassergehalt (x):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diese Definition bezieht sich auf das Frischgewicht und wird häufig im Zusammenhang mit dem Heizwert angegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4: Zusammenhang zwischen Wassergehalt x bzw. Holzfeuchte u und dem unteren Heizwert H u bei Holz /7/

Aus Abbildung 3.4 ist ersichtlich, dass ein hoher Feuchtegehalt des Holzes den Heizwert herabsetzt. Folge eines zu hohen Feuchtegehaltes sind niedrige Verbrennungstemperaturen, die zu einem ungünstigen Ausbrand mit schadstoffreichen Abgasemissionen führen.

Der Heizwert der feuchten Gesamtsubstanz lässt sich nach folgender Gleichung berechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.2 Besondere Aspekte bei der Holzverbrennung

3.2.1 Verbrennungsverlauf

Der Verbrennungsverlauf von Holz ist ein gestufter Zersetzungsvorgang und lässt sich in drei Phasen einteilen:

- Erwärmung und Trocknung
- Entgasung
- Ausbrand

Erst die genaue Kenntnis über die Eigenschaften des Verbrennungsprozesses ermöglicht eine ideale Umwandlung der im Holz gespeicherten Energie in Wärme.

Bei der Erwärmung, Trocknung und der Entgasung des Brennstoffes handelt es sich größtenteils um endotherme Vorgänge. Diese werden durch die exothermen Prozesse der Oxidationsreaktionen in der Ausbrandphase aufrechterhalten. Beide Prozesse laufen zum Teil nebeneinander ab.

Erwärmung und Trocknung:

Zunächst erfolgt die Erwärmung sowohl durch Rückstrahlung der Flamme, dem Glutbett und den Feuerraumwänden, als auch durch Konvektion und Wärmeleitung im Brennstoff.

Ab ca. 100°C beginnt das im Brennstoff enthaltene Wasser zu verdampfen. Die zur Verdampfung notwendige Wärmemenge geht der Nutzwärme verloren. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Trocknungsvorgang von Außen nach Innen durch den Brennstoff vollzieht, ist von der Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffs abhängig. Bei Holz ist die Wärmeleitfähigkeit eine Funktion der Dichte, Feuchte und der Faserrichtung.

Schon in der ersten Phase der Verbrennung lässt sich erkennen, dass sich die Phasen überschneiden, denn während im Innern der Brennstoff noch trocknet, beginnt Außen die Entgasungsphase.

Entgasung:

Ab ca. 150 °C beginnt die Pyrolyse oder thermische Zersetzung. Darunter versteht man die Erhitzung eines Brennstoffs ohne Zusatz eines Vergasungsmittels. Es kommt zu einer Aufspaltung der Moleküle und einer Änderung des Aggregatzustandes. Hierbei entweichen die flüchtigen Bestandteile in Form von Kohlenstoffmonoxid und gasförmigen Kohlenwasserstoffen. Der chemisch gespeicherte oder durch Luftzuführung vorhandene Sauerstoff reagiert mit den Brenngasen in einer mehr oder weniger vollständigen Oxidation unter Wärmeabgabe. Um diesen Prozess zu fördern, wird in den Feuerungsanlagen gezielt am Ort der pyrolytischen Zersetzung die Primärluft zugeführt.

Die Entgasungsphase dauert etwa bis 600°C an. Der Brennstoff hat bis dahin rund 85% seiner Masse in Form von Wasser, Kohlendioxid und brennbaren, gasförmigen Produkten verloren. In dieser Phase werden ca. 70% des Heizwertes freigesetzt.

Ausbrand:

Der kohlenstoffreiche Rückstand mit einem Kohlenstoffanteil von ca. 90% C verbrennt bei Temperaturen ab 600°C mit einer kleinen Flamme. Die Oxidation der Holzkohle setzt die restlichen 30% des Heizwertes von Holz frei.

Am Ende der Verbrennung verbleibt die Asche mit einem Anteil von ca. 0,5% bis 1% der Holzmasse.

3.2.2 Emissionen bei der Verbrennung von Holz

Die bei der Verbrennung von Holz entstehenden Emissionen können in vermeidbare und unvermeidbare Emissionen unterteilt werden.

Unvermeidbare Emissionen ergeben sich trotz vollständiger Verbrennung. Hierzu zählen Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2) sowie geringe Mengen an Aschepartikel als Staubemission.

