Die H ydrobox der Firma. Kombiniertes Abgaswäscher-Wärmetauscher-System reduziert Staubemissionen und Primärenergiebedarf

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1 Brennwertnutzung und Staubabscheidung in Biomasse-Feuerungen Kombiniertes Abgaswäscher-Wärmetauscher-System reduziert Staubemissionen und Primärenergiebedarf Die H ydrobox der Firma Schräder aus dem westfälischen Kamen wurde insbesondere für die Verwendung in Anlagen mit Biomasse-Feuerungen und separaten, direkt oder indirekt beheizten Wassererwärmern konzipiert. Das hinter dem Kessel auch nachträglich einzubauende Schräder-System besteht aus einem Abgaswärmetauscher mit nachgeschaltetem Abgaswäscher und erlaubt sowohl eine Wärmerückgewinnung zur Brennwertnutzung als auch eine deutliche Minderung der Feinstaubemissionen. Mithilfe eines 2-reihigen Glattrohr-Gegenstrom-Wärmetauschers findet zunächst ein erster weitgehend trockener Wärmeaustausch zwischen dem Abgas und dem Heizungssystem statt. Die Abgastemperatur wird dabei auf unter 70 C gesenkt und die Rücklauftemperatur des Heizkreises angehoben. Diese zurückgewonnene sensible Wärme kommt dem Heizungssystem zugute. Prof. Dr. Rudolf Rawe, Dipl.-Ing. H. Kuhrmann, Dipl.-Ing. J. Niehaves, Dipl.-Ing. J. Steinke.* Moderne Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe sind heute problemlos in der Lage, den nach der 1. BImSchV für Wärmeerzeuger über 15 kw Nennwärmeleistung geltenden Grenzwert von 150 mg/m 3 an Staubemissionen einzuhalten. Er wird von den emissionsarmen Pelletfeuerungen deutlich unterschritten. Es bestand demnach bislang kein Handlungsbedarf, Staubabscheider für derartige Anlagen zu entwickeln. Erst aufgrund der anhaltenden Feinstaubdiskussion wurden in den letzten Jahren Neuentwicklungen betrieben. Das Labor für Immissionsschutz der FH Gelsenkirchen hat im Rahmen einer von der Firma Schräder beauftragten Studie ein Abgaswäscher-Wärmetauscher-System messtechnisch untersucht und bis zur Marktreife weiterentwickelt. Bild 1: Prototyp eines von der Firma Schräder in Kamen konzipierten Abgaswäscher-Wärmetauscher-Systems. Sprühbefeuchtung ermöglicht geringe Abgastemperatur Anschließend wird das Abgas im Gegenstrom durch einen nachgeschalteten Sprühwäscher geleitet. Er wird mit Umlaufwasser betrieben, welches durch Wärmeaustausch mit kaltem Trinkwasser auf bis zu 20 C Eintrittstemperatur abgekühlt werden kann. Im Sprühfeld findet dann ein weiterer intensiver Wärmeund Stoffaustausch statt. Die Erwärmung, bei gleichzeitiger Abkühlung der Abgase bis weit unter ihren Taupunkt, verursacht eine entsprechende Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes. Die Abgase werden dabei von ca. 70 C auf unter 30 C abgekühlt. Damit liegt die Abgastemperatur tiefer als bei konventionellen Brennwertkesseln [1], sodass mehr Wasserdampf aus dem Abgas kondensieren kann. Neben der zusätzlichen Verdampfungswärme wird weitere fühlbare Wärme zurückgewonnen. Das erwärmte Gemisch aus Kondensat und Umlaufwas- *) Prof. Dr. Rudolf Rawe, FH Gelsenkirchen, Labor für Immissionsschutz, Dipl.-Ing. H. Kuhrmann, Dipl.-Ing. J. Niehaves, Dipl.-Ing. J. Steinke, FH Gelsenkirchen, Mitarbeiter des Labors für Immissionsschutz. 14 IKZ-FACHPLANER Heft 10 /2006

