Abgassystemkomponenten zur Effizienzsteigerung und Staubabscheidung an Biomasse-Feuerstätten

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1 Abgassystemkomponenten zur Effizienzsteigerung und Staubabscheidung an Biomasse-Feuerstätten Dipl.-Ing. Wilfried Linke Bundesindustrieverband Deutschland Haus-, Energie- und Umwelttechnik e. V.

2 Agenda Portrait der deutschen Heizungsindustrie Beispiele für Luftverschmutzungen Gesetzliche Grundlagen Unterscheidung der Staubemissionen Primär- und Sekundärmaßnahmen zur Partikelabscheidung Abgaswäscher und Kondensatoren zur Partikelabscheidung Brennwertnutzung Ausblick und Schlusswort

3 Portrait der deutschen Heizungsindustrie BDH 2011 Kernsegmente Unternehmen 96 Assoziierte Verbände 2 Beschäftigte Umsatz 12,2 Mrd. F&E 357 Mio. - Wärmeerzeuger für Gas und Öl - Biomassekessel - Wärmepumpen - Solarthermie und Photovoltaik - Wärmeverteil- und -übergabesysteme - Be- u. Entlüftungssysteme - Klimatechnik - Abgastechnik und Zubehör - Brenner - Kunststofftanks BDH Verband für Effizienz und erneuerbare Energien Marktanteile: Deutschland ca. 90% Europa ca. 60%

4 Beispiele Notwendigkeit: Reduktion von Feinstaubemissionen!

5 Beispiel Staubemissionen Osterfeuer 2002

6 Gesetzliche Grundlagen Gesetzeslage EU-Feinstaubrichtlinie 2008/50/EG (in Kraft getreten 11. Juni 2010) legt Grenzwerte für Schwefeldioxid, Stickstoffoxide, Partikel... in der Luft fest. Ziel Die Einhaltung von Grenzwerten z.b. für Staub-Partikel mit bestimmten Größen in der Umgebungsluft Umsetzung im deutschen Recht 8. Gesetz zur Änderung des Bundes-Immissionsschutz- Gesetzes (8. BImSchGÄndG) 39. Verordnung zur Durchführung des Bundesimmissionschutzgesetzes (39. BImSchV) seit 06. August 2010 in Kraft Die bisher geltenden Verordnungen, die 22. und 33. BImSchV, werden aufgehoben. Zuständig für die Einhaltung u. Umsetzung der Vorgaben sind die Bundesländer!

7 Gesetzliche Grundlagen in Europa EU Anforderungen für Feinstaub: PM2,5 2010: Zielwert 2015: Grenzwert gleicher Größe NOx, SO2, Benzol und Feinstaub: PM10 Gleicher Grenzwert (PM = Particulate Matter)

8 Gesetzliche Grundlagen in Deutschland PM10-Grenzwert 50µg/m³ innerhalb von 24 Stunden maximal 35 Überschreitungen pro Jahr Mittlere 24h Konzentration pro Kalenderjahres 40µg/m³ Probenahme gemäß EN 12341:1999 PM2,5-Ziel- bzw. Grenzwert (ab 1. Januar 2015) Zielwert: 25µg/m³ mittlere Konzentration pro Kalenderjahr Grenzwert: 25µg/m³ mittlere Konzentration pro Kalenderjahr die Toleranzmarge beträgt 5 µg/m³ (2009!) Sie vermindert sich ab dem 1. Januar 2009 jährlich um ein Sechstel bis auf den Wert 0 zum 1. Januar 2015 Probenahme gemäß EN 14907:2005 Zusätzlich ab 1. Januar 2015: Der Indikator für die durchschnitt-liche PM2,5-Exposition wird vom UBA berechnet und darf den Wert von 20 Mikrogramm pro Kubikmeter nicht mehr überschreiten.

9 Verursacher der PM10-Feinstaubbelastung Produktionsprozesse 30% Güterumschlag 5% Land-, Forst- u. Bauwirtschaft 13% Verkehr 20% Übrige 9% Kraft- u. Heizwerke 11% Kleinfeuerungsanlagen 12% Quelle: Uni. Stuttgart Prof. Dr.-Ing. R. Friedrich

10 Bestehende Anforderungen in Deutschland für Feuerungsanlagen für Festbrennstoffe Legende Brennstoffe nach 3 Abs. 1 1 bis 3a Kohle, Koks, Torf, Holzkohle 4 und 5 Stückholz, Sägemehl 5a Pellets nach DIN bis 7 beschichtetes Holz, Sperrholz 8 Stroh 9 Heizöl nach DIN Gas 11 Klärgas 12 Andere Gase 13 Sonstige nachwachsende Rohstoffe