Die vermeidbaren Emissionen ergeben sich als Folge einer unvollständigen Verbrennung. Diese sind im Wesentlichen Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (CnHm) und Ruß. Als Ruß bezeichnet man den brennbaren Teil der Staubemissionen.

Grund einer unvollständigen Verbrennung ist meistens eine zu geringe Feuerraumtemperatur, eine zu kurze Verweilzeit der Brenngase in der Feuerung oder die notwendige Verbrennungsluft steht nicht zur Verfügung bzw. die Verbrennungsluft ist schlecht mit den Brenngasen durchmischt.

Maßnahmen zur Schadstoffreduzierung können in Primär- und Sekundärmaßnahmen unterteilt werden. Primärmaßnahmen sind die, die vor der Verbrennung den Brennstoff beeinflussen oder die an der Feuerung durchgeführt werden. Zu den Sekundärmaßnahmen zählt die Rauchgasreinigung wie die Entstaubung der Rauchgase.

3.3 Emissionsrechtliche Anforderungen

Alle Anlagen zur energetischen Verwertung von Holz und Biomassen fallen grundsätzlich in den Bereich des Bundes- Immissionsschutzgesetzes (BImSchG). In Abhängigkeit von der Feuerungswärmeleistung und von der Brennstoffart bedürfen die Errichtung und der Betrieb einer immissionsschutzrechtlichen Genehmigung. Es wird jedoch unterschieden in nicht genehmigungsbedürftige und genehmigungsbedürftige Anlagen. /7/

Nicht genehmigungsbedürftig sind alle Feuerungsanlagen für Holz, die nicht im Anhang der 4. BImSchV genannt sind. /7/

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.5: Zuständige Verordnung in Abhängigkeit der Brennstoffgruppe und Feuerungswärmeleistung /3/

Aus Abbildung 3.5 ist erkennbar, dass Anlagen zur energetischen Verwertung von Holz und Holzabfällen unter 1MW Feuerungswärmeleistung unter die 1. Bundes- Immissionsschutzverordnung (1. BImSchV) /8/ fallen. Sie sind nicht genehmigungsbedürftig.

Die 1. BImSchV regelt die Errichtung und die Beschaffenheit von Holzfeuerungsanlagen und legt die Anforderungen an den Betrieb und die Emissionen fest. Unterschieden wird hierbei nach den zur Verwendung kommenden Brennstoffen. So dürfen in den Anlagen für feste Brennstoffe nur solche Brennstoffe verwendet werden, die in der Kleinfeuerungsanlagenverordnung genannt sind.

Tabelle 3.1: Emissionsanforderungen an nicht genehmigungsbedürftige Holzfeuerungen nach 1.BImSchV /8/

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nach der 1. BImSchV sind die staubförmigen Emissionen ab einer Feuerungswärmeleistung von 15 kW auf 0,15 g/m³ begrenzt. Die Begrenzung der Kohlenmonoxid- Emissionen variiert in Abhängigkeit von der Feuerungswärmeleistung und den eingesetzten Brennstoffen zwischen 0,3 und 4 g/m³.

3.4 Qualitätsanforderungen an Pellets und Hackschnitzel

Hackschnitzel:

Hackschnitzel oder auch Hackgut sind zerkleinerte Holzstücke, die mit speziellen Hackmaschinen aus Waldholz bzw. aus Industrie- Restholz hergestellt werden. Hinzu kommt die Verarbeitung von Recyclingholz wie Verpackungshölzer oder Paletten zu Hackschnitzel.

Die Maßeinheit der Hackschnitzel ist der Schüttraummeter (sm³), der je nach Holzart, Stückigkeit und Feuchte einer Menge von 200 bis 300 kg entspricht.

Zur Zeit sind Hackschnitzel in Deutschland noch nicht normiert. Es wird jedoch eine einheitliche europäische Norm (CEN TC 335) erarbeitet. Zur Beurteilung der Hackschnitzel- Qualität hinsichtlich Feuchtigkeit, Korngröße und Aschegehalt wird daher auf die österreichische Norm ÖNorm (M7 133) /9/ zurückgegriffen.