2 ser wird in einem Behälter gesammelt. In der so genannten Kondensat-Box befindet sich ein weiterer Wärmetauscher, der kaltes Trinkwasser, welches bei Zapfvorgängen zur Nachspeisung des Warmwasserspeichers vorgesehen ist, vorheizt. Somit wird die Energie aus dem erwärmten Gemisch für die Warmwasserversorgung zurückgewonnen. Zugleich wird das Umlaufwasser wieder auf die, zur intensiven Brennwertnutzung, erforderliche niedrige Einspritztemperatur von 20 C gekühlt. Gleiches gilt, wenn anstelle des in Bild 3 dargestellten Warmwasserspeichers, ein Wassererwärmer nach dem Durchlaufprinzip Verwendung finden würde. Da die Kühlung durch den Kaltwasser-Zulauf erfolgt, kann die Abgastemperatur unabhängig von der Heizsystemtemperatur tiefer abgesenkt werden als bei konventionellen Brennwertgeräten, sodass selbst bei Heizungs- Austritt Abgase Wäscher Eintritt Abgase Bild 2: Schematische Darstellung der Schräder-Hydro-Box. rücklauftemperaturen über dem Wasserdampftaupunkt der Abgase von ca. 45 C noch eine intensive Nutzung des Brennwertes möglich ist. Überschüssiges Kondensat wird gegebenenfalls gefiltert und neutralisiert in das häusliche Abwassersystem eingeleitet. Vorlauf Heizung Spritzschutz Wärmetauscher- Rohrreihen Kondensat- Ablauf Rücklauf Heizung HydroBox KondensatBox Trinkwasser Sprühfeld Heizkessel Kondensat- Rücklauf Pumpe KondensatBox Überlauf Warm- wasser- Speicher Bild 3: Funktionsschema des kombinierten Wärme- und Stoffaustausch- Systems, das die zurückgewonnene Wärme auf verschiedenen Temperaturniveaus an den Heizungsrücklauf und an den Kaltwasserzulauf eines Speicher-Wassererwärmers abgibt. Effektive Feinstaubabscheidung Zusätzlich zu den genannten energetischen Vorteilen wirkt der im Gegenstrom betriebene Abgaswäscher als effektiver Nassabscheider zur Minderung der Staubemissionen. Dieser Effekt wird verstärkt durch die Abgas-Kondensation im Sprühfeld. So wirken die Staubpartikel als Kondensationskeime und werden auf diese Weise mit dem überschüssigen Kondensat abgeführt [2]. Die Reinigung der Abgase bezieht sich in erster Linie auf die Minderung der Staubemissionen, die Festbrennstoff-Feuerungen im Vergleich zu Gasund Heizölfeuerungen in höherem Maße aufweisen. Da die gesamten Staubemissionen von Pelletfeuerungen zu mehr als 90 % aus Feinstäuben mit Partikeldurchmessern < 1 µm (PM1) bestehen [3], sind vor allem hinsichtlich der Feinstaubemissionen erhebliche Minderungen möglich. Zusätzlich verringert sich durch die Reduzierung des Staubgehaltes und der Temperatur des Abgases die Rußbrandgefahr. Weiterhin können durch eine Abgaswäsche eventuelle Geruchsemissionen von Festbrennstoff-Feuerungen vermindert werden. Eine messbare Minderung der gasförmigen Schadstoffe konnte nicht festgestellt werden [2, 4]. Von der Hydro-Box zum Hydro-Cube Die Firma Schräder beauftragte im Juli 2005 das Labor für Immissionsschutz an der Fachhochschule Gelsenkirchen, die Staubabscheidung und Wärmerückgewinnung an einem ersten Prototyp der HydroBox in Verbindung mit einem 15 kw Pellet-Heizkessel, bei unterschiedlichen Bild 4: An der FH Gelsenkirchen wurde der Prototyp der Firma Schräder messtechnisch geprüft und weiterentwickelt. Das Ergebnis ist HydroCube. Betriebszuständen, zu untersuchen und gegebenenfalls durch konstruktive Veränderungen zu optimieren. In mehreren Entwicklungsschritten [4-7] wurde der Prototyp einer grundlegenden Überarbeitung unterzogen. Das ursprünglich zylindrische Design wurde zugunsten einer Quaderform aufgegeben, um die aus den Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse der notwendigen klareren Trennung des Wäscherfeldes von dem Wärmeaustauscher umzusetzen. Die Änderung der Konstruktion gestattet im Prinzip den Einsatz beliebig großer Wäscher und Wärmetauscher. Darüber hinaus wird der nachträgliche Einbau sowie die Reinigung und Heft 10 /2006 IKZ-FACHPLANER 15

