Untersuchungen zur Verbrennung von halmgutartiger Biomasse

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1 Festbrennstoffe in und aus der Landwirtschaft am 25. Sep in Bernburg Untersuchungen zur Verbrennung von halmgutartiger Biomasse Dipl.-Ing.(FH)

2 Untersuchungen zur Verbrennung von halmgutartiger Biomasse Überblick Halmgutartige Brennstoffe Brennstoffqualität Herstellung von Brennstoffpellets Möglichkeiten zur Verbesserung der Brennstoffqualität Ergebnisse von Abbrandversuchen in verschiedenen Heizkesseln Zusammenfassung/Ausblick

3 Halmgutartige Biomasse Getreidestroh Bereitstellung Häcksel, Ballen Aufbereitung Pelletieren, Brikettieren Getreideganzpflanzen Grünlandaufwüchse Energetische Nutzung in Feuerungsanlagen Miscanthus Asche

4 Feuerungstechnische und emissionsrelevante Eigenschaften biogener Festbrennstoffe Brennstoff N % S % K % Cl % Asche % Heizwert Hu(wf) MJ/kg Getreidestroh 0,6 0,08 1,2 0, ,5 Getreide-GP 1,0-1,5 0,2 1,0 0, ,1 Heu intens. 1,7 0,2 1,4 0, ,3 Heu extens. 1,2 0,1 1,5 0, ,2 Miscanthus 0,4 0,06 0,5 0,2 3 17,6 Fichtenholz 0,1 0,02 0,1 0,01 0,5-2 18,8 Auswirkungen spezifischer Inhaltsstoffe bei der Brennstoffnutzung: Stickstoff/Schwefel: Emissionen an NOx, SOx Kalium: Senkung der Ascheerweichungstemperatur Verschlackung Asche: Anpassung der Entaschung der Heizanlage, Staubemissionen Chlor: Emissionen an HCl, Korrosionsgefahr

5 Schüttgewichte und Energiedichte verschiedener Aufbereitungsformen biogener Festbrennstoffe Aufbereitung Holz Scheitholz Hackschnitzel Holzpellets Halmgut Lose Häcksel (Stroh) Rundballen (Stroh) Rundballen (Getreide-GP) Quaderballen (Stroh) Strohbriketts Strohpellets Getreidekorn (Weizen) Heizöl Schüttgewicht kg/m³ Energiedichte MJ/m³ Quelle: eigene Erhebungen, Leitfaden Bioenergie (2000)

6 Pelletierung von halmgutartiger Biomasse Optimierung der Brennstoffeigenschaften: Homogenität, geringer Feuchtegehalt hohes Schüttgewicht und Energiedichte => verbesserte Transport- u. Lagereigenschaften gute Dosier- und Rieselfähigkeit => automatische Beschickung des Heizsystems Beimischungen (Holz, Kalk, u.a.) möglich => Verbesserung der Verbrennungseigenschaften Nachteil: höhere Brennstoffkosten => Preis für die Pelletierung: /Tonne (zzgl. Material)

7 Untersuchungen zur Herstellung und Nutzung verschiedener Biomassepellets Herstellung verschiedener Pelletvarianten verschiedene Biomassen: Weizenstroh, Heu, Miscanthus, Rapspresskuchen Zuschlagstoffe: Melasse, Stärke, Bruchkörner Holzhobelspäne, -sägespäne, Dolomitkalk in verschiedenen Korngrößen, Talkum Aufbereitung: Zerfaserung, Mahlgutgröße, Pelletdurchmesser Untersuchungen Chemische Analysen der Brennstoffe und Aschen (Inhaltstoffe, Heizwert) Festigkeit (Feinanteil, Schüttgewicht, Druck-, Sturz-, Abriebfestigkeit) Ascheschmelzverhalten (Temperatur, Aschefraktionen) Abbrandversuche (Emissionen, Kesselwirkungsgrad)