11 Unterteilung der Staubemissionen nach Größe

12 Größenverhältnisse PM 10 und PM 2,5 im Größenvergleich zum menschlichen Haar

13 Emissionen bei Biomasse-Feuerungsanlagen Feste Brennstoffe enthalten erheblich mehr Anteile an anorganischen Elementen (Aschebildner) als flüssige und gasförmige Prinzipielle Einteilung der Emissionen in zwei Kategorien: 1. Fraktion = grobe Partikel 2. Fraktion = Aerosole 0,2 µm Abb.: Feinund Grobstaub- Partikel stark vergrößert 20 µm

14 Erste Fraktion: grobe Partikel Grobe Partikel werden z.t. mit dem Rauchgas ausgetragen Das Verteilmaximum liegt im Bereich zwischen 30 u. 70 µm Aschenbildner sind: Si, Mg, Ca, u. K als Oxide und Sulfate Abb.: Größen- und Mengenerteilung von Staubemissionen

15 Zweite Partikelfraktion: die Aerosole Bildung durch Kondensation in der Gasphase, ca. 90 % der Feinstaubemission aus Biomasse-Feuerungsanlagen sind PM 10-Partikel Aerosolbildung in Biomasse-Feuerungen (Grobszenario) 1. Trocknungsphase (Strahlungsenergie aus Feuerraum) 2. Pyrolyse/Verdampfungsphase (Unterscheidung in brennbare Bestandteile wie: Wasserstoff, Kohlenmonoxid u. Kohlenwasserstoffe) sowie anorganische und flüchtige Komponenten wie: K, Na, S, Cl und leicht flüchtige Schwermetalle wie: Zn, Pb, und Cd 3. Ausbrand bzw. Gas-Fest-Phasenreaktionen Weitere Freisetzung von anorganischen Komponenten

16 Je feiner, desto gemeiner!

17 Primär- und Sekundärmaßnahmen Primärmaßnahmen Weiterentwicklung der Verbrennungstechnologie und Weiterentwicklung der Brennraumgeometrien Vermeiden von Betreiberfehlern durch prozessorund sensorgeführte Abbrandregler mit kontrollierter Verbrennungslüftführung Sekundärmaßnahmen Reduktion der Feinstaubemissionen mittels der Verbrennung nachgeschalteter Maßnahmen wie z.b. Rauchgaswäsche, elektrische/elektrostatische Abscheider, Nachverbrennung, Gewebefilter, Katalysatoren, Partikelfilter usw.

18 Übersicht Staubabscheider (Beispiele) Ionisations-Partikelabscheider (ZUMIK ON) Kutzner+Weber (D) Feinstaubfilter AWT-Top Schräder AG (D) Feinstaubfilter AL-Top Schräder AG (D) Katalysator zur Staubminderung, Schadgasminderung und bedingter Effizienzsteigerung (FIRECAT ) Rathgeber GmbH (D) weitere Firmen und Systeme

19 Ionisations-Partikelabscheider

20 Folie 20 Funktionsweise Elektroabscheider sind zurzeit für Feuerstätten bis ca. 50 kw konzipiert Mit einer unter Hochspannung stehenden Elektrode werden Partikel ionisiert, die sich anschließend an der elektrisch neutralen Abscheidewand/Abgasrohr und an der negativ geladenen Elektrode niederschlagen In Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit, Art der Feuerstätte und Dimensionierung des Abscheiders sind laut Herstellerangaben Abscheidegrade für Staubpartikel bis über 90 % möglich

21 Funktion des Partikelabscheiders

22 Einbaubeispiel Verbindungsleitung Stromverbrauch Betrieb: < 15 W Stromverbrauch Standb.: < 5 W Max. Abgastemp. 500 C Max. Lufttemp. Lüfter und Steuerelektronik: ca. 50 C Hochspannung 19-22,5 kv Volumen Spühlluft: ca. 5m³ Durchnittlicher Abscheidegrad: 73%

23 Partikelabscheidung

24 Schräder System zur Wärmerückgewinnung und Brennwertnutzung AWT-Top Vorteile: Nutzung moderner Brennwerttechnik auch bei Biomasse möglich Nachrüstbar ermöglicht Leistungssteigerung bis 20 % Sicher und langlebig Einfache Installation Maßgeschneidert für die Anlagen Integrierte Reinigungsdüsen

25 Feinstaubfilter Al-Top Die Filterung erfolgt in einem zentral im Abgasstrom eingesetzten Filterelement Ein Ventilator fördert das Rauchgas durch das Filterelement, während um das Filterelement herum ein ausreichender freier Querschnitt vorhanden ist, um die Brennstelle auch bei blockiertem Filter sicher zu betreiben. So ist garantiert, dass in jedem Fall ein Abgasrückstau vermieden wird. Das Filterelement ist eine porige Schaumkeramik mit einer entsprechend definierten Porengröße Durch unterschiedliche Porengrößen, Filterflächen und Filterdicken lassen sich die gewünschten Filtrationseigenschaften der jeweiligen Anwendung entsprechend einstellen Durch eine zusätzliche elektrostatische Aufladung der Partikel kann der Wirkungsgrad des Filters deutlich gesteigert und Feinstaubfraktionen besser abgeschieden werden.

26 Feinstaubfilter Al-Top

27 Feinstaubfilter Al-Top Je nach Art und Feuchtigkeit des Brennstoffes ist das Filterelement nach 10 bis 50 Stunden soweit beladen, dass die Durchlässigkeit des Filters stark abnimmt. Die Filterelemente sind hochtemperaturbeständig und die Reinigung des Filters erfolgt durch Abbrennen des Rußes. Die Zündung erfolgt hierzu durch eine kurzzeitige elektrische Beheizung der Filterelemente, die dadurch die für den Abbrand erforderliche Temperatur erhalten. Neben der Rußbeladung des Filters ist die Beladung mit Asche zu entsorgen. Reinigung erfolgt durch die Umkehr der Drehrichtung des Ventilators; das Material wird aus dem Filter geblasen. Die Asche fällt in den Kaminschacht und kann dann entsorgt werden

28 Feinstaubfilter Al-Top Vorteile: Einfaches Gerät in kompakter Bauweise bis 300 kw Geringer Strombedarf und Wasserverbrauch Hohe Reinigungsleistung 82 % Abscheidegrad lt. Gutachten Hoher Automatisierungsgrad Nachrüstbar Geringer Strömungswiderstand Verschleiß- und wartungsarm Parallel schaltbar Einsatzgebiet: Durch seine kompakten Baumaße kann der AL-Top sowohl zur Erstausstattung wie auch zur Nachrüstung von Feststofffeuerungsanlagen eingesetzt werden. Die Filtereinheit erzeugt einen sehr geringen Druckverlust und ermöglicht dadurch einen problemlosen Betrieb.

29 Katalysator zur Staubminderung (FIRECAT )

30 Funktionsweise Katalysator Der Katalysator wird im Abgasstrom platziert und wandelt bei genügend hohen Temperaturen, Produkte einer unvollständigen Verbrennung um (Katalyse) Neben der Umwandlung von gasförmigen Schadstoffen werden auch unvollständig oxidierte Partikel im Katalysator nachverbrannt 90 % Reduktion der schädlichen Emissionen Der Abgaskatalysator wird zurzeit ausschließlich direkt vom Produzenten in neue Feuerstätten eingebaut Für die Reinigung kann der Abgaskatalysator entfernt und mit Wasser gewaschen werden (Reinigung mit Druckluft/Druckwasser verboten) Maße: ca. 100 x 100 x 100 mm

31 Pellet-Brennwertkessel Folie 31

32 Ausblick Der Beitrag von modernen Pellets- und Holzvergaserkesseln an der Feinstaubdiskussion ist völlig überzogen Die zunehmende Nutzung von Holz und Kohle in ungeregelten nicht dem Stand der Technik entsprechenden - Einzelöfen führt zur wesentlichen Steigerungen der Feinstaubemissionen Der Austausch alter Feuerstätten gegen moderne und emissionsarme Pellet- und Holzheizkessel ist das größte Staub-/Feinstaub-Minderungspotenzial Die gesundheitlichen Auswirkungen von Emissionen aus Biomassefeuerungen sind noch nicht ausreichend erforscht

33 Schlusswort Es erscheint weiterhin geboten, dass sowohl primärals auch sekundärseitig Technologien zur weiteren Staub-/Feinstaubreduktion entwickelt bzw. weiterentwickelt und verstärkt am Markt angeboten werden.

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Thank you very much for your attention Dipl.-Ing. Wilfried Linke BDH Bundesindustrieverband Deutschland Haus-, Energie- und Umwelttechnik e. V. BDH