3 Inspektion des Gerätes deutlich erleichtert. Die nachfolgend veröffentlichten Ergebnisse der Studie beziehen sich daher auf das als HydroCube bezeichnete Gerät. geleitet und strömen über einen mehrreihigen Wärmetauscher, der nunmehr berippte Rohre aufweist. Die Höhe und Breite des Wärmetauschers kann in Abhängigkeit von der installierten Kesselleistung vom Hersteller so dimensioniert werden, dass bei Rücklauftemperaturen von C eine weitgehend trockene Abkühlung der Abgase auf ca C erfolgt. Am Austritt des Wärmetauschers werden die Abgase um 180 umgelenkt und treten in den Wäscherteil ein, den sie im Gegenstrom zum Sprühfeld von oben nach unten passieren. Die Anzahl der Sprühebenen sowie der Sprühfelder pro Ebene kann vom Hersteller entsprechend dem geforderten Abscheidegrad variiert werden. Der im Vergleich zum Prototypen noch intensivere Wärme- und Stoffaustausch führt im gesamten praktisch relevanten Rücklauftemperatur-Bereich zu verbesserten Werten für Wärmerückgewinnung und Staubabscheidung. Leistungssteigerung in % der Kesselleistung 20 17,2 16, , Heizung und Warmwasser Dauerzapfung , ,9 ohne Zapfung 4 nur Heizung 2 3, Rücklauftemperatur in ºC Bild 6: Leistungssteigerung in % der Kesselleistung Q K = 15 kw in den Betriebszuständen: ohne Zapfung und Dauerzapfung von Warmwasser. Bild 5: Funktionsschema des HydroCube. Wärmeaustausch und Sprühbefeuchtung wurden konstruktiv voneinander getrennt. Aufbau und Funktion Im Gegensatz zum Prototypen wird HydroCube im horizontalen Verbindungsstück unmittelbar hinter dem Wärmeerzeuger installiert. Die eintretenden Abgase werden um 90 nach oben um- Versuchsaufbau und -durchführung Für die Untersuchungen an den verschiedenen Prototypen stand ein Holzpellet- Heizkessel, vom Typ: Viessmann Vitolig 300, mit 15 kw Nennwärmeleistung zur Verfügung. Durch einen im Abgasweg installierten drehzahlregelbaren Ventilator kann in Verbindung mit einem Zugbegrenzer der erforderliche Zugbedarf am Kesselstutzen eingestellt werden. Die Versuche wurden unter den folgenden Randbedingungen durchgeführt: Die verwendeten Holzpellets verfügen über einen Heizwert von 4,9 kwh/kg bei 7 % Feuchtegehalt. Es wurden drei praxisrelevante Heizungsrücklauftemperaturen in Höhe von 30-, 40- und 50 C verwendet. Die Einspritztemperaturen lagen im Bereich von 20 bis 50 C. Anhand der gemessenen Massenströme kann die Wärmerückgewinnung für Heizzwecke anhand des Rücklauftemperaturanstiegs im Wärmetauscher bestimmt Bild 7: Wirkungsgrad in % der Feuerungswärmeleistung Q F = 16,7 kw (Hu) in den Betriebszuständen: ohne Zapfung und Dauerzapfung von Warmwasser. Verdunstung/Kondensation in ml/h Kondensation Verdunstung Bild 8: Kondensation und Verdunstung in den Betriebszuständen: ohne Zapfung und Dauerzapfung von Warmwasser. werden. Ebenso kann die zurückgewonnene Wärme für die Warmwasserversorgung aus der Temperaturzunahme des Kaltwassers beim Durchströmen der Kondensat-Box Rücklauftemperatur in C ermittelt werden. Dabei wurden warmwasserseitig die zwei Extremfälle Dauerzapfung und Zapfruhe näher untersucht. 16 IKZ-FACHPLANER Heft 10 /2006

4 Dauerzapfung von Warmwasser Bei der Dauerzapfung wird der Wasserinhalt des Kondensat-Behälters mit dem kontinuierlich durchströmenden kalten Trinkwasser permanent gekühlt. Es stellt sich eine maximale Brennwertnutzung, bei niedrigsten Einspritz-Temperaturen von 21,3 bis 23,2 C und daraus resultierende Abgastemperaturen von 24,9 bis 28,5 C, ein. Ohne Zapfung von Warmwasser Demgegenüber wird bei Zapfruhe die Kondensat-Box nicht mehr gekühlt und somit keine unmittelbar als Temperaturerhöhung des Kaltwassers messbare Leistung an den Warmwasserspeicher übertragen. Das aus dem HydroCube zurückfließende, vom Abgas erwärmte Umlaufwasser heizt jedoch den Wasserinhalt der Kondensat-Box bis zum Erreichen einer Gleichgewichtstemperatur von C auf. Die in der Kondensatbox gespeicherte Energie führt erst bei anschließenden Zapfvorgängen zu einer messbaren Wärmerückgewinnung für die Warmwasserversorgung. Im sich einstellenden Beharrungszustand liegt die Temperatur im Wäscher über dem Taupunkt der Abgase. Es findet dann keine Kondensation des Wasserdampfes aus den Abgasen statt, sondern eine Verdunstung. Das Flüssigkeitsniveau