8 Zerfaserung von Biomasse Doppelschneckenextruder der Fa. Lehmann Maschinenbau GmbH Strohfaserstoff

9 Untersuchungen zur Herstellung und Nutzung verschiedener Biomassepellets Herstellung verschiedener Pelletvarianten verschiedene Biomassen: Weizenstroh, Heu, Miscanthus, Rapspresskuchen Zuschlagstoffe: Melasse, Stärke, Bruchkörner Holzhobelspäne, -sägespäne, Dolomitkalk in verschiedenen Korngrößen, Talkum Aufbereitung: Zerfaserung, Mahlgutgröße, Pelletdurchmesser Untersuchungen Chemische Analysen der Brennstoffe und Aschen (Inhaltstoffe, Heizwert) Festigkeit (Feinanteil, Schüttgewicht, Druck-, Sturz-, Abriebfestigkeit) Ascheschmelzverhalten (Temperatur, Aschefraktionen) Abbrandversuche (Emissionen, Kesselwirkungsgrad)

10 Qualitätsparameter ausgewählter Pelletvarianten Pelletcharge Weizenstroh 3 % Melasse 2 % Dolomitkalk fein 6 % Dolomitkalk fein 2 % Dolomitkalk grob 50 % Holzspäne Strohfaserstoff 6 mm Durchmesser Heu (extensiv) Schüttgewicht kg/m³ Abrieb % 7,6 6,2 12,3 13,0 15,8 27,4 4,7 7,2 1,8 Heizwert Hu (wf) MJ/kg 17,7 17,3 17,4 16,1 17,2 18,1 17,5 17,4 17,5 Aschegehalt % 4,6 6,2 6,0 10,8 5,5 5,3 6,0 6,7 7,5 3 % Melasse 50 % Holzspäne Heufaserstoff 5 % Talkum Miscanthus Rapspresskuchen Holzpellets DINplus ,6 3,3 1,3 11,7 8,9 45,1 <2,3 17,3 18,0 17,9 16,0 18,1 18,3 18,0 7,9 4,9 5,6 11,4 2,7 6,1 <0,5

11 Einfluss des Einsatzes von Dolomitkalk auf das Ascheschmelzverhalten und die Pelletfestigkeit Temperatur in C Strohpellets mit 2 % Dolomitkalk mit 4 % Dolomitkalk mit 6 % Dolomitkalk Holzpellets Sinterpunkt Erweichungspunkt Halbkugelpunkt Fließpunkt Weizenstrohpellets ohne Zuschläge Abrieb = 7,8 % mit 2 % Kalksand Abrieb = 15,8 %

12 Qualitätsparameter ausgewählter Pelletvarianten Pelletcharge Weizenstroh 3 % Melasse 2 % Dolomitkalk fein 6 % Dolomitkalk fein 2 % Dolomitkalk grob 50 % Holzspäne Strohfaserstoff 6 mm Durchmesser Heu (extensiv) Schüttgewicht kg/m³ Abrieb % 7,6 6,2 12,3 13,0 15,8 27,4 4,7 7,2 1,8 Heizwert Hu (wf) MJ/kg 17,7 17,3 17,4 16,1 17,2 18,1 17,5 17,4 17,5 Aschegehalt % 4,6 6,2 6,0 10,8 5,5 5,3 6,0 6,7 7,5 3 % Melasse 50 % Holzspäne Heufaserstoff 5 % Talkum Miscanthus Rapspresskuchen Holzpellets DINplus ,6 3,3 1,3 11,7 8,9 45,1 <2,3 17,3 18,0 17,9 16,0 18,1 18,3 18,0 7,9 4,9 5,6 11,4 2,7 6,1 <0,5

13 Einflussmöglichkeiten auf die Brennstoffqualität Modifizierung der Verfahrensparameter: Druck, Temperatur, Verweilzeit, u.a. Feuchte des Ausgangsmaterials: optimal ca. 12 % sonst Abnahme der Festigkeit Mischen, Trocknen Zugabe von Wasser oder Wasserdampf (Dampferzeuger) bei geringerer Feuchte möglich Bindemittel (z.b. Melasse, Stärke): nicht dringend erforderlich flüssige Bindemittel nur bei geringer Feuchte des Ausgangsmaterials Holzspäne: deutliche Reduzierung der emissionsrelevanten Inhaltsstoffe und Verbesserung des Ascheschmelzverhaltens bei einem Mischungsanteil von 50 % Kalk: mind. 5 % - 10 % zur Verbesserung des Ascheschmelzverhaltens, Verschlechterung der Festigkeit, Erhöhung des Ascheanteils, Senkung des Heizwertes Zerfasern des Ausgangsmaterials: Erhöhung der Pelletfestigkeit

