Emissionen von Biomassefeuerungen <1 MW Entstehung, Überwachung, Minderung

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1 Emissionen von Biomassefeuerungen <1 MW Entstehung, Überwachung, Minderung Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe RWTH Aachen University Seminar: Neue Wege der Energiebereitstellung 04. November 2016, Bielefeld

2 Einführung CO HCl NO 2 x H 2 O CO SO 2 Feinstaub PAK (Teere) PCDD/F 2 von 38

3 Inhalt I. Einführung II. Entstehung von Emissionen III. Emissionsüberwachung IV.Emissionsminderung V. Zusammenfassung 3 von 38

4 Einführung

5 Einführung Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe (TEER) Forschung und Entwicklung zum Thema: feste, primäre + sekundäre Energieträger Kohle, Abfall, Biomasse Prozessbewertung und Verfahrensentwicklung entlang der Nutzungskette Entwicklung von Feuerungstechnik und Minderungsmaßnahmen 5 von 38

6 Einführung Projekte am TEER Entwicklung Wirbelfeuerung Verbrennung alternativer Brennstoffe Filter für Kleinfeuerungen Feinstaubabscheidung Pellett-Tracing Markierung von Holzpellets Vergasung Entwicklung Mini-Bio BHKW, 15 kwel Auslegung Hackschnitzelvergaser, 15 x 400 kwel Nanopartikel in MVA Messung und Abscheidung SO200+ Abscheidung saurer Schadgase mit Kalkhydrat 6 von 38

7 Entstehung von Emissionen Thermo chemische Umsetzung von Biomasse

8 Entstehung von Emissionen Zusammensetzung fester Biomassen Hauptelemente: Neben- und Spurenelemente: Quelle: k.a. Elemente (Stroh) Wert [%] Aluminium 0,096 Calcium 3,99 Chlor 9,57 Eisen 0,13 Kalium 26,9 Magnesium 0,95 Natrium 0,10 Phosphor 1,50 Schwefel 0,37 Silicium 21,1 Pb, Ba, Br, Cr, F, Co, Cu, Mn, <0,10 Mo, Sr, Ti, V, W, Zr, Zn, Sn 8 von 38

9 Entstehung von Emissionen Bsp.: Verbrennung von Strohpellets Versuchsbeginn Beginn Versinterung Versuchsabbruch 9 von 38

10 Kohlenmonoxid in [mg/m³ N ] Entstehung von Emissionen Bsp.: Verbrennung von Strohpellets 500 Abbruch ungelaugt, 5 % Ca(OH) HOLZ STROH unbehandelt Abbruch 0 0:00 0:15 0:30 0:45 1:00 1:15 1:30 1:45 2:00 Zeit gelaugt, 2 % Ca(OH) 2 10 von 38

11 SO 2 -Konzentration Abgas [mg/m³ N ] Entstehung von Emissionen Bsp.: Verbrennung von Strohpellets Stroh, unbehandelt Stroh, 2 % Kalkhydrat Holz 0 0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 Zeit in h:mm 11 von 38

12 Entstehung Feinstaub Bildungswege Ablagerungen C-haltige Produkte der unvollständigen Verbrennung Unvollständig verbrannte Brennstoffpartikel Kondensierte KW, PAK, Ruß PCDD/F Salze, z. B. KCl Anorganische Partikel Oxidkern + kondensierte Hülle Mitgerissene Aschepartikel (Flugasche) Korngrößenverteilung Feinstaub untsl. Feuerungen 10 µm 10 µm 0,1 µm 1 µm 1 µm 10 µm Brennstoffpartikel C-haltige Zersetzungsprodukte (CO, C n H m, ) Syntheseprodukte (Ruß, PAK (Teere) Ionische Dämpfe (K +, SO 4 2+, Cl -, ) Metalldämpfe (Cd, Pb, ) Asche- Komponenten (CaO, SiO 2 ) Quelle: Nach Oser 2003, TFZ Straubing von 38

13 Entstehung von Emissionen Partikelgrößen Feinstaub Rußpartikel aus der Scheitholzverbrennung Quelle: US EPA; Eigene Aufnahmen 13 von 38

14 Emissionsüberwachung

15 Emissionsüberwachung Rechtliche Einordnung Anforderungen 1.BImSchV: Feinstaub 20 mg/m 3 (40 mg/m 3 ) CO 400 mg/m 3 Bezug: i.n.;tr.; 13 % O BImSchV Quelle: C.A.R.M.E.N. e.v von 38