in der Kondensat-Box nimmt ab. Energetische Beurteilung des Systems In Bild 6 ist die auf eine Kesselleistung von 15 kw bezogene, prozentuale Leistungssteigerung durch den Einsatz des Abgaswäscher-Wärmetaucher-Systems in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur für beide Grenzfälle dargestellt. Für den Fall ohne Bild 9: Staubmessgerät für isokinetische Probenahme nach VDI Zapfung kann nur ein Leistungsgewinn für die Heizung anhand des Rücklauftemperaturanstiegs im Abgaswärmetauscher messtechnisch ermittelt werden. Er liegt in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur zwischen 3,3 % und 6,7 %. Die Zunahme der Heizleistung mit abnehmender Rücklauftemperatur ist auf die wachsende Temperaturdifferenz zum Abgas zurückzuführen. Im Falle der Dauerzapfung kann der Leistungszuwachs sowohl für das Heizungssystem als auch die Warmwasserversorgung messtechnisch ermittelt und als Summe in Bild 6 dargestellt werden. Der Anteil der Wärmerückgewinnung für Warmwasser lässt sich aus der Differenz zwischen der gesamten Wärmerückgewinnung bei Dauerzapfung und der für Heizung (ohne Zapfung) bestimmen. Bis zu 17,2 % Leistungssteigerung möglich Die gesamte Leistungssteigerung durch das nachgeschaltete System reicht von 15,7 % bis zu 17,2 % und ist auf intensive Brennwertnutzung infolge Taupunktunterschreitung im Kühlwäscher mit Abgastemperaturen von 24,9 C bis 28,5 C am Wäscheraustritt zurückzuführen. Sie ist nahezu konstant und unabhängig von der Heizungs-Rücklauftemperatur, da die Temperatur der Umlaufwassereindüsung mit 21 bis 23 C ebenfalls nahezu konstant bleibt. In Bild 7 wird die mit HydroCube ermittelte Steigerung des Wirkungsgrades im Vergleich zum Basis-Kesselwirkungsgrad von 90 %, d.h. bezogen auf die Feuerungswärmeleistung als Funktion der Rücklauftemperatur für beide Grenzfälle, dargestellt. Der im Falle der Dauerzapfung insgesamt erzielte Kesselwirkungsgrad für Heizung und Warmwasserversorgung erreicht Werte von 104,2 % bis 105,5 %. Er übersteigt damit die Werte von konventionellen Brennwertkesseln, bei denen lediglich ein Wärmeaustausch mit dem Wasser des Heizungsrücklaufs stattfindet. Anhand der Kesselwirkungsgrade über 100 % wird besonders deutlich, dass im gesamten untersuchten Rücklauftemperaturbereich von C, d.h. selbst bei Rücklauftemperaturen über dem Wasserdampftaupunkt der Abgase, eine intensive Brennwertnutzung auftritt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass zur Erzeugung tiefster Abgastemperaturen nicht nur die Heizung, sondern auch der Kaltwasserzulauf der Warmwasserversorgung in die Wärmerückgewinnung eingebunden wird. Selbst im ungünstigeren Grenzfall ohne Warmwasser-Zapfung werden für den reinen Heizbetrieb noch respektable Steigerungen des Kesselwirkungsgrades auf 93 % bis 96 % erreicht. In der Realität wird sich eine Leistungssteigerung bzw. Wirkungsgrad-verbesserung zwischen den beiden Grenzfällen einstellen. Sie wird umso höher ausfallen, je größer der Warmwasserbedarf im Verhältnis zum Wärmebedarf ist. Kondensation und Verdunstung Je nach Betriebsweise der Warmwasserversorgung kann sowohl eine Kondensation von Wasserdampf aus den Abgasen als auch eine Verdunstung von Umlaufwasser auftreten. Bei Dauerzapfung von Warmwasser wird der Wasserinhalt der Kondensat-Box durch den kontinuierlichen Wärmeaustausch mit dem ca. 10 C kalten Trinkwasser auf 21 C bis 23 C gekühlt. Die Temperaturen des Umlaufwassers liegen somit deutlich unter dem Taupunkt der Abgase, sodass sich in diesem Betriebszustand eine maximale Wasserdampfkondensation mit höchster Brennwertnutzung einstellt. Die anfallenden Kondensatmengen sind in Bild 8 über der Rücklauftemperatur aufgetragen. Ohne Zapfung von Warmwasser stellen sich im Beharrungszustand Temperaturen von 45 C bis 50 C in der Kondensat-Box ein. Die Eintrittstemperatur liegt über dem Taupunkt der Abgase, sodass eine Verdunstung Heft 10 /2006 IKZ-FACHPLANER 17