Tabelle 3.2: Zusammenstellung der Grenzwerte und Bedingungen nach derösterreichischen Norm für Holzhackgut (öNorm M7133 ) /9/

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Pellets:

Holzpellets sind zylindrische Presslinge und werden ohne Zusatz von Bindemitteln ausschließlich aus naturbelassenem Holz hergestellt. Als Rohstoff wird trockenes Restholz wie Späne und Holzmehl aus der holzverarbeitenden Industrie bevorzugt. Das Material wird unter hohen mechanischen Druck zu Pellets geformt. Die Bindung erfolgt dabei nur durch das natürliche im Holz enthaltene Lignin.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.1: Pelletierung mit einer Ringmatrizenpresse (Quelle: C.A.R.M.E.N. e.V.)

Holzpellets sind genormte Brennstoffe. Die Qualitätsanforderungen für den Brennstoff sind in Deutschland in der DIN 51731 /10/ festgelegt. Entsprechend dieser Norm haben Holzpellets der Größengruppe HP5 bei einem Durchmesser von 4 bis 10 mm eine Länge von unter 5 cm und eine Dichte von 1000 bis 1400 kg/m³. Die Schüttdichte der Pellets liegt bei 650 kg/sm³. Bei einem maximalen Wassergehalt von 12 % weisen sie einen Heizwert von wenigstens 4,9 kWh/kg auf. Der Aschegehalt ist im Wesentlichen vom Rindenmaterial abhängig und liegt entsprechend den Anforderungen unter 1,5%.

3.5 Kesseltechnik

Die gängigsten Feuerungssysteme für Holzkesselanlagen sind die Unterschubfeuerung und die Rostfeuerung. In Unterschubfeuerungen können Brennstoffe mit einem Wassergehalt von 5% < x < 50% verfeuert werden und eignen sich für aschearme Brennstoffe wie z.B. Pellets, die wegen der Schneckenbeschickung eine gleichmäßige Beschaffenheit aufweisen müssen. Daher scheidet auch die Verbrennung von Rinde und sehr feuchtem Holzhackgut aus.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.6: Schematische Darstellung einer Unterschubfeuerung

Bei der Unterschubfeuerung wird der Brennstoff von unten mit einer Stoker- oder Dosierschnecke in eine Feuermulde gefördert. Die aus Schamottstein, Keramik oder Feuerbeton bestehende Mulde, auch „Retorte“ genannt, ist so konstruiert, dass eine optimale Zuführung der Primärverbrennungsluft an den Brennstoff erfolgt.

Der Brennstoff wird mit der vom Glutbett abgegebenen Wärme getrocknet, entgast und unter Zugabe der Primärluft vergast. Die freigesetzten Gase und die Primärluft dringen durch die oben aufliegende Glutschicht, werden entzündet und in der mit Keramiksteinen verkleideten Brennkammer mit der Sekundärluft vollständig verbrannt.

An der schamottierten Strahlungsdecke befindet sich ein Flammenauslass, durch den die Flamme in die Nachbrennkammer durchpresst wird, wodurch eine nochmalige Durchmischung der Brenngase mit der Sekundärluft erreicht wird. Dadurch verlängert sich die Verweilzeit der Brenngase in der Heizzone und es wird ein guter Ausbrand mit geringen Emissionswerten erreicht.

Am Beispiel einer Rost- Entgaser- Feuerungsanlage der Firma WVT- Bioflamm wird im Folgenden auf die Förder- , Sicherheits- und Feuerungseinrichtung und die Regelung einer Rostfeuerung eingegangen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.2: Integralfeuerung der Firma Bioflamm (Werkbild WVT- Bioflamm, Overath)

Bei der von der Herstellerfirma bezeichneten Integralfeuerung handelt es sich um eine Entgaser- Vorfeuerung mit einem Vielzugkessel in einem Leistungsbereich von 116 bis 2200 kW. Der ausfahrbare Einschubrost kann sowohl mit einem starren Rostsystem zur Verbrennung von aschearmen Holzbrennstoffen, als auch mit einem automatischem Schubrost- System für aschereiche und schlackebildenden Brennstoffen ausgestattet werden.

[...]

Details

Seiten
105
Jahr
2003
ISBN (eBook)
9783638259583
Dateigröße
2.2 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v22684
Institution / Hochschule
Technische Hochschule Köln, ehem. Fachhochschule Köln – Fakultät für Anlagen, Energie- und Maschinensysteme
Note
2,0
Schlagworte
Herleitung Auslegungskriterien Betrieb Hackschnitzel- Pellet-Kesselanlagen

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Titel: Herleitung von Auslegungskriterien für einen optimalen Betrieb von Hackschnitzel- bzw. Pellet-Kesselanlagen