14 Untersuchungen zum Abbrand- und Emissionsverhalten in verschiedenen Heizanlagen Biomassekompaktkessel Ökotherm CO kw (49 kw, Hackschnitzel) Fa.Reka, Modell HKRST 30/3 (30/32 kw, Holzhackschnitzel, Holzpellets) Pelletkessel Fa. Ferro BIOMAT FB 23 L (23 kw, Holzpellets)

15 Ergebnisse der Abbrandversuche Biomassekompaktkessel ÖKOTHERM CO 49 kw Durchführung der Messungen am Kesselprüfstand Institut für Luft- und Kältetechnik ggmbh (ILK) Dresden mg/nm³ CO- und NOx-Emissionen Weizenstrohpellets Heupellets CO [mg/nm³] NO2 [mg/nm³]

16 Ergebnisse der Abbrandversuche Biomassekompaktkessel ÖKOTHERM CO 49 kw Durchführung der Messungen am Kesselprüfstand Institut für Luft- und Kältetechnik ggmbh (ILK) Dresden mg/nm³ Strohpellets Staub-Emissionen Heupellets Staub [mg/nm³] Grenzwert 1.BImSchV 150 mg/nm³ Grenzwert der 1.BImSchV von 150 mg/nm³ wurde beim Abbrand von Heupellets deutlich überschritten!

17 Fotos: Heidenreich, ILK Dresden

18 Ergebnisse der Abbrandversuche im Pelletkessel Fa.Ferro BIOMAT FB 23 L Durchführung der Messung Institut für Energetik und Umwelt ggmbh Leipzig mg/nm³ Strohpellets CO- und NOx-Emissionen Heupellets CO [mg/nm³] NO2 [mg/nm³]

19 Ergebnisse der Abbrandversuche im Pelletkessel Ferro BIOMAT FB 23 L Durchführung der Messung Institut für Energetik und Umwelt ggmbh Leipzig mg/nm³ 600 Staub-Emissionen Staub [mg/nm³] Strohpellets Heupellets Grenzwert 1.BImSchV 150 mg/nm³

20 Ergebnisse der Abbrandversuche im REKA HKRST 30/3 (32 kw) Durchführung der Messungen an einer Praxisanlage Institut für Luft- und Kältetechnik ggmbh (ILK) Dresden mg/nm³ CO-, NOx- und Staub-Emissionen CO [mg/nm³] NO2 [mg/nm³] Staub [mg/nm³] WSP + 50 %HS HP_GL0 HP_GL2 HP 10 %Talkum M iscanthus Weizenstrohpellets Rapspresskuchenpellets Grenzwert 1.BImSchV 150 mg/nm³

21 Verschlackungsverhalten Miscanthus-Asche Heu-Asche Weizenstroh-Asche Rapspresskuchen-Asche

22 Energetische Nutzung halmgutartiger Biomasse Zusammenfassung - Potenziale an halmgutartiger Biomasse für die energetische Nutzung sind im Wesentlichen noch ungenutzt - Halmgutartige Brennstoffe enthalten hohe Mengen emissionsrelevanter Mineralstoffe und erzeugen beim Abbrand höhere Staubemissionen als holzartige Brennstoffe (Rapspresskuchen) < Stroh, Miscanthus < Heu - Rapspresskuchen ist hinsichtlich der hohen NOx-Emissionen problematisch - Weiterentwicklung spezifischer Feuerungstechnik und (kostengünstigerer) Abgasreinigungsanlagen erforderlich! - Zur Nutzung des Biomassepotenzials ist das Netz dezentraler Bioheizanlagen, die Herstellung und der Handel mit Biobrennstoffen verstärkt auszubauen - Der Landwirt als Energiewirt Entlastung der Agrarmärkte Einkommensalternative/Arbeitsplätze im ländlichen Raum - Nutzung fester Biomasse ermöglicht Schutz fossiler Ressourcen, Reduzierung der CO 2 -Emissionen

23 Ausblick Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit