Verbrennung von Getreidekorn in kleinen Feuerungsanlagen

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1 Verbrennung von Getreidekorn in kleinen Feuerungsanlagen TerraTec / enertec 2007, Messe Leipzig Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft Inhaltsverzeichnis Einleitung A Inhalte der Untersuchungen B Ergebnisse der Brennstoffuntersuchungen C Rechtliche Rahmenbedingungen D Ergebnisse der Emissionsuntersuchungen E Perspektiven 1

2 Untersuchungen an verschiedenen Stroh- und Getreidefeuerungsanlagen < 3,15 MW th 1. Untersuchungen zum Einfluß der Brennstoffart und ~qualität auf die Zusammensetzung der Reststoffe und deren Verwertung am Strohheizwerk Schkölen zur Sicherung der Umweltverträglichkeit ( ) (TLL/TLU - 1 Anlage) 2. Voraussetzungen zur Standardisierung von biogenen Festbrennstoffen ( ) (TLL/TLU - 3 Anlagen) 3. Prüfung d. Gebrauchstauglichkeit von Non-Food Getreide und dessen Eignung für die thermische Verwertung (2001) (ILK) 4. Energetische Verwertung von Getreide und Halmgutpellets ( ) (TLL / TLUG / IE - 5 Anlagen) 5. Untersuchungen zum Emissionsverhalten getreide- und halmguttauglicher Feuerungsanlagen ( ) (TLL / TLUG / ILK - 5 Anlagen + Filtertechnik) DEULA SH Paul Künzel GmbH Prisdorf TU Hamburg-Harburg FNR Gülzow WKI Braunschweig FBZ e.v. Merseburg FH Köln TLL Dornburg ILK Dresden FH Bingen Koordination FNR/TLL weitere Felduntersuchungen TLL/TLUG/ILK (5 Anlagen) FH Köln (5 Anlagen), DEULA (1), FBZ (1) Zwischenergebnisse! FuE-Vorhaben primäre/sekundäre Emissionsminderungen IVD Stuttgart Grimm GmbH Amberg FH Amberg-Weiden ATZ Sulzbach Rosenberg TFZ Straubing Koordination F&E Feldtests 2

3 Europäische Anbieter von Heizanlagen für Getreide ( < 100 kw th ) Europäische Anbieter von Heizanlagen für Getreide ( < 100 kw th ) 3

4 Inhaltsverzeichnis Einleitung A Inhalte der Untersuchungen B Ergebnisse der Brennstoffuntersuchungen C Rechtliche Rahmenbedingungen D Ergebnisse der Emissionsuntersuchungen E Perspektiven Kontinuierliche Messung von: O 2, CO, CO 2, SO x, NO x, N 2 O, Ges-C Diskontinuierliche Messung von: Staub, Feinstaub PCDD/F, PAK, HCl Benzol 4

5 Inhaltsverzeichnis Einleitung A Inhalte der Untersuchungen B Ergebnisse der Brennstoffuntersuchungen C Rechtliche Rahmenbedingungen D Ergebnisse der Emissionsuntersuchungen E Perspektiven B Ergebnisse der Brennstoffuntersuchungen Physikalisch-mechanische Brennstoffeigenschaften z.b. Schüttdichte Transport, Lagerdichte Wassergehalt Lagerung, Heizwert, Ausbrand Aschegehalt Auslegung Austragsystem, Staubemission Spelzanteil Schüttdichte, Zündverhalten, Ascheschmelzverhalten Chemisch-stoffliche Brennstoffeigenschaften z.b. Stickstoff NO x -Emissionen Schwefel SO x -Emissionen, Korrosion Chlor HCl-,PCDD/F-Emissionen, Korrosion Kalium Ascheschmelzverhalten, Korrosion Natrium Ascheschmelzverhalten, Korrosion Calzium Ascheschmelzverhalten 5