5 eintritt. Das Flüssigkeitsniveau nimmt ab. Um ein Trockenlaufen der Kondensatbox zu vermeiden, muss sie auf das Nutzerverhalten abgestimmt sein, ansonsten muss gegebenenfalls nachgespeist werden. Staubbeladung in mg/m³ 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Gravimetrische Messung des Staubgehaltes Zur Messung des Staubgehaltes vor und nach dem HydroCube wird das gravimetrische Messverfahren nach VDI 2066 angewendet. Dabei wird ein Teilstrom aus dem Abgas isokinetisch, also mit gleicher Geschwindigkeit wie die Abgasanströmung, abgesaugt. Mit dem verwendeten Messverfahren, das im Labor für Immissionsschutz an der FH Gelsenkirchen durchgeführt wird, können durch Trägheitskräfte bedingte Messfehler bei unterschiedlichen Partikelgrößen vermieden werden. Anschließend wird das Abgas durch einen Filter geleitet, in dem sich die Feststoffpartikel absetzen. Die Dauer einer Gesamtstaubprobenahme beträgt jeweils 30 Minuten. Die Bestimmung der Staubmasse erfolgt gravimetrisch mit einer elektronischen Präzisionswaage durch Einwiegen der unbeladenen und Rückwiegen der beladenen Messfilter. Feinstaubbelastung sinkt um 68 % Der Wäscherteil des untersuchten Systems ist mit zwei Sprühebenen und jeweils zwei Sprühfeldern bestückt. Dazu werden vier Axial- Vollkegeldüsen mit 2 bar Vordruck und einem Gesamtdurchsatz von 760 l/h eingesetzt. Für beide Staubmessung Hydrocube 18,9 vor HydroCube Staubreduzierung um 68 % Bild 10: Die Messung der Staubbeladung vor und hinter dem HydroCube zeigt eine deutliche Reduzierung der Staubemissionen. 6,0 hinter HydroCube Messorte wurden jeweils arithmetische Mittelwerte der Einzel-Messungen gebildet. In Vorversuchen wurden zusätzlich die beiden Zustände ohne und mit Dauerzapfung untersucht, um einen eventuellen Einfluss der unterschiedlichen Temperaturen im Wäscher aufzuzeigen. Hierbei konnten jedoch keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden. Vor dem kombinierten Wäscher-Wärmetauscher-System wurden im Schnitt 18,9 mg/m³ Gesamtstaub gemessen. Nach dem HydroCube wurden nur noch 6,0 mg/m³ ermittelt. Das entspricht einer Staubabscheidung von ca. 68 %. Da die ermittelten Gesamtstaubemissionen der Pelletfeuerung zu mehr als 90 % aus Feinstäuben mit Partikeldurchmessern < 1 µm (PM1) bestehen, treten hinsichtlich der Feinstaubemissionen erhebliche Entlastungen der Umwelt auf. Fazit Der Schräder-HydroCube wurde insbesondere für die Verwendung in Biomasse-Feuerungen mit separaten, direkt oder indirekt beheizten Wassererwärmern konzipiert. Eine sinnvolle Kombination von Wärme- und Stoffaustausch in einem vom Kaltwasserzulauf des Wassererwärmers gekühlten Wäscher ermöglicht eine maximale Wärmerückgewinnung für Heizung und Warmwasserversorgung. Im Vergleich zum Basis-Kesselwirkungsgrad von 90 % werden, abhängig von der Betriebsweise, Werte von 93 % bis 105,5 % erreicht. Durch die Kombination von Wärme- und Stoffaustausch übersteigen die ermittelten Kesselwirkungsgrade die Werte von konventionellen Brennwertkesseln, bei denen lediglich ein Wärmeaustausch mit dem Wasser des Heizungsrücklaufs stattfindet. Für den Nutzungsgrad realer Anlagen wird sich eine Verbesserung zwischen den beiden Grenzfällen mit bzw. ohne Warmwasserzapfung einstellen. Darüber hinaus bewirkt der im Gegenstrom betriebene Abgaswäscher eine deutliche Minderung der Staubemissionen. Mit dem Schräder-HydroCube steht somit eine interessante Option zur gleichzeitigen Optimierung der Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit häuslicher und gewerblicher Biomasse-Feuerungen zur Verfügung. 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