16 Übrige Verordnungen Emissionsüberwachung Schadstoff T = Tagesmittelwert H = Halbstundenmittelwert 17. BImSchV [mg/m³] TA Luft [mg/m³] 13. BImSchV [mg/m³] T H T H T H Gesamtstaub / 10 ** 20 Gesamter organischer Kohlenstoff Kohlenmonoxid (CO) Chlorwasserstoff (HCl) Fluorwasserstoff (HF) Schwefeldioxid * * Stickoxide (als Stickstoffdioxid) 150 / 100 ** * * Quecksilber Hg 0,03 0,05 0,05 0,1 0,03 0,05 Ammoniak NH Mittelwerte Probenahmezeit Σ Cd + Tl 0,05 Tl: 0,05 Tl: 0,1 0,05 Σ Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V, Sn 0,5 0,5 / 1 1 / 2 0,5 Σ As, Benzo(a)-pyren, Cd, Co, Cr 0,05 0,05 PCDD / PCDF [ng/ m³] 0,1 0,1 0,2 0,1 Sauerstoffbezug 11 % 11 % 6 % 16 von 38

17 Emissionsüberwachung Messtechnik gasförmige Emissionen (kontinuierlich) Elektrochemisch low-cost Geräte für: O 2, CO, CO2, SO 2, NO x, H 2, C n H m Standard für 1. BImSchV Hohe Abweichungen Spektroskopisch z. B. NDIR für: CO 2, CO, SO 2, NO, NO 2, HCl, NH 3, N 2 O, H 2 S, H 2 O Quelle: Testo AG;; Wi.Tec Sensorik GmbH 17 von 38

18 1000 Mg/a Emissionsüberwachung Hintergrund: Entwicklung der Feinstaubemissionen PM2,5 in Dt. Quelle: UBA von 38

19 Emissionsüberwachung Messtechnik Feinstaub Gesamtstaub Gravimetrisch nach VDI 2066 Optisch, z. B. Streulichtprinzip Korngrößenverteilung Gravimetrisch nach VDI 2066 Partikelanzahl Mobilitäts-Partikelspektrometer Quelle: 19 von 38

20 Emissionsüberwachung Gravimetrische Feinstaubmessung: Vorgehen Diskontinuierlich Aufwändige Vorbereitung Exaktes Arbeiten notwendig Quelle: Modigell von 38

21 Emissionsminderung

22 Emissionsminderung Möglichkeiten der Emissionsminderung Primärmaßnahmen: Brennstoffqualität (Wasser-, Aschegehalt) Luftstufung, Abgasrezirkulation (oxidative- oder reduzierende Bedingungen) Strömungsoptimierung (Vermischung durch Turbulenzen) Sekundärmaßnahmen: Partikelabscheider Abscheidung von Gasen und Dämpfen: - Kondensation (z. B. für Schwermetalle) - Ad- und Absorption (z.b. SO x, NO x ) Quelle: von Roll 22 von 38

23 Emissionsminderung Feinstaubminderung: Primäre Maßnahmen Einfluss der Glutbettluftzahl: Beispiel Kalium Quelle: Oser von 38

24 Emissionsminderung Feinstaubminderung: Sekundäre Maßnahmen Elektrostatischer Abscheider Platten- oder Röhrenfilter Trocken- oder Nassabreinigung Filternder Abscheider Oberflächenfilter Tiefenfilter Quelle: VDI; Schräder, CCA Carola Clean Air 24 von 38

25 Emissionsminderung Funktion elektrostatischer Filter Quelle: APF 2013, CCA Carola Clean Air 25 von 38

26 Emissionsminderung Herausforderung elektrostatischer Filter Chemische Eigenschaften von Rußpartikel und organischer Partikel Kriechströme, Rücksprühen Quelle: Lauber, 2010 und 2014; Glockner 2013; TFZ von 38

27 Emissionsminderung Herausforderung an elektrostatische Filter Hohe Abscheidung Bei Reststoffen mit c roh >>150 mg/m 3 A[%] >95 % Hohe Verfügbarkeit Robust gegenüber rußhaltigen und organischen Partikeln Geringe Ausfallzeit Wirtschaftlichkeit Besonders für Anlagen im mittleren Größenbereich von kw Quelle: Lauber, von 38

28 Emissionsminderung Gewebefilter Kombinierte Abscheidung von Feinstäuben und Schadgasen (Entwicklung: PVT Paderborn) Rohgas Sorbensschicht Fitermedium Reingas Quelle: Prill, PVT Paderborn, von 38

29 Emissionsminderung Tiefenfilter Staubstrom Einlagerung im Inneren des Mediums Anstieg des Druckverlustes durch Einlagerung Endliche Reisezeit Austausch des Materials notwendig 29 von 38

30 Emissionsminderung 30 von 38

31 Emissionsminderung Tiefenfilter Entwicklungsprojekt: Minderung an Kleinfeuerungen Motivation: Kleinfeuerungen = große Feinstaubquelle in Dt. Scheitholzofen Pelletofen 31 von 38

32 Zusammenfassung

33 Fazit Emissionsminderung für Biomassekleinfeuerungen Klimagase lassen umweltschädliche Schadstoffe oft in den Hintergrund treten - Umweltschutz benötigt geeignete Minderungsmaßnahmen Adaption von Technik aus Großfeuerungen für kleine Anlagen Forschung und Entwicklung auf gutem Wege Herausforderung Reststoffe Überwachungsmethodik ausbaufähig 33 von 38

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. RWTH Aachen University Aachen