6 Brennstoffeigenschaften- Vergleich Rohaschegehalte 16,0 Rohaschegehalt [% d. TM] 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 Körner Stroh Ganzpflanze Holz 0,0 n = 25 n = 23 n = 25 n = 15 n = 5 n = 14 n = 52 n = 55 n = 51 n = 46 n = 47 n = 42 n = 288 n = 12 n = 51 Roggen Weizen Gerste Triticale Hafer Raps Roggen (Avanti) Weizen MAX 2,0 1,9 3,0 2,1 4,9 4,8 8,4 12,8 9,3 10,9 12,0 7,6 4,5 1,2 2,2 MIN 1,5 1,3 1,9 1,6 3,0 4,1 2,6 3,2 3,0 4,8 4,0 3,4 0,6 0,3 0,2 MW 1,7 1,6 2,5 2,1 3,5 4,4 5,5 6,3 6,5 8,0 8,0 5,0 2,0 0,6 0,8 (Batis) Gerste (Theresa) Hafer Raps (Flämlingslord) (Express) Triticale - GP Pappel Laubholz Nadelholz Brennstoffeigenschaften- Vergleich Stickstoff 4,50 Stickstoffgehalt [% d. TM] 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 Körner Stroh Ganzpflanze Holz 0,50 0,00 n = 25 n = 23 n = 25 n = 15 n = 5 n = 14 n = 52 n = 55 n = 51 n = 46 n = 47 n = 42 n = 288 n = 55 n = 41 Roggen Weizen Gerste Triticale Hafer Raps Roggen (Avanti) Weizen (Batis) Gerste (Theresa) Hafer Raps (Flämlings(Express) lord) Triticale - Pappel Laubholz Nadelholz GP MAX 1,97 2,59 2,22 2,18 2,27 3,85 1,13 0,93 1,27 1,13 1,49 1,42 1,22 2,66 0,28 MIN 1,51 2,10 1,59 1,66 1,54 3,21 0,33 0,28 0,29 0,22 0,42 0,38 0,19 0,11 0,07 MW 1,72 2,36 1,96 1,91 1,87 3,51 0,59 0,58 0,63 0,53 0,76 1,06 0,56 0,49 0,14 6

7 Brennstoffeigenschaften- Vergleich Chlor Chlorgehalt [% d. TM] 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 n = 25 n = 23 n = 25 n = 15 n = 5 n = 14 n = 52 n = 55 n = 51 n = 46 n = 47 n = 42 n = 288 n = 44 n = 36 Roggen Weizen Körner Gerste Triticale Hafer Raps Roggen (Avanti) Weizen (Batis) Stroh Gerste (Theresa) Hafer Raps (Flämlingslord) (Express) Holz Triticale - Pappel Laubholz Nadelholz GP MAX 0,09 0,10 0,18 0,07 0,12 0,07 0,73 0,67 1,56 1,69 1,83 0,53 0,11 0,07 0,02 MIN 0,03 0,07 0,08 0,03 0,05 0,02 0,03 0,02 0,03 0,06 0,06 0,01 0,00 0,01 0,00 MW 0,07 0,08 0,13 0,05 0,10 0,04 0,24 0,23 0,43 0,64 0,58 0,16 0,02 0,02 0,01 Ganzpflanze Brennstoffcharakteristik Vergleich Ascheschmelzverhalten Temperatur [ C] Sintertemperatur Erweichungstemperatur Sphärischtemperatur Halbkugelpunkt Fließtemperatur Nacktgetreide Spelzgetreide Triticale-GP Getreidestroh Miscanthus Waldholz 7

8 Inhaltsverzeichnis Einleitung A Inhalte der Untersuchungen B Ergebnisse der Brennstoffuntersuchungen C Rechtliche Rahmenbedingungen D Ergebnisse der Emissionsuntersuchungen E Perspektiven C Rechtliche Rahmenbedingungen Relevante Emissionsgrenzwerte beim Einsatz von festen Bioenergieträgern Anlagengröße relevante Bezugs- (nach 4. BImSchV [TA-Luft] Emissionsgrenzwerte bzw. 1. BImSchV) Vorschrift sauerstoff CO Staub Ges.-C NO x SO 2 Einsatz von Getreide bzw. Ganzpflanzen in Anlagen der Emissionsgrenzwerte bei der Verfeuerung von unbehandeltem Holz 4.BImSchV möglich!!! Vol. % g/m 3 n mg/m 3 n mg/m 3 n mg/m 3 n g/m 3 n < 15 kw keine Emissionsbeschränkungen kw 1.BImSchV ab kw 1.BImSchV nach Ziffer d. Anhanges 150 der -4. BImSchV - jedoch kw 1.BImSchV genehmigungsbedürftig kw 1.BImSchV 13 0, ,5 MW TA-Luft 11 0, ,0 2,5-5 MW TA-Luft 11 0, ,0 Vereinfachtes Verfahren bis 1 MW th nach 19 BImSchG 5-50 MW TA-Luft 11 0, ,0 Besondere Regelung beim Einsatz von Stroh und ähnlichem pflanzlichen Material Förmliches < 15 kw Verfahren ab 1 kein MWEinsatz th nach von Halmgut erlaubt 10 BImSchG kw 1.BImSchV kw TA-Luft 11 0, ,0 Anlagen < 100 kw im Geltungsbereich der 1. BImSchV 1-50 MW TA-Luft 11 0, ,0 Getreide noch kein Regelbrennstoff Aufnahme mit der Novellierung geplant Anforderungen unklar! Zusätzlich können weitere Grenzwerte aus den allgemeinen Anforderungen der TA- Luft herangezogen werden. Dies betrifft neben bestimmten Staubinhaltsstoffen auch weitere organische und anorganische Komponenten u.a. HCl, PCDD/F 8

9 Kein Einsatz von Getreide bzw. Ganzpflanzen in Anlagen der 1.BImSchV möglich Ausnahmen nach BImSchV bislang: Bayern & Thüringen: Baden-Württemberg: nur Getreide von Flächen auf welchen mind. 1 Jahr kein chlorhaltiger Mineraldünger eingesetzt wurde Anlagen auf Prüfstand (13 % O 2 ) NOx < 500 mg/m³ und Staub 75 mg/m³ Anlagen in Praxis (13 % O 2 ) nur in Betrieben der Land- und Forstwirtschaft, Gartenbau sowie agrargewerblichen Sektor bis 50 kw: Staub 100 mg/m³ CO 1,0 g/m³ über kw: Staub 75 mg/m³ CO 0,5 g/m³ nur bauartgeprüfte Anlagen von kW Anlagen auf Prüfstand (13 % O 2 ) NOx < 500 mg/m³ und Staub 75 mg/m³ 15 bis 50 kw: CO 0,5 g/m³ über kw: CO 0,25 g/m³ Anlagen in Praxis (13 % O 2 ) in Betrieben der Land- und Forstwirtschaft, Gartenbau sowie agrargewerblichen Sektor 15 bis 50 kw: Staub 100 mg/m³ CO 1,0 g/m³ über kw: Staub 75 mg/m³ CO 0,5 g/m³ in sonstigen Fällen 15 bis 50 kw: Staub 20 mg/m³ CO 1,0 g/m³ über kw: Staub 20 mg/m³ CO 0,5 g/m³ Ausnahmen nach BImSchV - Sachsen (SMUL): : nur in Betrieben der Landwirtschaft, Gartenbau sowie Getreidehandel und ~mühlen inkl. zugehöriger Wohnstätten Einsatz von Getreideganzpflanzen und Getreide (N: 1,5/2,5; Cl: 0,4/0,2) minderwertiges sowie nicht backfähiges Getreide, welche nicht als Nahrungsmittel verwendbar sind nur bauartgeprüfte Anlagen von kw Anlagen auf Prüfstand (13 % O 2 und in Anlehnung an DIN EN 303 Teil 5) NOx < 800 mg/m³, sowie Dioxine/Furane 0,1 ng/m³ - Bescheinigung Kesselhersteller Anlagen in Praxis (13 % O 2 ) 15 bis 100 kw: Staub 75 mg/m³; CO 0,5 g/m³ 6 Absatz 3 der 1. BImSchV ist anzuwenden (handbeschickten Betrieb Volllast Pufferspeicher bzw. Emissionswerte bei Teillast) Überwachung nach 14 und 15 Ausnahmeregelungen gelten unter Vorbehalt - Novellierung der 1. BImSchV! 9

10 Inhaltsverzeichnis Einleitung A Inhalte der Untersuchungen B Ergebnisse der Brennstoffuntersuchungen C Rechtliche Rahmenbedingungen D Ergebnisse der Emissionsuntersuchungen E Perspektiven Zwischenergebnisse der aktuellen Felduntersuchungen (Deula, FH Köln, FBZ, TLL) Kohlenmonoxid-Emissionen- Vergleich Referenzbrennstoffe CO [mg/nm³, tr.; 13 % O2; 15 min MW] HKRST 30 (TA Luft) Agro 40 (1. BImSchV) Winterweizen Korn (RB) C 4 (1. BImSchV) AWK 45 SI (TA Luft) HKRST 100 (1. BImSchV) BImSchV EPP UBA TLL FH Köln FH Köln FBZ DEULA n = 46 n = 6 n = 5 n = 137 n = 6 MAX MIN MW

11 Staub-Emissionen - Vergleich Referenzbrennstoffe Staub [mg/nm³, tr.; 13 % O2; 15 min MW] HKRST 30 (TA Luft) Agro 40 (1. BImSchV) Winterweizen Korn (RB) C 4 (1. BImSchV) AWK 45 SI (TA Luft) BImSchV HKRST 100 (1. BImSchV) EPP UBA 1. Stufe TLL FH Köln FH Köln FBZ EPP DEULA UBA 2. Stufe n = 4 n = 6 n = 5 n = 3 n = 6 MAX MIN MW Wirtschaftlichkeit Wirtschaftlichkeitsvergleich von 25 kw th Anlagen (o.mwst.) 12,00 Kapitalkosten Cent/kWh Betriebsgebundene Kosten Cent/kWh Brennstoffkosten Cent/kWh 10,00 Kosten in Cent/kWh 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 Erdgas 5,7 Ct/kWh 11

12 Wirtschaftlichkeit Wirtschaftlichkeitsvergleich von 500 kw th Anlagen (o.mwst.) 8,00 7,00 Kapitalkosten Cent/kWh Betriebsgebundene Kosten Cent/kWh Brennstoffkosten Cent/kWh Kostenkalkulation für 500 kwth Anlagen ohne bauliche Einrichtungen frei Heizwerk 6,00 Kosten in Cent/kWh 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Heizöl 55 ct/l Industrie- Wald- Holzhackschnitzel 50 Holzhackschnitzel 90 /tts /tts Industrie-Holzpellets 120 /tts DIN-Holzpellets 195 /tts Strohballen 65 /tts m.f. Getreide 110 /tts k.t.; m. F. Inhaltsverzeichnis Einleitung A Inhalte der Untersuchungen B Ergebnisse der Brennstoffuntersuchungen C Rechtliche Rahmenbedingungen D Ergebnisse der Emissionsuntersuchungen E Perspektiven 12

13 E Perspektiven- weitere Entwicklungen 1. Optimierung bzw. Weiterentwicklung von konventionellen Feuerungssystemen Fa. Heizomat E Perspektiven- weitere Entwicklungen 2. Entwicklung von neuen Feuerungssystemen (Forschung) Wassergekühlter Vorofen 13

14 E Perspektiven- weitere Entwicklungen 3. Entwicklung von Abscheidetechnologien Brennwerttechnik E Perspektiven- weitere Entwicklungen 4. Entwicklung von Abscheidetechnologien elektrostatische Abscheider (Praxisreife Prototypen) Bioenergie-Technik, Starnberg EMPA, Zürich ILK, Dresden; TLL Jena 14

15 E Perspektiven- weitere Entwicklungen 5. Entwicklung von Abscheidetechnologien Forschung ALPHA-Filter Schüttschichtfilter Rauchgas aus Kessel Schwenkhebel Schüttschicht Gereinigtes Abgas zum Kamin Schwenkbares Lochblech Ausziehbare Metallschublade Schubladengriff E Perspektiven- weitere Entwicklungen 6. Entwicklung von neuen Feuerungssystemen (Forschung) Entwicklung einer Low-NO x -Feuerung zur Verbrennung von Getreide und Halmgütern nach dem FLOX-Prinzip Quelle: Fachhochschule Bingen 15

16 E Perspektiven- weitere Entwicklungen 7. Erprobung innovativer Brennstoffe, Feuerungsysteme und Abscheidetechniken größte Getreidefeuerungsanlage Deutschlands TLL TZNR Dornburg bei Jena Weitere Informationen unter bzw. 16

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